Екологічна безпека використання наночастинок металів та неметалів у біології

Цехмістренко Світлана Іванівна

д-р с-г наук, професор, завідувач кафедри хімії

Бітюцький Володимир Семенович

д-р с-г наук, професор, завідувач кафедри екології та біотехнології

Цехмістренко Оксана Сергіївна

д-р с-г наук, доцент кафедри харчових технологій і технологій переробки продукції тваринництва

Білоцерківський національний аграрний університет

ЕКОЛОГІЯ (Екологічна безпека)

Екологічна безпека використання наночастинок металів та неметалів у біології

Теперішньому етапу розвитку науки впродовж останніх десятиріч притаманна всебічна мініатюризація технологічних процесів у біології, хімії, медицині та сільському господарстві, що сприяє формуванню принципово нового напрямку – нанотехнології. Наноматеріали є ефективними, недорогими та екологічно чистими альтернативами існуючим матеріалам, оскільки вони забезпечують високу ефективність та відмінні характеристики, зокрема високу швидкість реакції та відношення поверхні до маси [1, 2].

Питання дослідження позитивного ефекту та токсичності наночастинок металів та неметалів неоднозначне й багатогранне, потребує комплексного підходу. Впродовж останнього десятиліття в галузі нанотехнологій з’явилися інноваційні підходи до синтезу різноманітних наноматеріалів, таких як наночастинки металів, квантові точки, наносполуки карбону (фулерени, графени, нанотрубки) та їх композити. Для отримання наноматеріалів необхідних розмірів, форми і функціональних можливостей досліджено два різні принципи синтезу: «зверху-вниз» і «знизу-вгору». Методи синтезу «зверху вниз» – це фізичні методи подрібнення, диспергування об’ємної макроформи до наноформи з використанням високих температур, тиску і вакууму. Ці методи вимагають складної апаратури, є дороговартісними і не дозволяють маніпуляції із розмірами, геометрією і стійкістю наночастинок металів. Методи «знизу вгору» – хімічні та фізико-хімічні, засновані на відновленні катіонів металів до нейтральних атомів металів, які самовільно агрегують до нанорозмірних кластерів. Для синтезу наночастинок фізичними та хімічними методами необхідно використовувати відновлюючі агенти, які мають високу реакційну та токсичну дію за застосування людиною, або вони є екологічно небезпечними та досить дороговартісними. Широкомасштабний синтез також стикається з багатьма проблемами, зокрема низькою стабільністю та меншою монодисперсністю [1–3, 7].

Враховуючи вищесказане, розробка екологічно чистого і недорогого способу синтезу наночастинок має вирішальне значення. Існують численні організми, які здатні синтезувати наночастинки та мають потенціал для їх використання [3, 5]. Для того, щоб усунути недоліки фізичних та хімічних методів, останнім часом інтенсивно розвиваються біонанотехнології (“зелені” нанотехнології). “Зелений” синтез є екологічно чистою альтернативою традиційним методам синтезу і спрямований на уникнення або мінімізацію токсичних складових, що використовуються за фізико-хімічними методами та здатні успішно конкурувати з ними за швидкістю, керованістю, біоконверсією та зменшенням собівартості кінцевої продукції [4].

«Зелений» синтез включає мікробіоту, як відновлюючі агенти, такі як бактерії, гриби, водорості, віруси та рослини. Такі «біонанофабрики» є доступними унікальними структурами, екологічно ефективними та мають високу селективну здатність поглинання окремих елементів. У порівнянні з наночастинками, виготовленими за звичайними підходами, біосинтезовані мають кращу стійкість застосовуються в різних галузях. Токсичні хімікати, що продукуються за синтезу наночастинок, можуть метаболізуватися ензимами, які містяться у мікробіотах та рослинах. Завдяки «озелененню» процесу синтезу наночастинок використання біологічних систем та їх компонентів зумовлює зменшення навантаження на навколишнє середовище та підвищення економічної ефективності, відкриває додаткові можливості створення наночастинок із заданим складом та властивостями. Кожна наносистема є унікальною і специфічною по своїй рецептурі, сумісності з активними молекулами, вибором допоміжних речовин і кінетикою, а також біологічною ефективністю. Наночастинки характеризуються високою поверхневою енергією і схильні до утворення великих агрегатів. Їх розмір, форма та властивості залежать від методів і умов синтезу. Наночастинки, завдяки маленьким розмірам, легко проникають у організм людини та тварин через органи дихання, травлення, шкіру, долають біобар’єри, зв’язуються з нуклеїновими кислотами та білками, вбудовуються в мембрани клітин, проникають в органели зі зміною їхніх функцій та проявляють більш виражену біологічну активність внаслідок великої площі поверхні на одиницю маси [4, 6].

Перевага наноструктур, синтезованих за допомогою “зеленого” підходу, полягає в тому, що біооб’єкти, які використовуються як біофабрики, містять велику різноманітність молекул, одночасно відновлюють та стабілізують поверхню синтезованих наночастинок, отже утворюють шари покриття для забезпечення додаткової стійкості та біосумісності. Істотно, що виробництво наночасточок з використанням рослин має ряд переваг: наявність дешевого матеріалу, низька токсичність, простота, короткі терміни виробництва, безпека, можливість регуляції необхідного обсягу продукції, придатність для великомасштабного виробництва. За біосинтезу in vitro використовуються редокс-активні компоненти вторинних метаболітів рослин. При цьому відбувається ініціювання зародження наночастинок шляхом відновлення іонів металів за рахунок редукуючих сполук, фітохімічних речовин, присутніх у тканинних екстрактах. Ядра у подальшому збільшуються шляхом адсорбції атомів металу після відновлення, що призводить до утворення металевих наночастинок. Складові компоненти живих клітин, такі як вуглеводи, жири, протеїни, ферменти, флавоноїди, терпеноїди, поліфеноли і алкалоїди, здатні асоціювати іони металів до розміру наночастинок.

Біосинтез наночастинок може бути внутрішньоклітинним і позаклітинним. Незалежно від природи редукуючої речовини їх синтез відбувається у ряді послідовних реакцій і взаємодій, у результаті яких досягається рівновага в полідисперсній системі. Виділяють наступні основні фази «зеленого» синтезу: активація – відновлення іонів металів (Меⁿ⁺) і утворення нуль валентних атомів (Ме⁰); нуклеація нейтральних атомів металу з утворенням протонаночастинок; збільшення дрібніших частинок, що утворилися на стадії нуклеації та об'єднання в більш великі агломерати [8].

Методи “зеленої” хімії активно розробляється в останні роки в якості альтернативного, ефективного, дешевого і екологічно безпечного методу отримання поліфункціональних наночастинок із заданими властивостями. Пріоритетом при зеленому синтезі є використання нетоксичних рослин з лікарськими властивостями, що важливо для подальшого їх використання в біології, медицині та харчовій промисловості. Загальний прогрес, досягнутий у біонанотехнології, є надзвичайним, і, що найважливіше, його природоохоронна дія зробила «зелений» синтез більш узагальненою та привабливою альтернативою традиційним методам синтезу наночастинок.

У наших дослідженнях був проведений біотехнологічний синтез наночастинок Селену та діоксиду церію, що відповідає напряму інноваційної діяльності виробників кормових добавок – створення нових біологічно доступних форм, які сприятимуть підтримуванню здоров’я тварин і птиці та позитивно впливатимуть на якісні і кількісні показники їх продуктивності. Проведено доклінічні та клінічні дослідження на лабораторних тваринах, визначено токсикологічні характеристики препаратів, здійснено їх державну реєстрацію, розроблено необхідну нормативну документацію. Науково обґрунтовано та експериментально підтверджено в умовах виробництва ефективність нанопрепаратів Селену та діоксиду церію для корекції адаптивних систем організму птиці (перепелів, курчат-бройлерів та курей-несучок) [4–8].

Сучасна стратегія розвитку аграрного сектору економіки України вимагає одержання вітчизняних препаратів, спрямованих на підвищення продуктивності й покращення якості сільськогосподарської продукції, які мають конкурувати на світовому та європейському ринках.

Література:

1. Борисевич В.Б., Каплуненко В.Г. Наноматериалы и нанотехнологии в ветеринарной практике. Учебное и практическое пособие. К.: Авицена. 2012. – 267 с.


2. Микитюк М.В. Наночастинки та перспективи їх застосування в біології і медицині. Проблемы экологии и медицины. 2011. – 15(5–6). – С. 41–49.


3. Цехмістренко О., Бітюцький В., Цехмістренко С., Харчишин В. Використання наночастинок селену, синтезованих з використанням «зелених» технологій, у годівлі перепелів. Матеріали ІІ міжнар. наук.-практ. конф. «Європейські виміри сталого розвитку». 2020. – С. 62–63.


4. Bityutskyy V.S., Tsekhmistrenko S.I., Tsekhmistrenko O.S., Oleshko O.A., Heiko L.М. Influence of selenium on redox processes, selenoprotein metabolism and antioxidant status of aquaculture facilities. Таврійський науковий вісник. 2020. – 114. – С. 231–240.


5. Tsekhmistrenko O., Tsekhmistrenko S., Bityutskyy V. Nanoscale cerium dioxide as a mimetic of antioxidant protection enzymes. Multidisciplinary conference For young researchers 22 November 2019. – P. 68–71.


6. Tsekhmistrenko O.S., Bityutsky V.S., Tsekhmistrenko S.I., Kharchyshyn V.M., Tymoshok N.O., Spivak M.Ya. Efficiency of application of inorganic and nanopreparations of selenium and probiotics for growing young quails. Theoretical and Applied Veterinary Medicine. 2020, 8(3). – С. 206–212.


7. Tsekhmistrenko S., Bityutskyy V., Tsekhmistrenko O., Merzlov S., Tymoshok N., Melnichenko A., Polishcuk S., Demchenko A., Yakymenko I. Bionanotechnologies: synthesis of metals’ nanoparticles with using plants and their applications in the food industry: a review. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 2021. – 10(6), e1513.


8. Tsekhmistrenko S.I., Bityutskyy V.S., Tsekhmistrenko O.S. Markers of oxidative stress in the blood of quails under the influence of selenium nanoparticles// Impact of modernity on science and practice. Abstracts of XVIII International Scientific and Practical Conference. Boston, USA 2020. – 177–180.