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 22-24-00601
НазваниеНезависимое от генов mam образование магнитных наночастиц соединений железа сульфатредуцирующими бактериями
РуководительИккерт Ольга Павловна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология
Ключевые словасульфатредуцирующие бактерии, биогенные сульфиды, наноразмерные сульфиды железа
Код ГРНТИ34.27.17
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Внутриклеточное образование наноразмерных магнитных частиц магнетита (Fe3O4) и грейгита (Fe3S4), получившее название магентосом, хорошо известно микробиологам. Остается малоизученным образование магнитных наночастиц соединений железа, образуемых сульфатредуцирующими бактериями (СРБ) в процессе энергетического метаболизма. Конечный продукт восстановления сульфата, сероводород, связывается с железом, образуя различные сульфиды железа. Образование наноразмерных частиц сульфидов железа связано с клеткой СРБ в силу необходимости сайтов нуклеации для микрокристаллов. Магнетизм и другие физические характеристика таких кристаллов остаются неизученными. Настоящее исследование планирует восполнить этот пробел и исследовать физические свойства наноразмерных магнитных частиц соединений железа, образуемых СРБ.
Важным практическим аспектом биоминерализации магнитных наночастиц является их использование в медицине, таких как неинвазивное контрастирование при магниторезонансной томографии, а также магнитная гипертермия или фототермия и адресная доставка терапевтических препаратов при терапии опухолей. Особенностью биоминерализации в магнитотактических бактериях является низкая эффективность производства магнетосом. Эта проблема может быть решена при использовании сульфидогенных бактерий, которые производят значительно большее количество частиц сульфидов на клетку в силу того, что сульфид является конечным продуктом энергетического метаболизма.
Поисковый проект объединяет исследователей Лаборатории биохимии и молекулярной биологии Томского университета, имеющих длительный опыт изучении образования макросульфидов металлов клетками СРБ, и специалистов в области магнетизма и других физических свойств наночастиц соединений железа из Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН. В экспериментах по образованию наночастиц будут использованы чистые культуры СРБ, принадлежащие к различным филогенетическим группам. Важным условием подбора культур будет отсутствие в геномах генов mam, связанных с образованием классических магнетосом. Особое внимание будет направлено на изоляты СРБ из кишечника человека. Современные исследования предполагают, что образование магнитных частиц может оказывать влияние на трансмембранный потенциал клеток человека, а также вызывает изменение работы белков-транспортеров.
Полученные в экспериментах наночастицы будут изучены с использованием физических методов, включая просвечивающую электронную микроскопию, совмещенную с элементным микроанализом, рентгеновскую дифракцию и спектроскопию рентгеновского поглощения, мёссбауэровскую спектроскопию. В случае необходимости будет проведено синхротронное изучение наночастиц. Полученные в ходе выполнения поискового проекта знания о физических характеристиках наноразмерных магнитных частиц позволят в дальнейшем перейти к использованию СРБ для получения биоминералов с контролем однофазности необходимым для практического использования.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены магнитные частицы соединений железа, образованные представителями различных филогенетических групп сульфатредуцирующих бактерий. Будут получены данные о качественном и количественном фазовом составе магнитных частиц, будет определен их размер, форма и состояние атомов железа и тип их окружения атомами серы в магнитных частицах. Будет получена детальная информация о локальной атомной и электронной структуре железа в магнитных частицах (характер искажений, межатомные расстояния и др.) с помощью экспериментального исследования методами спектроскопии рентгеновского поглощения (EXAFS/XANES) на источнике синхротронного излучения. Будут определены магнитные характеристики образцов с помощью низкотемпературных измерений мёссбауэровских спектров и измерения намагниченности. Это позволит оценить возможность практического использования полученных частиц и оценить их потенциал для использования в различных практических применениях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Синтезирован композит на основе наностержнеобразных кристаллитов грейгита (Fe3S4) с адсорбированными наночастицами ферригидрита (Fe2O3*nH2O). Синтез осуществлен путем биоминерализации бактериальной стенки сульфатредуцирующего Desulfovibrio sp. А2. Фазовый состав синтезированного композита исследован методами порошковой рентгеновской и электронной дифракции, инфракрасной Фурье-спектроскопии, спектроскопии рентгеновского поглощения EXAFS и мессбауэровской спектроскопии. Данные магнитных измерений показали, что исследуемый образец содержит две магнитные фазы: многодоменный наностержнеобразный грейгит и сверхмалые наночастицы ферригидрита. Выявленная методом мессбауэровской спектроскопии постоянная атомная доля кристаллической фазы грейгита в интервале 4–300 К (~20%) свидетельствует о блокировке магнитного момента наностержнеобразного Fe3S4. Показано, что кристаллиты Fe3S4 в форме наностержней прочно магнитно связаны с адсорбированными наночастицами Fe2O3*nH2O (Eint ~ 1200kB). Это существенно замедляет суперпарамагнитную релаксацию магнитных моментов наночастиц ферригидрита. Поэтому температура блокировки заметно возрастает и достигает, по данным мессбауэровской спектроскопии, значения TB = 140 K (по магнитным измерениям TB = 72 K). Процессы суперпарамагнитной блокировки магнитных моментов наночастиц ферригидрита проявляются в эволюции магнитных свойств исследуемого образца (значительное увеличение коэрцитивной силы и остаточной намагниченности). В подтверждение данных мессбауэровской спектроскопии установлена достаточно высокая температура суперпарамагнитного блокирования, которая раскрывает эффект намагничивания наночастиц ферригидрита более крупными образованиями грейгита, аналогичный эффекту межчастичных магнитных взаимодействий.
Публикации
1. Ю. В. Князев, О. В. Иккерт, С. В. Семенов, О. А. Баюков, М. Н. Волочаев, М. С. Молокеев, М. С. Платунов, Е. В. Храмов, А. А. Дубровский, Н. П. Шестаков, Е. Д. Смородина, Д. А. Балаев, О. В. Карначук Superparamagnetic blocking and magnetic interactions in nanoferrihydrite adsorbed on biomineralized nanorod-shaped Fe3S4 crystallites Journal of Alloys and Compounds, Volume 923, № 166346 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166346
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В анаэробных условиях в среде содержащей сульфаты чистая культура Desulfosporosinus metallidurans образует кристаллические фазы вивианита (Fe3(PO4)2•8H2O) и сидерита (FeCO3) с небольшим количеством микрокристаллов наностержневого грейгита (Fe3S4). Даже в присутствии сульфатов штамм Desulfosporosinus OL, вероятно, способен восстанавливать железо. Это следует из данных мессбауэровской спектроскопии и РАС, показавших железо в зарядовом состоянии Fe2+. Таким образом, исследованный штамм Desulfosporosinus не только действует как восстановитель сульфатов, т. е. использует сульфат в качестве акцептора электронов для производства энергии, но также может использовать железо, и действовать также как восстановитель железа. Полученные микрофотографии позволили установить, что ультрадисперсные наночастицы ферригидрита прилипают к кристаллитам вивианита, сидерита и наностержня-грейгита. С помощью FORC-анализа установлено, что наночастицы ферригидрита SPM и наностержни грейгита определяют магнитные свойства полученного синтетического шлама.
Показано, что наличие в биоминерализованной фазовой смеси высокомагнитных наночастиц грейгита и SPM-ферригидрита может положительно влиять на возможное разделение уже адсорбированных фосфатных соединений. Это облегчает выделение вивианита и дает возможность в дальнейшем использовать сам фосфор. Таким образом, исследованные виды могут быть использованы в современных технологиях очистки воды и извлечения фосфора из осадков промышленных отходов. Это может помочь как предотвратить эвтрофикацию осадков сточных вод, так и вернуть фосфор, скрытый в вивианите, для промышленного применения.
Изучение механизмов биохимических и биофизических процессов в сложных водных системах, таких как водно-болотные угодья, имеет решающее значение для понимания развития и формирования искусственных водных систем. Несмотря на то, что настоящая работа основана на условиях чистой культуры, она показывает возможность штамма Desulfosporosinus управлять циклами Fe и P в хвостохранилищах, обусловленную процессами биоминерализации, возникающими в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Это подчеркивает роль биоминерализации в формировании болотных отложений и требует дальнейших тщательных исследований.
Публикации
1. Ю.В. Князев, М.С. Платунов, О.П. Иккерт, С.В. Семенов, О.А. Баюков, А.Д. Николенко, В.П. Назмов, М.Н. Волочаев, А.А. Дубровский, М.С. Молокеев, Е.Д. Смородина, Д.А. Балаев, О.В. Карначук Microbially-mediated synthesis of vivianite by Desulfosporosinus on the way on phosphorus recovering Environmental Science: Advances, - (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1039/d4va00040d
2. О.П. Иккерт, Ю.В. Князев, О.А. Баюков, М.С. Платунов, М.Н. Волочаев, М.С. Молокеев, Е.Д. Смородина, О.В. Карначук Изучение минералообразования в процессе жизненной активности видов Desulfosorosinus metallidurans Геосферные исследования (Geosphere research), - (год публикации - 2024)
3. Семенов С.В., Иккерт О.П., Балаев Д.А., Карначук О.В., Князев Ю.В. FORC analysis of interparticle interactions in biomineralized magnetic nanocomposites Магнитные материалы. Новые технологии. Материалы IX Байкальской Международной конференции. Издательство Иркутский государственный университет, г. Иркутск, Magnetic materials. New tecnologies. Материалы IX Байкальской Международной конференции. Иркутск, 2023. С. 143. (год публикации - 2023)
4. Семенов С.В., Князев Ю.В., Балаев Д.А., Карначук О.В., Иккерт О.П. Biosynthesis of magnetic nanocomposites using sulfate-reducing bacteria Магнитные материалы. Новые технологии. Материалы IX Байкальской Международной конференции. Издательство Иркутский государственный университет, Иркутск, Magnetic materials. New tecnologies. Материалы IX Байкальской Международной конференции. Иркутск, 2023. С. 170. (год публикации - 2023)
Возможность практического использования результатов
не указано