Сравнительная оценка биологической активности комплекса ультрадисперсных частиц на основе меди и цинка в тесте ингибирования биолюминесценции

Современные методы нанотехнологии позволяют преобразовывать макро- и микрообъекты в ультрадисперсные частицы (УДЧ), при этом сам процесс сопровождается изменением химических и физических свойств основного материала. Закономерно, биоактивность комплексов УДЧ микроэлементов будет отличаться от таковой у отдельных УДЧ. В связи с этим, цель нашего исследования состояла в изучении зависимости биологической активности комплекса УДЧ меди и цинка от их физико-химических характеристик. В эксперименте были использованы три образца УДЧ медь + цинк (A, B, C), полученные путем газофазного синтеза.
Анализ полученных данных позволил констатировать, что высоким уровнем токсичности исследуемых образцов УДЧ в отношении штамма E.coli E. coli K12 TG1 pF1 обладал образец «С», процент фазы металлического цинка, в котором, в сравнении с другими тестируемыми порошками, наибольший, а процент фазы металлической меди наименьший.
В результате, данные на основе реакции штаммов E.coli pSoxS::lux и E. coli pKatGlux, индукция свечения которых связана с развитием окислительного стресса в клетках при действии исследуемых образцов комплекса медь+цинк позволила выявить образец с максимальным эффектом – «С». Далее по степени развития токсического эффекта в ряду убывали образцы «B» и «A». В тоже время, интерпретация результатов отклика штамма E. coli pRecA-lux, формировало иной ряд специфичности: наибольший эффект на клетки бактерий среди исследуемых веществ оказывал образец «B».
Исходя из полученных данных, в нашем исследовании степень биологической активности УДЧ для живой системы определялась совокупностью ряда физико-химических параметров: форма, фазовый состав и удельная поверхность. Так, высокий уровень токсичности коррелировал с наибольшим процентом фазы металлического цинка, наименьшим процентом металлической меди и оксидного слоя цинка в сочетанием с наименьшей удельной поверхностью.

1. Patra, A. Progress and Prospect of Essential Mineral Nanoparticles in Poultry Nutrition and Feeding-a Review / A. Patra, M. Lalhriatpuii // Biological trace element research. – 2020. – Vol. 197. – No 1. – P. 233– 253. – DOI 10.1007/s12011-019-01959-1.

2. Mohd Yusof, H. Microbial synthesis of zinc oxide nanoparticles and their potential application as an antimicrobial agent and a feed supplement in animal industry: a review / H. Mohd Yusof, R. Mohamad, U.H. Zaidan, N.S. Abdul Rahman // Journal of animal science and biotechnology. – 2019. – Vol. 10. – P. 57. DOI 10.1186/s40104-019-0368-z.

3. Сизова, Е.А. Сравнительная характеристика токсичности ультрадисперсных частиц меди, цинка и их сплавов в тесте ингибирования бактериальной биолюминесценции / Е.А. Сизова, Е.В. Яушева, К.С. Нечитайло, А. П. Иванищева // Животноводство и кормопроизводство. 2019. – Т. 102. - № 4. – С.10-22.

4. Nookabkaew, S. Concentrations of Trace Elements in Organic Fertilizers and Animal Manures and Feeds and Cadmium Contamination in Herbal Tea (Gynostemma pentaphyllum Makino) / S. Nookabkaew, N. Rangkadilok, N. Prachoom, J. Satayavivad // Journal of agricultural and food chemistry. – 2016. – Vol. 64. – No 16. – P. 3119–3126. – DOI 10.1021/acs.jafc.5b06160.

5. Joshua, P.P. Effect of in ovo supplementation of nano forms of zinc, copper, and selenium on post-hatch performance of broiler chicken / P.P. Joshua, C. Valli, V. Balakrishnan // Vet World. – 2016. - Vol 9. – No 3. – P. 287-294. – DOI 10.14202/vetworld.2016.287-294.

6. Hassan, S. Nano-particles of Trace Minerals in Poultry Nutrition: Potential Applications and Future Prospects / S. Hassan, F.U. Hassan, M.S. Rehman // Biological trace element research. – 2020. – Vol. 195. – No 2. – P. 591–612. – DOI 10.1007/s12011-019-01862-9.

7. Madden, A.S. A test of geochemical reactivity as a function of mineral size: manganese oxidation promoted by hematite nanoparticles / A.S. Madden, M.F. Hochella // Geochim Cosmochim Acta. – 2005. – Vol. 69. – P. 389–398.

8. Tiede, K. Detection and characterization of engineered nanoparticles in food and the environment / K. Tiede, A.B. Boxall, S.P. Tear [et al.] // Food additives & contaminants. Part A, Chemistry, analysis, control, exposure & risk assessment. – 2008. – Vol. 25. – No 7. – P. 795–821. DOI 10.1080/02652030802007553.

9. Xia, T. The role of reactive oxygen species and oxidative stress in mediating particulate matter injury / T. Xia, M. Kovochich, A. Nel // Clinics in occupational and environmental medicine. – 2006. - Vol. 5. – No 4. – P. 817–836. DOI 10.1016/j.coem.2006.07.005.

10. Youn, S.M. Food Additive Zinc Oxide Nanoparticles: Dissolution, Interaction, Fate, Cytotoxicity, and Oral Toxicity / S.M. Youn, S.J. Choi // International journal of molecular sciences. - 2022. – Vol. 23. – No 11. - P. 6074. DOI 10.3390/ijms23116074.

11. Sizova, E. Comparative Characteristic of Toxicity of Nanoparticles using the test of Bacterial Bioluminescence / E. Sizova, S. Miroshnikov, E. Yausheva, D. Kosyan // Biosci Biotech Res Asia. – 2015. – Vol. 12. - No 2. – P. 361-368.

12. Ovrevik, J. Chemical composition and not only total surface area is important for the effects of ultrafine particles / J. Ovrevik, P.E. Schwarze // Mutation Research/ Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. – 2006. – Vol. 594. – No 1-2. – DOI 201–202. doi:10.1016/j.mrfmmm.2005.10.002.

13. Yu, Z. Reactive Oxygen Species-Related Nanoparticle Toxicity in the Biomedical Field / Z. Yu, Q. Li, J. Wang [et al.] // Nanoscale research letters. – 2020. – Vol. 15. – No 1. – P. 115. DOI 10.1186/s11671-020-03344-7.

14. Forest, V. Preferential binding of positive nanoparticles on cell membranes is due to electrostatic interactions: A too simplistic explanation that does not take into account the nanoparticle protein corona / V. Forest, J. Pourchez // Materials science & engineering. C, Materials for biological applications. – 2017. – Vol. 70. - No 1. – P. 889–896. DOI 10.1016/j.msec.2016.09.016.

15. Дерябин, Д.Г. Исследование механизмов антибактериальной активности НЧ меди в тестах на люминесцирующих штаммах Escherichia Coli / Д.Г. Дерябин, Е.С. Алешина, А.С. Васильченко, Т.Д. Дерябина, Л.В. Ефремова, И.Ф. Каримов, Л.Б. Королевская // Российские нанотехнологии. - 2013. - Т. 8, № 5-6. - С.113-118