DOI: 10.35411/2076-457X-2020-4-5-18

Disinfection Affairs № 4/2020, pp. 5-18

Morphofunctional changes in Bacillus cereus cells under the influence of nanoparticles of metals and metal oxides

G.A. Frolov1, I.A. Lundovskikh2, M.R. Shabalina2, M.B. Tarasov3, I.P. Pogorelsky4, K.I. Gurin5, A.V. Mironin5

1National University of Science and Technology "Moscow institute of steel and alloys": 4 Leninsky Ave., Moscow, 119991, Russian Federation;
2Vyatka State University: 36 Moskovskaya str., Kirov, 610000, Russian Federation;
3LLC NPF "NanoTechProm": Koroleva St., A2, of. 60, Belgorod, 308004, Russian Federation;
4ANO "Scientific society "Microbiota": Loza, 9 D, Sergiev Posad district, Moscow region, 141300, Russia;
5Branch of the Federal State Budgetary Establishment "48 Central Scientific Research Institute" of the Ministry of Defense of the Russian Federation: 121 Oktyabrsky Ave, Kirov, 610017, Russian Federation.

The results are presented of the comparative study of the presence of characteristic features of disorders of the microstructural organization of the test strain B. cereus ATCC 10702 cells by stable nanoparticles of silver, gold, platinum, zinc oxide and titanium dioxide with loss of cell viability during their interaction with nanoparticles in an aqueous medium using methods of bacteriology and electron microscopy. General size-dependent features of the effect of nanoparticles on B. cereus ATCC 10702 cells and differences associated with both the adsorption of metal oxide and noble metal nanoparticles on the surface of bacteria and the loss of viability of bacterial cells with different levels of their destruction, reaching 67-70 % in the case of nanoparticles noble metals, were found. The chemistry of the effects of silver, gold, platinum and zinc and titanium oxides nanoparticles on the test microbe B. cereus ATCC 10702 is considered. The assumption is made that the main feature of the interaction of nanodispersed structures based on noble metals and metal oxides is not associated with an increase in the specific contact surface of the dispersed phase, but with a significant increase in the specific surface energy, which leads to the modification of the multilayer hydrated water shells surrounding nanoparticles. The measured zeta (?-)-potential of metal and metal oxides nanoparticles characterizes the total effect formed on the diffusion-mobile boundary of the nanoparticle; its value is a quantitative characteristic of the equilibrium energy state of dispersed systems acting as biocatalysts of intracellular enzymes and causing hydrolysis of the polymer structures of cytoplasmic membranes and cell membranes and ultimately the death of microbial cells. The obtained experimental data can be used in creation effective antimicrobial compositions.
Keywords: microorganisms, Bacillus cereus АТСС 10702, biocidal activity, nanoparticles, zeta potential, disinfectant compositions.

AUTHORS
Frolov Georgiy Aleksandrovich – Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor of Physical Chemistry of Moscow institute of steel and alloys; Tel.: (495) 955-00-03, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.. ORCID ID: 0000-0003-1460-6030
Lundovskikh Irina Aleksandrovna – Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor of Department of Microbiology of Vyatka State University. ORCID ID: 0000-0003-4954-8870
Tarasov Mikhail Borisovich – General Director of LLC " NPF NanTekhProm". ORCID ID: 0000-0003-0980-5908
Shabalina Marina Robertovna – Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Fundamental and Applied Mathematics, Institute of Mathematics and Information Systems of Vyatka State University. ORCID ID: 0000-0001-5389-3306
Pogorelskiy Ivan Petrovich – Doctor of Medical Sciences, Professor, ANO "Scientific Society "Microbiota"
Gurin Konstantin Igorevich – Candidate of Medical Sciences, Chief of Research Center of 48 Central Scientific Research Institute
Mironin Aleksandr Viktorovich – Doctor of Medical Sciences, Professor, Leading Researcher of Research Center of 48 Central Scientific Research Institute

 

Full-text is available in Russian

purchase

 

DOI: 10.35411/2076-457X-2020-4-5-18

Морфофункциональные изменения клеток Bacillus cereus под воздействием наночастиц металлов и оксидов металлов

Г.А. Фролов1, И.А. Лундовских2, М.Б. Тарасов3, М.Р. Шабалина2, И.П. Погорельский4, К.И. Гурин5, А.В. Миронин5

1ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский технологический университет "Московский институт стали и сплавов": 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4;
2ФГБОУ ВО "Вятский государственный университет": 610000, Киров, ул. Московская, д. 36;
3ООО "НПФ "НаноТехПром": 308004, Белгород, ул. Королёва, А2, оф. 60;
4АНО "Научное общество "Микробиота": 141300, Сергиево-Посадский район, Московская область, п. Лоза, 9 Д;
5Филиал федерального государственного бюджетного учреждения "48 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны РФ: 610017, Киров, Октябрьский пр., д. 121

Представлены результаты сравнительного изучения с помощью методов бактериологии и электронной микроскопии наличия характерных особенностей нарушения стабильными наночастицами серебра, золота, платины, оксида цинка и диоксида титана микроструктурной организации бактериальных клеток тест-штамма B. cereus АТСС 10702 с потерей жизнеспособности в ходе их взаимодействия в водной среде. Выявлены общие размерозависимые особенности воздействия наночастиц на бактериальные клетки B. cereus АТСС 10702 и различия, связанные как с адсорбцией наночастиц оксидов металлов и благородных металлов на поверхности бактерий, так и потерей жизнеспособности бактериальных клеток с различным уровнем их деструкции, достигающем 67–70 % в случае наночастиц благородных металлов. Рассмотрен химизм воздействия наночастиц серебра, золота, платины и оксидов цинка и титана на тест-микроб B. cereus АТСС 10702. Сформулировано предположение о том, что главная особенность взаимодействия нанодисперсных структур на основе благородных металлов и оксидов металлов связана не с увеличением удельной контактной поверхности дисперсной фазы, а со значительным повышением удельной поверхностной энергии, приводящем к модификационной перестройке многослойных гидратных оболочек воды, окружающих наночастицы. Измеряемый дзета (?-)-потенциал наночастиц металлов и оксидов металлов характеризует суммарный эффект, формирующийся на диффузионно-подвижной границе наночастицы; его величина является количественной характеристикой равновесного энергетического состояния дисперсных систем, выступающих в качестве биокатализаторов внутриклеточных ферментов и обуславливающих гидролиз полимерных структур цитоплазматических мембран и клеточных оболочек и в конечном итоге гибель микробных клеток. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при создании эффективных антимикробных композиций.
Ключевые слова: микроорганизмы, Bacillus cereus АТСС 10702, биоцидная активность, наночастицы, дзета-потенциал, дезинфицирующие композиции.

 

Сведения об авторах
Фролов Георгий Александрович – кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии НИТУ "МИСиС"; Служеб. тел.: (495) 955-00-03, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.. ORCID ID: 0000-0003-1460-6030
Лундовских Ирина Александровна – кандидат химических наук, доцент кафедры микробиологии Вятского государственного университета. ORCID ID: 0000-0003-4954-8870
Тарасов Михаил Борисович – генеральный директор ООО "НПФ "НаноТехПром". ORCID ID: 0000-0003-0980-5908
Шабалина Марина Робертовна – кандидат технических наук, доцент кафедры фундаментальной и прикладной математики Института математики и информационных систем Вятского государственного университета. ORCID ID: 0000-0001-5389-3306
Погорельский Иван Петрович – доктор медицинских наук, профессор, АНО "Научное общество "Микробиота"
Гурин Константин Игоревич – кандидат медицинских наук, начальник отдела НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" МО РФ
Миронин Александр Викторович – доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" МО РФ