Мониторинг воздействия наноматериалов на окружающую среду и здоровье человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Мониторинг воздействия наноматериалов на окружающую среду и здоровье человека»

Содержание

Введение

1. Исследование токсичности наночастиц по зарубежным источникам

1.1 Резюме

1.2 Предисловие

1.2.1 Введение

1.2.2 Физические и химические свойства наночастиц

1.2.3 Наночастицы представляют потенциальную угрозу бактериям

1.2.4 Наночастицы разрушают целостность клеточной мембраны

1.2.5 Наночастицы вызывают окислительную токсичность, производя реактивные кислородные виды

1.2.6 Понятие текущей токсичности нано-размерных частиц бактериям

1.2.7 Испытания наночастиц на токсичность, используя бактерии как модели

1.2.8 Итоговые и будущие перспективы

2. Исследование токсичности наноматериалов в России

2.1 Биологические последствия контакта гидробионтов с нано- и микрочастицами

2.1.1 Проблемы экотоксикологиинано частиц для рыб

2.1.2 Использование флуоресценции хлорофилла для оценки токсического действия наноматериалов на природный фитопланктон

2.1.3 Влияние наночастиц металлов на выживаемость и плодовитость ceriodaphniaaffinis

Заключение

Список литературы

Введение

Переход к наноразмерному состоянию органических и неорганических материалов является важнейшей чертой современного этапа развития науки и техники. Нанотехнологии -- базовый приоритет для всех существующих отраслей, в частности, для мониторинга среды обитания и медицины.

Активное развитие производства и использования наноматериалов приводит к загрязнению ими окружающей среды, их проникновению в живые организмы и, в конечном итоге, влиянию на здоровье человека. Наночастицы способны проходить сквозь обычные защитные барьеры организма: желудочный, плацентарный, гемато-энцефалический. Эволюция просто не создала механизмов защиты от веществ со свойствами, почти не встречающимися в обычной среде обитания. Хотя наноматериалы и нанотехнологии используются уже более 10 лет, однако ни один их вид, ни в одной из стран мира не был изучен в объёме, достаточном для объективной оценки рисков для здоровья, связанных с наноматериалами, и регламентации допустимого содержания наночастиц в компонентах окружающей среды.

Одними из первых объектов с уникальными свойствами, которые известны с давних времен, являются металлические наночастицы и образуемые ими нанокластеры.

Среди всех металлических наноматериалов следует выделить наночастицы золота и серебра.

Коллоидное золото известно еще с древности и использовалось в лечебных целях. Теоретические предпосылки и имеющиеся в литературе ограниченные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии как количественных, так и качественных особенностей вредного действия наночастиц на организм по сравнению с хорошо изученными порошками и производственными пылями, в которых основная масса вещества приходится на микрочастицы. Очень большая удельная поверхность наноматериалов и её особые свойства обусловливают усиление тех первичных механизмов токсичности, которые связаны с процессами растворения вещества, сорбции биомакро молекул, взаимодействия с мембранами. Размеры наночастиц существенно изменяют кинетику распределения вещества в организме, делая возможным биологически значимое накопление его в таких клетках-мишенях и субклеточных структурах, которые для микрочастиц того же вещества практически недоступны. Поэтому вполне возможно, что даже практически нерастворимые и малотоксичные вещества, не создававшие серьёзных гигиенических проблем, в нано состоянии окажутся существенным фактором риска для здоровья.

Рассмотрим проблему мониторинга воздействия наноматериалов на окружающую среду и здоровье человека на примере статьи«ToxicityofMetallicNanoparticlesinMicroorganisms».

1. Исследование токсичности наночастиц по зарубежным источникам

1.1 Резюме

химическое свойство наночастица токсичность наноматериал

Недавние открытия в синтезе и разработке наночастиц (NPs) для широкого применения, приводят к серьезной угрозе, как здоровью человека, так и окружающей среде. NPs являются высоко реактивными и каталитическими в природе по сравнению с их ионами и таким образом применяются в различных областях, включая доставку лекарственных средств, электронику, оптику, и терапию. Из-за этого, в промышленном отношении производятся много вариантов NPs в большом количестве. Эти NPs выделяются в окружающую среду и таким образом обеспечивают попадание в пищевую цепь через микроорганизмы, и в конечном счете нарушают экологический баланс. NPs токсичны к живым организмам, главным образом, из-за их небольшого размера (> 100 нм), большого отношения поверхности к объему и высоко реактивных аспектов. Микроорганизмы, включая бактерии, существующие в естественной экосистеме, являются основными целями для NPs. Прежде, чем эти NPs вступают в пищевую цепь, необходимо оценить токсичность, связанную с NPs в микроорганизмах. Самый удобный и быстрый путь - выполнить анализ токсичности, используя микроорганизмы, такие как бактерии. Токсичность наноматериалов, использующихся микроорганизмами, таких как E.coli, Pseudomonas, Bacillus, как модели для прокариотов, выдает ядовитые воздействия NPs. Токсичность, связанная с NPs в микроорганизмах, главным образом, связана с их нано-размером, который вызывает мембранную дезорганизацию, развитие реактивных кислородных разновидностей (ПЗУ) и в некоторых случаях, окислительное повреждение ДНК. В этой обзорной статье мы описали токсичность различных наночастиц для бактерий, оценили нанотоксичность и обсудили текущий статус воздействия токсичности на микроорганизмы.

1.2 Предисловие

1.2.1 Введение

Металлические наночастицы-самые важные катализаторы, чем меньше металлические частицы (<100 нм), тем больше фракция металлических атомов, которые выставлены в поверхностях, где они доступны для молекулы и для катализа. Из-за этого у наночастиц имеются необычные физические и химические свойства, которые существенно отличаются от тех обычных материалов, того же самого состава. Уникальные особенности металлических наночастиц (NPs) привлекли большое внимание для их многообещающего применения в оптическом, электрическом, механическом, химическом и медицинском использовании. Однако, в настоящее время не ясно, причиняют ли эти наночастицы вред здоровью человека и окружающей среде. Поэтому, эксплуатация полного потенциала нанотехнологий требует пристального внимания к токсичности наночастиц для живых клеток.

В настоящее время, наноматериалы, которые, как известно, являются ядовитыми, можно классифицировать на четыре типа: (1) наноматериалы, базирующиеся на углероде, которые главным образом сделаны из углерода в форме полых сфер, эллипсоидов (fullerenes), или труб (nanotubes). Они, как известно, накапливаются в живых клетках. Это причины легочной токсичности.(Lametal. 2004; Magrezetal. 2006; Porteretal. 2006; Weietal. 2007); (2) наноматериалы, базирующиеся на металлах, включая квантовые точки, различных металлических NPs, такиекакAu, Ag, Pt, иFePtNPs (Lengkeидр. 2006; Maenosonoидр. 2007; Moronesидр. 2005), и металлических окисей, такихкакTiO2, ZnO2, Fe3O4, Al2O3, CrO3, иSiO2.У них есть отрицательные воздействия, главным образом, вызывающие окислительное напряжение, апоптоз, воспаление эндотелиальных клеток, и экотоксичность ((Bormetal. 2006; Gojovaetal. 2007; Heinlaanetal. 2008; JengandSwanson 2006); (3) наноматериалы, основанные на металло-древесном полимере, составлены из металлов, размером с наночастицы, совместно с органическими полимерами, используемыми в молекулярной электронике и катализе. Например, растворимое в воде звездообразное органика-железо. Окислительно-восстановительные катализаторы используются для нитрата и нитрита, катодного восстановления в воде, и электронного резервуара, служащего молекулярными батареями и примером C60(Astruc и др. 2003; Caminade и Majoral 2004; Partha и др. 2007). Наконец, (4) металлические соединения NPs, которые комбинируются из двух различных NPs, формируют материалы, такие как Fe-PtNPs. Соединения наноматериалов, такие как глина, размером с нано частицу, используются, чтобы увеличить механический, тепловой, барьер, огнезащитный состав. (Subramanian и др. 2003). Такой сложный металл NPs (Fe-Pt) вызывает мутагенность у бактерий (Maenosono и др. 2007). И металло-древесные полимеры и металлические соединения NP представляют токсичность, которая связана с металлическим NPs, как отмечено в двух вышеупомянутых случаях (1 и 2).

Такие наноматериалы, как фуллерены (C6О)и углеродные нанотрубки имеют много интересных и уникальных свойств, полезных во многих биологических и биомедицинских системах и устройствах, и наконец, входят в окружающую среду (Seetharam и Sridhar 2007). Нерастворимые углеродные нанотрубки в водной фазе имеют плавучесть и поэтому плавают сверху водного слоя и принимаются за еду и глотаются водными организмами. Были попытки изменить углеродные нано трубки для улучшенного био применения специально для водной растворимости и био совместимости углеродных нанотрубок. В результате для различных методов водной дисперсии и растворении углеродных нанотрубок, таких как модификация biofunctionalization, functionalization с гидрофильньми полимерами, и нековалентной стабилизацией сообщили (ReviewedbyLinetal. 2004). Наночастицы, базирующиеся на углероде, включая фуллерены (C60), и одностенный углерод nanotubes (SWCNT) были поглощены водными организмами и вызвали изменения в биохимии или экспрессии генов.(Oberdorster 2004; Zhuetal. 2006).

Несмотря на обширное использование этих наноматериалов человеком, есть большая вероятность, что NPs затрагивают здоровье человека и экомедицину. Исследования показали, что NPs приводят к увеличению бионакопления и токсичности. В настоящее время не хватает информации о размерах, формах, составах, зависимых от скопления взаимодействий наноструктур с биологическими системами (FischerandChan 2007). Обнако, при исследовании токсикологического воздействия прямого и косвенного применения наноматериалов на окружающую среду, не выявлено ясных руководящих принципов, чтобы определить количество этих эффектов (Colvin 2003). Следовательно, появилась область нанотехнологии, названная нанотоксичностью. (Oberdorster и др. 2005b, 2007). Появился интерес к нано технологическому исследованию, потому что обработка нано структур в биологических системах могла привести к непредсказуемым эффектам из-за их отличительных свойств по сравнению с их ионами или объемными аналогами (FischerandChan 2007).

Потенциальная опасность произведенного NPs, их выпуска в водную среду и их вредных эффектов остается в значительной степени неизвестной (Moore 2006). Существующие отчеты о наночастицах показывают, что могут спрягаться с биологическими молекулами в естественной водной окружающей среде, заставляющей их получать разрешимые свойства, у которых может быть отрицательное воздействие на бактерии и другие водные организмы. Взаимодействие углеродных нанотрубок или фуллеренов с биологическими системами хорошо зарегистрировано, особенно с биологическими макромолекулами, такими как ДНК, РНК, белки так же как lysophospho-липиды (рассмотренный в Ke и Qiao 2007). Первые доказательства прямого контакта с очищенными совокупностями SWNT убедили, что имеет место повреждение бактериальной клеточной мембраны и таким образом вызван некроз клеток, указывающий на сильную антибактериальную деятельность SWNTs (Kang и др. 2007). Точно так же E. coli подвергается серьезному мембранному повреждению и последующей потере жизнеспособности из-за SWNTs. Однако, очень небольшая информация в настоящее время доступна относительно цитостатических механизмов SWNTs (Канг и др. 2007). Исследования токсичности углеродных нанотрубок и использование Staphylococcusaureus и Staphylococcuswarneri показали антибактериальную деятельность и запретили их формирование. Предполагается, что SWNTs вызывают существенные морфологические изменения, которые включали удлинение и подобные изменения, которые показаны в бактериальных клетках при чрезвычайных условиях, таких как это под высокой температурой (Rasanen и др. 2001), давление (Ritz и др. 2001), и изменения в отношении поверхности к объему и подвергании химического вещества (Veeranagouda и др. 2006). Недавно, Ghafari и др. сообщил, что SWNTs усвоены простейшим животным T. thermophilia и приобретали неспособность глотать и переварить их виды бактерий добычи, позволяющие nanotubes, чтобы продвинуть пищевую цепь (Ghafari и др. 2008). Это предполагает, что присутствие углероданых нанотрубок как загрязнителей в водной среде может иметь вредные эффекты, которые в конечном счете приводят к экологической неустойчивости.

Таким образом тестирование токсичности NPs должно быть выполнено экологически соответствующем способом, чтобы избежать введения в заблуждение о токсичности NPs (Oberdorster и др. 2006). Эффект наночастиц на микроорганизмах более обширен и разнообразен чем для растений, беспозвоночных и позвоночных животных (Oberdorster и др. 2007). Наночастицы включая TiO₂и серебро использовались в качестве антибактериальных веществ независимо от размера частицы, но эта деятельность увеличена, когда поставлено в форме наночастиц. Один материал, который не является неотъемлемо антибактериальным, является углеродом, однако C60фуллурене, как недавно выяснили, затормозили рост Escherichiacoli и Bacillussubtilis(Fortner и др. 2005). Однако, недостаточно доказано предположение, что все наночастицы имели антибактериальные эффекты, или фактически все наночастицы ядовиты к любому организму, выставленному в окружающей среде. Воздействие наночастиц относительно токсичности на микроорганизмах находится все еще на его стадии младенчества. Одноклеточные микроорганизмы, такие как бактерии и дрожжи могут служить образцовыми организмами, чтобы изучить токсикологию NPs. Перед токсичностью любого наноматериала, который будет проверен на живых организмах, обязательно нужно понять физико-химические свойства данного наноматериала.

1.2.2 Физические и химические свойства наночастиц

Наночастицы показывают уникальные физические и химические свойства по сравнению с тем же самым материалом без наноразмерных особенностей. Это, главным образом, из-за следующих причин; (a) их размер в наноразмерном измерении 100 нм или меньше с одним или более измерениями, поверхностными особенностями и морфологией их фундамента, (b) их свойства отличаются значительно от таковых из большего размера в результате манипуляции в атомном, молекулярном и

у макромолекулярных весов, (c) несколько наночастиц есть наноструктура на наноразмерных уровнях. У Наноматериалы- есть сложная взаимосвязь между структурой и составом материалов. Таким образом, они приобретают новые свойства, полученные из атомного и молекулярного происхождения сложным способом наряду с особенностями его оптового коллеги по рождению.

Наноматериалы существуют в различных формах и структурах, таких как сферы, игла, трубы, пластины, листы и т.д. Размер и форма наноматериалы способствуют началу цитотоксичности, например, единственная стена nanotubes более ядовиты чем мультистема nanotubes (Jia и др. 2005). Понимание важных физико-химических свойств наночастиц для характеристики токсичности наночастиц к биологическим системам включает (a) распределение размера, (b) природа скопления/скопления, (c) форма, (d) структура наноматериала, (e) площадь поверхности, (f) поверхностная химия, (h) поверхностное обвинение, и (i) пористость (Oberdorster и др. 2005a). Различные физико-химические методы использовались, чтобы характеризовать наноматериалы, включая Передачу и/или Просмотр Электронной Микроскопии (TEM или SEM), Дифракция рентгена (XRD), Динамическое Рассеяние света (DLS), потенциальная, Изотермическая адсорбция, и Спектроскопические методы (ультрафиолетовый, IR, NMR) (Oberdorster и др. 2005a).

При окружающих условиях некоторые наночасицы формируют совокупности или скопления. Наночастицы также склонны соединяться, соединяясь и смещение та большая часть формы компоненты. Наночастицы, временно отстраненные в газе, склонны придерживаться друг друга более быстро, чем в жидкостях. Основная свободная наночастица может сформировать собранные основные частицы (скопления) взаимодействием межчастицы, которое формирует коллекцию частиц, которые приложены вместе и слабыми и сильными взаимодействиями, включая Ван-дер-Ваальса, электростатические силы и синтерированные связи (Oberdorster и др. 2005a). Частица - взаимодействием частицы на наноразмерном уровне управляют слабые силы Ван-дер-Ваальса, более сильные полярные и электростатические или ковалентные взаимодействия.. Притягивающие или отталкивающие силы наночастиц кардинально определяют судьбу отдельных и коллективных наночастиц. Это взаимодействие между наночастицами и/или скопления, который очень влияет на их физическую и химическую природу.

Большинство наночастиц, принадлежащее этой категории, изменено химически или спроектировано поверхностью, чтобы избежать скопления. Наночастицы в присутствии химических веществ (поверхностно-активные вещества), поверхностные и граничные свойства могут быть способами - сбежал, и такие агенты могут стабилизироваться против коагуляции (скопление), сохраняя обвинение на наночастицах. Свойства наночастиц могут быть значительно изменены поверхностной модификацией и распределением наночастиц, который, главным образом, зависит от поверхностных особенностей. Разработка наночастиц поверхностной модификацией, дополнением или модификацией поверхностных функциональных групп и химического состава, чтобы поддержать особенности наночастиц, которые часто устойчивы и предотвращают скопление или скопление (рассмотренный в Oberdorster и др. 2005a, 2007). Поведение наночастиц будет зависеть от их растворимости и восприимчивости к деградации что ни химический размер состава, ни частицы не должен остаться постоянным в течение долгого времени. Это делает все более и более трудным изучить и понять цитотоксичность любого наночастиц на биологических системах. Поэтому, текущий обзор обеспечит некоторые основные моменты, и заключения, основанные на существующей информации о токсикологических исследованиях измеряли частицы, определенные механизмы, лежащие в основе эффектов NP, особенно сосредотачивающихся на микроорганизмах с особым вниманием к металлическим наночастицам как модели.

1.2.3 Наночастицы представляют потенциальную угрозу бактериям

Большинство проблем токсичности, которое до сих пор обращалось, связано с клетками человека или здоровьем человека. Однако, важно проверить воздействие NPs на других живых организмах, которые существуют в окружающей среде включая прокариотов, таких как бактерии, и другие одноклеточные микроорганизмы. Эти одноклеточные микроорганизмы могут также служить образцовыми организмами для анализа NP-токсичности. Является самым интересным, что бактерии более чувствительны чем человеческий фибробласт (Brunner и др. 2006; Limbach и др. 2005). Микроорганизмы - основные цели для того, чтобы быть выставленный человеку сделал NPs после того, как они освобождены от обязательств в окружающую среду. В результате микробные взаимодействия и сообразительность NPs привели бы к входу постоянного NPs в пищевую цепь, которая в конечном счете нарушает экологический баланс. Вход выгоды NPs в живые клетки через различный означает включение физического разрыва клеточной мембраны или стены, и вызывает клеточную токсичность на различных уровнях. Исследования подтвердили, что металлический NPs может пройти или остаться приложенным к клеточной мембране (Borm и Kreyling 2004; Kashiwada 2006). Много исследований исследовали сообразительность и эффекты NPs на клеточном уровне, чтобы оценить их воздействие на людей. Это не может экстраполироваться к другим видам, таким как одноклеточные микроорганизмы (бактерии или дрожжи) основанный на заключениях этих исследований, но больше исследования необходимо, чтобы подтвердить это предположение. Поэтому, есть потребность оценить ядовитые воздействия различных типов NPs не только на человеческих или более высоких организмах, но также и на микроорганизмах. Это важно для занимающегося расследованиями эффекта NPs на бактериях из-за потенциального воздействия на микроорганизмы, которые служат основанием пищевой цепи и как основные агенты для биогеохимических циклов.

NPs показывают различную токсичность, который зависит от этих двух основных факторов: (1) природа NPs, такого как размер, морфология, и химическая природа; (2) взаимодействие с различными микробными видами и основными потенциальными механизмами, которые должны быть исследованы, которые включают повреждение клеточной стенки и роль NPs в разрушении мембранной целостности, окислительного напряжения через реактивные кислородные разновидности (ПЗУ) формирование, органические радикалы произвели в отсутствие света, и возможных показанных связей генотоксичности. Исследование диапазона наночастиц, их размера, эффективных концентраций, и потенциального механизма, в настоящее время доступных для Отрицательных грамм-бактерий и Положительных грамм- бактерий, получено в итоге в Таблицах 1 и 2.

1.2.4 Наночастицы разрушают целостность клеточной мембраны

Наночастицы взаимодействуют с бактериальной клеточной мембранной адсорбцией или электростатическими взаимодействиями (Thilletal. 2006). Большая толщина во внешних мембранах некоторых бактерий, таких как E. coli, конечно, играет решающую роль в очень высоком уровне адсорбции, которая наблюдается как уже подозревающийся исследователями (Chatellieretal. и др. 2001). Никакое явное доказательство прохода NPsв клетках не может быть получено методами, такими как микроскопия электрона передачи (TEM). Это возможно из-за сильного электростатического взаимодействия между NPs и мембраной, которая могла бы заблокировать их в поверхности очень долго. Однако, было найдено, что NPs, как находят, главным образом, расположены на поверхности бактерий, используя адсорбционные изотермы и изображения TEM (Morones и др. 2005; Оглобля и др. 2006). Далее, эта адсорбция на поверхность связана с окислительным напряжением для бактерий.

Взаимодействие наночастиц с клеточной мембраной, как находили, отличалось в положительном Грамме и Грамме отрицательные бактерии из-за их отличных мембранных составов. Подвергание nC60с (Отрицательным граммом) Pseudomonasputida и Bacillussubtilis (Положительный грамму) результат в изменении мембранного состава липида, температуры перехода фазы, и мембранной текучести (Клык и др. 2007). Подозревается, что липид является важным механизмом токсичности у бактерий, так как бактериальные липиды являются главным образом мононе предельными и таким образом нереактивными к липиду реакция (Bile и др. 1983; Imlay 2003). Однако, бактерии также склонны приспосабливаться физиологически, изменяя мембранные составы жирной кислоты, чтобы справиться с ущербом, нанесенным наночастицами. Было найдено, что грамма положительные бактерии, выставленные nC60наночастиц, увеличили уровни международной организации по стандартизации - и anteiso-мембранные жирные кислоты на 5-32 %. Принимая во внимание, что, грамм отрицательные бактерии уменьшили уровни ненасыщенных жирных кислот и увеличили cyclopropane пропорции жирных кислот (Клык и др. 2007). Отличный ответ различными бактериями объясняет отличительные ответы, связанные с целостностью клеточной мембраны относительно токсичности nC6o. Однако, нужно отметить, что наночастицы также существуют во множестве различного размера, морфологии, химическая природа, которые также способствуют различным способам вызвать повреждение клеточной мембраны. До сих пор ни о каких подробных механизмах адаптации к ущербу, нанесенному NPs, не сообщили за исключением C60(Fangetal. 2007). Только физическое разрушение клеточной мембраны с диапазоном металлической и металлической окиси наночастиц очевидно из литературы. Недавно серебро иждивенца размера наночастицы, как находили, было расположено в клеточной мембране в результате прямого взаимодействия, приводящего к противобактерицидным эффектам (Morones и др. 2005; Paletal. 2007).

Меньшие частицы с большей поверхностью к отношению объема обеспечивают больше действенных средств для антибактериальной деятельности (Пекарь и др. 2005). E. coli клетки, выставленные ZnONPs, показал увеличение мембранной проходимости, приводящей к накоплению ZnONPs в бактериальной мембране и также клеточной интернализации этих NPs (Brayner и др. 2006). Существенная потеря целостности жизнеспособности/мембраны клетки (~30 %) также наблюдалась у E. coli после обращения с ZnONPs (Reddy и др. 2007). Диапазон металлического окисного NPs включая ZnO, SiO2, TiO2, и MgO показал, чтобы вызвать мембранную дезорганизацию, увеличил мембранную проходимость в результате перфорации, и наконец, приведения к некрозу клеток (Адамс и др. 2006a; Brayner и др. 2006; Reddy и др. 2007; Tsuang и др. 2008). Большое количество CeO2 NPs измерение 7 нм размером, как показывали, было адсорбировано на E. coli внешняя мембрана и подвергаются сокращению, приносящему существенную бактериальную цитотоксичность. Токсичный эффект CeO2 NPs навлечен косвенно с E. coli через адсорбцию, сопровождаемую воспроизводством кислорода .Металлические наночастицы, такой как наносеребро (AgNPs), NPsFePt и C60, который, как также находят, вызвал мембранное разрушение у грамм положительных и у грамм отрицательные бактерий (DeWindtetal. 2006;. 2006; Gogoi и др. 2006; Maenosono и др. 2007; Morones и др. 2005; Ruparelia и др. 2007; Sondi и Salopek-Sondi 2004).

Недавно, исследования показали, что серебро наночастиц вызванная токсичность через белок/мембрану и окислительное повреждение, но не приводят к повреждению ДНК. Однако, золото наночастиц не наносит ущерба E. coli (Хуань и др. 2008). Кроме того, эти результаты и та из других групп, серебро наночастиц, кажется, разрушает клеточную мембрану, которая приводит к синергистическому эффекту токсичности к клеткам (Lok и др. 2006; Sondi и Salopek-Sondi 2004).

1.2.5 Наночастицы вызывают окислительную токсичность, производя реактивные кислородные виды

Механизм, которым NPs вызывают токсичность, как думают, через окислительное напряжение, которое повреждает липиды, углеводы, белки и ДНК. Липид рассмотренный самым вредным, который приводит к изменениям в свойствах клеточной мембраны, которые в свою очередь разрушают жизненные клеточные функции (Rikans и Hornbrook 1997; Сыворотки и др. 1996). Производство ПЗУ, как находили, было с NPs столь же разнообразным, как C60, фуллерены, единственный обносил стеной нанотрубки (SWNTs), квантовые точки, и сверхтонкие частицы (UFPs). Эти наноматериалы показали, чтобы произвести ПЗУ особенно при сопутствующем подвергании легкому, ультрафиолетовому, или металлы перехода (Браун и др. 2001; Derfus и др. 2004; Клык и др. 2007; Joo и др. 2004; Литий и др. 2003; Лютеций и др. 2004; Oberdorster и др. 2005b; Yamakoshi и др. 2003).

Антибактериальная деятельность металлической окиси наночастиц связана с вызванным окислительным напряжением света. Например, TiO2 и SiO2 были ядовиты и к E. coli и к B. subtilisи при легких и темных условиях, и запрещение роста клеток казалось выше в присутствии света (Адамс и др. 2006a, b).

Окислительные механизмы напряжения, приводящие к мембранному повреждению и антибактериальным свойствам, были продемонстрированы для ZnO в E. coli (Занг и др. 2007). Потенциальные механизмы окислительного напряжения через формирование ПЗУ, органические радикалы произвели в отсутствие света, и роль другого наноматериала в разрушении мембранной целостности была исследована, используя фуллерены на Pseudomonasputida, TiO₂ в Psuedomonasaeruginosa (Tsuang и др. 2008). Металлический окисленный NPs, такой как SiO2, TiO2, ZnO, зависящий от света для того, чтобы побудить поколение ПЗУ в Bacillussubtilis и E. coli, которые в конечном счете приводят к окислительной токсичности, мембранной дезорганизации, и антибактериальным действиям (Адамс и др. 2006a, b; Brayner и др. 2006; Марихуана и др. 2006; Reddy и др. 2007; Tsuang и др. 2008). Антибактериальные свойства серебра долго известны за десятилетия. Однако, механизм противобактерицидных действий серебра хорошо все еще не понят. Действие серебра наночастиц, как думают, широко подобно тому из серебряного иона (Приятель и др. 2007). Считают, что бактериальная клетка, выставленная серебру наночастицы, берет в серебряных ионах, которые запрещают дыхательный фермент(ы), облегчая поколение реактивных кислородных разновидностей и следовательно повреждают клетку.

Металлические окиси являются очень реактивными к свету, потому что окиси металла макрочастицы, такие как MnO, WO₃, SrTiO3, Fe2O3, ZnS, ZnO и TiO₂ поглощают достаточную легкую/ультрафиолетовую энергию и приводят к формированию пар электронного отверстия посредством процесса электронного возбуждения между валентностью и группой проводимости (Beydoun и др. 1999.Фотопроизведенные электроны и отверстия подвергаются реакции с растворенным молекулярным кислородом, поверхностными гидроксильными группами, и адсорбированными молекулами воды, чтобы сформировать гидроксил (* О) и суперокись (радикалы O₂, как показано в уравнениях (1), (2), (3), и (4):

hvhvb + + ecb-(1)

hvb+ + ecb- >ZnO + hv (или высокая температура)(2)

O2 + e-> O₂^-(3)

H2O + h+ > *OH + H+(4)

где, hvb+ отверстие валентной зоны, и ecb- является электроном группы проведения. Предложено, чтобы этот тип реакций произошел, когда металлические окисные NPs приходят в соприкосновение с бактериями и выставленный источнику света. Исследования в последние годы света вызвали окислительную токсичность NPs, таким как C60 или фуллерены, TiO2, SiO2, ZnO, и MgO у бактерий появились, и токсичность, как думают, связана с поколением ПЗУ(Адамс и др. 2006a; Brayner и др. 2006; Марихуана и др. 2006; Tsuang и др. 2008). Недавние исследования показали, что соединение, освещенное Fe₃O₄, TiO₂ наночастицы, вызывает фото убийство в бактериальных видов, таких как Streptococcuspyogenes, Streptococcussaprophyticus, и Стафилококк aureus, (Чен и др. 2008). Например, индукция окислительного напряжения поколением ПЗУ фуллерены подверганием Pseudomonasputida и Bacillussubtilis после изменений в мембранном составе как защитный механизм (Клык и др. 2007). E. coli, выставленный C60, как показывали, уменьшил производство CO2, мембранное повреждение, и цитотоксичность связана с окислительной токсичностью (Fortner и др. 2005; Лион и др. 2005; Tangetal и др. 2007). C60окислительная токсичность у других бактерий, таких как Salmonella, Shewanella также показала, вызывая кислород и окислительное повреждение ДНК связанная мутагенность (Seraetal. 1996; Tangetal. 2007). Взаимодействие NPs, вероятно, будет уникально для Положительного грамму и - отрицательные бактерии, у которых может быть различный потенциал, чтобы вызвать связи токсичности из-за отличающихся составов в их клеточных мембранах.

ПЗУ и другие радикалы вовлечены во множество биологических явлений, таких как мутация, и карсинoгенезис (Kohen и Nyska 2002). Не полностью удивительно, что поколение ПЗУ NPs может также привести к окислительному повреждению ДНК или мутагенности. FePt и фуллерен C60наночастицы были мутагенными бактериям принадлежность Salmonella (Maenosono и др. 2007; Sera и др. 1996). Мутагенность C60 NPs, как думают, происходит из-за косвенного действия кислорода и липида, который наносит окислительный ущерб ДНК (Sera и др. 1996). Серебро наночастиц взаимодействует с клеточной мембраной и серой - и фосфористый содержащий составы, такие как ДНК и вызывает повреждение ДНК в V. cholera и S. typhus. (Morones и др. 2005). Хотя ни о каком явном доказательстве не сообщили относительно механизмов токсичности серебра наночастиц, производя ПЗУ у бактерий. Поколение ПЗУ через молекулярное кислородное производство было замечено косвенно между бактериями (E. coli) и фотокаталитический TiO2 наночастиц (Адамс и др. 2006b; Ренджифо-Херрера и др. 2007). Вынужденное ПЗУ света, кажется, распространено в металлической окиси наночастиц, таковы как TiO2, SiO2, и ZnO добился цитотоксичность, и таким образом эти NPs, как известно, обладают эффективными противобактерицидными эффектами (Adams и др. 2006a; Brayner и др. 2006; Марихуана и др. 2006; Reddy и др. 2007; Tsuang и др. 2008). Предыдущее исследование продемонстрировало, что металлическое серебро наночастиц привело к производству серебряных ионов и, впоследствии, супер - окисные радикалы. Это повреждение связано с размером частиц, потому что большие серебряные частицы, то есть, микро - измеренные частицы не показали токсичности E. coli (Hwangetal 2008).

1.2.6 Понятие текущей токсичности нано-размерных частиц бактериям

Немного микроорганизмов растут в присутствии высоких концентраций, которые могли бы следовать из определенных механизмов сопротивления. Такие механизмы включают системы утечки, изменение растворимости и токсичности изменениями в состоянии окисления-восстановления металлических ионов, внеклеточного комплекса образования или осаждения металлов, нехватки определенных металлических транспортных систем, и изменений в мембранном составе (Beveridgeetal. 1997; Fangetal. 2007; Silver 1996). Недавно, Fangetal продемонстрировал, что грамм-положительные и грамм-отрицательные бактерии- есть отдельные способы адаптации к токсичности фуллереновыхнаночастиц, но оба, изменяя мембранный состав, чтобы справиться с токсичностью, самыми первыми доказательствами адаптации к металлическому NPs аэробными бактериями, хотя бактерии не были стойкий к NPs. Однако, больше исследования необходимо, чтобы объяснить подобные механизмы, лежащие в основе адаптациик другой наночастице в аэробных микроорганизмах. Много исследователей сообщили о цитотоксичности диапазона NPs и в грамположительные и в грамотрицательные бактерии. Большинство этих результатов приходит к заключению, что NPs вызывают окислительную токсичность поколением ПЗУ, и в некоторых случаях это ПЗУ было вызвано воздействием света на NPs (Таблицы 1 и 2). Наиболее распространенный эффект токсичности NPs связан с физическим мембранным повреждением, приводящим к фатальным эффектам в результате перфорации и мембранной текучести и/или дезорганизации. Металлические или металлические окисные NPs также выпускают разрешимые ионы, которые также способствуют химической токсичности бактериям (Heinlaan и др. 2008). Исследования показали, что некоторые бактерии, принадлежащие Pseudomonas, может делать растворимым большую часть NPs, такой как ZnONPs, в ионы Цинка, которые показали противобактерицидные эффекты (Fasim и др. 2002).

Факт, что присутствие металлической/металлической окиси наночастиц ядовито аэробным бактериям, который происходит наверняка из-за реактивности металлического/металлического окисного NPs с молекулярным кислородом и/или светом, сопровождаемым поколением ПЗУ. Однако, нет никаких отчетов о токсичности NPs в отсутствие кислорода, или при анаэробных условиях. Предполагается, что у вызванной светом металлической/металлической окисной токсичности NPs может быть неблагоприятное воздействие на анаэробные бактерии. Однако, полные экспериментальные данные требуются на этих линиях подтвердить гипотезу. Но, это хорошо зарегистрировано, что анаэробные бактерии (то есть, металлические уменьшающие бактерии) в отличие от аэробных бактерий приспосабливаются к лишним металлическим ионам сокращением металлических ионов и производят металлическую/металлическую окись наночастиц (Mandal и др. 2006). Анаэробные бактерии склонны изменять окружающую среду внешней мембраны в присутствии металлических ионов, создавая электрохимические условия, благоприятные для металлического осаждения иона, которое наиболее вероятно быть связанным с органической матрицей и произвести широкий распределенный размеру наночастиц (Frankel 1987). Например, частицы магнетита с узким распределением размера, приблизительно 40-50 нм произведены железом - уменьшающие бактерии и эти частицы, окутаны бактериальными мембранами (Balkwill и др. 1980; Gorby и др. 1988). Синтез металлической наночастиц от внешних высоких металлических концентраций иона является процессом адаптации анаэробных бактерий, чтобы справиться с металлической токсичностью иона (рассмотренный в Mandal и др. 2006; Nies 2003). Неясно, что нано-размерные частицы, произведенные анаэробами, показывают токсичность себе или к сосуществующим микроорганизмам. Способность уменьшающих металл бактерий произвести обильное количество внеклеточного наночастиц является процессом биогеохимического круговорота металла, углерода, азота, фосфата, и серы в естественной и загрязненной подповерхностной окружающей среде, которая хорошо зарегистрирована в литературе (Fredricksonetal. 2001; Liuetal. 1997; Lovelyetal. 1987; Lovley 1995). Также теперь важно оценить токсичность нано-материалов по анаэробным бактериям, которые могут иметь отличный цитостатический механизм и дают понимание воздействия наноматериалов и на аэробном и на анаэробном уровнях.

1.2.7 Испытания наночастиц на токсичность, используя бактерии как модели

Испытание токсичности, используя определенные микроорганизмы может использоваться, чтобы оценить неблагоприятное воздействие различного NPs на живых организмах и понять его воздействие, способ действия или механизма. Как показано в литературе, NPs показывают токсичность бактериям (Таблицы 1 и 2). Подробное действие токсичности NPs в клетках или взаимодействии с клеточными белками/ферментами и другими компонентами, кажется, пропускается в большинстве случаев. Исследователи нашли только два главных эффекта NPs у бактерий; (1) NPs вызывают окислительный токсичность и (2) повреждение клеточной мембраны/стены. Подробное исследование особого NP, воздействия его размера, химическая природа позволила бы нам понимать способ действия NP, чтобы вызвать цитотоксичность бактериям. Результат этого исследования также дает понимание токсикологии - действие NPs к другим живым организмам включая эффекты на людей и окружающую среду. Только немного информации в настоящее время доступно от литературы, объясняя механизм токсичности, взаимодействия с биологическими системами и окружающей средой (Nel и др. 2006).

Оценка токсичности NPs, у использования бактерий как образцовый организм есть многие выгодные, включая факт, что бактериальное испытание быстрее, чувствительно, менее дорого и легко обращаться, когда по сравнению с клетками происхождения млекопитающих. Недавно, токсичность серебра наночастиц у бактерий была изучена, используя бактериальные биодатчики и объяснила потенциальный способ ядовитого действия серебром наночастиц.

Точно так же число довольно многих исследований показало способы токсичности немногих наноматериалов, хотя не подробно, например, токсичность фуллерены, металлический окисный NPs включая ZnO, CuO, SiO2, и TiO2(Fang и др. 2007; Heinlaan и др. 2008; рассмотренный в Oberdorster и др. 2005b, 2007). Однако, способ токсичности действия, выведенного использующий эти наночастицы, возможно, не то же самое с другим наноматериалами. Это может быть из-за их переменного размера, поверхностной химии, или химической природы наноматериалов. Аналогично, NPs может также иметь различный эффект на различные типы клеток, который зависит от состава клеточной стенки (Fang и др. 2007). Поэтому научный комитет по появлению и недавно идентифицированному риску для здоровья (SCENIHR) Европы пришел к заключению, что есть недостаточные доступные данные в настоящее время, чтобы позволить идентификацию любых систематических правил, которые управляют токсикологическими особенностями всех продуктов нанотехнологии (SCENIHR 2006). Далее, директива была предложена, что оценка степени риска должна быть сделана на индивидуальной основе.

1.2.8 Итоговые и будущие перспективы

Вероятно, что производство наноматериалов и использование в пользу человека приведут к своему входу в окружающую среду в результате распоряжения. До сих пор нет никакого ясного согласия среди регулятивных органов и изготовителей, чтобы исследовать экологический - токсикологические воздействия NPs. До недавнего времени токсичность большинства наноматериалов только сосредоточилась на клетках человека, и оно все еще продолжено, чтобы сделать так в будущем. Однако, очень немного известно об их потенциальных отрицательных воздействиях на аэробные или анаэробные микроорганизмы. Развитие свойств сопротивления к NPs этими микроорганизмами в окружающей среде может быть эволюционным процессом, который мог бы занять десятилетия или столетия. Важно оценить эти NPs для их токсичности на различных микроорганизмах, которая обеспечивает, меры для возможных мер должны быть предприняты для безопасности.

Несмотря на предварительное знание, относительно токсичности NPs для людей и микроорганизмов, их подробные ядовитые эффекты все еще оставались неизвестными в целом. Ограниченная информация, доступная на токсичности NPs или в клетках человека или в бактериях последовательно, указывает что большая поверхность отношению объема или небольшому размеру NPs - главная причина для их биологической активности чем частицы большего размера того же самого состава. Во-вторых, NPs имеют тенденцию вызывать мембранную дезорганизацию в результате адсорбции электростатическим взаимодействием и окислительного напряжения поколением ПЗУ у аэробных бактерий. Что наиболее важно металлические окисные NPs в особенности очень восприимчивы к свету и кислороду для производства ПЗУ и таким образом окислительной токсичности. Поколение ПЗУ NPs, также, вероятно, вызовет мутагенность окислительным повреждением ДНК. Это было вовлечено, чтобы произойти с немногими NPs, такими как C60и FePt у бактерий. Однако, никакой подробный механизм для мутагенности еще не был объяснен. Известно, что поколение ПЗУ в клетках также связано с косвенным окислительным повреждением ДНК, и не удивительно, что поколение ПЗУ NPs может также привести к окислительному повреждению ДНК. Кроме того, воздействие NPs на анаэробных микроорганизмах - важная область, чтобы исследовать. До сих пор никакие отчеты еще не нашли, что обращаются к эффектам искусственного NPs. Поэтому, больше исследования обязано представлять механизмы токсичности, связанные с различными типами NPs и размеров на аэробах и анаэробах.

Новая область нанонаук теперь появилась как диверсия к NPs, который сосредоточен на синтезе спроектированного NPs, изменяя или покрытия с различными функциональными группами для различных заявлений, например, квантовые точки, у которых есть огромные оптические свойства. Это поставило новые вопросы о здоровье человека и экомедицине. Ядовитый эффект спроектированногоNPs на микроорганизмах должен все же быть изучен более подробно. Недавно проектирование NPs, было в промышленном отношении произведено без знания их воздействия на живущие микроорганизмы. Однако, многие из них, использовались в качестве флуоресцентных лейблов/маркеров, чтобы проследить или определить местонахождение раковых или опухолевых клеток у мышей и, как подозревают, имеют цитостатические эффекты, хотя это все еще неясно. Однако, также важно проверить их токсичность спроектированного NP к микроорганизмам. Следовательно, есть возрастающее беспокойство относительно инструкций на синтезе и производстве романа наноструктур из-за их потенциальной токсичности на микроорганизмах и других системах проживания., Существует нехватка модели, чтобы предсказать токсичность на живых организмах, основанных на физико-химических особенностяхи микробной токсичности нового наноматериала, который может использоваться для оценки степени риска или для безопасного вида продукта.

2. Исследование токсичности наноматериалов в России

Существование аналогичной проблемы признается и в нашей стране. В данном разделе рассмотрены ряд публикаций российских авторов, касающихся оценки токсичности наноматериалов.

2.1 Биологические последствия контакта гидробионтов с нано- и микрочастицами

2.1.1 Проблемы экотоксикологиинано частиц для рыб

Нанотехнологии - бурно развивающаяся и многообещающая область знания, имеющая широкое практическое применение в самых разных отраслях промышленности. Рост производства инженерных наноматериалов и их широкое применение в разнообразных сферах, увеличивает вероятность их попадания в окружающую среду. Это, в свою очередь, может привести к увеличению рисков, связанных с воздействием инженерных наноматериаловна живые организмы и человека. Объемы производства таких распространенных наночастицы как Ag, ТЮ2, Si02 и ZnO, в настоящее время уже составляет десятки тонн в год. В последние годы проблема токсичности наноматериалов все больше привлекает внимание исследователей, однако большинство таких работ выполнено на культурах клеток или лабораторных животных. Поведение наночастиц в экосистемах изучено слабо и практически ничего не известно об их влиянии на организмы в живой природе. Особенно это актуально для водных экосистем, которые, как правило, в значительной степени аккумулируют разнообразные вещества, входящие в состав промышленных и бытовых стоков.

Инженерные наночастицы различаются по своему химическому составу, это карбоновые нанотрубки, фуллерены, наночастицы металлов и оксидов металлов, квантовые точки и др. Кроме того они могут быть различных размеров, формы (трубки, сферы) и иметь функциональные группы и стабилизаторы. Особенности физико-химической организации наноматериалов влияют на их поведение в окружающей среде, биодоступность, способность к биодеградации и токсичность для водных организмов. Такие свойства как адсорбция, растворимость, - реакционная способность связаны с размером частиц. Степень агрегированное™ связана с зарядом на поверхности частиц, на который влияют адсорбированные органические и неорганические молекулы.

В настоящее время известно, что свойства наноматериалов отличаются от свойств частиц того же вещества в кристаллической форме. Так показано, что наночастицы диоксида титана оказались токсичными для даниорерио, в отличие от оксида титана в кристаллической форме (Xiongetal., 2011). Это связано, в частности, с большой площадью поверхности и реакционной способностью наночастиц. Токсичные свойства наночастиц могут увеличиваться с уменьшением размера частиц, например более мелкие наночастицы серебра оказались более токсичны для эмбрионов даниорерио (Bar-Ilanetal., 2009). Поведение наночастиц в биоценозе зависит от физико-химического состава воды и их взаимодействия с солями и органическими молекулами, такими как бактериальные полисахариды и пептиды. Одним из последствий такого взаимодействия является дестабилизация суспензии наночастиц и образование агрегатов, которые могут меняться с течением времени и состава воды (Quiketal., 2011). Образование агрегатов оказывает существенное влияние на токсичность наночастиц для водных позвоночных. Так, агрегаты наночастиц ZnO вызывали эмбриональные уродства и снижали индекс вылупления у эмбрионов даниорерио с ростом концентрации частиц (Zhuetal., 2009). Растворимость некоторых наночастиц также является одним из важных свойств влияющих на токсичность. На нее влияют такие факторы как химический состав самих наночастиц, рН воды, температура и др. Так например, наночастицы ТO2 и СеO2 практически не растворимы в воде, в то время как наночастицы ZnO, CuO и Ag частично растворимы (Quiketal., 2011). Их токсичное свойства могут быть связаны с совместным действием как самих наночастиц, так и их ионов (Griffitetal., 2007; Labanetal., 2009; Baietal., 2010). При этом токсичность наночастиц оказывалась выше, чем их растворимых солей или тех же веществ в кристаллической форме. Известно, что площадь поверхности частицы увеличивается с уменьшением размера, что приводит к увеличении адсорбционной способности наночастиц.

Поэтому при попадании водную среду, наночастицы взаимодействуют с различными веществами, находящимися в воде, Это могут как природные вещества, например гуминовые кислоты, так находящиеся в воде экотоксиканты. Показано, что наличие в воде наночастиц может усиливать действие опасных экостоксикантов (Zhangetal., 2007). Например, аккумуляция Cd2+ в тканях карпа из водь: возрастала до 146% в присутствии наночастиц (ТЮг).

Имеющихся на сегодняшний день сведений об экотоксичности наноматериалов для рыб мало, однако уже сейчас понятно, что инженерные наноматериалы могут быть потенциальнс опасны. Поэтому необходимы систематические исследования не только на организменном уровне, но также на уровне популяций и сообществ. Они должны включать в себя изучение не толькс токсичности наночастиц, но и их поведение в экосистемах, в том числе перенос по трофическим сетям, биомодификацию, биодеградацию и оценку действия на разные экологические группы рыб.

2.1.2 Использование флуоресценции хлорофилла для оценки токсического действия наноматериалов на природный фитопланктон

Материалы нанотехнологии уже сегодня получили широкое применение в технике v медицине. Увеличение производства приведет к увеличению их выброса в окружающую среду Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств i биологическим действием, которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества i форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий. Поэтому, чрезвычайно важным являете? оценка экологических последствий их влияния на экосистемы

Применение флуоресценции водорослей в качестве биосенсоров может быть с успехом использовано для тестирования наноматериалов (Маторин и др.2010а). Однако на природном фитопланктоне эти работы не проводились. Между тем фитопланктон - базовое звено биоценозов которое определяет состояние и продуктивность водных экосистем. При действии антропогенны? загрязнений изменяется фотосинтетическая активность клеток фитопланктона (Antaletal., 2001 2009, 2011).

Регистрация фотосинтетической активности микроводорослей позволяет определит! состояние основных первичных продуцентов пищевой цепи и, поэтому, являете* чувствительнейшим сенсором, характеризующем здоровье водной экосистемы. Перспективно использовать методы измерения флуоресценции хлорофила, позволяющие проводить мониторинг фитопланктона прямо в природной среде (Маторин и др.2010 б). В настоящей работе с использованием флуоресценции хлорофилла исследовано экотоксикологическое влияние на природный планктон разныхнаночастиц.