بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از کیلیتهای آلی روی برای افزایش قابلیت دسترسی آن در کشت آبی و خاکی، مورد توجه قرار گرفته است. به این منظور از کیتوسان و مشتقات هیدرولیز شده آن به عنوان کمپلکس کننده فلز روی استفاده شد. اطلاعات مربوط به FTIR به منظور شناسایی و تایید تشکیل کمپلکسها بدست آمد. حلالیت و رسوب ترکیبات با تغییر pH در محیط آبی ارزیابی شدند. نتایج به دست آمده از اسپکتروسکوپی IR، تشکیل کمپلکسها را تایید کردند. در بین کمپلکسهای سنتز شده، کیتوسانی که به روش اسیدی هیدرولیز شده بود بالاترین حلالیت را داشت. همه کمپلکس های کیتوسان و مشتقاتش پایداری بالایی را با افزایش pH محیط نشان دادند.
مقدمه
کیتوسان محصول دی استیله شدن کیتین است که از فراوانترین گلیکانهای طبیعی میباشد. کیتوسان به دلیل داشتن ویژگیهای فیزیکوشیمیایی - داشتن گروه های OH و NH2 فعال - و بیولوژیکی - سازگاری بیولوژیکی و قابلیت زیست تجزیه پذیری - خاص و قابلیت پیوند با ترکیباتی چون کلسترولها، چربیها، پروتئینها و یونهای فلزی، امروزه به عنوان یک عامل کیلیت کننده طبیعی در جانوران و گیاهان بسیار مورد توجه قرار گرفته است . - Senel and Mc Clure, 2004 - از جمله کاربرد آن در زمینه حذف فلزات سنگینی چون مس، جیوه، آرسنیک و اورانیوم از فاضلاب ها و آبهای آلوده می باشد
در زمینه داروسازی، کیتوسان برای ارسال داروها به بخش های مناسب در یک سیستم بیولوژیکی به کار می رود که با گذشت زمان تخریب شده و شدت تخریب آن بر اساس فرآیند دی استیله شدن کنترل می شود. این ویژگی این امکان را ایجاد می کند که دارو در جایگاه مورد نظر در سیستم بیولوژیکی رها شود. با توجه به کمبود فلز روی در خاکها و گیاهان بیشتر مناطق کشاورزی دنیا، مخصوصا در خاکهای آهکی، که بخش عمده ای از خاکهای مناطق خشک و نیمه خشک ایران را نیز تشکیل می دهند و از طرفی اهمیت این فلز و نقش آن در بسیاری از سیستم های آنزیمی و ساختمانی گیاه، می توان از کیلیت کننده هایی چون کیتوسان برای نگهداری این فلز و رها شدن به موقع آن در هنگام نیاز گیاه بهره برد. تنها عاملی که استفاده از کیتوسان را به منظور کیلیتور عناصر کم مصرفی چون روی با تردید مواجه می کند حلالیت کم آن در آب می باشد. امروزه برای غلبه بر حلالیت کم کیتوسان، الیگوساکاریدهای کیتوسان از این پلی ساکارید تهیه می شوند.
الیگو ساکاریدهای کیتوسان محصول تخریب کیتوسان هستند که با تغییر درجه استیلی شدن آن از 2 به 10، به ان استیل گلوکز آمین یا گلوکز آمین به دست می آیند. درجه استیلی شدن آنها با متدهای تخریب آنزیمی و شیمیایی انجام می شود. کیتوسان به خوبی در اسیدهای رقیق محلول و در آب نامحلول بوده و تلخ مزه است، ولی الیگومرهای کیتوسان با وزن مولکولی کم 1 - تا 20 کیلو دالتون - در آب محلول بوده و تلخ مزه نیستند. این اولیگومرها به روش های اسیدی - Horowitz et al., 1957 - و آنزیمی - Izume and Ohtakara , 1987 - بدست می آیند. در هیدرولیز اسیدی مقدار زیادی از الیگومرهای کوچک با یک تا 6 واحد گلوکز آمین تشکیل می شوند ولی هیدرولیز آنزیمی کیتوسان به دلیل سادگی کنترل آن دارای ارجحیت است
پس از هیدرولیز، کیتوسانی با وزن مولکولی پایین - LMWC - تشکیل می شود که فعالیت بیولوژیکی بالاتر و حلالیت بیشتری دارد. وزن مولکولی کیتوسان از 140 کیلو دالتون به 5 تا 20 کیلو دالتون خواهد رسید . - Jeon et al., 2001 - کاهش اندازه و افزایش حلالیت کیتوسان، استفاده از آن را به عنوان عامل کمپلکس کننده طبیعی برای عناصر کم مصرف در خاک و در محیط های هیدروپونیک اجتناب ناپذیر می کند. هدف از این مطالعه سنتز و شناسایی کیلیت های کیتوسان و مشتقات هیدرولیز شده آن با فلز روی و بررسی ویژگی های شیمیایی آنها به منظور کاربرد در افزایش فراهمی فلز روی در خاک می باشد.
مواد و روش ها
کیلیت های روی با کیتوسان، فرم هیدرولیزشده اسیدی کیتوسان و فرم هیدرولیزشده آنزیمی کیتوسان، طبق روشهای استاندارد زیر در آزمایشگاه سنتز گردیدند.
سنتز کیتوسان- فلز : 0/3 گرم کیتوسان در 30 میلی لیتر اسید استیک 1 درصد به کمک هم زدن حل شد و نمک سولفاتی فلز با نسبت مولاری 4:1 به آن اضافه شد. pH محلول با اضافه کردن محلول 0/1 NH3.H2O مولار به 7 افزایش یافته و محلول در دمای 80 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت مخلوط شد. سپس در دمای اتاق سرد شده و با 200 میلی لیتر استون خالص شد و در نهایت به وسیله فیلتر کردن، پودر سفید رنگ بدست آمد
کیتوسان هیدرولیز شده - اسیدی - -فلز: کیتوسان در اسید هیدروکلریدریک 1 مولار حل شده و محلول حاصل تا 70 درجه سانتی گراد به مدت 1 تا 6 ساعت حرارت می بیند. کیتوسان هیدروکلراید با اتانول در نسبت حجمی 1 به 3 رسوب کرد - . - Kulikov et al, 2012 کیتوسان هیدرولیز شده با نمک سولفات روی به روش زیهوی و همکاران - 2004 - کمپلکس تشکیل داد.
کیتوسان هیدرولیز شده - آنزیمی - - فلز: ابتدا 200 میلی لیتر کیتوسان 2/2 درصد با بافر استات سدیم با pH=4 مخلوط شده و سپس 20 میلی لیتر آنزیم کیتیناز با 100 U/ml به آن اضافه می شود. مخلوط در دمای 42 درجه سانتی گراد به مدت 24 ساعت باقی می ماند تا هیدرولیز کامل شود - . - Ilyaina et al, 2000 کیتوسان هیدرولیز شده با نمک سولفات روی به روش زیهوی و همکاران - 2004 - کمپلکس تشکیل می دهد.
ویژگی های فیزیکی کیلیت ها: اندازه کیلیت ها، طول پیوندها و تایید تشکیل کمپلکس ها توسط FTIR اسپکتروسکوپی با دیسک KBr انجام شد.
حلالیت کیلیت ها: حلالیت کیلیت ها بر اساس مقدار جامد حل شده در آب تعیین شد. نمونه ها در بافر فسفات خنثی شده و سپس جامد نامحلول به وسیله سانتریفیوژ با دور 6000 و زمان 30 دقیقه رسوب داده می شوند و در انتها برای حذف حلال سه بار با آب مقطر شسته شدند. کل ترکیبات محلول و غیر محلول در آون و در دمای 60 درجه سانتی گراد خشک شده - Ilyaina et al, 2000 - و حلالیت طبق رابطه زیر محاسبه شد:
حجم نمونه / - وزن مواد جامد غیر محلول - کل وزن بخش جامد خشک شده -
پایداری کیلیت ها با تغییر : pH برای این منظور محلول کیتوسان را با استفاده از سود یک نرمال در معرض تغییر pH محیط قرار داده و pH ی که با شروع ایجاد رسوب در محیط همراه است، بدست آمد.
نتایج و بحث
نتایج FTIR اسپکتروسکوپی کیتوسان و مشتقات اسیدی و آنزیمی آن به همراه کمپلکس های آنها با فلز روی در جدول آورده شده است. طیف های بدست آمده در کمپلکس کیتوسان و مشتقاتش با فلز روی تغییرات زیادی را نسبت به خود مشتقات نشان می دهد. جابجایی فرکانس ها در مقایسه بین کیتوسان و کمپلکس کیتوسان با فلز روی در پیوندهای C-N و C=O مشهود است. در مورد کیتوسان هیدرولیز شده اسیدی و آنزیمی این تغییر فرکانس در پیوندهای O-H نیز مشاهده می شود. پیوند O-H در کمپلکس کیتوسان اسیدی با روی به فرکانس های پایین تر - 3250 - و در پیوند کیتوسان آنزیمی با روی به فرکانس های بالاتر - - 3448.5 شیفت پیدا کرده اند. این نشان می دهد که گروه های O-H بیشترین درگیری را در تشکیل کمپلکس دارند. پیوند های C=O بین فرکانس های 1500 تا 1600 شیف دارند، تغییر شیف در این فرکانس نشان پیوند روی با گروه کربن در ساختار کیتوسان می باشد. جذب هایی که در فرکانس های 1000 تا 1100 مشاهده می شود به دلیل گروه های C-N و درگیری آنها در تشکیل پیوند با فلز روی است. باندهای که در رنج 420 تا 435 مشاهده می شوند مربوط به پیوند O-Zn می باشند که در کیتوسان و مشتقات پیوند نشده اش این پیک ها وجود ندارند.
جدول:1 پیوند های IR اسپکتروسکوپی انتخاب شده - cm-1 - کیتوسان، مشتقات آن و کمپلکس های آنها با فلز روی - دیسک
با توجه به نتایج بدست آمده از طیف سنجی IR و اینکه فلز روی معمولا از چهار جهت با کیلیت پیوند برقرار می کند می توان در نسبت مولاری 1 به 1 کیتوسان به فلز، شکل فرضی زیر را برای این ساختار در نظر گرفت.
شکل :1 ساختار فرضی کمپلکس کیتوسان با فلز روی
جدول 2 حلالیت کیتوسان و مشتقاتش و کمپلکس های آن با فلز روی را نشان می دهد. کیتوسان حلالیت کمی در آب دارد و در اسیدهای ضعیف مثل استیک اسید محلول است. ولی بعد از هیدرولیز و شکسته شدن ساختار، حلالیت آن بین 40 تا 50 درصد افزایش می یابد. در نتیجه فرم های هیدرولیز شده کیتوسان قابلیت استفاده در محیط های هیدروپونیک و خاکی را خواهند داشت. با توجه به داده های موجود در ستون سوم جدول، مشاهده می شود که پایداری این ترکیبات به تغییرات pH نیز مناسب است .
کلیه مشتقات و کمپلکس های آنها در pH های معمول خاک به صورت محلول باقی می مانند. در این بین، کمپلکس روی با کیتوسان هیدرولیز شده به روش آنزیمی تا pH های 9 رسوب نکرده و بالاترین پایداری را در بین ترکیبات نشان داد. این نشان می دهد که استفاده از این ترکیبات در محیط های آبی و خاکی محدودیتی از نظر pH محیط نخواهیم داشت. در این مطالعه تشکیل کمپلکس و پایداری و حلالیت آنها در محیط به منظور کاربری کشاورزی مورد بررسی قرار گرفت و در ادامه تحقیقی لازم است که قابلیت جذب این عناصر توسط گیاهان مختلف مورد آزمون قرار گیرند.
