Перспективы использования наночастиц в животноводстве (обзор)

УДК 57.044

Перспективы использования наночастиц в животноводстве

А.Е.Аринжанов, Е.П.Мирошникова, Ю.В.Килякова

ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

Аннотация. В настоящее время разрабатываются новые способы получения наночастиц металлов, выявляются ранее неизвестные их свойства, ведется широкомасштабный поиск новых областей их применения. Подобная ситуация делает актуальный запрос на исследование потенциальных рисков, возникающих при контакте биологических систем с наноматериалами.

Summary. Currently new methods for producing metal nanoparticles are developed, previously unknown properties of them are revealed, a large-scale search for new areas of application is carried out. Such situation requires us to study the potential risks arising from the contact of biological systems with nanomateri-als.

Ключевые слова: наночастицы, микроэлементы, биодоступность, токсичность.

Key words: nanoparticles , microelements bioavailability , toxicity.

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами (физическими, химическими, биологическими и так далее), функциональными и эксплуатационными характеристиками [10].

Наноматериалы обладают комплексом физических, химических и биологических свойств, которые радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий. Наноматериалы обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, так как имеют высокую удельную поверхность (в расчете на единицу массы), что увеличивает их адсорбционную емкость, каталитические свойства и химическую реакционную способность [30].

Синтез минералов с модифицированной поверхностью и создание на их основе веществ с заданными свойствами положили начало целому научному направлению в ветеринарии. Изменение состава и структуры вещества позволяют создавать принципиально новые материалы, например, биологически активные кормовые добавки и сорбенты с высокой степенью адсорбции [27].

Уникальные свойства наночастиц, такие как устойчивая сорбция биомолекул, малые размеры, сопоставимые с биомолекулами, биосовместимость и высокая поверхностная энергия открывают широкие перспективы их использования [22, 23].

Так, положительный эффект использования наночастиц металлов отражен в исследованиях Ку-реневой В.П., Егорова И.А., Глущенко Н.Н. (1985) [16]; Глущенко Н.Н., Богословской О.А., Ольховской И.П. (2002) [11]; Амплеева Л.Е. (2006) [1]; Байтукалова Т.А., Богословской О.А., Ольховской И.П. и др. [8, 9], в ходе, которых было установлена главная особенность наночастиц - их малая токсичность по сравнению с традиционно используемыми солями металлов, и способность активизировать биохимические и физиологические процессы [12]. Высокая эффективность нанокристаллических форм металлов в сравнении с неорганическими солями и другими источниками подтверждается исследованиями Ле Вьет Фыонга [21].

На крысах с дефицитом железа была оценена биодоступность нанодисперсного фосфата железа (III), которая составила 96%, что значительно превосходит соответствующий показатель на только для неорганических солей железа, но и для его органически связанной формы [43]. При этом по показателям токсичности МПД, ЛД50, ЛД100 железо в наноструктурном состоянии значительно менее токсично чем железо сульфат.

Также имеются сведения о том, что наночастицы могут оказывать протективное воздействие на живые организмы, увеличивая резистентность организма к различным токсикантам [38].

Наночастицы воздействуют на биологические объекты на клеточном уровне, внося свою избыточную энергию, повышающую эффективность протекающих процессов, а также, участвуя в процессах микроэлементного баланса, то есть являются биоактивными.

За счет высокой диффузной подвижности частиц, ненасыщенных валентностей металла и образования большого набора хелатных соединений, применение наночастиц металлов обеспечивает в животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, растениеводстве и кормопроизводстве высокую хозяйственную и биологическую эффективность [29].

Проведены исследования по изучению специфической активности наночастиц металлов на сельскохозяйственных животных, птицах [16] и рыбе [2, 3, 4, 5, 25, 26], в ходе которых определяли влияние наночастиц на продуктивность, темпы роста и развития, заболеваемость и факторы естественной резистентности.

Установлено, что при опрыскивании суспензией препарата корма для цыплят с суточного до 250-дневного возраста повышаются темпы роста и сохранность птицы. Яйценоскость у птиц начинается на 5-7 дней раньше, и у них снижаются последствия стрессов (перегруппировка, вакцинация и так далее), повышается содержание каротина в крови и желтке, кальция в скорлупе и костях, отмечено стимулирование лимфоидных органов в физиологических пределах. При этом сохранность птиц составила 94 % (в контроле - 72 %), яйценоскость - выше на 10-15% чем в контроле [28].

В опытах со стельными коровами, получавшими с кормом нанопорошки железа, установлено, что телята рождаются более жизнеспособными, они меньше болеют желудочно-кишечными и респираторными болезнями, а их сохранность повышается на 25 %. Отмечено, что новорожденные телята, получавшие препарат с молоком или водой, переносили желудочно-кишечные заболевания в более легкой форме; их падеж отмечался значительно реже чем в контроле (на 63%), а длительность заболевания при лечении общепринятыми методами была в среднем на 5-7 дней короче. У подопытных коров редко отмечались эндометриты и маститы. Аналогичные результаты получены в опытах при введении наноча-стиц в форме суспензий внутримышечно стельным коровам за 45 дней до отела и телятам от 1 до 25-дневного возраста [37].

Наиболее широко описаны биологические свойства наночастиц железа в исследованиях Коваленко Л.В. и Фолманиса Г.Э. [19]. Ими были проведены широкомасштабные исследования воздействия наночастиц железа на лабораторных животных, КРС, рыбах, на некоторых растительных объектах. Так, при пероральном введении мышам суспензии наночастиц железа в дозе 50, 100 и 500 мкг/кг не наблюдалось каких-либо токсических эффектов. Только дробное введение доз 1000, 2000 и 5000 мкг/кг приводило к развитию воспалительного процесса на слизистой желудка и кишечника, а также сдвигов в гемопоэзе. Хроническое воздействие наночастицами железа в течение 90 дней в дозах 20 и 40 мкг/кг не приводило к значимым отклонениям от биохимических и гематологических показателей контрольной группы. Было констатировано, что дозы 2 - 6 мкг/кг стимулируют рост животных, а также повышают бактерицидную активность сыворотки крови и наблюдается увеличение общего белка в крови.

В исследованиях Назаровой А.А. и Чурилова Г.И. [36, 37] прослежены экологические эффекты наночастиц в системе почва - растение -животное. Так, установлено, что предпосевная обработка семян нанопорошками металлов не способствует накоплению данных элементов в почве, но влияет на рост, развитие и накопление в зеленой массе растений каротина, витамина С, белка, водорастворимых полисахаридов. На кроликах отмечено, что растения, семена которых были обработаны наночастицами, стимулируют прирост живой массы, улучшают морфо-биохимические показатели крови, повышают ферментативную и иммунобиологическую активность.

Одним из сдерживающих причин активного использования наночастиц являются исследования по нанотоксикологии.

Так, например, Жолдакова З.И. и Синицына О.О. [18] указывают на опасность канцерогенного эффекта наночастиц, отмечают способность генерировать активные формы кислорода (последнее обусловлено наличием реакционных центров).

Сулеймановой Л.В. (2009) исследованы морфологические изменения во внутренних органах при внутривенном введении наночастиц золота разных размеров [34]. Установлено, что действие нано-частиц носят размерозависимый характер. Так, наночастицы размером 160 нм вызывают преимущественно гемодинамические нарушения и умеренную дистрофию паренхиматозных элементов, 50 нм наночастицы приводят к более выраженным дистрофическим изменениям во внутренних органах, 15 нм наночастицы вызывают умеренную дистрофию паренхиматозных клеток во внутренних органах и умеренное полнокровие.

При пероральном введении наночастиц в концентрациях 0,05-5,0 мг/кг нарушаются процессы углеводного обмена. Наночастицы изменяют гомеостатические показатели белкового обмена, способствуя увеличению уровня общего белка и креатинина в сыворотке крови лабораторных животных [13].

Взаимодействие наноструктур с такими биологическими компонентами, как молекулы нуклеиновых кислот, белков и клетками в целом, приводят к их уникальному распределению в тканях организма, возможному иммунному ответу и изменениям в метаболизме [14, 40].

Проведенные фитотоксические исследования свойств наночастиц цинка и его оксида на кукурузе (Zea mays L.), редисе (Raphanus sativus), рапсе (Brassica napus napus), огурце (Cucumis sativus) показали, что их концентрация 2000 мг/л отрицательно действует на прорастание семян кукурузы и подавляет удлинение корней. Была рассчитана пятидесяти процентная ингибиторная концентрация (IC50) для редьки, которая составила 50 мг/л, рапса - 20 мг/л [41].

Воздействие различных концентраций суспензий микрочастиц, наночастиц и ионов цинка на водные культуры дафний (Daphnia magna) и бактерий (Vibrio fischerí) выявило летальные концентрации (ЛК50) - 8,8, 3,2 и 6,1 мг/л для дафний и 1,8, 1,9 и 1,1 мг/л для бактерий, соответственно [39].

В настоящее время имеются исследования по влиянию наночастиц на состояние легочной ткани, исследования влияния раствора нанопорошка на структуру печени, почек, легкого крыс при внутривенном и энтеральном его введении [6, 7, 9, 23, 24, 32].

Наночастицы оксида ванадия размером менее 30 нм в концентрации выше 10 мкг/мл обладают сильными каталитическими свойствами и способны генерировать ОН- - радикалы, который в дальнейшем окисляют липиды [34].

Zhu M.T. и другие исследователи обнаружили цитотоксический эффект магнитных частиц на основе оксида железа [45].

При пероральном введении гидроксилированные нанотрубки распределяются по тканям и органам, исключая мозг. Многостенные нанотрубки снижают жизнеспособность клеток, увеличивают содержание воспалительного маркера интерлейкина-8. Одностенные и многостенные нанотрубки отличаются степенью цитотоксичности и способностью индуцировать окислительный стресс [40, 43].

Углеродные нанотрубки и фуллерены характеризуются высокой аффинитетностью к молекуле ДНК, что делает их потенциальными мутагенами [42, 46].

Представленные результаты показывают, насколько уникальны и разнообразны по своим свойствам наноматериалы, даже если они включают один и тот же химический элемент.

Около 95 % всех источников эссенциальных элементов представляют собой исключительно ионные формы металлов - тривиальные простые соли, оксиды. Для таких форм «in vivo» характерна низкая биодоступность (<20 % вводимого металла), провоцирующая прооксидантное влияние, высокая токсичность и склонность к кумуляции. Эти физиологические свойства в свое время обусловили неоднозначное восприятие перспектив металлотерапии. Однако установление достоверного дисбаланса содержания металлов в организме [20] актуализировало проблему коррекции гомеостаза экзогенными соединениями металлов.

В связи с этим, особый интерес представляют низкотоксичные источники эссенциальных химических элементов - в числе которых могут рассматриваться нанокристаллические формы металлов.

Актуальность рассматриваемой темы определяется образованием в 2008 году Международного нанотоксикологического альянса по гармонизации требований к охране здоровья и окружающей среды (International Alliance for NanoENS Harmonization, IANH), с целью разработки протоколов тестирования наноматериалов на клеточном и организменном уровне, а также расширения использования наночастиц в фармацевтической промышленности и сельском хозяйстве.

Подобная ситуация предъявляет ранее не существовавший, но становящийся все более актуальным заказ на исследование потенциальных рисков, возникающих при контакте биологических систем с наноматериалами.

Литература

1. Амплеева Л.Е. Физиологическое состояние кроликов при введении в рацион вики, выращенной с использованием ультрадисперсных порошков железа и кобальта: дисс.... канд. биол. наук. Рязань. 2006. 142 с.

2. Аринжанов А.Е., Мирошникова Е.П., Килякова Ю.В., Мирошников А.М., Кудашева А.В. Использование экструдированных кормов с добавлением наночастиц металлов в кормлении рыб // Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 10. С. 138-142.

3. Аринжанов А.Е., Мирошникова Е.П., Килякова Ю.В. Воздействие наночастиц комплекса металлов на организм карпа // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 2 (40). С. 113-116.

4. Аринжанов А.Е., Килякова Ю.В., Мужиков И.С., Рыжкова Л.М. К вопросу об использовании наночастиц металлов в животноводстве // Вестник мясного скотоводства. 2013. № 1 (79). С.132-135.

5. Аринжанов А.Е., Мирошникова Е.П., Килякова Ю.В. Влияние наночастиц на гематологические показатели крови карпа // Вестник мясного скотоводства. 2013. №5(83). С. 92-97.

6. Арсентьева И.П., Зотова А.А., Арсентьев Е.С., Глущенко Н.Н., Байтукалов Т.А., Фолманис Г.Э. Использование биологически активных нанопорошков на основе магния и железа в сельском хозяйстве и медицине // Материалы VIII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано) систем». 2008. С. 258-260.

7. Арсентьева И.П., Зотова Е.С., Фолманис Г.Э. Аттестация наночастиц металлов, используемых в качестве биологически активных препаратов // Нанотехника. 2007. №10. С. 72-77.

8. Байтукалов Т.А., Глущенко Н.Н., Богословская О.А., Ольховская И.П. Изучение воздействия наночастиц железа на содержание гидропироксидов в липидах печени в процессе регенерации кожи после нанесения экспериментальных полнослойных ран // Сборник научных трудов II Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наноси-стем». Ставрополь. 2009. С. 276.

9. Богословская О.А., Сизова Е.А., Полякова В.С., Мирошников С.А. Лейпунский И.О., Ольховская И.П., Глущенко Н.Н. Изучение безопасности введения наночастиц меди с различными физико-химическими характеристиками в организм животных // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. №2. С. 124-128.

10. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2007. 416 с.

11. Глущенко Н.Н., Богословская О.А., Ольховская И.П. Физико-химические закономерности биологического действия высокодисперсных порошков металлов // Химическая физика. 2002. Т.21(4). С. 79-85.

12. Глущенко Н.Н., Богословская О.А., Ольховская И.П. Сравнительная токсичность солей и наночастиц металлов и особенность их биологического действия // Нанотехнология - технология XXI века: Тез.докл. Москва. 2006. С. 93-95.

13. Дудакова Ю.С. Изменение биохимических показателей сыворотки крови у лабораторных животных при введении наночастиц металлов PER OS: автореф. канд. биол. наук. Ростов-на-Дону, 2012. 24 с.

14. Дудакова Ю.С., Бабушкина И.В., Бородулин В.Б., Казимирова Н.Е., Иванова Н.А. Антибактериальное действие наночастиц железа и меди на клинические штаммы Pseudomonas aeruginosa и Mycobacterium tuberculosis // Нанотехника. 2009. №3. С. 69-72.

15. Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щеглов С.Ю., Хлебцов Н.Г. Золотые наночастицы: синтез, свойства, биомедицинское применение. М.: Наука, 2008. 319 с.

16. Егоров И.А., Куренева В.П., Глущенко Н.Н., Фаткуллина Л.Д., Федоров Ю.И. Высокодисперсные порошки металлов - источники микроэлементов для сельскохозяйственной птицы // Сборник научных трудов. Боровск. 1985. Т. 31. С. 80-88.

17. Егоров М.А. Биорегуляторы с нанокомпонентами как перспективные биопрепараты // Нанотехника. 2006. № 4. С. 74-76.

18. Жолдакова З.И., Синицына О.О. Некоторые сходства и различия в токсических свойствах наночастиц и других химических веществ // «Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды». Материалы пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации / Под ред. акад. РАМН Ю.А. Рах-манина. Москва. 2007. С. 52-57.

19. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: «Наука», 2006. 128 с.

20. Крисс Е.Е., Волченкова И.И., Григорьева А.С. Координационные соединения металлов в медицине. Киев: Наук думка, 1986. 216 с.

21. Ле Вьет Фыонг. Использование высокодисперсных порошков железа, меди, марганца, цинка в премиксах цыплят-бройлеров: дисс.... канд. с.-х. наук. М.: 2005. 114 с.

22. Марголин В.И., Жабреев В.А., Лукьянов Г.Н., Тупик В.А. Введение в нанотехнологию: Учебник. СПб.: Издательство «Лань», 2012. 464 с.

23. Мильто И.В., Дзюман А.Н. Структура печени, легкого и почек крыс при внутривенном введении магнитолипосом // Морфология. 2009. т. 135. №3. С. 63-66.

24. Мильто И.В., Михайлов Г.А., Ратькин А.В., Магаева А.А. Влияние наноразмерных частиц на морфологию внутренних органов мыши при внутривенном введении раствора нанопорошка Fe2O3 // Бюллетень сибирской медицины. 2008. № 1. С. 32-36.

25. Мирошникова Е.П., Аринжанов А.Е., Глущенко Н.Н., Василевская С.П. Обмен химических элементов в организме карпа при использовании наночастиц кобальта и железа в корме // Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 6. С. 170-175.

26. Мирошникова Е.П., Аринжанов А.Е., Килякова Ю.В. Изменение гематологических показателей параметров карпа под влиянием наночастиц металлов // Достижения науки и техники АПК. 2013. №5. С.55-57.

27. Мухина Н.В., Зайцев Ф.Н., Мартынова И.А., Коротков А.В. Биологически активные кормовые добавки нового поколения // VI-й Международный конгресс по птицеводству. Москва. 2010. С.195-200.

28. Павлов Г.В., Фолманис Г.Э. Биологическая активность ультрадисперсных порошков: монография. М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1999. 76 с.

29. Полякова О.П., Селиванов В.Н., Зорин Е.В. Предпосадочная обработка клубней картофеля нанокристаллическими микроэлементами // Достижения науки и техники АПК. 2000. №8. С.18-20.

30. Рябова А.В., Васильченко С.Ю., Грачев П., Косарев Д.И., Лощенов В.Б., Конов В.И., Ермаков А.Е. Динамика спектров диффузного рассеяния металлуглеродных нанокомпозитов (Ni, Fe2O3, Al@C) в эксперименте // Российский биотерапевтический журнал. 2009. №1. Том 8. С.9-10.

31. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Лебедев С.В., Глущенко Н.Н. Элементный состав печени при многократном введении наночастиц меди // Микроэлементы в медицине. 2011. Т. 12, № 1-2. С. 6769.

32. Сизова Е.А. Минеральный состав и морфофункциональные аспекты реорганизации печени при энтеральном способе введения наночастиц меди типа CU10X // Вестник Оренбургского государственного университета. 2010. №6 (112). С.92-94.

33. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматери-алов. М.: КомКнига, 2006. 592 с.

34. Сулейманова Л.В. Морфологические изменения в органах и тканях экспериментальных животных при воздействии наночастиц золота: автореф. дисс.... канд. мед. наук.Саратов: 2009. 26 с.

35. Федоренко В.Ф. Нанотехнологии и наноматериалы в агропромышленном комплексе. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. 148 с.

36. Чурилов Г.И. Эколого-биологические эффекты нанокристаллических металлов: автореф. дисс.. д. б. н. Балашиха: 2010. 42 с.

37. Чурилов Г.И., Амплеева Л.Е., Назарова A.A., Полищук С.Д. Воздействие травы вики, обработанной ультрадисперсным порошком железа, на морфо-биохимические показатели крови // Российский медико-биологический вестник им. академика И.П. Павлова. 2008. №1. С. 70-74.

38. Шиян А.А. Влияние нанопорошков оксидов металлов на успех прохождения личиночных стадий развития озерной лягушкой (RANA RIDIBUNDA PALL) // Научный журнал КубГАУ. 2011. №66(02). С.1-11.

39. Heinlaan M., Ivask A., Blinov I., Dubourguier H. Ch., Kahru A. Toxicity of nanosized and bulk ZnO, CuO and TiO2 to bacteria Vibrio fischeri and crustaceans Daphnia magna and Thamnocephalus platyurus // Chemosphere, 2008. Vol. 71. Iss. 7. PP. 1308-1316.

40. Limbach L.K., Wick P., Manser P., Grass R.N., Bruinink A., Stark W.J. Exposure of engineered nanoparticles to human lung epithelial cells: influence of chemical composition and catalytic activity on oxida-tive stress // Environ. Sci. Technol, 2007. V. 41. №11. P. 4158-4163.

41. Lin D. Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and root growth // Environmental Pollutants, 2007. Vol. 150. Iss. 2. PP. 243-250.

42. Markovic Z., Todorovic-Markovic B., Kleut D., Nikolic N., Vranjes-Djuric S., Misirkic M., Vuci-cevic L., Janjetovic K., Isakovic A. The mechanism of cell-damaging reactive oxygen generation by colloidal fullerenes // Biomaterials, 2007. Vol. 28. Iss. 36. PP. 5437-5448.

43. Rohner F., Ernst F.O., Arnold M., Hilbe M., Biebinger R., Ehrensperger F., Pratsinis S.E., Langhans W., Hurrell R.F., Zimmermann M.B. Synthesis, characterization, and bioavailability in rats of ferric phosphate nanoparticles // J. Nutr. 2007. 137. PP.614-619.

44. Worle-Knirsch J.M., Kern K., Schleh Ch., Adelhelm C., Feldmann C., Krug H.F. Nanoparticulate Vanadium Oxide Potentiated Vanadium Toxicity in Human Lung Cells // Environmental Science of Technologies, 2007. Vol. 41. Iss. 1. PP. 331-336.

45. Zhu M.T., Feng W.Y., Wang B., Wang T.Ch. Comparative study of pulmonary responses to nano-and submicron-sized ferric oxide in rats // Toxicology, 2008. Vol. 247. Iss. 2-3. - PP. 102-111.

46. Zhua S., Oberdorsterb E., Haascha M.L. Toxicity of an engineered nanoparticle (fullerene, C60) in two aquatic species, Daphnia and fathead minnow // Marine Environmental Research, 2006. Vol. 62. PP. 5-9.

Аринжанов Азамат Ерсаинович, преподаватель

Мирошникова Елена Петровна, доктор биологических наук, профессор

Килякова Юлия Владимировна, кандидат биологических наук