Биоиндикация наноразмерных объектов

Конец ХХ и начало XXI века можно по праву охарактеризовать бурным ростом количества исследований в области наноразмерных объектов. Молодая область науки, возникшая на сплаве физики, химии и биологии получила название – нанотехнологии. Особенность нанотехнологии состоит в том, что она имеет дело с объектами нанометрового диапазона 10–⁹ м.

Достижения нанотехнологии сулят человечеству управляемое и контролируемое построение новой материи — причем как «мертвой», так и «живой». Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи пытаются сейчас разработать практические способы конструировать из атомов с помощью механической наносборки новые материалы с заданными характеристиками, сверхплотные информационные носители, в которых информация будет кодироваться на молекулярном уровне, как, например, это происходит в ДНК, а потом создавать и сверхмалые механизмы — наномашиных [4].

Определенная угроза состоит в том, что нанообъекты сначала надо построить и только потом можно изучать, что это за новые объекты, и какими свойствами они обладают. При этом изменения свойств или приобретение новых свойств у наноразмерных объектов могут происходить помимо желания человека. [13]

В связи с этим, растет и число тревожных предупреждений со стороны специалистов о растущих экологических рисках действия наночастиц на окружающую среду. Наночастицы легко проникают в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт. Сейчас уже не подлежит сомнению, что некоторые нанообъекты могут оказывать токсичное действие на клетки различных тканей. В частности, такое воздействие оказывают углеродные нанотрубки, которые считают одним из самых перспективных наноматериалов близкого будущего [14].

Ситуация осложняется тем, что многие наноструктуры производятся не одним, а несколькими способами. Это обстоятельство увеличивает ассортимент рисков, с которыми могут сталкиваться или уже сталкиваются работники нанотехнологической индустрии,а затем и потребители. С другой стороны, оно дает основание предположить, что внешне одни и те же нанопродукты, изготовленные на основе различных технологий, будут оказывать неодинаковое воздействие на человека и его среду обитания.  [10]

В декабре 2004 года Совет по Научной Политике Science Policy Council Агентства по Охране Окружающей Среды США Environment Protection Agency создал рабочую группу экспертов, вменив ей в обязанность подготовку Белой Книги, посвященной обсуждению опасностей применения нанотехнологий. Ровно через год черновой вариант этого документа был опубликован [11].

Однако до настоящего времени сведения о последствиях неконтролируемых выбросов наночастиц в окружающую среду остаются довольно скудными. Авторы проекта Белой Книги подчеркивают необходимость как можно скорее заполнить эти информационные пробелы. Они подчеркивают, что серьезное изучение поведения наночастиц в окружающей среде началось лишь недавно. Известно, например, что наночастицы способны накапливаться в воздухе, почве и сточных водах, однако у науки пока что не хватает данных для точного моделирования таких процессов. Существующие приборы не всегда эффективны в улавливании наночастиц, дороги и достаточно громоздки [4]. Наночастицы могут разрушаться под действием света и химических веществ, а также при контактах с микроорганизмами, но и эти процессы пока что не слишком хорошо изучены. Наноматериалы, как правило, легче вступают в химические превращения, нежели более крупные объекты того же состава, и поэтому способны образовывать комплексные соединения с ранее неизвестными свойствами. Это обстоятельство увеличивает технологическую перспективность нанообъектов и в то же время заставляет с особым вниманием относиться к связанным с ними рискам [7].

Еще одна мало исследованная область — последствия контактов наночастиц с живыми клетками и тканями [7]. Не подлежит сомнению, что многие наноматериалы обладают токсичным действием. Например, вдыхание наночастиц полистирола не только вызывает воспаление легочной ткани, но также провоцирует тромбоз кровеносных сосудов. Есть сведения, что углеродные наночастицы могут вызывать расстройства сердечной деятельности и подавлять активность иммунной системы [15]. Опыты на аквариумных рыбах и собаках показали, что фуллерены, многоатомные шаровидные молекулы углерода поперечником в несколько нанометров, могут разрушать ткани мозга. Выброс, в результате промышленной, исследовательской деятельности, дополнительного числа наночастиц в биосферу чреват многими последствиями, прогнозировать которые пока не представляется возможным из-за недостатка информации. В литературе есть данные, что человеческий организм взаимодействует с наночастицами. Подсчитано, что за один день человек потребляет в среднем около 10¹² частиц субмикронного размера. В зависимости от загрязненности воздуха, количество таких частичек варьируется от 5 тыс. до 3 млн. в 1 см³ воздуха [8]. Такие нанообъекты, как углеродные нанотрубки прорывают эритроциты, тем самым разрушая их. В результате, защитные функции организма снижаются, и любая инфекция может привести к существенным осложнениям в ходе заболевания (или вызвать его), а отдельных случаях — к летальному исходу [15].

Причем, причина смерти будет диагностирована по эффекту микробного или вирусного воздействия. В этом случае целесообразно говорить о схожести поражающего воздействия наноразмерных объектов на человека с действием вируса иммунного дефицита. ВИЧ-инфекция также не диагностировалась длительное время из-за отнесения причин смерти большого числа людей на результат микробного или вирусного поражения (воздействия).  Данное положениеподчёркивает экологическую направленность и усиливает актуальность и необходимость проведения дополнительных исследований действия наноразмерных объектов на организм человека.

Наночастицы, содержащиеся в природных объектах, во многом определяют влияние неорганических и органических загрязнителей на экологическую ситуацию в природе. Миграция загрязняющих веществ в природных водах, их состояние в донных отложениях, илах, почвах контролируется, в основном, их способностью к сорбции или комплексооб-разованием с частицами или макромолекулами. Эффективность такого взаимодействия определяется как свойствами загрязняющих компонентов, так и свойствами самих частиц.

Остановимся на одной из причин затруднений в проведении комплекса исследований биологического действия наночастиц на объекты окружающей среды: отсутствие достаточного количества приборов и методик улавливания и распознавания наноразмерных объектов в окружающей среде. Методики, предложенные рядом авторов, отличаются высокой избирательностью — они узконаправленно позволяют работать с заранее заданным нанообъектом, игнорируя остальные наноразмерные частицы [12].

К наиболее перспективным следует отнести методы, позволяющие характеризовать частицы при минимальном вмешательстве в окружающую их среду, не требующие высушивания частиц, провоцирующего их разрушение или агрегирование. Особенно важно, чтобы при проведении таких исследований не происходил сдвиг природных равновесий при фракционировании. Для фракционирования и изучения наночастиц в объектах окружающей среды и геологических образцах используются различные физические и химические методы. Наиболее эффективны мембранные и другие проточные (непрерывные) методы фракционирования. Однако ни один метод не дает возможности всесторонне охарактеризовать природные частицы и содержание в них микроэлементов и органических загрязнителей. Например, мембранная фильтрация (МФ) дает только размерное распределение, но не дает информации о плотности и зарядовом распределении.

С другой стороны, МФ природных образцов дает возможность получить информацию о размерном распределении для нано- и микрочастиц любого размера без существенного нарушения природных равновесий. Поэтому метод МФ может служить основой для создания комплексных непрерывных методов изучения свойств наночастиц.

Из анализа существующих приборных методов можно выделить: мембранные методы разделения наночастиц; капиллярные методы разделения; центробежные методы, а также электронная спектроскопия — методы разделения и определения характеристик нано- и микрочастиц [6].

Конечно, новые возможности нанотехнологии совсем не обязательно приведут к ухудшению экологической ситуации на нашей планете. Тут многое зависит не от самих технологий, а от людей, которые будут их использовать. Таким образом, можно сделать вывод о том, что с разнообразными наноматериалами связаны серьезные риски неблагоприятного воздействия на организм человека и окружающую среду. Один из методов, направленных на исследование наноразмерных объектов опирается на использовании биомониторинга.

  Реализация биомониторинга сопровождается комплексом проблем [1], в том числе и поиском новых биоиндикаторов (экомониторов) [1]. Проведенные исследования воздуха [2, с.232], [3, с. 234] на наличие наноразмерных объектов актуализировали проблему поиска биоиндикаторов — растений — природных накопителей наноразмерных объектов.

В начале исследования в качестве исходных гипотез были приняты следующие:

1.                  Растения, в силу особенностей строения первичной защитной покровной ткани (экзодерма, эпидерма) способны накапливать наноразмерные объекты.

2.                  Различные растения, в силу особенностей строения индивидуальны в накоплении наноразмерных объектов.

Для этого были сформулированы следующие задачи:

1. Выявить растения — природные накопители наноразмерных объектов. Использование данных растений позволит: существенно сократить время на сбор наноразмерных объектов для последующих анализов; быстро и эффективно готовить препараты для нанотехнологических исследований на стадии обучения (в образовании)

2. Установить влияние наличия наноразмерных объектов в воздухе на их наличие в растениях.

Методы исследования. На первом этапе — сочетание компьютерных методов графического моделирования и визуальных в оценке количества и физических характеристик наноразмерных объектов. Фиксации подлежали число наноразмерных объектов в образце, их величина, распределение.

После исследования, обработки и анализа полученных данных, в том числе сравнения с имеющимися данными других исследователей, были получены следующие результаты.

Визуально велся подсчет наноразмерных объектов: крупных, средних и мелких. Данные по каждой группе нанообъектов усреднялись.

Таким образом, было доказано наличие наноразмерных объектов в растениях. Для уточнения вопроса о взаимосвязи числа наноразмерных объектов в окружающей среде и растении был проведен следующий эксперимент.

В исследованиях [2], [3] было доказано, что количество наноразмерных объектов в воздушной среде в различных помещениях школы и, особенно, в котельной — различно.

Первая серия проб бралась на растении, находящемся в классной комнате. Образцы, полученные из проб, сканировались, проводилась математическая обработка. Затем растение перемещалось в котельную. Через два дня после перемещения с растения бралась вторая серия проб. Образцы, полученные из проб, также сканировались, затем проводилась математическая обработка.

Из анализа данных вытекает, что увеличение числа наноразмерных объектов в растении, находящемся в среде с повышенной концентрацией наночастиц, лежит за пределами погрешностей. Это доказывает, что количество наноразмерных объектов в растении определяется параметрами внешней среды, что позволяет рассматривать растения как потенциальные биоиндикаторы.

Для работы по второй гипотезе, произвольным образом были выбраны 16 наиболее распространенных комнатных растений.  Полный перечень отобранных для эксперимента растений приведен в приложении 1.

В исследованиях [2], [3] было доказано, что количество наноразмерных объектов в воздушной среде в различных помещениях школы и, особенно, в котельной — различно. Все отобранные на первом этапе комнатные растения помещались в среду, с заведомо повышенной концентрацией наноразмерных объектов. Математическая обработка результатов проводилась по аналогичному (описанному выше) алгоритму. Рассмотрим итоговую диаграмму по всем образцам на рис.1:

Рис.1. Распределение групп наноразмерных объектов по образцам.

Выявлены растения в большей степени накапливающие наноразмерные объекты. Выделяются образец-лидер в накоплении. Это Традесканция (Tradescantia).В меньшей степени накапливают наноразмерные объекты образцы 1,7,8.

Анализ результатов исследования позволяет сделать вывод о справедливости второй гипотезы: растения индивидуальны в накоплении наноразмерных объектов.

Первичные выводы, полученные в исследованиях, позволяют констатировать существование и возможность использования растений- биологических накопителей наноразмерных объектов- в качестве биоиндикаторов.

Итак, до конца не изучено влияние наноразмерных объектов, но уже сейчас мы можем сказать о том, что существует большая вероятность отрицательного влияния на организм человека и окружающей среды в целом. Поэтому данное исследование способствует не только нахождению новых биоиндикаторов на наноразмерные объекты, но и поможет в проведении исследования по изучению процесса накопления и сброса растением наноразмерных объектов во времени. Определении графиков роста и уменьшении концентрации наноразмерных объектов в растении при изменении параметров внешней среды. Это позволит более точно, без специальной аппаратуры определять временные интервалы воздействия выбросов наночастиц на окружающую среду, контролировать их концентрацию, «улавливать», задерживать, а затем и распознавать наноразмерные объекты.

 

Литература.

1.      Экологический мониторинг: Учебно-методическое пособие / Под ред. Т. Я. Ашихминой. М.: Академический Проект, 2005. —416 с. — («Gaude-amus»).ISBN 5–8291.-0484–9

2.      Семенов Ю. В., Скулкина Т. В., Попов А., Балыбердин А. Исследование силового воздействия электростатического и магнитного полей на наноразмерные объекты //в сб. Экология родного края: проблемы и пути их решения. Материалы Всероссийской молодёжной научно-практической конференции молодежи 26–27 апреля 2011 г. — Киров: ООО «Лобань», 2011. — 315с. ISBN 978–5-4338–0012–0

3.      Семенов Ю. В., Бадьина И. Г., Лукоянов Е., Седельников М. Исследование метода квантового воздействия на наноразмерные объекты, находящиеся в воздушной среде //в сб. Экология родного края: проблемы и пути их решения. Материалы Всероссийской молодёжной научно-практической конференции молодежи 26–27 апреля 2011 г. — Киров: ООО «Лобань», 2011. — 315 с. ISBN 978–5-4338–0012–0

4.      Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника:борник / под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2005.

5.      Заворуев В. В., Заворуева О. В. Биолюминесцентная оценка токсичности аэрозоля жилых и офисных помещений / «Оптика атмосферы и океана», том 24, 2011 г., № 06, стр.502–505

6.      Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю. Д. Третьякова. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 2-е изд., испр. и доп. — 368 с.

7.      Зиновкин, Р. А. Нанотехнологии в биологии. 10–11 кл.: учеб. пособие / Р. А. Зиновкин. — М.: Дрофа, 2010. — 124, [4] с. — (Элективные курсы).

8.      Разумовская, И. В. Нанотехнология. 11 класс: учеб. пособие / И. В. Разумовская. — М.: Дрофа, 2009. — 222, [2] с. — (Элективные курсы).

9.      Данилов Д. Н., Семенов Ю. В., Бадьина И. Г. Потерянная размерность. Основы нанотехнологии в естественнонаучном образовании.// В сб. Международный образовательный форум «Открытость. Качество. Развитие», 23–25 марта 2011 г.- Киров: КИПК и ПРО, 2011.- с.80

10.  Белая книга по нанотехнологиям: исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации (по материалам Первого Всероссийского совещания ученых, инженеров, и производителей в области нанотехнологий).- М.: Издательство ЛКИ, 2008.-344 с., цв.вкл.

11.  Ашутов К. М., Степанов С. А., Кротов А. А., Данилов Д. Н.

12.  Нанотехнологии и экологическая безопасность [текст]/в сб.материалов Всероссийской научно-практической конференции молодежи //Экология родного края — проблемы и пути их решения., Киров, 2010, с.205

13.  Использование методов количественного определения нано-материалов на предприятиях наноиндустрии//Гигиена, токсикология, санитария. Методические рекомендации МР 1.2.2639–10., Изд отдела Государственное санитарно-эпидемиологическое нормирование Российской Федерации., — М., 2010

14.  Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований: сборник / под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002.

15.  Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI. М.: Техносфера, 2003.

16.  Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006.

 

Приложение 1.

Список комнатных растений, отобранных для исследования