CC BY
45
Деревянко А.С.1, Агеев В.А.2 ©
'Учащийся, Черниговское территориальное отделение, Малая академия наук Украины; 2к.с.-х.н., Институт сельскохозяйственной микробиологии и агропромышленного производства,
НААН Украины
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БАКТЕРИЙ BACILLUS SUBTILIS ПОД ДЕЙСТВИЕМ НАНОЧАСТИЦ TiÜ2
Аннотация
Изучены биологические и культурально-морфологические свойства штаммов Bacillus subtilis 44-р и В3 под действием на них наночастиц титан (IV) оксида. Изменений морфологических признаков клеток обоих исследуемых штаммов под действием наночастиц TiO2 под оптическим микроскопом не выявлено. Под электронным микроскопом отмечено наличие разрушенных бактериальных клеток штамма B. subtilis 44-р.
Ключевые слова: TiO2, наночастицы, пробиотики, сенная палочка. Keywords: titan dioxide, nanoparticles, probiotics, Bacillus subtilis.
Наночастицы и нанотехнологии всё чаще используются в различных отраслях народного хозяйства. На их основе разрабатываются промышленная и бытовая техника, одежда, косметические, медицинские и ветеринарные препараты, в частности, пробиотики, содержащие наночастицы металлов для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний, коррекции иммунитета [1; 2]. Особое внимание исследователей привлекают к себе наночастицы титан (IV) оксида. Существует ряд публикаций по антивирусной и антибактериальной активности последних. Исследованиями ученых разных стран убедительно показано, что наночастицы TiO2 могут разрушать вирус гриппа [3], восстанавливать кислород, могут проявлять антибактериальный эффект [4]. Вместе с тем отмечается, что они могут оказывать негативное влияние на клетки, трансформировать ДНК и обусловливать онкологические заболевания [5; 6]. Действие наночастиц на биологические свойства промышленно важных бактерий изучена недостаточно. Поэтому исследование влияния наночастиц TiO2 на бактерии рода Bacillus, которые широко используются для изготовления пробиотических препаратов, имеет большое научное и практическое значение
[7; 8].
В опытах использованы производственные штаммы бактерий Bacillus subtilis 44-р и В3 [9; 10] из коллекции Института сельскохозяйственной микробиологии и агропромышленного производства НААН. Культивирование бактерий осуществляли на жидких питательных средах в присутствии 0,001 % TiO2 в течение 24 часов при температуре 37 °С. Изучение биологических свойств бактерий проводили общепринятыми микробиологическими методами. С целью изучения влияния наночастиц титан (IV) оксида на морфологию бактериальных клеток проводили электронно-микроскопические исследования на чешском электронном микроскопе «Tesla» и украинского производства ЭМ-1 при инструментальном увеличении х22 000 и ускоряющем напряжении 75 кВ. Препараты готовили на сеточках с колодиевой пленкой, которую после нанесения укрепляли углеродным напылением. Пробы не контрастировали. Через 24 часа роста в жидких средах штамм B. subtilis 44-р образует осадок, который легко взбалтывается. Между морфологией роста в контроле и с добавлением наночастиц TiO2 существенных различий не наблюдается. Штамм B. subtilis В3 на поверхности мясо-пептонного бульона (МПБ) образует прочную пленку и вызывает помутнение жидкой питательной среды. Изменений в морфологии роста бактерий под действием наночастиц TiO2 не наблюдалось. Влияние наночастиц титан (IV) оксида на биологическую активность бактерий оценивали по количеству жизнеспособных клеток. Количество жизнеспособных клеток бактерий, культивируемых в присутствии TiO2,
© Деревянко А.С., Агеев В.А., 2013 г.
не изменялось. На поверхности мясо-пептонного агара (МПА) бактерии штамма B. subtilis 44-р через 18-20 часов роста при температуре 37 °С образуют слизистые, блестящие, гладкие, повышенные колонии, округлой формы с зазубренными краями, диаметром 3-5 мм. Через 24-48 часов роста — колонии складчатые, матовые, с приподнятым центром и волнистыми краями, бесцветные или слегка беловатые. Бактерии B. subtilis В3 через 18-20 часов культивирования образуют слизистые, блестящие колонии, округлой формы, повышенные, диаметром 2-9 мм, через 24-48 часов роста — складчатые, матовые, с повышенным центром и зазубренными краями, беловатого цвета. Исследуемые наночастицы существенно не повлияли на морфологические характеристики колоний штаммов бактерий-пробиотиков. Под оптическим микроскопом не выявлено морфологических изменений бактериальных клеток под действием наночастиц. Под электронным микроскопом на поверхности клеток штамма B. subtilis 44-р не наблюдается наночастиц TiO2, но все клетки в исследуемых препаратах были повреждены: разорванные мембраны , разломанные клетки, вокруг клеток наблюдаются частицы, возможно обломки клеток (рис.). Вокруг бактерий имеющиеся коронарные образования, возможно, вызванные утечкой цитоплазмы. Воздействия наночастиц TiO2 на клетки штамма B. subtilis В3 не установлено, поскольку на снимках хорошо заметно, что они окружены слизистым слоем. По нашему мнению, разрушение клеток обусловлено активацией адсорбированных на мембране бактериальных клеток наночастиц Ti02 электронами, ведь разрушение окружённых слизью клеток. а также под оптическим микроскопом мы не наблюдали. Обнаруженное явление мы считаем подобным фотокатализу, что согласовывается с данными литературы [11; 12]. Хотя в экспериментальной и теоретической биофизике достигнут существенный прогресс [13-24], подтверждение или опровержение выдвинутой в статье гипотезы требует дальнейших исследований.
Рис. Электронно-микроскопические фотографии бактериальных клеток штамма Bacillus subtilis 44-р, культивированных с наночастицами TiO2.
Литература
1. Роскошная А. С. - Наночастицы и новые свойства известных материалов [Электронный ресурс].
- Режим доступа: http://nano-technology.org/novoe/nanochastitsyi-i-novyie-svoystva-izvestnyih-materialov.html
2. Serpone N., Dondi D., Albini A. - Inorganic and organic UV filters: their role and efficacy in sunscreens and suncare products // Inorg. Chim. Acta. - 2007. -V.360. - P.794-802.
3. Мазуркова Н. А. - Взаимодействие наночастиц диоксида титана с вирусом гриппа // Российские нанотехнологии. - 2010. - № 56. - С. 125-127.
4. Колбасов Г.Я., Воробец В.С., Блинкова Л. В., Обловатная С.Я. -Электрокаталитические свойства электродов на основе наночастиц Ti02 при электровосстановлении кислорода // Вюник харювського нащонального ушверситету. Хiмiя. - 2010. - № 895, Вип. 18. - С.231-234.
5. Kahru A., Dubourguier H.C. , Blinova I. et al. - Biotests and biosensors for ecotoxicology of metal oxide nanoparticles: a minireview // Sensors. - 2008. -V.8. - N.8. - Р.5153-5170.
6. Serpone N., Salinaro A., Emeline A. - Deleterious effects of sunscreen titanium dioxide nanoparticles on DNA: efforts to limit DNA damage by particle surface modification // Proc. SPIE. - 2001. - V.4258.
- P.86-98.
7. CMipHOB В.В., Косюк 1.В. - Адгезивш властивостi бактерiй роду Bacillus — компонент пробiотика // Мкробюл. Жур. - 1997. - Т.59. - № 6. - С.36-43.
8. Дерев'янко С.В., Дяченко Г.М., Божок Л.В., Прокопенко О.1. -Пробютичш препарати для лiкування, профiлактики хвороб та стимуляци росту сiльськогосподарських тварин i птицi // Ветеринарна медицина. - 2004. - Вип.84. - С.819-822.
9. Пат. 66420 Укра1на, МПК(2006.01) A 61 K 35/66. Croci6 виготовлення пробiотичного препарату бацилярного субтилюу / Дерев'янко С. В., Дяченко Г. М., Божок Л. В. та ш. - заявл. 03.02.2011, u 2011 01195; опубл. 10.01.2012, бюл. № 1. - 3 с.
10. Пат. 95357 Украша, МПК(2006.01) C 12 N 1/20, A 61 K 35/66, C 12 R 1/125. Штам бактерш Bacillus subtilis для виробництва пробютичного препарату та бактерiальноl закваски / Дяченко Г. М., Бокун А. О., Дерев'янко С. В. та ш. - заявл. 02.12.2009, a 2009 12447; опубл. 25.07.2011, бюл. № 14. - 3 с.
11. Dubourguier H.C. - Biotests and biosensors for ecotoxicology of metal oxide nanoparticles: a minireview // Sensors. - 2008. - V.8. - P.5153-5170.
12. Thurn K.T., Brown E.M.B., Wu A. et al. - Nanoparticles for applications in cellular imaging // Nanoscale Res. Lett. - 2007. - V.2. - P.430-441.
13. Смирнова B.C., Гудков С.В., Черников А.В., Брусков В.И. - Образование 8-оксогуанина и его окисленных продуктов в ДНК in vitro под действием температуры 37°C // Биофизика. - 2005. -Т.50. - №2. - С. 243-252.
14. Gudkov S.V., Chernikov A.V., Bruskov V.I., Gudkova O.Y. - Protection of mice against X-ray injuries by the post-irradiation administration of guanosine and inosine // Int. J. Radiat. Biol. - 2009. - Т.85. -№2. - С. 116-125.
15. Гудков С.В., Штаркман И.Н., Черников А.В. и др. - Гуанозин и инозин (рибоксин) элиминируют долгоживущие белковые радикалы, образующиеся при воздействии рентгеновского излучения // Доклады Академии наук. - 2007. - Т.413. - №2. - С. 264-267.
16. Gudkov S.V., Bruskov V.I., Chernikov A.V. et al. - Oxygen-dependent auto-oscillations of water luminescence triggered by the 1264 nm radiation // Journal of Physical Chemistry B. - 2011. - Т.115. -№23. - С. 7693-7698.
17. Chernikov A.V., Gudkov S.V., Shtarkman I.N., Bruskov V.I. - Oxygen effect in heat-induced DNA damage // Biophysics. - 2007. - Т.52. - №2. - С. 185-190.
18. Shtarkman I.N., Gudkov S.V., Chernikov A.V. et al. - Effect of amino acids on x-ray-induced hydrogen peroxide and hydroxyl radical formation in water and 8-oxoguanine in DNA // Biochemistry (Moscow).
- 2008. - V.73. - С. 470-478.
19. Гудков СВ., Каpп О.Э., и др. - Образование активных форм кислорода в воде под действием видимого и инфракрасного излучений в полосах поглощения молекулярного кислорода // Биофизика. - 2012. - Т.57. - С. 5-13.
20. Gudkov S.V., Garmash S.A., Shtarkman I.N. et al. - Long-lived protein radicals induced by x-ray irradiation are the source of reactive oxygen species in aqueous medium // Dokl. Biochem. Biophys. -2010. - V.430. - №1. - P.1-4.
21. Asadullina N.R., Usacheva A.M., Smirnova V.S., Gudkov S.V. - Antioxidative and radiation modulating properties of guanosine-5'- monophosphate // Nucleosides, Nucleotides and Nucleic Acids.
- 2010. - Т.29. - №10. - С. 786-799.
22. Белостудцев К.Н., Гаpмаш CA., Бело^удцева Н.В., Белова C.n., Беpежнов А.В., Гудков СВ. -Исследование механизмов цитотоксического действия уранилнитрата // Биофизика. - 2012. -Т.57. - №5. - С. 789-795.
23. Брусков В.И., Гудков С.В., Чалкин С.Ф., Смирнова Е.Г., Ягужинский Л.С. - Автоколебательный процесс люминесценции воды, индуцированный лазерным облучением // Доклады АН - 2009. -Т.425. - №6. - С. 827-829.
24. Gudkov S.V., Shtarkman I.N., Smirnova V.S. et al. - Guanosine and inosine as natural antioxidants and radioprotectors for mice exposed to lethal doses of y-radiation // Dokl. Biochem. Biophys. - 2006. -V.407. - №1. - P.47-50.
