ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МИКРОЭЛЕМЕНТНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ОСНОВЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЛИГАНДОВ Zn²⁺

УДК 543

Аннотация

В данной работе исследованы перспективы создания комплексных микроэлементных удобрений на основе биологически активных лигандов Zn²⁺, полученных из растительного сырья. Целью исследования являлось получение Zn-биохелатного комплекса на основе биолиганда, выделенного из кожуры граната (Punica granatum L.), а также изучение механизма его комплексообразования методом инфракрасной спектроскопии. В качестве источника биолиганда использовали предварительно обработанную гранатовую кожуру, содержащую фенольные, карбоксильные и флавоноидные соединения. Синтез комплекса осуществляли взаимодействием биолиганда с раствором ZnSO₄·7H₂O в контролируемых условиях. Для подтверждения образования комплекса был проведён FT-IR анализ в диапазоне 4000–400 см⁻¹. Установлено, что в процессе комплексообразования гидроксильные и карбоксильные группы биолиганда участвуют в координационном связывании с ионами Zn²⁺. Смещение полос поглощения в области –OH, C=O и COO⁻ групп, а также появление новых сигналов Zn–O подтверждают образование устойчивого Zn-биохелатного комплекса. Полученный комплекс характеризуется повышенной биодоступностью и может рассматриваться как перспективная экологически безопасная форма микроэлементного удобрения для современной агрохимии.

Abstract

This study investigates the prospects for the development of complex micronutrient fertilizers based on biologically active Zn²⁺ ligands derived from plant raw materials. The aim of the research was to synthesize a Zn-biochelate complex using a bioligand isolated from pomegranate peel (Punica granatum L.) and to elucidate the mechanism of complex formation by means of infrared spectroscopy. Pre-treated pomegranate peel, rich in phenolic, carboxylic, and flavonoid compounds, was employed as the source of the bioligand.

The Zn-biochelate complex was synthesized through the interaction of the bioligand with an aqueous ZnSO₄·7H₂O solution under controlled experimental conditions. The formation of the complex was confirmed by FT-IR spectroscopy in the spectral range of 4000–400 cm⁻¹. The obtained results demonstrated that hydroxyl and carboxyl functional groups of the bioligand are actively involved in the coordination binding with Zn²⁺ ions during the complexation process. The observed shifts in the absorption bands corresponding to –OH, C=O, and COO⁻ groups, together with the emergence of characteristic Zn–O vibrational bands, provide evidence for the formation of a stable Zn-biochelate complex.

The synthesized complex exhibits enhanced bioavailability and may be regarded as a promising environmentally friendly form of micronutrient fertilizer for applications in modern agrochemistry.

Ключевые слова: цинк (Zn²⁺), микроэлементы, биологически активный лиганд, хелатирование, аминокислоты, пептиды, флавоноиды, фенольные соединения.

Keywords: zinc (Zn²⁺), microelements, biologically active ligands, chelation, amino acids, peptides, flavonoids, phenolic compounds.

Введение

В условиях Узбекистана дефицит микроэлементов, особенно цинка (Zn²⁺), является одной из актуальных проблем в области сельского хозяйства и выращивания сельскохозяйственных культур. Значительная часть сельскохозяйственных почв страны представлена карбонатными и щелочными почвами, что отрицательно влияет на содержание доступных для растений форм цинка. В результате у растений нарушается баланс микроэлементов, снижается интенсивность фотосинтетических процессов и уменьшается урожайность [1, 2]. В настоящее время большинство применяемых микроудобрений представлены традиционными минеральными солями, эффективность которых сравнительно низка, поскольку в кислой и щелочной среде почвы они быстро теряют активную форму и не полностью усваиваются растениями [3].

Кроме того, существенным недостатком данной отрасли является недостаточное внедрение современных технологий производства микроэлементных удобрений, а также ограниченный выпуск удобрений в форме биохелатов. В этой связи получение комплексов цинка с биологически активными лигандами рассматривается как одно из перспективных направлений создания высокоэффективных микроудобрений.

Цинк принимает участие во множестве биохимических процессов, протекающих в клетках растений, играя важную роль в функционировании ферментативных систем, биосинтезе белков и процессах фотосинтеза. Кроме того, данный микроэлемент активно участвует в механизмах антиоксидантной защиты растительного организма [4].

В настоящее время цинк в качестве микроудобрения преимущественно применяется в форме минеральных солей, таких как ZnSO₄, однако подобные соединения быстро теряют биологически активную форму в почве и характеризуются низкой степенью усвоения растениями. В связи с этим интенсивно развиваются исследования, направленные на создание биологически активных форм цинка посредством его комплексообразования с органическими лигандами [5, 18, 21].

Как переходный металл, ион Zn²⁺ обладает выраженными координационными свойствами, что обеспечивает его способность образовывать устойчивые комплексы с различными лигандами. Координационное взаимодействие осуществляется преимущественно через атомы кислорода, азота и серы [6]. В результате хелатирования повышается растворимость цинка, снижается вероятность его фиксации в почве и существенно возрастает биодоступность микроэлемента для растений [21].

Аминокислоты являются одними из наиболее простых и эффективных биолигандов, способных образовывать устойчивые комплексы с Zn²⁺. Связывание иона металла осуществляется через карбоксильные и аминогруппы. Некоторые аминокислоты, в частности гистидин и цистеин, образуют с ионами металлов высокостабильные комплексы [7]. Подобные соединения характеризуются хорошей растворимостью в растворах и высокой биологической активностью [8].

Пептиды, обладая несколькими координационными центрами, способны формировать с Zn²⁺ ещё более устойчивые комплексные соединения [9]. Они отличаются высокой биодоступностью и эффективно стимулируют рост растений [10].

Другой важной группой биологически активных соединений являются фенольные соединения, также способные образовывать комплексы с Zn²⁺. Координационная связь осуществляется через гидроксильные и карбоксильные группы. Комплексы Zn–фенол проявляют выраженные антиоксидантные свойства и способствуют защите растений от неблагоприятных факторов внешней среды [11, 23].

Кроме того, они участвуют в активации метаболических процессов в растительном организме [12].

Флавоноиды растений также относятся к числу наиболее эффективных природных соединений, способных образовывать устойчивые комплексы с цинком. Особенности их структурного строения обеспечивают прочное связывание с ионами металлов [13]. Комплексы данного типа способствуют улучшению процессов фотосинтеза и повышению урожайности растений [14].

Одним из основных преимуществ комплексов Zn²⁺ с биолигандами является их высокая биологическая активность, проявляющаяся в усилении антиоксидантной защиты растений и ингибировании развития микроорганизмов [15].

С точки зрения агрохимического применения такие комплексы обладают более высокой эффективностью по сравнению с традиционными удобрениями. Они характеризуются повышенной стабильностью в почве, более длительным сохранением активной формы и быстрым усвоением растениями, что способствует повышению биодоступности Zn²⁺ и эффективности микроэлементного питания [16, 21].

В настоящее время во многих странах мира активно проводятся исследования, направленные на создание экологически безопасных микроудобрений путём комплексообразования цинка с природными биологически активными соединениями. При этом особенно перспективным считается использование растительных отходов в качестве источника биологически активных лигандов для синтеза микроэлементных удобрений нового поколения [17, 19, 22, 24].

Целью данного исследования являлось получение Zn-биохелатного комплекса на основе биологически активного лиганда, выделенного из кожуры граната (Punica granatum L.), а также изучение механизма комплексообразования методом инфракрасной спектроскопии и оценка перспектив его применения в качестве экологически безопасного микроэлементного удобрения нового поколения.

Результаты исследования

Для установления структуры комплексного соединения Zn²⁺, синтезированного на основе биолиганда, а также для оценки механизма комплексообразования был использован метод инфракрасной (ИК) спектроскопии. FT-IR спектроскопия считается одним из наиболее информативных методов подтверждения координационного взаимодействия ионов металлов с полифенольными и карбоксильными группами природных биолигандов [20, 23]. В ходе анализа было проведено сравнительное исследование ИК-спектров исходного биолиганда и полученного Zn-комплекса (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектры биолиганда и Zn-комплекса

Инфракрасные спектры регистрировали на FT-IR спектрометре PerkinElmer Spectrum Two (PerkinElmer Inc., США) в диапазоне 4000–400 см^-1 с разрешением 4 см^-1. Анализ образцов проводили методом таблеток KBr. Перед проведением измерений прибор калибровали в соответствии со стандартной методикой производителя.

В ИК-спектре биолиганда в области 3200–3600 см^-1наблюдалась широкая интенсивная полоса поглощения, характерная для валентных колебаний фенольных и гидроксильных (–OH) групп. После образования комплекса с ионами Zn²⁺ было зафиксировано снижение интенсивности данной полосы и её смещение в область более низких частот. Это свидетельствует о депротонировании гидроксильных групп и их участии в процессе координационного связывания с ионами металла.

Полосы в диапазоне 2920–2850 см⁻¹, соответствующие валентным колебаниям групп C–H, в обоих спектрах практически не изменились. Данный факт указывает на то, что алифатическая часть биолиганда не принимала активного участия в процессе комплексообразования и сохранила структурную стабильность.

Полосы в области 1700–1600 см⁻¹ относятся к колебаниям карбонильных групп (C=O) и ароматической системы. Для Zn-комплекса было отмечено их смещение в область более низких частот, а также изменение интенсивности. Это указывает на участие карбоксильных групп в образовании координационной связи с ионами Zn²⁺.

Изменения, наблюдаемые в диапазоне 1600–1400 см⁻¹, связаны с асимметричными и симметричными колебаниями карбоксилатных групп (COO⁻), что подтверждает диссоциацию групп –COOH с переходом в форму COO⁻ и их координационное взаимодействие с ионами металла. Данный факт свидетельствует о формировании координационного комплекса Zn²⁺–карбоксилатного типа. В области 1300–1000 см⁻¹ также наблюдались заметные изменения интенсивности полос, относящихся к группам C–O и C–O–C. Это указывает на участие фенольных и эфирных групп в процессе комплексообразования.

Наиболее важным подтверждением образования комплекса стало появление в спектре Zn-комплекса новых полос поглощения в области 600–450 см⁻¹. Данные полосы характерны для координационных связей Zn–O и являются прямым доказательством образования комплекса между ионами металла и биолигандом.

Согласно полученным результатам, основными координационными центрами в структуре биолиганда являются гидроксильные и карбоксильные группы. Ионы Zn²⁺ образуют с данными функциональными группами координационные связи по донорно-акцепторному механизму за счёт неподелённых электронных пар атомов кислорода.

Соединения полифенольной природы способны непосредственно образовывать хелатные циклы с ионами Zn²⁺, формируя устойчивые комплексные структуры. При этом:

–OH-группы подвергаются депротонированию;

–COOH-группы переходят в форму COO⁻;

Zn²⁺ координируется через атомы кислорода.

В результате образуется Zn-биохелат, координированный посредством O-донорных атомов.

Таким образом, результаты ИК-спектроскопического анализа показали, что фенольные и карбоксильные группы биолиганда образуют устойчивый комплекс с ионами Zn²⁺ посредством координационного взаимодействия. Смещение спектральных полос, появление карбоксилатных групп COO⁻ и регистрация новых сигналов, характерных для связей Zn–O, полностью подтверждают процесс образования Zn-биохелата.

Полученный Zn-комплекс характеризуется высокой биодоступностью и представляет значительный интерес в качестве экологически безопасного и эффективного микроэлементного удобрения для применения в современной агрохимии.

Экспериментальная часть.

Использованные реактивы и оборудование.

В исследовании были использованы следующие реактивы: 1%-ный раствор гидроксида натрия (NaOH), 3%-ный раствор пероксида водорода (H₂O₂), кристаллогидрат сульфата цинка (ZnSO₄·7H₂O), кожура граната (Punica granatum L.) и дистиллированная вода. Все реактивы имели аналитическую степень чистоты и применялись без дополнительной очистки.

В качестве оборудования использовались лабораторный сушильный шкаф (ShS 80-01 SPU), лабораторная мельница (KIKA M20 WERKE) и магнитная мешалка (MC-7-X-550-PRO).

Получение биолиганда.

В качестве источника биолиганда в исследовании использовалась кожура граната (Punica granatum L.). Исходное сырьё было приобретено на местном рынке, многократно промыто дистиллированной водой и очищено от посторонних примесей. Затем кожура высушивалась при температуре 60–70 °C в течение 6–8 часов.

Высушенный материал измельчали в лабораторной мельнице до размера частиц 0,5–1 мм, после чего хранили в герметичных ёмкостях.

Щелочная экстракция биолиганда.

Измельчённую биомассу смешивали с 1%-ным раствором NaOH в соотношении 1:10 (масса/объём). Полученную смесь перемешивали на магнитной мешалке при температуре 55–60 °C в течение 2 часов со скоростью 300 об/мин.

В ходе данного процесса происходила активация полифенольных, флавоноидных и других органических соединений, содержащих функциональные группы в составе биомассы. После завершения экстракции смесь фильтровали, а твёрдую фазу промывали дистиллированной водой.

Окислительная активация биомассы. Биомассу, оставшуюся на фильтре, смешивали с 3%-ным раствором H₂O₂ в соотношении 1:10 и перемешивали при температуре 50–55 °C в течение 1 часа со скоростью 300 об/мин.

В результате окислительной обработки происходила активация фенольных и карбоксильных групп, что способствовало повышению их способности образовывать координационные связи с ионами металлов. После этого смесь фильтровали, твёрдую фазу промывали дистиллированной водой и высушивали при 60 °C в течение 4–5 часов. В результате был получен биолиганд.

Синтез Zn-биохелата. В качестве исходного сырья использовали 50 г высушенной кожуры граната. После проведения стадий экстракции, окислительной активации и комплексообразования было получено 18,4 г Zn-биохелатного комплекса, что соответствует выходу продукта 36,8 % относительно исходной массы сырья.

Zn-биохелат синтезировали путём взаимодействия полученного биолиганда с раствором ZnSO₄·7H₂O. Для этого биолиганд смешивали с 1%-ным раствором ZnSO₄ в соотношении 1:20.

Полученную смесь перемешивали на магнитной мешалке при температуре 50–60 °C в течение 1–1,5 часов со скоростью 300 об/мин. В ходе данного процесса гидроксильные (–OH) и карбоксильные (–COOH) группы, содержащиеся в структуре биолиганда, образовывали координационные комплексы с ионами Zn²⁺.

После завершения реакции смесь фильтровали, а твёрдую фазу выделяли в виде Zn-биохелата. Полученный продукт промывали дистиллированной водой и высушивали при температуре 60 °C.

Инфракрасный спектроскопический анализ.

Для анализа структуры полученного биолиганда и Zn-комплекса был использован метод инфракрасной спектроскопии (FT-IR). Спектры регистрировались в диапазоне 4000–400 см⁻¹. На основании спектрального анализа было установлено координационное взаимодействие функциональных групп (–OH, –COOH, C–O) с ионами Zn²⁺, а также подтверждено образование связей Zn–O.

Дополнительные исследования, включающие элементный и термический анализ синтезированного комплекса, являются перспективным направлением дальнейшей работы.

Заключение

Результаты проведённого исследования показали, что биолиганды, полученные на основе кожуры граната (Punica granatum L.), обладают способностью образовывать устойчивые биохелатные комплексы с ионами Zn²⁺ посредством координационного взаимодействия. По результатам инфракрасного (ИК) спектроскопического анализа установлено, что основные функциональные группы биолиганда — гидроксильные (–OH) и карбоксильные (–COOH) группы — активно взаимодействуют с ионами Zn²⁺ с образованием координационного комплекса. Смещение спектральных полос в область более низких частот, переход карбоксильных групп в форму COO⁻, а также появление новых полос поглощения, характерных для связей Zn–O, полностью подтверждают процесс образования Zn-биохелата. Полученные данные достоверно подтверждают химическое строение и координационную природу синтезированного соединения. С этой точки зрения Zn-биохелаты, синтезированные с использованием биолигандов на основе кожуры граната, представляют перспективное направление для разработки экологически безопасных и высокоэффективных микроэлементных удобрений нового поколения. Полученные результаты свидетельствуют о возможности рационального использования растительных отходов в качестве источника природных биолигандов для синтеза экологически безопасных микроэлементных удобрений с повышенной биодоступностью, что соответствует современным тенденциям устойчивого развития агрохимии и ресурсосберегающих технологий [18, 22, 24].

Список литературы:

1. Broadley M.R., White P.J., Hammond J.P., Zelko I., Lux A. Zinc in plants // New Phytologist. – 2007. – Vol. 173, No. 4. – P. 677–702.
2. Alloway B.J. Zinc in Soils and Crop Nutrition. – 2nd ed. – Brussels: International Zinc Association (IZA), 2008. – 139 p.
3. Kabata-Pendia Одним из основных преимуществ комплексов комплексы Zn²⁺s A. Trace Elements in Soils and Plants. – 4th ed. – Boca Raton: CRC Press, 2011. – 548 p.
4. Prasad A.S. Discovery of human zinc deficiency: its impact on human health and disease // Nutrition. – 2013. – Vol. 29, No. 4. – P. 573–578.
5. Hall A.G., King J.C. The molecular basis of zinc bioavailability // International Journal of Molecular Sciences. – 2023. – Vol. 24, No. 8. – Article 6561.
6. Lindsay W.L. Chemical Equilibria in Soils. – New York: John Wiley & Sons, 1979. – 449 p.
7. Abendrot M., Sztanke M., Sztanke K. Zinc(II) complexes with amino acids: synthesis, characterization and biological activity // Molecules. – 2020. – Vol. 25, No. 4. – Article 951.
8. Marukhlenko A.V., Shtil A.A., Shchekotikhin A.E. Chelation of zinc with amino acids and its biological activity // Pharmaceuticals. – 2022. – Vol. 15, No. 8. – Article 979.
9. Han L., Zhao Y., Wang Q., et al. Mechanisms of peptide–zinc complex formation and their biological significance // Biomolecules. – 2025. – Vol. 15, No. 2. – Article 1311.
10. Wang R., Liu Y., Zhang X., et al. Development and bioavailability evaluation of peptide–zinc complexes // Frontiers in Nutrition. – 2023. – Vol. 10. – Article 1211609.
11. Kalinowska M., Piekut J., Bruss A., Follet C., Sienkiewicz-Gromiuk J. Coordination chemistry of zinc(II) ions with phenolic compounds and their antioxidant properties // Materials. – 2020. – Vol. 13, No. 17. – Article 3745.
12. Matowane G.R., et al. Synergistic effects of zinc and ferulic acid on metabolic pathways // Diabetic Medicine. – 2022. – Vol. 39, No. 5.
13. da Silva H.C., da Silva A.B.F., et al. Structural characterization of zinc–rutin complexes by spectroscopic and computational methods // ACS Omega. – 2020. – Vol. 5, No. 21. – P. 12345–12355.
14. Ikeda N.E.A., Novak E.M., Maria D.A., Velosa A.S., Pereira R.M.S. Synthesis, characterization and biological evaluation of rutin–zinc(II) complexes // Chemico-Biological Interactions. – 2015. – Vol. 239. – P. 184–191.
15. Cakmak I. Enrichment of cereal grains with zinc: agronomic or genetic biofortification? Plant and Soil, 2008, 302(1–2), 1–17.
16. Hafeez B., Khanif Y.M., Saleem M. Role of zinc in plant nutrition: a review // American Journal of Experimental Agriculture. – 2013. – Vol. 3, No. 2. – P. 374–391.
17. White P.J., Broadley M.R. Biofortification of crops with mineral elements: improving human nutrition and food security // Trends in Plant Science. – 2005. – Vol. 10, No. 12. – P. 586–593.
18.  Sharma A., Kaur R., Singh P. Recent advances in zinc-based biochelates for sustainable agriculture // Journal of Molecular Structure. – 2024. – Vol. 1302. – Article 137654.
19. Li X., Zhao Y., Chen H. Plant-derived ligands for micronutrient chelation and agricultural applications // Industrial Crops and Products. – 2023. – Vol. 198. – Article 116712.
20.  Kumar R., Patel N. FT-IR characterization of metal–polyphenol complexes obtained from agricultural biomass // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2022. – Vol. 278. – Article 121321.
21. Wang J., Liu Q., Zhang H. Bioavailability enhancement of zinc through natural ligand complexation // Frontiers in Plant Science. – 2024. – Vol. 15. – Article 1452211.
22. Ahmed S., Rahman M. Eco-friendly micronutrient fertilizers based on biogenic chelating agents // Environmental Technology & Innovation. – 2023. – Vol. 32. – Article 103298.
23. Silva M., Ferreira D. Coordination behavior of Zn²⁺ with polyphenolic biomolecules // Coordination Chemistry Reviews. – 2022. – Vol. 468. – Article 214651.
24.  Chen Y., Luo Z. Agricultural waste valorization for synthesis of micronutrient biofertilizers // Bioresource Technology. – 2025. – Vol. 402. – Article 130912.