Модульные защитные материалы, нейтрализующие токсины (фосфорорганические соединения и микотоксины) и проявляющие биоцидность к клеткам грамположительных и грамотрицательных бактерий

Ранее нами был разработан принцип построения модульных материалов с заданными свойствами. Цель работы – изучение возможности придания модульным материалам (тканям) противохимических и бактерицидных защитных свойств. Проведенные экспериментальные исследования продемонстрировали возможность комбинирования модулей, содержащих карбоксилаты металлов, наночастицы металлов и ферментные нанокомплексы для множественной функционализации одного и того же волокнистого материала и/или волокна. Волокнистые материалы в результате последовательного нанесения на их поверхность модульных рецептур, содержащих наноразмерные металлы и ферментные нанокомплексы, приобретали биоцидные и противохимические защитные свойства. Установлено, что распылительный способ нанесения модулей на поверхность исследуемых материалов является более универсальным, так как аэрозольное нанесение позволяет нанести жидкость на любой смачиваемый материал равномерным поверхностным слоем. Бактерицидные свойства зависели от выбранного способа функционализации волокнистого материала. Полученные модульные волокнистые материалы также показали хорошие биокаталитические характеристики в отношении различных фосфорорганических соединений, микотоксинов. Продолжительность действия эффекта самодезинфекции и самодегазации волокнистых материалов, обработанных модульными рецептурами, содержащими наноразмерные металлы и ферментные нанокомплексы, составляет как минимум 230 сут. Разработанные материалы и способ их получения могут быть использованы как в получении совершенно новых тканей для средств индивидуальной защиты, имеющих определенное целевое назначение, так и в выработке новых организационно-технических и методических подходов к обеспечению индивидуальной защиты личного состава Вооруженных Сил, иных войск Российской Федерации.

1. Завьялов В.В., Кужелко С.В., Завьялова Н.В. и др. Современные направления создания новых защитных материалов и тканей для средств индивидуальной и коллективной защиты от токсичных химикатов и клеток патогенов // Вестник войск РХБ защиты. 2019. Т. 3, № 3. С. 217–254. https://doi.org/10.358.25/2587-5728-2019-3-3-217-254

2. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Стратегия разработки современных средств защиты на основе металлорганических комплексов с заданными свойствами // Вестник войск РХБ защиты. 2020. Т. 4. № 3. С. 303–335. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2020-4-3-303-335

3. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Использование модульности как принципа построения материалов на основе металлоорганических каркасных структур с заданными свойствами для создания современных средств защиты // Вестник войск РХБ защиты. 2021. Т. 5, № 2. С. 165–172. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2021-5-2-162-172

4. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Бактерицидные свойства модульных защитных материалов // Вестник войск РХБ защиты. 2022. Т. 6, № 2. С. 113–126. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2022-6-2-113-126

5. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Противохимические свойства модульных защитных материалов // Вестник войск РХБ защиты. 2022. Т. 6, № 1. С. 4–19. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2021-6-1-4-19

6. Leontev V.K., Pogorelski I.P., Frolov G.A. et al. Antibacterial properties aqueous colloid solutions of metal and metal oxide nanoparticles against dental plaque bacteria // Nanotechnol. Russia. 2018. V. 13. P. 195–198. https://doi.org/10.1134/S1995078018020040

7. Gunalan S., Sivaraj R. Green synthesized ZnO nanoparticles against bacterial and fungal pathogens // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2012. V. 22. P. 693. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2012.11.015

8. Deryabina D.G., Efremova L.V., Karimov I.F. et al. Comparative sensitivity of the luminescent Photobacterium phosphoreum, Escherichia coli, and Bacillus subtilis strains to toxic effect of carbon-based nanomaterials and metal nanoparticles // Microbiology. 2016. V. 85. P. 198–206.

9. Vidovic S., Elder J., Medihala P. et al. ZNO nanoparticles impose a panmetabolic toxic effect along with strong necrosis, inducing activation of the envelope stress response in Salmonella enterica serovar enteritidis // Antimicrob. Agents Chemother. 2015. V. 59 (6). P. 3317–3338. https://doi.org/10.1128/AAC.00363-15

10. Azam A., Ahmed A. S., Oves M. et al. Antimicrobial activity of metal oxide nanoparticles against Gram-positive and Gram-negative bacteria: a comparative study // Int. J. Nanomedicine. 2012. V. 7. P. 6003–6009. https://doi.org/10.2147/IJN.S35347

11. Khashan K.S., Sulaiman G.M., Abdulameer F.A. et al. Antibacterial activity of TiO2 nanoparticles prepared by one-step laser ablation in liquid // Applied Sciences. 2021. V. 11, P. 4623. https://doi.org/10.3390/app11104623

12. Guo B.L., Han P., Guo L.C. et al. The antibacterial activity of Ta-doped ZnO nanoparticles // Nanoscale Res. Lett. 2015. V. 10. e336. https://doi.org/10.1186/s1167-015-1047-4

13. Ansari S.A., Oves M., Satar R. et al. Antibacterial activity of iron oxide nanoparticles synthesized by coprecipitation technology against Bacillus cereus an Klebsiella pneumonia // Pol. J. Chem. Technol. 2017. V. 19 (4). P. 110–115. https://doi.org/10.1016/J.BCAB.2018.11.005

14. Akbar A., Sadiqi M.B., Ali I. et al. Synthesis and antimicrobial activity of zinc oxide nanoparticles against foodborne pathogens Salmonella typhimurium and Staphylococcus aureus // Biocatal. Agric. Biotechnol. 2019. V. 17. P. 36–42. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2018.11.005

15. Hayden S.C., Zhao G., Saha K. et al. Aggregation and interaction of cationic nanoparticles on bacterial surfaces // J. Am. Chem. Soc. 2012. V. 134. P. 6920–6923. https://doi.org/10.1021/ja301167y

16. Kumar R., Umar G., Nalva H.S. Antimicrobial properties of ZnO nanomaterials: a review // Ceram. Int. 2017. V. 43(5). P. 3940–3961. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2016.12.062

17. Allzahrani K.E., Niazy A.A., Alswieleh A.M. et al. Antibacterial activity of trimental (CuZnFe) oxide nanoparticles // Int. J. Nanomedicine. 2018. V.13. P. 77– 87. https://doi.org/10.2147/IJN.S154218

18. Heng B.C., Zhao X., Xiong S. et al. Toxicity of zinc oxide (ZnO) nanoparticles on human bronchial epithelial cells (BEAS-2B) is accentuated by oxidative stress // Food Chem. Toxicol. 2010. V. 48. P. 1762–1766. https://doi.org/10.1016/j.fct.2010.04.023

19. Dez–Pescual M.R. Percent progress in antimicrobial nanomaterial // Nanomaterials. 2020. V. 10. P. 2315. https://doi.org/10.3390/nano10112315

20. Frolov G., Lyagin I., Senko O. et al. Metal nanoparticles for improving bactericide functionality of usual fibers // Nanomaterials. 2020. V. 10. P. 1724. https://doi.org/10.3390/nano10091724

21. Lyagin I., Stepanov N., Frolov G., Efremenko E. Combined modification of fiber materials by enzymes and metal nanoparticles for chemical and biological protection // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. P. 1359. https://doi.org/10.3390/ijms23031359

22. Lyagin I.V., Efremenko E.N. Biomolecular engineering of biocatalysts hydrolyzing neurotoxic organophosphates // Biochimie. 2018. V. 144. P.115–121. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2017.10.023

23. Фосфорорганические нейротоксины. Под ред. Варфоломеева С.Д., Ефременко Е.Н. РИОР: М. 2020. 380 с. https://doi.org/10.29039/02026-5

24. Lyagin I., Efremenko E. Theoretical evaluation of suspected enzymatic hydrolysis of Novichok agents // Catal. Commun. 2019. V. 120. P. 91–94. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2018.11.019

25. Ефременко Е.Н., Завьялов В.В, Завьялова Н.В. и др. Фильтрующе-сорбирующий самодегазирующийся материал для средств индивидуальной защиты от воздействия фосфорорганических соединений. Патент РФ на изобретение № 2330717 (10.08.2008). Efremenko E.N., Zavyalov V.V., Zavyalova N.V. et al. Filtering-sorbing self-degassing material for personal protective equipment against the effects of organophosphorus compounds. RU Patent № 2330717 (10.08.2008) (in Russian).

26. Ефременко Е.Н., Лягин И.В. Современные биокатализаторы на основе гексагистидинсодержащей фосфорорганической гидролазы для химической и биологической защиты // Вестник войск РХБ защиты. 2019. Т. 3. № 2. С. 111–116. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2019-3-2-111-116

27. Efremenko E.N., Lyagin I.V., Klyachko N.L. et al. A simple and highly effective catalytic nanozyme scavenger for organophosphorous neurotoxins // J. Control. Release, 2017. V. 247, P. 175–181. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.12.037

28. Lyagin I., Efremenko E. Enzymes, reacting with organophosphorus compounds as detoxifiers: diversity and functions // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. P. e1761. https://doi.org/10.3390/ijms22041761

29. Lyagin I., Efremenko E. Enzymes for detoxification of various mycotoxins: origins and mechanisms of catalytic action // Molecules. 2019. V. 24. № 13, P. 2362. https://doi.org/10.3390/molecules24132362

30. Lyagin I., Maslova O., Stepanov N., Efremenko E. Degradation of mycotoxins in mixtures by combined proteinous nanobiocatalysts: in silico, in vitro and in vivo // Int. J. Biol. Macromol. 2022, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.07.17

31. Stepanov N., Senko O., Perminova I., Efremenko E. A new approach to assess the effect of various humic compounds on the metabolic activity of cells participating in methanogenesis // Sustainability. 2019. V. 11. P. 3158. https://doi.org/10.3390/su11113158