21..06 Диплом Кольцова (1220065), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Таким образом, оксиды нанометаллов оказывают неоднозначное действие на показатели раннего онтогенеза озерной лягушки. Так 3 из 4 изученных оксидов нанометаллов (кобальт, железо, никель) снижают смертность головастиков при их помещении в растворы сточных вод сахарных заводов, особенно это действие проявляется при добавлении оксида кобальта. Эти же оксиды ускоряют темпы роста головастиков в растворах сточных вод, при этом наибольший средний прирост отмечен у головастиков в растворах оксида железа. Однако добавление оксидов железа, кобальта и никеля к чистой воде существенно не меняет биологические показатели головастиков озерной лягушки. Только оксид меди оказывает противоположное воздействие, он вызывает в каждом из исследованных вариантов опыта ускоренную (и 100%-ную) гибель головастиков озерной лягушки.
2.6 Влияние наночастиц на морфофизиологические параметры растений
С развитием нанотехнологий особое значение имеют проблемы, связанные с возможным воздействием техногенных наночастиц на жизнедеятельность живых организмов, в том числе растений. В первых экспериментальных исследованиях, связанных с биотестированием наночастиц, предпочтение растениям было отдано не случайно. Растительные организмы являются разнообразными и доступными объектами, использование которых в скрининг-исследованиях помогает оценить специфичность воздействия наночастиц и их дозозависимые эффекты. Таким образом, чувствительность растений можно рассматривать как индикатор экотоксичности наноматериалов. Кроме того, растения представляют интерес для исследователя и как высокоинформативные экспериментальные модели, позволяющие проанализировать большие объемы биологического материала в течение вегетационного опыта в полевых условиях.
Имеющиеся доступные немногочисленные литературные сведения по биотестированию опасности наночастиц не дают четких представлений об их воздействии на растительный организм. Они либо крайне противоречивы относительно влияния наноматериалов на скорость прорастания семян, рост корней и надземной части растений, либо трудно сопоставимы как по дозам и размерности наночастиц, так и по видам растений и ограничены в основном попытками оценить чувствительность растений по изменению морфологических показателей. Экспериментальных данных, связанных с изучением влияния наночастиц на биохимические и физиологические процессы в листьях растений, практически нет. Однако необходимость и важность таких исследований определяются тем, что именно растения являются основанием «пищевой пирамиды» на нашей планете, и сохранение оптимальной экологии полноценной «пищевой цепочки», включая человека, является актуальной задачей современной науки и природопользования.
Ученые Научно-исследовательского института биологии и биофизики Томского государственного университета провели исследование, цель которого заключалась в изучении действия наночастиц диоксида титана и оксида алюминия на морфологические параметры растений, содержание в листьях фотосинтетических пигментов и амарантина в лабораторно-полевом опыте [4].
Объектами исследования служили растения: фасоль обыкновенная, Phaseolus vulgaris L., сорт Бийчанка; пшеница мягкая яровая, Triticum aestivum L.,сорт Новосибирская 29; амарант багрянец, Amaranthus cruentus L., сорт Чергинский. Семена растений высевали на опытные делянки в 3 повторностях.
Перед посевом семена контрольных растений замачивали в дистиллированной воде: фасоли – в течение двух суток, пшеницы и амаранта – в течение суток.
Семена опытных растений замачивали по аналогичной схеме в суспензиях наночастиц TiO2, размером 5 нм, и Al2O3, размером 7 нм, в концентрациях 8,9
и 5,5 мг/л соответственно. В течение вегетационного опыта растения дважды опрыскивали суспензиями этих частиц: в 18-дневном возрасте в концентрациях 8,7 мг/л (TiO2) и 7 мг/л (Al2O3), в 27-дневном – 9,5 и 3,5 мг/л соответственно. В эти же сроки контрольные растения опрыскивали водой.
Как показали результаты измерений высоты у 21-дневных растений, замачивание семян и последующая однократная обработка растений суспензиями наночастиц оксидов титана и алюминия не оказали влияния на скорость роста растений фасоли и пшеницы на начальной стадии их развития по сравнению с контрольными растениями. У растений амаранта при воздействии суспензией наночастиц оксида алюминия наблюдалось замедление роста по сравнению не только с контрольными (на 20%), но и опытными растениями, обработанными наночастицами TiO2 (на 15%). Более высокая токсичность наночастиц алюминия, наблюдаемая у амаранта в данном эксперименте, подтверждается исследованиями, в которых установлен ряд токсичности наночастиц металлов, в том числе и алюминия.
Оценивая полученные данные с позиций чувствительности пигментов растений к данному фактору, можно сказать, что все исследованные культуры являются в большей или меньшей степени чувствительными к воздействию наночастиц. Наиболее стабильным фотосинтетическим аппаратом обладает фасоль, устойчивость которой проявилась к действию как наночастиц диоксида титана (за исключением каротиноидов), так и наночастиц оксида алюминия.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что предпосевная обработка семян, а затем и опрыскивание вегетирующих растений фасоли, пшеницы и амаранта суспензиями наночастиц оксидов титана и алюминия вызывают не только неоднозначные изменения морфофизиологических параметров, но и выявляют разную чувствительность этих культур к данным видам наночастиц.
В настоящее время идет стремительное накопление экспериментального материала, который свидетельствует о том, насколько уникальны и разнообразны по своим проявлениям наночастицы, даже если они состоят из одного и того же химического вещества. Их свойства зависят не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры наночастиц, но и от биологической модели, на которой проводятся испытания. Как показали результаты проведенных исследований, из всех использованных растений наиболее устойчивой к воздействию наночастиц, как по морфологическим, так и по физиологическим показателям, оказалась фасоль. Это соответствует литературным данным о том, что некоторые растения (тыква, лимская фасоль) обладают способностью отфильтровывать наночастицы, избегая их воздействий, в отличие от других культур (капуста, морковь, пшеница, огурец, соя), которые их аккумулируют.
Среди перечисленных выше культур, способных аккумулировать наночастицы, находится пшеница, чувствительность которой к наночастицам оксидов титана и алюминия подтверждается экспериментальными данными. Проростки растений пшеницы, не отличаясь по скорости роста от контрольных образцов, проявляли избирательную чувствительность к воздействию наночастиц титана и алюминия. Это определило специфику изменений их морфофизиологических параметров: стабильность функционирования фотосинтетических пигментов, повышение урожайности, улучшение структуры урожая у растений TiО2-группы и, наоборот, увеличение фотосинтетической активности у растений Al2O3-группы, которое не сопровождалось изменением урожайности.
3 Методы исследования наночастиц
Бурное развитие нанонауки в последние годы происходит благодаря доступности методов определения строения и структуры нанообъектов. Среди них важнейшая роль принадлежит электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии («наноскопии»).
Высокая поверхностная энергия наночастиц обуславливает их почти мгновенную коагуляцию в воздухе рабочей зоны и образование крупных оседающих хлопьев. Наглядно воздушную коагуляцию наночастиц демонстрирует процесс возникновения табачного дыма, благодаря которому он и становится виден. Для наночастиц весовой метод определения их содержания в воздухе непригоден. Любые варианты счетного метода также недостаточно информативны. Для характеристики экспозиции наночастиц в воздухе рабочей зоны наиболее приемлемой и доступной в настоящее время, по-видимому, можно признать двухэтапную комбинацию определения весовой концентрации респирабельной фракции пыли с последующим определением суммарной поверхности отобранной пылевой навески методом адсорбции азота или другого инертного газа по БЭТ. В результате рассчитываются величины удельной поверхности витающих наночастиц на конкретном рабочем месте. Именно по этому показателю – величине удельной поверхности витающей пыли – и следует нормировать предельно допустимую концентрацию наночастиц в воздухе рабочей зоны. В дальнейшем перспективными, вероятно, могут стать устройства прямого определения суммарной поверхности наночастиц, основанные на высокой адсорбционной способности их поверхности. Например, может быть использовано изменение стандартной концентрации светящегося газообразного эталонного вещества при прохождении через измерительную кювету прибора воздушного потока с наночастицами. Президиум РАМН среди 5 наиболее актуальных направлений изучения нанотехнологий выделил исследования: 1) фундаментальных аспектов взаимодействия наночастиц с клеточными и субклеточными структурами организма; 2) проблемы безопасности при разработке и использовании нанотехнологий и наноматериалов [19].
С 1 декабря 2007 года введены в действие методические рекомендации по «Оценке безопасности наноматериалов», утвержденные руководителем Роспотребнадзора, главным санитарным врачом РФ, академиком РАМН Г.Г. Онищенко. Методические рекомендации разработаны с целью обеспечения единого научно-обоснованного подхода к оценке безопасности наноматериалов на этапах разработки, экспертизы и государственной регистрации подобной продукции. В методических рекомендациях, для изучения взаимодействия наночастиц с биологическими макромолекулами и клеточными мембранами, и для выяснения возможности проникновения через биологические барьеры рекомендованы следующие 13 методов:
- сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия;
- атомно-силовая микроскопия;
- светооптическая флуоресцентная микроскопия;
- светооптическая конфокальная микроскопия;
- спектрометрия деполяризации флуоресценции;
- спектрометрия кругового дихроизма;
- спектрофлуориметрия;
- ЯМР-спектроскопия;
- ЭПР-спектрометрия;
- масс-спектрометрия;
- метод радиоактивных индикаторов;
- аналитическое ультрацентрифугирование;
- жидкостная хроматография высокого разрешения.
3.1 Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия
Обычный оптический микроскоп, даже самого лучшего качества, не дает возможности разглядеть не только отдельные атомы, но и наночастицы. Это связано с тем, что в нем для получения изображения используют видимый свет, длина волны которого составляет 400–700 нм. Из волновой оптики известно, что излучение с длиной волны не позволяет различить два объекта, если расстояние между ними значительно меньше. Поэтому в оптический микроскоп можно увидеть живые клетки, размер которых составляет микроны (т.е. тысячи нанометров), но более мелкие объекты видны не будут. Для этого требуется излучение со значительно меньшей длиной волны.
Выход был найден в начале 1930-х гг., когда немецкие инженеры Э.Руска и М.Кнолл предложили вместо света использовать поток электронов, которые, как известно, обладают волновыми свойствами, причем движущемуся электрону соответствует определенная длина волны, которая зависит от его энергии. В 1931 г. Руска и Кнолл создали первый электронный микроскоп, способный увеличивать изображение всего в 400 раз, однако он уже воплощал все принципы, используемые и в современных приборах. В настоящее время с помощью электронных микроскопов можно добиться увеличения в 90 млн раз и добиться пространственного разрешения в 0,06 нм, что меньше размера большинства атомов.
Устройства оптического и электронного микроскопа имеют много общего. Они состоят из источника излучения, системы фокусировки излучения на изучаемом объекте и регистрирующего устройства – детектора. В электронном микроскопе в качестве источника электронов используется электронная пушка, для фокусировки пучка электронов применяют электромагнитные линзы, а в качестве детектора – люминесцентный экран.
По методике измерения различают просвечивающие и сканирующие (растровые) электронные микроскопы. Они дают различную информацию об объекте и часто используются совместно.
В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) пучок электронов проходит через очень тонкий (< 100 нм) слой вещества, давая информацию о его внутренней микроструктуре (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 Сравнение оптического и электронного микроскопов
Микроскоп представляет собой устройство, состоящее из длинной широкой трубы – электронной пушки, конденсора (электронная линза) и люминесцентного экрана, соединенного с фотокамерой или компьютером, на котором и возникает изображение. Электронная пушка содержит вольфрамовую нить, раскаляемую добела электрическим током. При такой температуре атомы вольфрама начинают испускать электроны. Весь путь электронов от пушки до объекта проходит в высоком вакууме, т.к. электроны ионизируют любой газ. В более мощных микроскопах электроны генерируют при помощи кристалла кремния, находящегося в сильном электрическом поле. Объект помещают на предметный столик не в виде куска, а в форме пленки или тонкого среза. При работе микроскопа объект просвечивают пучком электронов. Изображение формируется вследствие того, что разные атомы рассеивают и поглощают электроны с разной эффективностью.
Электронная микроскопия дает наилучшие результаты для пленок с толщиной, сравнимой с длиной свободного пробега. В существенно более тонких пленках рассеяние слишком мало, для того чтобы получить полезное изображение, в то время как в более толстых пленках преобладает многократное рассеяние, размывающее изображение и делающее его трудно интерпретируемым. Электроны гораздо более сильно взаимодействуют с веществом, чем рентгеновские лучи или нейтроны со сравнимой энергией или длиной волны. Так, для обычного упругого рассеяния электронов с энергией 100 кэВ длина свободного пробега электрона, т.е. среднее расстояние, проходимое электроном между двумя актами рассеяния в веществе, составляет от нескольких десятков нанометров для легких атомов до десятков и даже сотен нанометров для тяжелых атомов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
