Воздействие наночастиц диоксида кремния, титаната бария, металлов на дрожжевые грибы, бактерии

Введение
В нынешнее время все растущее внимание в абсолютно всем мире уделяется перспективам формирования технологий направленного получения и применения материалов в диапазоне объемов до 100 нм. Неповторимые качества наноматериалов также их биологическая активность смогут быть применены в микроэлектронике, энергетике, строительстве, химической, фармацевтической, парфюмерно-косметической и пищевой индустрии и др. Но вплоть до сих пор не проведена полная оценка биологических рисков использования наночастиц. За рубежом вопрос безопасности наноматериалов в нынешнее время выставляется на первостепенный план. Подобные изучения ведутся в США, Евросоюзе, но кроме того в ряде иных международных учреждений. Следует принимать во внимание, что при переходе исходного элемента в наносостояние совершается главное преобразование его качеств. В литературе многократно фиксировалось, что плохое влияние наночастиц невозможно с надежностью предсказать либо установить, отталкиваясь из популярных токсических качеств наиболее крупных частиц того же самого хим вещества.
В формировании нынешних нанотехнологий существенную роль играют изучения наночастиц металлов. Данное обуславливается, прежде всего, обширным спектром способностей их практического использования, в каковых применяются характерные качества как самих наночастиц, таким образом и измененных ими материалов. Многообещающе применение наночастиц в экологическом аспекте. Наночастицы оксидов титана могут разлагать не только лишь сложные органические объединения, однако и небезопасные для человека моноокиси азота и углерода, находящиеся в автомобильных выхлопах. По Этой Причине пудру из данных наночастиц начали добавлять в горючее, для того чтобы уменьшить содержание данных вредоносных примесей в выхлопных газах.
В то же время, за последнее десятилетие определено, что наночастицы разных разновидностей, в особенности наночастицы металлов, проникая в организм человека, имеют все шансы быть фактором серьезных болезней (нанопатологий). Установлено, что наночастицы металлов могут просачиваться в организм человека разными способами: через слизистые оболочки респирационных путей и пищеварительного тракта, трансдермально (к примеру, при применении косметических средств), через кровоток в составе вакцин и сывороток и т. д.
Таким образом, возможно говорить, что установление путей и методов влияния наночастиц металлов на живой организм - это весьма существенная и важная работа, требуемая с целью определения научно обоснованных допустимых диапазонов концентраций и размеров наночастиц в воде, воздухе либо в составе разных материалов, с какими имеет контакт индивид.
Чтобы правильнее понимать какое влияние проявляют наночастицы титана на находящуюся вокруг среду, рационально проводить опыты воздействия наночастиц на микроорганизмы, так как они считаются одними из более различных таксономическими группами на Земле, осуществляют многочисленные значимые процессы в экосистемах. Помимо этого микроорганизмы применяют как индикаторы состояния природной среды: отражением антропогенного влияния служат морфологические перемены микробных популяций, кинетика их увеличения и формирования, структурные преобразования микробных сообществ, биохимическая активность.
Микробные реакции на влияние антропогенного фактора проявляются стремительно, довольно четко, что дает возможность в краткие стоки обнаружить более ранимые экологические зоны, прогнозировать их состояние при сохранении либо устранении антропогенного влияния.

1. Воздействие наночастиц диоксида кремния на микроорганизмы
Наночастицы (НЧ) имеют размеры, сопоставимые с биомолекулами, поэтому могут быть созданы таким образом, чтобы позволит обеспечить наличие необходимых свойств. Например, используются наноматериалы с модифицированными поверхностями за счет прикрепления различных полимеров. Это позволяет увеличить совместимость вещества и биомолекулы и обеспечить селективную доставку [2]. Сейчас известно о ряде таких нановеществ, которые тестируются либо приняты американским фармакологическим комитетом FDA (например, НЧ Fe2O3) [4].
В последнее время особое внимание приковано к наноструктурированным частицам диоксида кремния (НЧ SiO2) в виде кварца [6] или кремнезема [8]. Эти вещества рассматриваются как перспективный, биосовместимый и биодеградируемый материал, который способен проникать на клеточном и молекулярном уровнях и может использоваться для разработки лекарственных препаратов и диагностических средств [9]. Это возможно потому, что по форме частицы близки к сфере, а размер варьирует от 5 до 80 нм, что создает благоприятные условия для их модификации. Также при попадании в организм НЧ SiO2 быстро разрушаются в органах выведения до ортокремниевой кислоты и выводятся с мочой, что говорит об их возможной инертности [10]. Однако постоянно появляются новые данные об имеющемся токсическом действии НЧ SiO2. Последние исследования показывают, что при определенных концентрациях возможен негативный эффект на клетки человека, например, при дозе выше 190 мкг/мл наблюдается токсическое действие на культуру клеток человека, а при введении НЧ SiO2 мышам внутрь брюшины в дозе 50 мкг/кг отмечена активация перитонеальных макрофагов [1]. Таким образом, требуются дополнительные исследования биологического действия данных наночастиц.
Результаты аттестации препарата наночастиц выявили различные физико-химические характеристики. Порошок нанопрепаратов диоксида кремния содержал 99,8% SiO2 и порядка 0,2% Cl2; форма соответствовала сфере. Согласно паспорту препаратов размер частиц составлял 40,9±10 нм. Удельная поверхность составляла для SiO2(I) 109 м2/г.
Поскольку заявленные физико-химические параметры нанопрепарата несколько отличаются от реальных, было проведено дополнительное тестирование заявленных веществ с целью объективной оценки их функциональной активности[20].
Оценка степени активности наночастиц SiO2 при разных экспозициях (60, 120 мин) контакта с клетками E.coli K12 TG1 с клонированными luxCDABE-генами P.leiongnathi 54D10 («Эколюм») показал, что данное вещество в концентрациях от 0,1 до 0,000195 М не приводило к изменению динамики бактериальной биолюминесценции. Увеличение концентрации до 4 М отмечалось проявлением биологической активности наночастиц SiO2 (I), выражающейся в 30%-ном ингибировании свечения клеток, тем не менее можно характеризовать данные дозировки как слабо токсичные или не токсичные.
Анализ параметра «доза-эффект» также не выявил явного токсического действия исследуемого нанопрепарата (табл. 2)
Таблица 2
Степень сохранности клеток E. coli на 120-й минуте теста биолюминесценции
Время, мин Концентрация, М

0  0,00004 0,0001 0,0002 0,0005 0,001 0,003 0,006 0,0125 0,025 0,05 0,1
120 1 0,93±0,13 0,89±0,32 0,86±0,18 0,84±0,23 0,84±0,5 0,87±0,27 0,88±0,44 0,85±0,03 0,83±0,11 0,80±0,08 0,79±0,14
 
Согласно данным вышеуказанной таблицы можно определить весь диапазон концентраций биологически инертным в рамках летального исхода клетки. Все значения находились в пределах значения контроля, а расхождения были незначительными. Оценка данных lux-биосенсоров не позволили зафиксировать развивающееся во времени дозозависимое подавление свечения, поскольку токсический эффект не достигал уровня ЕС50.
Таким образом, на этапе оценки потенциального негативного действия исследуемого вещества не было зарегистрировано острой токсичности.
Однако для наночастиц характерно выраженное окислительное действие, поэтому на втором этапе проведения биолюминесцентного тестирования нами были проведены серии экспериментов для оценки потенциального воздействия свободных форм кислорода на бактериальные клетки. Для этого оценивался токсический эффект и возможность окислителя инициировать индукцию промотора окислительного стресса[11].
Оценка кинетики свечения Escherichia coli K12 MG1655 psoxS'::lux при воздействии наночастиц диоксида кремния в различных концентрациях не выявила явно выраженного окислительного действия

. Весь ряд разведений находится в диапазоне фонового свечения контрольного образца. При этом пик свечения принадлежит именно этому образцу. Все исследуемые концентрации подобного уровня не достигали, отличаясь на 20-25% в среднем в сторону уменьшения. Незначительные отличия касаются более низких концентраций.
Результаты, полученные с использованием lux-биосенсоров с индуцибельным характером бактериального свечения, подтвердили полученные ранее эффекты и позволили констатировать отсутствие характера окислительного действия. Не было выявлено, что индукция свечения обусловлена действием супероксид-аниона, который образовался в результате контакта наночастиц с бактериальной клеткой и способствовал гибели тест-организма при высоких концентрациях анализируемого вещества[22].
Описанные выше эффекты стали основой для последующей оценки жизнеспособности (табл. 3) в клетках E.coli, подвергнутых стрессовому воздействию после предварительной инкубации в контакте с НЧ SiO2.
Таблица 3
Влияние НЧ SiO2 на сохранение жизнеспособности клеток E.coli
Концентрация НЧ SiO2, М Остаточное количество КОЕ (в % к контролю)
0,1 93,37±2,5*
0,05 93,34±1,8
0,025 95,93±0,9*
0,0125 95,45±1,3
0,006 96,02±1,1
0,003 96,89±2,1
0,001 97,31±0,9
0,0005 97,74±4,3**
0,0002 97,87±7,6*
0,0001 98,31±1,1
0,00005 97,01±1,7
Контроль 100

Проведенные исследования демонстрируют низкую токсичность данной наночастицы. Показано, что взаимодействие НЧ SiO2 с клетками бактерий не вызывает негативного действия, что подтверждено рядом тестов.

2. Влияние наночастиц титаната бария на микроорганизмы
В настоящее время титанат бария и особенно его наноразмерные структуры привлекают внимание многих исследователей и в чисто научных, и в прикладных аспектах. Дело в том, что титаната бария может иметь множество применений в различных областях науки, техники, медицины, охраны окружающей среды. С его добавлением можно получать широкий спектр материалов, обладающих уникальными свойствами. Это оптические материалы, фотокатализаторы, сенсибилизаторы для солнечных элементов и т. д. [8].
Имеющиеся данные о влияниии наночастиц титаната бария на микроорганизмы и бактерии не дают однозначного ответа на вопрос токсичности этих наночастиц.
По некоторым данным внесение в среду культивирования высокодисперсных частиц диоксида титана оказывает стимулирующие действие на рост Azotobacter vinelandii[15]. Авторами установлено, что максимальный эффект наблюдается при концентрации данного материала 5 г/л и 10 г/л. В этих условиях количество выросших бактерий в несколько раз выше, чем в контрольных вариантах. Показано, что стимулирующий эффект не может быть следствием сорбции сахарозы на поверхности частиц дисперсного материала. Возможно, контактное взаимодействие клеток бактерий с диоксидом титана обуславливает увеличение проницаемости клеточной стенки, что приводит к возрастанию степени поступления субстрата в клетку [5].
При культивировании бактерий Bacillus mucilaginosus с внесением дисперсной системы наночастиц титаната бария размером 5 нм в питательную среду удельная скорость роста культуры, по сравнению с контролем, увеличивается. Однако при выходе в стационарную фазу развития культуры наблюдается некоторое ингибирование роста бактерий. Аналогичные результаты были получены для роста бактериальных культур в присутствии дисперсной системы наночастиц титаната бария размером 50 нм. В то же время, при культивировании бактерий Pseudomonas fluorescens в питательной среде с добавлением ДС НЧ титаната бария размером 5 нм удельная скорость роста культуры во всех вариантах опыта ниже, чем в контроле[16]. Однако можно отметить, что на последующих стадиях развития периодических бактериальных культур (стадия замедления и стационарная фаза) происходит стимуляция роста бактериальных культур во всех опытных вариантах. Добавление дисперсной системы микрочастиц титаната бария размером 350 нм практически не повлияло на рост бактерий Pseudomonas fluorescens и Bacillus mucilaginosus. В целом, присутствие в питательной среде ДС НЧ титаната бария размерами 5 и 50 нм влияет на рост популяции бактерий: стимулирует рост Pseudomonas fluorescens и подавляет рост Bacillus mucilaginosus [3].
Воздействие наночастиц титана и в концентрации 0,01 мг/мл в течение 30 мин не приводило к статистически достоверным изменениям антибиотикочувствительности клинических штаммов Escherichia Coli.
Также имеются данные о количественном определении токсичности титаната бария. Так три вида бактерий Escherichia coli, Bacillus subtilis и Saccharomyces cerevisiae, были использованы для проведения опыта по уровню выживаемости микрорганизмов в присутствии наночастиц титана. Escherichia coli показала самый низкий уровень выживаемости (36 %), в то время как Saccharomyces cerevisiae самый высокий уровень выживаемости (71 %). Антимикробное действие титаната бария также зависит и от длины волны ультрафиолетового излучения: коэффициент выживаемости Escherichia coli был 40 % при длине волны 254 нм и 80 % при 365 нм [10].
Исследовательская команда департамента естественных наук в Китае ввела наночастицы титаната бария в семена шпината. Эти частицы должны были привести к увеличению поглощения органическими соединениями воды и кислорода в растении и уменьшить долю свободных радикалов, образующихся в процессе фотосинтеза. Результаты показали, что растения после всходов фотосинтезировали втрое эффективней, а также возросло образование хлорофилла более чем на 45%. В рамках второго исследования в этой области, команда из университета Арканзаса использовала внедрение в семена томатов углеродные нанотрубки. Это увеличило всхожесть растений на 90%. Однако нужно быть осторожным с «дозировкой» наноматериалов. Например, переизбыток наноцинка подавляет рост корней таких растений как редька, рапс, салат и огурцы, а внедрение большого количества ионов серебра являются фитотоксичными для растений[18].
В работах Ге с соавторами сообщили, что наночастицы титаната бария (в дозах 0, 0,5, 1,0 и 2,0 мг на 1г почвы) и отрицательно влияют на почвенные бактериальные сообщества в условиях микрокосма.
Ду с соавторами изучали влияние наночастиц титаната бария (в дозах 10 г и 5 г в 110 кг почвы, соответственно) на рост пшеницы и активность почвенных ферментов. Было показано, что эти наночастицы не влияют активность уреазы, но значительно ингибируют почвенные протеазы, каталазу, пероксидазу, то есть они являются токсичными для экосистемы почвы.
Таким образом, экотоксикологические эксперименты требуют дальнейшего развития, чтобы включить оценку воздействия наночастиц на следующее ранее не подвергавшееся воздействию поколение, которое в настоящее время не включено в стандартные протоколы испытаний [4].

3. Воздействие наночастиц металлов на грибы и бактерии
Одним из многообещающих направлений применения металлических и оксидных наночастиц считается формирование новейшего класса альтернативных антимикробных препаратов. Потребность розыска подобных биоцидных средств диктуется стремительным формированием устойчивости микроорганизмов к антибиотикам, осматриваемая как серьезная опасность общественному здравоохранению[11].
В нынешнее время имеется огромное количество работ нацеленных на исследование антибактериальных качеств наночастиц металлов и их оксидов, обладающих обширным диапазоном антибактериального воздействия и не вызывающих формирования резистентности микроорганизмов.
Благодаря значительной биологической активности, сравнительно низкой себестоимости и экологической защищенности наночастицы меди, цинка и серебра считаются крайне многообещающими для разработки антибактериальных средств.
Наночастицы Cu1 в свежих суспензиях показали аномальную токсичность