ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ТИТАНА, ЦИНКА И ПЛАТИНЫ НА ПОЧВЕННЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ТОКСИЧНОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ 9
1.1. Влияние наночастиц TiO2 на микроорганизмы 13
1.2. Влияние наночастиц ZnO на микроорганизмы 17
1.3. Влияние наночастиц Pt на микроорганизмы 24
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 27
2.1. Опыт по оценке чувствительности Pseudomonas fluorescens и Trichoderma koningii
к присутствию в среде наночастиц TiO2 27
2.2. Опыт по влиянию наночастиц ZnO и Pt на биологическую активность почв 29
3. РЕЗУЛЬТАТЫ 35
3.1. Оценка чувствительности Pseudomonas fluorescens и Trichoderma koningii к присутствию в среде наночастиц TiO2 35
3.2. Изучение влияния наночастиц ZnO на биологическую активность почв 38
3.3. Изучение влияния наночастиц Pt на биологическую активность почв 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 56
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ТОКСИЧНОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ 9
1.1. Влияние наночастиц TiO2 на микроорганизмы 13
1.2. Влияние наночастиц ZnO на микроорганизмы 17
1.3. Влияние наночастиц Pt на микроорганизмы 24
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 27
2.1. Опыт по оценке чувствительности Pseudomonas fluorescens и Trichoderma koningii
к присутствию в среде наночастиц TiO2 27
2.2. Опыт по влиянию наночастиц ZnO и Pt на биологическую активность почв 29
3. РЕЗУЛЬТАТЫ 35
3.1. Оценка чувствительности Pseudomonas fluorescens и Trichoderma koningii к присутствию в среде наночастиц TiO2 35
3.2. Изучение влияния наночастиц ZnO на биологическую активность почв 38
3.3. Изучение влияния наночастиц Pt на биологическую активность почв 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 56
В настоящее время все возрастающее внимание во всем мире уделяется перспективам развития технологий направленного получения и использования материалов в диапазоне размеров до 100 нм. Уникальные свойства наноматериалов и их биологическая активность могут быть использованы в микроэлектронике, энергетике, строительстве, химической, фармацевтической, парфюмерно-косметической и пищевой промышленности и др. Однако до сих пор не проведена полноценная оценка биологических рисков применения наночастиц. За рубежом проблема безопасности наноматериалов в настоящее время выдвигается на первый план. Такие исследования проводятся в США, Евросоюзе, а также в ряде других международных организаций. Необходимо учитывать, что при переводе исходного вещества в наносостояние происходит коренное изменение его свойств. В литературе неоднократно отмечалось, что неблагоприятное воздействие наночастиц нельзя с надежностью предсказать или установить, исходя из известных токсических свойств более крупных частиц того же самого химического вещества.
В развитии современных нанотехнологий значительную роль играют исследования наночастиц металлов. Это обусловлено, прежде всего, широким спектром возможностей их практического применения, в которых используются специфические свойства как самих наночастиц, так и модифицированных ими материалов. Перспективно использование наночастиц в экологическом аспекте. Наночастицы оксидов титана могут разлагать не только сложные органические соединения, но и опасные для человека моноокиси азота и углерода, содержащиеся в автомобильных выхлопах. Поэтому пудру из этих наночастиц стали добавлять в топливо, чтобы снизить содержание этих вредных примесей в выхлопных газах.
Учеными ведутся исследования по очистке экосред от загрязнений при помощи наноструктурированных ингредиентов. Японские авторы разработали новый материал, который включает в себя пористый оксид марганца с частицами золота, выращенными в нем. Созданное вещество эффективно удаляет летучие органические соединения, а также оксиды серы и азота из воздуха при комнатной температуре. С применением нанофильтрации ведется обработка поверхностных вод. Существуют действующие установки в США, Голландии и Франции.
Широкое распространение получили композиционные материалы из наночастиц в медицине и фармацевтике, в которых наночастицы ориентированы на доставку лекарств и протеинов к клеткам органов, а также на создание искусственных мускулов и костей.
Американскими учеными с помощью нанотехнологий удалось создать пломбирующий материал, который является более прочным, чем любые ранее известные лечебные наполнители, и при этом более эффективно предотвращает повторное заражение зуба.
В то же время, за последнее десятилетие установлено, что наночастицы различных видов, особенно наночастицы металлов, попадая в организм человека, могут стать причиной серьезных заболеваний (нанопатологий). Известно, что 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.
Таким образом, можно утверждать, что определение путей и способов воздействия наночастиц металлов на живой организм - это чрезвычайно важная и актуальная работа, необходимая для установления научно обоснованных допустимых диапазонов концентраций и размеров наночастиц в воде, воздухе или в составе различных материалов, с которыми контактирует человек.
Чтобы лучше понимать какое воздействие оказывают наночастицы титана на окружающую среду, целесообразно проводить опыты влияния наночастиц на микроорганизмы, поскольку они являются одними из наиболее разнообразных таксономическими группами на Земле, выполняют многие важные процессы в экосистемах. Кроме этого микроорганизмы используют как индикаторы состояния природной среды: отражением антропогенного воздействия служат морфологические изменения микробных популяций, кинетика их роста и развития, структурные преобразования микробных сообществ, биохимическая активность.
Микробные реакции на воздействие антропогенного фактора проявляются быстро, достаточно отчетливо, что позволяет в короткие стоки выявить наиболее ранимые экологические зоны, прогнозировать их состояние при сохранении или устранении антропогенного воздействия.
Цель исследования: изучение влияния наночастиц (TiO2, ZnO, Pt) на почвенные микроорганизмы и биологическую активность почв.
Задачи:
• собрать и проанализировать сведения о воздействии наночастиц на живые организмы и природные сообщества;
• провести опыт по оценке чувствительности Pseudomonas fluorescens и Trichoderma koningii к присутствию в среде наночастиц TiO2;
провести опыт по влиянию наночастиц ZnO и Pt на биологическую
активность почв;
• обобщить результаты и сделать выводы.
В развитии современных нанотехнологий значительную роль играют исследования наночастиц металлов. Это обусловлено, прежде всего, широким спектром возможностей их практического применения, в которых используются специфические свойства как самих наночастиц, так и модифицированных ими материалов. Перспективно использование наночастиц в экологическом аспекте. Наночастицы оксидов титана могут разлагать не только сложные органические соединения, но и опасные для человека моноокиси азота и углерода, содержащиеся в автомобильных выхлопах. Поэтому пудру из этих наночастиц стали добавлять в топливо, чтобы снизить содержание этих вредных примесей в выхлопных газах.
Учеными ведутся исследования по очистке экосред от загрязнений при помощи наноструктурированных ингредиентов. Японские авторы разработали новый материал, который включает в себя пористый оксид марганца с частицами золота, выращенными в нем. Созданное вещество эффективно удаляет летучие органические соединения, а также оксиды серы и азота из воздуха при комнатной температуре. С применением нанофильтрации ведется обработка поверхностных вод. Существуют действующие установки в США, Голландии и Франции.
Широкое распространение получили композиционные материалы из наночастиц в медицине и фармацевтике, в которых наночастицы ориентированы на доставку лекарств и протеинов к клеткам органов, а также на создание искусственных мускулов и костей.
Американскими учеными с помощью нанотехнологий удалось создать пломбирующий материал, который является более прочным, чем любые ранее известные лечебные наполнители, и при этом более эффективно предотвращает повторное заражение зуба.
В то же время, за последнее десятилетие установлено, что наночастицы различных видов, особенно наночастицы металлов, попадая в организм человека, могут стать причиной серьезных заболеваний (нанопатологий). Известно, что 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.
Таким образом, можно утверждать, что определение путей и способов воздействия наночастиц металлов на живой организм - это чрезвычайно важная и актуальная работа, необходимая для установления научно обоснованных допустимых диапазонов концентраций и размеров наночастиц в воде, воздухе или в составе различных материалов, с которыми контактирует человек.
Чтобы лучше понимать какое воздействие оказывают наночастицы титана на окружающую среду, целесообразно проводить опыты влияния наночастиц на микроорганизмы, поскольку они являются одними из наиболее разнообразных таксономическими группами на Земле, выполняют многие важные процессы в экосистемах. Кроме этого микроорганизмы используют как индикаторы состояния природной среды: отражением антропогенного воздействия служат морфологические изменения микробных популяций, кинетика их роста и развития, структурные преобразования микробных сообществ, биохимическая активность.
Микробные реакции на воздействие антропогенного фактора проявляются быстро, достаточно отчетливо, что позволяет в короткие стоки выявить наиболее ранимые экологические зоны, прогнозировать их состояние при сохранении или устранении антропогенного воздействия.
Цель исследования: изучение влияния наночастиц (TiO2, ZnO, Pt) на почвенные микроорганизмы и биологическую активность почв.
Задачи:
• собрать и проанализировать сведения о воздействии наночастиц на живые организмы и природные сообщества;
• провести опыт по оценке чувствительности Pseudomonas fluorescens и Trichoderma koningii к присутствию в среде наночастиц TiO2;
провести опыт по влиянию наночастиц ZnO и Pt на биологическую
активность почв;
• обобщить результаты и сделать выводы.
Представленные данные по токсическим свойствам некоторых наноматериалов далеко не исчерпывающие. Было показано, что токсичность зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры нанокластеров и наночастиц, но от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы- мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны. Одни наноматериалы благодаря своей физической природе способны индуцировать активные формы кислорода. Другие способны проникать через тканевые барьеры внутрь клеток и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами. Третьи - могут нарушать мембранные структуры, делая их проницаемыми. Рассматривая накопленный экспериментальный материал, можно обнаружить, что не всегда и не везде наноматериалы оказывают токсическое или иное повреждающее действие. Так, одни исследователи однозначно обнаружили цитотоксический эффект магнитных частиц на основе оксида железа, другие же, напротив, показали, что они безвредны. Представленные результаты показывают, насколько уникальны и разнообразны по своим свойствам наноматериалы, даже если они состоят из одного и того же химического вещества. Полученные данные являются ориентировочными. Для получения полноценных достоверных данных необходимо проведение дополнительных исследований по изучению кинетических параметров роста тест-культуры (изучение истинной удельной скорости роста без учета скорости отмирания и времени удвоения культуры).
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы:
1. Бактерии Pseudomonas fluorescens показали чувствительность к присутствию в среде наночастиц TiO2. Изменение в диметре колоний тест-культуры Pseudomonas fluorescens зафиксировано в присутствии в питательной среде суспензии наночастиц оксида титана.
2. Чувствительными к присутствию в среде наночастиц оказались грибы рода Trichoderma. Во всех исследуемых тест-системах с внесением суспензий различных наночастиц у грибов Trichoderma koningii зафиксировано изменение сроков спороношения. Конидиальное спороношение у Tr.koningii во всех исследуемых тест- системах менее интенсивное, чем в контроле.
3. Наши исследования показали снижение ОМЧ в первый день обработки почвы суспензией нано/nO, снижение доли споровых и пигментных бактерий, снижение количества азотобактера и нитрификаторов. Через 14 дней в обработанной почве возрастает ОМЧ по сравнению с контролем, наблюдается полное подавление азотфиксации.
4. Влияние наноР1 на микробное почвенное сообщество неоднозначно. На присутствие в среде НЧ Pt остро реагируют пигментные бактерии и азотобактер. Влияние на нитрифицирующие бактерии появляется после хранения образцов почвы. Причем в серой почве происходит снижение количества нитрификаторов по сравнению с контролем, а в темно-серой, наоборот, увеличение, что в обоих случаях ведет к изменению структуры микробного сообщества почвы и в конечном итоге к нарушениям почвенных процессов.
5. Исследования в полевых условиях показало снижение ОМЧ при внесении в почву водной дисперсной системы НЧ оксида цинка и платины, за исключением варианта с обработкой почвы нано ZnO в опыте с пшеницей (почва междурядий - общая). В опытах с огурцами и пшеницей в почвах, обработанных водной дисперсной системой наночастиц платины увеличивается количество нитрифицирующих бактерий. Повышение процессов нитрификации приводит к потреблению доступных для растений форм азота, в результате чего может наступить азотное голодание растений, что негативно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур.
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы:
1. Бактерии Pseudomonas fluorescens показали чувствительность к присутствию в среде наночастиц TiO2. Изменение в диметре колоний тест-культуры Pseudomonas fluorescens зафиксировано в присутствии в питательной среде суспензии наночастиц оксида титана.
2. Чувствительными к присутствию в среде наночастиц оказались грибы рода Trichoderma. Во всех исследуемых тест-системах с внесением суспензий различных наночастиц у грибов Trichoderma koningii зафиксировано изменение сроков спороношения. Конидиальное спороношение у Tr.koningii во всех исследуемых тест- системах менее интенсивное, чем в контроле.
3. Наши исследования показали снижение ОМЧ в первый день обработки почвы суспензией нано/nO, снижение доли споровых и пигментных бактерий, снижение количества азотобактера и нитрификаторов. Через 14 дней в обработанной почве возрастает ОМЧ по сравнению с контролем, наблюдается полное подавление азотфиксации.
4. Влияние наноР1 на микробное почвенное сообщество неоднозначно. На присутствие в среде НЧ Pt остро реагируют пигментные бактерии и азотобактер. Влияние на нитрифицирующие бактерии появляется после хранения образцов почвы. Причем в серой почве происходит снижение количества нитрификаторов по сравнению с контролем, а в темно-серой, наоборот, увеличение, что в обоих случаях ведет к изменению структуры микробного сообщества почвы и в конечном итоге к нарушениям почвенных процессов.
5. Исследования в полевых условиях показало снижение ОМЧ при внесении в почву водной дисперсной системы НЧ оксида цинка и платины, за исключением варианта с обработкой почвы нано ZnO в опыте с пшеницей (почва междурядий - общая). В опытах с огурцами и пшеницей в почвах, обработанных водной дисперсной системой наночастиц платины увеличивается количество нитрифицирующих бактерий. Повышение процессов нитрификации приводит к потреблению доступных для растений форм азота, в результате чего может наступить азотное голодание растений, что негативно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур.
