Изучение возможности адсорбции ионов тяжелых металлов на наночастицах

46

ЗНиСО ноябрь №11

© Шумакова А. А., 2018 УДК 615.9+613.2

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ АДСОРБЦИИ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

НА НАНОЧАСТИЦАХ

А.А. Шумакова

ФГБУН «Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи» Минобрнауки России, Устьинский проезд, д. 2/14, г. Москва, 109240, Россия

В результате экспериментов in vivo, проведенных в ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии», было показано как увеличение, так и снижение токсичности некоторых контаминантов (Pb и Cd) при их сочетанном поступлении с наночастицами (НЧ). Одним из возможных объяснений различий в уровнях накопления Pb и Cd при сочетанном поступлении с НЧ может быть различие в адсорбционной способности НЧ по отношению к ионам Pb2+ и Cd2+. Для проверки данной гипотезы был проведен эксперимент in vitro, характеризующий возможность адсорбции ионов Pb2+ и Cd2+ на НЧ в модельной системе. На основании полученных в ходе работы результатов рассчитывали Amax (максимальная предельная адсорбция, соответствующая насыщению адсорбционного слоя, мкмоль/мг), b (константа нестойкости связывания (концентрация 50%-го связывания), мкмоль/мг) и строили уравнения изотерм адсорбции в двойных обратных координатах. В результате исследований показано, что в случае адсорбции Pb2+ на НЧ TiO2, НЧ SiO2 и НЧ Al2O3 выполняется уравнение однослойной равновесной изотермы адсорбции по Ленгмюру. Максимальная адсорбция Pb2+ на трех видах НЧ различается незначительно. В случае адсорбции Cd2+ на НЧ трех видов уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра не выполняется. Ввиду этого в отношении Cd константы b и Amax не могут быть корректно определены. Причина этого, по-видимому, состоит в том, что процесс связывания ионов Cd2+ на изученных видах НЧ не подчиняется модели однослойной, полностью обратимой адсорбции.

Ключевые слова: наночастицы, адсорбция, in vivo, in vitro, свинец, кадмий, токсичность.

A.A. Shumakova  STUDYING THE POSSIBILITY OF ADSORPTION OF HEAVY METAL IONS ON NANOPARTICLES  Federal Research Centre of Nutrition and Biotechnology, Ministry of Education and Science of the Russian Federation, 2/14, Ustinsky Lane, Moscow, 109240, Russia.

We found both an increase and a decrease in the toxicity of some contaminants (Pb and Cd) when combined with the NP as a result of in vivo experiments conducted in Federal Research Centre of Nutrition and Biotechnology. One possible explanation for the differences in Pb and Cd accumulation levels when combined with NPs can be the difference in the adsorption capacity of NPs with respect to Pb2+ and Cd2+ ions. To verify this hypothesis, an in vitro experiment was carried out, which characterizes the possibility of adsorption of Pb2+ and Cd2+ ions on the NPs in a model system. We calculated Amax (maximum limiting adsorption corresponding to the saturation of the adsorption layer, pmol/mg), b (binding constant for instability (concentration of 50 % binding), pmol/mg) based on the results obtained during the work and constructed the equations of the adsorption isotherms in double inverse coordinates. As a result of studies, we determined that in the case of Pb2+ adsorption on TiO2 NPs, SiO2 NPs and Al2O3 NPs, the equation of a single-layer equilibrium adsorption isotherm according to Langmuir is performed. The maximum adsorption of ?Pb2+ on the three types of NPs differs slightly. The Langmuir adsorption isotherm equation is not satisfied in the case of the adsorption of Cd2+ on the three NP types. Therefore, with respect to Cd, the constants b and Amax cannot be correctly defined. The reason for this, apparently, is that the process of binding of Cd2+ ions on the studied types of NPs does not obey the model of single-layer, completely reversible adsorption. Key words: nanoparticles, absorption, in vivo, in vitro, lead, cadmium, toxicity.

В последние годы постоянно увеличивается токсичность [8]. В результате экспериментов in производство искусственных наночастиц (НЧ) vivo, ранее проведенных в ФГБУН «ФИЦ пита-и наноматериалов (НМ), используемых для ния и биотехнологии», было показано как уве-различных областей промышленности, в том личение, так и снижение токсичности некото-числе при производстве потребительской про- рых контаминантов (Pb и Cd) при их сочетан-дукции, среди которых лекарственные средства ном поступлении с НЧ. В экспериментах при и биологически активные добавки к пище [6]. совместном введении Pb и НЧ Ti02 было выяв-При этом необходимо учитывать, что НЧ и НМ лено снижение концентрации гемоглобина в постоянно присутствуют в объектах окружаю- крови с возрастанием дозы НЧ Ti02, содержащей среды и пищевой продукции в комплексе с ния лимфоцитов и тромбоцитов в крови, нако-традиционными контаминантами, такими как, пления Pb в почках, селезенке, мозге и семен-например, токсичные элементы [5]. В связи с никах при увеличении активности щелочной наличием у НЧ физико-химических свойств, фосфатазы сыворотки крови, достоверном уве-отличных от свойств этих же веществ в макро- личении количества гепатоцитов, находящихся дисперстной форме, становится актуальной в ранней стадии апоптоза и накопления свинца, проблема рисков возможной модификации ток- по сравнению с животными, получавшими сического действия химических контаминантов только Pb. Есть, следовательно, все основания под воздействием НЧ и НМ, которые могут вы- полагать, что вышеуказанные признаки усиле-ступать в качестве их «транспортеров» во ния токсического действия не могут быть объ-внутреннюю среду организма и усиливать их яснены действием Pb, а обусловлены и дейст-

ноябрь Holl (308) ЗНиСО

47

вием НЧ TiO2 [1]. На основании полученных результатов в отношении сочетанного действия НЧ SiO2 различной размерности и Pb можно заключить, что имеет место некоторое снижение проявления токсического действия Pb в присутствии НЧ SiO2, выражающееся в увеличении концентрации Hb в крови, стабилизации или даже в тенденции к снижению экскреции 5-АЛК и порфобилиногена с мочой [1, 2]. Полученные результаты в отношении НЧ Al2O3 показывают, что последние, присутствующие в качестве потенциальных контаминантов в объектах окружающей среды и пищевой продукции, способны усиливать бионакопление Pb и увеличивать проявления его токсичности [3]. Таким образом, в результате изучения влияния искусственных НЧ на показатели биораспределения токсичных элементов по органам, а также ряда биомаркеров их токсического действия, показано наличие как синергических, так и антагонистических эффектов различных видов НЧ при их взаимодействии с Pb и Cd [4, 7]. В целом можно заключить, что в результате были получены данные, требующие дополнительных подтверждений. Одним из возможных объяснений различий в уровнях накопления Pb и Cd при сочетанном поступлении с НЧ может быть различие в адсорбционной способности этих НЧ по отношению к ионам Pb и Cd . Для проверки данной гипотезы был проведен эксперимент in vitro, характеризующий возможность адсорбции ионов Pb и Cd на НЧ в модельной системе.

Цель исследования - определить степень адсорбции НЧ SiO2, НЧ TiO^ НЧ Al2O3 по отношению к ионам Pb и Cd .

Материалы и методы. В качестве буфера был выбран 0,05 М раствор NaHCO3 с рН 8, воспроизводящий среду, характерную,+для тон кой кишки. Используя растворы Pb и Cd (ГСО № 7778-2000 и № 7773-2000), готовили

рабочие растворы с концентрациями, указанными в табл. 1, 2.

После растворения НЧ SiO2, НЧ TiO2 и НЧ Al2O3 в буферном растворе полученные суспензии обрабатывали на ультразвуковом погружном диспергаторе при мощности 2 Вт/см в течение 5 минут. Инкубацию проводили в термостате при температуре 37 °С в течение 3 часов, далее центрифугировали при 4 500 об./мин, t = 22 °С в течение 30 минут. В надосадочной жидкости количественно определяли содержания Pb и Cd методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (на приборе ICP-MS (7700x) («Agilent Technologies», Япония).

Результаты исследования. На основании полученных р^зульта+гов рассчитывали адсорбцию ионов Pb и Cd .

В табл. 3 приведены расчетные величины параметров адсорбции (Amax - максимальная предельная адсорбция, соответствующая насыщению адсорбционного слоя, мкмоль/мг; b -константа нестойкости связывания (концентрация 50%-го связывания), мкмоль/мг), а на рис. 1 - уравнения изотерм адсорбции в двойных обратных координатах.

В результате исследований показано, что в случае адсорбции Pb + на НЧ TiO2, НЧ SiO2 и НЧ Al2O3 выполняется уравнение однослойной равновесной изотермы адсорбции по Ленгмю-ру. Максимальная адсорбция Pb на трех видах НЧ различается незначительно. Вместе с тем прочность связывания (сродство), являющаяся величиной, обратной по отношению к константе b, оказывается наибольшей в случае использования НЧ SiO2 и наименьшей - в случае использования НЧ Al2O3. Отсюда можно предположить, что в условиях in vivo в случае НЧ SiO2, слабо всасываемых в кишечнике, преобладает более прочное связывание ионов Pb с этими НЧ с удерживанием их в просвете кишечника.

Таблица 1. Концентрации растворов Pb + и НЧ для инкубации Table 1. Concentrations of Pb2+ and NP solutions for incubation

Концентрация HЧ, 1 мг/см3 Исходная концентрация Pb2+, мкмоль/дм3

БЧ TiO2 250,0 125,0 62,5 31,2 15,6 7,8 3,9

БЧ Al2O3 250,0 125,0 62,5 31,2 15,6 7,8 3,9

БЧ SiO2 (300 м2/г) 250,0 125,0 62,5 31,2 15,6 7,8 3,9

Таблица 2. Концентрации растворов Cd2+ и НЧ для инкубации Table 2. Concentrations of Cd2+ and NP solutions for incubation

Концентрация HM, 1 мг/см3 Исходная концентрация Cd2+, мкмоль/дм3

БЧ TiO2 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 10,0

БЧ Al2O3 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 10,0

БЧ SiO2 (300 м2/г) 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 10,0

Таблица 3. Изотермы адсорбции Amax и b в двойных обратных координатах Table 3. Adsorption isotherms of Amax and b in double inverse coordinates

Ионы тяжелых металлов Тип наночастиц

ОТ TiO2 m Al2O3 ОТ SiO2

Pb2+ Amax =11,3 мкмоль/дм3 b = 11,8 мкмоль/мг Amax =13,1 мкмоль/дм3 b = 33,0 мкмоль/мг Amax =14,7 мкмоль/дм3 b = 1,6 мкмоль/мг

Cd2+ Amax = 0,16 мкмоль/дм3 b = 10,72 мкмоль/мг Amax = 0,067 мкмоль/дм3 b = 12,45 мкмоль/мг Amax = 0,24 мкмоль/дм3 b = 12,19 мкмоль/мг

40

ЗНивО ноябрь

1/А

рь+нчтю

1/А

У =  ....... ЗД16х+ 0,088

Cd+нч TiO,

у = 196, Зх+ 6,1027

1/C(xj

1/A

Pb+ НЧ А!;Од

ж

у = 7,5278x +0,0769.

1/C(x),

'3

у = 552,31x + 14,782

i/A(yL

ЛЛ

Ph+ НЧ Sin,

y = 0,319x+ 0,068

ж

1/C

1/A

1/C

Л

ГН+ НЧ Sin,

1/C

В

случае

Рис. 1. Изотермы адсорбции свинца и кадмия на наночастицах Fig. 1. Adsorption isotherms of lead and cadmium on nanoparticles

-2+

использования НЧ Al2O3 связыва-

ние Pb2 с ними оказывается менее прочным, что создает условия для динамического равновесия адсорбции-десорбции Pb в свободном и/или связанном виде с НЧ. Пара Pb /НЧ Ti02 в этом отношении занимает промежуточное положение. В случае адсорбции Cd на НЧ трех видов уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра не выполняется (зависимость между величинами, обратными адсорбции и равновесной концентрации, не аппроксимируется удовлетворительным образом уравнением линейной регрессии и в большей степени соответствует, по-видимому, гиперболической зависимости). Ввиду этого в отношении Cd константы b и Amax не могут быть корректно определены. Причина этого, по-видимому, состоит в том, что процесс связывания ионов Cd2+ на изученных видах НЧ не подчиняется модели однослойной, полностью обратимой адсорбции. Возможно, что вследствие различия в строении внешних электронных оболочек ионов Pb2+ и Cd2+ связывание последних на поверхности НЧ является необратимым, т. е. сопровождается формированием более прочных, чем электростатическое взаимодействие, химических связей (например, донорно-акцепторных). Кроме того, не исключено, что адсорбция Cd2+ на НЧ

в отличие от Pb является многослойной. Эти обстоятельства также могут создавать условия для переноса дополнительных количеств Cd в форме, связанной с НЧ, через кишечный барьер.

Полученные данные хорошо коррелируют со следующими результатами экспериментов in vivo, проведенных ранее:

- при совместном введении Pb и НЧ TiO2 отсутствовали достоверные изменения в накоплении Pb в печени крыс, хотя отмечалось некоторое увеличение этой тенденции. В остальных органах (почках, селезенке, семенниках и головном мозге) накопление Pb было ниже, чем у животных контрольной группы. Эти данные согласуются с результатами, полученными в исследованиях in vitro, и доказывают, что основную роль в эффектах влияния НЧ TiO2 на бионакопление Pb играет его адсорбция на НЧ в просвете кишечника;

- при изучении сочетанного действия Pb и НЧ Al2O3 наблюдалось многократное и достоверное увеличение накопления Pb с возрастанием дозы НЧ Al2O3 в печени крыс. Похожий эффект для селезенки являлся менее выраженным и выявлялся только при малой дозе НЧ. Для остальных органов и тканей введение различных доз НЧ Al2O3 существенного влияния на бионакопление Pb не оказывало;

ноябрь №11 (308) ЗНиСО

49

- при совместном введении Pb и НЧ SiO2 в малой и большой дозах не происходило увеличения накопления Pb во всех изученных органах.

Заключение. В процессе выполнения настоящей работы были получены данные, в ряде случаев характеризующие увеличение токсичности модельных токсикантов (Pb и Cd) при их совместном поступлении с различными видами НМ. Поскольку различные контаминанты практически всегда присутствуют как в пищевой продукции, так и в объектах окружающей среды (воздух, вода) в самых различных концентрациях и сочетаниях, необходимы дальнейшие исследования по оценке риска для здоровья человека совместного поступления приоритетных контаминантов в сочетании с НМ. Данные разработки являются основой для проведения процедуры возможного регламентирования НМ и НЧ в объектах окружающей среды и пищевой продукции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шумакова А. А., Трушина Э.Н., Мустафина О.К. и др.

Влияние наночастиц диоксида титана и диоксида кремния на накопление и токсичность свинца в эксперименте при их внутрижелудочном введении // Вопросы питания. 2014. Т. 83. № 2. С. 57-63.

2. Шумакова А.А., Трушина Э.Н., Мустафина О.К. и др. Токсичность кадмия при его совместном введении с диоксидом титана (рутил), наноструктурным диоксидом кремния и фуллеренолом // Профилактическая и клиническая медицина. 2015. Т. 1. № 54. С. 86-93.

3. Шумакова А.А., Трушина Э.Н., Мустафина О.К. и др. Токсичность свинца при его совместном введении с наноструктурным диоксидом кремния // Вопросы питания. 2015. Т. 84. № 2. С. 10-18.

4. Шумакова А.А., Трушина Э.Н., Мустафина О.К. и др. Токсичность свинца при его совместном введении с наночастицами оксида алюминия крысам // Вопросы питания. 2015. Т. 84. № 3. С. 40-49.

REFERENCES

1. Shumakova A.A., Trushina E.N., Mustafina O.K. et al. Vliyanie nanochastits dioksida titana i dioksida kremniya na nakoplenie i toksichnost' svintsa v eksperimente pri ikh vnutrizheludochnom vvedenii [Effect of titanium dioxide and silicon dioxide nanoparticles on lead accumulation and toxicity in the experiment with their intragastric

administration]. Voprosy pitaniya, 2014, vol. 83, no. 2, pp. 57-63.

2. Shumakova A.A., Trushina E.N., Mustafina O.K. et al. Toksichnost' kadmiya pri ego sovmestnom vvedenii s diok-sidom titana

3. Shumakova A.A., Trushina E.N., Mustafina O.K. et al. Toksichnost' svintsa pri ego sovmestnom vvedenii s nano-strukturnym dioksidom kremniya [Lead toxicity at its co-administration with nanostructured silicon dioxide]. Voprosy pitaniya, 2015, vol. 84, no. 2, pp. 10-18.

4. Shumakova A.A., Trushina E.N., Mustafina O.K. et al. Toksichnost' svintsa pri ego sovmestnom vvedenii s nano-chastitsami oksida alyuminiya krysam [Lead toxicity at its co-administration with aluminum oxide nanoparticles in rats]. Voprosy pitaniya, 2015, vol. 84, no.3, pp.40-49.

5. Holsapple M.P., Farland W.H., Landry T.D., Monteiro-Ri-viere N.A., Carter J.M., Walker N.J., Thomas K.V. Research strategies for safety evaluation of nanomaterials, part II: toxicological and safety evaluation of nanomaterials, current challenges and data needs. Toxicol Sci, 2005, no. 88 (1), pp. 12-17.

6. Shipelin V.A., Shumakova A.A., Gmoshinski I.V. Experimental Data On Risk Assessment Of Silver Nanoparticles. «Nanoworkshop» 7th International Conference «Nanopar-ticles, nanostructured coatings and microcontainers: technology, properties, applications». DOI: 10.13140/RG. 2.1.3870.8722

7. Shumakova A.A., Gmoshinski I.V., Khotimchenko S.A., Trushina E.N. Interaction of engineered nanoparticles with toxic and essential elements // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 98 (2015) 012043 DOI: 10.1088/1757-899X/98/1/012043

8. Ying Zhu et al. The biocompatibility of nanodiamonds and their application in drug delivery systems // The 7th International Nanotoxicology Congress «NanoTox2014»: Materials of the conference. Antalya, Turkey, 2014, 256 p.

Контактная информация:

Шумакова Антонина Александровна, научный сотрудник лаборатории пищевой токсикологии и оценки безопасности нанотехнологий ФГБУН «Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи» e-mail: antonina_sh@list.ru

Contact information:

Shumakova Antonina, Research associate of the Laboratory of food toxicology and safety assessment of nanotechnology Federal Research Centre of Nutrition and Biotechnology e-mail: antonina_sh@list.ru

V