Improvement of a nutrient medium by adding copper nanoparticles for clostridium cultivation (CuNP)
Abstract
The article presents results on the biotechnology of the production of modern effective veterinary immunobiological means (VIM) related with the increase in the volumes of bacteriological mass of pathogenic microorganisms to use them as specific antigens. There is a need in optimization of existing and development of new, cost-effective nutrient media for the cultivation of anaerobic strains of pathogens. Current which nanobiotechnologies may be use for this purpose. Determination of the peculiarities of metals NP influence on pathogenic microorganisms contributes to new perspectives of their application in biotechnology for the production of specific preventive means for obtaining large volumes of bacterial mass of pathogenic agents with their subsequent inactivation and use in the biotechnology of VIM production. After CuNP addition to the liquid culture media at certain concentrations for anaerobes cultivation, we registered pronounced biological activity and positive effect on the growth and multiplication of the C. septicum strain “Cherkaskiy-97”. The revealed results confirmed stimulating effect of CuNP on the growth and reproduction processes of C. septicum in concentration within 0.1–0.0031 mg/ml with the exponential phase of Clostridium in 24 hours. Within exponential phase of Clostridium growth and multiplication volumes of bacterial mass of the pathogen increased in 1,12‒1,83 times significantly higher (p <0,001), in comparison with the control. The minimal stimulating concentration of CuNP in the liquid nutrient media composition was 0,025 mg/ml. The presence of CuNP in this concentration showed the best stimulative effect on the Clostridium proliferation, ensuring the highest yield of the C. septicum bacterial mass, which was higher by 44,7 % (p <0,001), compared with the control. In 36 hours of C. septicum cultivation, there was a phase of bacterial cell death, as the bacterial mass volume decreased by 19,1 % (p <0005), and in 48 hours cultivation, the quantitative content of Clostridium significantly decreased by 22,3 % (p <0,001), compared with the previous parameters. It was confirmed that C. septicum cultivation for 24 hours in nutrient media with CuNP within stimulant concentrations provided a complete technological approach for increasing the concentration of antigens without decantation (by fusing a part of the liquid fraction of the antigen to increase its concentration) and obtaining a vaccine in full volume with improved quality by preservation of the total number of soluble antigens against C. septicum metabolites, which results in the cost reduction of vaccine preparations.References
Бактеріологічний моніторинг анаеробних інфекцій та специфічні профілактичні засоби для попередження біоризиків в Україні / О.М. Жовнір, О.І. Горбатюк, Т.О. Гаркавенко, В.О. Андріящук, Г.Ф. Риженко, Т.М. Уховська, С.М. Тютюн // Аграрний вісник Причорномор’я. Ветеринарні науки. – Одеса, 2017. – Вип. 83. ‒ С. 78–85.
Уховська Т.М. Бактеріальні антропозоонози тварин та способи підвищення біобезпеки тваринницької продукції / Т.М. Уховська, О.І. Горбатюк // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції молодих учених “Актуальні проблеми ветеринарної біотехнології та інфекційної патології тварин”. – К., 2017. – С. 88–89.
Підвищення рівня безпеки тваринницької продукції за застосування специфічних профілактичних засобів проти антропозоонозів тварин бактеріальної етіології / Т.М. Уховська, О.І. Горбатюк, В.О. Андріящук, С.М. Тютюн // Регіональний науковий симпозіум в рамках концепції “Єдине здоров’я”, за підтримки ПЗСБД в Україні (24–28 квітня 2017 р.). – К., 2017. – 45 с.
Колтукова Н.В. Коліциногенна активність та чутливість до антибіотиків колекційних та свіжовиділених штамів Shigella flexneri та Shigella sonnei / Н.В. Колтукова, Т.Л. Серебрякова, В.В. Яновська // Микробиологический журнал. – 2005. – Вип. 67, № 5. – С. 69–79.
Теоретичне та експериментальне обґрунтування використання нанотехнологій для створення імунобіологічних препаратів / В.П. Риженко, Г.Ф. Риженко, О.І. Горбатюк, В.О. Андріящук, С.М. Тютюн, В.А. Тютюн, О.М. Жовнір, Т.М. Мазигула, П.П. Каменчук, О.В. Рудой, Н.А. Теплюк, Л.С. Мілько // Ветеринарна біотехнологія. – 2013. – № 23. – С. 235–239.
Копил С.А. Перспективність ветеринарних препаратів з використанням нанотехнологічної сировини / С.А. Копил, Л.В. Крічковська // Біологія тварин. – Т. 12, № 2. – 2010.– С. 445–450.
Чекман І.С. Наночастинки: властивості та пер¬спективи застосування / І.С. Чекман // Укр. біохімічний журнал. – 2009. – Т. 81, № 1. – С. 122–129.
Нанотехнології в сучасному сільському господарстві / О.В. Ситар, Н.В. Новицька, Н.Ю. Таран [та ін.] // Фізика живого. – 2010. – Т. 18. – С. 113–116.
Вивчення можливостей застосування нанорозмірного срібла в біотехнології виготовлення сучасних профілактичних засобів / О.І. Горбатюк, Г.Ф. Риженко, О.М. Жовнір, В.О. Андріящук, С.М. Тютюн, Т.М. Уховська // Науково-технічний бюлетень Державного науково-дослідного контрольного інституту ветеринарних препаратів та кормових добавок і Інституту біології тварин. – Львів, 2016. – Вип. 17, № 1. – С. 112–117.
Проблема оцінки потенційних ризиків наноматеріалів та шляхи її вирішення // Ю.І. Кундієв, З.Р. Ульберг, М.І. Трахтенберг, І.С. Чекман, Т.Г. Грузіна, С.М. Дибкова, Л.С. Рєзніченко, М.Л. Марченко // Доповіді НАНУ. – 2013. – № 1. – С. 177–183.
Застосування наночастинок заліза у складі живильного середовища для культивування анаеробів за біотехнології виготовлення вакцин / Є.П. Минцюк, С.А. Ничик, О.І. Горбатюк, В.О. Андріящук, Г.Ф. Риженко, О.М. Жовнір, Т.М. Уховська, Б.М. Терешко, С.М. Тютюн // Вісник Житомирського національного агроекологічного університету. – 2017. – № 2(63), т. 3. – С. 138–142.
Романько Н.Є. Мембранотропний вплив наночастинок Ауруму та Аргентуму на інтенсивність окиснювальних процесів у клітинах Echerichia за умов їх ліофілізації / Н.Є. Романько // Біологія тварин. – Т.12, № 2. – 2010. – С. 460–473.
Вплив металів-мікроелементів на біохімічні показники бактерій-пробіонтів / Л.С. Рєзніченко, Т.Г. Грузіна, В.В. Вембер, З.Р. Ульберг // Укр. біохімічний журнал. – 2008. – Т. 80, № 1. – С. 91–101.
Скринінг наночастинок металів для біотехнології ветеринарних імунобіологічних засобів / Г.Ф. Риженко, С.М. Дибкова, О.І. Горбатюк, В.О. Андріящук, О.М. Жовнір, Т.М. Уховська, С.М. Тютюн, Л.С. Рєзніченко, Т.Г. Грузіна // Ветеринарна біотехнологія. – 2017. – Вип. 30. – С. 206–213.
Synthesis and comparative characteristics of biological activities of (La, Sr)MnO3 and Fe3O4 nanoparticles / O. Shydlovska, N. Zholobak, S .Dybkova, S. Osinsky, L. Bubnovskaya, O. Yelenich, S. Solopan, A. Belous // Eur. J. Nanomed. – 2017. ‒ 9(1). – P. 33–43.
Використання наночастинок металів у виробництві ветеринарних імунобіологічних засобів для підвищення їх ефективності: методичні рекомендації / [Г.Ф. Риженко, С.А. Ничик, О.І. Горбатюк, В.О. Андріящук, О.М. Жовнір, Т.М. Уховська, С.М. Тютюн, Л.С. Рєзніченко, С.М. Дибкова, Т.Г. Грузіна]. – К., 2017. – 24 с.
Сollins A. R. The comet assay for DNA damage and repair: principles, applications and limitations // Molecular Biotechnology. – 2004. – Vol. 26, N 3 – Р. 249–261.
Наноматеріали в біотехнології / В.Б. Борисевич, В.Г. Каплуненко та ін. – К.: “Авіцена”, 2010. – 415 с.
Olive P.L. The Comet Assay: An overview of techniques / P.L. Olive // Methods Molecular Biology. – 2002. – Vol. 203. – P. 179–194.
Оцінка безпеки ветеринарних імунобіологічних засобів, які містять наночастинки металів, у процесі розробки: методичні рекомендації / [Риженко Г.Ф., Горбатюк О.І., Андріящук В.О., Жовнір О.М., Уховська Т.М., Тютюн С.М., Дибкова С.М., Рєзніченко Л.С., Грузіна Т.Г.]. – К., 2017. – 21 с.
Патент на КМ України “Спосіб оцінки генотоксичних властивостей ветеринарних імунобіологічних засобів, які містять наночастинки металів”, патент № 117662; заявл. 18.07. 2016.; опубл. 10.07.2017, Бюл. № 13.
Ульберг З.Р. Нанотехнології в медицині: роль колоїдно-хімічних процесів / З.Р. Ульберг, Т.Г. Грузіна, О.В. Карпов // Вісник НАНУ. – 2008. – № 8. – С. 28–41.
ISO/TS 11133-2:2003 Мікробіологія харчових продуктів та кормів для тварин. Настанови щодо готування та виробництва поживних середовищ. Частина 2. Практичні настанови щодо випробування культуральних середовищ.
Чекалов В.П. Методичні аспекти обліку чисельності бактеріобентосу в умовах сезонних коливань температури / В.П. Чекалов // Вісник Дніпропетроського університету. Біологія. Екологія. – 2012. – Вип. 20, т. 2. – С. 101–107.
Методи імунологічних досліджень у лабораторіях ветеринарної медицини: методичні рекомендації / В.М. Івченко, М.С. Павленко, О.І. Горбатюк та ін. – Белая Церковь, 2003. – С. 16–20.
Ойвин И.А. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований / И.А. Ойвин // Патологическая физиология и экспериментальная терапия. – 1960. – № 4. – С. 396–401.
Zhovnir, O.M., Gorbatyuk, O.I., Garkavenko, T.O., Andriyaschuk, V.O., Rizhenko, G.F., Uhovska, T.M., Tyutyun, S.M. (2017). Bacteriological monitoring of anaerobic infections and specific preventive measures for the prevention of biological threats in Ukraine. Agrarian Bulletin of the Black Sea Region. Veterinary science. 83, 78‒85.
Uhovska, T.M., Gorbatyuk, O.I. (2017). Bacterial anthropozoonoses of animals and ways to increase livestock products biosecurity. Actual problems of veterinary biotechnology and infectious animal pathology: International scientific and practical conference of young scientists. Kyiv: IVM NAAS, 88‒89.
Uhovska, T.M., Gorbatyuk, O.I., Andriyaschuk, V.O., Tyutyun, S.M. (2017). Usage of specific preventive means for improving the safety of animal products against animals anthropozoonoses of bacterial etiology. Regional Scientific Symposium within the concept “One Health” (24–28 April 2017). Kyiv, 45.
Koltukova, N.V., Serebryakova, T.L., Yanovskaya, V.V. (2005). Colicinogenic activity and sensitivity to the antibiotics of the collection and fresh strains of Shigella flexneri and Shigella sonnei. Microbiological Journal. 67, 695‒790.
Rizhenko, V.P., Rizhenko, G.F., Gorbatyuk, O.I., Andriyashchuk, V.O., Tyutyun, S.M., Tyutyun, V.A. et al. (2013). Theoretical and experimental substantiation of the use of nanotechnologies for the creation of immunobiological medicine. Veterinary biotechnology. 23, 235‒239.
Kopil, S.A., Krichkouska, L.V. (2010). Perspectives for usage veterinary medicine with nanotechnological raw materials. Animal biology. 12, 2, 445‒450.
Chekman, I.S. (2009). Nanoparticles: properties and prospects of application. Ukrainian Biochemical Journal. 81, 1, 122‒129.
Sitar, O.V., Novytska, N.V., Taran, N.Yu. et al. (2010). Nanotechnology in modern agriculture. Physics of the living. 18, 113‒116.
Gorbatyuk, O.I., Rizhenko, G.F., Zhovnir, O.M., Andriyaschuk, V.O., Tyutyun, S.M., Uhovska, T.M. (2016). Study of the possibilities of using nano-sized silver in biotechnology for the production of modern prophylactic means. Scientific and technical bulletin of the State Scientific and Research Control Institute for Veterinary Medicinal Products and Feed Additives and the Institute of Animal Biology. 17, 1, 112‒117.
Kundiev, Yu.I., Ulberg, Z.R., Trakhtenberg, M.I., Chekmann, І.S., Gruzina, T.G., Dibkova, S.M. et al. (2013). Problem of estimation of potential risks of nanomaterials and ways of its solution. Reports of NASU. 1, 177‒183.
Mintsyuk, E.P., Nichik, S.A., Gorbatyuk, O.I., Andriyshchuk, V.A., Ryzhenko, G.F., Zhovnir, A.M. et al. (2017). Application of iron nanoparticles in the growth medium for the cultivation of anaerobes in biotechnology for the production of vaccines. Bulletin of Zhytomyr National Agroecological University. 63, 3, 138‒142.
Romanko N.E. (2010). Membranotropic effect of aurum and argentum nanoparticles on the intensity of oxidative processes in Echerichia cells under conditions of their lyophilization. Animal biology. 12, 2, 460‒473.
Reznichenko, L.S., Gruzina, T.G., Vember, V.V., Ulberg, Z.R. (2008). The influence of metals-trace elements on the biochemical parameters of probionts bacteria. Ukrainian Biochemical Journal. 80, 1, 91‒101.
Rizhenko, G.F., Dibkova, S.M., Gorbatyuk, O.I., Andriyashchuk, V.O., Zhovnir, O.M., Uhovska, T.M., Tyutyun, S.M. et al. (2017). Screening of metals nanoparticles for biotechnology of veterinary immunobiological means. Veterinary biotechnology. 30, 206‒213.
Shydlovska, O. (2017). Synthesis and comparative characteristics of biological activities of (La, Sr)MnO3 and Fe3O4 nanoparticles. Eur. J. Nanomed. 9 (1), 33‒43.
Rizhenko, G.F., Nichik, S.A., Gorbatyuk, O.I., Andriyshchuk, V.A., Zhovnir, A. M., Uhovska, T.M., Tyutyun, S.M. et al. Use of metals nanoparticles in the production of veterinary immune-biological agents to increase their effectiveness: Methodical recommendations. Kyiv: IVM NAAS, 24.
Сollins, A.R. (2004). The comet assay for DNA damage and repair: principles, applications and limitations. Molecular Biotechnology. 26, 3, 249–261.
Borisevich, V.B., Kaplunenko, V.G. et al. (2010). Nanomaterials in biotechnology. Kyiv: Avicenna, 415.
Olive, P.L. (2002). The Comet Assay: An overview of techniques. Methods Molecular Biology. Vol. 203, 179-194.
Rizhenko, G.F., Gorbatyuk, O.I., Andriyshchuk, V.A., Zhovnir, A. M., Uhovska, T.M., Tyutyun, S.M., Dibkova, S.M. et al. (2017). Assessment of the safety in the process of development of veterinary immunobiological agents which contains metal nanoparticles: Methodical recommendations. Kyiv: IVM NAAS.
Method of genotoxic properties evaluation of veterinary immunobiological agents which contains metal nanoparticles: Patent for utility model of Ukraine. (2017, 10 July). Bulletin, 13.
Ulberg, Z.R., Gruzina,T.G., Karpov, O.V. (2008). Nanotechnology in medicine: the role of colloid-chemical processes. Bulletin of NASU, 8, 28‒41.
Microbiology of food and animal feed. Guidelines for the preparation and production of nutrient media. Part 2. Practical guidelines for testing culture environments. ISO/TS 11133-2:2003.
Chekalov, V.P. (2012). Methodological aspects of counting bacterial abundance in conditions of seasonal temperature fluctuations. Bulletin of Dnipropetrovsk University. Biology. Ecology. 20, 2, 101‒107.
Ivchenko, V.M., Pavlenko, M.S., Gorbatyuk, O. I. at al. (2003). Immunological research methods in the laboratories of veterinary medicine: Methodical recommendations. Belaya Tserkov: BNAU, 16‒20.
Oivin, I.A. (1960). Statistical processing of the results of experimental studies. Pathological physiology and experimental therapy. 4, 396‒401.
