Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В настоящее время наноматериалы, имеющие ряд уникальных химических и физических свойств, находят широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, что неизбежно приводит к их попаданию в окружающую среду. Согласно последним оценкам, именно синтетические наночастицы (НЧ), в отличие от существующих на Земле с незапамятных времен природных наночастиц, могут быть особо токсичными для живых организмов, что обусловливает насущную необходимость создания новых аналитических подходов к детектированию, количественному определению, а также оценке поведения и подвижности синтетических НЧ в объектах окружающей среды. Возможность обнаружения и анализа НЧ является необходимым условием получения информации о форме их нахождения, поведении и подвижности, что, в свою очередь позволяет судить об биологической доступности НЧ и, следовательно, об их потенциальной опасности для живых организмов. На сегодняшний день одной из передовых тенденций, направленных на повышение урожайности растений, защиту их от вредителей и болезней, а также на снижение количества химических препаратов, традиционно используемых в сельском хозяйстве, является применение так называемых наноудобрений и нанопестицидов. В качестве таких нанопрепаратов, в частности, используют наночастицы металлов и оксидов металлов, таких как Ag, Au, ZnO, Cu, CeO2 и др. Необходимо отметить, что НЧ оксида церия находятся в десятке самых производимых наночастиц в мире. Согласно литературным данным, из 10 тыс. тонн НЧ CeO2, произведенных в 2010 г., 1.4 тыс. тонн в итоге попали в почву. При моделировании различных процессов, происходящих в почвах, динамические (проточные) методы обладают неоспоримым преимуществом перед статическими, поскольку все процессы, происходящие в естественных условиях, носят динамический характер. Отличительной особенностью изучения поведения частиц в микроколонке (МК) и вращающейся спиральной колонке (ВСК) является возможность на выходе из колонок элюировать частицы определенного размерного диапазона. Кроме того, условия нахождения почвы, а также соотношение твердой и жидкой фаз в колонках позволяют моделировать различные природные сценарии вымывания НЧ из почвы. В рамках настоящего проекта изучены аналитические возможности проточных систем на основе МК и ВСК при исследовании поведения синтетических НЧ в почвах. В ходе реализации проекта на примере образца типичного агрочернозема и НЧ оксида церия (средний размер 32 нм) оценены степень подвижности и удерживания наночастиц в почвах при моделировании различных природных сценариев с использованием МК и ВСК. Использование МК и ВСК позволило в лабораторных условиях изучить подвижность НЧ CeO2 в почве. На основе данных анализа элюатов колонок построены дифференциальные и интегральные кривые элюирования (вымывания) НЧ CeO2. Установлено, что в МК уже на начальном этапе элюирования вымывание НЧ CeO2 сводится к минимуму, при этом абсолютное количество вымытых НЧ CeO2 значительно меньше (0.15 мкг), чем при использовании ВСК (1.37 мкг), что, вероятно, объясняется наличием мембраны 0.45 мкм на выходе из МК. В данном случае забивание пор мембраны снижает эффективность фильтрации и сводит ее на минимум на определенной стадии. При этом при использовании мембраны 0.45 мкм на выходе из ВСК элюирование НЧ CeO2 продолжалось в ходе всего эксперимента, и количество вымытых частиц оказалось в 6 раз выше (0.92 мкг), чем в МК, что связано с особенностями распределения почвы в колонках. В целом, доли НЧ CeO2, вымытых из почвы с использованием МК, ВСК и ВСК/0.45 мкм, составили 0.2, 1.6 и 1.2%, соответственно. Рассчитаны коэффициенты обогащения элюатов колонок НЧ CeO2, показывающие, во сколько раз элюат обогащен именно церием неприродного происхождения, то есть НЧ CeO2. Показано, что на начальном этапе элюирования элюат МК примерно в 2 раза больше обогащен НЧ CeO2, чем элюат ВСК. Вызвано это, очевидно, естественным сложением (уплотнением) почвы в МК, что снижает транспорт минеральных частиц по сравнению с НЧ CeO2. В данном случае сферические НЧ CeO2 претерпевают меньше пространственных ограничений в транспорте через слой почвы, чем почвенные НЧ (прежде всего глинистые минералы) неправильной (пластинчатой) формы. В результате изучения размерного распределение частиц в элюатах колонок методом лазерной дифракции, показано, что в элюате ВСК содержатся частицы большего размера (менее 1 мкм), чем в элюатах МК и ВСК/0.45 мкм (менее 160 нм). Таким образом, применение мембраны на выходе из ВСК позволяет убрать крупные субмикронные гомо- и гетероагрегаты НЧ CeO2 из элюата, что важно при оценке подвижности в окружающей среде именно НЧ, которые заслуживают особого внимания вследствие своих токсических свойств. Изучение особенностей удерживания НЧ CeO2 в почве с использованием МК и ВСК показало, что ВСК (за счет принципа удерживания почвы в колонке) позволяет оценить максимальную подвижность НЧ в почвах, достигаемую в условиях, при которых нивелируется влияние уплотнения почвы в колонке (плотности почвенного слоя) на подвижность НЧ, а именно когда почвенные частицы свободно омываются элюентом и при этом нет пространственных ограничений для их элюирования. Теоретически такие условия могут быть достигнуты при обильных осадках или поливах в разрыхленных верхних горизонтах почвы. Набивная МК, где через почвенный столб прокачивается элюент, наиболее корректно позволяет смоделировать условия, реально имеющие место в почве в естественных условиях, так как сохраняется естественная плотность сложения почвы с соответствующими пространственными ограничениями для транспорта НЧ. Транспорт НЧ в почве в значительной степени обусловлен и их поверхностными свойствами. В рамках проекта изучены и сопоставлены особенности поведения НЧ CeO2 в почве в зависимости от их поверхностных свойств (модификации НЧ лимонной кислотой, природного поверхностно-активного вещества). Показано, что модификация поверхности НЧ CeO2 лимонной кислотой приводит к увеличению их подвижности, что также подтверждается результатами анализа почв (остаточных фракций). Коэффициенты обогащения элюатов колонок также свидетельствуют об увеличении подвижности модифицированных лимонной кислотой НЧ CeO2 в почве. Кроме того, согласно данным светорассеяния модификация поверхности НЧ CeO2 лимонной кислотой приводит к уменьшению среднего размера частиц в элюате колонок, что наряду с увеличением их подвижности в окружающей среде, также увеличивает их токсичность. Токсичность, а также биологическая доступность НЧ зависят не только от размера частиц, но и от формы их нахождения (например, растворенной, связанной с различными минеральными фазами, стабилизированной растворимым органическим веществом и др.) в почве. Возможность обнаружения и анализа НЧ является необходимым условием получения информации о форме их нахождения, поведении и подвижности, что, в свою очередь позволяет судить о биологической доступности НЧ и, следовательно, об их потенциальной опасности для живых организмов. В рамках настоящего проекта проводится изучение возможности определения форм нахождения наночастиц металлов и их оксидов в почвах методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП), в том числе в режиме анализа единичных частиц. Проведены исследования по МС-ИСП анализу в режиме on-line биметаллических НЧ. В качестве таких частиц использовали НЧ оксида церия-алюминия (AlCeO3). Установлено, что on-line МС-ИСП определение алюминия и церия в НЧ AlCeO3 при различных параметрах прибора не обеспечивало статистически значимое совпадение пиков на полученных спектрах. В настоящее время собраны и обобщены последние литературные данные по методу МС-ИСП в режиме анализа единичных (отдельных) частиц, проведен их критический анализ, на основе чего составлен подробный план исследований на второй год выполнения настоящего проекта. Заказано уникальное программное обеспечение (которого еще нет в России) для масс-спектрометра. Необходимо подчеркнуть, что данные исследования носят пионерный характер. Запланированные на отчетный год научные результаты достигнуты. По результатам исследований в 2017-2018 годах принята к печати 1 статья в журнале, входящем в системы цитирования Web of Science и Scopus.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В настоящее время, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве считается одной из перспективных тенденций, направленных на увеличение урожайности сельскохозяйственных культур. Применение так называемых наноудобрений (НУ) и нанопестицидов (НП) может обеспечить контролируемую и эффективную доставку необходимых ингредиентов до растения. В качестве потенциальных НУ и НП предложено использовать наночастицы (НЧ) различной химической природы, в том числе для доставки микроэлементов предложено использовать НЧ металлов и оксидов металлов, такие как CeO2, ZnO, Zn, Cu, CuO, TiO2, Au и т.д. Изучение поведения и подвижности НУ и НП в почвах играет ключевую роль при оценке эффективности их использования. Известно, что НЧ могут претерпевать различные трансформации в почвах, которые влияют на подвижность и биодоступность НЧ. Известно, что поведение НЧ в почвах является сложным явлением, которое зависит от различных параметров почвы. Однако, поведение НЧ в почвах также зависит и от технологических сценариев их попадания в почву, а именно от концентрации НЧ при попадании в почву. В ходе выполнения настоящего проекта изучено влияние концентрации НЧ в почве (в диапазоне 1-1000 мкг/г) на их подвижность. Исследования проведены на примере НЧ CeO2, которые входят в десятку самых производимых частиц в мире, и трех черноземов различного типа, отличающихся по своим физико-химическим свойства. В результате были построены зависимости подвижности НЧ CeO2 от их концентрации в почве. Проведен статистический анализ полученных данных, выявлена положительная линейная корреляция между подвижностью НЧ и их концентрацией в почве в диапазоне 10-1000 мкг/г. Рассчитаны коэффициенты корреляции Пирсона, а также составлены соответствующие уравнения регрессии. Что касается почв с содержанием НЧ CeO2 в диапазоне 1-10 мкг/г, то было установлено, что их подвижность резко снижается при данных концентрациях в почве. Подвижность НЧ CeO2 в исследуемых почвах также была оценена в относительных величинах. Установлено, что всего лишь 0.1-0.2% НЧ CeO2, добавленных в почву, остается подвижными в почве и может мигрировать в почвенном профиле в условиях полного насыщения почвы подвижной фазой. В связи с недостаточной устойчивостью НЧ CeO2 в суспензии, их вертикальный транспорт в почвенном профиле должен зависеть от объема суспензии, попадающей в почву. Поэтому, в случае небольших по объему «мокрых» выбросах НЧ в почву, НЧ будут накапливаться в верхних горизонтах почвы, то есть в зоне с наибольшей биологической активностью. Нельзя забывать, что по данным многих исследований синтетические НЧ могут быть токсичными, поэтому необходимо оценивать риски для обитателей почвы, связанные с накоплением синтетических НЧ. Также было показано, что подвижность НЧ CeO2 в исследуемых почвах варьируется в зависимости от исследуемого образца почвы, что можно отнести к различиям в их свойствах. Однако, четкой корреляции между каким-либо параметром почвы и подвижностью НЧ CeO2 обнаружено не было. Вероятно, в данном случае на подвижность НЧ CeO2 влияет совокупность почвенных параметров, дифференцирование роли каждого из которых в удерживании НЧ является сложнейшей аналитической задачей и требует дальнейших исследований. Помимо влияния сценариев попадания НЧ в почву на их подвижность, на поведение НЧ также могут влиять и внешние условия воздействия на почву, например, процессы её смачивания-высыхания. Процессы смачивания-высыхания почвы можно одновременно отнести к природным (например, выпадение осадков) и технологическим (например, полив растений) сценариям воздействия на почву. Процессы смачивания-высыхания почвы могут серьезно изменять её свойства и таким образом влиять на поведение НЧ. Необходимо отметить, что влияние циклов смачивания-высыхания (ЦСВ) на поведения НЧ в почве оставалось неизученным до реализации настоящего проекта. В ходе выполнения проекта впервые было изучено поведение и подвижность НЧ металлов и оксидов металлов в почве при последовательных ЦСВ. Исследования проводили с использованием НЧ диоксида церия (CeO2), оксида цинка (ZnO) и меди (Cu), которые наиболее часто используются в качестве потенциальных НУ и НП, и образца типичного чернозема пашни с традиционной обработкой. В результате было выявлено, что подвижность всех исследуемых НЧ в почве зависит от количества ЦСВ. Установлено, что подвижность НЧ CeO2 и ZnO снижается при каждом последующем ЦСВ, что вероятно связано с образованием водоустойчивых почвенных агрегатов и иммобилизацией НЧ. При этом подвижная фракция НЧ CeO2 и ZnO в основном представлена гетероагрегатами с минеральными НЧ почвы. Установлено, что минеральные НЧ почвы играют важную роль в транспорте синтетических НЧ в почвах. Показано, что НЧ Cu в почве постепенно растворяются при последовательных ЦСВ, при этом кинетика растворения определяет их подвижность в ионном виде. Последнее интересно с практической точки зрения применения НЧ в качестве НУ и НП, поскольку позволяет контролировать поступление ионов меди в почву с помощью частоты и интенсивности полива растений. Как уже отмечалось дифференцирование роли каждого из основных почвенных параметров (свойств почвы) в удерживании синтетических НЧ почвой является сложнейшей аналитической задачей. В рамках реализации настоящего проекта было изучено влияние размера и свойств частиц почвы на удерживание синтетических НЧ. Исследование проводили на примере выщелоченного чернозема Липецкой области, который был разделен на илистую (менее 2 мкм), пылеватую (2-63 мкм) и песчаную (63-250 мкм) фракции методом седиментации, традиционно применяемым в почвоведении. При изучении взаимодействия почвенных частиц с синтетическими НЧ, то есть процессов гетероагрегирования НЧ, важным аспектом является минимизирование процессов гомоагрегирования НЧ. Для достижения поставленной задачи предложено использовать стабилизированные лимонной кислотой НЧ золота размером 10 нм. Исследуемые НЧ золота образуют стабильную водную суспензию, поэтому их взаимодействием друг с другом можно пренебречь. Изучение взаимодействия НЧ золота с гранулометрическим фракциями почвы проводили в статических условиях при концентрациях НЧ золота близких к теоретически ожидаемым природным концентрациям. Выявлено, что стабилизированные лимонной кислотой НЧ золота размером 10 нм хорошо устойчивы в почвенных растворах и слабо взаимодействуют с почвенными частицами при насыщенных условиях. Рассчитано относительное количество НЧ золота, удержанных илистой, пылеватой и песчаной фракцией почвы, которое составило 23.77, 0.04 и 0%, соответственно. Таким образом, установлено, что илистая фракция играет наибольшую роль в удерживании НЧ в почвах при насыщенных условиях. Полученные результаты можно объяснить разницей в удельной площади поверхности частиц илистой, пылеватой и песчаной фракций почвы. Чем больше площадь поверхности почвенных частиц, тем выше вероятность гетероагрегирования НЧ, то есть их удерживания почвой. Нерешенной в рамках первого этапа выполнения проекта осталась задача по изучению возможности определения форм нахождения (особенностей ассоциирования с различными компонентами почв) НЧ металлов и их оксидов в почвах методом МС-ИСП-ЕЧ. В ходе реализации второго этапа настоящего проекта данная задача была решена. Задача по определению форм нахождения НЧ металлов и оксидов металлов в почвах заключается в проблеме одновременного определения как минимум двух элементов (один их которых является макрокомпонентом синтетической НЧ, а другой элемент – макрокомпонентом почвенной НЧ) в одном гетероагрегате НЧ. При совпадении времени регистрации пиков двух элементов можно говорить о нахождении этих двух элементов в одном гетероагрегате НЧ, то есть можно говорить об ассоциировании НЧ металла с каким-либо компонентом почвы (например, алюмосиликатной, железосодержащей частицей). Подобного рода исследования чрезвычайно важны при оценке поведения и биодоступности НЧ металлов и оксидов металлов в почвах. В ходе реализации настоящего проекта на примере НЧ оксида церия-алюминия (AlCeO3) впервые была показана принципиальная возможность одновременного определения двух элементов в одной частице методом МС-ИСП-ЕЧ, однако при этом выявлен ряд ограничений метода. При «одновременном» определении алюминия и церия, количество пиков церия примерно в 2-3 раза превышает количество пиков алюминия. Связано это с недостатком чувствительности при детектировании алюминия, поскольку алюминий имеет более высокий предел обнаружения. В режиме определения двух элементов, если сигнал алюминия зарегистрирован не в максимуме пика, а на его подъеме или спаде, то чувствительности прибора может быть недостаточно для определения данного элемента. Пики церия, за счет более низкого предела обнаружения элемента, могут быть зафиксированы даже если сигнал зарегистрирован не в максимуме пика НЧ. Вторым ограничением, является соотнесение пиков двух элементов к одной НЧ. Показано, что при анализе НЧ AlCeO3 методом МС-ИСП-ЕЧ в режиме определения двух элементов, по времени совпало всего лишь 5 пиков из 8 пиков алюминия и 19 пиков церия. То есть только примерно в 25% (по церию) зарегистрированных НЧ было определено два элемента «одновременно». В рамках настоящего проекта также были обобщены особенности и сформулированы рекомендации по использованию микроколонки (МК) и вращающейся спиральной колонки (ВСК) при изучении поведения и подвижности НЧ металлов и их оксидов в почвах при моделировании различных природных и технологических сценариев. Установлено, что МК позволяет наиболее близко смоделировать условия, реально имеющие место в почве в естественных условиях, за счет сохранения естественного сложения почвы в колонке. ВСК, за счет формы нахождения почвы в колонке может позволить оценить максимальную подвижность НЧ в почвах при «экстремальных» условиях. Такие условия могут иметь место в окружающей среде, например, в верхних горизонтах почвы при наводнениях, то есть где на почву действует тангенциальный поток жидкости. Также при помощи ВСК можно изучать вымывание НЧ из донных отложений в реках. При изучении подвижности НЧ в почвах с использованием МК и ВСК рекомендовано использование мембраны на выходе из колонки с диаметром пор 0.45 мкм для исключения из элюатов гомоагрегатов НЧ. В зависимости от задач, размер пор мембраны может быть увеличен. Запланированные на отчетный год научные результаты полностью достигнуты. По результатам исследований, проведенным в 2018-2019 гг., опубликованы 2 статьи в ведущих международных журналах, входящих во второй квартиль согласно системам цитирования Web of Science и Scopus. Кроме того, в настоящее время готовится статья по результатам изучения особенностей взаимодействия НЧ золота с различными гранулометрическими фракциями почвы, которая также будет опубликована в журнале, входящем в системы цитирования Web of Science и Scopus.