В статье, опубликованной в журнале Applied Clay Science, впервые показана роль полимеров биологического происхождения в процессах агрегации коллоидных частиц. Ученые Казанского федерального университета совместно с коллегами из Технического университета Луизианы установили, что в сверхчистой деионизованной воде присутствуют экзополимерные прозрачные частицы.

Исследование провели ученые НИЛ «Центр аналитической биофотоники и инженерии клеточной поверхности» Института фундаментальной медицины и биологии КФУ – главный научный сотрудник Равиль Фахруллин, старшие научные сотрудники Светлана Коннова и Светлана Баташева, лаборант-исследователь Ильнур Ишмухаметов. Также в коллектив вошел профессор Института микропроизводства Технического университета Луизианы Юрий Львов. Отметим, что работа была выполнена в рамках программы «Приоритет – 2030» и реализации гранта Российского научного фонда.

Исследования, направленные на изучение процессов взаимодействия между коллоидными частицами, суспендированными в воде, имеют важнейшее значение, как фундаментальное, так и практическое, подчеркнул Р. Фахруллин. Некоторые особенности взаимодействия частиц в водной дисперсии, отметил он, до сих пор остаются недостаточно изученными.

В водной среде на поверхности суспендированных частиц формируется двойной электрический слой, при этом одноименно-заряженные коллоидные частицы сохраняют стабильность и не агрегируют из-за электростатического отталкивания, что отражено в основополагающей теории ДЛФО (Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека). Однако имеются исключения.

«В ряде предыдущих экспериментальных работ, начиная с исследований Ирвинга Ленгмюра, было показано, что одноименно-заряженные коллоидные частицы, суспендированные в воде, могут притягиваться, формируя достаточно стабильные агрегаты. Составляющие их частицы расположены на весьма значительных расстояниях – более 100 нанометров, что не может быть объяснено в рамках теории ДЛФО», – сообщил главный научный сотрудник.

Простыми словами, всем известно, что в воде частицы с разным зарядом (положительным и отрицательным) притягиваются, а с одинаковым – отталкиваются. Однако за последние 90 лет было многократно описано парадоксальное явление – в водных растворах одинаково заряженные частицы при определенных условиях тоже могут притягиваться и формировать стабильные кластеры. Ранее исследователи предлагали различные теории для объяснения этого необыкновенного явления, в первую очередь указывая на роль конденсированных облаков ионов вблизи частиц или формирование особой структуры молекул растворителя на поверхности частиц. Ученые КФУ установили: явление объясняется тем, что даже в сверхчистой деионизованной воде (включая стерильную) присутствуют экзополимерные прозрачные частицы – нерастворимые гелеподобные структуры биологического происхождения, состоящие из комплексов полисахаридов и других биомакромолекул. Именно эти частицы принимают участие в формировании стабильных коллоидных комплексов между одноименно заряженными частицами на большом расстоянии – от 200 до 600 нанометров.

«Нашим коллективом была установлена природа возникновения дальнодействующих связей между одноименно заряженными коллоидными частицами в воде. В работе впервые показана роль нерастворимого вещества биологического происхождения в процессах образования стабильных коллоидных кластеров в номинально сверхчистой воде», – уточнил Р. Фахруллин.

Центру медиакоммуникаций КФУ ученый рассказал, что достичь результатов помогла уникальная комбинация объекта и методов исследования. В работе были использованы образцы галлуазита с высоким содержанием длинных стержней (2-3 микрометра и более), а также темнопольная видеомикроскопия в реальном времени. Для характеристики прозрачных экзополимерных частиц использовали атомно-силовую микроскопию и микробиологические методы.

«Первоначально мы даже не задумывались об изучении механизмов притягивания одноименно заряженных частиц. Наша работа была направлена на характеристику агрегации нанотрубок галлуазита в средствах ухода за волосами. Мы хотели узнать, насколько стабильны суспензии галлуазита в различных растворах. Используя темнопольную микроскопию для визуализации водных дисперсий анизотропных частиц галлуазита, мы обнаружили необычную агрегацию между отдельными стержнями галлуазита. В основном он не агрегирует в чистой воде. Однако очень незначительное, с трудом обнаруживаемое число стержней все же формирует кластеры определенной повторяющейся формы. Стабильная агрегация одноименно заряженных частиц галлуазита на большом расстоянии была обусловлена прозрачными экзополимерными частицами, являющимся широко распространенными в природной воде (как морской, так и пресной) полисахаридными микрогелями биологического происхождения. Нами установлено их присутствие в стерильной деионизованной воде, именно такую используют в лабораторных научных исследованиях. Формирование стабильных агрегатов показывает ранее неизвестную роль нерастворимого органического вещества в дальнодействующей агрегации одноименно-заряженных коллоидных частиц», – пояснил биолог.

Прозрачные экзополимерные частицы обнаружены в природной воде, они представляют собой внеклеточные полисахариды, выделяемые микроорганизмами и простейшими. Интересно, что даже в воде, очищенной от каких-либо форм жизни, прозрачные экзополимерные частицы самопроизвольно формируются из биомолекул-предшественников. Их содержание в природной воде очень высоко. Известно, что они участвуют в круговороте углерода, а также в некоторых микробиологических процессах, таких как формирование биопленок, а также в обрастании и загрязнении фильтров. Точный химический состав экзополимерных частиц установить невозможно, а методы их идентификации в воде недостаточно точны, например, их невозможно увидеть под микроскопом без специфической окраски.

Практическая значимость исследования, по словам Равиля Фахруллина, заключается в понимании природы процессов, происходящих в воде, что необходимо для решения ряда прикладных задач в области химии и биологии, например, для разработки антимикробных препаратов и покрытий. Резюмируя, он добавил, что многие биохимические процессы нуждаются в дополнительном изучении.

«Ранее мы не знали о том, что в любой, даже самой чистой воде могут присутствовать экзополимерные частицы биологического происхождения. Их присутствие не учитывается в лабораторных экспериментах. Вероятно, они принимают участие во многих химических реакциях в водных растворах, и их роль только предстоит выяснить», – заключил ученый Казанского университета.