ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОЧИЩЕННОГО ЭКСТРАКТА ШУНГИТА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

В последние десятилетия наиболее активно проводятся исследования уникальной горной породы – шунгита, природного нанотехнологического минерала. Основными компонентами шунгитовой породы являются шунгитовый углерод  и кремнезем, а также компоненты в виде окислов: TiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, Fe₂O₃. Кроме того, содержится целый ряд микроэлементов, в том числе и редкоземельных элементов – лантаноидов [6, 11]. Данный минерал, обладающий сорбционными, каталитическими и восстановительными свойствами, используется для очистки воды от многих неорганических и органических веществ. В России фильтры для очистки воды на основе шунгита разрабатываются с 1995 года. На рынке отечественных производителей фильтров имеется ряд крупных фирм, которые производят бытовые и промышленные шунгитные фильтры [3].

Несмотря на длительный период использования шунгита, данный минерал до сих пор остается загадкой для ученых. Установлено, что в составе шунгита наряду с большей частью химических элементов таблицы Д.И. Менделеева присутствует особая форма углерода - фуллерен. Известно, что фуллерены хорошо растворимы в органических растворителях - бензоле, толуоле, четыреххлористом углероде, то есть в физиологически неприемлемых условиях. При этом фуллерены с большим трудом экстрагируются в воду и в тоже время положительные свойства шунгитовой воды связывают именно с присутствием в её составе фуллеренов [2, 3, 4].

Ранее в нашей работе [7] методами масс-спектрометрии и хроматографии было показано, что помимо фуллерена, а также макро- и микроэлементов в составе минерала шунгита содержатся редкоземельные ультрамикроэлементы – лантаноиды. Была дана количественная и качественная характеристика по содержанию макро-, микро- и ультрамикроэлементов в водных экстрактах минерала [3]. Лантаноиды вместе с лантаном, скандием и иттрием относятся к редкоземельным элементам (РЗЭ) и представляют большой интерес для биологии, что связано с возможностью замены некоторых жизненно необходимых металлов на редкоземельные. Например, сходство химических свойств кальция и лантаноидов позволяет заменять ионы кальция на последние.

Лантаноиды могут образовывать прочные соединения с фосфатами (в том числе входящими в состав мембран и нуклеотидов). Они применяются и как антикоагулянты, поскольку способны ингибировать синтез протромбина в печени [12]. Одним из возможных объяснений высокой биологической активности экстрактов шунгита является присутствие в их составе не только фуллеренов, но и других минералов, в частности, лантаноидов. Из всего списка полезных свойств шунгита следует выделить сведения о бактерицидных свойствах шунгитовой воды, что может иметь практическое значение при эрадикации, например, из воды и биологических жидкостей возбудителей бактериальной и вирусной этиологии.

Цель данной работы заключалась в отработке методики получения очищенных и стерильных водных экстрактов шунгита, содержащего в основном редкоземельные ультрамикроэлементы — лантаноиды.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- из щебня шунгита получить концентрированные водные экстракты в различных вариантах;

- провести очистку экстракта шунгита от макро- и микроэлементов методом нейтрализации кислотности;

- методом замораживания – оттаивания удалить из экстракта органические примеси;

– получить стерильные растворы экстракта шунгита.

Материалы и методы исследований

Экстракты готовили на основе покупного природного шунгита в виде щебня, изготовленного в соответствии с ТУ 5714-007-12862296-01 «Дробленые и молотые шунгиты Зажогинского месторождения». Производитель: ООО Научно-производственный комплекс «КАРБОН-ШУНГИТ» ул. Мурманская, дом 22, г. Петрозаводск, Республика Карелия, 185031, Россия. Из паспорта безопасности следует: горная порода – шунгита не токсична, экологически безопасна, не требует утилизации, применение без ограничений.

По внешнему виду к особенностям шунгита, использованных в наших исследованиях, относится то, что в отдельных партиях щебня отчетливо просматриваются включения железа, в других партиях – прожилки слюды.

В качестве экстрагента минералов использовали дистиллированную воду. Водородный показатель контролировали на лабораторном рН-метре «Эксперт-001».

Результаты исследований

Методика проведения опытов по получению водных экстрактов заключается в следующем: щебень шунгита после промывки водопроводной водой помещали в пластиковую или стеклянную  емкость и заливали дистиллированной воды из расчета 200г на 1 л воды. Экстракцию проводили при комнатной температуре не менее 72 часов. Количественный и качественный минеральный состав водных экстрактов был определен ранее и приведен в работе [8].

Известно, что лантаноиды наиболее эффективно растворяются в кислой среде с рН 2,0-3,0. В связи с этим после добавления воды к щебню шунгита если водородный показатель водной среды превышал рН 3,0 проводили подкисление водной среды до рН 2,0-2,3 добавлением одной концентрированных кислот: соляной, серной или азотной кислоты. Данные литературы свидетельствуют о том, что в этих условиях при контакте шунгита с водой в воду интенсивно переходят калий, железо, медь, никель, цинк, селен, кобальт и редкие земли (лантаноиды) [13].

По окончанию процесса экстрагирования водный раствор сливали в эмалированную посуду и проводили концентрирование минеральной составляющей путем выпаривания кипячением. В результате получали концентрированный в водный экстракт шунгита с рН 2,0-2,5.

Для нейтрализации кислотности водного экстракта с рН 2,0-2,5 добавляли небольшими порциями 10% раствор NaOH (КОН) с контролем величины рН. Процесс нейтрализации сопровождается образованием взвеси по всему объёму водного раствора. При взаимодействии со щелочами оксиды макро- и микроэлементов, экстрагированные из щебня  шунгита,  в процессе нейтрализации образуют соль и воду, что визуально отмечается по факту образования взвеси по всему объёму экстракта. В тоже время из данных литературы известно, что оксиды лантаноидов  с растворами щелочей не  взаимодействуют [9].

Для более эффективного отделения осадка экстракты после нейтрализации кислотности центрифугировали при 2 800 об/мин 10 мин. Надосадочную водную фазу сливали в чистые флаконы и использовали для исследований.

Опыты показали, что в результате нейтрализации кислотности в содержимом водных экстрактов шунгита происходит связывание оксидов практически всех макро- и микроэлементов с отделением их в осадок. Степень очистки по данным минералам составляет от 95 до 99 %. Данный феномен описан в литературе при нейтрализации кислого раствора настоянного на шунгите доломитом. С повышением рН с 3,0 до 7,4 изменяется состав раствора за счет выхода из раствора в осадок или по обменной реакции в доломит алюминия, железа, кобальта, меди, цинка и никеля, а также снижается в растворе концентрация редкоземельных элементов (лантаноидов) [13]. Методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой в экстрактах шунгита после нейтрализации кислотности и отделении осадка определяли содержание лантаноидов (рис. 1).

Рисунок 1. Данные масс-спектрометрического анализа экстракта шунгита после нейтрализации кислотности

Относительно происхождения шунгита исследователи сходятся во мнении, что данная горная порода представляет собой окаменевшее вещество органических донных отложений высокого уровня карбонизации [3, 11]. Ранее нами при контроле экстракта шунгита по биохимическому составу установлено, что наряду с минеральной составляющей в экстракте присутствуют компоненты белкового обмена с повышенной концентрацией мочевой кислоты, общего белка, креатинина, щелочной фосфатазы и др. [8].

Для удаления органической составляющей мы использовали метод замораживания-оттаивания экстракта, как общеизвестный метод очистки воды от примесей. Экстракт шунгита, прошедший этап очистки при нейтрализации кислотности и осветленный центрифугированием, замораживали при температуре минус 20ºС. После оттаивания в содержимом экстракта на дне ёмкости наблюдали образование осадка, который удаляли путем фильтрования. Таким образом, при комплексном подходе к очистке экстракта шунгита была определена методика получения очищенного водного экстракта шунгита, включающая удаление оксидов макро- и микроэлементов в реакции нейтрализации кислотности и замораживание – оттаивание, сопровождаемое коагуляцией органической составляющей.

В процессе работы с очищенными экстрактами шунгита мы столкнулись с феноменом активного роста плесневых грибов в растворах с рН 2,5-9,0. Результаты идентификации показали, что водный экстракт минерала шунгита является благоприятной средой для роста и размножения плесневого гриба Кладоспориум (Cladosporium). Споры гриба, попадая из воздуха в процессе работы, через 6-7 дней образуют мицелий. Данное обстоятельство вызывает необходимость проведения стерилизации очищенных растворов экстракта. Для этого раствор экстракта по 400 мл расфасовывали в стеклянные 500 мл флаконы, закрывали резиновыми пробками, закатывали алюминиевыми колпачками и автоклавировали при температуре +121⁰С в течение часа.

Полученные очищенные, концентрированные и стерильные водные экстракты минерала шунгита использовали для целей биотехнологии, например, при очистке сыворотки крови крупного рогатого скота от контаминирующих микроорганизмов и для удаления из воды бактериальной микрофлоры [5, 9].

Список литературы:

1. Калинин Ю.К., Горлов В.И. Вещественный состав шунгитового вещества // Научн. труды Института геологии Кар. фил. АН СССР «Шунгиты Карелии и пути их комплексного использования», Сб. научн. тр. / Карелия. Петрозаводск, 1975. С.44-56.
2. Коньков О.И., Теруков Е.И., Пфаундер Н. Фуллерены в шунгите //Физика твердого тела. – 1995. – Т.36, №10. – С. 3169-3171.
3. Мосин О.В., Игнатов И. Состав и структурные свойства фуллеренсодержащего минерала шунгита // Нано- и микросистемная техника. - 2013, Т. 1. – С. 32-40.
4. Мосин О.В. Новый природный минеральный сорбент – шунгит. Сантехника. 2011. №3. С. 34 – 36.
5. Пат.2664729 Российская Федерация, МПК G01N 33/49. Способ очистки сыворотки крови крупного рогатого скота от контаминирующих агентов / Пономарев А.П., Белик Е.В., Манин Б.Л., Коган М.М.; заявитель и патентообладатель ООО НПП «БИОХИМСЕРВИС». – № 2017117994; заяв. 23.05.17; опубл. 22.08.18, Бюл. №24
6. Платонов В.В., Прокопченков Д.В., Проскуряков В.А., Сычёв А.И., Честнова Т.В., Швыкин А.Ю. Химический состав минерального вещества шунгитовой породы зажогинского месторождения Карельского Заонежья. Вестник новых медицинских технологий. 2006. Т.13. № 4.С. 132
7. Пономарев А.П., Подколзин И.В., Амелин В.Г. Макро-, микро- и ультрамикроэлементы в экстрактах из природного нанотехнологического минерала — шунгита // Нанотехнологии и охрана здоровья. 2012. №2(11). С. 48-55.
8. Пономарев А.П., Большаков Д.С., Дынчик С.Д. Извлечение редкоземельных ультрамикроэлементов – лантаноидов из природного нанотехнологического минерала шунгита // Научный журнал «Pyxis» - Санкт-Петербург. – 2016. – С. 10-19.
9. Пономарев А.П., Подолец А.А., Макина О.А. Использование водного экстракта минерала шунгита для удаления из воды бактериальной микрофлоры // Водоснабжение и санитарная техника. – 2017. –№9. – С. 17-24.
10. Рябчиков Д.И., Рябухин В.А. Аналитическая химия редкоземельных элементов и иттрия. М.: Наука. – 1966. – 378 с.
11. Хромушин В.А., Честнова Т.В., Платонов В.В., Хадарцев А.А., Киреев С.С. Шунгиты, как природная нанотехнология (обзор литературы) // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. 2014. Т. 8. №1. (Дата обращения 1.08.2018).
12. https://www.ja-zdorov.ru/blog/lechebnye-svojstva-shungita-shungit-lechit-so-vremen-petra/
13. www. eko-prod.com/images/ Шунгит в агрономии.doc