Стаття "Роль МАНівських досліджень у подоланні екологічної проблеми"

Роль МАНівських досліджень у подоланні екологічної проблеми

Із погляду історії, чим цивілізованішою стає людина, тим більший вплив на довкілля вона чинила. На жаль, переважно негативний. А що ж природа? Сьогодні ми спостерігаємо, як вона відповідає нам взаємністю. Ми їй хмару чаду в повітря – вона нам парниковий ефект з цунамі та змінами клімату. Ми нітрати та пестициди на поля – вона нам отруйні овочі та фрукти, небезпечну воду. Ми не закручуємо кранів та не вимикаємо світло – вона іще терпить, але повітря згущується… Схоже на родинну суперечку на кухні, однак ставки багато вищі.

Як змінити такий стан речей? Як відвернути безрадісне майбутнє? Чи означає перераховане вище, що заради примирення слід відмовитися від благ цивілізації: повернутися до натурального господарювання, зректися пральних машин і подорожей на сусідні континенти? Але хто з нас погодиться на таке?

Бурхливий розвиток хімії та хімічних технологій минулого століття призвели до масового виробництва синтетичних органічних речовин. Багато з них використовують у фармакології, косметиці, як харчові добавки і не мають прямого відношення до навколишнього середовища, але мають суттєвий вплив на здоров’я людей, особливо дітей. Більшість проблем зі здоров’ям людей та техногенним навантаженням на навколишнє середовище обумовлено доступом великої кількості небезпечних хімікатів у довкілля.

У пошуках нових підходів до оновлення змісту, форм і методів підготовки вчителя хімії відповідно до формування екологічних компетентностей в першу чергу необхідно враховувати сучасні тенденції розвитку хімічної науки. Серед новітніх напрямів хімії, які з’явились як відгук на глобальні екологічні проблеми, особливе місце займає “Зелена хімія”.

Основний принцип, на якому базується стратегія і тактика Зеленої хімії, - скорочення масштабів забруднення навколишнього середовища хімічними речовинами шляхом його запобігання. Але, мабуть, найважливіше тактичне завдання Зеленої хімії – використання відновлюваних ресурсів сировини, зокрема біомаси.

Зелена  хімія – це  свого роду мистецтво, що дозволяє не просто отримати

потрібну  речовину, але  отримати її  таким шляхом,  який, в  ідеалі, не шкодить

навколишньому середовищу на всіх стадіях його отримання.

Ще один шлях, що веде до цілей “Зеленої хімії”, ‒ широке використання біомаси замість нафти, з якої хімічні підприємства творять зараз все різноманіття речовин – конструкційні матеріали, хімікати, ліки, парфумерію і багато, багато іншого.

Учні також повинні долучатися до вирішення завдань, які ставить перед собою Зелена хімія.

Одним із таких прикладів долучення учнів до основ згаданого напрямку хімії є написання МАНівських робіт.

Вивчення хімії взагалі неможливе без експерименту, тому така дослідницька робота стимулює інтерес до вивчення хімії, допомагає доторкнутися до світу, хоч і маленьких, а все-таки відкриттів.

Я зі своїм учнем, Морозом Миколою, 3 роки працював над проблемами екологічного характеру. Велику допомогу у вирішенні цього питання нам надають на кафедрі хімії Національного педагогічного університету імені М.П.Драгоманова, зокрема кандидат хімічних наук, доцент та завідувач кафедри хімії Толмачова Валентина Сергіївна та доцент кафедри хімії Ковтун Олена Миколаївна, під керівництвом якої проходить наша робота.

Зараз хочеться навести декілька витягів із наших досліджень.

Наше перше дослідження стосувалося хітину і його тема звучала: “Хітин і хітозан – біополімери майбутнього”.

Хітин та хітозан відповідають основним принципам Зеленої хімії не тільки тому, що біополімери виділяють із відновлюваної сировини, а ще й тому, що вони безпечні для людини та навколишнього середовища (вони повністю біодеградують під дією ферментів мікроорганізмів).

Одним із джерел отримання хітину є комахи, а саме: тутовий шовкопряд, медоносна бджола і кімнатна муха. Сировиною для отримання хітину та хітозану із бджолиних може служити підмор бджіл. Підмор – це загиблі бджоли, головним чином у період зимівлі. Матки у середньому живуть до 5 років, трутні – 4 місяці. Граничний вік робочих бджіл не перевищує одного року, а в активний період життя сильно скорочується і складає в середньому 35 днів. Бджоли осіннього виводу живуть 8-9 місяців. Сила бджолиної сім’ї рівна в середньому 3,5-4 кг. Влітку в період активного медозбору і навесні після зимівлі бджолина сім’я оновлюється на 60-80%. Таким чином, щорічна сировинна база підмору бджіл може складати від 6 до 10 тис. т. (600-1000 т. хітину). Це дає можливість розглядати підмор бджіл як нове перспективне джерело хітину комах.

У разі проникнення в людський організм хітин здатний ефективно взаємодіяти з негативно зарядженими жирними кислотами, відокремлювати їх, перешкоджаючи всмоктуванню в кишечнику, і виводити з організму. Його волокна постійно активізують перистальтику, примушуючи їжу прискорено переміщатися в травному тракті та зв’язують жирні кислоти і холестерин, перешкоджаючи їх всмоктуванню в кров.

Хітозан активізує діяльність клітин організму, налагоджує нервову саморегуляцію та гормональну секрецію, сприяючи здоровій життєдіяльності і функціонуванню організму. Він знижує рівень цукру в сечі у хворих з надмірною вагою. Цей полісахарид також підвищує рівень імунітету шляхом регулювання рН тканин організму, має здатність адсорбувати і виводити з організму солі важких металів, мінеральні добрива, синтетичні барвники, лікарські засоби та радіонукліди, прискорюють загоєння ран, штучна шкіра, штучний кришталик ока не викликають реакції відторгнення, хірургічні шовні матеріали з хітином саморозсмоктуються.

Хітозан може застосовуватись у складі протизаплідних апаратів як засіб, що сповільнює діяльність статевих залоз. Відомі препарати для лікування захворювання кісток, що містять як активні інгредієнти хітин, хітозан та їх похідні. Запропоновано використання хітину для фіксації знімних протезів, як наповнювачі для лунок після видалення зубів.

Хітин – це біологічний фільтр, що забезпечує зв’язування і виведення з організму шкідливих продуктів життєдіяльності.

Дослідження показали, що хітозан індукує в рослинах стійкість до вірусних інфекцій. Рідке добриво “Нарцис” дозволяє збільшити врожайність на 25-30%. Препарат повністю захищає рослини від грибкових захворювань, не викликає звикання і дає можливість заощадити на гербіцидах, так як сходи, оброблені «Нарцисом», не дозволяють розвинутися бур’янам. Хітозан також застосовується як засіб обробки насіння з метою підвищення врожайності.

Метою роботи було дослідження історії відкриття, будови, властивостей та методів виділення біополімерів хітину та хітозану та їх добування.

Об’єктом дослідження були природні полісахариди хітин і хітозан.

Предметом роботи – дослідження властивостей і методів виділення хітину та хітозану з підмору бджіл.

Завдання дослідження: проаналізувати літературні джерела про будову, властивості та методи виділення хітину та хітозану; експериментально перевірити та удосконалити відому методику виділення хітину та хітозану з підмору бджіл.

Новизна роботи полягає в удосконаленні методики виділення хітину та хітозану з підмору бджіл.

Практичне значення дослідження визначається можливістю впровадження результатів дослідження у виробництво.

Методи дослідження. У роботі використані такі теоретичні методи дослідження: аналіз та узагальнення відповідної літератури і результатів діяльності щодо вивчення даної проблеми; хімічні методи виділення органічних речовин із природної сировини.

Результати дослідження. Нами було одержано хітин та хітозан із підмору бджіл та удосконалено методику їх добування.

Тема нашого другого дослідження звучала: “Хімія минулого та майбутнього: молочна кислота та полілактиди”.

Із багатьох запропонованих біодеградуючих пластмас полілактати (ПЛ) є найбільш перспективним замінником традиційних пластмас, так як мають чудові фізико-механічні властивості й піддаються обробці на звичайному виробничому обладнанні. Окрім цього, ПЛ достатньо універсальні. Із них можна отримувати пластмаси, що мають різні технічні характеристики.

За своїми властивостями високомолекулярний ПЛ подібний до поліетилентерефталату (ПЕТ) і також застосовується для виробництва пляшок. Завдячуючи своїм природним властивостям, які дозволяють отримувати матеріали із різною структурою – від крихких термопластів до гуми – полілактати є універсальними полімерами і, окрім пакувальної тари, знаходять широке застосування в різних галузях легкої промисловості.

ПЛ відповідає усім технічним вимогам, що стосуються пакувальних матеріалів. На сьогодні, крім використання ПЛ, полісахаридів і деяких інших біодеградуючих полімерів, не існує інших способів утилізації пластикових відходів, які були б, із одного боку, економічно виправданими, а з іншого – безпечними для природи і здоров’я людей.

При розробці процесу олігомеризації 85% водної молочної кислоти відпрацьовувався спосіб відгонки води при нагріванні суміші до температури 125º С при нормальному тиску. При цьому вода легко відганялася до отримання 90 – 95% розчину молочної кислоти. Процес видалення води в лабораторних умовах у вакуумі відбувався 3 – 5 год. При цьому в реакторі залишалась безводна молочна кислота. Теоретичне значення кислотного числа мономерної молочної кислоти дорівнює 623 мг КОН/г продукту.

При відгонці води спостерігався помітний виніс молочної кислоти, особливо на заключній стадії, коли процес проводився у вакуумі. Кислотність водного погону протягом відгонки коливалась від 5 до 20 мг КОН/г. Тому в промислових умовах цю кислоту необхідно регенерувати і повертати в технологічний процес.

Для досягнення необхідного ступеня поліконденсації молочної кислоти в якості каталізатора олігомеризації дослідили пара-толуенсульфокислоту. Реакція олігомеризації молочної кислоти у присутності 1,5 – 3% пара-толуенсуль-фокислоти проводилася в середовищі азеотропуючих розчинників. У якості розчинника використали толуен. За цих умов одержали олігомер із середнім ступенем поліконденсації 10 – 15, що відповідало молекулярній масі 720 – 1100.

Процес лактидизації одержаних олігомерів проводили в присутності свіжовиготовленого цинкового пилу в реакторі, обладнаному термометром, насадкою Вюрца, з’єднаною із низхідним холодильником та із приймачем. Після завантаження олігомера, що містить 2% каталізатора лактидизації, в системі набирали вакуум і повільно підвищували температуру реакційної маси до 170 – 190ºС. При цьому в приймачі, охолодженому льодом, конденсувався світло-жовтий продукт.

Із метою очистки одержаного лактиду-сирцю його перекристалізували із етилацетату і одержали білі кристалики із температурою плавлення 94,8ºС, які у подальшому використали як вихідний продукт під час одержання полімолочної кислоти за присутності станум диоктаноату як каталізатора.

Використання PLA у медицині обмежено виготовленням кісткових протезів, кісткових гвинтів та імплантатів для кісткових тканин. Текстильні матеріали із PLA мають хороші характеристики, із них виготовляють комфортну білизну і модний одяг, занавіски і драпірувальні матеріали. Вони не містять шкідливих домішок, що викликають алергічну реакцію при контакті із тілом людини. Велике значення полілактид має також і при виготовленні сміттєвих пакетів. Уведення співмономера в PLA дозволяє суттєво скоротити час біологічної деструкції полімеру і розширити область його застосування у медицині, виробництві пакувальної тари, в якості пластифікаторів.

Метою роботи було дослідження історії відкриття, будови, властивостей та методів виділення молочної кислоти та біополімеру полілактиду та їх добування.

Об’єктом дослідження були природні молочна кислота та полілактид.

Предметом роботи – дослідження властивостей і методів виділення молочної кислоти та полілактиду.

Завдання дослідження: проаналізувати літературні джерела про будову, властивості молочної кислоти та полілактиду, створити методику виділення 2-гідроксипропіонової кислоти із молочної сироватки та синтезувати полілактид.

Новизна роботи полягає в створенні методики виділення 2-гідроксипро-піонової кислоти із молочної сироватки.

Методи дослідження. У роботі використані такі теоретичні методи дослідження: аналіз та узагальнення відповідної літератури і результатів діяльності щодо вивчення даної проблеми; хімічні методи виділення органічних речовин із природної сировини.

Результати дослідження. Нами було одержано молочну кислоту і полілактид та удосконалено методику їх добування.

Практичне значення дослідження визначається можливістю впровадження результатів дослідження у виробництво.

Тема останньої роботи: “Хітин, полілактати та дигідрокверцетин як сучасні, перспективні та актуальні об’єкти дослідження Зеленої хімії”.

Біофлавоноїди – група біологічно активних речовин, які підтримують еластичність капілярів, зміцнюють їх стінки та зменшують проникність. Вони є продуктами життєдіяльності рослин. Більшість з них відносяться до Р-вітамінної групи. Багатими джерелами рутину служать листя рути та гречки, кверцетину – цибулиння, шкірка часнику та інші рослини, гесперидину – цедра і сік цитрусових. В основі молекул флавоноїдів лежить дифенілпропіоновий скелет, що складається з 15 атомів Карбону (), де ароматичні групи з’єднані трьохкарбоновим аліфатичним фрагментом.

Кверцетин (С₁₅H₁₀O₇) являє собою кристали жовтого кольору з температурою плавлення . Розчинний в етанолі та в оцтовій кислоті. Відноситься до класу флавонолів. Є сильним антиоксидантом, проявляє антиалергічну та імуностимулюючу дію, блокує дію деяких ферментів. Також має протинабрякову, спазмолітичну, антигістамінну, протизапальну дію.

В медицині кверцетин застосовують як засіб для профілактики захворювань серця і судин (покращує енергопостачання серцевого м’яза, знижує артеріальний тиск). Нещодавно було відкрито ще одну властивість кверцетину – його здатність викликати апоптоз (загибель) ракових клітин за рахунок реабілітації “антиракового” гена.

Лікарські препарати з кверцетином виробляються у вигляді таблеток, капсул, водних розчинів.

Дигідрокверцетин (С₁₅Н₁₂О₇) відкритий у 1936 році, а його хімічні та біологічні властивості інтенсивно вивчаються вже кілька десятиліть. За хімічною природою він відноситься до групи флаванонів. Являє собою білий кристалічний порошок, добре розчинний в ацетоні, метиловому й етиловому спиртах, етилацетаті. Нерозчинний в хлороформі, діетиловому етері, вуглеводнях.

Основним джерелом дигідрокверцетину є деревина модрини сибірської та сосни. Вона містить до 2,5% флавоноїдів, які представлені в основному дигідрокверцетином, кверцетином, дигідрокемпферолом і нарингеніном, при чому вміст дигідрокверцетину сягає 90%.

Розчин 0,1 г дигідрокверцетину в 5 мл 95% спирту дає малинове забарвлення при додаванні 0,5 мл концентрованої хлоридної кислоти та 0,5 г гранульованого цинку (якісна реакція – ціанідинова проба).

При окисненні натрій сульфітом дигідрокверцетин перетворюється в кверцетин.

Препарат має потужну антиоксидантну дію, реактивує вітамін С, запобігає переходу адреналіну в токсичний адренохром. Перешкоджає шкідливій дії вільних радикалів, гальмує процеси пероксидного окиснення ліпідів клітинних мембран і ліпопротеїдів сироватки крові, покращує внутрішньотканинне дихання. Дигідрокверцетин гальмує дію гіалуронідази (ферменту, що порушує цілісність судинної стінки), зменшує проникність і ламкість капілярів, покращує мікроциркуляцію й коронарний відтік, сприяє нормалізації збудливості й провідності серцевого м’яза. Препарат нейтралізує канцерогенні для шлунково-кишкового тракту нітрозаміни. Має гепатопротекторну дію, захищаючи печінку від тетрацикліну, тетрахлоретану, етанолу. Дигідрокверцетин гальмує передчасне старіння клітин і розвиток різних захворювань. Нормалізує рівень холестерину і тригліцеридів у крові, гальмує розвиток дистрофічних і склеротичних процесів у очах, підвищує гостроту зору.

У харчовій промисловості дигідрокверцетин використовується в якості антиокислювача для широкого кола жировмісної продукції, для продовження терміну придатності продукції і надання продуктам корисних властивостей.

Дигідрокверцетин включений до Державного Реєстру лікарських засобів, відноситься до 6 класу безпеки, що означає його абсолютну нетоксичність.

Метою роботи є дослідження історії відкриття, будови, властивостей і методів виділення біополімерів хітину та хітозану, молочної кислоти, біополімеру полілактиду, кверцетину та дигідрокверцетину та їх добування.

Об’єктом дослідження є природні полісахариди хітин і хітозан, молочна кислота та полілактид, кверцетин та дигідрокверцетин.

Предмет роботи – дослідження властивостей і методів виділення хітину та хітозану з підмору бджіл, молочної кислоти та полілактиду, кверцетину та дигідрокверцетину із деревини модрини сибірської та сосни звичайної.

Завдання дослідження: проаналізувати літературні джерела про будову, властивості та методи виділення хітину та хітозану, молочної кислоти і полілактиду, кверцетину та дигідрокверцетину, експериментально перевірити та удосконалити відому методику виділення хітину та хітозану з підмору бджіл, створити методику виділення 2-гідроксипропіонової кислоти із молочної сироватки, синтезувати полілактид, добути кверцетин та дигідрокверцетин із деревини модрини сибірської та сосни звичайної.

Новизна роботи полягає в удосконаленні методики виділення хітину та хітозану з підмору бджіл, у створенні методики виділення 2-гідроксипропіонової кислоти із молочної сироватки та у виділенні кверцетину та дигідрокверцетину з кори та деревини модрини сибірської.

Методи дослідження. У роботі використані такі теоретичні методи дослідження: аналіз та узагальнення відповідної літератури і результатів діяльності щодо вивчення даної проблеми; хімічні методи виділення органічних речовин із природної сировини.

Результати дослідження. Нами було одержано хітин та хітозан із підмору бджіл, молочну кислоту і полілактид, кверцетин та дигідрокверцетин та удосконалено методику їх добування.

Практичне значення дослідження визначається можливістю впровадження результатів дослідження у виробництво.

Тож мій досвід (хоч і невеликий) показує, що виконання наукових робіт учнями в галузі Зеленої хімії сприяє формуванню нового екологічного мислення, нового бачення процесів, що відбуваються на Землі. Тому пробуйте та дерзайте! Творчих успіхів вам і нових відкриттів!

З повагою, вчитель хімії вищої категорії, старший вчитель Великоолександрівської ЗОШ І – ІІІ ступенів Ревнюк Сергій Миколайович.