Исследование токсичности наноматериалов

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 коллективныхнаночастиц. Это взаимодействие между наночастицамии/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 модификациейповерхностных  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 деградациии 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 существующейинформации о токсикологических исследованиях измеряли частицы, определенные механизмы, лежащие в основе эффектов NP, особенно сосредотачивающихся на микроорганизмах с особым вниманием к металлическим наночастицам как модели.

2.2.3 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 металлическийNPs 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.

2.2.4Наночастицы 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 граммположительные бактерии, выставленные nC60наночастиц, увеличили уровни международной  организации по стандартизации - и anteiso-мембранные жирные кислоты на 5-32 %. Принимая во внимание, что, граммотрицательные 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 включаяZnO, 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 граммположительных и у граммотрицательные 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).

2.2.5 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. Липидрассмотренный 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 ПЗУвBacillussubtilis 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 фотоубийствовбактериальных 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 цитотоксичностьсвязана 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.