CC BY
18
УДК 539-022.532:539.2:575.224.4 DOI: 10.24411/1029-2551-2020-10021
ОЦЕНКА БИОБЕЗОПАСНОСТИ НАНОСТРУКТУРНОГО УГЛЯ КАК ВОЗМОЖНОГО КОМПОНЕНТА КОМПЛЕКСНОГО БИОПРЕПАРАТА
1,2И.А. Дегтярева, д.б.н., 13Э.В. Бабынин, к.б.н., 1Т.Ю. Мотина, к.б.н., 1Р.Р. Газизов, к.с.-х.н.
1 Татарский НИИАХП — обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН,
e-mail: niiaxp2@mail. ru
2Казанский национальный исследовательский технологический университет, e-mail: office@kstu.ru
3Казанский (Приволжский) федеральный университет, e-mail: public.mail@kpfu.ru
Представлен материал об оценке эффектов, вызванных наноструктурным углем на мутационный процесс у штаммов Salmonella typhimurium. В SOS-lux тесте установлено отсутствие у наноугля генотоксичности. и его безопасности в отношении мутагенной активности Исследовано, как наноуголь модифицирует ответ клеток на ДНК-повреждающую активность различных соединений — митомицина С, перекиси водорода, офлоксацина. При взаимодействии с ми-томицином С наноуголь оказывает слабое подавление SOS-индуцирующей активности этого соединения С перекисью водорода наноуголь не показал достоверного антимутагенного эффекта, а при взаимодействии с офлоксацином он усиливал в 1,5-2,0 раза эффект этого соединения. Таким образом, наноструктурный уголь в исследованиях на бактериальных тест-системах не проявил мутагенной активности, поэтому его можно считать безопасными для окружающей среды и использовать по агропромышленному назначению, в частности в качестве добавки к биопрепарату. Антимутагенные свойства наноугля неоднозначны, а механизм такого взаимодействия требует более детального изучения.
Ключевые слова: наноструктурный уголь, мутагенная активность, SOS-lux тест, биопрепарат, биобезопасность.
ASSESSMENT OF THE BIOSAFETY OF NANOSTRUCTURED COAL AS A POTENTIAL COMPONENT OF A COMPLEX BIOLOGICAL PRODUCT
12Dr. Sci. I.A. Degtyareva, l3PhD. E.V. Babynin, lPhD. T.Yu. Motina, lPhD. R.R. Gazizov
lTatar Scientific Research Institute of Agrochemistry and Soil Science, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, e-mail: niiaxp2@mail. ru 2Kazan National Research Technological University, e-mail: office@kstu.ru 3Kazan (Volga region) Federal University, e-mail: public.mail@kpfu.ru
The article presents an assessment of the effects caused by nanostructured coal on the mutation process in Salmonella typhimurium strains. The SOS-lux test found that the nanocarb had no genotoxicity. and its safety in relation to mutagenic activity, it was Investigated how the nanocarbon modifies the response of cells to the DNA-damaging activity of various compounds-mitomycin C, hydrogen peroxide, and ofloxacin. When interacting with mitomycin with nanocarbon, it has a weak suppression of the SOS-inducing activity of this compound With hydrogen peroxide, nanocarbon did not show a significant antimutagenic effect, and when interacting with ofloxacin, it increased the effect of this compound by 1.5-2.0 times. Thus, nanostructured coal in studies on bacterial test systems did not show mutagenic activity, so it can be considered safe for the environment and used for agricultural purposes, in particular as an additive to a biological product. The antimutagenic properties of nanocarbon are ambiguous, and the mechanism of such interaction requires more detailed study.
Keywords: nanostructured coal, mutagenic activity, SOS-lux test, biological product, biosafety.
Применение методов нанотехнологий позволяет усилить свойства природных минералов, обладающих уникальными свойствами [1]. Это открывает перспективы для разработки из них новых материалов. Так, бурый уголь, запасы которого в нашей стране значительны, оказывает множественный положительный эффект на почвенную экосистему: происходит накопление органического вещества,
тормозится вымывание нее калия, кальция и магния, повышается прочность почвенных частиц, улучшаются структура и питательный режим, связываются соли тяжелых металлов и др. [2]. Благодаря гуминовым веществам в составе бурого угля увеличивается урожайность сельскохозяйственных культур, повышается сопротивляемость растений к болезням, засухе, заморозкам [3]. До настоящего
времени лишь несколько исследований посвящены применению этого сорбента для стабилизации токсичных элементов в почвах, согласно которым лигнит является дешевым материалом, пригодным для стабилизации некоторых токсичных металлов в кислых песчаных почвах [5, 6]. Другие данные свидетельствуют о том, что воздействие угольных компонентов увеличивает риск злокачественных перерождений и повреждений клеток, подверженных воздействию соединений, мобилизованных из пластов бурого угля [7]. Описано неблагоприятное влияние добычи, переработки и использования угля на источники воды, почву, качество воздуха и биоту [8]. Взаимодействие угля и продуктов сгорания с биологическими системами вызывает генотоксические или мутагенные эффекты у таких организмов как моллюски [9], грызуны [10], клетки человека [11].
Исследование мутагенной активности угольной пыли на основе частоты сестринских хроматидных обменов (СХО) показывают, что лигнит индуцирует их [12]. СХО проявляют высокую чувствительность к действию различных мутагенов, особенно химических. Водные экстракты некоторых категорий угольных отложений могут оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду из-за выщелачивания угля.
Тесты с использованием микроорганизмов (тест Эймса, SOS-lux тест, umu тест и другие) являются наиболее информативными для оценки мутагенных свойств соединений. В работах И.А. Дегтяревой с соавторами (2016, 2019) представлены данные об отсутствии ДНК-повреждающих свойств у нанобенто-нита и нанофосфорита [13, 14]. Однако, несмотря на имеющиеся исследования показателей безопасности некоторых наноструктурных минералов, необходимо изучать их мутагенные и антимутагенные свойства.
Цель исследования - выявление и количественная оценка потенциальной генотоксичности наноструктурного угля как возможного компонента биопрепарата, создаваемого на основе консорциума азотфиксирующих и фосфатмобилизующих микроорганизмов.
Объекты и методы. Объект исследования - бурый уголь месторождения Кемеровской области. Состав бурого угля, %: С - 58,8; O+N+S - 36,4; H -4,8, летучих веществ - 51,1, зольность - 6,6. Нано-структурный уголь (20-60 нм) получен в научно-исследовательском инновационно-прикладном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» (г. Казань) методом ультразвукового диспергирования в деионизированной воде.
Мутагенную активность наноугля исследовали с помощью SOS-lux теста [4, 5]. Для оценки индукции SOS-ответа использовали индикаторный штамм S. typhimurium TA1535/pDEW238, способный к биолюминесценции в ответ на ДНК-повреждающие агенты. Интенсивность биолюми-
несценции измеряли с помощью микропланшетного ридера Infinité® Pro200, Tecan (Австрия) в относительных световых единицах (Relative Light Units, RLU), рассчитанных как число световых единиц в секунду, деленное на оптическую плотность клеточной культуры (OD) при 550 нм.
Для оценки антимутагенного эффекта мутаген и наноуголь вносили в питательный бульон одновременно. Позитивный и негативный контроли были включены в каждом анализе. Градация ингибиру-ющего эффекта следующая: слабый - менее 25%, умеренный - 25-40%, сильный - более 40% [6].
Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы Microsoft Excel 2000.
Результаты. При выявления возможной мутагенной активности наноструктурного угля использован диапазон его концентраций в культуральной среде от 25,0 до 6400,0 мкг/мл. Результаты интенсивности биолюминесценции после шести часов совместной инкубации культуры в присутствии тестируемого соединения представлены на рисунке 1. При всех концентрациях активность SOS-оперона не отличается от контрольного значения. Согласно поученным результатам наноструктурный уголь не обладает ДНК-повреждающей активностью. Следовательно, можно полагать об отсутствии гено-токсичности у наноугля и его безопасности в отношении мутагенной активности.
Можно ожидать, что наноструктурный уголь, обладая адсорбирующими свойствами, мог бы обладать антимутагенной активностью. В связи с этим исследовано, как наноуголь модифицирует ответ клеток на ДНК-повреждающую активность различных соединений (митомицин С, перекись водорода, офлоксацин). Для выявления возможной антимутагенной активности биосенсорный штамм выращивали в присутствии одновременно индуктора SOS-ответа и тестируемого вещества. Результаты представлены на рисунках 2-4.
Установлено, что при взаимодействии с мито-мицином С наноструктурный уголь оказывает слабое подавление SOS-индуцирующей активности этого соединения. При наибольшей концентрации 6400,0 мкг/мл отмечено подавление на 30,0% по отношению к контролю (рис. 2).
Наноуголь по сравнению с другими исследованными наноструктурными минералами обладает более слабым антимутагенным эффектом. Так, антимутагенная активность нанобентонита и нанофос-форита при концентрации 200,0 мкг/мл составляет 40,0%, в то время как наноуголь при этой концентрации подавляет мутагенный эффект всего лишь на 10,0% [7, 8].
С перекисью водорода (H2O2), которая обладает сильным бактерицидным эффектом, наноуголь в исследуемом диапазоне концентраций не показал достоверного подавления (рис. 3).
Рис. 1. Влияние наноструктурного угля на интенсивность биолюминесценции штамма ТА1535/pDEW238 Salmonella typhimurium, мкг/мл
Рис. 2. Влияние наноструктурного угля на интенсивность биолюминесценции штамма ТА1535/pDEW238 Salmonella typhimurium, индуцированного митомицином С, мкг/мл
Рис. 3. Влияние наноструктурного угля на интенсивность биолюминесценции штамма ТА1535/pDEW238 Salmonella typhimurium, индуцированного перекисью водорода, мкг/мл
Рис. 4. Влияние наноструктурного угля на интенсивность биолюминесценции штамма TA1535/pDEW238 Salmonella typhimurium, индуцированного офлоксацином, мкг/мл
Установлено, что наноуголь при взаимодействии с офлоксацином, который является антибактериальным средством группы фторхинолонов II поколения с бактерицидным эффектом, усиливает в 1,5-2,0 раза эффект этого соединения при концентрации выше 3000,0 мкг/мл (рис. 4).
Усиление влияния офлоксацина на клетки бактерий при добавлении наноугля могло бы иметь применение в медицине. Однако механизм этого взаимодействия требует более детального изучения.
Таким образом, наноструктурный уголь в наших исследованиях на бактериальных тест-
системах не проявил мутагенной активности. Поэтому его можно считать безопасными для окружающей среды и использовать по агропромышленному назначению, в частности в качестве добавки к биопрепарату. С другой стороны, наноуголь не проявил антимутагенных свойств. Антимутагенный эффект, который наблюдался при инкубации с митомицином С был слабым, а с офлоксацином наноуголь показал усиление ДНК-повреждающей активности. Следовательно, использовать наноуголь как антимутаген не имеет смысла.
Литература
1. Ежков В.О., Яппаров А.Х., Нефедьев Е.С. Наноструктурные минералы: получение, химический и минеральный составы, структура и физико-химические свойства // Вестник Казанского технологического университета, 2014, Т. 17, № 11. - С. 41-45.
2. Жеребцов С.И., Малышенко Н.В., Лырщиков С.Ю. Функциональный состав гуматов бурого угля и их стимулирующая активность / Комплексный подход к использованию и переработке угля: Мат-лы межд. науч.-практ. конф., Душанбе, 2013. - С. 96-97.
3. Егорова Е.Ю. Эффективность препаратов на основе гуминовых кислот торфа под сельскохозяйственные культуры в условиях луговой степи Алтайского края: автореф. дисс. к.с.-х.н. - Барнаул: ИВЦ БТИ АлтГТУ, 2000. - 18 с.
4. Fitz W.J., Wenzel W.W. Arsenic transformations in the soil/rhizosphere/plant system: Fundamentals and potential application to phytoremediation // J. Biotechnol, 2002, V. 99 (259). - Р. 78.
5. Arslan G., Edebali S., Pehlivan E. Physical and chemical factors affecting the adsorption of Cr(VI) via humic acids extracted from brown coals // Desalination, 2010, V. 255 (117). - Р. 23.
6. Zhao T.-T., Ge W.-Z., Yue F., Wang Y.-X., Pedersen C.M., Zeng F.-G., Qiao Y. Mechanism study of Cr(III) stabilization in the process of Cr(VI) removal by Huolinhe lignite // Fuel Process. Technol., 2016, V. 152 (375). - Р. 80.
7. Bunnell J.E., Tatu C.A., Lerch H.E., Orem W.H., Pavlovic N. Evaluating nephrotoxicity of high-molecular-weight organic compounds in drinking water from lignite aquifers // J. Toxicol. Environ. Health A, 2007, V. 70 (2089). - Р. 91.
8. Hitt N.P., Hendryx M. Ecological integrity of streams related to human cancer mortality rates // Ecohealth, 2010, V. 7. - Р. 91-104.
9. De Souza M.R., da Silva F.R., de Souza C.T., Niekraszewicz L., Dias J.F., Premoli S., da Silva J. Evaluation of the genotoxic potential of soil contaminated with mineral coal tailings on snail Helix aspersa // Chemosphere, 2015, V. 139. Р.- 512-517.
10. León G., Pérez L.E., Linares J.C., Hartmann A., Quintana M. Genotoxic effects in wild rodents (Rattus rattus and Mus musculus) in an open coal mining area // Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, 2007, V. 630(1-2). - Р. 42-49.
11. Menezes A.P.S., Da Silva J., Rossato R.R., Cruz M.S.C, Dihl R.R., Lehmann M., Ferraz A.B.F. Genotoxic and biochemical changes in Baccharis trimera induced by coal contamination // Ecotoxicol. Environ. Saf., 2015, V. 114. - Р. 9-16
12. Tucker J.D., Ong T.-M. Induction of sister chromatid exchanges by coal dust and tobacco snuff extracts in human peripheral lymphocytes // Environmental Mutagenesis, 1985, V. 7(3). - Р. 313-324.
13. Дегтярева И.А., Ежкова А.М., Яппаров А.Х., Яппаров И.А., Ежков В.О., Бабынин Э.В., Давлетшина А.Я., Мотина Т.Ю., Яппаров Д.А. Получение наноразмерного бентонита и изучение его влияния на мутагенез у бактерий Salmonella typhimurium // Российские нанотехнологии, 2016, Т. 11, № 9-10. - С. 116-122.
14. Дегтярева И.А., Бабынин Э.В., Мотина Т.Ю., Давлетшина А.Я., Яппаров И.А. Оценка мутагенных и антимутагенных свойств наноструктурного фосфорита - компонента комплексного удобрения // Агрохимический вестник, 2019, № 1. - С. 41-45.
15. Davidov Y., Rozen R., Smulski D.R. Improved bacterial SOS promoter∷ lux fusions for genotoxicity detection // Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, 2000, V. 466 (1). - Р. 97-107.
16. Evandri M.G., Battinelli L., Daniele C. The antimutagenic activity of Lavandula angustifolia (lavender) essential oil in the bacterial reverse mutation assay // Food Chem. Toxicol., 2005, V. 43(9). - P. 1381-1387.
