Вопросы исследования растений как биоиндикаторов на наноразмерные объекты

 

В нашем веке трудно представить жизнь человека без технологий. На стыке таких наук как физика, химия и биология появилась молодая, но не менее перспективная область науки.

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 — наномашины [4].

Но все ли нам известно об экологической безопасности вновь открываемых и создаваемых материалов, лежащих в области «нано»? В полной ли мере человек овладел механизмами, управления наноразмерными частицами?

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, часто специалистами говорится об экологических рисках при действии нанообъектов 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]. Также, ученые из Эдинбургского университета выяснили, что углеродные нанотрубки вредны. Так как сама трубки очень тонкие и длинные (диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров), а иммунитет человека не готов к такому «маленькому врагу». Попадая в лёгкое через дыхательную систему нанотрубка поражает его. В свою очередь, иммунитет человека не реагирует на такое инородное тело. Уже сейчас мы видим, что накопление наноразмерных объектов приносит вред здоровью человека. [8]

Однако, в настоящее время о неконтролируемых выбросах наночастиц в окружающую среду информации мало. 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.

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. 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 положение подчёркивает экологическую направленность и усиливает актуальность и необходимость проведения дополнительных исследований действия наноразмерных объектов на организм человека.

Целый ряд ученых настоятельно рекомендуют ускорить проведение широкомасштабных исследований, нацеленных на выяснение опасностей и рисков, связанных с загрязнением среды обитания наночастицами [9]. 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].

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.

Раннее было проведено исследование, в ходе которого были сделаны выводы о справедливости двух гипотез:

1.                Растения, в силу особенностей строения первичной защитной покровной ткани (экзодерма, эпидерма) способны накапливать наноразмерные объект
2.                Различные растения, в силу особенностей строения индивидуальны в накоплении наноразмерных объектов. [17]

А также, в результате работы было доказано наличие наноразмерных объектов в растениях; определены растения, которые являются потенциальными природными накопителями наноразмерных объектов, т. е. биоиндикаторами на наночастицы. 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).

Установлено влияние наличия наноразмерных объектов в воздухе на их наличие в растениях.

Исследования, по доказательству второй гипотезы, целесообразно было разбить на три этапа. Это обусловлено выбором растений (образцов для исследования). Был использован следующий подход. На первом этапе мы решили ограничиться набором комнатных растений в силу того, что этот набор позволяет проводить оперативные круглогодичные исследования; обеспечивает доступность образцов исследования; поддерживает высокую мобильность в перемещении образцов; значим для человека; широко распространен в учебных заведениях.

Для работы по второй гипотезе, произвольным образом были выбраны 16 наиболее распространенных комнатных растений.

На втором этапе мы планируем ограничиться группой садово-парковых растений. На третьем этапе — выбрать растения из дикой природы.

Проведя данное исследование, мы подтвердили гипотезы. Однако остался ряд вопросов:

Почему одни растения накапливают наноразмерные объекты в большей мере по сравнению с другими, находясь в одинаковой среде?

Рассмотрим два образца- Традесканцию ладьевидную (Callisia navicularis) и Хлорофитум хохлатый (Chlorophytum comosum). По результатам исследования первый образец является лидером в накоплении наноразмерных объектов из списка изучаемых растений. Полный перечень отобранных для эксперимента растений приведен в приложении 1.

Тогда как второй образец находится в тройке растений, которые хуже остальных накапливают наночастицы.

Чем может объясняться разница в накоплении наночастиц? Предположу, что, во-первых, это может быть связано с работой устьичного аппарата, его размеров и количества устьиц на листьях исследуемых растений.

У хлорофитума количество устьиц превышает количество у традесканции. При этом традесканция является суккулентом, а значит испарение воды с поверхности листа значительно ниже, чем у хлорофитума. [16]

Также известен тот факт, что образец 2 является очистителем воздуха. Российские ученые его рекомендуют устанавливать в Детских садах и школах. А специалисты НАСА на космических кораблях. Российские ученые доказали уникальную способность Хлорофитума полностью ассимилировать вредные газы в течении суток.

Отсюда вытекает следующий вопрос: почему хлорофитум хуже остальных испытуемых накапливает наноразмерные объекты?

Во-вторых, это может быть связано с работой проводящих тканей растений (флоэмы и ксилемы). Возможно здесь играют роль размеры пор между трахеидами ксилемы.

Этот вопрос следует рассмотреть на уровне физиологии растений, также, как и следующий, который мы получаем при исследовании. Как происходит выброс наночастиц растениями? Здесь мы касаемся вопроса о времени, количества наночастиц и, собственно, самого процесса выброса.

Если растение накапливает наноразмерные объекты, значит оно должно от него как-то избавляться. Следует определить через ткани какого органа происходит данный процесс, так как здесь есть возможность определить где в растении происходит максимальное накопление. Возможно существуют и временные рамки данного процесса, что поможет ограничить поступление наноразмерных объектов в воздух помещений, а значит снизить риск вреда здоровью человека. Определение графиков роста и уменьшения концентрации наноразмерных объектов в растении при изменении параметров внешней среды может существенно обезопасить жизнь человека.

Итак, несмотря на неизученность влияния наноразмерных объектов уже сейчас мы можем сказать о том, что существует большая вероятность отрицательного влияния на организм человека и окружающей среды в целом.

В природе существуют растения — биологические накопители наноразмерных объектов. Есть основания выделить их в отдельную группу и использовать в сочетании с другими методами при проведении биомониторинга природных сред и объектов, накопления, и последующего изучения свойств наноразмерных объектов.

Вопросы, выделенные в данной статье должны помочь обезопасить жизнь человека от наноразмерных объектов.

 

Приложение 1

Список комнатных растений, отобранных для исследования:

№	Русское название	Латинское название
1	Хлорофитум	Chlorophytia
2*	Пеперомия туполистная	Peperomia obtusifolia
3	Традесканция	Tradescantia
4	Монстера	Monstera
5	Спатифиллум	Spatiphyllum
6*	Толстянка	Crassula ovata
7	Нефролепис	Nephrolepis
8*	Фиалка	Fialka Ma’s Country Boy
9	Тетрастигма Вуанье	Tetrastigma
10*	Бегония краснолистная	Begonia erythrophylla
11	Гиппеаструм, амарилис	Amaryllidaceae
12*	Молочай беложилковый	Euphorbia leuconeura
13	Цитрус	Citrus
14	Пеларгония, герань	Pelargonium
15	Аспидистра	Аspidistra
16*	Бегония	BegoniaEmerald Lacewing

 

Литература:

 

1.                Экологический мониторинг: Учебно-методи¬ческое 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. 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
12.            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
13.            Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований: сборник / под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002.
14.            Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI. М.: Техносфера, 2003.
15.            Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006.
16.            Якушкина Н. И., Бахтенко Е. Ю. Физиология растений. — М.: Гуманитар. Изд. Центр ВЛАДОС, 2005.
17.            Михалёва А. В. Биоиндикация наноразмерных объектов. //в спецвыпуске «Молодой ученый», Международная научно-практическая конференция. «Глобальные проблемы безопасности и готовность к ним общества» РГПУ им. А. И. Герцена