Бактериальная люминесценция марганец- и кобальтсодержащих ультрадисперсных частиц (Mn2O3 и Co3O4) в рубцовой жидкости

Наряду с основными нутриентами (белками, жирами и углеводами) важное значение в кормлении сельскохозяйственных животных, включая крупный рогатый скот и птицу, имеют минеральные элементы (Д.В. Машнин с соавт., 2022; Т.М. Околелова с соавт., 2018). Они включаются в состав премиксов в неорганическом или органическом виде (М.Ю. Мишанин с соавт., 2021; О.С. Кощаева, 2018). Однако более перспективны нанокомпозиции, свойства которых могут быть смоделированы посредством изменения формы, путей синтеза и размера ультрадисперсных частиц (УДЧ) (S. Miroshnikov с соавт., 2019). Вместе с тем использование УДЧ имеет ряд ограничений, связанных с их потенциальной токсичностью (E. Rusakova соавт., 2015). Также известно, что симбионтная микрофлора формирует многокомпонентную суспензию органических веществ, промежуточных и конечных метаболитов микробиома, способных взаимодействовать с УДЧ (Б.С. Нуржанов с соавт., 2019). В настоящей работе впервые установлена динамика люминесценции бактериального тест-объекта при внесении в питательную среду комплекса УДЧ и рубцовой жидкости. Показано, что эта комбинация нивелирует токсичность наноструктур. Целью нашей работы была оценка свойств ультрадисперсных частиц на примере различных концентраций окиси марганца и кобальта в биохимической среде руминального сообщества на основе метода ингибирования бактериальной люминесценции. Исследование проводили на базе центра «Нанотехнологии в сельском хозяйстве» ФГБУ ФНЦ БСТ РАН (г. Оренбург) в 2022 году. Химически чистые для анализа (99 %) УДЧ окиси марганца Mn2O3 и кобальта Co3O4 в количестве 157,8 и 240,7 мг диспергировали ультразвуком частотой 35 кГц в 1 мл дистиллированной воды в течение 30 мин при 25 °C. Отбор рубцовой жидкости (РЖ) проводили через хроническую фистулу рубца (d = 80 мм, «ANKOM Technology Corporation», США) спустя 3 ч после кормления у быка породы казахская белоголовая, основной рацион которого включал 30 % концентратов и 70 % грубых кормов без добавления УДЧ. Использовали люминесцентный бактериальный тест «Эколюм» («НВО ИММУНОТЕХ», Россия), представленный лиофилизированной культурой микроорганизмов Escherichia coli , несущих гибридную плазмиду pUC19 с клонированными lux CDABE генами P. leiognathi 54D10. В биолюминесцентном планшете проводили серию двукратных разбавлений суспензии УДЧ и РЖ, начиная со следующих значений: 50 мкл Mn2O3 (1 моль/л) + 50 мкл РЖ; 50 мкл Co3O4 (1 моль/л) + 50 мкл РЖ; 50 мкл Mn2O3 (1 моль/л) + 50 мкл дистиллированной воды; 50 мкл Co3O4 (1 моль/л) + 50 мкл дистиллированной воды; 100 мкл РЖ; 100 мкл дистиллированной воды (контроль). Затем в каждую ячейку добавляли по 100 мкл тест-системы «Эколюм», получая итоговые концентрации УДЧ от 0,25 до 0,00025 моль/л и разведения РЖ от 1:2 до 1:2048 в чистом опыте и от 1:4 до 1:4096 в опыте с УДЧ. Токсичность исследуемых образцов определяли на многофункциональном микропланшетном ридере TECAN Infinite F200 («Tecan Austria GmbH», Австрия), фиксируя значение люминесценции бактериального штамма E. coli K12 TG1 в среде с разным содержанием ультрадисперсных частиц и рубцовой жидкости в течение 3 ч с периодом 5 мин. На основе полученных данных строили графики, отражающие динамику ингибирования биолюминесценции, и вычисляли индекс токсичности (T). Также рассчитывали относительное значение биолюминесценции (A). Установлено, что УДЧ в чистом виде вызывают дозозависимое ингибирование бактериальной люминесценции, подавляя свыше 50 % свечения (ЕС50) даже при разведении в 2048 раз (0,00025 моль/л). Значения индекса токсичности, при вычислении которого контроль принимается за 100 %, наглядно свидетельствуют о снижении ядовитых свойств суспензий с уменьшением в них доли УДЧ. Для Mn2O3 эта величина составляла от 89,76 % при концентрации 0,25 моль/л до 38,57 % при 0,00025 моль/л на 1-й мин эксперимента и от 95,16 до 52,85 % в конце 3-го ч; для Co3O4 - соответственно 99,44 и 32,80 % на 1-й мин, 99,43 и 54,72 % в конце 3-го ч. Аналогичные показатели в опыте с рубцовой жидкостью проявлялись лишь на первых минутах экспозиции, после чего светимость значительно возрастала, достигая 769,10 % к контролю при 64-кратном разведении. При комбинации рубцовой жидкости с УДЧ наблюдалась регрессия ядовитых свойств последних, хотя максимальные показатели светимости в комплексе с Mn2O3 составляли лишь 43,28 % от аналогичных для нативной РЖ, в сочетании с Co3O4 - 36,44 %. Наблюдаемые изменения люминесценции были разделены на три типа: контрольный (свечение меняется пропорционально фазам роста бактериальной культуры; без добавок); глубокий (подавление люминесценции на протяжении всего периода экспозиции; с добавлением УДЧ); конкурентный (рост свечения от начала к концу опыта; с добавлением РЖ или комплекса РЖ + УДЧ). Таким образом, сочетание рубцовой жидкости с частицами окислов металлов приводит к ингибиции их токсичности по отношению к тест-объекту.