Влияние металлов в наноформе на живые организмы

В последние годы во всём мире сельскохозяйственной продукции, выращенной без применения пестицидов, отдаётся большое предпочтение. В практику сельского хозяйства внедряются многочисленные безъядные препараты, способные заменить пестициды. В МСХА им. Тимирязева с 1987 г. проводятся исследования по использованию для обработки семян и растений составов, содержащих нанопорошки металлов. Известно, что в ультрадисперсной форме металлы - наночастицы металлов размером 10−50 нм приобретают уникальные свойства, используемые в различных отраслях народного хозяйства, из которых для биологов наиболее интересными являются их бактерицидные свойства и возможность использования их в качестве микроэлементов. Наночастицы электронейтральны, что позволяет им равномерно распределяться в плёнкобразователе и тонким слоем обволакивать семена, обеспечивая их надёжную защиту от патогенов. Постепенно окисляясь в почве, они создают неблагоприятные условия для патогенных микроорганизмов, и используются растениями как микроэлементы в процессе роста.

В одной из работ описан опыт по изучению влияния обработки семян озимой пшеницы ультрадисперсным порошком меди на ростовые процессы и устойчивость семян и проростков к почвенным патогенам. Исследовали 8 образцов ультрадисперсного оксида меди, различающегося по размерам удельной поверхности S от 70,23 м2/г до 1,43 м2/г. и d - от 0,01 мкг/час - 0,479 мкг/час. Испытывали две концентрации каждого препарата 0,1 и 0,2 г/ на 1 кг семян. В результате установили, что более высокие концентрации всех препаратов снизили на 10% энергию прорастания семян, но не повлияли на их всхожесть. Все препараты проявили положительные защитные свойства от почвенных патогенов. Этим опытом было показано, что чем больше поверхность наночастиц и меньше их размеры, тем эффективнее композиция, которую используют при работе [Райкова, Паничкин, Райкова, 2008].

В другой работе исследовали влияние ультрадисперсных порошков железа, меди, кобальта при обработке семян растений лапчатки гусиной и горца птичьего на накопление каротина, аскорбиновой кислоты и углеводов. Так, обработка семян лапчатки гусиной ультрадисперсными порошками металлов Fe и Cu в дозе 0,03 г на гектарную норму высева способствовала достоверному повышению всхожести, изменению первичных ростков и корешков. Под их действием у растений на экспериментальных участках были сформированы более высокие побеги с повышенным числом листьев и более крупными листовыми пластинками, чем на контрольном участке. На 7 дней раньше наступило цветение. Под действием нанопорошков металлов по отношению к контролю увеличилось содержание биологически активных веществ растений: аскорбиновой кислоты на 24−37%, каротина на 23−50%, углеводов на 23−50%. Обработка семян перед посадкой порошками нанометаллов не влияет на содержание данных элементов в почве. Химический анализ почвы на содержание железа, меди и кобальта после уборки урожая показал, что их уровень практически не изменялся независимо от видов и вводимых доз и был на уровне контроля [Чурилов, 2009].

Фитотоксические исследования свойств наночастиц цинка и его оксида на кукурузе (Zea mays L.), редисе (Raphanus sativus), рапсе (Brassica napus napus), огурце (Cucumis sativus) показали, что их концентрация 2000 мг/л отрицательно действует на прорастание семян кукурузы и подавляет удлинение корней. Была рассчитана пятидесяти процентная ингибиторная концентрация (IC50) для редьки, которая составила 50 мг/л, рапса - 20 мг/л Воздействие различных концентраций суспензий микрочастиц, наночастиц и ионов цинка на водные культуры дафний (Daphnia magna) и бактерий (Vibrio fischeri) выявило летальные концентрации (ЛК50) - 8,8, 3,2 и 6,1 мг/л для дафний и 1,8, 1,9 и 1,1 мг/л для бактерий, соответственно. Различия в токсичности наночастиц и микрочастиц цинка также были показаны на взрослых мышах. Причем микрочастицы цинка оказались токсичнее, чем наночастицы. В обоих случаях наблюдалось поражение почечной функции, также нано−цинк вызывал анемию и нарушение системы свертывания крови [Токсичность наноматериалов, 2010].

Проведенные исследования биологической активности наночастиц металлов на экспериментальных животных позволили установить, что нанокристаллическое железо и цинк в биотических дозах ускоряют рост животных и птиц, усиливают регенерацию печени после частичной гепатэктомии, ускоряют заживление тканей [Изучение безопасности введения наночастиц…, 2009].

Кроме влияния нанометаллов на сельскохозяйственные растения и животных, в некоторых работах рассматривается их воздействие на природные биоценозы и их компоненты.

Современные нанотехнологии обладают огромным потенциалом и, как утверждают эксперты, кардинально изменят общество ХХI века. Однако новые научные достижения не только способствуют развитию экономики, повышению качества жизни человека и т.д., но ставят ряд задач, которые относятся прежде всего к проблеме воздействия наноматериалов и наночастиц на качество среды обитания человека, на животный и растительный мир, на качество сельскохозяйственной продукции и воды и на здоровье человека. Это связано с особенностью наночастиц и наноматериалов, которые при попадании в организм могут быть непредсказуемыми и опасными. Наноматериалы, как правило, легче вступают в химические превращения, чем более крупные объекты того же состава, поэтому они способны образовывать комплексные соединения с неизвестными ранее свойствами. Наночастицы благодаря своим малым размерам легко проникают в организм человека и животных через защитные барьеры (эпителий, слизистые и т.д.), респираторную систему и желудочно−кишечный тракт. Общепринятые лекарственные средства, переведенные в нанопорошок (аспирин, кальция глюконат), обладают более высокой активностью, чем в обычной форме. Абсорбирующие свойства наночастиц значительно выше, чем у других молекул. Появление таких наноматериалов в окружающей среде может способствовать активному поглощению загрязнителей и их широкому распространению. Следовательно, с одной стороны, несомненна технологическая перспективность нанообъектов, с другой стороны, необходимо с особым вниманием относиться к связанным с ними рискам [Изучение безопасности введения наночастиц…, 2009]. Многие учёные считают, что наночастицы опасны из-за своей выраженной способности проникать через гематоэнцефалический и гематоплацентарный барьеры; их чрезвычайной стабильности. Наночастицы не подвергаются, также, биотрансформации и не выводятся из клетки, что вызывает в клетках стресс и приводит к их разрушению [Жолдакова, Синицына,2008]. Наноматериалы приводят к повреждениям цитоскелета, они способны преодолевать кариолемму и располагаться в ядре клетки и коньюгировать с ДНК, индуцировать активные радикалы кислорода и азота, повреждающие ДНК [Сычёва, 2008].

В отчёте Научного комитета по новым рискам здоровья, изданном в октябре 2005 г. отмечается, что для адекватной оценки риска продуктов необходимо дополнительно получить ответы на следующие вопросы:

Характеристика механизмов и кинетики поступления наночастиц из широкого круга процессов производства и применение продуктов нанотехнологий; Реальные уровни воздействия наночастиц как на человека, так и на окружающую среду; Идентификация органов−мишеней и определение дозы для оценки токсичности; Судьба, распределение, стабильность и биоаккумуляция наночастиц в окружающей среде и живых организмах, включая микроорганизмы; Эффекты наночастиц в отношении различных живых организмов в каждом из объектов окружающей среды и являющихся представителями различных трофических уровней [Жолдакова, Синицына, 2008].

Таким образом, из проведенного анализа литературы видно, что достаточно хорошо изучены вопросы влияния солей тяжёлых металлов, таких как соли Cd, Cu, Pb, Zn и Fe на выживаемость головастиков. Также есть работы по изучению влияния других веществ, таких как, детергенты, некоторые пестициды, техногенные поллютанты.

Работ по влиянию нефти на показатели развития головастиков земноводных очень мало, также совместное влияние тяжёлых металлов в ионной и нано формах на показатели развития головастиков земноводных ранее не изучалось, с чем связан выбор темы данной диссертационной работы.