CC BY
82
УДК 57.042; 615.9
ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ НАНО- И МИКРОЧАСТИЦ МИНЕРАЛОВ
© 2011 К С. Голохваст1,2, А.М. Паничев3, И В. Мишаков4, А.А. Ведягин4, М.С. Мельгунов4, И Г. Данилова4, И.Г. Козлова5, С.П. Габуда5, Н.К. Мороз5, М.С. Мельгунов6, Н.Н. Киселев1, В В. Чайка1, А.Н. Гульков1,7
1 Институт нефти и газа Дальневосточного государственного технического
университета, г. Владивосток 2 Владивостокский филиал Дальневосточного научного центра физиологии и патологии дыхания СО РАМН - НИИ медицинской климатологии и восстановительного лечения, г. Владивосток
3 Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, г. Владивосток
4 Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск
5 Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, г. Новосибирск
6 Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск
7 ЗАО ДВНИПИ нефтегаз, г. Владивосток
Поступила в редакцию 13.05.2011
В статье рассматриваются подходы к изучению токсичности неорганических водонерастворимых материалов - нано- и микрочастиц природных минералов. Обсуждаются возможные причины и механизмы различных биологических эффектов последних.
Ключевые слова: токсичность, наночастицы, микрочастицы, природные минералы
Атмосферные природные взвеси - абиотический фактор среды, неинертный по отношению к живым организмам, вызывающий различные ответные реакции в зависимости от размера частиц и их минерального состава. Организмы на Земле с момента возникновения жизни и по настоящее время находятся под действием частиц атмосферных взвесей и должны были адаптироваться к ним. Механизм дыхания у животных и человека реализуется так, что позволяет выводить из организма самую опасную наиболее мелкую фракцию взвеси. Очистка обусловлена турбулентным характером движения вдыхаемого воздуха, возникающего из-за винтового гофрированного рельефа трахеи и бронхов, а также из-за противотока газов при вдохе-выдохе [11, 12]. Помимо ингаляционного пути частицы минералов могут проникать в организм животных перорально, а также через кожу и слизистые поверхности.
В атмосфере и гидросфере частицы минералов находятся в разных состояниях и формах. Известно, что в атмосферных аэрозолях преобладают частицы размером менее 1 мкм [7]. По данным Х.Е. Юнге (1965), частицы размером менее 0,1 мкм составляют не более 10-12% аэрозольного вещества [16]. По другим данным, доля частиц размером менее 5 мкм составляет 95%, но по массе - всего 7% [7]. Есть сообщения [2, 9, 10], что 95% частиц имеют размер более 1 мкм, и доля частиц менее 1 мкм составляет менее 12%. Считается, что крупные фракции аэрозолей оседают ближе к источнику пыли, поэтому в отдалениях от них, например, в центральной части Тихого океана, вся взвесь мелкодисперсная [7]. По мнению Ф.Ф. Давитая (1971), колебания концентрации частиц атмосферных взвесей, могут воздействовать на всю биосферу, меняя климат на всей планете [9]. Частицы минералов по-разному влияют на организмы и иногда оказывают
Голохваст Кирилл Сергеевич, кандидат биологических наук, заместитель директора. E-mail: [email protected] ; Паничев Александр Михайлович, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории экологии и охраны животных; Мишаков Илья Владимирович, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, руководитель группы; Ведягин Алексей Анатольевич, кандидат химических наук, ученый секретарь, старший научный сотрудник; Мельгунов Максим Сергеевич, кандидат химических наук, старший научный сотрудник; Данилова Ирина Геннадьевна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник; Козлова Светлана Геннадьевна, доктор физико-математических наук, заведующая лабораторией физической химии конденсированных сред; Габуда Святослав Петрович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник; Мороз Николай Клавдиевич, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник; Мельгунов Михаил Сергеевич, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник; Киселев Николай Николаевич, соискатель; Чайка Владимир Викторович, соискатель; Гульков Александр Нефедович, доктор технических наук, профессор, директор
прямопротивоположные биологические эффекты: от пневмокониозов и мезотелиом до антиоксидантного, иммуностимумирующего и криопротекторного [8]. Какие же параметры частиц могут определять те или иные биологические свойства? По нашему мнению, экологические и биологические эффекты минеральных нано- и микрочастиц должны зависеть (помимо степени их концентрации) от их физико-химических свойств.
Материалы и методы. Для изучения биологических эффектов частиц минералов нами было проведено физико-химическое и минералогическое исследование образцов. Были исследованы цеолиты различных месторождений Сибири и Дальнего Востока: Люльин-ского, Холинского, Вангинского, Лютогского, Чугуевского, Огоньковского, Милоградовско-го с помощью методов атомной абсорбции, рентгено-флуоресцентного, нейтронно-
активационного, гамма-спектрометрического анализов (Институт геологии и минералогии СО РАН), ИК-спектроскопии, адсорбции азота при 77К и ртутной порометрии (Институт катализа СО РАН), ЯМР-спектроскопии (Институт неорганической химии СО РАН). Указанные породы содержали цеолиты (клиноптило-лит и гейландит) от 16% (Чугуевское) до 71% (Люльинское). В этих образцах установлено содержание 8 породообразующих, 10 редкоземельных, 27 редких и радиоактивных элементов и тяжелых металлов. В образцах цеолитов Лютогского, Чугуевского и Холинского месторождений преобладала вода, адсорбированная на поверхности микрокристаллов и пор, в образцах цеолитов Лютогского, Куликовского и Милоградовского месторождений обнаружены протонированные димеры воды, что свидетельствует о большей доступности кислотных ОН-групп этих цеолитов. Содержание льюи-совских кислотных центров, связанных с А13+, в цеолитах изменяется от 4 мг/г (Лютогское) до 30 мг/г (Куликовское).
Результаты. Проведенные физико-химические исследования частиц позволили выделить их основные характеристики, влияющие на биологически активные свойства минералов:
1) Размер частиц. На сегодняшний день имеются сотни сообщений, что наночастицы обладают более выраженными токсическими свойствами, чем микрочастицы того же материала. Этим обусловлено и выделение особой области в токсикологии - нанотоксикологии. Объясняется это способностью наночастиц проникать через биологические мембраны и барьеры, накапливаться в тканях и органах. Важно отметить, что на данный момент не
показано, каким образом организм может утилизировать и обезвреживать наночастицы.
2) Текстурные (удельная поверхность, число микро- и мезопор). Анти- или проокси-дантные свойства частиц цеолитов, по мнению С. Ивковича с соавторами [17] и В. Сверко с соавторами [20], зависят от их способности сорбировать активные формы кислорода и другие радикалы в поверхностных порах. Ранее нами был установлено [8], что частицы цеолита Вангинского месторождения размером 1-10 мкм проявляют себя преимущественно как антиоксидант, а частицы Куликовского месторождения - как прооксидант. Методом ртутной порометрии (табл. 1) нами было показано, что у цеолитов Вангинского месторождения удельная поверхность мезопор в 2 раза больше, чем у цеолитов Куликовского месторождения. Как видно, для цеолитов Вангин-ского месторождения характерна более развитая удельная поверхность, чем для Куликовского, и соответственно более высокая сорб-ционная активность.
Таблица 1. Текстурные характеристики природных цеолитов Вангинского и Куликовского месторождений
Месторождение цеолита Удельная поверхность, м2/г Объем микро-пор, см3/г
по БЭТ* мезопор
Куликовское 27 17 0,005
Вангинское 56 43 0,006
Примечание: * БЭТ - метод Брунауэра-Эммета-Теллера.
Известно, что микрочастицы некоторых минералов (например, кварца) при попадании в живой организм выступают в качестве источника свободных радикалов [15]. Скорее всего именно с такими микрочастицами связаны повреждения мембран клеток. Сам процесс такого «повреждения» также заслуживает отдельной дискуссии. Скорее всего, речь идет не о механическом повреждении, а о физико-химическом контакте мембраны клетки с поверхностью минералов через процессы пере-кисного окисления липидов как сигнальную систему, и, в зависимости от типа минералов и их физико-химических свойств, это проявляется в разных ответных реакциях - от нейтральной до канцерогенной (например, реакция на асбест и эрионит).
3) Концентрация кислотных центров. Известно, что многие фагоциты могут поглощать твердые частицы. Фагоцитируя частицы некоторых минералов (например, цеолитов), клетки могут вносить в свою внутреннюю среду биохимически неинертный материал. Так, льюи-совские кислотные центры, которые находятся
на поверхности некоторых минералов, представляют собой координационно-ненасыщенные поверхностные атомы алюминия с локализованным положительным зарядом, отчего могут проявлять выраженные каталитические свойства [14]. О различии концентраций Льюисовских кислотных центров у разных цеолитов свидетельствуют данные в табл. 2.
Таблица 2. Концентрация Льюисовских кислотных центров для некоторых образцов цеолитов, мкмоль/г
Месторождение Частота СО, vCo
2198-2202 см-1 2225-2230 см-1
Лютогское 2 3
Вангинское 20 10
Как видно из табл. 2, цеолиты Ван-гинского месторождения обладают более высокой концентрацией Льюисовских кислотных центров. Они могут играть большую роль в закреплении крупных биологических молекул
и в превращениях любых органических субстратов. Кроме того, известно, что частицы некоторых минералов могут повышать активность внутриклеточных ферментов [8].
4) Поверхностный потенциал. Наличие или отсутствие антибактериальных свойств у минералов, по мнению М. Кубота с соавторами [18], можно объяснить наличием на поверхности кристаллической решетки специфического электрического заряда, однако найти достоверные отличия и корреляцию между величиной заряда и антимикробной активности нам не удалось (табл. 3). С другой стороны, поверхностный заряд поверхности минерала при контакте с мембраной клетки однозначно меняет ионный баланс в примембранной области. Можно предположить, что эффект будет зависеть от силы и площади заряда. Так, например, большинство наночастиц имеют аномально высокий заряд и оказывают ярко выраженное токсическое действие [19].
Таблица 3. Исследование дзета-потенциала (Z-потенциала) частиц минералов
Минерал Антимикробная активность Z-потенциал, мВ
полевой шпат - -28±5
кварц а - -27±2
вулканическое стекло - -36±1
апатит не исследовалась -7,1±0,6
цеолит Вангинского +++ -32±3
месторождения
цеолит Лютогского ++ -33 ±3
месторождения
5) Ион-селективные и ион-донорные свойства. Ион-селективные свойства цеолитов по отношению к жизненно важным (№, М^, Са, К, Мп) и токсичным (Б, Щ, Сё, РЬ, С8) катионам подтверждены многочисленными экспериментами [1, 3-6, 13, и др.]. Цеолиты чрезвычайно богаты биодоступными химическими элементами. В исследованных образцах цеолитов методами атомно-адсорбционной спектро-фотометрии (ААС), нейтронно-активацион-ного анализа (НАА) и рентгено-флуоресцент-ного анализа с синхротронным излучением (РФА-СИ) было обнаружено около 45 элементов. Следовательно, цеолиты можно рассматривать в качестве доноров большого количества жизненно важных микроэлементов.
Обсуждение и выводы. Как известно, основные механизмы токсичности - способность соединяться и различно взаимодействовать (подавлять или активировать) с важнейшими биополимерами (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и др.). Токсичные вещества, например, могут вызывать денатурацию белков, что приводит к нарушению фермент-
ных и транспортных функций последних. Результаты данной работы могут расцениваться как предварительные в начатом нами системном исследовании изучению механизма токсичности водонерастворимых твердых частиц через изучение их физико-химических свойств.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К.), гранта СО РАН ПСО-10 №114, гранта РФФИ 09-04-90781-мобст и гранта для молодых ученых ведущих университетов РФ (компания Zeiss).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Бгатова, Н.П. Модулирующее действие природного цеолита на структуру пейеровых бляшек в условиях накопления цезия // Тихоокеанский медицинский журнал. 2009. № 3. С. 74-77.
2. Влодавец, В.И. Заметки о навеянном минеральном осадке на льдах // Труды Арктического ин-та. 1936. Т. 33. С. 79-85.
3. Гаврилов, Ю.А. Фармакологическая коррекция нарушений обмена веществ у сельскохозяйственных животных, вызванных действием экотокси-кантов: автореф. дисс... д-ра биол. наук. - Воронеж, 2007. 46 с.
4. Гаглоева, Э.М. Влияние энтерального введения природного минерала РСО-Алания Ирлит-1 на почечные эффекты хлорида ртути, распределение и динамику выведения ртути из организма в эксперименте: автореф. дисс... канд. мед. наук. -Владикавказ, 2008. 22 с.
5. Гайдаш, А. А. Структура миокарда, легких, печени, почек и физико-химические свойства соединительной ткани под влиянием фтора и природного цеолита (экспериментальное исследование): автореф. дисс. д-ра биол. наук. - Новосибирск, 2005. 30 с.
6. Герасев, А.Д. Анализ механизма действия цеолита Шивыртуйского месторождения на водно-солевой обмен и функцию почек: автореф. дисс... д-ра биол. наук. - Новосибирск, 2005. 48 с.
7. Глазовский, Н.Ф. Избранные труды в двух томах. Т. 1. Геохимические потоки в биосфере. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2006. 535 с.
8. Голохваст, К. С. Взаимодействие организмов с минералами. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2010. 115 с.
9. Давитая, Ф.Ф. Загрязнение земной атмосферы и проблемы свободного кислорода // Известия АН СССР. Серия геогр. 1971. № 4. С. 22-25.
10. Давитая, Ф.Ф. Атмосфера и биосфера - прошлое, настоящее, будущее. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 36 с.
11. Захаров, В.Н. Явление образования винтового противоточного движения газовых сред при вентиляции легких / В. Н. Захаров и др. // Российский журнал биомеханики. 2006. Т. 10, №3. С. 9-21.
12. Захаров, В.Н. Визуализация винтового противо-точного движения газовых сред при вентиляции легких / В.Н. Захаров и др. // Российский журнал биомеханики. 2008. Т. 12, №2. С. 7-12.
13. Кривова, Н.А. Влияние длительного потребления с пищей цеолитов на выживаемость и компенсаторные реакции кишечника у мышей разного возраста после облучения / Н.А. Кривова и др. // Радиационная биология. Радиоэкология. 2001. № 41(2). С. 157-164.
14. Рабо, Дж. Химия цеолитов и катализ на цеолитах. - М.: Мир, 1980. Т. 1. 506 с.; Т. 2. 422 с.
15. Середенин, С.Б. Мутагены (Скрининг и фармакологическая профилактика воздействий) / С.Б. Середенин, А.Д. Дурнев. - М.: Медицина, 1998. 328 с.
16. Юнге, Х.Е. Химический состав и радиоактивность атмосферы. - М.: Мир, 1965. 423 с.
17. Ivkovic, S. Dietary supplementation with the tribome-chanically activated zeolite clinoptilolite in immunodeficiency: effects on the immune system / S. Ivkovic et al. // Adv. Ther. 2004. № 21(2). P. 135-147.
18. Kubota, M. Selective adsorption of bacterial cells onto zeolites / M. Kubota et al. // Colloids and Surfaces B-Biointerfaces. 2008. № 64. P. 88-97.
19. Nel, A. Toxic potential of materials at the nanolevel / A. Nel et al. // Science. 2006. Vol. 311 (5761). P. 622-627.
20. Sverko, V. Natural micronized and clinoptilolite mixed with extract Urtica dioica L. as possible antioxidant / V. Sverko et al. // Food Technol. Biotechnol. 2004. Vol. 42. P. 189-192.
ECOTOXICOLOGY OF NANO- AND MICROPARTICLES
© 2011 K.S. Golokhvast1'2, A.M. Panichev3, I.V. Mishakov4, A.A. Vedyagin4, M.S. Melgunov4, I.G. Danilova4, S.G. Kozlova5, S.P. Gabuda5, N.K. Moroz5, M.S. Mel-gunov6, N.N. Kiselev1, V.V. Chayka1, A.N. Gulkov1,7
1 Institute of Gas and Oil of Far East State Technical University, Vladivostok 2 Vladivostok Branch of Far East Scientific Center of Physiology and Pathology of Respiration, SB RAMS - SR Institute of Medical Climatology and Rehabilitation,
Vladivostok
3 Pacific Institute of Geography FEB RAS, Vladivostok 4 Catalysis Institute named after G.K. Boreskov SB RAS, Novosibirsk 5 Institute for Inorganic Chemistry named after A.V. Nikolaev SB RAS, Novosibirsk 6 Institute for Geology and Mineralogy named after V.S. Sobolev SB RAS, Novosibirsk
7 JSC DVNIPI-neftegas, Vladivostok
In article approaches to studying the inorganic water insoluble materials toxicity - nano- and microparti-cles of natural minerals are considered. The possible reasons and mechanisms of various biological effects of the last are discussed.
Key words: toxicity, nanoparticles, microparticles, natural minerals
Kirill Golokhvast, Candidate of Biology, Deputy Director. E-mail: [email protected]; Alexander Panichev, Doctor of Biology, Leading Research Fellow at the Laboratory of Ecology and Animals Protection; Iliya Mishakov, Candidate of Chemistry, Senior Research Fellow, Chief of the Group; Aleksey Vedyagin, Candidate of Chemistry, Scientific Secretary, Senior Research Fellow; Maxim Melgunov, Candidate of Chemistry, Senior Research Fellow; Irina Danilova, Candidate of Chemistry, Senior Research Fellow; Svetlana Kozlova, Doctor of Physics and Mathematics, Chief of the Laboratory of Physical Chemistry of Condensed Mediums; Svyatoslav Gabuda, Doctor of Physics and Mathematics, Main Research Fellow; Nikolay Moroz, Doctor of Chemistry, Leading Research Fellow; Mikhail Melgunov, Candidate of Geology and Mineralogy, Senior Research Fellow; Nikolay Kiselev, Post-graduate Student; Vladimir Chayka, Postgraduate Student; Alexander Gulkov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Director
