Использование микроорганизмов для извлечения металлов из водных объектов и создание на их основе катализаторов

Целью проведенного исследования являлась иллюстрация принципиальной возможности сорбции и удаления наночастиц палладия из водной среды с помощью клеток микроорганизмов Paracoccus yeei ВКМ В-3302. Важной особенностью исследования являлся анализ распределения наночастиц палладия по размерам в зависимости от способа хранения клеток микроорганизмов Paracoccus yeei ВКМ В-3302 после их выращивания. Установлено, что при использовании нативных (не подвергавшихся заморозке) микробных клеток средний диаметр образующихся наночастиц палладия составлял 3,99±0,03 нм, в то время как для микроорганизмов, замороженных при температурах минус 4 и минус 20 °С, фиксировалось увеличение среднего диаметра наночастиц до 4,3±0,1 и 4,5±0,6 нм соответственно. Эти наблюдения подчеркивают важную роль жизнеспособности микробных клеток Paracoccus yeei ВКМ В-3302 в процессах формирования и стабилизации палладиевых наночастиц, а также в определении их размерных характеристик. Созданные биогибридные материалы проявляют выраженную каталитическую активность и могут эффективно использоваться в реакциях кросс-сочетания Мизороки – Хека, что подтверждает их высокую функциональную значимость. Предполагается, что удерживание и стабилизация палладиевых наночастиц обеспечиваются комплексом химических взаимодействий, включающих амидные связи белков, карбоксильные и аминогруппы аминокислот, а также гликозидные связи полисахаридов, липидов и пептидогликана, входящих в состав клеточной оболочки. Эти компоненты создают многофункциональную матрицу, способствующую надежной фиксации и активности наночастиц.

1. Kapoor R.T., Salvadori M.R., Rafatullah M., Siddiqui M.R., Khan M.A., Alshareef S.A. Exploration of microbial factories for synthesis of nanoparticles – a sustainable approach for bioremediation of environmental contaminants. Frontiers in Microbiology. 2021;12:658294. DOI: 10.3389/fmicb.2021.658294.

2. Olawade D.B., Wada O.Z., Fapohunda O., Egbewole B.I., Ajisafe O., Ige A.O. Nanoparticles for microbial control in water: mechanisms, applications, and ecological implications. Frontiers in Nanotechnology. 2024;6:1427843. DOI: 10.3389/fnano.2024.1427843.

3. Yamini V., Devi Rajeswari V. Effective bio-mediated nanoparticles for bioremediation of toxic metal ions from wastewater – a review. Journal of Environmental Nanotechnology. 2023;12(2):12-33. DOI: 10.13074/jent.2023.06.232467.

4. Nuzzo A., Hosseinkhani B., Boon N., Zanaroli G., Fava F. Impact of bio-palladium nanoparticles (bio-Pd NPs) on the activity and structure of a marine microbial community. Environmental Pollution. 2017;220:1068-1078. DOI: 10.1016/j.envpol.2016.11.036.

5. Kimber R.L., Lewis E.A., Parmeggiani F., Smith K., Bagshaw H., Gianolio D., et аl. Biosynthesis and characterization of copper nanoparticles using Shewanella oneidensis: application for click chemistry. Small. 2018:14(10):1703145. DOI: 10.1002/smll.201703145.

6. Gomez-Bolivar J., Mikheenko I.P., Macaskie L.E., Merroun M.L. Characterization of palladium nanoparticles produced by healthy and microwave-injured cells of Desulfovibrio desulfuricans and Escherichia coli. Nanomaterials. 2019;9(6):857. DOI: 10.3390/nano9060857.

7. Mandeep, Shukla P. Microbial nanotechnology for bioremediation of industrial wastewater. Frontiers in Microbiology. 2020;11:590631. DOI: 10.3389/fmicb.2020.590631.

8. Bradski G. The OpenCV library. Doctor Dobbs Journal. 2000;25(11).

9. Stringer C., Pachitariu M. Cellpose3: one-click image restoration for improved cellular segmentation. Nature Methods. 2025;22(3):592-599. DOI: 10.1038/s41592-025-02595-5.

10. Chatterjee S., Bhattacharya S.K. Size-dependent catalytic activity and fate of palladium nanoparticles in Suzuki – Miyaura coupling reactions. ACS Omega. 2018;3(10):12905-12913. DOI: 10.1021/acsomega.8b01598.

11. Adams C.P., Walker K.A., Obare S.O., Docherty K.M. Size-dependent antimicrobial effects of novel palladium nanoparticles. PLoS One. 2014;9(1):e85981. DOI: 10.1371/journal.pone.0085981.

12. Deplanche K., Bennett J.A., Mikheenko I.P., Omajali J., Wells A.S., Meadows R.E., et al. Catalytic activity of biomass-supported Pd nanoparticles: influence of the biological component in catalytic efficacy and potential application in ‘green’ synthesis of fine chemicals and pharmaceuticals. Applied Catalysis B: Environmental. 2014;147:651-665. DOI: 10.1016/j.apcatb.2013.09.045.

13. Ariannezhad M., Pourmorteza N., Yousefi A., Esperi M. Catalytic reduction of nitroarenes and Suzuki – Miyaura reactions using Pd complex stabilized on the functionalized polymeric support. Chemical Physics Letters. 2022;793:139431. DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139431.

14. Li Y., Yue-Su M.S., Zhang H.-Y., Zhang Y., Dong-Han M.S., Han Y.-P., et al. Synthesis of tetracyclic indolines through palladium-catalyzed asymmetric dearomative reaction of aryl iodides. ChemistrySelect. 2021;6(19):4719-4724. DOI: 10.1002/slct.202101238.

15. Egan-Morriss C., Kimber R.L., Powell N.A., Lloyd J.R. Biotechnological synthesis of Pd-based nanoparticle catalysts. Nanoscale Advances. 2022;4(3):654-679. DOI: 10.1039/d1na00686j.

16. Law C.K.Y., Bonin L., De Gusseme B., Boon N., Kundu K. Biogenic synthesis of palladium nanoparticles: new production methods and applications. Nanotechnology Reviews. 2022;11(1):3104-3124. DOI: 10.1515/ntrev-2022-0482.

17. Macaskie L.E., Collins J., Mikheenko I.P., Gomez-Bolivar J., Merroun M.L., Bennett J.A. Enhanced hydrogenation catalyst synthesized by Desulfovibrio desulfuricans exposed to a radio frequency magnetic field. Microbial Biotechnology. 2021;14(5):2041-2058. DOI: 10.1111/1751-7915.13878.

18. Schmitt J., Flemming H.-C. FTIR-spectroscopy in microbial and material analysis. International Biodeterioration & Biodegradation. 1998;41(1):1-11. DOI: 10.1016/S0964-8305(98)80002-4.

19. Mart M. The effect of the DNA support on Pd/DNA catalyzed organic transformations. Catalysis Science & Technology. 2024;14(13):3580-3588. DOI: 10.1039/D4CY00546E.

20. Omajali J.B., Mikheenko I.P., Merroun M.L., Wood J., Macaskie L.E. Characterization of intracellular palladium nanoparticles synthesized by Desulfovibrio desulfuricans and Bacillus benzeovorans. Journal of Nanoparticle Research. 2015;17:264. DOI: 10.1007/s11051-015-3067-5.