Оценка острой токсичности и кумулятивных свойств нанодисперсного оксида кобальта при ингаляционном и пероральном поступлении

Оксидные соединения кобальта в наноразмерном состоянии в настоящее время широко применяются в сфере электропотребления, нанооптики, биодиагностики (в качестве биохимических сенсоров), нанохимии и нанометаллургии [Cobalt (II, 111) ..., 2015]. Синтез нанодисперсного оксида кобальта обусловли вает поступление в среду обитания наночастиц в виде аэрозолей и дисперсных растворов, создающих опасность для здоровья человека.

В связи с этим, важно систематизировать и уточнять данные о физических и токсикологических параметрах наноразмерных металлсодержащих частиц, в том числе наноразмерного оксида кобальта, при различных путях и длительности поступления в орга-

(С Землянова М. А., Иванова А. С., Степанков М. С, Тиунова А. И., 2016

низм.

Цель работы - опенка острой токсичности и кумулятивных свойств нанодисперсного оксида кобальта при ингаляционном и пероральном поступлении для задач гигиенического нормирования.

Материалы и методы

Для проведения исследований использован порошок нанодисперсного оксида кобальта (Cobalt (II, III) oxide, к per. номер CAS 1308-06-1, номер продукта 63702 5X производства компании Sigma-Aldrich (США), Синонимы исследуемого продукта: улырадисперсный оксид никеля. ультратонкий оксид никеля, монооксид никеля. Для сравнительного анализа использован порошок м икродисперсного оксида кобальта (Cobalt (IL 111) oxide., per. номер CAS 1308-06-1, номер продукта 221643).

Аналитическое обобщение информации о физических свойствах нанодисперсного оксида кобальта и сравнительно м икродисперсного аналога выполнено по результатам собственных исследований.

Непосредственно перед проведением экспериментальных исследований тестируемые вещества переведены в форму водных суспензий посредством внесения порошка в бидистиллированнуто воду, соответствующую ТУ 6-09-2 502-77. После чего. для разрушения агрегатов и агломератов частиц в исследуемой суспензии нанодисперсного оксида кобальта и для равномерного распределения частиц в объеме проведена ультразвуковая обработка на ультразвуковом гомогенизаторе Sonopuls Hd 3200 (Bandelin, Германия) при комнатной температуре в течение 2 мин, в режиме непрерывной пульсации на 65%-ной мощности.

Оценка размера и формы частиц выполнена методом динамического лазерного светорассеяния на анализаторах Horiba LB-550 («Horiba». Япония) и Microtrac S3 500 («Microtrac». США): методом электронной микроскопии на сканирующем микроскопе высокого разрешения (3—10 нм, максимальное увеличение хзооооо) S-3400M («HITACHI». Япония) с приставкой для рентгеновского энергодисперсионного микроанализа («Broker», Германия) и атомно-силовой микроскопии Solver-PRO («НТ-МОТ». США). Исследование и оценка удельной площади поверхности частиц нативных порошков нано- и микродисперсного оксида кобальта выполнена на приборе ASAP 2020 («Micromeritics», США) после дегазации исследуемого материала в вакууме при температуре 350°С в течение 3 ч. Удельная площадь поверхности образцов (Sbet) рассчитана по методу, предложенному Бру науэром. Эмметом и Тейлором [Грег. Синг. 1984]. Общий объем пор Vtot рассчитан из количества азота, адсорбированного при относи тельном давлении р/ро 0.99. Распределение пор по размерам определено по изотермам десорбции с использованием метода Баррета, Джойнера и Ха-ленды [Barrett Joyner, Halenda, 1951].

Оценка концентрации кобальта (в пересчете на кобальта оксид) в суспензиях выполнена методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на массюпектрометре Agilent 7500сх («Agilent Technologies Inc», США) с октопольной реакцион-ной/столкновительной ячейкой. Исследованная концентрация суспензии составила 125 мг/см3.

Исследование токсического действия водной суспензии нанодисперсного оксида кобальта в условиях острого эксперимента выполнено на лабораторных животных в соответствии с ГОСТ 32646-2014 «Методы испытания по воздействию химической продукции на организм человека. Острая ингаляционная токсичность - метод определения класса острой токсичности»: с ГОСТ 32644-2014 «Методы испытания по воздействию химической продукции на организм человека. Острая пероральная токсичность - метод определения класса острой ТОКСИЧНОСТИ».

Развернутый эксперимент по определению острой токсичности при пероральном пути поступления выполнен на белых мышах-самках линии BALB/C массой 15—25 г в количестве 6 особей. Экспериментальных животных разделили на 2 группы, по 3 особи в каждой: опытная группа № 1 для исследования нанодисперсного порошка, опытная группа № 2 для исследования микродисперсного аналога. Эксперимент проведен в соответствии со схемой, представленной на рис. 1.

Первоначальная исследованная доза составила 2000 мг/кг массы тела. Период наблюдения составил 14 сут Средняя смертельная доза вещества (ЛД50) определена по результатам выживаемости животных с применением алгоритма, представленного в ГОСТ 32644-2014. Класс опасности установлен в соответствии с ГОСТ 12.1.007,76. «ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».

Развернутый эксперимент по определению острой токсичности при ингаляционном пули поступления выполнен на белых мышах-самках линии BALB/C массой 15—25 г в количестве 6 особей. Экспериментальные животные были разделены на 2 группы, по 3 особи в каждой: опытная группа № 1 для исследования нанодисперсного порошка, опытная группа № 2 для исследования м икродисперсного аналога. Эксперимент проведен в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.

Первоначальная номинальная концентрация, задаваемая в воздухе камеры, составила 5 мг/дм3 (при концентрации кобальта в суспензии 125 мг/мл, скорость подачи суспензии 0.4 мл/мин, скорость подачи воздуха 10 л/мин. объем затравочной камеры -0.1 м3).

Период наблюдения составил 14 сут. Среднюю смертельную концентрацию вещества (СЛ50) определяли по результатам выживаемости животных с применением алгоритма, представленного в ГОСТ 3 2646-2014.

Развернутый эксперимент по оценке кумулятивных свойств нано- и сравнительно микродисперсного оксида кобальта выполнен на мышах самках и самцах линии BALB/C в количестве 20 особей. Экспериментальные животные разделены на 2 группы, по 10 особей в каждой: опытная группа № 1 для исследования нанодисперсного порошка. опытная группа № 2 для исследования микродисперсного аналога. В первые 4 дня вводили дозу исследуемых веществ, которая составляла 1/10 ЛД50 (500 мг/кг массы тела), затем каждые последующие 4 дня дозу увеличивали в 1.5 раза. Эксперимент проводили в течение 20 дней в соответствии со схемой, предложенной МУ 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов» [2009].

Рис. 1. Схема тестирования острой токсичности при пероральном поступлении в соответствии с ГОСТ 32644-2014

Рис. 2. Схема тестирования острой токсичности при ингаляционном поступлении в соответствии с ГОСТ 32646-2014

Работа с животными выполнена в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных [Guide for the care ...,2011], Правилами лабораторной практики [Об утверждении ..., 2010]. Токсикологические эксперименты проведены в соответствии с правилами, принятыми Международными рекомендациями (этическим кодексом) по проведению медико-биологических исследований с использованием животных и Этическим комитетом

ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» [Международные 1985].

Результаты и их обсуждение

Оценка физических свойств тестируемого вещества показала, что размер в поперечнике наночастиц равен 41.2-77.9 нм, что в 6.8 раза меньше размера микрочастиц (0.281-4.91 мкм). Форма на- ночастиц преимущественно сферическая, микро- частиц неправильная. Изображение частиц кано

Рис. 3. Изображение частиц с помощью сканирующей электронной микроскопии:

и микродисперсного оксида кобальта представлено на рис. 3.

а) нанодисперсный оксид кобальта, б) микродисперсный оксид кобальта

Объем пор с радиусом меньше 32.0 нм у наночастиц равен 0.106 см3/г, что в 53 раза больше микрочастиц (0.002 см7г). Удельная площадь поверхности наночастиц 42.1 ± 0.3 м2/г, что в 46.7 раз больше удельной площади поверхности микрочастиц (0.9 м2/г).

Исследование острой токсичности показало, что при однократном внугрижелудочном введении через зонд мышам линии BALB/C водных суспензий нано-и микродисперсного оксида кобальта в дозе 2000 мг/кг массы тепа гибели животных в течение 14 дней эксперимента не установлено. Следовательно, острой токсичностью данные вещества для мелких грызунов не обладают (ЛД50 > 2000).

Оценка острой токсичности при ингаляционном воздействии показала, что нанодисперсный оксид кобальта и микродисперсный аналог острой токсичностью для мелких грызунов не обладают

(СЛ50>5). При ингаляционном поступлении концентрация нанодисперсного оксида кобальта в печени составила 0.168 мг/г, что в 2.21 раза выше концентрации микродисперсного оксида кобальта (0.076 мг/г). Концентрация исследуемого вещества в мозге равна 0.046 мг/г, что в 20.84 раза выше концентрации микродисперсного аналога (0.022 мг/г). Концентрация нанодисперсного оксида кобальта в крови составила 33.66 мг/г, а концентрация в ткани легких -5.72 мг/г.

Сравнительная оценка кумуляции при пероральном поступлении показала, что и исследуемое вещество, и микродисперсный аналог накапливаются в органах (печень, мозг, почки), но нанодисперсный оксид кобальта накапливается в большей концентрации. Концентрации нанодисперсного и микродисперсного оксида кобальта в печени, в мозге и в почках приведены в таблице.

Концентрации нанодисперсного и микролис не реп ого оксида кобальта в органах при исследовании кумуляции

Органы	Концентрация вещества в органах, (мг/кг)
	Нанодисперсный оксид кобальта	Микродисперсный оксид кобальта
Печень	76.940	2.808
Мозг	0.733	0.354
Почки	141.608	0.912

Концентрация нанодисперсного оксида кобальта в печени больше в 27.4 раза концентрации мик-родисперсного аналога, в мозге - в 2.07 раза, в почках - в 155.3 раза

Выводы

Исследованный образец оксида кобальта является наноматериалом с размером частиц в поперечнике 41.2-77.9 нм, что в 6.8 раза меньше размера частиц микродисперсного аналога (0.281-4.91 мкм). Меньший размер частиц нанодисперсного оксида кобальта может увеличивать проникающую и реакционную способность. Исследован ный образец не обладает острой ингаляционной и пероральной токсичностью, относится к 4-му классу опасности (малоопасное) по критерию ЛД50 и СЛ50.

При остром ингаляционном поступлении в виде аэрозоля обладает большей проникающей способностью в печень и мозг (в 2.21 раза и 20.84 раза соответственно выше относительно микродисперсного аналога).

При внугрижелудочном введении обладает более выраженной материальной кумуляцией в виде накопления в головном мозге, печении почках (в 27.4; 2.07; 155.3 раза больше соответственно отно- сительно накопления микродисперсного аналога).