Получение наночастиц серебра и исследование их обеззараживающих свойств

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Получение наночастиц серебра и исследование их обеззараживающих свойств

Колибабчук Е.А. 1
1МБОУ "СШ №40" г. Нижневартовск
Шишкина Н.А. 1
1МБОУ "СШ №40"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Тема: «Получение наночастиц серебра и исследование их обеззараживающих свойств».

Тип исследовательского проекта: теоретико-экспериментальная работа.

Актуальность: проблема очистки окружающей среды от микробиологического загрязнения стоит очень остро в современных условиях мира. В направлении сохранения экологии человека и его здоровья предлагаем использовать наноплёнку с частицами серебра, зная его обеззараживающие свойства.

Цель работы: получить наноплёнку с частицами серебра и найти закономерность влияния её на загрязнённую окружающую среду, в частности воздуха.

Задачи:

  1. Изучить теоретические основы.

  2. Изучить особенности получения наночастиц серебра в лаборатории.

  3. Получить наноплёнку с антибактериальными и антигрибковыми свойствами.

  4. Высеять колонии микроорганизмов – загрязнителей воздуха методом Коха, установить их морфологию.

  5. Проанализировать влияние наноплёнки с частицами серебра на биологические объекты загрязнителей воздуха.

  6. Поиск новых недорогих сред для очистки загрязнения окружающей среды.

Объект исследования: наночастички серебра, микробиологические объекты, загрязняющие воздух.

Предмет исследования: наноплёнка с содержанием частиц серебра.

Гипотеза: возможно ли, что модифицированные наночастицы серебра материалы обладают бактерицидной и фунгицидной активностью.

Теоретическая значимость: широкое применение для очистки окружающей среды от микробиологических объектов – загрязнителей.

Степень теоретической значимости удовлетворительная. Результаты эксперимента уточняются, конкретизируются в определённых исследованиях.

Практическая значимость: выводы, сделанные в ходе работы, смогут привести к решению микробиологической очистке окружающей среды.

ГЛАВА 1

1.1. Теоретические основы

Воздушная среда обитания населена микроорганизмами, такими как бактерии, споры плесневелых грибов, вирусы. Однако по сравнению с другими средами обитания она обладает малой питательной ценностью. Ведущей отраслью изучения в современной химии являются нанотехнологии, а в микробиологии – изучение патогенных и условно-патогенных микроорганизмов составляющих санитарную микробиологию объектов окружающей среды.

В видовом отношении преобладают кокки, палочки, споры плесневелых грибов, актиномицеты и др. Особое значение имеет микрофлора закрытых помещений. Которые негативно сказываются на организме человека, попав внутрь через дыхательные пути. Воздушно-капельным путём (за счет образования стойких аэрозолей) распространяются многие респираторные инфекции (грипп, коклюш, дифтерия, корь, туберкулез и др.) [1].

В учебнике Кашкина П.Н. «Практическое руководство по медицинской микологии» указано, что основными загрязнителями воздушной среды являются бактерии [2].

Таким образом, возникает потребность использования наноматериалов в защите окружающей среды и здоровья человека.

Слово «нано» с греческого переводится как карлик (10-9). Наночастицы – это частицы, размер которых варьирует от 5 до 100 нм (содержит103-108 атомов). Изделия, изготовленные с наночастицами, обладают новыми свойствами и новым поведением, благодаря переносу зарядов, энергии и массы микрочастиц. Возникает наноструктура частиц с определенным их положением в пространстве [3]. Следовательно, наноматериалы – это материалы, объединяющие в определённом пространственном положении группы наночастиц, используемых веществ.

В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел понятие нанотехнология. Таким образом, в нанотехнологии изучают малые по размерам частицы и материалы с новыми свойствами в размерах, указанных выше. Получение наноматериалов объединяет науки: химию, биологию, физику, экологию.

Модифицированные наночастицы серебра-материалы обладают бактерицидной и фунгицидной активностью.

1.2. Библиография

Для выполнения работы необходимо знать механизм образования наночастиц серебра. Введение глицерина и глюкозы в серебросодержащий раствор в водной среде, образует молекулярный раствор с образованием мицелльной частицы. [4] Соли металла позволяют наноструктурировать полимерную матрицу. [5] В учебнике Кашкина П.Н.  указано, что основными загрязнителями воздушной среды являются бактерии [2]. Обеззараживающие свойства соединений серебра основаны на действии ионов, которые разрушают клеточную стенку бактерий, ведут к ее разрушению.

Теплоухов А.А. в учебном пособии «Основы синтеза наносистем» описал химические методы получения наночастиц. [5]

При образовании наночастиц серебра происходит в стабилизирующей среде – органические соединения, способные образовывать комплексы, и реакция гидролиза с добавлением солей серебра происходит в органических растворителях. Полимеризация и образование геля с содержанием биологически активных макромолекул, происходит по ниже указанным схемам гидролиза в органической среде:

M(OR)4 + 4H2O → M(OH)4 + 4ROH

mM(OH)n → (MO2) + 2mH2O,

где M(OR)4 частица металлсодержащей органического соединения до гидролиза,

M(OH)4 – соединение соли после гидролиза,

(MO2) – общая формула получаемой наночастицы. [6], [7]

Автор Верещагина Я.А. объясняет уменьшение размера частиц за счет «размерного эффекта – комплекса явлений, в следствии которого происходит уменьшение размеров частиц», так как изменяются физико-химические параметры в формируемой наноплёнке. [3]

Липин В.А «Нанотехнологии в химической технологии производства полимеров» описал метод проведения химических реакций из растворов солей. Синтез происходит при смешивании двух микроэмульсий – раствора солей и раствор восстановителя. При получении пленочных и поверхностных наноматериалов, образуются «микрокапсулированные» микрочастицы в защитных оболочках из пленкообразующих полимерных материалов, которые выполняют роль стабилизирующего агента. [8] Работа основывалась на патенте №(19)RU(11)2 542 280(13)C1(51)МПКC08J 5/18(2006.01)B82B 3/00(2006.01)A61L 15/18(2006.01), авторы: Баранова Ольга Алексеевна (RU) Пахомов Павел Михайлович (RU). [4]

1.3. Получение наночастиц на основе солей серебра.

Основой для получения микроэмульсии взяли 0,1 М раствор AgNO3, в качестве восстановителя 1% раствор С6Н12О6 и стабилизатора – раствор глицерина.

  1. Осаждение микроорганизмов производилось в двух чашках Петри в наноплёнкой и без нее с экспозицией 7-10 минут.

  2. Подсчет микроорганизмов производился по методике Б.А. Доспехова. [10]

  3. При помощи бинокулярного микроскопа определяли состав загрязнителей воздуха в аудиториях после лекций в ВУЗе.

ГЛАВА 2

2.1. Экспериментальная часть.

Получение материалов на основе «наночастиц» (приложение 1).

В коническую колбу налить 10 мл дистиллированной воды, добавить 0,1 М 2 мл раствора нитрата серебра и 0,2 мл 1%-го раствора глюкозы (роль восстановителя). Прилить к полученному раствору при перемешивании 1 мл глицерина (роль стабилизатора). Полученный раствор равномерно распределить по дну чашки Петри, не допуская застывания и наличия пузырьков на поверхности. Через 30-40 минут образуется пленка. Аккуратно сняли с помощью пинцета.

Приготовление субстрата для посева бактерий МПА (мясо-пептонный агар). [14] (приложение 2)

Для приготовления 1 л. среды нам потребовалось:

  1. В термостойкую колбу на 1500 мл положить два мясных кубика, высыпать 5 г глюкозы (0,5%), 10г пептона (1%).

  2. Добавить 1000 мл дистиллированной воды.

  3. Колбу нагреть на водяной бане для расплавления агар-агара, которого необходимо 20 г (2%) и нагреть до 100оС (температура плавления агар-агара, застывание 40 оС).

  4. Для установления слабощелочной среды использовали 20% раствор Na2CO3 (испытали лакмусовой бумажкой), так как большинство бактерий лучше развиваются при рН = 7,0-7,2.

  5. Разлили сразу по пробиркам и колбам, завернули плотной бумагой.

  6. Посуду с МПА поместили в автоклав на 30 минут для стерилизации.

Осаждение и выращивание микроорганизмов из воздуха методом Коха(приложение 3)

1. Берем три чашки Петри с МПА.

2. В первую добавляем наноплёнку с частицами серебра и МПА (чашка №1), оставляем открытой на 7-10 минут, в аудитории №1 где были проведены занятия.

3. Вторую чашку Петри без наноплёнки также оставляем открытой (чашка №2), в той же аудитории где были проведены занятия на 7-10 минут.

4. Третью чашку (контрольная) Петри без наноплёнки, но с МПА оставили в открытой в аудитории №2, где занятия не проводились.

5. Чашки Петри №1,2,3 закрываем, переворачиваем к верху дном ставим в термостат на 37,80С

Количественный расчет микроорганизмов в воздухе.

Статистическая обработка полученных данных проводилась по методике Б.А. Доспехова [10].

Определение микроорганизмов(приложение 4).

Для определения количества микроорганизмов часто применяют метод осаждения микробов на чашки Петри с питательной средой (метод свободного оседания). Учитываем тот факт, что микроорганизмы при просасывании воздуха ударяются о липкую поверхность питательной среды и прилипают.

При использовании метода осаждения микроорганизмов в определенных местах помещения выставляют на 5...10 минут открытые чашки Петри со стерильной твёрдой питательной средой, закрывают и помещают на 48 часов в термостат при температуре 37-37,9оС. По количеству выросших колоний определяют микробную загряз­нённость воздуха помещений. Экспозиция 2 дня в термостате (приложение 5). Экспозиция 10 дней в термостате (приложение 6).

Окраска бактерий по методу Грама. [11] (приложение 7)

  1. На фиксированный мазок нанести карболово-спиртовой раствор гентацианового фиолетового через полоску фильтровальной бумаги и без неё. Через 1-2 мин бумагу снять, а краситель слить.

  2. Нанести раствор Люголя на 1-2 мин.

  3. Обесцветить этиловым спиртом в течении 1 минуты.

  4. Докрасить водным раствором фуксина в течении 2 минут, промыть водой, высушить фильтровальной бумагой и на воздухе микроскопировать.

  5. Грамотрицательные бактерии окрашиваются в красный цвет, а грамположительные в тёмно-фиолетовый.

Подсчет колоний в чашки Петри(приложение 8).

  1. На 100 см2 питательной среды чашки Петри за 5 минут оседает столько микробов, сколько их содержится в 10 л воздуха. Площадь чашки Петри определяют по формуле: S= pR2, где S – площадь чашки Петри, см2; p – постоянная величина, равная 3,14; R – радиус чашки Петри составил 4,5 см.

  2. Площадь чашки Петри равна 64 см2 и на питательной среде выросли в чашке №1 – 1 колония, где наноплёнка была минимальной, 35 колоний чашке №2. В чашке №3 – 2 колонии бактерий.

Подсчет микроорганизмов содержащихся в воздухе.

  1. Отсюда количество колоний микроорганизмов (X) на 100 см2 в чашке №1 равно 2 штуки.

  2. Х = 1/64 ×100 = 1,6

  3. Умножая полученное число на 100, находим количество микроорганизмов в 1 м3, что будет равняться 160 штук в 1 м3 воздуха.

  4. Во второй чашке количество микроорганизмов (X) на 100 см2 в чашке № 2 равно 35 колоний.

  5. Х = 35/64 ×100 = 54,7

  6. Умножая полученное число на 100, находим количество микроорганизмов в 1 м3, что будет равняться 5470 штук бактерий в 1 м3воздуха.

  7. В третьей чашке количество микроорганизмов (X) на 100 см2 в чашке № 2 равно 3 колоний.

  8. Х = 2/64 ×100 = 3

  9. Умножая полученное число на 100, находим количество микроорганизмов в 1 м3, что будет равняться 300 штук бактерий в 1 м3 воздуха.

  10. В воздухе находились кокки и палочки. (приложение 9)

ВЫВОДЫ

  1. Изучили научную литературу по данной теме.

  2. Получение наночастиц серебра в лаборатории НВГУ.

  3. Получили наноплёнку с антибактериальными свойствами и проверили её эффективность.

  4. Споры плесневелых грибов не высеялись, фунгицидные свойства не проверены.

  5. Морфологический состав высеянных колоний бактерий – обнаружен загрязнитель воздуха методом Коха – палочки – грамположительные, с преобладанием кокков – грамположительных и грамотрицательных.

  6. Влияние наноплёнки с частицами серебра на биологические объекты загрязнителей воздуха были обнаружены и доказаны, наиболее бактериальный эффект был выражен в пробе №1,2.

  7. Предложено использовать наноплёнки с частицами серебра для очистки воздуха, в медицине.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований, проведенный мною эксперимент доказал актуальность современной проблемы – очистка окружающей среды от микробиологических загрязнителей. В ходе проведения данной работы все поставленные задачи по получению наночастиц серебра с антибактериальными свойствами получены, определены микробиологические загрязнители воздуха — кокки, доказана эффективность наноплёнки на биологические объекты загрязнители воздуха.

Были получены новые недорогие средства для очистки загрязнения окружающей среды. Гипотеза о том, что модифицированные частицы серебра были получены и обладали антибактериальными свойствами доказана.

Наноплёнка с частицами серебра была получена из доступных реактивов, а значит с минимальными экономическими затратами, что позволяет ее использовать в области экологии и медицины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1]. Микрофлора воздуха-medicalbrain.ru. > microbiologia/ecologiya…html. Сборник лекций «Основы микробиологии и иммунологии. Автор-составитель: А.И. Бахматова преподаватель специальных дисциплин Юргамышского филиала ГБПОУ «Курганский базовый медицинский колледж». Внутренний рецензент: Трофимова Надежда Сергеевна, преподаватель высшей квалификационной категории профессионального цикла Юргамышский филиал ГБПОУ «Курганский базовый медицинский колледж», с.21

[2]. Кашкин П.Н. Практическое руководство по медицинской микологии. — Л.: Медицина. Ленингр. отделение, 1983. — 190 с. ил.; 22.

[3]. Верещагина Я.А. Физическая химия наноматериалов: учебное пособие [Электронный ресурс] / Я.А. Верещагина. – Казань: Казанский федеральный университет, 2016, с.10

[4]. https://yandex.ru/patents/doc/RU2542280C1 20150220 «Способ получения пленок с наноструктурированным серебром». Патент№ (19)RU(11)2 542 280(13)C1(51)МПКC08J 5/18(2006.01)B82B 3/00(2006.01)A61L 15/18(2006.01), авторы: Баранова Ольга Алексеевна (RU) Пахомов Павел Михайлович (RU).

[5]. Теплоухов, А. А. Основы синтеза наносистем: учеб. пособие / А. А. Теплоухов, Н. А. Семенюк, Д. А. Полонянкин; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2020. – 120 с. : ил.

[6].https://studbooks.net/2267113/matematika_himiya_fizika/poluchenie_nanochastits_zhidkoy_faze

[7]. Щука А.А. Наноэлектроника [Электронный ресурс]: учеб. Пособие/А.А. Щука, под ред. С.А. Сигова – 2-е изд. (эл.).-М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2012-342с.: ил.- (Нанотехнологии).

[8]. Липин В.А. Нанотехнологии в химической технологии производства полимеров: учебное пособие; ВШТЭ СпбГУПТД — Спб., 2020.

[9].https://portal.tpu.ru/SHARED/a/APA/academics/bav/Tab 2/cultivation.pdf

[10]. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. – М.: “Агропромиздат”, 1985.

[11]. Практикум по микробиологии / Под ред. Н.С. Егорова. М.: МГУ, 1976

[12]. Зверев В.В. Бойченко М.Н. учебное пособие «Микробиология и

вирусология» -М,: Издательская группа «ГЭОТАР –МЕДИА», 2017.

[13]. М.С. Поляк, В.И. Сухаревич, М.Э. Сухаревич. Питательные среды для медицинской микробиологии. Санкт-Петербург, 2002 г.

[14]. Материалы и методы нанотехнологий: учеб. пособие / А. А. Ремпель, А. А. Валеева. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015 — 136 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1.

Приготовление растворов для получения наноплёнки из серебра.

 

Фотография 4. Образование наноплёнки

Фотография 2. Работа с растворами для изготовления наноплёнки

Фотография 3. Использование приготовленных растворов для получения наноматериалов

Фотография 1. Использование точного объема жидкостей

 

Фотография 5.

Готовая наноплёнка с частицами серебра

 

Фотография 6.

Снятие наноплёнки для дальнейшего эксперимента

Приложение 2.

Приготовление МПА

 

Фотография 8. Разогревание МПА перед использованием

Фотография 7. Готовый МПА

Приложение 3.

Приготовление к испытанию смеси МПА и наноплёнки из серебра в чашках Петри

 

Фотография 9. Подготовка чашек Петри с наноплёнкой и без нее с МПА

Приложение 4.

Размещение в термостат испытуемых объектов.

 

Фотография 10.

Размещение образцов в термостат

 

Фотография 11. Оптимальная температура термостата

Приложение 5.

Обнаружение колоний высеянных бактерий через 2 дня

 

 

Фотографии 12-14

Визуальный осмотр колоний бактерий. Экспозиция в термостате 2 дня

Приложение 6.

Э
кспозиция образцов через 10 дней (визуально)

 

Фотография 15.

Экспозиция в термостате через 10 дней.

Приложение 7.

Окраска бактерий по методу Граму.

 

Фотография 16.

Нанасение карболово-спиртового раствора генцианового фиолетового

 

Фотография 18.

Докраска водным раствором фуксина

Фотография 17.

Нанесение раствора Люголя

 

Фотографии 19 – 21.

Нанесение микроорганизмов микробиологической петлёй и фиксирование их.

Приложение 8.

Определение и подсчет колоний бактерий под увеличением микроскопа (с маслом) 15х100=1500 раз

 

Фотография 22.

Образец №1 с наноплёнкой с частицами серебра

 

Фотография 24.

Контрольный образец №3

 

Фотография 23.

Образец №2 без наноплёнки

Приложение 9.

Количество колоний в образцах высеянных в чашках Петри

 

Количество колоний, шт.

Количество микроорганизмов в воздухе, 1 м3воздуха

 

Количество микроорганизмов в воздухе

Просмотров работы: 17