всероссийский научно-практический журнал
  • ISSN 2072-8158
  • -
  • Роспечать: 48626
  • Пресса России: 44722

Антимикробные продукты нанотехнологий и дезинфекция водных сред (обзор)

Опубликовано в журнале «Вода: химия и экология» № 10 за 2017 год, стр. 45-55.
Рубрика: Научно-аналитические обзоры

 

Терехова В.А. Д.б.н., доцент, ведущий научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, заведующая лабораторией экотоксикологического анализа почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова
Кыдралиева К.А. доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВО Московский авиационный институт, ОАО Институт прикладной биохимии и машиностроения
Поромов А.А. кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры общей экологии биологического факультета, ФГБОУ ВО Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Кулябко Л.С. аспирант, ФГБОУ ВО Московский авиационный институт
Учанов П.В. младший научный сотрудник, ФГБУН Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук
Федосеева Е.В. кандидат биологических наук, ассистент, ФГБОУ ВО Российский научно-исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова
James R.A. Asst. Professor & Head, Department of Marine Science, Bharathidasan University

Аннотация:
Использование антибиотиков против патогенных микроорганизмов со временем
привело к выработке у последних резистентности (устойчивости) к соответствующим препаратам. В качестве альтернативы традиционным антибиотикам рассматриваются антимикробные препараты, содержащие наночастицы. В обзоре обсуждается разнообразие антимикробных металлсодержащих и органических наноматериалов, которые обладают антибактериальными свойствами, их применимость для дезинфекции природных объектов и ограничения, связанные с экологической токсичностью. Сделан вывод о необходимости оценки токсичности и поведения наночастиц в водной среде, поскольку ее состав, особенно растворимое органическое вещество, влияет как на стабильность наноматериалов, так и на их свойства.

Ключевые слова: микроорганизмы, наночастицы, патогены, токсичность, устойчивость к антибиотикам, экология

Ссылка для цитирования:
Терехова В.А. , Кыдралиева К.А. , Поромов А.А. , Кулябко Л.С. , Учанов П.В. , Федосеева Е.В. , James R.A. Антимикробные продукты нанотехнологий и дезинфекция водных сред (обзор) // Вода: химия и экология. — 2017. — № 10. — c. 45-55. — http://watchemec.ru/article/28707/

Литература:
1. Metcalfe C.D. Distribution of acidic and neutral drugs in surface waters near sewage treatment plants in the lower Great Lakes, Canada / C.D. Metcalfe, X.S. Miao, B.G. Koenig, J. Struger// Environmental Toxicity and Chemistry. 2003. № 22. P. 2881-2889.
2. Kummerer K. Resistance in the environment // J Antimicrob Chemother. 2004. № 54(2). Р. 311-320.
3. National Centers for Coastal Ocean Science. 2007. National Centers for Coastal Ocean Science Human Dimensions Strategic Plan (FY2009-FY2014). Silver Spring, MD: National Oceanic and Atmospheric Administration, National Ocean Service, National Centers for Coastal Ocean Science. 46 p.
4. Dang H. Molecular characterizations of oxytetracycline resistant bacteria and their resistant genes from mariculture waters in China / H. Dang, X. Zhang, L. Song, Y. Chang, G. Yang // Mar Poll Bull. 2006. № 52. Р. 1494-1503.
5. Bonassi S. Biomarkers in molecular epidemiology studies for health risk prediction/ S. Bonassi, W.W. Au // Mutat Res. 2002. №511(1). Р. 73-86.
6. Richter AP. An environmentally benign antimicrobial nanoparticle based on a silver-infused lignin core/ A.P. Richter, J.S. Brown, B. Bharti, A. Wang, S. Gangwal, K. Houck, E.A. Cohen Hubal, V.N. Paunov, S.D. Stoyanov, O.D. Velev // Nat Nano. 2015. №10. Р. 817-823.
7. Ostiguy C. Management of Occupational Manganism: / C. Ostiguy, P. Asselin, S. Malo, D. Nadeau, P. DeWals. Concensus of an Experts’ Panel, rapport IRSST #R-417. Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et sécurité du travail, Montréal, 2005. 57 p.
8. Grumezescu AM. Nanobiomaterials in antimicrobial therapy: application of nanobiomaterials. Elsevier Inc. 2016. 576 p.
9. Beyth N. Antimicrobial Approach: Nano-antimicrobial materials. Review article / N. Beyth, Y. Houri-Haddad, A. Domb, W. Khan, R. Hazan // Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine. 2015. 16 p. http://dx.doi.org/10.1155/2015/246012.
10. Крутяков Ю.А. Синтез и свойства наночастиц серебра: проблемы и достижения / Ю.А. Крутяков, А.А. Кудринский, А.Ю. Оленин, Г.В. Лисичкин // Успехи химии, 2008. №77 (3). С. 242-271.
11. Gatoo MA. Physicochemical properties of nanomaterials: implication in associated toxic manifestations / M.A. Gatoo, S. Naseem, M.Y. Arfat, A.M. Dar, K. Qasim, S. Zubair // BioMed Research International. 2014, ID 498420. Р. 8.
12. Pan X. Mutagenicity evaluation of metal oxide nanoparticles by the bacterial reverse mutation assay / X. Pan, J.E. Redding, P.A. Wiley, L. Wen, J.S. McConnell, B. Zhang // Chemosphere. 2010. №79 (1). Р. 113-116.
13. Matěejka V. Photocatalytical nanocomposites: a review / V. Matěejka, J. Tokarský // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2014. №14(2). Р. 1597-1616.
14. Maness PC. Bactericidal activity of photocatalytic TiO2 reaction: toward an understanding of its killing mechanism / P.C. Maness, S. Smolinski, D.M. Blake, Z. Huang, E.J. Wolfrum, W.A. Jacoby // Applied and Environmental Microbiology. 1999. №65 (9). Р. 4094-4098.
15. Hajipour M.J. Antibacterial properties of nanoparticles / M.J. Hajipour, K.M. Fromm, A.A. Ashkarran // Trends in Biotechnology. 2012. №30(10). Р. 499-511.
16. Beyth N. Polyethyleneimine nanoparticles incorporated into resin composite cause cell death and trigger biofilm stress in vivo / N. Beyth, I. Yudovin-Farber, M. Perez-Davidi, A.J. Domb, E.I. Weiss // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2010. №107 (51). Р. 22038-22043.
17. Morones J.R. The bactericidal effect of silver nanoparticles / J.R. Morones, J.L. Elechiguerra, A. Camacho, K. Holt , J.B. Kouri, J.T. Ramírez, M.J. Yacaman // Nanotechnology. 2005. №16 (10). Р. 2346-2353.
18. Silver S. Silver as biocides in burn and wound dressing and bacterial resistance to silver compounds / S. Silver, L.T. Phung, G. Silver // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2006. №33. Р. 627-634.
19. Chernousova S. Silver as antibacterial agent: ion, nanoparticle, and metal / S. Chernousova, M. Epple // Angewandte Chemie-International Edition. 2013. №52 (6). Р. 1636-1653.
20. Rupp R. VivaGel™ (SPL7013 Gel): A candidate dendrimer – microbicide for the prevention of HIV and HSV infection / R. Rupp, S.L. Rosenthal, L.R. Stanberry // Int J Nanomedicine. 2007. №2(4). Р. 561-566.
21. Mendes J.E. Antifungal activity of silver colloidal nanoparticles against phylopathogenic fungus (Phomopsis sp.) in soyabean seeds/ J.E. Mendes, L. Abrunhosa, J.A. Teixeira, E.R. de Camargo, C.P. de Souza, J.D.C. Pesspa // International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering. 2014. №8(9). Р. 994-999.
22. Mahdizadeh V. Evaluation of antifungal activity of silver nanoparticles against some phytopathogenic fungi and Trichoderma harzianum / V. Mahdizadeh, N. Safaie, F. Khelghatibana // Journal of Crop Protection. 2015. №4(3). Р. 291-300.
23. Park S.J. Antiviral properties of silver nanoparticles on a magnetic thymol colloid/ S.J. Park, H.H. Park, S.Y. Kim, S. Kim, K. Woo, G. Pyoko // Applied Environmental Microbiology. 2014. №80 (8). Р. 2343-2350.
24. Lara H.H. Mode of antiviral action of silver nanoparticles against HIV-1/ H.H. Lara, N.A. Nunez, L.C.R. Padilla // Journal of Nanotechnology. 2010. №8. Р. 1.
25. Orlowski P. Tannic Acid Modified Silver Nanoparticles Show Antiviral Activity in Herpes Simplex Virus Type 2 Infection/ P.Orlowski, E. Tomaszewska, M. Gniadek, P. Baska, J. Nowakowska, J. Sokolowska // PLoS ONE 2014. №9(8). Р. 104-113.
26. Broglie J.J. Copper Sulfide Core/Shell Nanoparticles against Human Norovirus Virus-Like Particles / J.J Broglie, B. Alston, .C Yang, L. Ma, A.F. Adcock, W. Chen // PLoS ONE 2015. №10(10). Р. 1014-1050.
27. Wei C. Bactericidal activity of TiO2 photocatalyst in aqueous media: toward a solar-assisted water disinfection system/ C. Wei, W.Y. Lin, Z. Zalnal // Environmental Science and Technology. 1994. №28 (5). Р. 934-938.
28. Hamal D.B. A multifunctional biocide/sporocide and photocatalyst based on titanium dioxide (TiO2) codoped with silver, carbon, and sulfur / D.B. Hamal, J.A. Haggstrom, G.L. Marchin, M.A. Ikenberry, K. Hohn, K.J. Klabunde // Langmuir .2010. №26 (4). Р. 2805-2810.
29. Zan L. Photocatalysis effect of nanometer TiO2 and TiO2-coated ceramic plate on Hepatitis B virus / L. Zan, W. Fa, T. Peng, Z.K. Gong // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2007. №86 (2). Р. 165-169.
30. Devi L.G. Disinfection of Escherichia coli gram negative bacteria using surface modified TiO2: optimization of Ag metallization and depiction of charge transfer mechanism / L.G. Devi, B. Nagaraj // Photochemistry and Photobiology. 2014. №90 (5). Р 1089-1098.
31. Palanikumar L. Size-dependent antimicrobial response of zinc oxide nanoparticles/ L. Palanikumar, S.N. Ramasamy, C. Balachandran // IET Nanobiotechnology. 2014. №8 (2). Р. 111-117.
32. Blecher K. The growing role of nanotechnology in combating infectious disease/ K. Blecher, A. Nasir, A. Friedman // Virulence. 2011. №2 (5). Р. 395-401.
33. Kydralieva K.A. Nanoparticles of magnetite in polymer matrices: synthesis and properties. / K.A. Kydralieva, A.A. Yurishcheva, G.I. Dzhardimalieva, S.J. Jorobekova // Inorg Organomet Polym Mater. 2016. №26 (5). Р. 1212-1230.
34. Anghel A. MAPLE fabricated Fe3O4 Cinnamomum verum antimicrobial surfaces for improved gastrostomy tubes/ A. Anghel, A. Grumezescu, M. Chirea // Molecules. 2014. №19 (7). Р. 8981-8994.
35. San C.Y. Biosynthesis of silver nanoparticles from Schizophyllum commune and in-vitro antibacterial and antifungal activity studies/ C.Y. San, M.M. Don // J Phys Sci. 2013. №24(2). Р. 83-96.
36. Durmus N.G. Enhanced efficacy of superparamagnetic iron oxide nanoparticles against antibiotic-resistant biofilms in the presence of metabolites./ N.G. Durmus, E.N. Taylor, K.M. Kummer, T.J. Webster // Advanced Materials. (Deerfield Beach, Fla) 2013. №25 (40). Р. 5706-5713
37. Gopal J. Bacterial toxicity/compatibility of platinum nanospheres, nanocuboids and nanoflowers / J. Gopal, N. Hasan, M. Manikandan, H.F. Wu // Scientific Reports. 2013. №3. P. 1260.
38. Zhao Y. Tuning the composition of AuPt bimetallic nanoparticles for antibacterial application / Y. Zhao, C. Ye, W. Liu, R. Chen, X. Jiang // Angewandte Chemie International Edition. 2014. №53 (31). Р. 8127-8131.
39. Pey P. Antimicrobial properties of CuO nanorods and multi-armed nanoparticles against B. anthracis vegetative cells and endospores/ P. Pey, M.S. Packiyaraj, H. Nigam, G.S. Agarwal, B. Singh, M.K. Patra // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2014. №5. Р. 789-800.
40. Lellouche J. Antibiofilm surface functionalization of catheters by magnesium fluoride nanoparticles / J. Lellouche, A. Friedman, R. Lahmi, A. Gedanken, E. Banin // International Journal of Nanomedicine. 2012. №7. Р. 1175-1188.
41. Ansari M.A. Interaction of Al2O3 nanoparticles with Escherichia coli and their cell envelope biomolecules/ M.A. Ansari, H.M. Khan, A.A. Khan, S.S. Cameotra, Q. Saquib, J. Musarrat // Journal of Applied Microbiology. 2014. №116. Р. 772-783.
42. Jain A. Antimicrobial polymers / A. Jain, L.S. Duvvuri, S. Farah, N. Beyth, A.J. Domb, W. Khan // Advanced Healthcare Materials. 2014. №3 (12). Р. 1969-1985.
43. Muñoz-Bonilla A. Polymeric materials with antimicrobial activity / A. Muñoz-Bonilla, M. Fernández-García // Progress in Polymer Science. 2012. №37 (2). Р. 281-339.
44. Ahmed K.B.A. Future prospects of antibacterial metal nanoparticles as enzyme inhibitor / K.B.A Ahmed, T. Raman, A. Veerappan // Materials Science and Engineering. 2016. №68. Р. 939-947.
45. Singh R. The role of nanoparticles in combating multi drug resistant bacteria/ R. Singh, M.S. Smitha, S.P. Singh // J. Nanoscience Nanotechnology. 2014. №4 (7). Р. 4745-4756.
46. Digge M.S. Applications of carbon nanotubes in drug delivery: a review/ M.S. Digge, R.S. Moon, S.G. Gattani // International Journal of PharmTech Research. 2010. №4(2). Р. 839-847.
47. Lu Z. Photodynamic therapy with a cationic functionalized fullerene rescues mice from fatal wound infections/ Z. Lu, T. Dai, L. Huang, D.B. Kurup, G.P. Tegos, A. Jahnke // Nanomedicine (Lond). 2010. №5(10). Р. 1525-1533.
48. Kang S. Single-walled carbon nanotubes exhibit strong antimicrobial activity / S. Kang, M. Pinault, L.D. Pfefferle, M. Elimelech // Langmuir. 2007. №23(17). Р. 8670-8673.
49. Azimi S. Synthesis, Characterization antibacterial activity of chlorophyllin functionalized graphene oxide nanostructures / S. Azimi, J. Behin, R. Abiri, L. Rajabi, A.A. Derakhshan, H. Karimnezhad // Sci Adv Mater. 2014. №6(4). Р. 771-781.
50. Yun H. Antibacterial activity of CNT-Ag and GO-Ag nanocomposites against gram-negative and gram-positive bacteria / H. Yun, J.D. Kim, H.C. Choi, C.W. Lee // Bull Korean Chem Soc. 2013. №34(11). Р. 3261.
51. Wagner S. Spot the difference: engineered and natural nanoparticles in the environment - release, behavior, and fate / S. Wagner, A. Gondikas, E. Neubauer, T. Hofmann, F. Kammer // Angew. Chem. Int. 2014. №53. Р. 12398-12419.
52. Zhu X. Acute toxicities of six manufactured nanomaterial suspensions to Daphnia magna / X. Zhu, L. Zhu, Y. Chen, S. Tian // Nanopart Res. 2009. №11. P. 67-75.
53. Richter A.P. An environmentally benign antimicrobial nanoparticle based on a silver-infused lignin core/ A.P. Richter, J.S. Brown, B. Bharti, A. Wang, S. Gangwal, K. Houck, E.A. Cohen Hubal, V.N. Paunov, S.D. Stoyanov, O.D. Velev // Nat Nano. 2015. №10. Р. 817-823.
54. Park SJ. Antiviral properties of silver nanoparticles on a magnetic thymol colloid/ S.J. Park, H.H. Park, S.Y. Kim, S. Kim, K. Woo, G. Pyoko // Applied Environmental Microbiology. 2014. №80 (8). Р. 2343-2350.
55. Lara H.H. Mode of antiviral action of silver nanoparticles against HIV-1/ H.H. Lara, N.A. Nunez, L.C.R. Padilla // Journal of Nanotechnology. 2010. №8. Р. 1.
56. Гладкова М.М. Проблемы экологической безопасности наноматериалов / М.М. Гладкова, В.А. Терехова, А.С. Яковлев, Н.Г. Рыбальский // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2014. № 135. С. 39-45.
57. Использование методов количественного определения наноматериалов на предприятиях наноиндустрии, Методические рекомендации МР 1.2.2639-10. Введены в действие с 24 мая 2010 г / Г. Г. Онищенко, И. В. Брагина, А. А. Волков и др. Федеральный Центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора Москва, 2010. С. 79.
58. Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 23 июля 2007 года № 54 «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащих наноматериалы». https://www.referent.ru/1/110992 (дата обращения 26.10.2017).
59. МР 1.2.2522-09 «Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека». http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/4088803 (дата обращения 26.10.2017).
60. МУ 1.2.2520-09. «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов. Методические указания». http://docs.cntd.ru/document/1200074057 (дата обращения 26.10.2017).
61. МР 1.2.2639-10. «Использование методов количественного определения наноматериалов на предприятиях наноиндустрии». http://docs.cntd.ru/document/1200082467 (дата обращения 26.10.2017).
62. МР 1.2.2566-09. «Оценка безопасности наноматериалов in vitro и в модельных системах in vivo». http://gostrf.com/normativ/1/4293817/4293817685.htm (дата обращения 26.10.2017).
63. МУ 1.2.2634-10 «Микробиологическая и молекулярно-генетическая оценка воздействия наноматериалов на представителей микробиоценоза». https://standartgost.ru/id/163490 (дата обращения 26.10.2017).
64. ГН 1.2.2633-10. «Гигиенические нормативы содержания приоритетных наноматериалов в объектах окружающей среды». http://gostrf.com/normadata/1/4293819/4293819425.htm (дата обращения 26.10.2017) .
65. Terekhova V.A. Engineered nanomaterials’ effects on soil properties: Problems and advances in investigation / V. Terekhova, M. Gladkova, E. Milanovskiy, K. Kydralieva In: Nanoscience and Plant–Soil Systems. Springer International Publishing, 2017. Vol. 48 (Soil Biology). P. 115–136.
66. Терехова В.А. Оценка биобезопасности гуминовых веществ как компонента наногибридного детоксиканта в стандартных тест-системах / В.А. Терехова, К.А. Кыдралиева, А.А. Рахлеева, М.А. Пукальчик, М.А. Тимофеев, А.А. Юрищева // Токсикологический вестник, 2012, № 2. С. 35-40.