Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 11
1.1 Углеродные нанотрубки в биомедицине и ветеринарии 11
1.2 Биологические эффекты углеродных нанотрубок в экспериментах in vitro 18
1.3 Влияние углеродных нанотрубок на морфофизиологические показатели млекопитающих в экспериментах in vivo 25
1.3.1 Влияние углеродных нанотрубок на дыхательную систему 26
1.3.2 Влияние углеродных нанотрубок на пищеварительную систему 31
1.3.3 Влияние углеродных нанотрубок на сердечно-сосудистую систему 32
1.3.4 Влияние УНТ на выделительную и репродуктивную системы. 34
1.3.5 Влияние углеродных нанотрубок на иммунную систему 38
2 Материалы и методы исследований 41
2.1 Животные и их содержание 41
2.2 Подготовка наноматериала для экспозиции животных 42
2.3 Схема эксперимента по изучению острой токсичности углеродных нанотрубок и их морфологического влияния на животных 43
2.3.1 Оценка степени развития патологий 43
2.3.2 Оценка макроскопических изменений внутренних органов 45
2.4 Схема эксперимента по изучению субхронической токсичности углеродных нанотрубок и их морфологического влияния на животных 46
2.5 Методы вариационно-статистического анализа полученных данных. 54
3 Результаты собственных исследований 55
3.1 Характеристики исследуемого материала 55
3.2 Оценка патологического действия углеродных нанотрубок в остром эксперименте 56
3.3 Оценка патологического действия углеродных нанотрубок в субхроническом эксперименте 62
3.3.1 Оценка влияния углеродных нанотрубок на общее состояние лабораторных мышей 62
3.3.2 Аспекты биологического действия углеродных нанотрубок на висцеральные органы и гормональные показатели лабораторных мышей 67
3.3.3 Влияние углеродных нанотрубок на репродуктивные функции самцов лабораторных мышей 79
3.4 Оценка возможных отдаленных негативных эффектов влияния углеродных нанотрубок на млекопитающих с применением математического моделирования 82
4 Заключение.. 96
Практические рекомендации 101
Список сокращенных терминов 102
Список использованной литературы. 103
Список иллюстративного материала 132
Приложения 137
- Биологические эффекты углеродных нанотрубок в экспериментах in vitro
- Влияние углеродных нанотрубок на иммунную систему
- Оценка патологического действия углеродных нанотрубок в остром эксперименте
- Оценка возможных отдаленных негативных эффектов влияния углеродных нанотрубок на млекопитающих с применением математического моделирования
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Углеродные нанотрубки (УНТ), хотя и были открыты сравнительно
недавно (Iijima S., 1991), являются отнюдь не новым для природы
материалом. В результате лесных и степных пожаров, палов, извержения
вулканов, сжигания сельскохозяйственных отходов, использования
углеводородного топлива на электростанциях и транспорте (Анциферова И.В., 2012) ежегодно в окружающую среду поступает до 150 млн. тонн микро- и нанодисперсных продуктов неполного сгорания соединений углерода, среди которых выделяются и УНТ. Есть также данные, что источниками УНТ выступают природная нефть и битумы (Velasco-Santos C., 2003). В связи с этим, их воздействие в той или иной степени испытывают на себе все живые организмы. В последнее десятилетие еще одним потенциальным источником попадания УНТ в окружающую среду стали объекты промышленного производства (Lam C.W., 2006), темпы которого неуклонно возрастают вследствие их высокой востребованности в промышленности благодаря ряду уникальных физико-химических свойств (Дьячков П.Н., 2006). Попадая в природные среды, биоаккумулируясь и биоконцентрируясь в них, они представляют реальную угрозу для млекопитающих и человека, поскольку обладают высокой подвижностью и миграционной способностью, благодаря чему могут проникать в организм по пищевым цепям (Sarma S.J., 2015). Ситуация осложняется еще и тем, что концентрация УНТ в продуктах растениеводства и животноводства в ближайшее время может резко увеличится ввиду перспектив создания удобрений (Sarlak N., 2014) и ветеринарных препаратов на их основе.
На сегодняшний день, с точки зрения последствий воздействия такого
контаминанта, как УНТ, отсутствует как нормативная база, так и единые
методы диагностики и предотвращения влияния чужеродных для
млекопитающих нановеществ. Отдельные результаты исследования
биологического действия углеродных наноматериалов, как природного, так и техногенного характера пока сходятся только в том, что необходимы структурированные оценки возможных последствий их влияния, а также понимание механизмов их морфофизиологического действия на разных уровнях организации живого.
Вышеперечисленные обстоятельства обуславливают необходимость исследования влияния УНТ на морфофизиологических показатели млекопитающих с оценкой потенциально негативных последствий для животных и человека.
Степень разработанности темы диссертационного исследования
В настоящее время стали активно исследоваться возможные негативные последствия влияния УНТ на организм млекопитающих, однако эти исследования пока разрозненны и противоречивы (Hougaard K.S., 2013; Lan Z., 2012; Philbrook N.A., 2011). При этом основная часть известных исследований сфокусирована на ингаляционном пути поступления, а
пероральное воздействие остается практически не изученным, несмотря на то, что оно является одним из наиболее вероятных сценариев поступления наноматериалов в организм (Постановление…, 2007). Данные о влиянии на репродуктивную систему углеродных наноматериалов in vivo неоднозначны и не отражают полную картину возможных негативных последствий (Ema M., 2016).
Цель и задачи исследования
Целью исследования стала оценка влияния многослойных УНТ
антропогенного происхождения на самцов лабораторной мыши на основе
общефизиологических, морфометрических, гистохимических и
репродуктивных исследований с последующим моделированием отдаленных эффектов воздействия на млекопитающих МУНТ как потенциально опасных контаминантов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
Изучить влияние МУНТ на выживаемость и общее состояние лабораторной мыши при пероральной экспозиции;
-
Провести гистологические и гистохимические исследования висцеральных органов лабораторной мыши после интоксикации МУНТ с оценкой выраженности в клетках и тканях морфофункциональных изменений;
-
Определить особенности влияния МУНТ на репродуктивные показатели лабораторной мыши на основании результатов исследований гормонального статуса, а также гистологической и эмбриологической оценки;
-
Выявить зависимость наблюдаемых морфофункциональных изменений в организме лабораторной мыши от дозы вводимых МУНТ;
-
Оценить влияние структуры вводимого вещества на формирование патологических изменений в организме лабораторной мыши на примере кристаллического (МУНТ) и аморфного углерода;
-
Спрогнозировать возможные отдаленные последствия влияния МУНТ как потенциально опасных контаминантов на репродукцию млекопитающих с применением математического моделирования.
Научная новизна работы
На основе морфологических, гистологических,
иммуногистохимических, морфометрических и статистических исследований
выявлены закономерности влияния нефункционализированных
промышленно производимых МУНТ на организм лабораторной мыши при
пероральной экспозиции. Доказана зависимость физиологических реакций
мужской репродуктивной и эндокринной систем от вводимой дозы и
структуры исследуемого углеродсодержащего наноматериала.
Смоделированы возможные отдаленные последствия влияния МУНТ на репродукцию млекопитающих.
Теоретическая и практическая значимость работы
Предлагаемый подход к оценке влияния МУНТ на лабораторных
мышей позволяет оценивать и выявлять биологические эффекты воздействия
и других наноматериалов, возникших в результате техногенной деятельности
человека. Результаты математического моделирования последствий
физиологических отклонений, вызванных МУНТ, подтверждают
потенциальную опасность со стороны данного материала в долгосрочной перспективе.
Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в образовательном процессе по таким дисциплинам, как физиология, гистология и экология животных в вузах биологического и ветеринарного профиля при изучении влияния на организм частиц антропогенного происхождения и разработке мер профилактики. Также, могут быть использованы при разработке норм безопасности (в т.ч. репродуктивной) УНТ, обосновании критериев безопасности при создании фармацевтических препаратов на их основе, а также при формировании фундаментальных знаний механизма биологического действия углеродных наноматериалов на организм млекопитающих.
Результаты исследований вошли в учебное пособие «Безопасность наноматериалов» (2013). Кроме того, полученные данные использованы для создания рекомендаций по охране здоровья персонала и экологической безопасности производства углеродных наноструктурированных материалов, внедренных на производственной площадке МУНТ (ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов) (акт о внедрении от 21.04.2014), что способствует выполнению актуальной задачи – разработке обоснованных норм воздействия нового техногенного фактора и сохранения здоровья животных и человека.
Методология и методы исследования
Методологической базой послужили труды отечественных и
зарубежных ученых, посвященные вопросам оценки влияния наноматериалов
на млекопитающих. Предметом исследований служили плазма крови,
висцеральные органы, эмбрионы лабораторных мышей. Объектом
исследований были лабораторные мыши-гибриды C57B/6DBA2,
содержавшиеся в условиях вивария. Для решения поставленных задач
использовались экспериментальный, морфометрический, гистологический,
иммуногистохимический, иммуноферментный, электронно-
микроскопический, математический и статистический методы исследований.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Острая интоксикация МУНТ не оказывает летального действия и не влияет на показатели общего состояния лабораторных мышей;
-
Интоксикация МУНТ в субхроническом эксперименте приводит к увеличению массы тела, снижению уровня кортикостерона и свободного тестостерона, снижению индекса оплодотворяющей способности, а также развитию воспалительных процессов в тканях печени самцов лабораторных мышей;
-
В зависимости от аллотропной модификации углеродных наноматериалов характерны следующие морфофизиологические реакции:
– кристаллическая структура (МУНТ) – увеличение массы тела,
снижение уровня свободного тестостерона, снижение индекса
оплодотворяющей способности;
– аморфная структура (УТ) – снижение массы тела, повышение уровня свободного тестостерона, снижение индекса оплодотворяющей способности;
4. Контаминация МУНТ способна негативно повлиять на
демографические процессы в популяциях млекопитающих.
Степень достоверности исследования
Степень достоверности определяется достаточным количеством
экспериментальных животных, использованных в исследовании,
рандомизацией и формированием экспериментальных и контрольных групп,
адекватными биологическими моделями и методами исследования,
достаточными сроками наблюдения и корректными методами
статистической обработки.
Апробация результатов диссертации
Основные научные положения, выводы и рекомендации диссертации
были доложены на научных конференциях международного, всероссийского
и регионального уровней: студенческой научной конференции
Медицинского института Тамбовского государственного университета имени
Г.Р. Державина (7 апреля 2010, г. Тамбов), 14-ой Пущинской международной
школе-конференции молодых ученых (19-23 апреля 2010 г., Московская
обл.), Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых
ученых по направлению «Нанобиотехнология» (9 октября 2010, г. Белгород),
15-ой Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых (18-
22 апреля 2011, Московская обл.), 2-ой Международной школе
«Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и
наномедицина» (19-24 сентября 2011, Московская обл.), XII международной
научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные
исследования, разработка и применение высоких технологий в
промышленности» (8-10 декабря 2011, г. Санкт-Петербург), X
Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (23-26 апреля 2013, г. Томск), II Международной школе-конференции «ANT-2013» (15-19 августа 2013, п. Листвянка, Иркутская обл.), 7 International nanotechnology congress «Nanotox-2014» (23-26 апреля 2014, г. Анталия, Турция), III International youth conference «Interdisciplinary problems of nanotechnology, biomedicine and nanotoxicology» (21-22 мая 2015, г. Тамбов), IV Международной научно-практической конференции «Наноматериалы и живые системы» (2-3 июня 2016, г. Москва).
Внедрение результатов работы
Материалы диссертации используются в исследованиях и
образовательном процессе в ФГБОУ ВО «ТГУ имени Г.Р. Державина».
На основе литературных источников и собственных исследований разработаны и внедрены на реальной производственной площадке МУНТ (ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов) «Рекомендации по охране здоровья
персонала и экологической безопасности производства углеродных наноструктурированных материалов» (акт о внедрении от 21.04.2014).
Личное участие автора
Автором составлен план исследования, проанализированы
литературные источники по проблеме. Самостоятельно выполнены
эксперименты in vivo, организован отбор и транспортировка биологических
проб, проведены иммуноферментные анализ плазмы крови и
гистологический анализ внутренних органов, проведены математическое моделирование и статистический анализ полученных результатов. Диссертантом выполнено оформление диссертации и подготовлены публикации по теме диссертации.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 29 научные работ, в том числе 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК России.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках (проект RFMEFI57417X0159) в части методик исследования наноматериалов и приготовления коллоидных систем на их основе.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 139 страницах компьютерного текста и
состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов
исследования, результатов собственных исследований, заключения,
практических рекомендаций, списка сокращенных терминов, списка использованной литературы, списка иллюстративного материала и приложений. Работа иллюстрирована 14 таблицами и 31 рисунком. Список литературы включает 268 источника, в том числе 201 - зарубежных авторов.
Биологические эффекты углеродных нанотрубок в экспериментах in vitro
Исследование биологических эффектов влияния УНТ на живые организмы стало особенно актуальным после начала их интенсивного внедрения в различные отрасли науки и промышленности, а также перспективы роста прямого контакта животных и человека с УНТ в виде изделий для практической медицины и ветеринарии, что подразумевает их использование при создании новейших материалов, имплантатов, методов диагностики и фармпрепаратов. По мнению ученых, лекарственные препараты и новые методы диагностики заболеваний на основе наноносителей являются направлением будущего [132; 133; 163; 235]. В зависимости от размера частиц и их химической природы существует несколько источников поступления наночастиц в окружающую среду, такие как природные и антропогенные (ненамеренные и намеренные). Возможные пути их дальнейшей миграции в природной среде представлены на рисунке 3. При этом несвоевременная оценка биологической опасности наночастиц может
Существует мнение, что УНТ могут привести к повреждению планктонных микроорганизмов, которые играют ключевую роль в рециркуляции питательных веществ, влияющих на производительность в поверхностных водах. Кроме того, агломераты УНТ могут оказать негативное воздействие на водные растения, снизить фотосинтез и уровень растительной биомассы, доступной для гидробионтов [198]. Воздействие УНТ индуцирует токсическое действие и на микроорганизмы, присутствующие в почве и на твердых поверхностях [230], что может негативно отразиться на высших растениях, нарушить циркуляцию питательных веществ и микроэлементов, повлиять на очистку грунтовых вод и почвообразование [198]. Широкое применение УНТ увеличивает вероятность того, что микроорганизмы, используемые в промышленных процессах также будут подвергаться негативному влиянию, которое может стать проблемой при очистке сточных вод [92; 130; 196]. Благодаря высокой сорбционной способности есть также опасность задержки и концентрирования органических загрязнителей в воде и почвах сельскохозяйственного назначения. Данный факт продемонстрирован на примере сорбции нонилфенола и додецилсульфата натрия на МУНТ. Из-за сорбции указанных загрязнителей на поверхность МУНТ, их деградация в почве значительно замедляется, что может привести к увеличению их концентрации в растениях и возникновению токсических эффектов у животных и человека [169]. Кроме того, УНТ способны проникать через корневую систему и накапливаться в зеленых и репродуктивных частях растений, в т.ч. и сельскохозяйственного назначения [109], что подтверждается в исследованиях на рапсе, пшенице [159] и др. Также имеется большое число работ, подтверждающих негативные биологические эффекты влияния УНТ на различные системы органов млекопитающих (подробнее см. раздел 1.3). Таким образом, использование наноразмерных материалов невозможно без тщательного исследования потенциальных негативных последствия для организма и окружающей среды.
Некоторые опасения в области токсичности интенсивного производства УНТ вызывают результаты исследований воздействия ОУНТ и МУНТ на простейших. После экспозиции водорастворимыми ОУНТ инфузорий Tetrahymena thermophila была выявлена крайне настораживающая особенность: попадающие в пищеварительные вакуоли инфузорий бактерии E. Coli не переваривались, а упаковывались в везикулоподобные структуры, сохраняя при этом жизнеспособность и приобретали некоторую устойчивость к антибиотикам. По мнению авторов, возможно, подобные изменения в пищеварительных процессах простейших могут иметь негативные последствия при очистке сточных вод и отразиться на общественном здравоохранении [92].
Гусев с соавторами [13] в ходе биотестирования МУНТ на личинках хирономид, цериодафниях, одноклеточных зеленых водорослях и бактериях установили, что токсическое действие МУНТ наблюдается по отношению ко всем используемым тест-объектам. В качестве возможного механизма экотоксического действия авторы предполагают повреждение мембран клеток, окислительный стресс или механическое воздействие агломератов УНТ на органы дыхания в случае цериодафний. В случае воздействия на личинок хирономид, токсический эффект возможно связан с нарушениями в их органах пищеварения и дыхания.
Исследования токсичности УНТ на почвенных микроорганизмах [218] показывают, что воздействие ОУНТ в дозах 250 и 500 мкг/грамм почвы оказывают угнетающее действие на почвенные бактерии уже на третий день после экспозиции, однако на 14 день бактериальная культура полностью восстанавливается. Однако, восстановление грибковой культуры не было зафиксировано на протяжении всего эксперимента. Данные результаты свидетельствуют о том, что присутствие чужеродных наноматериалов в почве может иметь огромное влияние на круговорот элементов (макроэлементов, таких как углерод, азот, сера и фосфор, а также жизненно важных для жизни микроэлементов). Это исследование показывает, что высокие концентрации ОУНТ могут иметь самые различные последствия для микробных сообществ и биогеохимического круговорота питательных веществ в почвах. Результаты оценки влияния МУНТ на почвенные бактерии Pseudomonas Fluorescens подтверждают наличие токсического действия на тест-объекты, которое проявляется нарушением целостности мембраны и ДНК, вызывая образование активных форм кислорода. При этом наблюдается закономерность, что чем короче МУНТ, тем более токсичными они оказываются для бактерий [216]. На основании анализа литературных данных можно отметить зависимость биологических эффектов от структуры и типа УНТ. На сегодняшний день признано, что ОУНТ являются более активными и токсичными для микроорганизмов и клеточных культур в сравнении с ДУНТ и МУНТ [142]. Токсичность УНТ для микроорганизмов может иметь и положительные эффекты с позиции медицины и санитарии. Например, возможно использование УНТ в качестве антибактериальных средств по отношению как грамположительным, так и к грамотрицательным бактериям [123]. В ряде исследований на примере E. coli [2; 23; 71; 149] и Bacillus subtilis [2] показано, что УНТ обладают бактерицидным действием, вызывая, вероятно, механическое разрушение бактериальной клеточной стенки и нарушение мембраны. Результаты [261; 262] подтверждают антимикробную активность МУНТ по отношению как к грамположительным (Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, Streptococcus pneumonia), так и грамотрицательным (E. coli, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeroginosa, Salmonella typhimurium) бактериям. При этом важную роль в антибактериальной активности УНТ может играть их функционализация. Однако, в исследованиях токсичности ОУНТ с девятью различными типами функционализации на E. coli токсическое действие проявили все образцы ОУНТ, при этом не было выявлено зависимости степени токсичности материала от типа функциональных групп [202]. Основным механизмом токсичности ОУНТ авторы предполагают развитие окислительного стресса.
Сейчас учеными выделяются несколько механизмов токсического действия УНТ на микроорганизмы, в том числе: 1) нарушение целостности мембраны сильным электростатическим взаимодействием между бактериями и УНТ или окислением мембраны или с помощью прокола мембраны; 2) взаимодействие активных форм кислорода непосредственно с органеллами или косвенное индуцирование повреждения ДНК, что способно привести к некрозу; 3) воздействие не УНТ, а остатков металлических катализаторов, используемых при их производстве; 4) агломерация бактерий [73; 142; 150; 174; 178; 243; 248]. Все вышесказанное подтверждает разнонаправленность биологического действия различных УНТ и необходимость вдумчивого подхода к оценке токсичности наноматериалов с учетом их особых физико-химических свойств.
На сегодняшний день известно, что УНТ имеют способность проходить через биологические мембраны и могут влиять на физиологию любой клетки [114; 94], что пожтверждает довольно большое число работ.
Воздействие ОУНТ по данным [200], способно вызвать повышенную гибель нормальных клеток человека, повреждение ДНК, фосфорилирование Н2АX и активирование PARP, AP-1, NF-kB, p38. При этом в клетках наблюдается ярко выраженный дозозависимый эффект влияния ОУНТ. На основе оценки клеточных и молекулярных данных авторы предполагают, что УНТ способны вызывать клеточные реакции, связанные с окислительным стрессом. Реакция развития окислительного стресса доказана и для МУНТ. В [265] показан цитотоксический эффект влияния МУНТ на клеточную культуру HeLa. При 3-х часовой инкубации клеток с МУНТ в концентрации 80 мкг/мл наблюдается увеличение активных форм кислорода в 2,5 раза по сравнению с контрольными значениями, а после 24-х часов инкубации разница увеличивается в 23 раза.
Авторами [210] были проведены исследования влияния ОУНТ на культуру клеток макрофагов человека при 4-х дневной экспозиции в дозе 0,1-10 мг/мл. ОУНТ были зафиксированы в лизосомах и цитоплазме клеток, однако токсического действия на тест-объекты не подтвердилось даже после 4 дней экспозиции. Противоположные данные были получены при сравнительной оценке токсических эффектов ОУНТ и МУНТ в концентрациях 0,02; 0,2; 2,4 и 24 мкг/см2 в культурах макрофагов (RAW 264.7) и клеток бронхиального эпителия (BEAS-2B). Так, внесение ОУНТ вызвало значительное снижение жизнеспособности и индукцию окислительного стресса в культуре макрофагов. Внесение МУНТ в культуру не сопровождалось снижением жизнеспособности макрофагов, но вызывало повреждение клеточных мембран; окислительный стресс имел дозо- и времязависимый характер.
Влияние углеродных нанотрубок на иммунную систему
Известно, что селезенка является одним из важнейших органов иммунной системы и составляющей частью ретикулоэндотелиальной системы (РЭС). При оценке биологических эффектов водорастворимыми МУНТ при экспозиции лабораторных мышей в дозах 60 и 100 мг/кг не было зафиксировано существенных нарушений в селезенке экспериментальных животных. В гомогенате селезенки не было зафиксировано существенных изменений таких показателей, как фагоцитарная активность РЭС, деятельность восстановленного глутатиона, супероксиддисмутазы и малондиальдегида [107]. Однако, авторы [186] утверждают, что экспозиция МУНТ может выступать в качестве иммуностимулирующего фактора. Так, подкожное введение МУНТ лабораторным мышам в области опухоли привело к стимуляции иммунной системы с активацией макрофагов, что привело к уменьшению прогрессии развития опухоли (рисунок 6).
Опухоль до (а) и после (б) подкожного введения МУНТ лабораторным мышам. Белыми стрелками обозначена опухоль, черными – место инъекции (по [186]).
Также, есть данные о негативном влиянии УНТ на оргнаы иммунной системы. В [162] описаны результаты исследования in vivo, в котором самкам мышей BALB / c вводили внутривенно 1 мг/кг в день ОУНТ в течение 2 недель. В результате показано, что ОУНТ вызывали цитотоксичность в макрофагах и развитие аномалий в иммунных органах, в том числе и в селезенке.
В подостром эксперименте при пероральном введении МУНТ крысам линии Вистар в дозах от 0,01-10 мг/кг авторами было отмечено достоверное снижение массы тимуса животных на 26–35 % во всем интервале доз МУНТ [64].
Однако, внутривенное введение МУНТ мышам линии BALB / c индуцировало увеличение селезенки, тимуса и массы легкого, изменение популяций лимфоцитов (CD3, CD4, CD8 и CD19) в уровнях периферической крови и сывороточного IgM и IgG. Результаты эксперимента показали, что МУНТ ингибируют функции гуморального и клеточного иммунитета через дисфункцию работы селезенки [264].
Таким образом, согласно результатам проведенного анализа научной литературы, УНТ могут влиять на морфофизиологические показатели млекопитающих и в зависимости от дозы и пути поступления оказывать как негативное, так и стимулируюшее воздействие на различных уровнях организации. Понимание механизмов влияния УНТ. Механизмы данных эффектов к настоящему времени до конца не изучены, однако их понимание может иметь значение для ветеринарии, медицины, биологии и других смежных им наук Также малоисследованной является проблема воздействия МУНТ на репродукцию самцов млекопитающих, что представляет интерес при оценке безопасности их использования в медицине и ветеринарии.
Оценка патологического действия углеродных нанотрубок в остром эксперименте
По результатам экспериментов по определению острой токсичности рассчитать полулетальную дозу ЛД50 не удалось ввиду отсутствия летального действия МУНТ в исследуемых дозировках.
В Таблицах 3 и 4 представлены обобщенные результаты ежедневного наблюдения за состоянием лабораторных мышей на протяжении эксперимента.
Среднегрупповые значения оценки внешних признаков состояния экспериментальных и контрольных групп самцов и самок лабораторных мышей, включающие в себя фиксацию общего состояния и цвета шерсти оставались в пределах нормы на протяжении всего эксперимента.
Набор массы тела животных характеризуется положительной динамикой на протяжении всего эксперимента, при этом достоверных отклонений от контрольных значений не зафиксировано (рисунок 11).
По окончании контрольного срока все животные были выведены из эксперимента и вскрыты для оценки макроскопических изменений внутренних органов.
При наружном осмотре у всех животных отсутствовали характерные признаки интоксикации, в том числе:
- шерсть – сухая и блестящая;
- выделения из глаз, носа и рта – отсутствуют;
- состояние слизистых оболочек и их цвет – норма, естественно розовый.
Внутренний осмотр положения органов и состояния полостей также никаких отклонений не выявил. Все органы расположены правильно, свободная жидкость в грудной и брюшной полостях отсутствует. Выраженных изменений в цвете и состоянии внутренних органов не наблюдалось. Мышцы сердца и клапаны не изменены. Просветы трахеи и крупных бронхов свободны. Ткань легких естественного розового цвета, без признаков отечности. Слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта без изъязвлений и кровоизлияний. Корковое и мозговое вещество почки на разрезе хорошо различимы, надпочечники без изменений. Щитовидная железа розового цвета, хорошо различима паращитовидная железа. Оболочки головного мозга не напряжены, извилины хорошо выражены. Половые органы без видимых изменений.
Относительная масса отдельных внутренних органов характеризовалась физиологической нормой для данного возраста животных (Таблицы 5 и 6).
На основании полученных результатов можно сделать вывод об отсутствии острого токсического эффекта МУНТ при пероральной экспозиции в исследуемых дозировках, а величина полулетальной дозы лежит выше 3000 мг/кг.
Оценка возможных отдаленных негативных эффектов влияния углеродных нанотрубок на млекопитающих с применением математического моделирования
В работе рассмотрены возможные негативные последствия воздействия многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) на мышевидных грызунов. Рассмотрен непрерывный, постоянный характер воздействия, соответствующий условиям наличия МУНТ в среде обитания популяций мышевидных грызунов. Оценка влияния МУНТ, с одной стороны, основана на совокупности физиологических, биохимических, гистологических и иных показателей состояния организма самцов мышей, с другой – имеет популяционный характер, отражающий перспективы негативного воздействия МУНТ на состояние популяции мышевидных грызунов и ее жизнеспособность.
При моделировании динамики численности популяции мышевидных грызунов за основу принималось, что результатом воздействия МУНТ на популяционную динамику являлось снижение индекса оплодотворяющей способности самцов I. Данный показатель рассчитывался как отношение количества беременных самок к общему числу подсаженных к самцу [44; 57]. На основании результатов, полученных в ходе контрольная группа - I0 = 95,2%, МУНТ 0,3 мг/кг – I = 79,8%; МУНТ 3 мг/кг – I = 59,5%; МУНТ 30 мг/кг – I = 54,8%. Для трех представленных значений индекс оплодотворяющей способности монотонно уменьшается с увеличением концентрации МУНТ. Скорость этого уменьшения снижается с увеличением концентрации, и различие индексов оплодотворяющей способности для концентраций МУНТ 3 мг/кг и 30 мг/кг не столь существенно, как для концентраций МУНТ 0,3 мг/кг и 3 мг/кг.
Модели, допускающие непрерывное описание
Простейшей в динамике численности популяций является модель Мальтуса, актуальная в условиях, когда отсутствуют как внешние, так и внутренние факторы, сдерживающие рост численности популяции. В непрерывном представлении она описывается уравнением [47]: решением которого является экспонента . Константа собственной скорости роста представляет собой прирост биомассы (в долях от общей биомассы популяции) в единицу времени; здесь b обозначает рождаемость, а d – смертность внутри популяции. Снижение индекса оплодотворяющей способности I приведет к тому, что доля покрытых самок будет составлять лишь I от общего количества способных к размножению и, 0 соответственно, к падению рождаемости с коэффициентом I/I , т.е. . В этих условиях константа собственной скорости роста будет подчиняться соотношению ; для мышевидных грызунов, у которых в благоприятный период рождаемость значительно превосходит смертность, справедлив предельный случай этого соотношения: . Качественная картина динамики популяции для разных значений индекса I представлена на рисунке 27.
Аналогичным образом изменится константа собственной скорости роста популяции и в обобщенном уравнении ограниченного роста – уравнении Ферхюльста.
Снижение индекса оплодотворяющей способности до величины I приведет к увеличению времени выхода к пределу К – емкости популяции (времени, выраженному, например, в достижении половинного значения емкости популяции K/2) – в 1/I раз: (рисунок 28) в процессе ее восстановления после значительных разовых неблагоприятных внешних воздействий.
Для видов, размножающихся половым способом, определяющее значение в динамике популяций имеет не только параметр K насыщения экологической ниши, но и минимальный уровень плотности численности L, при падении ниже которого популяция обречена на вырождение. Плотность L соответствует условиям, при которых среднее время между контактами потенциальных брачных партнеров равно среднему времени жизни особи, деленному на среднее число потомков в одном акте размножения. Наличие этой критической плотности отражено в модели А.Д. Базыкина [4], где при малых плотностях популяции рождаемость принимается пропорциональной числу контактов между особями, определяемому квадратом численности популяции. Предложенная им формула прироста популяции за счет рождаемости обеспечивает квадратичный закон прироста при малых численностях популяции и линейный (соответствующий экспоненциальному закону) при больших N соответствует плотности, при которой среднее время между последовательными потенциальными контактами особей разного пола равно сроку беременности и выращивания потомства одной самкой. С учетом смертности уравнение динамики выглядит следующим образом где постоянная – нижняя критическая плотность, т. е. значение плотности численности, при падении ниже которого популяция деградирует. Вторая форма записи уравнения наглядно показывает математический смысл значения критической плотности: при x L правая часть уравнения отрицательна, т.е. производная плотности численности имеет отрицательный знак, и численность популяции убывает; при x L, наоборот, численность популяции возрастает. x = L представляет собой неустойчивое равновесное решение: теоретически в этом состоянии популяция может находиться неограниченно долго, но любое, даже слабое, отклонение приводит к уходу плотности популяции с этого значения.
Для популяций данного типа снижение индекса оплодотворяющей способности может иметь весьма серьезные последствия. Во-первых, это подъем константы нижней критической плотности в (I/I0)-1 раз: (считая для мышевидных грызунов ). Это соответствует тому, что популяции с ранее сравнительно благополучными численностями, лежащими в диапазоне ( ), попадают в категорию вырождающихся. Bo-вторых, при близких к L значениях плотности скорость изменения численности, пропорциональная x – L согласно (1), мала, и выход из этого состояния в ту или иную сторону происходит крайне медленно. В течение значительного времени система находится в неопределенном состоянии, когда любое, даже незначительное, внешнее воздействие может сместить равновесие в ту или иную сторону.
Снижение индекса оплодотворяющей способности приведет к тому, что скорость роста популяции уменьшится с коэффициентом I/I0, соответственно, в раз увеличится время ее пребывания в состоянии неопределенности. Данный характер изменений динамики численности отражен на рисунке 29, где в масштабе для различных начальных значений плотности численности представлены решения уравнения , учитывающего также наличие верхнего предела емкости популяции K.