CC BY
108
УДК 549.67:61(042)
ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ И АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ НАНОЧАСТИЦ
© 2009 К С. Голохваст1,5, А.М. Паничев2, А Н. Гульков1,7, П.А. Никифоров3, И.Г. Федотова4, А.А. Анисимова5, И.Э. Памирский6, Е.Г. Автомонов7
1 Институт нефти и газа Дальневосточного государственного технического университета 2 Тихоокеанский институт географии ДВО РАН 3 Институт механики, автоматики и передовых технологий Дальневосточного государственного технического университета 4 Центр эпидемиологии и гигиены в Приморском крае 5 Дальневосточный государственный университет 6 Амурская государственная медицинская академия 7 ЗАО ДВНИПИ-нефтегаз
Поступила в редакцию 9.11.2009
В статье обсуждаются экотоксикологические аспекты взаимодействия минеральных наночастиц и микроорганизмов. Показаны антимикробные свойства наночастиц цеолитов (размером около 500 нм) некоторых месторождений Дальнего Востока и Сибири России на культуру микроорганизмов.
Ключевые слова: наночастицы, цеолит, антимикробное действие, нанотоксикология, экотоксикология
Живые организмы постоянно испытывают на себе давление окружающей среды, и, в частности, минеральных факторов, находящихся в атмо-, гидро- и литосфере. Например, считается, что в воздухе планеты Земля взвешено более 20 млн. тонн минералов. В океанической пыли преобладают галит и сульфаты, в континентальной - кварц, частицы углерода, сульфаты, силикаты, алюмосиликаты, самородное железо, вюстит, сульфиды и многие другие [1, 8]. Мельчайшие частицы минералов, которые, поступая в организм живых организмов, не используются как компоненты энергетического или пластического обмена, все же могут изменять течение нормальных физиологических процессов. На сегодняшний день по данному вопросу накоплен достаточно обширный фактический материал [5, 11, 17]. Речь идет о частицах минералов с размером от нескольких нм (атмосферная пыль
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
Гульков Александр Нефедович, доктор технических наук, профессор, директор
Никифоров Павел Александрович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии металлов и металловедения
Федотова Ирина Геннадьевна, заведующая лабораторией микробиологии
Анисимова Анна Алимовна, кандидат биологических наук, доцент кафедры клеточной биологии
Памирский Игорь Эдуардович, ассистент кафедры биологической химии с курсом биоорганической химии Автомонов Евгений Геннадьевич, стажер-исследователь
и водная взвесь) до сантиметров (например, гастролиты птиц). Например, на высоте около 6 тыс. м над уровнем океана в 1 см3 воздуха содержится 20 наночастиц, а в городах на высоте около 100 м от земли их количество оценивается 45000/см3 [1]. В связи с развитием нанотехнологий существует потенциальная угроза попадания минеральных и металлических наночастиц в среду обитания животных и человека, и, в последнее время токсикологической опасности наночастиц специалисты из разных областей уделяют все больше внимания [3, 4, 9, 13, 14, 19, 20]. Минеральные на-ночастицы присутствуют в природе, но ввиду малых концентраций не оказывают значительного влияния на биоту [6].
Из литературных источников известно [7], что некоторые клетки (например, альвеолярные и перитониальные макрофаги и клетки инородных тел млекопитающих, гемоциты моллюсков) в норме могут фагоцитировать твердые, часто водонерастворимые, частицы размером до 5-10 мкм и менее. При нормальном функционировании организмов это относится к частицам минералов, пыли, сажи, залетающих с вдыхаемым воздухом; частицам инородных тел (например, занозы), а также песка и почв, поглощаемых с пищей. В процессе эволюции живых организмов выработался довольно эффективный механизм очистки вдыхаемого воздуха: грубые частицы (более 5 мкм) оседают в каналах носоглотки, до 90% мелких частиц задерживается в верхних
дыхательных путях и бронхах, из которых они удаляются вместе со слизью путем отхаркивания. Тем не менее определенная часть довольно крупных частиц (до 2 мкм) и около половины тонких (0,2-0,3 мкм) попадает в альвеолы и выстилает их поверхность, резко снижая эффективность обогащения крови кислородом [8]. Аэрочастицы, которые попали внутрь фагоцитирующих клеток, затем мигрируют в кровеносное русло и выводятся через кишечник. Минеральные частицы, попадающие в
организм животных через ротовое отверстие также выводятся через кишечник [16, 17]. Це-олитовые туфы содержат цеолит, полевой шпат, кварц, вулканическое стекло и являются одними из самых распространенных минералов на Земле.
Целью настоящего исследования было изучение влияния наночастиц цеолитсодер-жащих туфов некоторых месторождений на рост E. шН.
Таблица 1. Микробиологические свойства цеолитов. Среда Эндо
Группы / Разведение 10-5 10-6 10-7 10-5 10-6 10-7
КОЕ КОЕ КОЕ КОЕ КОЕ КОЕ
Ванчинское Люльинское
месторождение месторождение
контроль 450 59 9 363 52 3
10 мг (сразу) 431 67 3 159 26 1
10 мг (через 30 минут) 411 95 2 393 46 1
10 мг(через 1 час) 329 48 2 338 66 6
10 мг (через 24 часа) 57 3 1 602 215 104
20 мг (сразу) 351 40 1 140 30 2
20 мг (через 30 минут) 292 60 4 323 37 2
20 мг(через 1 час) 474 61 2 151 31 4
20 мг (через 24 часа) 269 83 4 368 58 15
50 мг (сразу) 310 30 2 75 3 0
50 мг (через 30 минут) 250 12 1 124 10 3
50 мг(через 1 час) 253 33 1 151 23 1
50 мг (через 24 часа) 271 51 3 310 42 11
Материалы и методы. Для определения микробиологической активности цеолитовых туфов Вангинского, Куликовского и Лютог-ского месторождений были взяты культуры условно-патогенных бактерий E. coli 25922, полученные из ГИСК им. Л. А. Тарасевича. Исследования проводились на базе лаборатории микробиологии ФГУЗ «Центр эпидемиологии и гигиены в Приморском крае», Владивосток. В работе использовались стандартные методики и культуральные среды: мясо-пептонный агар (МПА) и среда Эндо. После приготовления раствора (1 млрд. клеток) по стандарту мутности цеолиты инкубировались вместе с бактериями в течение 30 минут, 1 час, 24 часа. Затем согласно стандартным методикам сеяли суспензию на МПА и среду Эндо и помещали в термостат на 24 часа при температуре 370С. Подсчет колониеобразую-щих единиц (КОЕ) велся визуально. Цеолито-вые породы применялись стерильные (обработка в автоклавном шкафу при температуре 1800С в течение 3 часов).
Цеолит измельчался с помощью дробилки ВКМД6 (Вибротехник), ультразвуковой гомогенизатор Bandelin Sonopulse 3400 и планетарной мельнице Fritch Pulverisette. В итоге размер частиц цеолитового туфа достигали размера от 100 нм до 2 мкм, но подавляющее число частиц было размером около 500 нм. Контроль размера частиц осуществлялся на лазерном анализаторе частиц Fritch Particle Sizer Analysette 22 и на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6490LV в Дальневосточном геологическом институте ДВО РАН (Чекрыжов И.Ю. и Сафронов П.П.). Образцы предварительно напылялись золотом. Концентрация цеолита в туфах всех трех месторождений составляла около 60-70%. В качестве сопутствующих минералов в туфе также определялись кварц, полевой шпат, вулканическое стекло и некоторые другие.
Результаты и обсуждение. Сводные результаты микробиологических исследований приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 2. Микробиологические свойства цеолитов. Среда МПА
Группы / Разведение 10-5 10-6 10-5 10-6
КОЕ КОЕ КОЕ КОЕ
Чугуевское Шивертуйское
месторождение месторождение
Контроль 350 69 319 46
10 мг (сразу) 90 7 1 0
10 мг (через 30 минут) 129 20 6 4
10 мг (через 1 час) 109 26 4 1
10 мг (через 24 часа) 250 22 83 10
20 мг (сразу) 83 19 58 10
20 мг (через 30 минут) 235 52 21 17
20 мг (через 1 час) 150 18 10 3
20 мг (через 24 часа) 251 64 188 63
50 мг (сразу) 136 16 55 7
50 мг (через 30 минут) 86 9 33 17
50 мг (через 1 час) 93 17 18 4
50 мг (через 24 часа) 558 37 185 150
Обсуждение полученных результатов.
Антибактериальные свойства цеолитов можно попытаться объяснить наличием на поверхности кристаллической решетки цеолитов специфического электрического заряда [15]. Ранее нами и другими авторами [2, 5, 10, 12, 18] была показана антимикробная активность цеолитов некоторых месторождений. Исходя из полученный нами данных взаимоотношения между наночастицами цеолитов и бактериями носят порой неоднозначный характер. Самой высокой антимикробной активностью среди приведенных выше обладают наночастицы цеолитов Шивертуйского месторождения. На-ночастицы цеолитов остальных месторождений такой активностью практически не обладают. Стоит отметить, что ранее нами, в частности, было показана антимикробная активность частиц цеолитов Ванчинского месторождения с более крупной фазой измельчения (510 мкм) [2]. Можно сделать предварительный вывод, о том, что антимикробная активность цеолитов зависит от величины частиц и меняющихся при этом физико-химических свойств цеолитов. Еще один факт, заслуживающий внимания, это постепенное восстановление количества КОЕ Е.соН 25922 в случае применения наночастиц цеолитов Шивер-туйского месторождения. В отношении других месторождений достоверных изменений, при разной длительности культивирования, отмечено не было. Скорее всего, это происходит из-за элиминации бактерий на поверхность цеолита, вследствие которой падают его антимикробные свойства. Несомненно, что
данный вопрос требует дальнейшего изучения.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К.), гранта РФФИ 09-04-90781-моб_ст.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Богатиков, О.А. Неорганические наночастицы в природе // Вестник РАН. - 2003. - Т.73, № 5. - С. 426.
2. Голохваст, К. С. Изучение потенциальных фармакологических свойств цеолитов // Клиническая фармакология и терапия. - 2009. - №6. - С. 265-266.
3. Глушкова, В.А. Нанотехнологии и нанотоксико-логия - взгляд на проблему / А.В. Глушкова, А.С. Радилов, В.Р. Рембовский // Токсикологический вестник. - 2007. - №6. - С. 4-8.
4. Дурнев, А.Д. Токсикология наночастиц // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. -2008. - Т.145, №1. - С. 78-80.
5. Паничев, А.М. Литофагия в мире животных и человека / А.М. Паничев. - М.: Наука, 1990. - 224 с.
6. Трубецкой, К.Н. Техногенные минеральные наночастицы как проблема освоения недр / К.Н. Трубецкой, С.Д. Викторов, Ю.П. Галченко, В.Н. Одинцев // Вестник РАН. - 2006. - Т.76, №4. - С. 318-332.
7. Цыбенов, Ю.Ю. Функциональное состояние разных звеньев системы мононуклеарных фагоцитов в динамике 8Ю2-индуцированного грануле-матозного воспаления: Дисс... канд. мед. наук. Новосибирск, 2007. - 109 с.
8. Юшкин, Н.П. Минеральный мир и здоровье человека // Вестник отделения наук о Земле РАН, № 1(22)' 2004. - Тезисы доклада на общем собрании Отделения наук о Земле РАН 15.12.2003 г., г. М. URL: http: // www.scgis.ru/ russian/ cp1251/ h_dgggms/1-2004/scpub-1.pdf
9. Adili, A. Differential cytotoxicity exhibited by silica nanowires and nanoparticles / A. Adili, S. Crowe, M.F. Beaux et al. // Nanotoxicology. - 2008. - Vol. 2, №1. - P. 1-8.
10. Concepcion-Rosabal, B. Bactericidal action of Cuban natural clinoptilolite containing clusters and nanoparticles of silver / B. Concepcion-Rosabal, N. Bogdanchikova, I. De la Rosa et al. // Book of abstracts 7th International Conference on the Occurrence, Properties, and Utilization of Natural Zeolites «Zeolite'06»,16-21 July 2006, Socorro, New Mexico, USA. - Socorro, 2006. - P. 88-90.
11. Diamond, J.M. Evolutionary biology: Dirty eating for healthy living // Nature. - 1999. - Vol. 400. - P. 120-121.
12. Galeano, B. Inactivation of vegetative cells, but not spores, of Bacillus anthracis, B-cereus, and B-subtilis on stainless steel surfaces coated with an antimicrobial silver- and zinc-containing zeolite formulation. / B. Galeano, E. Korff, W.L. Nicholson // Applied and Environmental Microbiology. - 2003. -№69. - P. 4329-4231.
13. Hoet, P.M. Nanoparticles — known and unknown health risks / P.M. Hoet, I. Bruske-Hohlfeld, O.V. Salata // Journal of Nanobiotechnology. 2004. - №2. - P. 12.
14. Kagan, V.E. Nanomedicing and nanotoxicology: two sides of the same coin / V.E. Kagan, H. Bayir, A.A.
Shvedova // Nanomedicine: nanothecnology, biology and medicine. - 2005. - №1. - P. 313-316.
15. Kubota, M. Selective adsorption of bacterial cells onto zeolites / M. Kubota, T. Nakabayashi, Y. Ma-tsumoto et al. // Colloids and Surfaces B-Biointerfaces. - 2008. - №64. - P. 88-97.
16. Lambert, J.E. Primate digestion: interactions among anatomy, physiology, and feeding ecology // Evol. Anthropol. - 1998. - №7. - P. 8-20.
17. Mahaney, W.C. Soils consumed by chimpanzees of the Kanyawara community in the Kibale Forest, Uganda. / W.C. Mahaney, M.W. Milner, S. Aufreiter et al. // Int. J. Primatol. - 2005. - №26. - P. 13751398.
18. Milan, Z. The removal of bacteria by modified natural zeolites / Z. Milan, C. de Las Pozas, M. Cruz et al. // J. Environ. Sci. Health. - 2001. - Vol. 36, №6. - P. 1073-1087.
19. Oberdorster, G. Nanotoxicology: An emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles / G. Oberdorster, E. Oberdorster, J. Oberdorster // Environmental Health Perspectives. - 2005. - №7 (113). - P. 823-839.
20. Sahoo, S.K. The present and future of nanotechnol-ogy in human health care / S.K. Sahoo, S. Parveen, J.J. Panda // Nanomedicine: nanotechnology, biology and medicine. - 2007. - № 3. - P. 20-31.
TOXICOLOGICAL AND ANTIMICROBIAL PROPERTIES OF MINERAL NANOPARTICLES
© 2009 K.S. Golokhvast1,5, A.M. Panichev2, A.N. Gulkov1,7, P.A. Nikiforov3, I.G. Fedotova4, A.A. Anisimova5, I.E. Pamirskiy6, E.G. Avtomonov7
1 Institute of Gas and Oil Far East State Technical University 2 Pacific Institute of Geography FEB RAS 3 Institute of Mechanics, Automation and Advanced Technologies Far East State Technical University 4 Centre of Epidemiology and Hygiene in Primorsky region 5 Far East State University 6 Amur State Medical Academy 7JSC DVNIPI-neftegas
The article discusses ecotoxicological aspects of the interaction of mineral nanoparticles and microorganisms. Showing antimicrobial properties of nanoparticles (about 500 nm) of zeolite deposits of the Far East and Siberia of Russia to culture microorganisms.
Key words: nanoparticles, zeolite, antimicrobial action, nanotoxicology, ecotoxicology
Kirill Golokhvasr, 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 Alexander Gulkov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Director Pavel Nikiforov, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer at the Department of Metals Technology and Metallurgy Irina Fedotova, Chief of the Microbiology Laboratory Anna Anisimmova, Candidate of Biology, Associate Professor at the Department of Cell Biology
Igor Pamirskiy, Assistant at the Department of Biological Chemistry with Course of Bioorganic Chemistry Evgeniy Avtomonov, Trainee-researcher
