Rezumat tez doctorat
CU IMPACT ASUPRA MEDIULUI
STUDENT DOCTORAND
Facultatea de Fizic
La data de 14 Iulie 2021, ora 10:00, metoda de susinere online,
doctoranda POPESCU (cas. LIPAN) Lucia Larisa va susine, în edin public,
teza de doctorat cu titlul „STUDIUL ACIUNII UNOR FACTORI FIZICO-CHIMICI
CU IMPACT ASUPRA MEDIULUI”, în vederea obinerii titlului tiinific de
doctor în domeniul fundamental TIINE EXACTE, domeniul FIZIC.
Comisia de doctorat are urmtoarea componen:
Preedinte: Prof. univ. dr. MARDARE Diana Universitatea „Alexandru Ioan Cuza”, Iai
Conductor tiinific: Prof. univ. dr. CREANG Dorina-Emilia Universitatea „Alexandru Ioan Cuza”, Iai
Refereni: Prof. univ. dr. DAVID Ioan-Leontin Universitatea „Babe Boyai”, Cluj Napoca Prof. univ. dr. ISVORAN Adriana Vetua Universitatea de Vest, Timioara Prof. univ. dr. IACOMI Felicia Daciana Universitatea „Alexandru Ioan Cuza”, Iai
Teza poate fi consultat la Biblioteca Facultii de Fizic.
2
Cuprins
Introducere ................................................................................................... 5
Capitolul 1: Contributii aduse studiilor privind feritele de cobalt si impactul
asupra componentei biotice
1.2. Materiale si metode .......................................................................... 10
1.2.1. Procedeul de sintez i dispersare în ap a nanoparticulelor magnetice de
ferit de cobalt ............................................................................................... 10
1.2.2. Estimarea impactului biochimic asupra plantulelor de Zea mays L. aflate
în stadii ontogenetice timpurii ........................................................................ 11
1.3. Rezultate si discutii ........................................................................... 11
1.3.1. Rezultatele caracterizrii microstructurale i magnetice a nanoparticulelor
obinute ......................................................................................................... 11
Concluzii .................................................................................................. 19
Capitolul 2: Contributii aduse studierii impactului ferite de cobalt asupra
componentei abiotice: apele uzate
2.1. Obiectivele studiului ........................................................................ 20
2.2. Materiale si metode ......................................................................... 20
2.2.1. Procedeul de sintez a nanoparticulelor de magnetit dopat cuioni de
cobalt ............................................................................................................. 21
2.2.2. Obinerea nanoparticulelor i nanocompozitelor pe baz de magnetit
dopat cu cobalt prin stabilizare cu oleat sau citrat i silanizate ...................... 21
2.2.3. Expunerea la radiaiile ultraviolete ........................................................ 22
2.2.4. Prepararea i analizarea probelor de ap cu încrctur fenolic pentru
studierea interaciunii cu nanoparticulele i nanocompozitele magnetice ........ 22
2.3. Rezultate si discutii ........................................................................... 23
2.3.1. Caracteristicile fizico-chimice ale nanoparticulelor i nanocompozitelor cu
miez de magnetit dopat cu cobalt ............................................................... 23
3
2.3.2. Aciunea nanoparticulelor de magnetit dopat cu nivel mediu de cobalt,
stabilizate cu oleat i silanizate asupra apelor fenolice i aciunea simultan a
acestora i a radiaiilor ultraviolete ................................................................. 25
2.3.3. Efectul nanoparticulelor de magnetit dopat cu cobalt cu suprafaa
nemodificat, asupra apelor fenolice în prezena radiaiilor UV ....................... 27
2.3.4. Impactul nanocompozitelor silanizate cu miez de magnetit dopat cu
cobalt asupra încrcturii fenolice .................................................................. 29
2.4. Concluzii ........................................................................................... 31
Capitolul 3: Contribuii aduse studiului nanoparticulelor magnetice de oxizi
de fier stabilizate cu acid galic si impactul lor asupra componentei biotice:
floarea soarelui
3.2. Materiale si metode ......................................................................... 32
3.2.1. Protocoalele de sintez i stabilizare cu acid galic a nanoparticulelor de
magnetit ...................................................................................................... 32
asupra plantulelor de Helianthus annuus L. ..................................................... 33
3.3. Rezultate si discutii ........................................................................... 34
3.3.1. Rezultatele analizrii comparative a dimensiunilor nanoparticulelor de
Fe3O4@GA sintetizate prin cele trei procedee ................................................. 34
3.3.2. Rezultatele analizrii proprietilor microstructurale i magnetice ale
nanoparticulelor sintetizate prin metoda co-precipitrii chimice la temperatur
înalt i acoperite cu acid galic ....................................................................... 34
3.3.4. Rezultatele studierii efectelor nanoparticulelor de Fe3O4@GA asupra
apelor uzate din mediu ................................................................................... 37
3.3.4.1. Probele de ap încrcat cu albastru de metilen ................................. 37
3.3.4.2. Efectul nanoparticulelor magnetice de Fe3O4@GA asupra polurii apelor
din mediu în prezena radiaiilor ultraviolete ................................................... 39
3.4. Concluzii ........................................................................................... 39
Capitolul 4: Contributii aduse studiului privind nanoparticulele magnetice
invelite cu acid galic si impactul lor asupra componentei abiotice: apelor
uzate incarcate cu coloranti industiali ......................................................... 42
4.1. Obiectivele studiului ......................................................................... 42
4.2.1. Materialele biologice ............................................................................. 42
4.2.3. Metodele de sintez a nanoparticulelor coloidale de argint.................... 43
4.2.4. Testul nanotoxicitii asupra plantulelor de Zea mays L. ........................ 45
4.2.5. Testarea nanotoxicitii pe fungii celulolitici Phanerochaete
chrysosporium ................................................................................................ 45
4.3.1. Rezultatele sintezei nanoparticulelor de argint ...................................... 45
4.3.2. Rezultatele testrii nanotoxicitii asupra plantulelor de Zea mays L. ..... 46
4.3.3. Rezultatele studierii optimizrii sintezei suspensiilor coloidale de argint
prin reducere chimic sau fotochimic cu acid galic ......................................... 47
4.3.4. Studiul aciunii nanoparticulelor de argint sintetizate prin reducere cu
citrat de sodiu sau acid galic asupra fungului celulolitic Phanerochaete
chrysosporium L. ............................................................................................. 51
4.4. Concluzii ........................................................................................... 56
si biotice din apele reziduale de pluta: caracterizarea fizico-chimica si
toxixitatea
5.2.1. Materiale utilizate: reactivi chimici i tulpini bacteriene ......................... 58
5.2.2. Iradierea eantioanelor de ap .............................................................. 59
5.2.3. Caracterizarea fizico-chimic a probelor de ape uzate de plut .............. 59
5.2.4.Toxicitatea probelor de ape uzate de plut ............................................. 60
5.3. Rezultate si discutii ........................................................................... 61
5.3.1.Caracterizarea fizico-chimic a probelor de ape uzate de plut ............... 61
5.3.2.Rezultatele studiului toxicitii ............................................................... 62
5
Introducere
Odat cu extinderea i amplificarea tehnologizrii în societatea uman
de pe tot globul, se genereaz tot mai rapid noi surse de poluare a atmosferei,
a apelor i solurilor, ceea ce impune abordarea tiinific a tuturor
posibilitilor de combatere a contaminanílor i de protejare a mediului.
În ultimii ani, diversificarea nanostructurilor pe baz de oxizi de fier
pentru aplicaii tot mai numeroase atrage din ce în ce mai mult atenia
cercettorilor. Acetia deruleaz activiti pentru studierea unor înveliuri
organice sau anorganice capabile de stabilizarea cât mai bun în mediu apos -
pentru eficientizarea interaciunilor cu molecule din celulele unor organisme
sau cu molecule contaminante din apele poluate din mediu. Au fost testate
numeroase molecule organice pentru acoperirea nanoparticulelor magnetice,
cum ar fi polimerii biocompatibili (J. Yang i colab., 2017) acizii organici hidrofili
(M. A. Dheyab i colab., 2020) i altele, cu rol dublu, atât de compensare a
tendinelor de atracie pentru a preveni destabilizarea suspensiilor preparate
pentru aplicaii biomedicale cât i de intermediere a interaciunii cu
biomolecule din celulele organismului uman, pe de o parte, sau cu molecule
toxice din mediu, pe de alt parte.
Au fost realizate aplicaii ale unor astfel de nanoparticule magnetice
cu scopul de a înltura unele componente toxice din apele industriale sau
pentru epurarea apelor uzate din industria farmaceutic, încrcate cu
medicamente antiinflamatorii (A. H. Nadim i colab., 2015). Aciunea
nanoparticulelor magnetice se bazeaz în principal pe eliberarea ionilor de fier
sau/i de cobalt care sunt cunoscui ca nite catalizatori eficieni în mediul
6
apos, prin reacii de descompunere de tip Fenton sau foto-Fenton. C. Silva i
colab., (2004) au utilizat combinaia de fier ionic - Fe2+, ap oxigenat - H2O2,
dioxid de titan -TiO2, i radiaii UV pentru tratarea apelor uzate, prin catalizarea
reaciilor de descompunere molecular i de recombinare a unor produi de
reacie.
In paralel cu cercetrile axate pe nanoparticule din oxizi metalici, o
larg dezvoltare au cunoscut i studiile dedicate nanoparticulelor formate din
metale nobile, aur i argint, care au atras un interes aparte legat de
proprietile lor fizico-chimice, în special cele optice i spectrale. S-au dezvoltat
aplicaii biomedicale în domeniul biomaterialelor, pentru reconstrucii osoase,
imagistic biomedical, sau biosenzori. Întrucât în cele din urm toate
nanoparticulele sunt eliberate în aer, ape i sol, problemele legate de
nanotoxicitate sunt acum intens studiate de ctre cercetatorii din domeniu la
nivelul anului 2008 se estima c anual se produc 320 de tone de nanoparticule
de argint pentru diverse utilizri (X. Chen i colab., 2008).
Recent, (E. Dang i colab., 2018) au studiat riscurile pentru sntatea
solurilor contaminate cu nanoparticule de argint în comparaie cu azotatul de
argint - cel mai utilizat precursor în sinteza nanoparticulelor de argint. Un
numr semnificativ de lucrri publicate s-a concentrat pe nanotoxicitatea
argintului asupra microorganismelor fungice. K. N. Alananbeh i colab. (2017)
au administrat nanoparticule de argint în mediul de cultur al fungilor
filamentoi, care se gsesc în sol i în vegetaia în descompunere, demonstrând
astfel inhibarea creterii fungice odat cu creterea concentraiei de
nanoparticule de argint.
promitoare, în vederea reducerii impactului polurii chimice i biologice a
efluenilor din mediu (S. Cabo Verde i colab., 2015; R. Melo i colab., 2008).
Radiaiile gama au fost utilizate pentru a reduce citotoxicitatea i
mutagenitatea unor eflueni industriali din industria textil (H. Jo i colab.,
2006). Din astfel de studii se contureaz concluzia c radiaiile gama pot
reprezenta o baz tehnologic fezabil pentru procedee extinse de degradare
a agenilor toxici din apele din mediu. Studiile de specialitate focalizate pe
industria produilor din plut au evideniat c tehnologiile cu radiaii gama pot
contribui la epurarea apelor reziduale din industria plutei prin creterea
activitii antioxidante în aceste ape, odat cu scderea coninutului de
materie organic (C. Lima i colab., 2016).
**
Teza de doctorat a fost structurat în cinci capitole care prezint
rezultatele obinute în urma experimentelor efectuate pentru studierea
aciunilor nanoparticulelor magnetice, a nanoparticulelor de argint i a
radiaiilor ionizante asupra unor componente ale mediului.
Primul capitol cuprinde rezultatele obinute în urma sintezei i
caracterizrii fizico-chimice a unor nanoparticule magnetice, utilizate pentru a
testa în laborator efectele lor asupra unor plantule tinere de Zea mays L.
(porumbul) aflate în stadii ontogenetice timpurii. Caracterizarea proprietilor
fizico-chimice ale acestor particule s-a efectuat atât prin metode de analiz
microstructral pe baz de msurtori în laboratoarele cu care colaborm, la
Institutul P. Poni i la Institutul de Fizic Tehnic cât i cu laboratoarele de la
IUCN (Institutul de Cercetri Nucleare) de la Dubna (Federaia Rus) unde am
8
testat stabilitatea pe termen lung a suspensiilor de nanoparticule (analiza
bazat pe Împrtierea Neutronilor sub Unghiuri Mici, SANS-Small Angle
Neutron Scaterring).
Capitolul II prezint rezultatele studiului interaciunii cu poluanii din
apele reziduale a unor nanoparticule i nanocompozite magnetice în lipsa sau
în prezena radiaiilor ultraviolete studiile au fost axate pe apa poluat cu
fenol, unul dintre cei mai toxici i mai rspândii produi recalcitrani din
mediu. Pentru aceasta au fost sintetizate i caracterizate nanoparticule de
magnetit dopat cu ioni de cobalt precum i nanocompozite magnetice
obinute prin stabilizarea cu citrat i silanizarea nanoparticulelor obinute
anterior. Experimentele dedicate impactului asupra apelor uzate au urmrit
aciunea combinat a nanoparticulelor/nanocompozitelor magnetice i a
radiaiilor ultraviolete ca ageni pentru reducerea încrcturii cu fenol, în
prezena sau în lipsa apei oxigenate H2O2 .
În Capitolul III sunt prezentate rezultatele sintezei i caracterizrii unor
nanoparticule de oxizi de fier cu suprafaa modificat cu acid galic, un compus
relativ nou studiat în nanotehnologiile axate pe nanoparticule magnetice, sau
din metale rare pentru urmrirea unor efecte ale acestora asupra mediului. A
fost studiat mai întâi influena asupra pigmenilor fotosintetizatori la plantule
tinere de Helianthus annuus L (floarea soarelui). Se prezint apoi rezultatele
studiului aciunii nanoparticulelor magnetice din oxizi de fier stabilizate cu acid
galic în combinaie cu expunerea la radiaii ultraviolete asupra apelor poluate
cu colorani industriali – dintre care am ales albastrul de metilen
Capitolul IV cuprinde cercetrile întreprinse asupra posibilitilor de
sintez a nanoparticulelor de argint, prin reacii chimice sau fotochimice,
9
suprafa. Studiile de nanotoxicitate au fost întreprinse atât pe plantule tinere
de Zea mays L. cât i pe culturile de fungi celulolitici din mediu din specia P.
chrysosporium L. S-au obinut rezultate care evideniaz toxicitatea notabil
asupra fotosintezei plantelor precum i stresul oxidativ indus în miceliul
fungilor P. chrysosporium L – importani pentru rolul lor în echilibrul biosferei.
Rezultatele impactului radiaiilor gama asupra unor compui biotici i
abiotici ai mediului, din apele uzate de plut, constituie obiectul Capitolului V.
Sunt prezentate caracterizarea fizico-chimic i efectele induse asupra unor
microrganisme din mediu, de ctre apa de plut tratat cu radiaii gama, în
urma aplicrii unor teste specifice adecvate – studiul fiind realizat în
Laboratoarele Institutului Tehnic din Lisabona. Cercetrile experimentale s-au
efectuat pe speciile Pseudomonas fluorescens i Bacillus subtilis - bacterii cu
rol benefic în cadrul diferitelor nie ecologice, care sunt prezente în mediu i
au scos în eviden rezultate promitoare pentru îmbuntirea calitii apei
uzate de plut prin tehnologii care folosesc radiaiile ionizante.
10
Capitolul 1: Studiul unor nanoparticule de ferit de cobalt stabilizate
cu acid citric i oleat de sodiu pentru evidenierea impactului asupra
unor componente biotice din mediu
1.1. Obiectivele studiului
Obiectivele studiul au fost urmatoarele: (i) analiza proprietilor fizico-
chimice ale unor nanoparticule de ferit de cobalt sintetizate în laborator; (ii)
impactul fizico-chimic al unor suspensii coloidale de astfel de nanoparticule
magnetice asupra unor componente biotice ale mediului - plantulele de Zea
mays L. în stadii ontogenetice timpurii, i anume la nivelul raportului
coninuturilor de pigmeni fotosintetizatori, ce exprim indirect eficiena
funcionrii complexelor enzimatice specifice cloroplastelor din esuturile verzi
capabile s tranforme energia luminoas în energie chimic.
1.2. Materiale i metode experimentale
1.2.1. Procedeul de sintez i dispersare în ap a nanoparticulelor magnetice de ferit de cobalt
Suspensiile de nanoparticule magnetice studiate au fost sintetizate
prin co-precipitare chimic utilizând soluii stoc de clorur feric hidratat i
sulfat de cobalt (raport stoichiometric tipic de 2:1) la temperatura de peste
80°C în mediu de reacie alcalin (NaOH 25%),
Înveliul surfactant a fost obinut folosind acid citric (C6H8O7) pentru
proba notat CoFe-CA i respectiv oleat de sodiu (C18H33NaO) pentru proba
notat CoFe-SO. Acoperirea suprafeei nanoparticulelor, pentru stabilizare în
suspensie apoas, a fost realizat la 80 °C sub agitare mecanic (1200 rpm),
11
excesul de reactiv de stabilizare fiind îndeprtat prin splri repetate cu ap
deionizat.
1.2.2. Estimarea impactului biochimic asupra plantulelor de Zea mays L. aflate în stadii ontogenetice timpurii
Materialul biologic utilizat a fost reprezentat de cariopsele de porumb
(Zea mays L). Imediat dup germinare, probelor le-au fost furnizate zilnic
cantiti de 6-8 ml din fiecare suspensie cu diluii de: 20-40-60-80-100 µl/l.
Analizele biochimice au fost efectuate dup 14 zile, iar coninuturile de
pigmeni fotosintetizatori din esutul verde au fost determinate prin metoda
lui Lichtenhalter i Weiburn (H. K. Lichtenthaler i A. R. Weiburn, 1983).
1.3. Rezultate i discuii
1.3.1. Rezultatele caracterizrii microstructurale i magnetice a nanoparticulelor obinute
Difractometria cu raze X (XRD) a evideniat sistemul de cristalizare de
tip spinel invers în ambele probe (Figura 1. 3. a, b) cu toate maximele tipice
conform cataloagelor - Cardului PDF nr. 22-1086 (K. S. Rao, 2015).
Prelucrarea datelor a fost efectuat cu formula lui Scherrer (A.
Patterson, 1939) care conduce la dimensiunea cristalitei de aproximativ 11 nm
(pentru maximul (311)) în cazul nanoparticulelor de CoFe-CA i aproximativ 10
nm în cazul nanoparticulelor de CoFe-SO.
Înregistrrile XRD au fost reluate pe aceleai probe i dup un an de
depozitare la întuneric în condiii ambientale de temperatur i umidiate.
Difractogramele s-au dovedit a fi similare (practic identice) cu cele înregistrate
12
pe probe proaspt preparate, ceea ce sugereaz c proprietile de
cristalinitate au rmas neschimbate în timpul depozitrii.
Figura 1.3.a. Înregistrarea XRD pentru proba CoFe-CA proaspt preparat; b. Înregistrare XRD pentru proba de CoFe-SO proaspt preparat
Investigaia prin tehnica TEM (Transmission Electron Microscopy)
(Figura 1. 4.a, b) (L. Popescu i colab., 2019) a furnizat imagini cu nanoparticule
cvasisferice dar i cubice cu valori medii ale diametrului de aproximativ 20,2
nm pentru nanoparticulele de CoFe-CA, respectiv 23,1 nm pentru
nanoparticulele de CoFe-SO.
În imaginile înregistrate se pot identifica i unele structuri mai mari,
eventual agregate de nanoparticule, unele din acestea ar putea rezulta prin
suprapunerea particulelor în timpul pregtirii eantionului pentru investigaia
TEM, prin depunerea i uscarea pe suportul-gril.
Investigarea granularitii, efectuat un an mai târziu pe aceleai
probe depozitate la temperatura camerei a artat c suspensiile îmbtrânite
au fost afectate de aglomerare i sedimentare, analizele – ca i utilizarea lor -
fiind efectuate dup diluare i agitare mecanic la temperatura camerei.
13
Figura 1.5. Rezultatele investigaiei prin TEM pentru eantioane îmbtrânite (un an): a) stânga: CoFe-CA; b) dreapta: CoFe-SO
Pentru a obine o perspectiv alternativ asupra topologiei
nanostructurilor studiate, am efectuat screeningul AFM (Figura 1.6.a, b) cu
accent pe formaiuni mai mari, datorit limitrii de sensibilitate a vârfului de
scanare. Se pot vedea particule cu înlimi de valori similare, de 12 pân la 16
nm - în ambele imagini AFM. De asemenea, se poate observa c valori
numerice de aproximativ 100 nm caracterizeaz atât diametrul probei de
nanoparticule de CoFe-SO, cât i al nanoparticulelor de CoFe-CA (profil linie
verde).
14
îmbtrânit CoFe-CA (2µm2µm)
Astfel, imaginea AFM de 2 µm 2 µm din Figura 1.6. a, a permis
observarea mai bun a faptului c agregatele nu sunt predominant sferice, ci
mai degrab asemntoare unor structuri elipsoidale.
inând cont de observaiile rezultate din analizele TEM i AFM, pe
suspensii îmbtrânite, precum i de ipoteza depunerii de nanoparticule
suprapuse la prepararea probelor pentru TEM, a fost efectuat i investigaia
microstructural prin SANS (Small Angle Neutron Scattering) s-au putut
extrage date numai pentru nanoparticulele de CoFe-CA care au rmas
omogene în timpul procedurii de înregistrare.
15
Figura 1. 6. b. Rezultatele scanrii AFM pentru eantionul de prob
îmbtrânit de CoFe-SO (5µm 5µm)
Prima abordare teoretic a datelor obinute prin SANS s-a bazat pe
faptul c forma curbei experimentale precum i observaiile de microscopie
AFM, sugereaz fitarea matematic distinct a intensitii de împrtiere I(Q)
pentru trei domenii ale vectorului de împrtiere Q.
Structurile elipsoidale sugerate de modelrile teoretice ale datelor
SANS au condus la trei tipuri de elipsoizi cu urmtoarele dimensiuni pe cele trei
axe: a1 = 67,4 nm; b1 = 85,3 nm; c1 = 9,6 nm; a2 = 209,2 nm; b2 = 86,2 nm; c2
= 14,2 nm; a3 = 204,3 nm; b3 = 83,4 nm; c3 = 14,3 nm (eroarea standard a fost
de 0,1 nm).
16
Figura 1.7.b.Modelarea datelor SANS în intervalul 0,007 <Q <0,15 Å – 1 pentru
eantionul îmbtrânit de CoFe-CA (scara log-log); intensitate (uniti arb.) versus vectorul de împrtiere, Q (Å– 1) pentru trei domenii Q: 0,007 ÷ 0,03 Å– 1
(domeniul I); 0,03 ÷ 0,06 Å– 1 (domeniul II); 0,06 ÷ 0,15 Å– 1 (domeniul III)
A doua abordare matematic a fost concentrat pe modelul de
particule discoidale – modelul Guinier[5]. Acest model a permis estimarea
razei teoretice a particulelor cu form de discuri aplatizate adic raza de
giraie, Rg = 6,82 ± 0,03 nm.
Figura 1.7.c.Aproximarea teoretic a datelor SANS dup modelul matematic Guinier
Ar putea exista particule cu o raz de 9 pân la 10 nm în suspensia
analizat dar o parte din ele s fie asociate sub form de lanuri scurte
17
elipsoid rezultat din prima modelare matematic).
1.3.2. Rspunsul biochimic la aciunea nanoparticulelor magnetice evideniat
la nivelul pigmenilor fotosintetizatori în plantule Zea mays L.
Se poate observa în Figura 1.8.a, o cretere de aproximativ 30% (p 0,05)
a raportului connuturilor de clorofil a/clorofil b (cu o deviaie standard de
aproximativ 7%), care are semnificaia unei influenei stimulatoare progresive
asupra eficienei aparente a fotosintezei – ce este dat tocmai de acest raport
(M. Rcuciu i colab., 2017; N. Pariona i colab., 2017; G. V. Siva i colab., 2016)
în cazul supsensiilor de nanoparticule de CoFe-CA.
Efectul stimulator – creterea raportului coninuturilor clorofilelor ar
putea fi legat de satisfacerea parial a nevoilor de fier ale plantulelor, în
special atunci când sunt cultivate în condiii de hrnire limitate.
Nu s-au observat variaii semnificative ale raportului (Chl a + Chl b) /
(Chl a + Chl b + TC) nici pentru probele de nanoparticule de CoFe-CA (abatere
standard de aproximativ 8%), i nici pentru suspensiile de nanoparticule de
CoFe-SO (Figura 1.8.b) - dei se poate contura un trend de scdere, în ambele
cazuri.
Când miezurile nanoparticulelor magnetice au fost acoperite cu ioni de
citrat (eliberai la disocierea în ap a acidului citric), înveliul relativ subire de
agent stabilizator poate permite eliberarea unei anumite cantiti de ioni de
fier precum i de ioni de cobalt.
18
Figura 1.8.a Influena nanoparticulelor de CoFe-CA asupra pigmenilor
fotosintetizatori la plantulele de porumb (control C, numai ap deionizat; C- CA - control acid citric în concentraia corespunztoare celei mai mari
concentraii de suspensie de nanoparticule; Chl a –coninut de clorofila a, Chl b-coninut de clorofila b, T.C. –coninut total de caroteni)
Pentru cazul nanoparticulelor magnetice stabilizate prin acoperire cu
ionii oleat s-a format un înveli dublu de acoperire - se presupune c se
produce eliberarea unei cantiti semnificativ mai mici de ioni metalici catalitici
în comparaie cu nanostructurile acoperite cu acidul citric.
Figura 1.8.b. Influena nanoparticulelor de CoFe-SO asupra pigmenilor
fotosintetizatori la plantule de porumb (controlul C, numai ap deionizat; C- SO - control oleat de sodiu în concentraia corespunztoare celei mai mari
concentraii de suspensie de nanoparticule)
19
În cadrul studiului efectuat este de presupus c influena magnetic
este aproximativ aceeai pentru ambele tipuri de nanoparticule deoarece
dimensiunile lor sunt destul de apropiate.
1.4. Concluzii
proprietile de cristalinitate s-au pstrat de-a lungul timpului, dar
proprietile de granularitate au fost parial afectate - interpretarea datelor de
la TEM i a msurtorilor microstructurale prin SANS.
S-a constatat c din punct de vedere al interaciunii cu mediul celular
stabilizarea cu un singur strat de citrat conduce la efecte diferite fa de
stabilizarea cu un strat dublu de oleat.
Acoperirea cu stratul subire de citrat face posibil influenarea unor
procese metabolice a cror finalitate este detectabil la nivelul determinrilor
coninuturilor de pigmeni fotosintetizatori, efectuate spectrofotomeric, mai
ales procese de la nivelul complexelor enzimatice din cloroplaste - ce capteaz
lumina i transform energia luminoas în energie chimic.
Aciunea stimulatoare poate fi legat de satisfacerea necesitilor de
fier ale plantulelor crescute în condiii standard în laborator.
Efectul asupra eficienei aparente a fotosintezei este nedetectabil în
cazul nanoparticulelor învelite cu dublu strat de oleat, la aceleai concentraii
de suspensii de nanoparticule cu care s-a lucrat, deoarece acoperirea cu strat
dublu de oleat poate s limiteze ionii metalici catalizatori de la suprafaa
nanoparticulelor s induc reacii în mediul apos din esuturile plantulelor
tinere.
20
magnetit dopat cu cobalt i a radiaiilor ultraviolete asupra
componentelor abiotice ale mediului: apele uzate
2.1. Obiectivele studiului
Obiectivele acestui capitol au fost (i) testarea efectelor unor
nanoparticule magnetice i (ii) a unor nanocompozite pe baz de magnetit
dopat cu ioni de cobalt asupra apelor încrcate cu unul dintre cei mai frecvent
întâlnii i recalcitrani poluani – fenolul (iii) studierea influenei radiaiilor UV
i a suplimentrii cu peroxid de hidrogen asupra apelor fenolice în prezena
sau în lipsa nanoparticulelor.
2.2. Materiale i metode
2.2.1. Procedeul de sintez a nanoparticulelor de magnetit dopat cu ioni
de cobalt
În procesul de preparare a nanoparticulelor i nanocompozitelor
magnetice din seria CoxFe3-xO4 (x=0; 0,25; 0,5; 0,75 1) au fost utilizai reactivi
de înalt puritate. Menionm c pentru x=0 regsim magnetita (Fe3O4) iar
pentru x=1 ferita de cobalt (CoFe2O4).
Urmând protocolul de co-precipitare chimic în mediu alcalin (R.
Massart, 1981) a nanoparticulelor magnetice, srurile metalice precursoare au
fost dizolvate în ap deionizat la aproximativ 80 °C i amestecate sub agitare
magnetic continu i cu înclzire constant respectând cantitile
prestabilite. Hidroxidul de sodiu, NaOH, care confer alcalinitatea necesar
coprecipitrii s-a adugat în concentratie de 1,7 M.
21
Probele de pulberi neînvelite au fost notate cu S1 - Fe3O4, S2 -
Co0,25Fe2,75O4, S3 - Co0,5Fe2,5O4, S4 - Co0,75Fe2,25O4 i S5 - CoFe2O4.
2.2.2. Obinerea nanoparticulelor i nanocompozitelor pe baz de magnetit
dopat cu cobalt prin stabilizare cu oleat sau citrat i silanizate
Modificarea suprafeei nanopulberilor s-a realizat utilizând, în fiecare
caz solutii stoc de oleat de sodiu (SO) sau 1,7 g acid citric (CA).
Obinerea de nanocompozite silanizate, acoperite cu strat de silice
amorf (dioxid de siliciu), s-a realizat prin aplicarea unei variante adaptare a
metodei sol-gel la temperatura camerei, în conformitate cu (Lu Y i colab.,
2002). S-au efectuat notaiile: T1-Fe3O4@CA@SiO2, T2-
Co0,25Fe2,75O4@CA@SiO2, T3-Co0,5Fe2,5O4@CA@SiO2, T4-
Nanocompozitele acoperite cu silice au fost separate din mediul de
reacie, splate în mod repetat cu ap deionizat pân când pH-ul a atins ~6.
Au fost uscate sub vid la 90°C timp de 6 ore si supuse apoi timp de 3 ore la
temperatura de 165°C pentru a finaliza prepararea compozitelor magnetice
silanizate (E. Pucau i colab., 2016).
Primele experimente s-au axat pe impactul asupra apelor fenolice a
unor probe de nanoparticule de magnetit cu nivel mediu de dopare cu cobalt
- Co0,5Fe2,5O4 care au fost stabilizate cu oleat i apoi silanizate.
În continuare au fost luate în studiu probele din seria S1-S5 – cu
suprafaa nemodificat de înveliuri organice sau anorganice i probele de
nanocompozite magnetice stabilizate cu citrat i acoperite cu silice, din seria
T1-T5.
22
2.2.3. Expunerea la radiaiile ultraviolete
Expunerea la radiaiile UV a probelor de ap fenolic s-a efectuat
utilizând un tub de descrcare la presiune joas în vapori de mercur (de la firma
Philips), cu lungimea L=0,87 m, care emite radiaii UV-C cu un maxim la 253,7
nm. Puterea total de emisie a fost de 30 W din care, puterea emis în
domeniul UV-C a fost de P=12 W.
Vasul cu 10 ml de prob de ap fenolic având suprafaa expus de
12,57 cm2 (diametrul de 4 cm) a fost amplasat la D=20 cm sub centrul tubului
de descrcare.
2.2.4. Prepararea i analizarea probelor de ap cu încrctur fenolic pentru
studierea interaciunii cu nanoparticulele i nanocompozitele magnetice
În vederea analizrii aciunii nanoparticulelor i nanocompozitelor
magnetice asupra apelor uzate, drept referin s-a utilizat fenolul, care
reprezint modelul de poluant cel mai abordat pentru studiile de tratare a
apelor reziduale (R. H. Müller i colab., 2001) deoarece s-a constatat a fi unul
dintre cei mai toxici dintre poluanii recalcitrani ai apelor (I. Prabha &S.
Lathasree, 2014). Probele supuse investigrii au fost preparate prin adugarea
de fenol (C6H6O) în ap deionizat.
În primele experimente, au fost testate nanoparticulele de magnetit
cu nivel mediu de dopare cu cobalt, stabilizate cu oleat, notate Co0,5Fe2,5O4/O
i cu nanocompozitele rezultate prin silanizarea acestor nanoparticule, notate
Co0,5Fe2,5O4/O/Si, i s-a lucrat cu probe de ap fenolic în concentraie de 1 mM
la o concentraie a nanoparticulelor de 1 g/l aa cum au indicat unele teste
preliminarii de optimizare a procesului.
23
Pentru probele S1-S5 i T1-T5 s-a realizat (i) câte o serie de teste cu
fiecare din cele dou concentraii (4g/l i 8g/l) de nanoparticule/
nanocompozite sintetizate i (ii) cu utilizarea suplimentar a dou concentraii
de peroxid de hidrogen H2O2: 10 mM i 20 mM. Concentraia de 5,0 μM fenol
s-a dovedit a fi cea mai adecvat pentru maximizarea ratei de scdere a
concentraiei de fenol, dup cum au artat studiile noastre preliminarii. pH-ul
nu a fost modificat pentru a nu diminua nivelul de radicali HO. Experimentele
au fost efectuate la temperatura camerei sub agitare continu. Expunerea la
radiaiile UV a durat pân la 120 de minute. Înregistrarea curbei de extincie a
luminii în probele de ap fenolic (cu spectrofotometrul Shimadzu
PharmaSpec 1700 s-a realizat la diferite momente de timp, între 0 i 120
minute, de la momentul de început a interaciunilor studiate.
Nanoparticulele/nanocompozitele au fost retrase din mediul de
aciune prin decantare magnetic, înainte de înregistrarea absorbanei probei.
Determinrile s-au fcut în triplicat – având ca referin apa dublu distilat iar
valorile medii s-au reprezentat pe grafice. Deviaia standard a fost de 3-4%.
2.3. Rezultate i discuii
În urma analizei imaginilor TEM (Figura 2. 1.a-c) s-au evideniat
structuri geometrice cu morfologie asemntoare, cvasisferice sau cubice i cu
polidispersitate dimensional, atât pentru nanoparticulele nesilanizate cât i
pentru cele acoperite cu silice.
24
Figura 2.1.b. Imaginile TEM analizate pentru probele S1 - Fe3O4, S2 -
Co0,25Fe2,75O4, S3 - Co0,5Fe2,5O4, S4 - Co0,75Fe2,25O4 i S5 - CoFe2O4
Figura 2.1.c. Imaginile TEM analizate pentru pentru nanocompozitele
stabilizate cu citrat i acoperite cu silice T1-Fe3O4@CA@SiO2, T2- Co0,25Fe2,75O4@CA@SiO2, T3-Co0,5Fe2,5O4@CA@SiO2, T4-
Co0,75Fe2,25O4@CA@SiO2 i T5-CoFe2O4@CA@SiO2
Particulele analizate din probele Co0,5Fe2,5O4/O i Co0,5Fe2,5O4/O/Si au
prezentat form cvasisferic sau cubic cu dimensiuni medii de 12,2 nm i
respectiv 14,0 nm.
Din Figura 2.1.b, c se pot obine rezultate asemntoare privind
morfologia particulelor din seriile S1-S5 i T1-T5, pentru care dimensiunile
medii DTEM, cresc odat cu nivelul de dopare cu ioni de cobalt atât pentru
nanoparticulele cu suprafaa nemodificat (Figura 2.1b), cât i pentru
nanocompozitele (Figura 2.1c) corespunztoare (stabilizate cu citrat i
acoperite cu silice).
Subliniem c odat cu creterea nivelului de dopare cu ioni de cobalt,
nanocompozitele prezint i o modificare de morfologie, cele mai multe dintre
ele cptând form cubic. În studii anterioare (E. Pucau i colab., 2016) s-a
evideniat c parte din nanoparticulele silanizate sunt grupate câte mai multe
în aceeai matrice de silice, structuri ce pot s apar ca agregate sau
suprapuneri de particule la investigaia prin metoda TEM.
2.3.2. Aciunea nanoparticulelor de magnetit dopat cu nivel mediu de
cobalt, stabilizate cu oleat i silanizate asupra apelor fenolice i aciunea
simultan a acestora i a radiaiilor ultraviolete
Dup primele 30 minute de agitare intens a amestecului din vasul de
reacie s-a constatat reducerea cu circa 50% a intensitii benzii fenolului de la
270 nm lungime de und - iar aceast schimbare se menine pân la 120 de
minute de interaciune continu (chiar i pân la 180 de minute –date
neprezentate aici).
26
Figura 2. 2.a. Rezultatul testrii a 1 g/l nanoparticule de Co0,5Fe2,5O4/O
asupra apelor fenolice (1 mM)
Figura 2.2.b. Rezultatul testrii a 1 g/l nanoparticule de Co0,5Fe2,5O4/O/Si
asupra apelor fenolice (1 mM) T0 semnific circa 2 minute de agitare a probei de ap fenolic cu nanoparticulele, urmat de decantare magnetic i citire spectral
Adugarea de peroxid de hidrogen (H2O2) nu pare s fi adus modificri
– nici cantitative i nici calitative, ceea ce presupune c eliberarea unor radicali
hidroxil (HO•), foarte reactivi, nu a condus la modificarea absorbanei fenolului
în condiiile experimentale testate, unde concentraia de ap oxigenat este
relativ mic.
Figura 2. 4. Rezultatul aciunii a 1 g/l nanoparticule de Co0,5Fe2,5O4/O (verde) si Co0,5Fe2,5O4/O/Si (rou) asupra apelor fenolice (1 mM) în
condiiile suplimentrii cu peroxid de hidrogen (dupa 30 de min)
27
Conform cu Figura 2.4. scderea absorbanei fenolului dup 30 de
minute de interaciune cu nanoparticulele stabilizate cu oleat este de circa
54% iar pentru nanocompozitele silanizate este de aproximativ 47%.
S-ar putea ca adsorbia moleculelor de fenol la gruprile carboxil
(COOH ) de la interfaa cu apa a nanoparticulelor stabilizate cu oleat (strat
dublu, cu hidrofilicitate dat de orientarea celui de-al doilea strat cu
extremitile carboxilice ctre mediul apos) s fie mai intens decât adsorbia
la stratul de silice al nanocompozitelor. Nu sunt indicii spectrale c ionii
metalici ar cataliza descompunerea apei ai crei radicali ar descompune
fenolul în ali compui atât timp cât spectrul soluiei studiate îi menine
caracteristicile calitative.
2.3.3. Efectul nanoparticulelor de magnetit dopat cu cobalt cu suprafaa
nemodificat, asupra apelor fenolice în prezena radiaiilor UV
Sub aciunea radiaiilor UV dar în lipsa nanoparticulelor i a peroxidului
de hidrogen, fenolul este degradat cu timpul în proporie relativ mic, de 7-
28%, cel mai probabil prin intermediul radicalilor hidroxil generai sub impactul
energetic al fotonilor din UV asupra apei (fotoliza apei).
Adaugarea de nanoparticule din proba S1, a condus la procentaje
asemntoare de degradare a fenolului, de la 10% (în primele 30 de minute)
pân la 37% (dup 120 minute de interaciune).
Se poate presupune c domin oxidarea fenolului declanat de
radicalii generai prin fotoliza apei –la care pot contribui procesale catalitice
Fenton ce implic ionii de fier de la suprafaa nanoparticulelor neînvelite iar la
suprafaa nanoparticulelor se poate produce atât adsorbia fenolului cât i a
28
produilor si de degradare (prin radicalii de la fotoliza apei sau combinat, i
prin reacii de tip Fenton).
Figura 2. 7 a. Procesul de degradare la temperatura camerei a soluiei
5,0 μM de fenol prin expunere la radiaii UV i în prezena nanoparticulelor de magnetit cu suprafaa nemodificat, Fe3O4 (S1, x=0) la dou concentraii
diferite de nanopulbere (4 g/l i 8 g/l)
Dup adugarea de peroxid de hidrogen (10 mM sau 20 mM H2O2) se
face vizibil diferena dintre efectele concentraiilor de 4g/l (Figura 2.7.a’) i 8
g/l (Figura 2.7.a) de nanopulbere de magnetit (proba S1, magnetit
nedopat). Aceast diferen arat degradarea progresiv în timp a fenolului
în prezena de 10 mM de ap oxigenat de la 12% - în primele 30 de minute,
la 62% dup 60 de minute i la 75% dup 120 de minute, în cazul concentraiei
de 4g/l nanopulbere de magnetit (Figura 2.7.a’, sgeata galben) - fa de
procentajele de 30%, 80% i 90% la dublarea acestei cantiti - la 20 mM ap
oxigenat (pentru 8 g/l, Figura 2.7.a, sgeata galben).
Efectele pot fi atribuite descompunerii fenolului prin aciunea
radicalilor apei oxigenate, cât i prin aciunea catalitic a fierului ionic de la
suprafaa nanoparticulelor prin mecanismele catalitice de tip foto-Fenton.
Rezultatele cele mai promitoare, cu perspective de extindere la
eantioane mai mari de ap poluat, s-au obinut prin dublarea concentraiei
0
10
20
30
40
R at
a sc
ed er
ii co
n ce
n tr
at ie
29
de peroxid de hidrogen, la 20 mM, când s-a atins procentajul maxim, de 100%
de degradare a fenolului dup numai 60 de minute de reacie cu 8 g/l din S1 –
i circa 90% cu 4 g/l din S1.
Figura 2. 7.a’. Influena peroxidului de hidrogen asupra fenolului în prezena a 4 g/l de pulbere S1 i
sub aciunea radiaiilor UV
Figura 2. 7.a. Influena peroxidului de hidrogen asupra fenolului în
prezena a 8 g/l de pulbere S1 i sub aciunea radiaiilor UV
Cresterea progresiva a nivelului de dopare cu cobalt (seria S1-S5 cu
x=0-0,25-0,5-0,75-1) duce la scaderea ratei de degradare a fenolului:
La 60% pentru MNP 4 g/L si la 93% pentru MNP 8g/L pentru x=0,25
La 71% si 86% pentru S3 (x=0,5) la 4 g/L si respectiv 8 g/L MNP
La 57% i respectiv 78% pentru S4 (x=9,75) pentru 4 g/L i respectiv 8 g/L
MNP.
La 64% i respectiv 71% pentru S5 (x=1) pentru 4g/Li respectiv 8 g/L MNP
2.3.4. Impactul nanocompozitelor silanizate cu miez de magnetit dopat cu
cobalt asupra încrcturii fenolice
stabilizarea cu citrat a suprafaei nanoparticulelor, urmat de silanizarea lor
(proba T1, x=0) reduce la mai puin de jumtate eficiena degradrii fenolului
30
(maxim 42%) dup 60 sau 120 de minute de interaciune, în prezena a 10 mM
sau 20 mM peroxid de hidrogen (H2O2), pentru 4 g/l sau 8g/l nanopulbere.
Figura 2.9.a. Dinamica procesului de degradare a soluiei 5,0 μM de fenol în prezena CoxFe3-xO4 @CA@SiO2 (x=0, T1) pentru diferite concentraii de H2O2
i expunere la radiaii UV
Figura 2.9.b. Dinamica procesului de degradare a soluiei 5,0 μM de fenol în
prezena CoxFe3-xO4 @CA@SiO2 (T5, x=1) pentru diferie concentraii de H2O2 i expunere la radiaii UV
Acoperirea cu silice (probele T1-T5) pare s diminueze considerabil
reactivitatea nanostructurilor magnetice indiferent de nivelul de dopare cu
cobalt - atunci când expunerea la radiaii UV este meninut la fel ca i pentru
nanoparticulele magnetice cu suprafaa nemodificat (S1-S5).
31
Studierea comparativ a nanoparticulelor de magnetit cu un nivel
mediu de dopare cu cobalt (x=0,50), stabilizate cu oleat i a nanocompozitelor
silanizate derivate din acestea, pentru tratarea apelor fenolice arat reducerea
pân la aproximativ 50% a intensitii de absorbie a luminii în maximul benzii
specifice fenolului. Sub aciunea simultan a nanoparticulelor i a radiaiilor
ultraviolete se poate produce modificarea aspectului acestei benzi spectrale i
modificri de intensitate, sugerând prezena produilor de degradare - derivai
ai fenolului.
fenolice din ap. Prezena radiaiilor UV duce la intensificarea degradrii
fenolului; se pot produce reacii foto-Fenton cu formare de peroxid de
hidrogen si intensificarea actiunii lor catalitice asupra acestui mediu (apa
fenolica).
S-a putut constata cum odat cu creterea concentraiei de H2O2, la 20
mM, în cazul unei cantiti de 8 g/l de proba S1 (fara cobalt si neinvelita) i sub
influena radiaiilor UV, degradarea fenolului este complet (100 %) dup
numai 60 de minute.
T1-T5) nu crete reactivitatea nanocompozitelor magnetice ci o diminueaz
semnificativ (fiind de maxim 42%) pentru toate nivelurile de dopare cu cobalt.
32
stabilizate cu acid galic asupra unor componente biotice i abiotice
ale mediului
molecul destul de recent luat în considerare în nanotehnologia structurilor
miez anorganic/înveli organic - asupra unei componente biotice din mediu, o
specie mult cultivat pentru exploatarea agroindustrial –Helianthus annuus L
(floarea soarelui), precum i (ii) aciunea acestor nanoparticule de epurare a
apelor uzate din mediu ce sunt încrcate cu un colorant uzual în industria
farmaceutic i chimic - albastrul de metilen.
3.2. Materiale i metode
3.2.1. Protocoalele de sintez i stabilizare cu acid galic a nanoparticulelor de
magnetit
Sinteza de pulbere magnetic a fost realizat pe baza procedurii
Massart (R. Massart, 1981) de co-precipitare chimic a oxizilor de Fe II i Fe III,
în prezena unui agent precipitant puternic alcalin (NaOH în concentraie de
1,7 M) la temperaturi diferite: metoda (1) - sintez la temperatura camerei i
metoda (2) -sintez la temperatur de 80 C.
Stabilizarea nanoarticulelor magnetice s-a realizat cu acid galic (GA) în
concentraie de 0,6 mM GA/g magnetit - adaptare dup un protocol din
literatur (M. Szekeres i colab., 2005).
În acest studiu, învelirea s-a realizat în trei moduri:
33
1. Agitare mecanic (3 ore) la temperatura camerei;
2. Agitare mecanic (3 ore) la temperatur înalt (T=80 C);
3. Tratare ultrasonic (3 ore) la temperatura camerei.
3.2.2. Cuantificarea efectului biochimic al nanoparticulelor de Fe3O4@GA
asupra plantulelor de Helianthus annuus L.
În vederea evalurii toxicitii nanoparticulelor de Fe3O4@GA asupra
componentelor biotice ale mediului, s-a utilizat ca material biologic specia
Helianthus annuus L. (floarea soarelui).
Înainte de pregtirea pentru cultivare, s-au efectuat o serie de teste ce
au la baz optimizarea modului de pretratare a suprafeei seminelor pentru
eliminarea contaminanilor chimici, biologici sau anorganici. Astfel s-au testat
trei tipuri de pretratament pe trei eantioane egale de semine cu: (i) ap
distilat, (ii) 3% ap oxigenat, H2O2 i (iii) 70% etanol. Procentajul cel mare de
germinare a prezentat proba pretratat cu 3% ap oxigenat, H2O2.
Au fost studiate dou serii de probe, prin administrarea suspensiilor
de Fe3O4@GA în dou moduri: (a) alimentare zilnic cu acelai volum de 10 ml
suspensie (pentru toat gama de concentraii de 20, 40, 60, 80 i 100 μl/l) (b)
alimentare zilnic cu volum variabil (5-10 ml) de suspensie de nanoparticule
magnetice (cu aceleai concentraii) în funcie de necesitatea observat la
inspecia vizual a gradului de umiditate a suportului de cretere al plantulelor.
Pigmenii fotosintetizatori: clorofila a, clorofila b i carotenii, s-au
extras în aceton 90%, prin adaptarea unei metode din literatur (H.
Lichtenthaler, & A. R Wellburn, 1983), dupa 12 zile de cretere sub influenta
probelor de suspensii de Fe3O4@GA.
34
Fe3O4@GA sintetizate prin cele trei procedee
Rezultatele investigaiei TEM pentru nanoparticulele de magnetit
învelite cu acid galic (Fe3O4@GA), sunt redate în Figura 3.1 – unde se pot
observa structuri cvasi-sferice dar i cubice.
Figura 3.1. Imagini TEM pentru nanoparticule de Fe3O4@GA obinute prin: a) sonicare la temperatura camerei, b) agitare mecanic la temperaturi înalte i
c) agitare mecanic la temperatura camerei
3.3.2. Rezultatele analizrii proprietilor microstructurale i magnetice ale
nanoparticulelor sintetizate prin metoda co-precipitrii chimice la
temperatur înalt i acoperite cu acid galic
Imaginile TEM (Figura 3.2) ale nanoparticulelor de Fe3O4@GA au
evideniat structuri geometrice regulate, în mare parte cvasisferice, cu
diametrul cel mai frecvent de aproximativ 9,5 -10,0 nm (analiz realizat cu
ajutorul software ImageJ), valoarea medie a diametrului DTEM, (de 10 nm) dar
i agregate mai mari.
Figura 3.2. Imagini realizate cu ajutorul microscopiei electronice de transmisie (TEM) pentru nanoparticulele studiate - Fe3O4 @GA
Conform cu Figura 3.3.a înregistrarea XRD prezint toate maximele de
difracie specifice structurii cristaline de spinel în poziiile standard (conform
ASTM Card 11-614 (H.E Swanson i colab. 1967) fr maxime adiionale ale
altor oxizi de fier sau vreunor impuriti. Aplicând relaia lui Scherrer (A.
Patterson, 1939) pentru picul cel mai înalt (311) s-a determinat dimensiunea
cristalitei de 8,0 nm.
Figura 3.3.a. Înregistrarea diagramei XRD pentru proba uscat de Fe3O4@GA; b. Curba de magnetizare pentru suspensia proaspt de nanoparticule
Analiza curbei de magnetizaie (Figura 3.3.b) arat c aceasta se
satureaz la valoarea Ms de 14,5 emu/cm3 pentru intensitatea câmpului
36
superparamagnetism. Ciclul de histerezis îngust (câmp coercitiv de 158,5 Oe)
sugereaz prezena în suspensia analizat a unor rare structuri mai mari decât
valoarea medie DM care sunt caracterizate de ferimagnetism.
Investigaia DLS (Dynamic Light Scaterring) a generat profilul de
distribuie a mrimii particulelor coloidale din suspensia apoas, cu un
diametru hidrodinamic mediu DH de 660,9 nm.
Figura 3.4.a. Diametrul hidrodinamic b.Potenialul Zeta al nanoparticulelor de Fe3O4@GA
Nanoparticulele de Fe3O4@GA au un potenial Zeta, V egal cu -23,93
mV. În literatura de specialitate (A. Kumar i colab., 2017) se subliniaz faptul
c nanosuspensiile stabilizate prin repulsie electrostatic, teoretic, necesit un
prag de potenial Zeta de ± 30 mV; astfel c proba de suspensie coloidal de
Fe3O4@GA este aproape de pragul teoretic de stabilitate.
3.3.3. Rezultatele studiului aciunii nanoparticulelor de Fe3O4@GA, asupra
plantulelor de Helianthus annuus L.
Aa cum sugereaz raportul coninuturilor de clorofil a i b prezentat
în Figura 3.8.a, nanoparticulele de Fe3O4@GA, duc la un trend ascendent,
aproximativ liniar, deci la un aparent efect stimulator asupra eficienei
37
procesului de fotosintez în cazul alimentrii cu volum de suspensie variabil,
corespunztor necesitilor plantulelor.
Se poate face legtura cu satisfacerea necesitilor de fier pentru
sinteza corespunztoare a proteinelor cu fier i sulf precum i a citocromilor,
importante pentru energetica celular bazat pe reaciile redox din
membranele mitocondriilor. În cazul administrrii de volume mereu egale de
suspensii diluate punctele graficului nu se plaseaz pe o curb de fitare
statistic.
administrare de acid galic în concentraia corespunztoare probei celei mai concentrate de nanoparticule coloidale
În cazul alimentrii cu volum fix de suspensie de nanoparticule nu se
pot evidenia corelaii statistice (Figura 3.8.a,b). De aceea se poate spune c,
cel mai probabil, în ambele experimente, nanotoxicitatea nanoparticulelor de
magnetit stabilizate cu acid galic nu afecteaz complexele fotosintetizatoare
LHC II a cror funcionare este legat de randamentul aparent al fotosintezei –
investigat prin analizele spectrofotometrice efectuate.
38
b)/( Chl a+Chl b +T.C.)
În ambele cazuri influenarea coninuturilor de pigmeni poate fi
datorat faptului c nanoparticulele utilizate au dimensiuni mici – ceea ce le
confer capacitatea de a ptrunde în esuturile vegetale, ducând eventual la
intersectarea cu circulaiei unor resurse necesare sintezei pigmenilor sau la
interferena cu unele fenomene fizico-chimice implicate în aceste reacii de
sintez, deci o interferen cu procesele metabolice din celulele plantelor.
3.3.4. Rezultatele studierii efectelor nanoparticulelor de Fe3O4@GA asupra
apelor uzate din mediu
3.3.4.1. Probele de ap încrcat cu albastru de metilen
Soluiile apoase de ap poluat au fost preparate prin adugarea unei
cantiti adecvate de albastru de metilen (C16H18CIN3S) în ap ultrapur pentru
a atinge concentraia studiat (1 μM i 1,5 μM). Suspensiile de nanoparticule
de Fe3O4@GA au fost uscate sub vid la 90 °C timp de 6 ore înainte de utilizare
pentru testarea efectului asupra apei încrcate cu MB.
39
Testele s-au realizat folosind dou concentraii de nanoparticule de
Fe3O4@GA: 2,0 i respectiv 4,0 g/l. Experimentele au fost efectuate la
temperatura camerei sub agitare mecanic (1200 rpm). S-a lucrat i cu
expunere la radiaii UV folosind procedeul prezentat în detaliu în capitolul
anterior. În toate experimentele, volumul total de reacie a fost de 10 ml.
Spectrul de absorbie a luminii (SEA) a fost înregistrat la diferite momente (T =
0; 30; 60 i 120 min) pe durata iradierii. Înainte de înregistrarea absorbanei,
nanoparticulele utilizate au fost retrase din mediul de aciune prin decantare
magnetic. Rata de degradare este determinata în conformitate cu legea Beer-
Lambert.
S-a lucrat la lungimea de und de 665 nm din maximul principal al
spectrului electronic de absorbie al albastrului de metilen.
3.3.4.2. Efectul nanoparticulelor magnetice de Fe3O4@GA asupra polurii
apelor din mediu în prezena radiaiilor ultraviolete
Pentru a studia diminuarea concentraiei de colorant de albastru de
metilen din probele reconstituite de ap poluat, s-a adugat pulbere de
Fe3O4@GA (2,0 i 4,0 g/l) i s-a aplicat simultan i expunerea la radiaii
ultraviolete.
Comparativ cu fotodegradarea numai sub expunere radiaii la UV,
adugarea fie a 2 g/l sau a 4 g/l de nanoparticule de Fe3O4@GA a determinat
intensificarea degradrii albastru de metilen pentru ambele concentraii (1,0
μM i 1,5 μM albastru de metilen).
40
Figura 3.11.a. Degradarea soluiei 1,0 µM de albastru de metilen (notaie
MB) în prezena nanoparticulelor magnetice de Fe3O4@GA (2g/l i 4 g/l) sub expunere la radiaii UV
Prima concentraie de nanoparticule studiat, anume 4,0 g/l de
nanoparticule de Fe3O4@GA, a indus degradarea complet (100%) a 1,0 μM
concentraie de MB dup aproximativ 60 min expunere la radiaii UV. Pentru
o concentraie mai mare de albastru de metilen, anume 1,5 μM, efectul
nanoparticulelor magnetice a fost relativ sczut.
Conform studiilor de specialitate (M. Contineanu i colab., 2009; E.
Alzahrani i colab., 2014) mecanismul de interaciune dintre nanoparticulele
magnetice i albastrul de metilen este în principal adsorbia moleculelor de
colorant la suprafaa granulelor de ferofaz.
Unele dintre rezultatele prezentate în acest capitol au fost publicate în
revistele de specialitate cu factor de impact în sistemul Web of Science - U.P.B.
Sci. Bull., Series A (2019) i Revista de Chimie (trimise spre publicare).
41
S-a artat c protocolul optim de obinere de nanoparticule de
magnetit pentru realizarea obiectivelor acestui capitolul a constat în
sintetizarea lor prin co-precipitare chimic i agitare mecanic la temperatur
înalt urmat de modificarea suprafeei cu acid galic (Fe3O4@GA) astfel c
proprietile microstructurale i magnetice au fost comparabile cu cele din
literatur.
Studiul de laborator privind impactul nanoparticulelor de Fe3O4@GA
asupra unor componente biotice ale mediului s-a efectuat pe plantule de
Helianthus annuus L. demonstrându-se c protocolul optim de alimentare cu
suspensii diluate de nanoparticule de Fe3O4@GA implic volume adecvate
nevoilor plantulelor din fiecare prob, în acest fel obinându-se variaii,
monotone, relativ coerente ale rapoartelor coninuturilor de pimeni
fotosintetizatori la creterea concentraiei de suspensie coloidal de
Fe3O4@GA.
Studiul prezentat a artat c expunerea la radiaíi UV ar putea duce la
degradarea pân la 30% sau 46% pentru cele dou concentraii de albastru de
metilen testate în acest experiment. Implicarea suplimentar a
nanoparticulelor de magnetit învelit cu acid galic duce la o cretere
remarcabil a procentajului de degradare, ajungând la 100% pentru o
combinaie optim de nanoparticule Fe3O4@GA i concentraii de albastru de
metilen.
42
argint coloidal pentru evidenierea aciunii lor asupra unor
componente biotice ale mediului
4.1. Obiectivele studiului
În acest capitol am avut ca obiective (i) studiul unor protocoale de
sintez a nanoparticulelor de argint coloidal prin reducerea azotatului de
argint cu citrat trisodic sau acid galic i expunerea la radiaii ultraviolete (ii)
evaluarea nanotoxicitii argintului coloidal la nivelul coninuturilor de
pigmeni fotosintetizatori din esuturile verzi ale plantulelor cerealiere tinere
(iii) studierea comparativ a nanotoxicitii particulelor de argint reduse cu
citrat trisodic sau cu acid galic asupra fungilor celulolitici.
4.2. Materiale i metode
4.2.1. Materialele biologice au fost plantule tinere de Zea mays L.
dezvoltate sub aciunea suspensiilor de nanoparticule de argint stabilizate cu
citrat precum i culturi de fungi celulolitici din specia Phanerochaete
chrysosporium L. alimentate cu suspensii de nanoparticule coloidale de argint
stabilizate fie cu citrat fie cu acid galic.
Fungul Phanerochaete chrysosporium L. fiind din colecia Facultii de
Biologie a Universitii „Alexandru Ioan Cuza” din Iai (obinut anterior de la
Institutul Sciéntifique de Santé Publique, Belgia (HEM nr. 5772)). Rolul su în
mediu este de a descompune deeurile de celuloz atât din surse naturale cât
i antropice.
43
4.2.2. Expunerea la radiaii ultraviolete s-a efectuat aa cum s-a detaliat în
Capitolul II, utilizând un tub de descrcare cu mercur (30 W putere nominal,
13 W putere de emisie în UV-C) produs de Philips.
4.2.3. Metodele de sintez a nanoparticulelor coloidale de argint
Metoda I. Sinteza prin reducere cu citrat trisodic la temperatur înalt
Metoda de reducere i stabilizare cu citrat este o adaptare a celei
propuse iniial pentru obinerea nanoparticulelor de aur de ctre Turkevich (P.
C.Lee i D. Meisel, 1982).
Produsul obinut reprezint nanoparticule de argint stabilizate cu ioni de citrat
în mediu de suspensie apos i s-a notat cu AgNP@CA.
Metoda II. Sinteza fotochimic în dou etape reducere cu citrat i expunere
la radiaii UV
În prima etap a sintezei s-a procedat ca în paragraful anterior, cu
acelai raport al volumelor i concentraiilor soluiilor precursoare, reacia
derulându-se tot la temperatur înalt. În a doua faz a sintezei fotochimice,
suspensia proaspt obinut s-a expus la radiaii ultraviolete (de energie mare
– în domeniul UV-C) pentru o durat de 45min. Produsul a fost notat AgNP-CA.
Metoda III. Reducerea cu acid galic la temperatur înalt i la temperatura
camerei
Pornind de la un studiu din literatura de specialitate (G. A. Martinez i
colab., 2008), am utilizat caracteristicile de antioxidant – respectiv de
reductor ale moleculei de acid galic i am derulat sinteza de nanoparticule de
argint pe baza reducerii ionilor de argint din AgNO3.
44
Soluii stock de azotat de argint si acid galic au fost mixate sub agitare
magnetic continua, la temperatura de aproximativ 60°C pân la modificarea
culorii i transparenei mediului de reacie. Stabilizarea alcalinitatii mediului
de reacie cu NaOH 1M; astfel c s-au obinut dou tipuri de suspensii – cu pH
în domeniul neutru (aproximativ 7,5), notaie Ag1 i respectiv cu pH alcalin
(aproximativ 10,5), notaie Ag 2.
Alte suspensii de argint coloidal au fost sintetizate prin aceeai metod
descris mai sus, dar fr înclzire, rezultând probele Ag 3 (pH de 7,5) i Ag 4
(pH de 10,5).
Metoda IV. Sinteza fotochimic cu acid galic prin expunere la radiaii UV i
tratare termic
Metoda fotochimic a fost aplicat într-o variant adaptat astfel c
iradierea cu lumin ultraviolet s-a efectuat înainte de înclzirea amestecului
de reacie.
În prima etap s-au prepararat cele dou soluii stoc i s-au amestecat
cu atenie fiind apoi expuse timp de 30 de minute la radiaii UV (în aceleai
condiii descrise într-un capitol anterior). În a doua etap proba iradiat cu
lumin UV a fost tratat prin înclzire la aproximativ 60°C sub agitare
magnetic pân la formarea de nanoparticule de argint –observat prin
schimbarea culorii i transparenei. Astfel obinându-se proba Ag5 cu pH
alcalin (~10,5).
Volume adecvate de suspensii de nanoparticule de argint fotoredus cu
citrat, (AgNP-CA) sau suspensie diluat 1100 (v/v) au fost administate
platulelor de Zea mays L.in stadiile ontogenetice timpurii, timp de 12 zile.
Extracia pigmenilor fotosintetizatori din esuturile verzi s-a efectuat în
aceton 90% (v/v) iar coninuturile acestora s-au determinat pe baza unor
relaii de calcul semi-empirice propuse în literatur (H. K. Lichtenthaler& A. R.
Wellburn 1983) - ca i în Capitolul 1.
4.2.5. Testarea nanotoxicitii pe fungii celulolitici Phanerochaete
chrysosporium
Suspensiile de nanoparticule de argint au fost adugate în mediul de
cultur a fungilor, rezultând variantele experimentale, corespunztoare
concentraiilor de: 200-400-600-800-1000 µl/l. Probele de control au fost
pregtite în mod identic, cu excepia faptului c nu s-a furnizat nicio surs de
argint în mediul de cultur a fungilor. Au fost analizate trei replici ale fiecrei
variante, valorile medii i abaterea standard fiind reprezentate pe graficele
rezultatelor luate în discuie.
4.3. Rezultate i discuii
4.3.1. Rezultatele sintezei nanoparticulelor de argint
În Figura 4.1 este redat înregistrarea spectrului de extincie a luminii
pentru suspensia (notat AgNP-CA), care a rezultat din prima faz a sintezei în
comparaie cu produsul rezultat prin expunere în continuare la radiaii
ultraviolete–timp de 45 minute dup care intensitatea benzii nu a mai crescut.
46
sintetizate prin reducere fotochimic cu citrat (AgNP-CA)
Curba spectral corespunztoare benzii LSPR prezint o intensitate
mult amplificat – de 7,5 ori (curba roie) i cu semilrgime relativ mare.
Maximul benzii LSPR corespunztor suspensiei iniiale a fost obinut la 425 nm
iar dup iradiere s-a deplasat la 418 nm. Se poate presupune c radiaiile UV
induc disocierea a noi molecule de acid citric în ioni citrat i hidrogen – citratul
reducând argintul cationic din azotatul de argint.
Figura 4.2. Granulaia i morfologia particulelor de argint AgNP-CA
obinute prin reducerea fotochimic cu citrat Rezultatele studiului efectuat prin microscopia electronic de
transmisie (TEM) evidentiaz nanoparticulelor cvasi-sferice, cu dimensiuni de
la 4 la 12 nm, cu rare formaiuni mai mari, de pân la 45 nm care pot fi particule
sau asocieri de particule.
4.3.2. Rezultatele testrii nanotoxicitii asupra plantulelor de Zea mays L.
In urma analizei rezultatelor obtiune, s-a dovedit ca administrare de
suspensie de nanoparticule de argint asupra Zea mays L. duc la diminuarea
progresiv a raportului coninuturilor de pigmeni clorofilieni. Pentru
plantulele alimentate cu suspensia de nanoparticule de argint diluat 1:100
scderea raportului coninuturilor de pigmeni clorofilieni este de peste 15%
iar pentru proba în care plantulele s-au dezvoltat fiind alimentate cu suspensia
nediluat scderea este de circa 40%.
Comparaia cu efectul nanoparticulelor magnetice asupra acelorai
plantule arat c în cazul argintului toxicitatea este mult mai mare, ceea ce era
de ateptat având în vedere caracterul de antiseptic, perturbator al
metabolismului celular pentru unele celule la organisme microbiene i fungice.
4.3.3. Rezultatele studierii optimizrii sintezei suspensiilor coloidale de
argint prin reducere chimic sau fotochimic cu acid galic
Maximele benzilor LSPR (de rezonan plasmonic localizat de
suprafa) sunt la 400 nm pentru proba Ag2 i respectiv de 406 nm pentru
proba Ag4. Forma simetric i semilrgimea mare indic prezena particulelor
de form predominant sferic, cu polidispersitate dimensional (S. H. Lee i
colab., 2019; G. A. Martnez i colab.). Intensitile benzilor au valori de 0,839
(Ag2) i respectiv 0,94 (Ag4) sugerând c la temperatur înalt i pH alcalin
acidul galic acioneaz cu eficien de reducere mai mic asupra argintului
posibil deoarece este parial oxidat în mediul apos.
48
Figura 4.4.a. Banda LSPR a probei
Ag 2 (pH alcalin) proaspt preparat i dup 24 de ore
Figura 4.4.b. Banda LSPR a probei
Ag 4 (pH alcalin) proaspt preparat i dup 24 de ore
Figura 4.5.a. Banda LSPR pentru proba Ag 3 proaspt preparat i
dup 24 de ore
Figura 4.5.b. Banda LSPR pentru proba Ag 1 i proba Ag
5 proaspt preparate
Dup 24 de ore de pstrare a probelor la frigider, în întuneric
intensitile în maxim au sczut sub 0,6 la ambele probe. Aceasta ar putea
însemna c anumite cantiti de nanoparticule de argint reduse i stabilizate
cu acid galic, de dimensiuni mai mari, s-au precipitat cu posibil eliberare de
molecule de stabilizant liber în suspensie. Poziiile maximelor se regsesc la
398 nm (Ag2) i respectiv 412 nm (Ag4) ceea ce poate s rezulte tot din cauza
precipitrii în mod diferit de nanoparticule cu dimensiuni diferite – ceea
cemodific diferit poziionarea maximelor în timpul depozitrii.
49
Influena pH-ului se poate urmri la probele Ag3 (Figura 4.5.a) i Ag4
(Figura 4.4.b) unde temperatura de sintez a fost aceeai.
La pH neutru, proba Ag3 prezint maximul benzii LSPR deplasat spre
lungimi de und mai mari, la 420 nm (fa de 406 la Ag4 tot la temperatura
camerei dar la pH alcalin) precum i intensitatea în maxim de aproape 1,1. Se
poate presupune c sinteza la pH neutru i temperatura camerei favorizeaz
aciunea de reducere a argintului de ctre acidul galic îns nu i stabilitatea la
depozitare. Proba Ag1 prezint maximul LSPR tot la 420 nm ca i proba Ag3 i
tot o intensitate relativ mare în maximul benzii (peste 1,5).
Se observ un aspect extrem de distinct pentru eantionul de
nanoargint coloidal Ag5 care a prezentat o band remarcabil de larg (având
maximul la 450 nm) i cu intensitatea mic (0,204).
Rezultatele studiului efectuat prin microscopia electronic de
transmisie (TEM) evidentiaz urmtoarele:
Proba Ag2 - diametre de sub 15 nm (12-13 nm).
Proba Ag3 – NPs cu mai puin de 25 nm în diametru i polidispersitate
remarcabil (reprezentative i pentru proba Ag1, caracterizat de acelai pH
neutru i banda LSPR cu aceeai alur i aceeai poziie a maximului
spectral - la 420 nm).
Proba Ag4 - particule cvasisferice sau poligonale dar i nanostructuri mai
mari– pân la 50 nm (dar mai rare) cu forme diverse, ce pot s reprezinte
agregate de nanoparticule mai mici i mai simetrice.
Proba Ag5 - particule poliedrice cu dimensiuni submicronice care au de
fapt diametre de câteva sute de nm, i ar putea fi favorizate de aciunea
UV asupra acidului galic, ce absoarbe puternic în domeniul UV.
50
Figura 4.6. Nanoparticule de argint
(proba Ag 2) sintetizate prin reducerea chimic la pH alcalin i temperatura
camerei (dou exemple 13,3 i 11,6 nm).
Figura 4.7. Nanoparticulele de argint (proba Ag3) sintetizate la pH neutru i la temperatura camerei (dimensiuni
pân la 25 nm)
Figura 4.8. La proba Ag 4, (reducere la temperatura camere i cu pH alcalin) printre particule de 10-20 nm apar i
agregate de particule de argint de pân la 50 nm diametru
Figura 4.9. La proba Ag5 obinut prin sinteza fotochimic adaptat s-au
identificat nanosisteme poliedrice de câteva sute de nm (dou exemple: 152
i 256 nm)
Rezultatele investigaiei noastre microstructurale cu TEM sunt
concordante cu cele din literatur (G. A. Martnez i colab., 2008) unde s-a
utilizat o metod de sintez fotochimic similar.
4.3.4. Studiul aciunii nanoparticulelor de argint sintetizate prin reducere cu
citrat de sodiu sau acid galic asupra fungului celulolitic Phanerochaete
chrysosporium L.
Pentru testarea nanotoxicitii pe fungii celulolitici benefici din mediu
(Phanerochaete chrysosporium L.) s-au utilizat trei suspensii de nanoparticule
(i) AgNP@CA - obinute prin reducere cu citrat, care au fost depozitate vreme
de un an (la întuneric în frigider) i apoi expuse la radiaii UV timp de 100
de minute
(ii) AgNP@GA-1 obinute prin reducere cu acid galic conform cu paragraful
3.4.3 (similar cu proba Ag1) la temperatur înalt, cu pH în domeniul
neutru, fr expunere la radiaii UV
(iii) AgNP@GA-2 obinute prin reducere cu acid galic conform cu paragraful
3.4.4 (similar cu proba Ag5) prin expunere la radiaii ultraviolete i mixare
la temperatur înalt, dar cu pH în domeniul neutru.
S-a constatat c pe durata depozitrii îndelungate, chiar i în lipsa luminii
i la temperatur mic (4°C) reacia de reducere a continuat conducând la
intensificarea maximului (de circa 3,5 ori) cu o deplasare a acestuia spre rou
(de la 416 nm la 439 nm) iar dup expunerea la UV maximul s-a amplificat de
peste 1,5 ori i s-a deplasat spre albastru (de la 439 la 425 nm) în timp ce
valoarea pH-ului a crescut de la 6 la 7,5.
S-au inregistrat poziii diferite ale maximelor benzilor LSPR – la 420 nm
pentru AgNP@GA-1 i respectiv la 550 nm pentru AgNP@GA-2 (Figura 4.11.a,
b), fiind datorate protocoalelor diferite de sintez. pH-ul este de 7,5 în ambele
cazuri, la fel cu cel al particulelor reduse cu citrat.
52
Figura 4.10.a. Studiul benzii LSPR în suspensia obinut prin reducere cu citrat - efectul depozitrii de un an -
normalizare la maximul LSPR din suspensia proaspt
Figura 4.10.b. Efectul expunerii la UV timp de 100 min a suspensiei depozitate timp de un an - normalizare la maximul LSPR din suspensia depozitat timp de un an
înainte de expunere la radiaii UV
Cu ajutorul investigaiei TEM s-a constat c dimensiunile
nanoparticulelor de argint din proba AgNP@GA-2 sunt cu un ordin de mrime
mai mari decât cele din proba AgNP@GA-1 ceea ce se poate corela cu
deplasarea spre rou a maximului benzii LSPR (la 545 nm) fa de cel
corespunztor probei AgNP@GA-1 (415 nm).
Figura 4.11. Influena suspensiilor de argint stabilizat cu citrat sau acid galic asupra activitii catalazei din miceliul fungilor; normalizare la valorile
corespunztoare martorului
În urma efecturii testelor biologice s-au obinut unele rezultate diferite
pentru paramatrii biochimici legai de activitatea antioxidant din culturile de
fungi crescute în prezena diferitelor suspensii de nanoparticule de argint.
Activitatea catalazei în prezena AgNP@CA prezint variaii negative mici dup
53
primele 7 zile, dup 14 zile se observ o cretere de pân la 50% ceea ce indic
adaptarea treptat a mecanismelor biosintezei catalazei pentru a descompune
excesul de peroxid de hidrogen format ca urmare a aciunii catalitice a
argintului asupra mediului celular în ultimele 7.
Figura 4.12. Influena suspensiilor de nanoparticule de argint stabilizate
cu citrat i acid galic asupra activitii superpoxiddismutazei din miceliul fungilor(normalizare la valorile martorului)
În culturile de fungi care s-au dezvoltat în prezena nanoparticulelor
de argint coloidal stabilizat cu acid galic, activitatea catalazei crete în primele
7 zile, dar la 14 zile se constat scderea cu pân la 40% - acumularea de
peroxid de hidrogen în cantitate excedentar nu mai poate fi echilibrat de
activitatea enzimei de descompunere a acestui substrat specific, stresul
oxidativ amplificat afecteaz -posibil - i activitatea enzimatic a moleculelor
de catalaz deja biosintetizate (L. Opric, L. Popescu i colab. 2020).
Activitatea enzimei superoxidismutaz, este prezentat în Figura 4.12. În
toate cele trei cazuri diferenele dintre activitatea msurat la 7 zile i cea 130
msurat la 14 zile sunt mici, în timp ce i dependena de concentraia
suspensiei de nanoparticule arat, în final, diferene destul de mici, fr
semnificaie statistic (p>0,05), între valoarea corespunztoare martorului i
cea pentru concentraia maxim luat în studiu, de 1000 µl/l. În cazul
nanoparticulelor stabilizate cu citrat (Figura 4.12.a) dependena de
54
intermediare, spre deosebire de nanoparticulele stabilizate cu acid galic
(Figura 4.12.b,c,) unde graficul prezint variaii mici comparabile cu deviaia
standard (de circa 10%), dar nu atât de mult diferite de la o concentraie la
alta.
Figura 4.13. Influena suspensiilor de nanoparticule de argint stabilizate cu citrat i acid galic asupra asupra coninutului de malondialdehid din
celulele fungilor(normalizare la valorile martorului)
În cazul suspensiei de AgNP@CA, unde activitatea catalazei a fost
crescut în celulele fungilor de 14 zile coninutul de MDA este relativ mai mic
la 14 zile decât la 7 zile cu variaii negative sau pozitive, nesemnificative de la
o concentraie la alta, având în vedere deviaia standard de circa 9%. Aceasta
reflect indirect afectarea relativ redus a nivelului peroxidrii lipidice din
membranele celulare. Pentru nanoparticulele de argint acoperite cu acid galic,
AgNP@GA-1, nivelul MDA-ului prezint variaii relativ mici, apropiate de
deviaia standard, de circa 9% ce nu reflect în mod evident legtura cu
variaiile celor dou enzime antioxidante analizate (MDA i catalaz). Pentru
probele de AgNP@GA-2, nivelul MDA la 14 zile este sczut fa de martor la
majoritatea concentraiilor testate dei la fel sunt sczute i activitatea
enzimmelor catalaza i superoxiddismutaza.
55
În ceea ce privete coninutul de proteine acesta este legat implict de
activitatea enzimelor. În cazul nanoparticulelor de AgNP@CA sinteza proteic
a fost crescut semnificativ la 7 zile fa de martor dar ulterior, la 14 zile, a fost
uor diminuat
Figura 4.14. Influena suspensiilor de nanoparticule de argint stabilizate cu citrat i acid galic asupra asupra coninutului de proteine din celulele
fungilor(normalizare la valorile martorului)
În cazul nanoparticulelor de AgNP@GA-1 i AgNP@GA-2, la 14 zile
valorile coninutului total de proteine au prezentat unele scderi fa de
valorile de la 7 zile dar mai puin evident decât la probele fungice tratate cu
AgNP@CA (Figura 4.14.b,c). Fa de proba martor valorile sunt mai mici i în
cele mai multe probe sunt variaii negative semnificative (p0,05) pentru
AgNP@GA-1 sau sunt chiar variaii nesemnificative statistic atât la 7 zile cât i
la 14 zile (p >0,05) pentru AgNP@GA-2
4.4. Concluzii
Au fost sintetizate nanoparticule de argint prin reducere chimic sau
fotochimic utlizând ca reductor i stabilizator fie citratul trisodic fie acidul
galic, evideniindu-se proprieti microstructurale i spectrale comparabile cu
cele raportate în literatura de specialitate.
56
Nanoparticulele coloidale acoperite cu citrat care au fost stabilizate în
suspensie dup expunere la radiaii UV, sunt caracterizate predominat de
diametre între 4 i 12 nm dar apar i rare particule individuale sau dimeri cu
dimensiuni de pân la 45 nm.
Nanoparticulele coloidale sintetizate prin reducere cu acid galic la
temperature camerei sau la temperatur înalt sunt caracterizate de valori
predominante ale diametrului de 12-13 nm, cu polidispersitate dar cu
dimensiuni nu mai mari de 50 nm.
pH ul, temperatura de sintez i expunerea la radiaii UV influeneaz
geometria particulelor, polidispersitatea dimensional i poziia maximului
benzii LSPR suspensia sintetizat prin reducere fotochimic, prezint cea mai
mare polidispersitate i particule poligonale de câteva sute de nm.
Aciunea nanoparticulelor de argint stabilizate cu citrat asupra unor
parametri biochimici caracterisitici procesului de fotosintez s-a evideniat
prin scderea cu pân la 40% a raportului coninuturilor de clorofil a i
clorofil b ce ar putea fi cauzate de aciunea catalitic a ionilor de argint
eliberai dup oxidare în mediu apos de la suprafaa nanoparticulelor.
Impactul nanoparticulelor de argint asupra fungilor celulolitici benefici
din mediu s-a putut evidenia în principal la nivelul enzimelor antioxidante,
catalaza i superoxiddismutaza. Variaiile activitii catalazei sunt cele mai clar
evideniate decât ale superoxiddismutazei, dar rspunsurile la cele trei tipuri
de nanoparticule sunt diferite.
Din aceste rezultate s-au redactat dou lucrri destinate publicrii în
reviste/volume de conferin recunoscute în sistemul Web of Science.
57
componente abiotice i biotice din apele reziduale de plut:
caracterizarea fizico-chimic i toxicitatea
Scopul experimentului prezentat în continure a fost (i) studierea
caracteristicilor fizico-chimice i a coninutului Total de Compui Fenolici (ii) a
toxicitii apei uzate de plut precum i influena tratamentului cu radiaii
gama asupra acestor parametri. Dou metode diferite de evaluare a toxicitii
au fost aplicate pentru a prezice comportamentul diferitelor specii de
microorganisme. Speciile bacteriene Pseudomonas fluorescens i Bacillus
subtilis au fost studiate prin aplicarea testului de inhibare a creterii.
5.2. Materiale i metode
5.2.1. Materiale utilizate: reactivi chimici i tulpini bacteriene
S-a lucrat pe eantioanele de ape uzate de plut reale (volume de 5 l)
colectate din rezervoarele de fierbere a scândurilor de plut din cadrul
Centrului Industial de Producie i Prelucrare AMORIM Industrial Solutions
situat în Coruche, Portugalia.
coleciile standard din SUA i anume Pseudomonas fluorescens ATCC® 13525
™ i Bacillus subtilis ATCC 6633, în timp ce mediul de cultur a fost Tripton de
Soia Agarizat (TSB), de la Oxoid (Basingstoke, Marea Britanie).
58
Experimentele de iradiere au fost efectuate într-un iradiator Co-60
(model Precisa 22, Graviner Lda, Marea Britanie, 1971) din cadrul Institutului
de Radiaii Ionizante (IRIS) de la Centrului de tiine i Tehnologii Nucleare
(C^2TN) al Universitii Lisabona. Acesta funcioneaz cu patru surse de cobalt-
60, având o activitate total de 140 TBq, 3,77 kCi –(conform etalonrii din mai
2015). Toate iradierile au fost efectuate la debitul de doz de 1,6 kGy/h.
Probele de ap uzat de plut au fost plasate în butelii de sticl (câte 200 ml,
în trei replici) i iradiate la 20, 50 i 100 kGy, într-un sistem automat de rotaie
pentru a garanta uniformitatea iradierii. Dozele absorbite au fost msurate cu
dozimetre de rutin (Whittaker and Watts, 2001). Rata dozei locale a fost
determinat anterior prin metoda Fricke (ASTM, 1992).
5.2.3. Caracterizarea fizico-chimic a probelor de ape uzate de plut
Valorile pH-ului au fost msurate cu ajutorul unui dispozitiv
poteniometric (Radiometru, model PHM210) calibrat anterior cu soluii
tampon de pH.
Determinarea coninutului total de compui fenolici (TP) existent într-
un volum de ap uzat din plut –sau determinarea capacitii antioxidante, a
fost efectuat prin metoda Folin-Ciocalteau (Singleton i colab., 1998).
Consumul Chimic de Oxigen (COD)
Testul COD este frecvent utilizat pentru a msura indirect cantitatea
de compui organici din apele uzate. Parametrul COD a fost determinat prin
59
metoda titrimetric în conformitate cu metodele standard de examinare a apei
i a apelor uzate (APHA, AWWA, WPCF, 1999).
Consumul Biochimic de Oxigen (BOD)
Testul BOD a apelor uzate se refer la cantitatea de oxigen dizolvat
consumat prin descompunerea materiei organice într-un proces biochimic i
este utilizat pe scar larg ca indicator al calitii organice a apei i a fost
determinat prin metoda 5210 B (Aqualytic BOD-OxiDirect) metod standard
de examinare a calitii apei i a apelor uzate (APHA, AWWA, WPCF, 1999).
Totalul Solidelor în Suspensie (TSS)
Solidele suspendate totale (TSS) reprezint un parametru al calitii
apei, care msoar particulele solide din ap prin filtrare. TSS s-a determinat
utilizând metoda 2540 B din standardele pentru examinarea apei i a apelor
uzate (APHA, AWWA, WPCF, 1999).
5.2.4.Toxicitatea probelor de ape uzate de plut
Probele de ape uzate de plut au fost sterilizate prin filtrare i au fost
preparate diferite diluii (100%, 50%, 10% i 1% din apele reziduale de plut)
pentru a studia efectul concentraiei asupra creterii celulare a bacteriilor
Pseudomonas fluorescens i Bacillus subtilis.
Scopul testului de inhibare a fost de a verifica:
a) dac compuii prezeni în apele uzate de plut sunt toxici pentru creterea
(multiplicarea) microorganismelor Pseudomonas fluorescens (Gram-
pozitive) i Bacillus subtilis (bacterii Gram-pozitive)
b) efectul radiaiilor gamma asupra toxicitii probelor de ap de plut prin
testarea viabilitii microbiene sub impactul acestor probe de ap iradiat.
60
Testele au fost realizate în trei replici, în trei experimente independente, cu
trei controale: (i) microorganisme netratate crescute în mediu de cultur; (ii)
probe de mediu de cultur fr microorganisme; i (iii) mediu de cultur
neinoculat.
Principalele caracteristici ale acestor ape uzate au fost pH-ul sczut,
valoarea ridicat a COD (de la 2900 la 3400 mgO2/L) i biodegradabilitatea
sczut - exprimat de scderea valorilor BOD (de la circa 390 la aproximativ
50 mgO2/l), ceea ce poate fi explicat prin prezena compuilor non-
biodegradabili.
În ceea ce privete concentraia total de fenoli (TP), rezultatele
observate sunt în acord cu cele raportate de ali autori (Dias-Machado i colab.,
2006; Gomes i colab., 2013; Lima i colab., 2016) indicând o concentraie
mare de compui fenolici în acest tip de ape uzate.
În ceea ce privete efectele iradierii asupra parametrilor fizico-chimici
ai apelor uzate de plut, s-a raportat o reducere semnificativ atât a
parametrului BOD cât i a Totalului Solidelor în Suspensie (TSS), dup iradierea
cu doze de 100 kGy. Aceste efecte ar putea reprezenta o scdere a coninutului
de materie organic i o cretere a speciilor chimice solubile în probele
studiate. Variaiile COD cu doza de radiaii nu au fost semnificative, acest lucru
indicând faptul ca radiaiile ionizante nu au efect major asupra cantitii de
materie organic oxidat.
S-a observat, de asemenea, o cretere seminificativ a coninutului
total de fenoli odat cu administrarea dozelor de radiaii. Acest efect ar putea
fi atribuit degradrii radiolitice a moleculelor fenolice mari în fragmente mai
mici.
5.3.2.Rezultatele studiului toxicitii
Au fost studiate probe de soluii diluate de ape uzate de plut.
Pentru concentraii mai mici de ape uzate de plut (1% i 10% (v/v)),
nu a fost observat niciun efect toxic pentru celulele microbiene testate –lsate
s se divid în prezena acestor eantioane de ap uzat. Din acest motiv, sunt
prezentate doar rezultate pentru eantionul de ap de plut nediluat (100%
ap uzat).
Testul de inhibare a creterii
Rezultatele obinute indic faptul c probele de ape uzate de plut au
fost non-toxice pentru ambele bacterii studiate. În comparaie cu controlul (în
lipsa apelor uzate), variaiile observate nu au avut semnificaie statistic
pentru eantioanele neiradiate, acest lucru sugerând c probele de ap de
plut nu au avut nicio influen asupra dezvoltrii i viabilitii celulare.
În cazul tratamentului cu radiaii gama, a fost detectat o scdere
semnificativ (semnificaia statistic la pragul p <0,05) a creterii
microorganismelor P. fluorescens i B. subtilis sub influena probelor de ap de
plut iradiate la 100 kGy, ceea ce indic un efect toxic. P. fluorescens pare s
fie mai sensibil la apele uzate tratate cu radiaii gama decât B. subtilis.
62
Figura 5.7. Testul de cretere celular pentru Pseudomonas fluorescens i
Bacillus subtilis în prezena apelor uzate de plut neiradiate i iradiate la mai multe doze de radiaii gama. Fiecare grafic de bare s-a reprezintat media i
95% interval de încredere corespunztor la trei experimente separate
Aceste rezultate sugereaz c produsele radiolitice formate în apele
de plut tratate cu doze mai mari ar putea fi mai toxice pentru P. fluorescens
i/sau B. subtilis decât cele iniiale, netratate cu radiaii.
5.4. Concluzii
S-a demonstrat faptul c compuii prezeni în apele uzate de plut
sunt non-toxici pentru celulele procariote, bacterii Gram negative sau Gram
pozitive (Pseudomonas fluorescens i Bacillus subtilis).
Este important de menionat c nivelul estimat al toxicitii apelor
uzate depinde de cel puin doi factori: organismele luate în studiu i
particularitile din unitile de producie din industria plutei, deoarece
componentele apelor uzate variaz în funcie de locaiile de recoltare.
63
Utilizarea radiaiilor gama în doze de 100 kGy a dus la creterea
toxicitii apelor reziduale de plut iradiate pentru toate celulele testate. Acest
lucru ar putea sugera c produsele radiolitice ale apelor uzate de plut pot fi
mai toxice decât cele parentale (iniiale) i identificarea lor continu ar putea
aduce o gam larg de informaii la studiile de toxicitate (acute i cronice) ale
acestui tip de probe complexe.
Mai mult decât atât, rezultatele au relevat faptul c potenialul
antioxidant al compuilor eflueni a crescut.
Aceste rezultate au fost publicate în revista cotat în sistemul Web of
Science, Chemosphere 169, 139-145, 2017.
64
A fost evideniat impactul asupra fotosintezei a nanoparticulelor din
oxizi micti de fier i cobalt - spre deosebire de cele mai multe studii