Химия и химические технологии/7. Неорганическая химия

Ларин С.Л., Петрищев А.И., Толкин Д.В.

Курский государственный медицинский университет, Россия

Потенциометрическое исследование влияния раствора хлорида цинка на культуру дрожжей

 

Исследование цинка, как микроэлемента имеет огромное значение, поскольку Zn2+ играет важную роль в организме человека: участвует в синтезе костной ткани, в процессах регенерации клеток, стимулирует репродуктивную функцию, является кофактором более 300 ферментов (в т.ч. карбоксипептитаз и карбоксиангидраз) [3,5]. Согласно статистическим данным, в настоящее время в мире 17-25% людей, страдают недостатком цинка. По данным Российского общества микроэлементологии, в России дефициту цинка подвержены от 30 до 90% населения в различных регионах, 66% из которых – дети дошкольного возраста [2,6]. Дисбаланс Zn2+ может вызывать замедление тканевого роста, угнетение иммунной системы, заболевания кожных покровов, нарушение когнитивной функции мозга [1,4]. Восполнение недостатка Zn2+ представляет собой важную проблему, поскольку биодоступность последнего в продуктах питания составляет всего 10-30% [6].

Выделение факторов, оказывающих влияние на доступность ионов цинка в приклеточном пространстве является важной составляющей исследования, направленного на увеличение биодоступности Zn2+ [8]. Электрокинетические свойства ионов цинка в растворе могут оказывать существенное влияние на процесс взамиодействия с живой системой. Для определения этих параметров целесообразно использовать метод прямой потенциометрии, как достаточно чувствительный и не вносящий в исследуемый раствор каких-либо существенных изменений [7].

         Целью данной работы являлось изучение влияния системы, содержащей хлорид цинка на биологическую систему культуры Saccharomyces cerevisiae.

Для исследования был использован иономер «Эксперт-001» (ООО «Эконикс Эксперт», Москва) с двухэлектродной ячейкой, состоящей из индикаторного цинкселективного электрода «ХС-Zn-001» (ООО «Сенсорные системы», Санкт-Петербург) и хлоридсеребрянного электрода сравнения «ЭВА-1М3» (ОАО «Гомельский завод измерительных приборов», Гомель). Измерения проводились при стандартных условиях (298 К, 101,325 кПа). Исследуемые растворы готовились из навески хлорида цинка безводного (марка Ч, ГОСТ 4529-78) растворением в объеме дистиллированной воды (ГОСТ 6709-72). Перед началом измерений электрод отмывался до потенциала используемой дистиллированной воды. Первоначально проводилась калибровка иономера в соотвествии с паспортом растворами хлорида цинка с концентрациями от 5´10-6 до 0,1 моль/дм3. Полученный график зависимости потенциала Е от логарифма концентрации с представлен на рис. 1. Для исследования взаимодействия систем, содержащих хлорид цинка и биологической системы Saccharomyces cerevisiae были использованы растворы ZnCl2 с концентрацией 2,5´10-4, 2,5´10-3 и 2,5´10-2 моль/дм3. Эти концентрации были выбраны с учетом данных полученных из опыта №1, т.к. концентации 2,5´10-4 и 2,5´10-2 – это верхняя и нижняя границы корректной работы электрода, а 2,5´10-3 – среднее значение линейного участка.  Растворы дрожжей готовились из навески прессованных хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae «Премиум» (ОАО «Комбинат пищевых продуктов», Санкт-Петрбург) с массовыми концентрациями (Рдр) от 0,1 до 20 г/л. Полученные системы выдерживались в термостате в течение 2 часов, а затем подвергались потенциометрическому измерению.

 


Рис. 1 – Калибровочный график зависимости потенциала Е от логарифма концентрации с для системы ZnCl2

При анализе данной зависимости (рис. 1) можно выделить три участка:   2 плато и условно линейный, что позволяет оценить состояние электродной системы в исследуемом растворе.  Участки плато показывают границы работы датчика в данных условиях, в то время как условно линейный участок электродной функции отражает область концентраций, которую можно использовать для количественного определения ионов Zn2+. Для более наглядного представления,  линейный участок кривой (рис. 1) был линеаризован методом наименьших квадратов с использованием ПО OriginPro 8.5. Уравнение прямой имеет вид y=31.78x+223.71. Сопоставление значения кривизны электродной функции (тангенса угла наклона линейного участка) с паспортным значением (27±5 мВ) указывает на корректность работы аналитической системы.

         График зависимости потенциала Е от массовой концентрации дрожжей (Рдр)
представлен на рис. 2.

 Рис. 2 – Зависимость потенциала Е от концентрации дрожжевой биомассы Рдр в растворах ZnCl2 различной концентрации: 1 – 2,5´10-2 моль/дм3, 2 – 2,5´10-3 моль/дм3, 3 – 2,5´10-4 моль/дм3.

         Анализируя полученную зависимость, хорошо заметно, что в системе «раствор ZnCl2 – дрожжевая биомасса» происходит взаимодействие ионов цинка с дрожжевой биомассой. Это подтверждается падением величины потенциала с увеличением объема поглощения Zn2+ клетками, причем, с увеличением концентрации ионов цинка, скорость поглощения снижается. Такое взаимодействие имеет предел, что отражается на кривых 2 и 3 участками, параллельными оси концентраций. Потенциал для высококонцентрированного раствора ZnCl2 (рис. 2, кривая 1) меняется с увеличением количества биомассы в растворе мало, что позволяет судить о том, что взаимодействие в данном растворе практически не происходит. Скорость течения процесса в системе «раствор ZnCl2 – дрожжевая биомасса» может быть оценена по условно линейным участкам зависимостей Е(Рдр). С использованием метода наименьших квадратов такие участки для кривых 2 и 3 были выделены и оценены по величине угла наклона к оси концентраций. Очевидно, что с увеличением концентрации, скорость взаимодействия уменьшается (tg a<tgb).

         Таким образом, показано наличие взаимодействия между дрожжевой биомассой Saccharomyces cerevisiae и средой хлорида цинка, интенсивность которого снижается при увеличении концентрации ZnCl2. Такая зависимость может быть использована для моделирования оптимального состава электролита, обеспечивающего максимальную  биологическую доступность ионов Zn2+.

Литература:

1.     Nriagu J. Zinc Deficiency in Human Health. // Journal of Nutrition №130 –Р. 1344S–1349S

2.     Дубовой Р. Элементарный статус при действии неблагоприятных факторов производственной деятельности и его алиментарная восстановительная коррекция. // Автореф. Дис. …докт. Мед. Наук. –М., 2009

3.     Michael H. Zinc and Health: Current Status and Future Directions. //The journal of nutrition. – 2000. - №130 – P. 1344S-1349S

4.     Скальный А.В., Рудаков И.А. Биоэлементы в медицине. – М.: Мир, 2004 – 271 с.

5.     Оберлис Д., Харланд Б., Скальный А.В. Биологическая роль макро- и микроэлементов у человека и животных. – СПб.: Наука, 2008. — 544 с.

6.     Халиулина С.В. Клиническое значение дефицита цинка в организме ребенка. // Вестник современной клинической медицины – 2013. –Т.6.-№3.-С.72-78.

7.     Москвин Л.Н. Аналитическая химия. – М.: Academia, 2010. – 368 с.

8.     Ларин С.Л., Ямпольский Л.М., Будко Е.В. Потенциометрические критерии перемещения ионов Zn2+ в растворах солей ZnSO4 и Zn(NO3)2. // Инновации в науке: сборник статей по материалам XXXV международной научно-практической конференции – 2014. - №7(32). – С.19-27.