Исследование токсичности наноматериалов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Филиал ГОУ  ВПО УГНТУ в г. Стерлитамаке

 

 

 Кафедра  ЭРП

 

 

 

Курсовая

по общей  экологии

на тему «Исследование  токсичности наноматериалов»

 

 

 

Выполнила: ст. гр. ОС-10-31       Полушкина А.В.

Проверил:д.б.н. доцент      Зейферт Д.В.

 

 

Стерлитамак 2012

Содержание

1 Введение

2 Исследование токсичности наночастиц по зарубежным источникам

2.1 Резюме

2.2 Предисловие

2.2.1 Введение

2.2.2 Физические и химические свойства наночастиц

2.2.3 Наночастицы представляют потенциальную угрозу бактериям

2.2.4 Наночастицы разрушают целостность клеточной мембраны

2.2.5 Наночастицы вызывают окислительную токсичность, производя реактивные кислородные виды

2.2.6 Понятие текущей токсичности нано-размерных частиц бактериям

2.2.7 Испытания наночастиц на токсичность, используя бактерии как модели

2.2.8 Итоговые и будущие перспективы

3 Исследование токсичности наноматериалов в России

3.1Биологические последствия контакта гидробионтов с нано- и микрочастицами

3.1.1Проблемы экотоксикологиинаночастиц для рыб

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

3.1.3 Влияние наночастиц металлов на выживаемость 
и плодовитостьceriodaphniaaffinis

4 Заключение

5 Список литературы

 

 

1 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 биомакромолекул, 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 наносостоянии окажутся существенным фактором риска для здоровья.

Рассмотрим  проблему мониторинга воздействия наноматериалов на окружающую среду и здоровье человека на примере статьи«ToxicityofMetallicNanoparticlesinMicroorganisms»[1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Исследование токсичности наночастиц по зарубежным источникам

2 .1. Резюме. Недавние открытия в синтезе и разработке наночастиц (NPs) для широкого применения, приводят к серьезной угрозекак 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 вариантовNPs 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 естественнойэкосистеме, 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 какE.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, развитиереактивных 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.

 

 

2.2. Предисловие

2.2.1 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 металлическихнаночастиц (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 наночастицу, 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 нанотрубки для улучшенногобиоприменения специально для водной растворимости и биосовместимостиуглеродныхнанотрубок. В результате для различныхметодов водной дисперсии и растворении  углеродныхнанотрубок, таких как  модификацияbiofunctionalization, functionalization с гидрофильньными 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, названнаянанотоксичностью. (Oberdorster и др. 2005b, 2007). Появился интерес  к нанотехнологическому исследованию, потому что обработка наноструктур в биологическихсистемах 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 небольшаяинформацияв настоящее время доступна относительно цитостатических механизмов SWNTs (Канг и др. 2007). Исследования токсичности углеродных нанотрубок и использованиеStaphylococcusaureus иStaphylococcuswarneri 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 подверганиихимического 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 углероданыхнанотрубоккак 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 заблуждениео 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 ростEscherichiacoli иBacillussubtilis(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.

 

2.2.2 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 особенностямии 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 мультистенаnanotubes (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).