XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В последние десятилетия большое внимание уделяется изучению наноразмерных частиц, в частности, наночастиц (НЧ), содержащих тяжелые металлы. В первую очередь, это связано с тем, что нанообъекты обладают уникальными свойствами, которые существенно отличаются от свойств макрообъектов. Благодаря этому в настоящее время появляются новые возможности применения НЧ в различных областях промышленности, сельского хозяйства, науки и техники. В частности, перспективным является практическое применение НЧ для медицинских и биологических целей [1]-[3]. В связи с широким применением наноматериалов (НМ) в различных областях человеческой деятельности в последние годы возникают вопросы, связанные с безопасностью их использования. Успешное внедрение и возрастающее производство НМ ведет к увеличению вероятности их воздействия на живые организмы.

Наночастицы металлов могут проникать в организм человека различными путями: через слизистые оболочки дыхательных путей и пищеварительного тракта, трансдермально (например, при использовании косметических средств), через кровоток в составе вакцин и сывороток и т. д. [4].

Вероятное негативное влияние НЧ на живые организмы и человека, было проанализирован в нескольких исследованиях [5]-[7]. Однако вопрос о безопасности их применения остается нерешенным. В связи с этим, возможное влияние нанотехнологий на окружающую среду делает актуальным необходимость всестороннего изучения биологической безопасности НЧ с помощью подбора чувствительных и специфичных методов обнаружения и оценки опасности их применения.

В настоящее время все более актуальной становится разработка методологических и теоретических аспектов применения биологических тест-объектов в токсикологических исследованиях, которые позволяют за короткое время получить информацию о наличии тех или иных химических веществ и их токсическом действии. Биотестирование (биологическая оценка) объектов окружающей среды является одним из важнейших методов, вместе с физическими и химическими методами исследований, поскольку позволяет определять влияние изучаемых объектов на живые организмы и выявлять возможные негативные результаты их применения. Ответом живых организмов могут являться: стимуляция или подавление роста, изменение поведения и т.д.. Общим показателем эффективности действия определяемого соединения на тест-организм является выживаемость. Таким образом, биотестирование – процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, информирующих об опасности независимо от того, какие вещества вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов [8]. Биотестирование позволяет исследовать различные реакции живых организмов при их контакте с наноматериалами, что дает возможность получать интегральную оценку их токсичности.

На сегодняшний день известно много биотестов с использованием различных тест-объектов, начиная от одноклеточных водорослей, бактерий и простейших и заканчивая высокоорганизованными животными. Тест-объекты или тест-организмы являются подопытными биологическими объектами, используемыми при оценке токсичности химических веществ, нанообъектов, природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов и др. Токсический эффект регистрируется и оценивается в эксперименте [8]. Для биотестирования используют различных гидробионтов  водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы. Наиболее популярные объекты  формы планктонных ракообразных Daphnia magna,Ceriodaphnia affinis. Проводимые с использованием данных особей биотесты, позволяют дать заключение о токсичности водной среды. Для характеристики ответа тест-объекта на повреждающее действие среды существует понятие критерий токсичности или жизненная функция. Тест-функциями, используемыми в качестве показателей биотестирования для инфузорий, ракообразных, эмбриональных стадий моллюсков, рыб, насекомых является выживаемость или смертность. Для ракообразных, рыб, моллюсков оценивают плодовитость, отклонения в эмбриональном развитии. Также для культур одноклеточных водорослей и инфузорий тест-функциями являются гибель клеток, изменение численности клеток в культуре, коэффициент деления клеток, средняя скорость роста, суточный прирост культуры [8]. 

Особое место из существующего многообразия биотестов, занимают биотесты с использованием микроорганизмов. Эти методы отличаются быстротой, высокой чувствительностью, относительно низкой стоимостью, простотой и доступностью используемого оборудования. Реакции воздействия токсикантов проявляются в течение нескольких минут или часов. Обширное использование микробных биотестов определяется также тем, что микроорганизмы являются основным звеном глобальной трофической цепи, а также главной движущей силой биогеохимических циклов на Земле [9]. Все это делает микробные биотесты приоритетным инструментом для оценки экологической токсичности наноматериалов.

Одним из наиболее перспективных биотестов с использованием микроорганизмов является метод биолюминесцентного тестирования. В основе практического использования светящихся микроорганизмов лежит анализ активности их люминесцентной системы, находящейся на пересечении основных путей метаболизма бактериальной клетки и отвечающей изменением интенсивности свечения, пропорциональным суммарному воздействию всей совокупности находящихся в среде химических токсикантов [9]. Соответственно, возможными реакциями являются повышение или снижение изменения уровня свечения или его отсутствие, в первом случае интерпретируемое как развитие токсического эффекта.

Таким образом, в настоящее время метод биотестирования с использованием различных тест-объектов является одним из перспективных методов оценки биотоксичности различных сред и соединений, и оценки качества окружающей среды в целом.

Библиографический список источников:

Годымчук, А. Ю. Экология наноматериалов: учебное пособие / А. Ю. Годымчук, Г. Г. Савельев, А. П. Зыкова. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 272 с.

Голохваст, К. С. Экотоксикология нано- и микрочастиц минералов // К. С. Голохваст, А. М. Паничев, И. М. Мишаков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2011. – № 1. – С. 51 - 59.

Nordberg, G. Handbook on the toxicology of metals / G. Nordberg, B. A. Fowler, M. Nordberg, L. Friberg. – Academic Press, 2014. – 1024 p.

Handy R.D., Owen R., Valsami-Jones E. The ecotoxicology of nanoparticles and nanomaterials: current status, knowledge gaps, challenges, and future needs // Ecotoxicology. – 2008. – V. 17. – № 5. – P. 315–325.

Ivask, A. Mechanisms of toxic action of Ag, ZnO and CuO nanoparticles to selected ecotoxicological test organisms and mammalian cells in vitro: a comparative review / A. Ivask, K. Juganson, O. Bondarenko, M. Mortimer, V. Aruoja, K. Kasemets, A. Kahru // Nanotoxicology. – 2014. –V. 8. – P. 57–71.

Schrand, A. M. Metal-based nanoparticles and their toxicity assessment / A. M. Schrand, M. F. Rahman, S. M. Hussain, J. J. Schlager, D. A. Smith, A. F. Syed // Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. – 2010. – V. 2 № 5. – P. 544–568.

Gajewicz, A. Advancing risk assessment of engineered nanomaterials: application of computational approaches / A. Gajewicz, B. Rasulev, T. C. Dinadayalane, P. Urbaszek, T. Puzyn, D. Leszczynska, J. Leszczynski // Advanced Drug Delivery Reviews. - 2012. – V. 64 № 15. – P. 1663–1693.

Ляшенко, О. А. Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды : учеб. пособие / О. А. Ляшенко. – СПб. : СПб ГТУРП, 2012 – 67 с.

Дерябин, Д. Г. Применение теста ингибирования бактериальной биолюминесценции для оценки биотоксичности углеродных наноматериалов / Д. Г. Дерябин, Е.С. Алешина, Л.В. Ефремова // Микробиология. – 2012. – Т.81. – №4. – С. 532–538.