Исследование токсичности наноматериалов

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).

2.2.6 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  комплексообразования 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 грамм-положительные и в грамм-отрицательные 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.

2.2.7 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.

2.2.8 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.

3 Исследование токсичности  наноматериалов в России

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

3.1Биологические последствия контакта гидробионтов с нано- и микрочастицами

3.1.1 Проблемы экотоксикологиинаночастиц для рыб [по: 2]

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