отдел кинетики химических и биологических процессов

Лаборатория процессов фотосенсибилизации

Лаборатория процессов фотосенсибилизации
Заведующий - д.х.н., профессор Кузьмин Владимир Александрович
Телефон: 939-73-41

Лаборатория процессов фотосенсибилизации была образована в отделе кинетики химических и биологических процессов Института химической физики им. Н.Н. Семенова АН СССР в 1979 году в соответствии с Распоряжением Президиума АН СССР. Лаборатория была создана на базе группы кинетики быстрых реакций, руководимой доктором химических наук, профессор В.А. Кузьминым, которая с начала 70-х годов входила в состав лаборатории профессора Г.Е. Заикова. Основной задачей лаборатории было изучение кинетики быстрых фотохимических процессов. Были установлены закономерности процесса тушения синглетных и триплетных состояний радикалами. В лаборатории открыты новые короткоживущие частицы - триплетные эксиплексы, представляющие собой контактные ион-радикальные пары. В 1975 году В. А. Кузьмину и И.В. Худякову была присуждена премия Ленинского комсомола за цикл работ в области химии ароматических радикалов.

Важнейшим направлением исследований лаборатории процессов фотосенсибилизации стало изучение механизма и кинетики быстропротекающих элементарных фотохимических процессов с участием молекул красителей и родственных соединений. С 1994 года лаборатория процессов фотосенсибилизации входит в состав нового Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН. Основным методом исследования спектрально-кинетических закономерностей сложных фотохимических процессов, который используется в лаборатории, является метод импульсного фотолиза и кинетической спектроскопии. Методом импульсного фотолиза были исследованы механизм и кинетика элементарных стадий фотосенсибилизированных реакций переноса электрона, атома водорода, протона и переноса энергии с участием возбужденных состояний красителей и сложных органических молекул в гомогенных и структурно-организованных системах, а также в упорядоченных средах на границе раздела фаз.

Большой цикл работ был посвящен исследованию реакционной способности феноксильных и семихиноновых радикалов и их комплексов с соединениями переходных металлов, что позволило получить важную информацию о механизме гомогенных каталитических поцессов. Исследования кинетики и механизма быстрых фотохромных процессов были выполнены на молекулах спиропиранов различного строения, что позволило предложить для внедрения новый фотохромный полимерный композит. На основании изучения кинетики и механизма реакций активных короткоживущих интермедиатов, образующихся в фотохимических реакциях дигидрохинолинов в различных растворителях, была открыта неизвестная ранее для дигидрохинолинов реакция фотоиндуцированного присоединения растворителя к двойной связи, которая происходит в протонных растворителях. Установлены важная роль карбокатионов в этих реакциях и влияние растворителя на механизм фотопроцесса. Показано, что первичным фотохимическим процессом при фотолизе дигидрохинолинов в протонных растворителях является перенос протона от растворителя на нерелаксированное возбужденное состояние дигидрохинолина, происходящее в фемтосекундном временном диапазоне.

Одним из важнейших направлений исследований, проводимых в лаборатории, являются исследования в области фотофизики и фотохимии цианиновых красителей в гомогенных и структурно-организованных системах, в том числе в составе комплексов с ДНК и белками. Был исследован процесс фотоизомеризации цианиновых красителей и установлена связь квантовых выходов фотоизомеризации в зависимости от строения молекул красителей и их комплексов.

Исследование реакционной способности комплексов цианиновых красителей и их короткоживущих интермедиатов в зависимости от строения фотосенсибилизаторов и биомакромолекул позволило выявить влияние физических факторов на эффективность процессов тушения триплетных состояний свободных красителей в растворах и в комплексах с биомакромолекулами. Эти исследования имеют большое прикладное значение. На основе исследований переноса энергии в комплексах красителей с нуклеиновыми кислотами были установлены абсолютные концентрации внеклеточной ДНК в плазме крови больных сердечно-сосудистыми и различными аутоиммунными заболеваниями. Разработанные флуоресцентные методы определения внДНК и степени фрагментированности внеклеточной ДНК в сыворотке крови человека являются важными методами определения основных биохимических показателей контроля апоптоза и некроза при клинической диагностике многих патологических процессов в организме. Начаты исследования биофизических параметров комплексообразования биомакромолекул (ДНК, белков) и новых низкомолекулярных соединений - прототипов противоопухолевых лекарств. Исследования процессов комплексообразования производных порфиринов и хлоринов с молекулами альбумина имеет важное значение для понимания механизма фотосенсибилизированных процессов, происходящих в раковых клетках при фотодинамической терапии, и для разработки новых эффективных фотосенсибилизаторов для ФДТ. Недавно начато изучение связывания новых ДНК-лигандов с ДНК, что является основой для оптимизации свойств противоопухолевых соединений.

В лаборатории проводятся исследования спектрально-кинетических характеристик наночастиц на основе самоорганизованных J-агрегатов анионных полиметиновых красителей и их комплексов, что имеет важное значение для управления свойствами наночастиц. Изучение равновесий между димерами и J-агрегатами мезо-этилзамещенных тиатриметинцианинов в водных растворах в зависимости от строения красителей и температуры показало, что существуют две J-агрегатные формы красителей, образование которых связано с существованием в растворе двух пространственных цис- и транс-изомеров красителей, равновесие между которыми определяется строением красителя и температурой.

Научные исследования, проводимые в лаборатории, поддерживаются Программами Президиума РАН и ОХНМ РАН, а также грантами РФФИ. Лаборатория процессов фото¬сенсибилизации ИБХФ РАН проводит совместные исследования с различными лаборато¬риями Института, учреждениями Российской академии наук и Российской академии медицинских наук, ИОХ РАН, ИНЭОС РАН, ИМБ РАН, ИХФ РАН, ИПХФ РАН, ГУ МГНЦ РАМН, РОНЦ РАМН, ГУ ИР РАМН, НЦН РАМН, РКНПК Росмедтехнологий, НЦСХ РАМН, ЦКВИ Росмедтехнологий, ЦКБ РАН. Результаты работ, полученные сотрудниками лаборатории, неоднократно докладывались на Российских и международных конференциях по фотохимии, химии активных интермедиатов, химии порфиринов и других красителей. За время существования лаборатории процессов фотосенсибилизации более 30 сотрудников, аспирантов и стажеров защитили кандидатские диссертации и 8 сотрудников – докторские диссертации. В настоящее время в лаборатории 4 аспиранта работают над выполнением кандидатских диссертаций. Лаборатория активно сотрудничает с кафедрой химии и технологии биологически активных соединений МИТХТ им. М. В. Ломоносова. Ежегодно от 3 до 5 студентов выполняют бакалаврские и магистерские работы на базе лаборатории.

Одним из новых важных научных направлений лаборатории процессов фотосенсибилизации в последние годы стало фундаментальное исследование механизмов окислительно-восстановительных, фотохимических и свободно-радикальных процессов с целью разработки экологически чистых, природосберегающих технологий. Это связано с тем, что в 2007 году в состав лаборатории вошла группа экологической химии водной среды (рук. гр. - д.х.н. Елена Валентиновна Штамм) в составе: к.б.н., ст.н.с Н.Б. Козлова, н.с., к.х.н В.О. Швыдкий, к.ф.-м.н., инж. Р.Р. Бородулин, аспирантка И.С. Байкова. Экологическая химия водной среды как новое научное направление было развито в России профессором Юрием Ивановичем Скурлатовым в лаборатории экохимических процессов Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, с которой осуществляется тесное научное сотрудничество и ведутся совместные работы. Основные научные направления работы группы экологической химии водной среды: развитие концепции роли окислительно-восстановительных, фотохимических и свободно-радикальных процессов в самоочищении от техногенных загрязняющих веществ и формировании биологической полноценности природной водной среды; разработка и использование методов биотестирования при оценке качества воды, технологий очистки и технологических процессов с точки зрения их опасности для водных экосистем и организма человека.

В области исследования роли фотохимических и свободно-радикальных процессов биологической очистки водной среды следует отметить следующие результаты. Разработаны чувствительные методы определения малых концентраций перекиси водорода в водных средах. Установлена роль фотохимических процессов (в том числе, с участием микроводорослей) в образовании Н2О2 в природной водной среде, изучены кинетические особенности распада перекиси водорода с участием и без участия промежуточных свободных радикалов, по «каталазному» (wк = k1 [Н2О2] – псевдо 1-го порядка) и «пероксидазному» типу (wп = k0 – псевдо 0-го порядка).

Обнаружено новое природное явление, явившееся результатом комплексного антропогенного воздействия на водные экосистемы: формирование «квази-восстановительного», токсичного состояния водной среды. Приставка «квази-» указывает на то, что в термодинамическом смысле среда - окислительная (в воде присутствует растворенный кислород), редокс-потенциал – положительный, в отличие от «чисто» восстановительных (анаэробных) условий, когда редокс-потенциал - отрицательный. Однако при формировании «квази-восстановительного» состояния в воде преобладают вещества восстановительной природы, которые не окисляются кислородом, но эффективно взаимодействуют с Н2О2. Эти вещества-восстановители ответственны за «пероксидазный» канал разрушения перекиси водорода. При этом вклад реакций 0-го порядка в разрушение Н2О2 обусловлен образованием в воде веществ-восстановителей со скоростью wr. Установлено, что «квази-восстановительное» состояние природной водной среды реализуется при интенсификации восстановительных процессов за счет притока извне или в результате внутриводоемных процессов веществ-восстановителей, эффективно взаимодействующих с Н2О2. Разработан метод определения параметра, характеризующего «ингибиторную способность» природной водной среды (эффективную константу скорости гибель ОН-радикалов - kt), Разработаны методы определения скорости инициирования (wi) свободных радикалов (ОН, О2-) в результате фотохимических процессов, протекающих в природной водной среде под действием солнечного излучения и в результате каталитических процессов разложения Н2О2. Установлен диапазон внутриводоемных концентраций ОН-радикалов, оптимальных для процессов химичесого (свободно-радикального) самоочищения природной водной среды: [OH]s = (wi / kt) = 10-16 - 10-15М. Полученные данные позволили сформулировать гипотезу о присутствии в сточных водах и природной водной среде неконтролируемых аналитическими методами водорастворимых соединений восстановленной серы, ответственных за формирование токсичного «квази-восстановительного» состояния природной водной среды. За суммарным содержанием этих веществ-восстановителей можно следить методом титрования проб воды малыми добавками перекиси водорода.

Установлена эффективность перекиси водорода как биологически чистого окислителя. В настоящее время перекись водорода эффективно применяется для детоксикации водной среды при искусственном выращивании рыбы; для борьбы с явлениями токсичного «цветения» сине-зеленых водорослей; для обеззараживания воды в плавательных бассейнах (совместно с УФ-светом); для деструктивной очистки локальных стоков от трудноокисляемых органических веществ (совместно с УФ/О3); для детоксикации сточных вод перед их биологической очисткой; для очистки локальных стоков ЦБП от водорастворимых и летучих соединений восстановленной серы. Практическую реализацию получили также другие применения перекиси водорода: предложены способы обработки семян и полива растений, позволяющие повысить всхожесть семян, сократить сроки вегетационного периода и повысить урожайность сельско-хозяйственных культур. Особенно эффективно применение перекиси водорода при возникновении паразитарных заболеваний, таких как «мучнистая роса». Обработка семян озимой пшеницы по предлагаемому способу дала урожай 42 ц/га (совхоз им. Горького, Калужская обл.) при средней урожайности около 20 ц/га.

Перекись водорода успешно применяется в рыбоводстве. Невольным биотестом произошедших изменений в загрязненной водной среде стали личинки осетровых рыб на Волгоградском осетровом рыбоводном заводе (ВОРЗ), где 100% личинок ежегодно погибали на ранних стадиях развития. Добавки перекиси водорода в садки с личинками приводили к их 100%-ному выживанию. С помощью разработанного сотрудниками лаборатории «Способа выращивания рыб» с применением перекиси водорода были «спасены» около 15 млн. личинок севрюги, из которых выращено и выпущено в Волгу более 7 млн. полноценной молоди. Более того, было установлено, что чрезмерная интенсификация свободно-радикальных процессов может приводить к явлениям гибели растительноядных рыб и карпов в ряде рыбоводных хозяйств, а также к случаям массовой гибели рыбы на Средней Волге. Аналогичная картина наблюдалась в Киевском водохранилище после Чернобыльской аварии. В результате проведенных натурных исследований было обнаружено новое природное явление, вызываемое антропогенным загрязнением водной среды(чаще всего, - при загрязнении радионуклидами), а именно - при интенсификации свободно-радикальных процессов на фоне повышенного содержания ионов марганца в воде формируется токсичное «сверх-окислительное» состояние, приводящее к гибели взрослых рыб. Следует отметить, что в годы, предшествующие Чернобыльской катастрофе, Киевское водохранилище было подвержено явлениям «цветения» синезеленых водорослей, однако после аварии состояние изменилось к «сверх-окислительному». «Сверх-окислительное» состояние может служить индикатором скрытого α-, β-.радиоактивного загрязнения водной среды, Исследование механизмов фотохимических процессов, проходящих в природных водах и модельных системах под влиянием солнечного света и искусственного УФ-излучения, позволило предложить и практически реализовать УФ-технологии по очистке и обеззараживанию природных и сточных вод. Разработан и прошел успешные производственные испытания (г. Белгород) способ комбинированной очистки смешанных хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод: - обработкой УФ-излучением ртутных ламп среднего давления с последующей биологической очисткой в аэротенке. Под действием УФ-излучения в аэрируемой сточной воде происходит эффективное образование перекиси водорода, расходуемой на «титрование» веществ-восстановителей, участвующих в формировании упомянутого выше токсичного «квази-восстановительного» состояния природной водной среды. Одновременно с окислением восстановителя, для чего могут использоваться и непосредствено добавки перекиси водорода в сточную воду, происходит значительная детоксикация стока, поступающего в аэротенк. В результате улучшается функциональное состояние микрорганизмов активного ила, что позволяет увеличить пропускную способность аэротенков на 30-50% при улучшении параметров очистки по общепринятым показателям;

Разработана технология обеззараживания природных вод питьевого назначения из поверхностных водоисточников с применением УФ-излучения ртутных ламп низкого давления - взамен первичного хлорирования. Технология прошла успешные производственные испытания на Первомайской очистной станции г. Н. Новгорода; разработана технология обеззараживания сточных вод после их биологической очистки с применением оригинальной конструкции водопогружных УФ-установок лоткового типа. Особенностью установок является возможность очистки защитных кварцевых кожухов от поверхностных налипаний и загрязнений без прерывания процесса обеззараживания (непосредственно в потоке обрабатываемой воды), простота обслуживания (замена ламп, выходящих из строя, очистка кварцевых кожухов), возможность обработки сколь угодно больших объемов воды; предложен и практически реализован комбинированный способ обеззараживания воды в плавательных бассейнах с применением УФ-излучения и обработкой воды перекисью водорода.

Установки для обеззараживания питьевых и сточных вод ультрафиолетовым излучением, а также стенды с описанием характеристик этих установок и разработанной в лаборатории системы токсикологического контроля качества вод методами биотестирования экспонировались на международных выставках в г. Москве: в экспоцентре - «Химия-99», «Здравоохранение-99», "Экспогород-2000", "Здравоохранение-2000", в выставочном зале гост. "Россия" на Международной выставке "ЭКВАТЭК-2000", на ВВЦ - «Живые системы» (2000г.), "Технология России, Наука. Научные приборы" (2000г.), на выставке "Московский международный Салон инноваций и инвестиций" (ВВЦ, г. Москва, 2001г.), в Гостином дворе на Международной выставке "ЭКВАТЭК-2002". Экспозиция "Водопогружные УФ-установки для обеззараживания и очистки природных, питьевых, оборотных и сточных вод" на выставке "Московский международный Салон инноваций и инвестиций" (ВВЦ, г. Москва, 2001г.) была удостоена бронзовой медали.

На основе изучения механизмов фотохимической трансформации нитрат-, нитрит-ионов предложен способ денитрификации, сопровождающейся деструктивной очисткой и детоксикацией многокомпонентных стоков за счет фотоинициирования ОН-радикалов; показана эффективность комбинированного действия фотоозонирования с последующей биологической очисткой на адаптированных штаммах микрорганизмов для очистки локальных стоков от неионогенных СПАВ различной природы (проект ИНТАС); показана высокая эффективность фотоозонирования для доочистки вод от растворенных форм нефтепродуктов (после гравитационных сепараторов); установлена высокая эффективность использования явления «скользящего заряда», образующего высокотемпературную плазму в пузырьках газа, пропускаемых через обрабатываемую жидкость (разработка ИОФАН), для разрушения даже столь трудно разрушаемых веществ, как лигнин (обесцвечивание и детоксикация растворов черного щелока); Получены важные результаты в области разработки и использования методов биотестирования для оценки токсических свойств питьевых, природных и сточных вод, а также водных вытяжек из твердых и гетерофазных отходов. В частности: предложена модельная биохимическая система - перекисное окисление липидов липосом (ПОЛЛ): основанная на инструментальном определении продуктов перекисного окисления лецитина куриного желтка по накоплению малонового диальдегида (время анализа 1 ч). На основе сравнительного анализа различных тест-организмов и тест-систем установлена высокая универсальность и чувствительность данной тест системы (на примере растворов черного щелока варочного производства целлюлозы); предложена чувствительная тест-система оценки мутагенной активности нативных проб воды с использованием культур клеток китайского хомячка в заданной фазе роста – по количеству и типам хромосомных аберраций. Данная система гораздо информативней существующего теста Эймса, используемого для оценки мутагенной активности питьевой воды (проект МНТЦ); предложены наборы биотестов и тест-систем, наиболее приемлемых для практического использования качества вод различного происхождения и назначения (питьевых, природных, сточных, водных вытяжек отходов); разработан метод количественной (кинетической) токсиметрии, позволяющий параллельно с кинетическим контролем расхода исходных веществ проводить оценку токсичности неопределяемых аналитически промежуточных продуктов трансформации (метод использован при изучении механизма окисления FeS и фотохимических превращений нитрат-, нитрит-ионов в присутствии модельных токсикантов).

Выявлен основной источник формирования токсических свойств сточных вод целлюлозно-бумажного производства (ЦБП) – варочное производство, в результате которого образуется так называемый черный щелок который вместе с промывными водами поступает в суммарный поток сточных вод ЦБП. Кроме того, выпарные конденсаты содержат большое количество летучих соединений восстановленной серы и также сбрасываются в суммарный поток сточных вод, направляемых на очистные сооружения. Исследования, проведенные с образцами черного щелока на ряде ЦБК (Котласский, Сокольский, Архангельский, Сыктывкарский, Усть-Илимский), в том числе и в рамках Российско-Канадского сотрудничества в области охраны окружающей среды, показали, что сточные воды, поступающие на очистку и на выходе из очистных сооружений обладают высокой степенью токсичности по многим биотестам. Детоксикация растворов черного щелока, в том числе и по такому биотесту как МФО-индукция (увеличение активности монооксигеназ печени рыб – свидетельство сублетальной токсичности) достигается относительно малыми добавками перекиси водорода, стехиометрическими по отношению к веществам-восстановителям. Следует подчеркнуть, что многолетние усилия канадских и скандинавских исследователей по совершенствованию способов очистки и технологии отбелки сточных вод не привели к снижению МФО-активности. Наша методика с применением перекиси водорода оказалась эффективной и в отношении окисления летучих сернистых соединений в выпарных конденсатах. Тем самым применение перекиси водорода в очистке локальных стоков ЦБП открывает возможность не только резко снизить токсичность сточных вод ЦБП, но и в значительной мере решить проблему очистки газовых выбросов от дурнопахнущих летучих сернистых соединений.

Начиная с 1994 года, сотрудниками группы экологической химии водной среды опубликовано более 30 научных статей в международных и отечественных журналах и сборниках, около 40 тезисов докладов на международных и отечественных научных форумах. В 2007 году опубликованы отдельным изданием «Методические указания. Руководящий документ» РД 52.18.862-2006. «Определение токсичности вод и донных отложений. Методика выполнения измерений индекса токсичности методом биотестирования по реакции перекисного окисления липидов липосом». Сотрудники группы активно участвовали в международных и российских экологических проектах по охране окружающей среды: Программа Российско-канадского сотрудничества в области охраны окружающей среды (Институт водных ресурсов, Берлингтон, Канада - ИХФ, ИБХФ РАН, 1993-1996гг); Международный научный проект по линии МНТЦ: «Создание системы комплексного экотоксикологического контроля территорий, подверженных радиационному и/или химическому загрязнению (включая контроль за мероприятиями по уничтожению оружия массового поражения)» 1998-2001гг.; Московская научная Программа по исследованию токсического влияния на водные тест-организмы различного трофического уровня нового антигололедного средства на основе СаСl2, 2001г.; Международный научный проект по линии INTAS: «Контроль степени очистки сточных вод с помощью биосенсора с обратной связью: фотоокисление, сопровождаемое биологической деградацией при использовании высоко активных бактерий, вызывающих деградацию поверхностно-активных веществ», 2002-2003 гг

В группе проходили практику иностранные студенты по программе научного обмена: Маргарет Бейнбридж (Сассекский Университет, Англия, 2004г.), Жак Кюглер (Берлинский технический Университет, 2005г.), Пантелеймон Мавродиус (Технологический Университет Аристотеля, Салоники, Греция, 2006г.) Гейтон Мэтью (Лозаннский Технический Университет, Швейцария, 2006г.), Даниель Гампе (Германия, 2007г.). Сотрудниками группы защищены 2 диссертации: В.О. Швыдкий «Механизмы фотохимической трансформации минеральных форм азота в природных и сточных водах», диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук (2008г.); И.С. Байкова «Физико-химические аспекты влияния техногенных факторов на формирование токсических свойств природной водной среды», диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук (2009г).

Лаборатория процессов фотосенсибилизацииЛаборатория процессов фотосенсибилизации
Яндекс.Метрика