Наночастицы оксида цинка в животноводстве: от методов синтеза до практического применения

Введение. Нанотехнология в широком смысле относится к области прикладной науки, объединяя в себе методы, применяющиеся при изучении, проектировании, производстве и использовании различных структур, устройств и систем, которые включают целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих наномасштабных элементов для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами [1].

Данное современное направление связано с производством материалов, инструментов и систем с фундаментальными характеристиками и новыми функциями. Размер наноматериалов обуславливает уникальные и различные физикохимические свойства [2]. Нанотехнологии широко применяются в разных областях, включая энергетику, физику, материаловедение, медицину, сельское хозяйство, электронику, фармацевтику и машиностроение. Благодаря обработке некоторых наноматериалов на атомарном уровне данные вещества приобретают уникальные свойства, что позволяет улучшить существующие или создать принципиально новые, не имеющие аналогов технологии [3].

Следует отметить, что нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства, а именно в растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии и производстве сельхозтехники. Повышение качества и безопасности продуктов питания, сокращение сельскохозяйственных затрат, повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиями – все это лишь малая часть потенциальных преимуществ науки данной области. Также нанотехнологии перспективны в улучшении сельского хозяйства и пищевой промышленности за счет использования новых наноинструментов для быстрой диагностики заболеваний, а также в повышении способности поглощения растениями различных питательных веществ из почвы [4].

Наночастицы оксида цинка (НЧ-ZnO) занимают третье место по ежегодному объему производства нанометаллов, уступая лишь наночастицам оксида титана и оксида кремния. Это связано с тем, что оксид цинка в наноформе представляет большой интерес для применения во многих областях науки благодаря особенным физико-химическим свойствам, а именно – хорошей биодоступности и биосовместимости с другими молекулами, экологичности, низкой токсичности и высокой антибактериальной активности [5].

Цель исследования – всестороннее рассмотрение современных исследований о методах синтеза и потенциальном использовании наночастиц оксида цинка в животноводстве.

Объекты и методы . Методология систематического обзора использовалась в соответствии с международными рекомендациями PRISMA. Для выявления релевантных исследований был проведен электронный поиск в ведущих наукометрических базах PubMed, Web of Science и Scopus.

Результаты и их обсуждение

Физиологическая роль цинка. Цинк является незаменимым микроэлементом, который играет ключевую роль в различных физиологических процессах организма. Являясь кофактором, цинк необходим для функционирования десятков ферментов (инсулина поджелудочной железы, супероксиддисмутазы антиоксидантного фермента), синтеза белков (например коллагена), деления и дифференцировки клеток, формирования Т-клеточного иммунитета. Данный микроэлемент также образует комплексы с не- которыми органическими соединениями неферментативной природы, в частности с нуклеиновыми кислотами, ответственными за хранение и передачу наследственной информации [6, 7].

Учеными были выявлены специфические изменения, возникающие при недостатке цинка у сельскохозяйственных животных (кур, перепелов, овец, свиней и крупного рогатого скота) [8]. Важность данного химического элемента в обменных процессах становится понятной при перечислении основных симптомов, описанных при развитии его дефицита: снижение массы тела, замедление роста и окостенения скелета, депигментация и огрубление шерсти, уменьшение роста волос и их выпадение, задержка развития вторичных половых признаков, снижение оплодотворяющей способности сперматозоидов, повреждение кожных покровов и медленное заживление ран, снижение Т-клеточного иммунитета и сопротивляемости к инфекциям, аномалии эмбрионов [9]. Следует отметить, что дефицит цинка может возникнуть не только при его недостатке в рационе, но и при нарушении усвоения желудочно-кишечным трактом. Сообщается, что повышенный уровень солей кальция, фосфора, а также фитиновой кислоты в рационе способствует снижению усвояемости цинка [10, 11]. В связи с этим для профилактики подобных состояний, повышения неспецифической резистентности и адаптивности организма, предотвращения массовой заболеваемости, а также обеспечения высокой продуктивности и воспроизводства учеными разрабатываются альтернативные кормовые добавки в виде НЧ-ZnO в качестве минерального источника цинка при кормлении сельскохозяйственных животных.

Способы получения НЧ-ZnO. В настоящее время для синтеза наночастиц используют различные методы. Выбор метода определяет морфометрические (размер и форма) и физикохимические свойства полученных частиц, что, в свою очередь, влияет на их функциональную активность.

Методы получения наночастиц, наноматериалов и наносистем условно можно классифицировать по различным признакам. По природе процесса синтеза выделяют физические (термические, механические), химические (термолиз, метод осаждения), гибридные (механохи-мические, плазмохимические, гидротермальные)

методы. В настоящее время широкое применение нашли биологические методы синтеза. Благодаря использованию определенных видов растений (растительный синтез) и бактерий (бактериальный синтез) удается получать определенные наночастицы с различными размерами и формой [12].

Гидротермальный метод. Данный метод синтеза характеризуется взаимодействием исходных химических веществ в водном растворе под высокими давлением и температурой. За счет пониженной температуры процесса, экологичности, низкой стоимости, высокой производительности и использования базового оборудования данный способ вызывает большой интерес со стороны потребителей. За счет регуляции температуры, продолжительности синтеза и изменения концентрации исходных веществ можно корректировать форму и размеры наночастиц. Однако из-за высокой тепловой инерции автоклава применение данного способа для быстрых химических синтезов невозможно [13, 14].

Существует множество видов гидротермального синтеза наночастиц, например совсем новый гидротермальный синтез НЧ-ZnO c использованием импульсного реактора. Данное устройство позволяет получать продукты с очень высокой чистотой и плотностью при температуре около 25 °C [15].

Метод осаждения. В данном методе исходный раствор солей цинка смешивают с подходящим реагентом. Реагентом может выступать основание или кислота в контролируемых условиях. В качестве исходных веществ, из которых будут производиться наночастицы при экстремальных температурах и давлении в герметичном водном растворе, могут использоваться нитрат цинка и мочевина. Данный метод является эффективным ввиду определенных преимуществ, таких как скорость синтеза, экономичность и простота методики.

В настоящее время интересным методом получения НЧ-ZnO является метод плазменнохимического осаждения из паровой фазы. Плазменное инициирование позволяет исключить возможность загрязнения конечного продукта материалами оборудования и регулировать температуру зоны осаждения в более широком диапазоне, тем самым задавая условия для роста структуры. Данный метод позволяет получать НЧ-ZnO с заданными размерами и свойствами. Для этого необходимо либо повысить температуру синтеза для получения более вытянутых структур в одном направлении, либо повысить мощность плазменного разряда для уменьшения поперечного размера осаждаемых структур или понизить температуру реактора в зоне осаждения для уменьшения поперечного размера осаждаемых структур. Однако для широкого применения данный метод пока не подходит, так как необходимо фундаментально изучить влияние особенностей процесса на конечный продукт.

Методы биологического синтеза. Несмотря на наличие множества физических и химических методов синтеза, а также гибридных видов, самой перспективной формой синтеза является биологический, или «зеленый», синтез. В данном синтезе используются различные безопасные вещества (вода или натуральные экстракты). Именно поэтому использование «зеленого синтеза» для производства данных частиц является приоритетным [16].

Растительный синтез. Данный метод является выгодным в связи с доступностью, низкой стоимостью и, что наиболее важно, безопасностью для живых существ и окружающей среды. Растительные экстракты включают вторичные метаболиты (фитохимические вещест-ва/биоактивные вещества), которые могут восстанавливать ионы металлов и стимулировать синтез наночастиц с различными свойствами. Фенолы, флавоноиды, алкалоиды, стероиды, сапонины действуют как восстанавливающие, так и покрывающие агенты для исходного раствора, что приводит к образованию наночастиц различных величин [17, 18].

Тем не менее даже в таком перспективном методе есть свои недостатки, а именно получение наночастиц определенных размеров. В данном случае физические и химические методы превосходят методы растительного синтеза [19, 20].

Для «зеленого» синтеза НЧ-ZnO используется множество видов растений. Водный экстракт Kalanchoe blossfeldiana является одним из наиболее распространенных биогенных прекурсоров. Получаемые НЧ-ZnO характеризуются гек-согональной структурой и размерностью около 95 нм, вдобавок проявляют значительную анти- бактериальную активность в отношении штаммов бактерий, таких как E. coli, S. aureus и P. aeruginosa, а также грибов F. solani, A. alternat и Helmenthosporium sp [21].

Для синтеза также используются:

– экстракты из плодов и листьев Citrullus colocynthis . НЧ-ZnO характеризуются преимущественно сферической формой и размерностью от 64 до 82 нм, проявляют ингибирующее воздействие на B. subtilis, E. coli , а также K. pneumoniae [22];

– водный экстракт семян Mangifera indica . НЧ-ZnO характеризуются сферической формой и размерностью от 40 до 60 нм. При этом данные частицы продемонстрировали значительный ингибирующий эффект против B. subtilis и E. coli [23];

– метанольный экстракт листьев Viscum album . НЧ-ZnO характеризуются квазисферичес-кой формой и размерностью около 50 нм и обладают высокой антибактериальной активностью в отношении E. coli, S. aureus и P. aeruginosa [24];

– смесь Aspalathus linearis и Musa parade-siaca . Согласно G.V. Lyimo, синтезированные НЧ-ZnO характеризуются гетерогенной структурой (как стержнеобразные, так и кристаллообразные наночастицы). В ходе ряда экспериментов было выяснено, что данные частицы обладают противогрибковой активностью в отношении C. albicans [25].

Аквакультурные морские макроводоросли могут быть надежным источником биомассы для «зеленого» производства наночастиц оксидов металлов, в т. ч. НЧ-ZnO. Вследствие вышесказанного эти растения являются одними из самых безопасных и стабильных природных материалов, используемых в нанотехнологии [26].

Натуральное вещество из водорослей действует как покрывающий или восстанавливающий и стабилизирующий агент при преобразовании солей металлов в металлические, оксидные или биметаллические наночастицы [27].

В настоящее время для синтеза НЧ-ZnO используется множество водорослей. Наиболее часто используется Arthrospira platensis . Размер полученных наночастиц находился в диапазоне от 30,0 до 55,0 нм. В то же время данные частицы оказали ингибирующее действие на рост

B. subtilis, S. aureus, P. aeruginosa, E. coli и C. albicans [28].

НЧ-ZnO, полученные с использованием Spirogyra hyalina , обладают сферической формой, диапазон размеров при этом составляет от 50 до 80 нм. При этом частицы показывают различную антибактериальную активность против P. aeruginosa, B. pumilus, S. aureus и Е. coli , особенно высокую в отношении S. aureus [29].

Бактериальный синтез. « Зеленый синтез» наночастиц с использованием микроорганизмов имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными физико-химическими методами. В частности, данный способ предлагает быстрый, экономически эффективный, чистый, нетоксичный и экологически безопасный метод синтеза наночастиц с широким интервалом размеров, форм, составов и физико-химических свойств. Например, в настоящее время широко распространен биосинтез НЧ-ZnO с использованием Enterobac-ter sp . Диапазон размеров получаемых наночастиц составляет от 14,92 до 22,54 нм с агрегированной и гексагональной структурой [30].

Основные недостатки синтеза наночастиц на основе микроорганизмов включают сложные этапы, такие как отбор микробных проб, выделение, культивирование и хранение. Кроме того, восстановление наночастиц, полученных данным методом, требует последующей доработки [31].

Оценка влияния наночастиц цинка (НЧ-ZnО) в экспериментах in vivo. На НЧ-ZnO с каждым годом обращается все больше внимания благодаря их способности к биосовместимости, устойчивости и экономически эффективным свойствам. К тому же использование наночастиц экономически обосновано. В последнее десятилетие был проведен ряд масштабных исследований, дающих оценку воздействию НЧ-ZnO на функциональное состояние различных систем организма [32].

В первоначальных исследованиях особое внимание уделялось оценке токсических эффектов НЧ-ZnO. В работе G. Rahimi Kalateh Shah Mohammad et al. изучалось воздействие НЧ-ZnO на печень и селезенку крыс. В ходе гистопатологического анализа авторами было выявлено цитотоксическое воздействие НЧ-ZnO при пероральном введении наночастиц в дозировках 100, 200 и 300 мг/кг в течение 28 дней [33].

В исследовании авторов M.J. Al-Ragi и S.S. Karieb были проанализированы результаты воздействия НЧ-ZnO на печень мышей. В течение 7 и 14 дней животным перорально вводили НЧ-ZnO в дозировках 100 и 200 мг/кг массы тела. В ходе исследования были выявлены гистологические повреждения печени (некроз, разрушение мембран гепатоцитов, увеличение клеток Купфера). Помимо этого, активность ферментов глутамат-оксалоацетаттрансаминазы и глутамат-пируваттрансаминазы значительно превышала контрольные значения, что свидетельствовало о нарушении работы печени [34].

В опыте, проведенном специалистами из Египта, при пероральном введении НЧ-ZnO в дозировках 50 и 100 мг/кг в течение 3 недель отмечалось развитие окислительного стресса, повышение уровня малонового диальдегида и оксида азота в крови животных [35].

По мере накопления данных научное сообщество перешло к поиску оптимальных нетоксичных доз НЧ-ZnO, которые могли бы обладать профилактическим эффектом относительно воспалительных процессов и иммунитета, окислительного стресса, повышения продуктивных качеств животных. В эксперименте R.Z. Hamza и соавторов проводилась оценка эффективности использования НЧ-ZnO с целью снижения окислительного стресса на фоне воздействия глутамата натрия. Воздействие глутамата натрия приводило к снижению активности ферментов супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы в коре головного мозга крыс. Однако 30-дневное пероральное введение НЧ-ZnO в дозе 10 мг/кг совместно с экстрактом зеленого чая способствовало восстановлению активности всех вышеперечисленных ферментов у лабораторных животных [36].

В опыте авторов A.A. Goma и A.R. Salama проводилась оценка воздействия НЧ-ZnO на поведенческие реакции, антиоксидантный и иммунный статус лабораторных животных. Результаты показали, что введение НЧ-ZnO в дозе 5 мг/кг способствовало улучшению когнитивных функций крыс. При этом отмечалось повышение активности антиоксидантных ферментов и снижение маркеров воспаления. Напротив, более высокая дозировка НЧ-ZnO (10 мг/кг) оказывала негативное влияние на поведение и обучаемость животных [37].

В эксперименте A.A. Goma и H.G. Tohamy оценивалось воздействие НЧ-ZnO на репродуктивную функцию. В ходе работы было установлено, что внутрибрюшинное введение НЧ-ZnO в дозировке 5 мг/кг (дважды в неделю в течение восьми последовательных недель) благоприятно повлияло на репродуктивную функцию животных – отмечалось восстановление функций фолликулостимулирующего гормона и лютеинизирующих гормонов [38].

В исследовании специалистов T. Chen, L. Zhang и L. Yao оценивалось пероральное воздействие НЧ-ZnO в дозировках 7 и 350 мг/кг в течение 35 дней на ткани и клетки репродуктивной системы крыс линии Sprague Dawley. Наблюдалось заметное увеличение количества нарушений в структуре яичек при увеличении дозы НЧ-ZnO. Подвижность сперматозоидов в группе с высокой дозировкой наночастиц оказалась значительно ниже, чем в контрольной группе [39].

В исследовании ученых из Александрии было установлено потенциальное нейропротек-торное действие НЧ-ZnO. Авторами было показано, что ежедневное пероральное введение НЧ-ZnO в дозировке 50 мг/кг массы тела крыс в течение шести недель способствовало подавлению нейроапоптоза, нейровоспаления, когнитивной дисфункции и амилоидогенеза, вызванных высокожировой диетой и стрептозотоцином (модель сахарного диабета 2-го типа), в гиппокампе крыс [40].

Использование НЧ-ZnO в кормлении сельскохозяйственных животных. Недостаток знаний определил особый интерес ученых к использованию НЧ-ZnO в животноводстве, в связи с чем синтезируемые наночастицы могут быть использованы в качестве различных противовоспалительных средств, специальных добавок в корма для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных [41].

В опыте W.M. Dosoky проводилась оценка влияния НЧ-ZnO на организм цыплят-бройлеров. Было выяснено, что использование НЧ-ZnO в дозировках 5 и 10 мг/кг рациона оказывает благоприятный эффект на иммунный статус птицы. Однако дозировки более 10 мг/кг НЧ-ZnO рациона не рекомендуются, поскольку это может привести к негативному воздействию на иммунный статус и гистологическую структуру иммунных органов [42].

В исследовании A.A.A. Abdel-Wareth с соавторами оценивалось влияние НЧ-ZnO на организм кроликов. Результаты данной работы показали, что внесение в рацион 50 мг/кг НЧ-ZnO способствовало увеличению показателей роста, улучшению работы почек и печени, а также накоплению цинка в тканях [43].

В эксперименте T. Xia проводилась оценка влияния НЧ-ZnO на организм поросят. Использование НЧ-ZnO в дозировке 600 мг/кг корма увеличило экспрессию мРНК антиоксидантных ферментов в тощей кишке. Анализ последовательности генов 16S рРНК показал, что НЧ-ZnO не только увеличили Streptococcus и Lactobacillus в подвздошной кишке, но и уменьшили Oscillospira и Prevotella в толстой кишке. Авторы предположили, что использование НЧ-ZnO в дозировке 600 мг/кг корма может эффективно снизить заболеваемость диареей у поросят [44].

При этом было проведено множество исследований для изучения влияния НЧ-ZnO на продуктивные качества сельскохозяйственных животных (табл.).

Обзор исследований влияния НЧ-ZnO на продуктивные качества сельскохозяйственных животных Review of studies on the effect of NP-ZnO on the productive qualities of farm animals

Животные	Доза НЧ-ZnO, мг/кг	Эффекты	Литература
Бройлеры	60 и 90	Улучшилось потребление и продуктивность корма, а также прирост веса бройлеров в первые 21 день	Ahmadi F. et al., 2013 [45]
	20 и 60	Эффективность конверсии корма снизилась, но в то же время последовало увеличение прироста массы тела по сравнению с ZnO и НЧ-ZnO при дозировке 100 мг/г	Zhou Y., 2005 [46]
Самцы кроликов	20, 40, 60 и 80	Добавка может улучшить показатели роста, критерии тушки и качество мяса у самцов кроликов, выращенных в условиях жаркого климата	Abdel-Wareth A.A.A. et al., 2022 [47]
Поросята-отъемыши	500, 1000 или 2500 ppm Zn в виде НЧ-ZnO	Более высокий общий среднесуточный прирост	Oh S.M. et al., 2020 [48]

Заключение. Таким образом, разработка и внедрение альтернативных кормовых добавок в виде наночастиц микроэлементов является одним из перспективных подходов к оптимизации кормления сельскохозяйственных животных. Дефицит цинка представляет собой серьезную проблему в животноводстве, оказывая негативное влияние на обмен веществ, темпы и эффективность роста, репродуктивную систему животных. В связи с этим для профилактики дефицитных состояний, улучшения иммунитета и снижения восприимчивости к инфекционным заболеваниям, повышения продуктивных ка- честв животных учеными предлагается использование НЧ-ZnO. С одной стороны, перспективность использования НЧ-ZnO в качестве кормовых добавок подтверждается большим объемом накопленных данных. С другой стороны, до сих пор остаются вопросы о правильном выборе оптимальных дозировок, форм и размеров используемых наночастиц для различных видов сельскохозяйственных животных. Помимо этого, необходимо проводить дальнейшие исследования по оценке долгосрочных эффектов и потенциальных рисков, связанных с использованием НЧ-ZnO.