Școala doctorală științe biologice [604832]

Școala doctorală științe biologice

119
ELUCIDAREA EFECTELOR NANOPARTICULELOR FE 3O4
ASUPRA VIABILITĂȚII ȘI PRODUCTIVITĂȚII LEVURII
RHODOTORULA GRACILIS CNMN -Y-30 ÎN FUNCȚIE
DE DIMENSIUNI ȘI CONCENTRAȚIE

BEȘLIU ALINA, USATÎI AGAFIA, EFREMOVA NADEJDA
Universitatea de Stat „Dimitrie Cantemir” , Republica Moldova

În prezent nanotehnologiile se dezvoltă cu pași rapizi fiind incluse într -o serie
largă de procese și produse industriale, medicale, farmaceutice, alimentare și
biotehnologice [ Dong, 2014, Lu, 2007, Mody, 2010, Donaldson, 2004] . Un
potențial deosebit este orientat spre utilizarea și elucidarea efectelor
nanoparticulelor oxidului de fier care pot soluționa problemele cu care se confruntă
în prezent omenirea. C aract eristicile cum ar fi magnetizare ridicată, dimensiune
mai mică de 100 nm, compoziția chimică, uniformitatea granulometrică, structura,
aria suprafeței, biocompatibilitate, duritate, flexibilitate, solubilitate [Laurent et al.,
2010, Elsaesser A, 2012 ], oferă proprietăți unice care sunt responsabile pentru
efectele pozitive cât și negative [ Elsaesser A, 2010 ].
În acest context, pentru a nu ne confrunta ulterior cu efecte negative asupra
sanătății și mediului înconjurător, sunt necesare informații privind i nfluența
nanoparticulelor asupra organismelor vii și stucturilor celulare. Utilizarea
microorganismelor și în special a levurilor din genul Rhodotorula ca obiect de
studiu pentru analiza influienței nanoparticulelor, include o mulțime de avantaje
fiind obi ecte comode și reprezentative, care oferă oportunități în modelarea
diferitor procese vitale și stabilirea mecanismelor de acțiune a compușilor asupra
componentelor celulare.
Pentru evaluarea influenței nanoparticulelor oxidului de fier asupra levurii
Rhod otorula gracilis CNMN -Y-30 este importantă studierea acțiunii asupra
reproducerii, viabilității și productivității.
Scopul lucrării constă în elucidarea efectelor nanoparticulelor Fe 3O4 asupra
viabilității și productivității levurii Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30 în funcție
de dimensiuni și concentrație.
Obiect de studiu și medii de cultură. În cadrul cercetărilor s -a utilizat levura
pigmentată Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30, selectată ca producător de proteine
și carotenoide. Tulpina este depozitată în colecția Laboratorului Biotehnologia
Levurilor și în Colecția Națională de Microorganisme Nepatogene a Institutului de
Microbiologie și Biotehnologie.
Pentru inoculare și cultivarea submersă a levurii s -au utilizat mediile de
fermentație sp ecifi ce tulpinii în studiu YPD și must de malț [2]. Cultivarea
submersă s -a efectuat în baloane Erlenmeyer cu capacitate de 1,0 L, pe agitator cu
viteza de rotație 200 rot./min, la temperatura de +250 C, gradul de aerare

Școala doctorală științe biologice

120
80,0…83,0 mg/L, durata de cultiv are submersă 120 ore. Mediul lichid de
fermentare s -a însămânțat în volum de 5% cu inocul 2×106 celule/ml.
În cercetări s -au utilizat nanoparticule Fe 3 O4 pulbere, cu dimensiuni de 10 nm
și 50 -100 nm, suspensia de nanoparticule a fost preparată conform me todei
specificate [Gonzalis, 2013]. Concentrațiile nanoparticulelor utilizate în experiențe
la cultivarea levurii au constituit 0.5; 1.0; 5.0; 10; 15; 20; 25 și 30 mg/L. În calitate
de martor s -a cercetat varianta fără aplicarea nanoparticulelor.
Metode d e realizare a cercetărilor. Biomasa levuriană a fost determinată
gravimetric [Liu Hong -Zhi et. al. , 2009 ]. Substanța uscată a fost determinată prin
cântărire și uscarea în etuvă la 105˚C pînă la greutate constantă a unei cantități
determinate de probă [ Miyamoto -Shinohara, 2010 ]. Prelucrarea statistică a
rezultatelor a fost efectuată cu ajutorul setului de programe Statistica 7.
Rezultate și discuții . Un element esen țial în evaluarea impactului
nanoparticulelor Fe 3O4 este studiul asupra procesului de reproducere a levurii
Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30 deoarece moartea celulară este una dintre
consecințele toxicității, factorilor chimici sau fizici care își exercită efectele toxice
printr -un număr de modificări celular e ce pot compromite capacitatea celulelor de
a se diviza fără a duce neapărat la moartea celulelară. Acest aspect caracterizează
vitalitatea celulară și capacitățile fiziologice ale celulelor. Pentru estimarea stării
fiziologice după expunerea la diferite tipuri de factori de stres este necesar de a
efectua analiza viabilității celulare. Care este metoda cea mai frecvent utilizată
pentru evaluarea impactului diferitelor tipuri de factori de stres în cercetarea
toxicologică și în studiile microbiologice. Vi abilitatea este definită ca procentul de
celulele vii dintr -o populație întreagă. Reieșind din cele expuse, a fost necesară
studierea influenței nanoparticulelor Fe 3O4, aplicate în diapazon larg de
concentrații, asupra viabilității tulpinii de levuri pigme ntate Rhodotorula gracilis
CNMN -Y-30.
Viabilitatea a celulelor tulpinii de levuri pigmentate Rhodotorula gracilis
CNMN -Y-30 s -a monitorizat timp de 24 ore de cultivare în profunzime sub
influența nanoparticulelor Fe 3O4 de 10 nm și 50 -100 nm cu concentrații diferite.
Nanoparticule Fe 3O4 de 10 nm afectează viabilitatea celulelor levurii
Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30, care rețin multiplicarea celulelor pe parcursul
tuturor perioadelor cercetate efect mai pronunțat se o bservă după după 24 ore de
cultivare în profunzime unde conținutul este redus cu 83,6…86,9% (fig. 6),
comparativ cu proba martor. Rezultatele obținute indică că nanoparticule Fe 3O4 de
10 nm influiențeză negativ viabilitatea celulelor pigmentate. Și conf orm indicelui
toxicității (IC 50% ) pot fi plasate în categoria de substanțe de pericol – nocive.

Școala doctorală științe biologice

121

Figura 1. Influența nanoparticulelor Fe 3O4 (10 nm) asupra viabilității celulare a tulpinii
Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30 în funcție de concentrație.

Rezultatele obținute la introducerea nanoparticulelor Fe 3O4 de 50 -100 nm au
demonstrat deviații negative după 3 ore de cultivare, viabilitatea celulelor a scăzut
cu 6…53%, comparativ cu proba martor. Dar după 6 și 24 ore s -a înregistrat o
activare a via bilității celulelor, care a permis o creștere de 11…102% și respectiv
20…230%, față de martor. După 24 de ore viabilitatea este afectată doar în cazul
concentrației de 30 mg/L, care scade cu 27%, comparativ cu proba martor. Din
rezultatele obținute put em concluziona că influența nanoparticulelor asupra
viabilității levurii Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30 depinde de dimensiunea și
concentrația nanoparticulelor introduse în mediu de cultivare.

Figura 2. Influența nanoparticulelor Fe 3O4 (50-100 nm) asupra viabilității celulare a
tulpinii Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30.

%, martor
Concentrația NPs Fe3O (10 nm), mg/L Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30, Viabilitatea Celulelor
3 ore
6 ore
24 ore
%, martor
Concentrația NPs Fe3O4 (50 -100 nm), mg/L Viabilitatea celulelor
3 ore
6 ore
24 ore

Școala doctorală științe biologice

122
Studiul privind analiza productivității obținute după 120 ore de cultivare în
profunzime a relevat unele diferențe în efectele produse de către nanoparticule.
Conform rezultatelor, nanoparticulele Fe 3O4 (10 nm) în concentrații mici manifestă
acțiune stimulatoare asupra productivității levurii, sporul cel mai înalt de 13,3 -14,8
% față de martor s -a înregistrat pentru 0,5 -1 mg/L (fig. 3). Odată cu mărirea
concentraței de nanoparticule se observă o micșorare nesemnificativă a
conținutului de biomasă levuriană, valorile sunt situate în limita erorii admisibile.
Pentru a stabili rolul concentrațiilor nanoparticulelor în procesul de acumulare a
biomasei celulare a fost efectu ată analiza corelațională. Raportul corelațional
confirmă dependența valorilor productivității cu cele ale concentrațiilor
nanoparticulelor Fe 3O4 (10 nm), coeficientul de determinare fiind moderat (R2 = 0,
766).

Figura 3. Influența nanoparticulelor Fe 3O4 (10 nm) asupra productivității tulpinii
Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30 în funcție de concentrație.

Studiul influenței nanoparticulelor Fe 3O4 cu dimensiunea de 50 -100 nm asupra
tulpinii de levuri Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30 au evidențiat o creștere a
productivității de 6 -24 %, comparativ cu proba martor. Productivitatea fiind
afectată negativ doar de concentrația de 25 mg/L care o micșorează cu 25,6%. %, martor
Concentrația NPs Fe3O4 (10 nm) Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30, productivitatea

Școala doctorală științe biologice

123

Figura 4. Influența nanoparticulelor Fe 3O4 (50-100 nm) asupra productivității tulpinii
Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30.

Rezultatele obținute indică că, tulpina de levuri pigmentate Rhodotorula
gracilis CNMN -Y-30 rămâne este influențată de prezența nanoparticulelor oxidului
de fier în mediul de cultivare. Rezultatele prezentate contribuie la dezvoltarea
bazelor teoretice și practice de evaluare a influenței nanoparticulelor asupra
obiectelor biologice. Informația obținută poate fi utilizată de către specialiștii din
domeniul microbiologiei, medicinii, cosmetologiei, industriei textile, industriei
alimentare etc., în care aceste nanomateriale au aplicații.
Concluzii . Studiul influenței nanoparticulelor Fe 3O4 asupra culturii de
Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30 a demonstrat că efectul acestora depinde de
dimensiuni și concentrația utilizată.
Nanoparticule Fe 3O4 de 10 nm afectează viabilitatea celulelor levurii
Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30, care rețin multiplicarea celulelor pe parcursul
tuturor perioadelor cercetate efect mai pronunțat se observă după după 24 ore de
cultivare în profunzime.
Rezultatele obținute la introducerea nanoparticulelor Fe 3O4 de 50 -100 nm au
demonstrat deviații negative doar după 3 ore de cultivare, după 6 și 24 ore s -a
înregistrat o activare a viabilității celulelor.
Studiul privind analiza productivității obținute după 120 ore de cultivare în
profunzime a relevat unele difer ențe în efectele produse de către nanoparticule.
Conform rezultatelor, nanoparticulele Fe 3O4 (10 nm) în concentrații de 0,5 -1,0
mg/L manifestă acțiune stimulatoare asupra productivității levurii. Nanoparticule
050100150
Martor 0,5 1 5 10 15 20 25 30%, martor
Concentrația NPs Fe3O4, mg/L Rhodotorula gracilis CNMN -Y-30, productivitatea
NPs Fe3O4 (50-100nm)

Școala doctorală științe biologice

124
Fe3O4 cu dimensiunea de 50 -100 nm stimulează productivitatea levurii Rhodotorula
gracilis CNMN -Y-30 în toate variantele experimentale.

Referințe bibliografice:

1. Aguilar -Uscanga B., Francios J. A study of the yeast cell wall composition
and structure in response to growth conditions and mode of cultivation. Lett Appl
Microbiol ., 2003, 37(3), 268 –274 p.
2. Anghel I., Vamanu A., Mitrache L. et. al. Biologia și tehnologia drojdiilor.
București: Editura Tehnică. 1993, vol. 3, 308 p.
3. Anghel I., Vassu T., Segal B., Berzescu P., Herlea V. , Dan V., Cancea I.,
Kathrein Vamanu. Biologia și tehnologia drojdiilor. București: Editura Tehnică.
1991, vol. 2, 315 p.
4. Donaldson V., Stone C., Tran W., Kreyling P., Borm J. Nanotoxicology,
//Occup. Environ. Med. 61, 2004, 727 –728.
5. Dong Y., Love K., Dorkin, J., Sirirungruang S., Zhang Y., Chen D.,
Anderson D. Lipopeptide nanoparticles for potent and selective siRNA delivery in
rodents and nonhuman primates. //Proceedings of the National Academy of
Sciences, 111(11), 2014, 3955 –3960
6. Elsaesser A. , Howard V. Toxicology of nanoparticles. //Advanced Drug
Delivery Reviews. 64, 2012, 129 –137.
7. Elsaesser A., Taylor G., Yanes G., McKerr E., Kim E., O'Hare C., Howard
V. Quantification of nanoparticle uptake by cells using microscopical and
analytical te chniques, //Nanomedicine. 5, 2010, 1447 –1457.
8. Lu A. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and
application. Angewandte Chemie, 2007, 46, p. 1222 -1244.
9. Mody VV, Siwale R, Singh A, Mody HR. Introduction to metallic
nanopartic les. Journal of Pharmacy and Bioallied Sciences . 2010;2(4):282 -289.
doi:10.4103/0975 -7406.72127.
10. Otero -Gozaliez, L., Garsia -Saucedo, C., Jamez, A., Sierra -Alvarez, R.
Toxicity of TiO2, ZrO2, Fe0, Fe2O3 and Mn2O3 nanoparticles to the yeast,
Saccharomyces cerevisiae. Chemosphere, 2013, p. 1201 -1206.