Nanostructured minerals developed to be used as fertilizers: biosafety evaluation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Natural zeolites are effectively used as fertilizers, substrates, and pesticide carriers, as well as sorbents in the remediation of contaminated soils. Since nanostructured minerals exhibit unique physicochemical properties, they must be tested for toxicity and genotoxicity prior to their use in practice. The mutagenic and antimutagenic properties of a nanostructured water-zeolite suspension were first tested using two bacterial test systems: Ames test and SOS-lux test. According to the obtained data, the nanostructured water-zeolite suspension exhibits no mutagenic activity within the analyzed concentration range (0.75–400 µg/mL). In order to assess the antimutagenic activity of the nanostructured water-zeolite suspension, different types of mutagens were selected: mitomycin C, ethyl methanesulfonate, 2,4-dinitrophenylhydrazine, as well as DNA-damaging agents (ofloxacin and hydrogen peroxide). A significant antimutagenic effect of the nanostructured water-zeolite suspension at 200 μg/mL was shown against mitomycin C in the SOS-lux test (50.0% inhibition of mutagenic activity) and 2,4-dinitrophenylhydrazine in the Ames test (62.0% inhibition). For the other mutagens, a weak antimutagenic effect was observed (17.0% for ethyl methanesulfonate), while no antimutagenic effect was reported for ofloxacin and hydrogen peroxide. These differences can be attributed to the negative charge in zeolites, meaning that they can capture only positive (or neutral) molecules. Therefore, the antimutagenic effect of the nanostructured water-zeolite suspension depends on the charge of the mutagen molecule. According to the obtained results, the nanostructured water-zeolite suspension can be considered environmentally friendly, which allows it to be used for agro-industrial purposes as a fertilizer in the production of crops.

About the authors

I. A. Degtyareva

Scientific Institution Tatar Scientific Research Institute of Agricultural Chemistry and Soil Science – Subdivision of the Federal State Budgetary Institution of Science «Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences»

Email: peace-1963@mail.ru

E. V. Babynin

Scientific Institution Tatar Scientific Research Institute of Agricultural Chemistry and Soil Science – Subdivision of the Federal State Budgetary Institution of Science «Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences»

Email: edward.b67@mail.ru

E. A. Prishchepenko

Scientific Institution Tatar Scientific Research Institute of Agricultural Chemistry and Soil Science – Subdivision of the Federal State Budgetary Institution of Science «Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences»

Email: pea77@list.ru

References

  1. Khan M. N., Mobin M., Abbas Z. K., AlMutairi K. A., Siddiqui Z. H. Role of nanomaterials in plants under challenging environments // Plant Physiology and Biochemistry. 2017. Vol. 110. P. 194-209. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2016.05.038.
  2. Usman M., Farooq M., Wakeel A., Nawaz A., Cheema S. A., Rehman H. U., et al. Nanotechnology in agriculture: current status, challenges and future opportunities // Science of the Total Environment. 2020. Vol. 721. P. 137778. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137778.
  3. Sanzari I., Leone A., Ambrosone A. Nanotechnology in plant science: to make a long story short // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2019. Vol. 7. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00120.
  4. van Dijk M., Meijerink G. W. A review of food security scenario studies: gaps and ways forward. In: The food puzzle: pathways to securing food for all. Wageningen UR, 2014. P. 30-32.
  5. Manjaiah K. M., Mukhopadhyay R., Paul R., Datta S. C., Kumararaja P., Sarkar B. Clay minerals and zeolites for environmentally sustainable agriculture. In: Modified clay and zeolite nanocomposite materials. The Netherlands, 2019. P. 309-329. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814617-0.00008-6.
  6. Mumpton F. A. La roca magica: uses of natural zeolites in agriculture and industry // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1999. Vol. 96, no. 7. P. 3463-3470. https://doi.org/10.1073/pnas.96.7.3463.
  7. Oliveira C. R., Rubio J. Adsorption of ions onto treated natural zeolite // Materials Research. 2007. Vol. 10, no. 4. https://doi.org/10.1590/S1516-14392007000400014.
  8. Chinnamuthu C. R., Boopathi P. M. Nanotechnology and agroecosystem // Madras Agricultural Journal. 2009. Vol. 96, no. 1-6. P. 17-31.
  9. Arora S., Rajwade J. M., Paknikar K. M. Nanotoxicology and in vitro studies: the need of the hour // Toxicology and Applied Pharmacology. 2012. Vol. 258, no. 2. P. 151-165. https://doi.org/10.1016/j.taap.2011.11.010.
  10. Lin D., Xing B. Root uptake and phytotoxicity of ZnO nanoparticles // Environmental Science and Technology. 2008. Vol. 42, no. 15. P. 5580-5585. https://doi.org/10.1021/es800422x.
  11. Petushkov A., Ndiege N., Salem A. K., Larsen S. C. Toxicity of silica nanomaterials: zeolites, mesoporous silica, and amorphous silica nanoparticles // Advances in Molecular Toxicology. 2010. Vol. 4. P. 223-266. https://doi.org/10.1016/S1872-0854(10)04007-5.
  12. Tarafdar J. C., Xiang Y., Wang W.-N., Dong Q., Biswas P. Standardization of size, shape and concentration of nanoparticle for plant application // Applied Biological Research. 2012. Vol. 14, no. 2. P. 138-144.
  13. Дегтярева И. А., Бабынин Э. В., Мотина Т. Ю., Давлетшина А. Я., Яппаров И. А. Оценка мутагенных и антимутагенных свойств наноструктурного фосфорита - компонента комплексного удобрения // Агрохимический вестник. 2019. N 1. С. 41-45. https://doi.org/10.24411/0235-2516-2019-10010.
  14. Degtyareva I. A., Ezhkova A. M., Yapparov A. Kh., Yapparov I. A., Ezhkov V. O., Babynin E. V., et al. Production of nano-bentonite and the study of its effect on mutagenesis in bacteria Salmonella typhimurium // Nanotechnologies in Russia. 2016. Vol. 11, no. 9-10. P. 663-670. https://doi.org/10.1134/S1995078016050050.
  15. Дурнев А. Д., Суслова Т. Б., Черемисина З. П., Дубовская О. Ю., Нигарова Э. А., Коркина Л. Г.. Исследование мутагенного действия пыли природных цеолитов и хризотил-асбеста // Экспериментальная онкология. 1990. Т. 12. N 2. С. 21-24.
  16. Ilgren E. B., Brena M. O., Larragoitia J. C., Navarrete G. L., Berna A. F., Krauss E., et al. A reconnaissance study of a potential emerging Mexican mesothelioma epidemic due to fibrous zeolite exposure // Indoor and Built Environment. 2008. Vol. 17, no. 6. P. 496-515. https://doi.org/10.1177/1420326X08096610.
  17. Pavelic K., Hadzija M. Medical applications of zeolites. In: Handbook of zeolite science and technology. New York, 2003. P. 1143-1174.
  18. Bunn W. B., Bender J. R., Hesterberg T. W., Chase G. R., Konzen J. L. Recent studies of manmade vitreous fibers. Chronic animal inhalation studies // Journal of Occupational Medicine. 1993. Vol. 35, no. 2. P. 101-113. https://doi.org/10.1097/00043764-199302000-00009.
  19. Maron D. M., Ames B. N. Revised methods for the Salmonella mutagenicity test // Mutation Research. 1983. Vol. 113, no. 3-4. P. 173-215. https://doi.org/10.1016/0165-1161(83)90010-9.
  20. Evandri M. G., Battinelli L., Daniele C., Mastrangelo S., Bolle P., Mazzanti G. The antimutagenic activity of Lavandula angustifolia (lavender) essential oil in the bacterial reverse mutation assay // Food and Chemical Toxicology. 2005. Vol. 43, no. 9. P. 1381-1387. https://doi.org/10.1016/j.fct.2005.03.013.
  21. Cooper D. L., Lovett S. T. Toxicity and tolerance mechanisms for azidothymidine, a replication gap-promoting agent, in Escherichia coli // DNA Repair (Amst). 2011. Vol. 10, no. 3. P. 260-270.
  22. Caldini G., Trotta F., Villarini M., Moretti M., Pasquini R., Scassellati-Sforzolini G., et al. Screening of potential lactobacilli antigenotoxicity by microbial and mammalian cell-based tests // International Journal of Food Microbiology. 2005. Vol. 102, no. 1. P. 37-47. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmi-cro.2004.11.015.
  23. Tagu D., Le Trionnaire G., Tanguy S., Gauthier J.-P., Huynh J.-R. EMS mutagenesis in the pea aphid Acyrthosiphon pisum // G3 Genes, Genomes, Genetics. 2014. Vol. 4, no. 4. P. 657-667. https://doi.org/10.1534/g3.113.009639.
  24. Abraham L. M., Selva D., Casson R., Leibovitch I. Mitomycin: clinical applications in ophthalmic practice // Drugs. 2006. Vol. 66, no. 3. P. 321-340. https://doi.org/10.2165/00003495-200666030-00005.
  25. Valverde M., Lozano-Salgado J., Fortini P., Rodriguez-Sastre M. A., Rojas E., Dogliotti E. Hydrogen peroxide-induced DNA damage and repair through the differentiation of human adipose-derived mesenchymal stem cells // Stem Cells International. 2018. P. 1615497. https://doi.org/10.1155/2018/1615497.
  26. Parodi S., De Flora S., Cavanna M., Pino A., Robbiano L., Bennicelli C., et al. DNA-damaging activity in vivo and bacterial mutagenicity of sixteen hydrazine derivatives as related quantitatively to their carcinogenicity // Cancer Research. 1981. Vol. 41, no. 4. P. 1469-1482.
  27. Amarh V., Arthur P. K. DNA double-strand break formation and repair as targets for novel antibiotic combination chemotherapy // Future Science OA. 2019. Vol. 5, no. 8. P. FSO411. https://doi.org/10.2144/fsoa-2019-0034.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».