Поглощение антибиотиков разных групп природными и модифицированными глинистыми минералами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-17-20037

НазваниеПоглощение антибиотиков разных групп природными и модифицированными глинистыми минералами

Руководитель Переломов Леонид Викторович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого" , Тульская обл

Конкурс №101 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые слова бентонит, каолинит, пиллар-глины, органоглины, адсорбция, токсичность, аминогликозиды, амфениколы, сульфаниламиды, тетрациклины

Код ГРНТИ87.19.15, 87.19.81

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В ходе исследования будут получены экспериментальные данные об адсорбции антибиотиков изучаемых групп (аминогликозидов, амфениколов, сульфаниламидов, тетрациклинов) на двухслойных (каолинит) и трехслойных (бентонит) глинистых минералах, органоглинах, синтезированных с использованием сурфактантов разных типов, и пиллар-глинах. Полученные экспериментальные результаты будут аппроксимированы с использованием различных моделей адсорбции (Ленгмюра, Фпейндлиха, БЭТ и др.). На основе рассчитанных параметров адсорбции и термодинамических характеристик будут предложены механизмы взаимодействия антибиотиков с поверхностью природных и модифицированных глинистых минералов. Планируется получить данные о влиянии свойств сорбционного раствора (рН, ионной силы, температуры, времени взаимодействия) на процессы адсорбции и десорбции антибиотиков изучаемых групп на исследуемых сорбентах. Среди трех групп изучаемых адсорбентов (глинистых минералов, органоглин и пиллар-глин) будут выявлены наиболее эффективные (по показателям емкости поглощения и селективности) в отношении каждого антибиотика. Данные об изменении структуры глинистых минералов в результате их интеркалирования органическими и неорганическими веществами, а также структуры глин и разработанных сорбентов в результате их взаимодействия с антибиотиками планируется получить методами рентгеновской дифрактометрии, ИК-спектроскопии и электронной микроскопии. Будет получена информация о возможной токсичности органоглин, пиллар-глин и продуктов взаимодействия рассматриваемых адсорбентов с антибиотиками, а также сохранение этими продуктами антибактериальных свойств с использованием на водных микроорганизмов. Полученные результаты будут отвечать мировому уровню научных исследований, что гарантируется высокой квалификацией участников проекта, имеющейся лабораторной и аналитической базой, созданной в рамках работы научно-образовательного центра мирового уровня «ТулаТЕХ», активным сотрудничеством с зарубежными исследователями и высоким уровнем научных журналов, планируемых для публикаций. По результатам выполнения проекта планируется опубликовать 8 статей в индексируемых журналах, принять участие в ряде научных конференций, зарегистрировать 4 базы данных, подать 2 заявления о выдаче патента Российской Федерации на изобретение. На основе полученных результатов будут разработаны рекомендации по практическому использованию изученных и разработанных адсорбентов антибиотиков для очистки муниципальных сточных вод и сточных вод фармацевтических предприятий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Изучены сложные взаимодействий между антибиотиками, принадлежащими к группам тетрациклинов (окситетрациклин), аминогликозидов (гентамицин), амфениколов (хлорамфеникол), сульфаниламидов (стрептоцид) и природными двухслойными (каолинит) и трехслойными (бентонит, вермикулит) глинистыми минералами. Было показано, что глинистые минералы разного строения и всех групп могут быть эффективными сорбентами гидрофильных антибиотиков (окситетрациклина и гентамицина). Хлорамфеникол и стрептоцид практически не сорбировались изученными природными минералами. Полученные экспериментальные данные были аппроксимированы адсорбционными моделями Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина-Радушкевича. Величина максимальной адсорбции окситетрациклина согласно модели Ленгмюра возрастала в ряду: каолинит (0,51 ммоль/г ) < бентонит (1,30 ммоль/г) < вспученный вермикулит (2,26 ммоль/г). При этом максимальная константа Ленгмюра была характерна для бентонита (Kл = 4,55), а минимальна для вспученного вермикулита (Kл = 0,07). Величина максимальной адсорбции гентамицина изученными каолинитом и бентонитом была несколько меньше (0,34 и 1,20 ммоль/г, соответственно), при максимальной силе связи также у бентонита (Kл = 5,33). По уравнению Фрейндлиха показатель 1/n имеет значения для адсорбции окситетрациклина на каолините – 0,854, на бентоните – 0,754, на вермикулите – 0,960, что свидетельствует о приближении процесса к монослойному покрытию, особенно в случае с вермикулитом. Величина 1/n для адсорбции гентамицина на каолините - 0,861, на бентоните – 0,589. Рассчитанные на основании данных модели Дубинина-Радушкевича значения энергии адсорбции антибиотиков на каолините, бентоните и вермикулите менее 8 кДж/моль, что может говорить о протекании преимущественно физической адсорбции. Изучено влияние свойств сорбционного раствора: рН, ионной силы, температуры, времени взаимодействия на адсорбционно-десорбционные процессы антибиотиков на бентоните и каолините. Роль кислотности сорбционного раствора имеет ключевое значение при адсорбции гидрофильных антибиотиков, поскольку большинство их молекул имеет более одного ионного состояния, а также возможно протонирование краевых функциональных групп самих минералов под влиянием рН. Максимальное поглощение окситетрациклина каолинитом происходит при рН исходного раствора 3,5-4, при которых молекула антибиотика представлена катионной и цвиттер-ионной формой. Наибольшее поглощение окситетрациклина бентонитом отмечено в диапазоне рН 4-7,5, в котором он представлен преимущественно цвиттер-ионной формой. При рН выше 7-7,5 поглощение антибиотика как каолинитом, так и бентонитом резко уменьшается в связи с приобретением молекулой окситетрациклина анионного характера. Наши результаты свидетельствуют, что фракция С1 гентамицина отличается по своему адсорбционному поведению от других изученных фракций этого антибиотика (С1а, С2 и С2а). Если для фракций С1а, С2 и С2а происходит рост поглощения каолинитом от рН 3 до рН 9, а затем наблюдается снижение адсорбции, то для фракции С1 происходит некоторое увеличение поглощения до рН 6, а затем, в целом, не наблюдается существенных изменений. Аналогичные закономерности поглощения фракций гентамицина при рН от 3 до 11 характерны и для бентонита. Ионная сила оказывает влияние на адсорбцию антибиотиков на природных глинистых минералах при достаточно больших её значениях в растворе – сотни ммоль и более. Конкурентная адсорбция была в большей степени выражена для каолинита, обладающего меньшей поглотительной способностью. Повышение температуры с 283 до 303 К приводит к устойчивому снижению максимальной адсорбционной ёмкости (по уравнению Ленгмюра) каолинита в отношении окситетрациклина и гентамицина. Аналогичные изменения характерны для максимальной адсорбции изученных антибиотиков на бентоните. Уменьшение максимальной адсорбции с увеличением температуры свидетельствует об экзотермическом характере поглощения антибиотиков глинами. Для описания кинетики адсорбции на основании коэффициентов детерминации для всех антибиотиков была выбрана кинетическая модель псевдо-второго порядка. Полученные значения констант скорости демонстрируют систематическое снижение k₂ при увеличении начальной концентрации сорбата. Изменение структуры природных глинистых минералов под воздействием антибиотиков изучено методами ИК-спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии. На ИК-спектрах продуктов взаимодействия фиксируются полосы поглощения имеющие высокий коэффициент экстинкции и наибольшее количество однотипных групп в молекуле (групп -CH2– в алкильных составляющих молекул антибиотиков). В тоже время происходит уменьшение интенсивности и смещение полос гидроксильных и аминогрупп антибиотиков, что свидетельствует об их участии в образовании связей с поверхностью минералов. Методом рентгеновской дифракции показано, что окситетрациклин при концентрации 15 ммоль/л изменяет структуру каолинита (новый пик 11,63 А). При воздействии окситетрациклина на бентонит в концентрации 0,3 и 1,5 ммоль происходит увеличение базального рефлекса d001 c 12,63 A до 14,98 А. При дальнейшем увеличении концентрации антибиотика до 15 ммоль величина d001 возрастает до 21,55 А. Присутствие в растворе стептоцида в концентрации 0,3 ммоль/л вызывает увеличение базального рефлекса d001 с 12,63 А до 15,24 А, при этом дальнейшее увеличение концентрации антибиотика не оказывает влияние на структуру минерала. Продукты взаимодействия антибиотиков и глинистых минералов сохраняют антибактериальное действие. Комплексы окситетрациклина и гентамицина с каолинитом сильнее подавляют рост колоний Pseudomonas fluorescens по сравнению с комплексами с бентонитом, что может быть обусловлено как более слабой связью между поверхностью каолинита и антибиотиков, так и частичным нахождением антибиотиков в межпакетном пространстве бентонита, что затрудняет его десорбцию в питательную среду. Изучение токсичности продуктов взаимодействия минералов с антибиотиками с использованием дафний (Daphnia magna) показало, что все варианты комплексов исходных глин с антибиотиками во всех анализируемых концентрациях обладают невысоким значением токсичности (смертность более 10 %, но менее 50 %), но не оказывают острого токсического действия (смертность более 50%). На основе полученных экспериментальных результатов предложены краткие практические рекомендации по использованию природных глинистых минералов для очистки от гидрофильных антибиотиков загрязненных вод и почвенных растворов.

Публикации

1. Герцен М.М., Сычев В.И., Переломов Л.В. Adsorption Characteristics of Oxytetracycline by Natural Clay Minerals "Успехи синтеза и комплексообразования" ("Advances in synthesis and complexing"): сборник тезисов седьмой Международной научной конференции. Москва, РУДН, 29 сентября – 3 октября 2025 г. – Москва : РУДН, 2025. – 316 с., Успехи синтеза и комплексообразования = Advances in synthesis and complexing: сборник тезисов седьмой Международной научной конференции. Москва, РУДН, 29 сентября – 3 октября 2025 г. – Москва : РУДН, 2025. – C. 305 (год публикации - 2025)

2. Герцен М.М., Переломов Л.В., Харькова А., Переломова И.В. Assessment of the Potential Toxic Effect of Organoclays as Sorbents on Various Biological Test Objects Processes, Processes 2025, 13, 3819 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.3390/pr13123819

3. Герцен М.М., Дудникова Т.С., Переломов Л.В. Модификация бентонитовых глин амфотерными пав для очистки почвенных сред Сборник докладов Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2025. Издательство: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова., Сборник докладов Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2025. Издательство: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, стр. 30-33. (год публикации - 2025)

4. Герцен М.М., Переломов Л.В. Влияние неионогенных ПАВ на модификацию бентонита для очистки водных и почвенных экосистем "АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОСФЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ". Сборник научных трудов VII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных, преподавателей. Ульяновск, 2025. Издательство: Ульяновский государственный технический университет, "АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОСФЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ". Сборник научных трудов VII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных, преподавателей. Ульяновск, 2025. Издательство: Ульяновский государственный технический университет, стр. 112-114. (год публикации - 2025)

5. Герцен М.М., Сычев В.И., Хайданов И.В., Переломов Л.В. Особенности поглощения окситетрациклина сорбентом на основе бентонита ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ: УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ сборник статей по материалам V Всероссийской научно-практической конференции (2-6.06.2025). Краснодар, 2025, Издательство: Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина, ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ: УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ сборник статей по материалам V Всероссийской научно-практической конференции (2-6.06.2025). Краснодар, 2025, Издательство: Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина, стр. 265-268. (год публикации - 2025)

6. Переломов Л.В., Герцен М.М., Дудникова Т.С., Хайданов И.В., Сычев В.И. Поглощение антибиотиков природными и химически модифицированными глинистыми минералами Проблемы геохимической экологии в условиях техногенеза биосферы : материалы XIV Международной Биогеохимической школы-конференции, г. Томск, 15–20 сентября 2025 г. / под ред. Н.В. Барановской, Н.С. Безаевой, Б.Р. Соктоева, В.А. Сафонова. – Томск : STT, 2025. – 710 с. , "ПРОБЛЕМЫ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА БИОСФЕРЫ". Материалы XIV Международной Биогеохимической школы-конференции г. Томск, 15–20 сентября 2025 г., стр. 152-154 (год публикации - 2025)

7. Герцен М.М., Переломов Л.В. Оценка токсического действия органоминеральных систем на основе бентонита и ПАВ на биологические тест-объекты Экология и промышленность России, 2025. N 11. Том 29, Экология и промышленность России, 2025. N 11. Том 29, стр.30-35 (год публикации - 2025)
10.18412/1816-0395-2025-11-30-35

8. Хайданов И.В., Переломов Л.В., Дудникова Т.С., Герцен М.М. Органоглины как адсорбенты для органических поллютантов Глины и глинистые минералы - 2025. VII Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2025». Томск, 8–12 сентября 2025 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2025. 194 с., Глины и глинистые минералы - 2025. VII Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2025». Томск, 8–12 сентября 2025 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2025. Стр. 169-171 (год публикации - 2025)

9. Герцен М.М., Переломов Л.В. Разработка эффективных экологически чистых сорбентов антибиотиков на основе глинистых минералов XII Международная конференция молодых ученых: биоинформатиков, биотехнологов, биофизиков, вирусологов, молекулярных биологов и специалистов фундаментальной медицины — 2025 : сб. тез. / АНО «Инновационный центр Кольцово». — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2025., XII Международная конференция молодых ученых: биоинформатиков, биотехнологов, биофизиков, вирусологов, молекулярных биологов и специалистов фундаментальной медицины — 2025 : сб. тез. / АНО «Инновационный центр Кольцово». — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2025. — С. 137-138 (год публикации - 2025)
10.25205/978-5-4437-1843-9

10. Сычев В.И., Герцен М.М., Переломов Л.В., Каледин Ю.В., Хайданов И.В., Александров Н.С. Физико-химические параметры процесса сорбции окситетрациклина глинистыми минералами ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, Бюл. № 9, Номер регистрации (свидетельства): 2025623745. Дата регистрации: 10.09.2025. Номер и дата поступления заявки: 2025623297 30.07.2025. Дата публикации и номер бюллетеня: 10.09.2025 Бюл. № 9 (год публикации - 2025)

11. Переломов Л.В., Герцен М.М., Харькова А.С., Атрощенко Ю.М. Параметры токсичности сорбентов на основе глинистых минералов, полученные микробиологическими методами ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, Бюл. № 9, Номер регистрации (свидетельства): 2025623757 Дата регистрации: 11.09.2025 Номер и дата поступления заявки: 2025623287 28.07.2025. Дата публикации и номер бюллетеня: 11.09.2025. Бюл. № 9 (год публикации - 2025)

12. Переломов Л.В., Герцен М.М., Манджиева С.С., Сычев В.И., Дудникова Т.С., Хайданов И.В., Переломова И.В., Минкина Т.М., Атрощенко Ю.М. Adsorption of Antibiotics by Natural Clay Minerals Minerals, Minerals 2025, 15 (7), 733. (год публикации - 2025)
https:// doi.org/10.3390/min15070733