Воздействие наночастиц меди на растения и почвенные микроорганизмы (обзор литературы)

Введение. На сегодняшний день нанотехнология - это относительно новая, одна из самых быстрорастущих и наиболее перспективных технологий в нашем обществе. Эта область фундаментальной и прикладной науки и техники имеет дело с материалами, устройствами и структурами, размеры которых составляют от

1 до 100 нм [11]. Недавний рост в этом секторе обещает ряд преимуществ для общества за счет использования новых свойств наночастиц. Нанотехнология предлагает широкий спектр потенциальных применений и становится ключевой технологией для будущего поколения.

В последние годы возрастает информационный поток и интерес к исследованию влияния наночастиц на окружающую среду и здоровье человека. В окружающей среде наночастицы могут оставаться длительное время, также могут поглощаться и перемещаться между организмами различного трофического уровня, подвергаясь биодеградации и биоаккумуляции по пищевой цепи [5]. Однако из-за отсутствия информации об их токсичности, о поведении и деятельности даже в лабораторных условиях не так легко оценить степень воздействия наноматериалов на экосистему и здоровье человека. Именно поэтому невидимое загрязнение, вызванное наночастицами (нанозагрязнение), считается самым сложным видом загрязнения для управления и контроля. Требуется своевременное обобщение имеющейся информации.

Почва поддерживает газовый состав атмосферы, растительную и животную продуктивность, участвует в круговороте веществ и энергии в природе. Химический состав почвы оказывает влияние на состояние здоровья человека через воду, растения и животных. В работах [9, 21] рассматривается положительный эффект наночастиц таких металлов, как медь, железо, цинк, серебро на почву и растения в связи с их бактерицидными свойствами. В то же время многие из них, например, медь, являются одними из самых распространенных загрязнителей окружающей среды. В связи с быстро возрастающим многообразным использованием наночастиц меди возникает потребность в оценке их воздействия на окружающую среду, биоту (микроорганизмы, растения, животные) и здоровье человека. Благодаря многообразному применению [9] и высокой возможности проникновения в объекты окружающей среды, такие как почва [2], наночастицы СиО становятся основным направлением в исследованиях биологической роли и токсичности наночастиц.

Цель настоящей работы - систематизировать современные сведения о закономерностях взаимодействия и степени токсичности наночастиц металлов в системе «почва - растение - микробиота» на примере наночастиц меди.

Производство и применение наночастиц. Промышленный синтез наноматериалов организован таким образом, чтобы получить частицы с заданными физико-химическими свойствами. С учетом широкого спектра коммерческой, экологической и медицинской пользы наночастиц их производство достигает значительных промышленных масштабов (таблица 1).

Таблица 1 - Объемы мирового производства наночастиц в 2014 г, и перспективы к 2025 г. [12]

Наночастицы	Объемы мирового производства (тонн)	Вероятность увеличения объема производства в ближайшие 5-10 лет
Высокие объемы производства наночастиц
ТЮ?	60 000- 150 000	Высокая
ZnO	32 000-36 000	Высокая
SiO:	185 000- 1 400 000	Высокая
АЮ	5 000- 10 100	Умеренно высокая
Углеродные нанотрубки	1 550 - 1 950	Умеренно высокая
СеО	880 -1 400	Умеренно высокая
Низкие объемы производства наночастиц
Наноцеллюлоза	400 -1 350	Высокая
СиО	290-570	Средняя
Ад	135-420	Высокая
2Юз	80 - 300	Умеренно высокая
Графен	60-80	Высокая
ВІ2О3	35-55	Умеренно высокая
МдО	15-30	Средняя
ҒөОх	9-45	Высокая
NiO	2-20	Средняя
MnOx	2-3.5	Низкая

Нанопорошки металлов используют в качестве микроудобрений и пестицидов в сельском хозяйстве [6]. Использование нанотехнологий в агропромышленности открывает широкие возможности в области производства и переработки сельскохозяйственной продукции.

Моделирование загрязнения наночастицами СиО предполагает, что почва может стать основным поглотителем производственных наночастиц, поступающих в окружающую среду в результате производственной деятельности, и, что их концентрации в почвах со временем будут выше, чем в воде или воздухе [17], Таким образом, появляется риск возникновения ухудшения экологической ситуации в регионах с повышенной концентрацией нано-Cu в почвах, что впоследствии может привести к возникновению ряда проблем со здоровьем человека. Вопросы безопасности применения наночастиц металлов, их экологического воздействия на окружа ющую среду особенно важны для наноматериалов на основе меди, потому что существует их широкомасштабное использование в производстве биоцидов в сельском хозяйстве, для защиты древесины [20]. Возможное негативное воздействие наночастиц СиО недостаточно изучено.

Из-за ультратонкого размера и благодаря их отличным термофизическим свойствам главной областью применения наночастиц СиО является электроника и техника (полупроводники, электронные чипы) (рисунок 1). К другим областям применения относятся: газовые датчики, каталитические процессы, солнечные и литиевые батареи. Наночастицы СиО замедляют рост микроорганизмов и обладают противовирусными свойствами. Благодаря имеющимся антибактериальным свойствам их используют в производстве масок для лица и перевязочного материала [9].

Условные обозначения:

• 1    - датчики;

• 2    - катализ;

3-поверхностно-активные вещества;

4-противомикробные препараты;

5-другие

и/ а? аз ev 05

Рисунок 1 - Области применения наночастиц CuO (Thomson Reuters ISI Web of Science)

Наноразмерная медь и её токсичность в системе «почва - растение - микробиота». Благодаря своему сильному взаимодействию с окружающей средой, высшие растения уязвимы к воздействию имеющихся загрязняющих веществ, включая наночастицы. Поскольку существует тесная связь между растениями и почвенной микрофлорой, любое изменение в состоянии микробиоты растительной ризосферы может влиять на рост, развитие и продуктивность растений.

В отличие от огромного количества исследований по изучению токсического действия на почву, растения и микробиоту тяжелых металлов в макродисперсной форме, исследование токсичности наноформы металлов недостаточно и относится, главным образом, к изучению их влияния на клетки человека и животных [1].

Отдельные работы посвящены негативному воздействию наночастиц меди на растения и почву (таблица 2). Однако исследования по воздействию нано-CuO на наземные растения (в том числе сельскохозяйственные культуры) редко охватывают состояние и поведение нано-СиО в системе «почва - растение». По данным рентгенофлуоресцентного анализа [19] наночастицы меди аккумулируются в разветвленных органических волокнах микоризных грибов и на поверхности корня растения Iris pseudoacorus (Ирис ложноаировый).

В работе [4] показано существенное влияние водных дисперсий с ультранизкой концентрацией наночастиц меди (1017 мг/л) на процессы прорастания семян и роста проростков некоторых зерновых и овощных культур (пшеницы, тритикале, томата). Данная технология может быть перспективна для экономичного и экологически чистого метода предпосевной стимуляционной обработки семян.

Таблица 2 - Исследования токсического воздействия наночастиц СиО на некоторые виды растений и биологическую активность почв

Размер наночастиц (нм)	Концентрация (мг/л)	Тип растения/почвы	Токсический эффект	Авторы
20-40	100	Кукуруза сахарная	Торможение роста рассады	[24]
30-50	—	Редис, огурец, салат	Торможение всхожести семян	[25]
50	500-1000	Рассада огурца обыкновенного	Снижение биомассы	[16]
40	100-1000	Почва под рисом	Общее снижение микробной биомассы почвы, активности ферментов, состава микробного сообщества и биологического разнообразия	[26]
10-17	0-100	Песчаная почва	Обнаружение высокой токсичности наночастиц СиО для почвенных бактерий	[Ю]
<50	10,100,1000	Подзолистые	В высоких концентрациях происходит сильное замедление активности ферментов, сильный негативный эффект для дегидрогеназы	[14]

Поведение и последствия влияния наночастиц меди на растения и их потребителей должны быть тщательно изучены для того, чтобы выяснить пути загрязнения пищевой цепи (рисунок 2). Кроме того, значения потенциаль ной химической трансформации и степень воздействия наночастиц СиО на систему «почва -растение» должны быть проанализированы как при проведении исследований в лабораторных условиях, так и в естественной среде обитания.

Рисунок 2 - Схематическая взаимосвязь между производством и применением наночастиц СиО, поступлением в систему «почва - растение» и потенциальными потребителями

В наземной экосистеме система «почва -микробиота» и растения являются одними из основных экорецепторов наночастиц; особенно почвенно-микробная биомасса, которая служит средой обитания питательных веществ и является чувствительным индикатором микробных изменений в почвах [7]. В этой связи защита почвенно-микробной биомассы и разнообразия является одной из основных задач в области устойчивого использования ресурсов. С учетом присутствия наночастиц в почве возрастает интерес в исследовании их воздействия на почвенные микробы и «растительно-микробное взаимодействие». До сих пор не установлены механизмы, лежащие в основе воздействия наночастиц на почвенно-микробную биомассу.

Исследованиями [15] по изучению влияния наночастиц (50 нм) и микрочастиц СиО

(2,5 мм) на микробиологическую активность супесчаной почвы, фитотоксичность и биоаккумуляцию установлен стойкий токсический эффект на культуры Cucumis sativus (Огурец обыкновенный) и Zea mays (Кукуруза сахарная). Показано, что наноформа СиО была более токсична, чем макродисперсная форма оксида к почвенным микроорганизмам и растениям. Исследования [3] показали, что наиболее сильное влияние на микробиологические показатели чернозема обыкновенного, снижая общую численность бактерий и обилие ба пер ий рода Azoto-bacter, оказывают наноформы оксидов Ni и Fe по сравнению с макродисперсной формой этих металлов. Однако на показатели фитотоксичности формы оксидов Ni и Fe оказали примерно одинаковое влияние.

Обнаружено [15], что наночастицы СиО тормозят апивность почвенных ферментов и прирост биомассы растений. Накопление наночастиц зависит от вида растений: в растении Cucumis sativus их концентрация заметно выше, чем в Zea mays.

Загрязнение почвенного покрова наночастицами меди влияет на показатель самоочищения почвы [13], а также баланс питательных веществ, являющийся основой для регулирования процессов питания растений и повышения плодородия почв. Установлено [8], что под влиянием наночастиц СиО происходят значительные изменения в составе бапериального сообщества и трансформация микроскопических свойств двух типов почвы (суглинок и дерново-карбонатные).

Однако исследования [23] описывают незначительное изменение бапериального сообщества почвы, которое наблюдалось после 15 дней воздействия с наночастицами меди, а также в работе [18] показаны аналогичные результаты в арктической почве на 176-й день. Противоречивые сообщения в литературе в отношении последствий загрязнения наночастицами меди указывают на то, что микробиологические изменения под воздействием наночастиц СиО зависят от времени инкубации, типа почвы, степени окисления и других факторов, определяющих токсичный эффект наночастиц СиО на сообщество микроорганизмов.

Свойства почв, в частности, структурный и агрегатный состав, окислительно-восстановительный потенциал и кислотно-основные свойства, могут влиять на состояние наночастиц и на проявление их токсичных свойств. Например, при обработке супесчаной почвы наноформой СиО (<50 нм) заметно снизилась микробиологическая активность, изменились состав и структура микробного сообщества по сравнению с глинистой почвой. В условиях модельного эксперимента было установлено [22] активное взаимодействие нано-CuO с глинистой фракцией и органическим веществом почв. Выявлено, что такие процессы, как рост кристалла, растворение, агрегация и старение созданной наночастицы меди вызывают различные изменения в микросреде (микрообъеме) почв вокруг наночастиц [22].

Поскольку почвенная микрофлора играет важную роль в развитии экосистемы и человечества, крайне важно изучить влияние наночастиц на этот компонент биоценоза. В связи с известной модуляторной ролью присутствия и отсутствия растений для физиологического состояния микробной популяции перспективные исследования в области потенциального воздействия нано-Cu на микробные сообщества почвы следует проводить как в отсутствие, так и в присутствии растений.

Таким образом, чтобы понять потенциальные воздействия на окружающую среду производимых наночастиц, необходимо изучение их токсичности в системе «почва - микробиота» и растения. Несмотря на то, что нано-CuO нет в списке контроля Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), проводятся исследования его потенциальной токсичности для флоры, фауны и санитарного состояния окружающей среды.

Заключение. Широкомасштабное использование нано-CuO может нарушить биологические процессы в почве, а также привести к изменению физиологического и биохимического состояния растений. Установлено, что загрязнение оксидами металлов в макродисперсной форме и наноформе (нанопорошками) приводит к ухудшению биологического состояния почвы. Снижение биологических показателей, таких как численность бактерий, ферментативная апивность, всхожесть и длина корней, зависит от вида загрязняющего элемента и его концентрации в почве. Оценка способности наночастиц агрегировать или взаимодействовать с почвенными частицами может представлять большой интерес при оценке устойчивости почв к нанозагрязнению.

Для того чтобы получить более глубокое представление о механизмах токсичности наноСи, должны быть предприняты усилия по разработке стандартных химических, биохимических и генотоксичных маркеров, а также методологии для определения критического уровня содержания наночастиц СиО. Должны быть усилены исследования, направленные на открытие потенциальных механизмов, лежащих в основе различий разновидности растений и особенности генотипа к чувствительности нано-Си.

Развитие нанотехнологий крайне необходимо в условиях нарастающего экологического кризиса, прогноза последствий деградации почв в результате их хозяйственного использования. Использование методов синхротронной радиации [19] и расширение возможностей этих методов дают основания ожидать получения принципиально новых знаний о почвах, механизмах поглощения ими различных химических веществ, взаимодействии наночастиц СиО с почвенной микробиотой и функционировании в системе «почва - растение».

Должны быть предприняты усилия для выполнения сравнительной оценки экспериментальных исследований влияния наночастиц меди на почвенную биоту, проведенных в лабораторных условиях и с последующими испытаниями в естественных условиях. Такие два метода исследования позволят в полной мере понять влияние нано-Cu на компоненты окружающей среды и впоследствии определить степень воздействия на здоровье человека и животных.

Исследование выполнено при поддержке проектной части госзадания Министерства образования и науки РФ (№ 5.948.2017/ПЧ), Гранта Президента (проект № МК-7285.2016.5).