Экотоксикология нано- и микрочастиц минералов

Атмосферные природные взвеси – абиотический фактор среды, неинертный по отношению к живым организмам, вызывающий различные ответные реакции в зависимости от размера частиц и их минерального состава. Организмы на Земле с момента возникновения жизни и по настоящее время находятся под действием частиц атмосферных взвесей и должны были адаптироваться к ним. Механизм дыхания у животных и человека реализуется так, что позволяет выводить из организма самую опасную наиболее мелкую фракцию взвеси. Очистка обусловлена турбулентным характером движения вдыхаемого воздуха, возникающего из-за винтового гофрированного рельефа трахеи и бронхов, а также из-за противотока газов при вдохе-выдохе [11, 12]. Помимо ингаляционного пути частицы минералов могут проникать в организм животных перорально, а также через кожу и слизистые поверхности.

В атмосфере и гидросфере частицы минералов находятся в разных состояниях и формах. Известно, что в атмосферных аэрозолях преобладают частицы размером менее 1 мкм [7]. По данным Х.Е. Юнге (1965), частицы размером менее 0,1 мкм составляют не более 10-12% аэрозольного вещества [16]. По другим данным, доля частиц размером менее 5 мкм составляет 95%, но по массе – всего 7% [7]. Есть сообщения [2, 9, 10], что 95% частиц имеют размер более 1 мкм, и доля частиц менее 1 мкм составляет менее 12%. Считается, что крупные фракции аэрозолей оседают ближе к источнику пыли, поэтому в отдалениях от них, например, в центральной части Тихого океана, вся взвесь мелкодисперсная [7]. По мнению Ф.Ф. Давитая (1971), колебания концентрации частиц атмосферных взвесей, могут воздействовать на всю биосферу, меняя климат на всей планете [9]. Частицы минералов по-разному влияют на организмы и иногда оказывают

прямопротивоположные биологические эффекты: от пневмокониозов и мезотелиом до антиоксидантного, иммуностимумирующего и криопротекторного [8]. Какие же параметры частиц могут определять те или иные биологические свойства? По нашему мнению, экологические и биологические эффекты минеральных нано- и микрочастиц должны зависеть (помимо степени их концентрации) от их физико-химических свойств.

Материалы и методы. Для изучения биологических эффектов частиц минералов нами было проведено физико-химическое и минералогическое исследование образцов. Были исследованы цеолиты различных месторождений Сибири и Дальнего Востока: Люльин-ского, Холинского, Вангинского, Лютогского, Чугуевского, Огоньковского, Милоградовско-го с помощью методов атомной абсорбции, рентгено-флуоресцентного, нейтронноактивационного, гамма-спектрометрического анализов (Институт геологии и минералогии СО РАН), ИК-спектроскопии, адсорбции азота при 77К и ртутной порометрии (Институт катализа СО РАН), ЯМР-спектроскопии (Институт неорганической химии СО РАН). Указанные породы содержали цеолиты (клиноптилолит и гейландит) от 16% (Чугуевское) до 71% (Люльинское). В этих образцах установлено содержание 8 породообразующих, 10 редкоземельных, 27 редких и радиоактивных элементов и тяжелых металлов. В образцах цеолитов Лютогского, Чугуевского и Холинского месторождений преобладала вода, адсорбированная на поверхности микрокристаллов и пор, в образцах цеолитов Лютогского, Куликовского и Милоградовского месторождений обнаружены протонированные димеры воды, что свидетельствует о большей доступности кислотных ОН-групп этих цеолитов. Содержание льюисовских кислотных центров, связанных с Al³⁺, в цеолитах изменяется от 4 мг/г (Лютогское) до 30 мг/г (Куликовское).

Результаты. Проведенные физикохимические исследования частиц позволили выделить их основные характеристики, влияющие на биологически активные свойства минералов:

• 1)    Размер частиц. На сегодняшний день имеются сотни сообщений, что наночастицы обладают более выраженными токсическими свойствами, чем микрочастицы того же материала. Этим обусловлено и выделение особой области в токсикологии - нанотоксикологии. Объясняется это способностью наночастиц проникать через биологические мембраны и барьеры, накапливаться в тканях и органах. Важно отметить, что на данный момент не

показано, каким образом организм может утилизировать и обезвреживать наночастицы.

• 2)    Текстурные (удельная поверхность, число микро- и мезопор). Анти- или проокси-дантные свойства частиц цеолитов, по мнению С. Ивковича с соавторами [17] и В. Сверко с соавторами [20], зависят от их способности сорбировать активные формы кислорода и другие радикалы в поверхностных порах. Ранее нами был установлено [8], что частицы цеолита Вангинского месторождения размером 1-10 мкм проявляют себя преимущественно как антиоксидант, а частицы Куликовского месторождения - как прооксидант. Методом ртутной порометрии (табл. 1) нами было показано, что у цеолитов Вангинского месторождения удельная поверхность мезопор в 2 раза больше, чем у цеолитов Куликовского месторождения. Как видно, для цеолитов Вангин-ского месторождения характерна более развитая удельная поверхность, чем для Куликовского, и соответственно более высокая сорбционная активность.

Таблица 1. Текстурные характеристики природных цеолитов Вангинского и Куликовского месторождений

Примечание: * БЭТ - метод Брунауэра-Эммета-Теллера.

Известно, что микрочастицы некоторых минералов (например, кварца) при попадании в живой организм выступают в качестве источника свободных радикалов [15]. Скорее всего именно с такими микрочастицами связаны повреждения мембран клеток. Сам процесс такого «повреждения» также заслуживает отдельной дискуссии. Скорее всего, речь идет не о механическом повреждении, а о физикохимическом контакте мембраны клетки с поверхностью минералов через процессы перекисного окисления липидов как сигнальную систему, и, в зависимости от типа минералов и их физико-химических свойств, это проявляется в разных ответных реакциях - от нейтральной до канцерогенной (например, реакция на асбест и эрионит).

• 3)    Концентрация кислотных центров. Известно, что многие фагоциты могут поглощать твердые частицы. Фагоцитируя частицы некоторых минералов (например, цеолитов), клетки могут вносить в свою внутреннюю среду биохимически неинертный материал. Так, льюисовские кислотные центры, которые находятся

на поверхности некоторых минералов, представляют собой координационно-ненасыщенные поверхностные атомы алюминия с локализованным положительным зарядом, отчего могут проявлять выраженные каталитические свойства [14]. О различии концентраций Льюисовских кислотных центров у разных цеолитов свидетельствуют данные в табл. 2.

Таблица 2. Концентрация Льюисовских кислотных центров для некоторых образцов цеолитов, мкмоль/г

Как видно из табл. 2, цеолиты Ван-гинского месторождения обладают более высокой концентрацией Льюисовских кислотных центров. Они могут играть большую роль в закреплении крупных биологических молекул и в превращениях любых органических субстратов. Кроме того, известно, что частицы некоторых минералов могут повышать активность внутриклеточных ферментов [8].

• 4)    Поверхностный потенциал. Наличие или отсутствие антибактериальных свойств у минералов, по мнению М. Кубота с соавторами [18], можно объяснить наличием на поверхности кристаллической решетки специфического электрического заряда, однако найти достоверные отличия и корреляцию между величиной заряда и антимикробной активности нам не удалось (табл. 3). С другой стороны, поверхностный заряд поверхности минерала при контакте с мембраной клетки однозначно меняет ионный баланс в примембранной области. Можно предположить, что эффект будет зависеть от силы и площади заряда. Так, например, большинство наночастиц имеют аномально высокий заряд и оказывают ярко выраженное токсическое действие [19].

Таблица 3. Исследование дзета-потенциала ( ζ -потенциала) частиц минералов

• 5)    Ион-селективные и ион-донорные свойства. Ион-селективные свойства цеолитов по отношению к жизненно важным (Na, Mg, Ca, K, Mn) и токсичным (F, Hg, Cd, Pb, Cs) катионам подтверждены многочисленными экспериментами [1, 3-6, 13, и др.]. Цеолиты чрезвычайно богаты биодоступными химическими элементами. В исследованных образцах цеолитов методами атомно-адсорбционной спектрофотометрии (ААС), нейтронно-активационного анализа (НАА) и рентгено-флуоресцентного анализа с синхротронным излучением (РФА-СИ) было обнаружено около 45 элементов. Следовательно, цеолиты можно рассматривать в качестве доноров большого количества жизненно важных микроэлементов.

Обсуждение и выводы. Как известно, основные механизмы токсичности – способность соединяться и различно взаимодействовать (подавлять или активировать) с важнейшими биополимерами (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и др.). Токсичные вещества, например, могут вызывать денатурацию белков, что приводит к нарушению фермент- ных и транспортных функций последних. Результаты данной работы могут расцениваться как предварительные в начатом нами системном исследовании изучению механизма токсичности водонерастворимых твердых частиц через изучение их физико-химических свойств.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К.), гранта СО РАН ПСО-10 №114, гранта РФФИ 09-04-90781-моб_ст и гранта для молодых ученых ведущих университетов РФ (компания Zeiss).