CC BY
10
нлты
ы КРАЖИ
i ,
wi/ган
Науковий bIch и к НЛТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270430
Article received 23.05.2017 р. Article accepted 24.05.2017 р. УДК 502:620.3:632.95.024
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
El Correspondence author M. V. Savchuk [email protected]
М. В. Савчук, М. Ф. Стародуб
Нацюнальний ушверситет бюресур^в i природокористування Украши, м. Кшв, Украша
ВИЗНАЧЕННЯ ЦИТОТОКСИЧНОСТ1 НОВОСИНТЕЗОВАНИХ НАНОКОМПОЗИТ1В НА
ОСНОВ1 САПОН1Т1В
Розглянуто питання цитотоксичносп новосинтезованих Nb-вмiсних нанокомпозитiв та наноматерiалу 8Ю2, який входить до Тхнього складу, оскiльки дослщження новостворених наноматерiалiв на цей час е дуже актуальним завданням. Методом просвiчувальноT електронноТ мiкроскопiT дослвджено, що Nb(V)-вмiснi нанокомпозити складаються з маленьких плас-тинчастих частинок у нанометровому розмiрi по ширинi i довжиш. Зразки нанокомпозиту Nb-Saponite (Е^ складаються з частинок розмiром менше 100 нм i вони е меншими вiд нанокомпозиту Nb-Saponite (С1). Ця рiзниця в розмiрах кристалiв може бути пов'язана з iншою процедурою, прийнятою для пiдготовки твердих речовин. Мжрофотографй, отриманi за ви-щих збшьшень, показали решiтку смуг базальних площин нанокомпозилв, Тх мiжшаровий проспр становив приблизно 1,3 нм. Встановлено, що новосинтезованi нанокомпозити не проявляють токсичностi, на вiдмiну вiд Тхнього складника - на-норозмiрного матерiалу SiO2. Результати дослiджень щодо цитотоксичного ефекту на клiтинах А. сера Ь. показали, що нано-розмiрний матерiал SiO2 призводить до зменшення мiтотичного iнIцексу та порушень структури хромосом, тодi як нанокомпозити не спричиняли токсичного ефекту. Встановлено, що за дй нанорозмiрного матерiалу SiO2 в дiапазонi концентрацiй 450-600 мг/л змiнювалась тривалiсть фаз мггозу, вiдзначено зростання профазного блоку, тодi як анафазнi i телофазнi блоки зменшились. Показано, що цитотоксичнiсть нанорозмiрного матерiалу спричинено його розмiрами, яш зумовлюють значну хiмiчну активнiсть i високу здатнiсть до проникнення наночастинок у рослинний органiзм.
Клю^ое^ слова: наноматерiал; нанотехнологiя; токсичнiсть; клiтини; мкроскошя.
Вступ. Нанотехнологiя е молодою галуззю науки, яка стр1мко ввiйшла в наше життя i дуже штенсивно розвиваеться. Защкавлешсть наноматерiалами у сшьсь-кому господарствi спричинена комплексом !х особли-вих властивостей (Yan, et al., 2012; Amelia, et al., 2012; Laurent, et al., 2008). На думку вчених, застосування на-номатерiалiв у рослинницвi дасть змогу покращити по-сiвнi якостi, бюметричш показники, врожайнiсть сiльськогосподарськиx культур (Taran, et al., 2011). Роз-роблення нових вид1в нанопрепаратiв е актуальним напрямком дослвджень. Проте специфiчнi фiзико-xiмiч-нi властивостi наноматерiалiв, порiвняно iз звичайними мiкрочастинками, можуть нести несподiванi ризики для екосистеми (Makarenko & Rudnitska, 2015). Отже, досль дження новостворених наноматерiалiв на цей час е дуже актуальним завданням.
Мета дослвдження - визначити цитотоксичшсть новосинтезованих нанокомпозипв та нанорозмiрного ма-терiалу SiO2.
Матерiали та методи дослщження. У роботi досль джували цитотоксичнiсть новосинтезованих Nb-вмк-них нанокомпозит1в на основi сапонiтiв: Saponite (H); Nb-Saponite (Cl) i Nb-Saponite (Et) та !х складово! части-ни - нанорозмiрного матерiалу SiO2. Новостворенi на-номатерiали було надано в рамках НАТО проекту № NUKR.SFP 984481 науково-дослщним iнститутом мо-лекуляних теxнологiй м. М1лану, Ггалш.
Для проведения просвiчувальноl електронно! мж-роскопи з високою розд1льною здатшстю (HR-TEM)
зразки нанокомпозит1в масою 0,1 г помщали у проб1р-ки 1з притертим шл1фом, в яких мктилося по 10 см3 96 %-го етилового спирту. Проб1рки закривали скляними кришками й штенсивно перемшували !х вмкт. Шсля цього проб1рки вносили в УЗ-диспергатор АОУИЕ 9050, емшсть якого попередньо наповнювали дистильованою водою. Здшснювали 3 цикли УЗ-оброб-лення на частот! 22 кГц упродовж 90 с. Пот1м отриману суспензто по однш краплиш наносили на атчасп шд-кладки у форм1 кола. За допомогою лампи розжарюван-ня висушували тдготовлеш зразки. Шсля цього !х по-мщали на тримач 1 вводили в камеру електронного мгк-роскопа ШОЬ 3010 (напруга 300 кВ) (Fedenko, 2014). Для вивчення цитотоксичносп нанокомпозипв на р1вш кл1тини використовували загальноприйняту методику АШыш-тест (Макагепко & Bondar, 2015; РгокЬогоуа, Кошагоуа & Fomycheva, 2003).
Результати дослiдження. Просв1чувальна елек-тронна мшроскошя дае змогу отримувати зображення новоствореного матер1алу з високим роздшенням, до 0,08 нм, таким чином цей метод е дуже важливим для вивчення детальшшо! структури 1 розм1р1в новосинтезованих матер1ал1в.
ЫЯ-ТЕМ мжрофотографп показують (рис. 1), що №^)-вм1сш нанокомпозити складаються з маленьких пластинчастих частинок у нанометровому розм1р1 по шириш 1 довжиш. Зразки №^АР(Е^ складаються з ок-ремих частинок розм1ром до 100 нм, вони е менш1 за розм1рами, шж Nb-SAP(C1) зразки. Ця р1зниця в розм1р1
Цитування за ДСТУ: Савчук М. В., Стародуб М. Ф. Визначення цитотоксичност новосинтезованих нанокомпозилв на 0CH0Bi
canoHiTiB. Науковий вкник НЛТУ Украши. 2017. Вип. 27(4). С. 137-139. Citation APA: Savchuk, M. V., & Starodub, M. F. (2017). Determination of the Cytotoxicity of New Nanocomposites Based on Saponite. Scientific Bulletin of UNFU, 27(4), 137-139. https://doi.org/10.15421/40270430
кристала може бути пов'язана з рiзною процедурою, прийнятою для пiдготовки твердих речовин (Makarenko & Bondar, 2015; Prokhorova, Komarova & Fomycheva, 2003).___
ЧШЯ^ШШШ .о ШНП
о4-
a 15
и
4
5
i ю
я
В" 5
н 5 о J н
0
17,2
17,4
лю. Отже, новостворенi нанокомпозити на основi сапо-нiтiв не пригшчують дшення клiтин A. cepa, на вщмшу вiд нанорозмiрного матерiалу SiO2. За результатами ек-спериментальних дослiджень встановлено, що за дп на-норозмiрного матерiалу SiO2 в дiапазонi концентрацш 450-600 мг/л змiнювалась тривалiсть фаз мггозу (рис. 3). 5? 90
£ 80
0
1 70
XI 60 d
5 50 -в"
>,40 в
я 30 § 20
а»1Дим ИРИаШм
Рис. 1. HR-TEM мтсрофотографи за низьких (а, б) та високих (а', б') збiльшеннях. Нанокомпозити Nb-SAP(Et) (а та а'), Nb-SAP(Cl) (б та б') вщповщно
Мкрофотографп, отриманi за вищих збшьшень (див. рис. 1; а', б') показали реш^ку смуг базальних площин нанокомпозитiв, 'х мiжшаровий простiр стано-вив приблизно 1,3 нм. Дослщивши морфологiчнi влас-тивостi нанокомпозитiв, вивчали цитотоксичнiсть нано-матерiалiв на клггинах A. cepa L. Цитотоксичний ефект наноматерiалiв оцiнювали за змiнами мтотичного ш-дексу, який вираховували у вщсотках. Результати дос-лiджень цитотоксичного ефекту на клiтинаx A. cepa L. свщчать про безпечнiсть використання нанокомпозитiв на основi сапонiтiв, оскшьки змiна мiтотичного iндексу вiдносно контролю не вщбувалася. На вiдмiну вщ нано-композитiв, застосування нанорозмiрного SiO2 спричи-нило зменшення мтотично! активност клiтин A. cepa (рис. 2).
20 П,8
Í 10 о
¿ о
Профаза Метафаза Анафаза Телофаза
и Контроль и Нанокомпозит Saponite(H)
и Нанокомпозит Nb-Saponite(Cl) а Нанокомпозит Nb-Saponite(Et) м Наноматер1ал Si02 150 мг/л и Наноматер1ал SiO, 300 мг/л ■ Наноматер1ал Si02 450 мг/л в Наноматер1ал SiO, 600 мг/л Рис. 3. Вплив наноматерiалiв на вщносну тривалiсть фаз мiтозу клттин A. cepa L. (n=4)
Згщно з даними рис. 3, за дп наноматерiалу SiO2 в концентрацп 600 мг/л вiдзначено зростання профазного блоку на 6,5 % порiвняно з контролем, тодi як анафазш i телофазнi блоки зменшились на 22,2 та 35,31 % вщпо-вщно. Такi данi свiдчать про порушення перебiгу мгго-зу в кл^инах A. cepa.
Попередньо представлен припущення щодо цито-токсичностi наноматерiалу в концентрацп 600 мг/л тд-твердилися пiд час анателофазного анатзу. За дп нано-матерiалу спостерпалося утворення велико'' кiлькостi клiтин з ядерними та хромосомними порушеннями (рис. 4). Цитотоксичнють наноматерiалу SiO2 можна по-ясиити прямим виливом НЧ на к.штинш структури.
т
ф
а)
Z
%
и Контроль и Нанокомпозит Saponite(H)
ы Нанокомпозит Nb-Saponite(Cl) а Нанокомпозит Nb-Saponite(Et) и Наноматер1ал SiO, 150 мг/л ы Наноматер1ал SiO, 300 мг/л и Наноматер1ал Si02 450 мг/л ы Наноматер1ал SiO, 600 мг/л Рис. 2. Вплив наноматерiалiв на значення мiтотичного iндексу залежно вщ концентрацiй (n=4)
Як видно з рис. 2, значення мтотичного шдексу за експозицп у концентрацп 600 мг/л нанокомпозипв на основi сапонтв, мiтотичний iндекс достовiрно не вщ-рiзнявся вiд контрольних показникiв. Однак нанороз-мiрний матерiал SiO2 спричиняв зменшення показникiв мiтотичниx iндексiв кттин тест-об'екта, застосовуючи наноматерiал в концентрацп 600 мг/л цей показник зменшився на 34,88 % порiвняно зi значенням контро-
б)
Рис. 4. Клгтинт аномалй' за ди нанорозмiрного SiO2 в концентрацй' 300 мг/л: а) утворення м^оядер внаслiдок порушення процесу розходження хромосом у мгтоз^ б) К-мгтоз у клiтинах аткально! меристеми Allium cepa (лiнiйка - 10 мкм, реакщя Фьольгена на ДНК)
Висновки. Результати дослвдження цитотоксичного Laurent, S. et al. (2008). Magnetic iron oxide nanoparticles: synthesis, ефекту на кштинах Allium cepa L. показали, що вико- stabilization, vectorization, physicochemical characterizations, and
biological applications. Chem. Rev.,108, 2064-2110. Makarenko, N. A. (Ed.), & Bondar, V. I. (2015). Biotestuvannia na-
ристання нанокомпозипв на основi сапонiTlв не спри-чиняло змiни мiтотичних iндексiв, порушеннь структу-
ри хромосом. Встановлено, що нанорозмiрний матерiал nopreparativ z vrakhuvfflniam osoblyvostei yikh vpbnrn na n^to-
vi obiekty pryrodnykh ekosystem: naukovo-metodychni rekomen-
Sl02, який входить до складу нанокомпозитiв, характе- datsii. Kyiv NuBiP Ukrainy, 26 p. [in Ukrainian].
рщуетъет високим р!Внем цитотоксичностi, вiн здатний Makarenko, N. A., & Rudnitska, L. V. (2015). Ekotoksykolohichna
змiнювати тривалiсть окремих фаз штгау та порушува- otsinka nanoahrokhimikativ za vplyvom na biotu gruntovoi ta vod-
ти нормальний подiл кшттин. Токсичнiсть нанорозмiр- noi ekosystem. Tavriiskyi naukovyi visnyk, 94, 133-138 p. [in
ного матерiaлу Si02 пояснюють його нанометровими Ukrainian].
розмiрaми (20 нм), вш, на вiдмiну ввд нaнокомпозитiв Prokhorova, M. Yu., Komarova, M. Yu., & Fomycheva, A. N. (2003).
здатний проникати до рослинного оргашзму, накопичу- Otsenka mytotoksycheskoho y mutahennoho deistvyia faktorov ok-
ватися i проявляти токсичний ефект. ruzhaiushchei sredi: Metodycheskye ukazanyia. Yaroslavl: Yarosl.
Перелж використаних джерел
hos. un-t., 32 p. [in Ukrainian]. Taran, N. Yu. et al. (2011). Vplyv neionnoho koloidnoho rozchynu
Amelia, M. et al. (2012). Electrochemical properties of CdSe and nanochastok biohennykh metaliv na vmist elementiv metaliv u
CdTe quantum dots. Chem. Soc. Rev, 41, 5728-5743. roslynnykh tkanynakh. Fizyka zhyvoho, 19(2), 9-11 p. [in
Fedenko, Yu. M. (2014). Nanokompozyty na osnovi tsyrkoniiu (IV) Ukrainian].
oksydu ta yikh vykorystannia dlia ochyshchennia vody. Candidate Yan, L. et al. (2012). Chemistry and physics of a single atomic layer:
dissertation for technical sciences (05.17.21 - Tekhnolohiia vodo- Strategies and challenges for functionalization of graphene and
ochyshchennia). Kyiv, 175 p. [in Ukrainian]. graphene-based materials. Chem. Soc. Rev., 41, 97-114.
М. В. Савчук, М. Ф. Стародуб
Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, г. Киев, Украина
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИТОТОКСИЧНОСТИ НОВОСИНТЕЗИРОВАННЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ САПОНИТОВ
Рассмотрены вопросы цитотоксичности новосинтезированных Nb-содержащих нанокомпозитов и наноматериала Si02, который входит в их состав, поскольку исследования наноматериалов в настоящее время является очень актуальной задачей. Методом просвечивающей электронной микроскопии исследовано, что Nb(V) содержащие нанокомпозиты состоят из маленьких пластинчатых частиц в нанометровом размере по ширине и длине. Образцы нанокомпозита Nb-Saponite (Et) состоят из частиц с размерами менее 100 нм и они являются меньше нанокомпозита Nb-Saponite (Cl). Эта разница в размерах кристаллов может быть связана с другой процедурой, принятой для подготовки твердых веществ. Микрофотографии, полученные при более высоких увеличениях, показали решетку полос базальных плоскостей нанокомпозитов, их межслойное пространство составляло примерно 1,3 нм. Установлено, что новосинтезированные нанокомпозиты не проявляют токсичности, в отличие от их составляющей - наноразмерного материала Si02. Результаты исследований цитотоксического эффекта на клетках A. cepa L. показали, что наноразмерный материал Si02 приводит к уменьшению митотического индекса и нарушений структуры хромосом, тогда как нанокомпозиты не совершали токсического эффекта. Установлено, что при действии наноразмерного материала Si02 в диапазоне концентраций 450-600 мг/л менялась продолжительность фаз митоза, отмечен рост профазного блока, тогда как анафазный и телофазный блоки уменьшились. Показано, что цитотоксичность нано-размерного материала вызвана его размерами, которые обусловливают значительную химическую активность и высокую способность к проникновению наночастиц в растительный организм.
Ключевые слова: наноматериал; нанотехнология; токсичность; клетки; микроскопия.
M. V. Savchuk, M. F. Starodub
National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
DETERMINATION OF THE CYTOTOXICITY OF NEW NANOCOMPOSITES BASED ON SAPONITE
Development of new nanomaterials is a relevant area of research. However, the specific physical and chemical properties of na-nomaterials compared to conventional microparticles can carry unexpected risks to the ecosystem. Therefore, the newly created research of nanomaterials currently is a very urgent task. The article deals with the cytotoxicity of new Nb-containing nanocomposites and nanomaterials Si02, which is included in their composition. HR-TEM micrographs show that all Nb (V) containing nanocompo-sites consist of relatively small, sheet-like particles at nanometer scale. Nanocomposites Nb-Saponite (Et) samples are composed of particles with size is below 100 nm, smaller than the Nb-Saponite (Cl) sample. This difference in a crystal size could be related to different procedure adopted to prepare the solids. Photomicrographs obtained at higher magnification showed basal plane lattice strips of nanocomposites, their interlayer space was about 1.3 nm. The study has found that new nanocomposites show no toxicity, unlike their part - nanosized materials Si02. The results of studies on the cytotoxic effect on cells of A. cepa L. have shown that na-nosized materials Si02 leads to a decrease in mitotic index and chromosomal disorders structures, while not causing nanocomposites toxic effect. The research has also revealed that the action of nanosized materials Si02 concentrations in the range of 450-600 mg/l changed the duration of mitosis phase, growth of prophase unit was observed while ana-phase and telophase units decreased. Thus, we should conclude that the cytotoxicity of nanosized materials due to their size, which cause significant chemical activity and high capacity for penetration of nanoparticles into plant organisms.
Keywords: nanomaterials; nanotechnology; toxicity; cells; microscopy.
1нформащя про aBTopiB:
Савчук Марина BiKTopiBHa, мол. наук. ствробтик, Нацюнальний ушверситет бюресурав i природокористування УкраТни,
м. КиТв, УкраТна. Email: [email protected] Стародуб Микола Федорович, д-р бюл. наук, професор, Нацюнальний ушверситет бюресурав i природокористування УкраТни, м. КиТв, УкраТна. Email: [email protected]
