Opracowanie nowoczesnych technologii otrzymywania nanocząstek srebra z użyciem osadów chmielowych w celu wytworzenia bakteriobójczych preparatów nowej generacji bezpiecznych dla środowiska
Charakterystyka
Ciągle doskonali i poszukuje się nowych sposobów zagospodarowania osadów chmielowych będących odpadem z procesu warzenia piwa. Odpady te, nie powstają w dużych ilościach, natomiast ich dalsze przetwarzanie jest niezwykle problematyczne i determinuje ciągłą potrzebę poszukiwania nowych metod ich przekształcania. Do potencjalnych sposobów zagospodarowania osadów chmielowych można zaliczyć ich kompostowanie, a w konsekwencji nawozowe przeznaczenie tego odpadu browarniczego. Kompostowanie oparte na przemianach materii organicznej prowadzi do otrzymania produktu, bezpiecznego dla środowiska. Rozpoznanie składu chemicznego i aktywności biologicznej osadów chmielowych pozwoli na kontrolowanie kompostowania i dobór substratów w celu optymalizacji procesu.
Cel pracy
Podjęto badania mające na celu określenie, czy nanocząstki srebra syntezowane z udziałem osadu chmielowego stanowiącego odpad w produkcji piwa posiadają właściwości bakteriobójcze. Nanosrebro syntezowane wg nowatorskiej, nietoksycznej metody, mogłyby w przyszłości stanowić składnik preparatów służących odkażaniu i dezynfekcji.
Osoby & Współpraca
Dr inż. Dagmara Malina1
1 Katedra Technologii Nieorganicznej i Biotechnologii Środowiska, Instytut Chemii i Technologii Nieorganicznej, Politechnika Krakowska
ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków, Polska
Przebieg doświadczenia
Syntezę nanoczącząstek prowadzono z zastosowaniem metody proekologicznej bazującej na metodyce zaproponowanej przez Wolny-Koładka i Malina (2018) [1] z modyfikacjami. Obecność nanocząstek srebra weryfikowano przy użyciu metody spektroskopii absorpcyjnej UV-Vis oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).
Wykonano syntezę nanocząstek srebra na bazie osadów chmielowych pochodzących z chmielenia na gorąco. Zastosowany wariant opisanej metodyki nie pozwolił na efektywną syntezę nanosrebra. Przy użyciu metody spektroskopii absorpcyjnej UV-Vis oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie potwierdzono obecności nanosrebra w powstałym roztworze.
[1] Wolny-Koładka K., Malina D. 2018. Eco-friendly approach to the synthesis of silver nanoparticles and their antibacterial activity against Staphylococcus spp. and Escherichia coli. Journal of Environmental Science and Health, Part A. Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, DOI: 10.1080/10934529.2018.1474568.
Rysunek 1. Synteza nanocząstek srebra (a).
Rysunek 2. Synteza nanocząstek srebra (b).
Rysunek 3. Ocena występowania nanocząstek srebra przy użyciu metody spektroskopii absorpcyjnej UV-Vis oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).
Metodyka
Głównym celem prowadzonych badań wstępnych była próba otrzymania nanocząstek srebra metodą redukcji chemicznej z zastosowaniem osadu chmielowego jako substancji redukującej lub redukująco-stabilizującej w różnych warunkach syntezy. Próbę kontrolną stanowiła zawiesina nanosrebra otrzymana tzw. metodą klasyczną.
Syntetyczny opis przeprowadzonych badań
Pierwszym etapem badań była synteza nanosrebra metodą chemicznej redukcji, tak zwaną metodą klasyczną wykorzystującą sól kwasu azotowego i srebra, azotan(V) srebra (AgNO3) jako źródło jonów metalu, borowodorek sodu (NaBH4) jako reduktor jonów srebra (Ag+) do wolnych atomów (Ag0) oraz substancję polimerową (poliwinylopirolidon, PVP) pełniącą rolę stabilizatora powstałych nanocząstek srebra w zawiesinie. Przeprowadzono syntezę nanocząstek srebra o stężeniu 500 ppm (mg/dm3).
Drugim etapem była próba otrzymania nanosuspensji srebra z zastosowaniem osadu chmielowego jako substancji redukującej (zamiast borowodorku sodu) i redukująco-stabilizującej (zamiast borowodorku sodu oraz substancji stabilizującej). Zastosowano zmienne warunki prowadzenia reakcji:
- zmienna temperatura syntezy (pokojowa lub podwyższona do 40±2°C);
- obecność lub brak substancji stabilizującej (brak/PVP/PVA (alkohol poliwinylowy)/żelatyna);
- zmienne stężenie srebra w próbce (100, 250 lub 500 ppm);
- zmienne medium prowadzenia reakcji (roztwory wodne lub etanolowe);
- zmienna forma naturalnego surowca (forma niezmieniona lub napar wodny lub alkoholowy).
Rysunek 4. Napary uzyskane z osadu chmielowego użyte po filtracji przez bibułę filtracyjną jako substraty do syntez nanosrebra (lewa zlewka: napar wodny z osadu chmielowego, prawa zlewka: napar etanolowy z osadu chmielowego).
W celu potwierdzenia obecności nanocząstek w uzyskanych zawiesinach, przeprowadzono analizę w zakresie promieniowania UV-Vis. W badaniach wykorzystano spektrofotometr UV-Vis Evolution 220 firmy Thermo Scientific. Kuwetę polistyrenową uzupełniano 4 ml odpowiednio przygotowanej próbki, a następnie umieszczano w komorze pomiarowej. Pomiar wykonano w zakresie fal o długości od 300 do 700 nm. Zastosowanie powyższej metody związane jest z faktem, iż miniaturyzacja rozmiarów metali do skali nanoskopowej, skutkuje pojawieniem się intensywnych barw w roztworach ich koloidów, związanych ze zjawiskiem oscylacji plazmonów powierzchniowych. W efekcie nanocząstki metali szlachetnych charakteryzują się bardzo silną absorpcją optyczną promieniowania w zakresie promieniowania widzialnego i ultrafioletowego spowodowaną wzbudzeniem plazmonów powierzchniowych obecnych na ich powierzchni. Lokalizacja maksimum absorpcji (λmax) zależy od rodzaju nanocząstek, ich wielkości oraz kształtu. Dla nanocząstek srebra λmax mieści się w zakresie 380 – 450 nm, co oznacza, iż obecność wyraźnego piku w tym zakresie długości fal potwierdza otrzymanie nanocząstek nanosrebra.
Poniżej zestawiono przykładowe wyniki badań potwierdzające brak otrzymania nanocząstek srebra z zastosowaniem osadu chmielowego. Poniższe fotografie przedstawiają wybrane zawiesiny zestawione z próbą kontrolną – nanocząstki srebra przyjmują klarowną barwę herbacianą (ze złotobrązową poświatą), co makroskopowo świadczy o otrzymaniu nanocząstek srebra. Jednakże w niektórych zawiesinach również otrzymano podobne zabarwienia lecz techniką UV-Vis nie potwierdzono obecności nanosrebra. Uzyskana barwa może być wynikiem reakcji medium z zastosowanym polimerem lub innymi składnikami mieszaniny z osadem, lecz nie są wynikiem redukcji jonów srebra.
Rysunek 5. Zawiesiny nanosrebra uzyskane w różnych warunkach prowadzenia reakcji zestawione z próbką kontrolną (od lewej do prawej: metoda klasyczna, osad chmielowy (PVA w wodzie), osad chmielowy (woda), osad chmielowy (PVP w wodzie), osad chmielowy (żelatyna w wodzie).
