ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ НАНОЧАСТИНОК ЦЕРІЮ У СІЛЬСЬКОМУ ГОСПОДАРСТВІ

Рейтинг користувача: 0 / 5

Неактивна зіркаНеактивна зіркаНеактивна зіркаНеактивна зіркаНеактивна зірка
 

Bìol. Tvarin, 2017, volume 19, issue 3, pp. 9–17          http://dx.doi.org/10.15407/animbiol19.03.009

ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ НАНОЧАСТИНОК ЦЕРІЮ У СІЛЬСЬКОМУ ГОСПОДАРСТВІ

В. С. Бітюцький1, О. С. Цехмістренко1, С. І. Цехмістренко1, М. Я. Співак2, Ю. М. Шадура1

Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

1Білоцерківський національний аграрний університет,
пл. Соборна, 8/1, м. Біла Церква, Київська область, 09100,Україна, www.btsau.kiev.ua

2Інститут мікробіології і вірусології ім. академіка Д. К. Заболотного НАН України,
вул. Академіка Заболотного, 154, м. Київ, 03680, Україна, www.imv.kiev.ua

В останні роки нанотехнології завойовують ключові позиції в різних галузях знань завдяки особливому положенню наночастинок за розміром та фізико-хімічними властивостями. Висока здатність наночастинок металів до акумуляції призводить до накопичення їх у рослинних і тваринних організмах через підвищення біодоступності, подолання біобар’єрів, зв’язування з нуклеїновими кислотами та білками.

У статті досліджено особливості накопичення наночастинок металів у рослинах, вплив на проростання і вегетацію, обмінні процеси та врожайність. Проаналізовані відомості щодо застосування наночастинок металів у тваринництві як альтернативи кормовим антибіотикам задля підвищення продуктивності. Встановлено, що рідкоземельні елементи можуть активізувати обмін білків та інших поживних речовин шляхом стимулювання діяльності гормонів, індукування синтезу металотіонеїнів та зростання коефіцієнту конверсії корму. Встановлені зміни прооксидантно-оксидантного статусу крові тварин за використання препаратів з наночастинками діоксиду церію та зміни показників гомеостазу. Застосування рідкоземельних елементів є позитивним для домашньої птиці через інтенсифікацію виробництва яєць, їх ваги та запліднюваності інкубаційних яєць. Встановлений вплив наночастинок металів на окисно-відновний потенціал та процеси пероксидного окиснення ліпідів в організмі тварин. Аргументовано використання нанодисперсного діоксиду церію як перспективного нанобіоматеріалу для біологічного та медичного застосування та необхідність подальших досліджень задля вивчення всіх можливих механізмів його біологічної активності.

Ключові слова: НАНОЧАСТИНКИ, ДІОКСИД ЦЕРІЮ, БІОТРАНСФОРМАЦІЯ, ПРОДУКТИВНІСТЬ, ОКИСНО-ВІДНОВНІ ПРОЦЕСИ

1. Abbas F., Jan T., Iqbal J., Haider M. S. Naqvi Abbas F. Fe doping induced enhancement in room temperature ferromagnetism and selective cytotoxicity of CeO2 nanoparticles. Current Applied Physics, 2015, vol. 15, no. 11, pp. 1428–1434.

2. Adu O. A., Igbasan F. A., Adebiyi O. A. Effect of dietary rare earth element on performance and carcass characteristics of broiler. Journal of Sustainable Technology, 2011, vol. 2, pp. 118–126.

3. An J., Zhang M., Wang S., Tang J. Physical, chemical and microbiological changes in stored green asparagus spears as affected by coating of silver nanoparticles-PVP. LWT-Food Sci. Technol., 2008, vol. 41, pp. 1100–1107.

4. An J. P., Chen K. S. Effect of NdCl3 on membrane damnification induced by pervasion intimidation and content of ABA. Journal of Chinese Rare Earth Society, 1994, vol. 12, pp. 348–351.

5. Batley G. E., Kirby J. K., McLaughlin M. J. Fate and Risks of Nanomaterials in Aquatic and Terrestrial Environments. Acc. Chem. Res., 2013, vol. 46 (3), pp. 854–862.

6. Bölükbaşi S. C., Al-Sagan A. A., Erhan M. K. Effects of cerium oxide supplementation to laying hen diets on performance, egg quality, some antioxidant enzymes in serum and lipid oxidation in egg yolk. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition, 2016, vol. 100 (4), pp. 686–693.

7. Borisevich V. B., Kaplunenko V. G., Kosynov N. V. Nanomaterials and Nanotechnology in veterinary practice. Kyiv, Publishing House “Avicenna”, 2012, 512 p. (in Russian)

8. Bovsunovsky A. M., Vyaly S. O., Kaplunenko V. G., Kosinov N. V. Nanotechnology as the driving force of the agrarian revolution. The Grain, 2008, no. 11 (31), pp. 80–83. (in Russian)

9. Cassee F. R., van Balen E. C., Singh C. Nanobiotechnology: silica breaks through in plants. Nature Nanotechnol., 2007, vol. 2, pp. 272–273.

10. Chekman I. S. Nanoparticles: properties and prospects of application. Ukr. Biochemical Journal, 2009, vol. 81, no. 1, pp. 122–129. (in Ukrainian)

11. Chekman I. S. Pharmacological and Pharmaceutical bases of nanomaterials. Medical business, 2010, no. 1–2, pp. 3–9. (in Ukrainian)

  1. Chen H., Xiong B. A study of feeding new type organic Rare Earth Element compound (RCT-3) to pigs and chicks. Feed Research, 1994, vol. 8, pp. 4–7.

13. Cornelis G. C. G., Ryan B., McLaughlin M. J. Solubility and Batch Retention of CeO(2) Nanoparticles in Soils. Environ. Sci. Technol., 2011, vol. 45 (7), pp. 2777–2782.

14. Danov K. D., Kralchevsky P. A., Boneva M. P. Electroding force acting on solid particles at a fluid interface. Langmuir, 2004, vol. 20 (15), pp. 6139–6151.

15. Demchenko O. A., Yuzvenko L. V., Shcherbakov A. B., Boyko A. L. Cerium dioxide nanoparticles as a stimulant plant growth and development of buckwheat. Proceedings of XI Ukrainian biochemical congress, Kyiv, 2014, p. 186. (in Ukrainian)

16. Diegoli S., Manciulea A. L., Begum S. Interaction between manufactured gold nanoparticles and naturally occurring organic macromolecules. Sci. Total Environ., 2008, vol. 402 (1), pp. 51–61.

17. Dittmayer R., Keim W., Kreysa G. Chemische Technik — Prozesse und Produkte Band 6b Metalle. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2006, vol. 5, pp. 147–208.

18. Duan S., Zhao H., Chen K., Duan S. A Study of feeding Rare Earth Elements to broiler type breeding bird. Livestock and Poultry Industry, 1998, vol. 2, pp. 16–17.

19. Evans C. H. Toxicology and pharmacology of the lanthanides. In: E. Frieden (ed.). Biochemistry of the Lanthanides, Plenum Press, New York and London, 1990, vol. 5. pp. 340–342.

20. Gardea-Torresdey J. L., Rico C. M., White J. C. Trophic Transfer, Transformation, and Impact of Engineered Nanomaterials in Terrestrial Environments. Environ. Sci. Technol., 2014, vol. 48 (5), pp. 2526–2540.

21. Gong Z. A study of feeding Rare Earth Elements to broiler-type breeding bird. Chinese Poultry, 1996, vol. 7, pp. 43.

22. He M. L., Chang J., Arnold R. Studies on the effect of rare earth elements in piglets. Mengen und Spurenelemente, 19. Arbeitstagung, 3. und 4. Dezember, 1999, Jena, Germany.

23. He M. L., Wehr U., Rambeck W. A. Effect of low doses of dietary rare earth elements on growth performance of broilers. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition, 2010, vol. 94, pp. 86–92.

24. He Y., Xue L. Biological effects of rare earth elements and their action mechanisms. Ying Yong Sheng Tai Xue Bao, 2005, vol. 16, pp. 1983–1989.

25. Hernandez-Viezcas J. A., Castillo-Michel H., Andrews J. C. Synchrotron X-ray Fluorescence Mapping and Speciation of CeO2 and ZnO Nanoparticles in Soil Cultivated Soybean (Glycine max), ACS. Nano, 2013, vol. 7 (2), pp. 1415–1423.

26. Hu Z., Richter H., Sparovek G., Schug E. Physiological and biochemical effects of rare earth elements on plants and their agricultural significance: a review. Journal of Plant Nutrition, 2004, vol. 12, pp. 183–220.

27. Husen A., Siddiqi K. S. Phytosynthesis of nanoparticles: concept, controversy and application. Nanoscale Research Letters, 2014, vol. 9, pp. 229–253.

  1. Ivanov V. K., Shcherbakov A. B., Baranchykov A. E., Kozik V. V. Nanocrystallized cerium dioxide: properties, receipt, and Application. Tomsk, Izd. Tom. University Press, 2013, 284 p. (in Russian)

29. Jabeen R., Ahmad A., Iqbal M. Phytoremediation of heavy metals: physiological and molecular aspects. Bot. Rev., 2009, vol. 75, pp. 339–364.

30. Karakoti A. S., Munusamy P. Preparation and characterization challenges to understanding environmental and biological impacts of ceria nanoparticles. Surf. Interface Anal., 2012, vol. 44 (8), pp. 882–889.

31. Kawagoe M., Hirasawa F., Wang S. C. Orally administrated rare earth element cerium induces metallothionein synthesis and increases glutathione in the mouse liver. Life Sciences, 2005, vol. 77, pp. 922–937.

32. Klochkov V. K., Malyshenko A. I., Sedyh O. O., Malyukin Yu. V. Wet-Chemical Synthesis and Characterization of luminescent Colloidal Nanoparticles: ReVO4:Eu3+ (Re=La, Gd, Y) with rodlike and spindle-like shape. Functional materials, 2011, no. 1, pp. 111–115.

33. Koshevoy V. P., Fedorenko S. J., Naumenko S. V. The use of SeO2 nanoparticles and GdEuVO4 together with Kaplaestrole for cows gonads rehabilitation. Veterinary Medicine of Ukraine, 2014, vol. 7 (221), pp. 24–27. (in Ukrainian)

34. Koshevoy V. P., Onishchenko O. V., Klochkov V. K., Malyukyn Y. V. Deficit of maternal immunoglobulins in cows with mastisis destruction: prediction and prevention techniques. Veterinary Medicine of Ukraine, 2015, vol. 3 (229), pp. 17–22. (in Ukrainian)

35. Kralchevsky P. A., Nagayama K. Capillary interactions between particles bound to interfaces, liquid films and biomembranes. Adv. Collodion Interfaces Sci., 2000, vol. 85 (2–3), pp. 145–192.

36. Kumar R., Roopan S. M., Prabhakarn A. Agricultural waste Annona squamosa peel extract: biosynthesis of silver nanoparticles. Spectro Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2012, vol. 90, pp. 173–176.

37. Lopez-Moreno M. L., Rosa G., Hernandez-Viezcas J. A. X-ray absorption spectroscopy (XAS) corroboration of the uptake and storage of CeO2 nanoparticles and assessment of their differential toxicity in four edible plant species. J. Agric. Food Chem., 2010, vol. 58 (6), pp. 3689–3693.

38. Lowry G. V., Hotze E. M., Bernhardt E. S. Environmental Occurrences, Behavior, Fate, and Ecological Effects of Nanomaterials: An Introduction to the Special Series. J. Environ. Qual., 2010, vol. 39 (6), pp. 1867–1874.

39. Ma Y., Zhang P., Zhang Z. Origin of the different phytotoxicity and biotransformation of cerium and lanthanum oxide nanoparticles in cucumber. Nanotoxicology, 2015, vol. 9, I. 2, pp. 262–270.

40. Madler L. Stark W. J., Pratsinis S. E. Flame-made ceria nanoparticles. J. Mater. Res., 2002, vol. 17 (6), pp. 1356–1362.

41. Majumdar S., Almeida I.C., Arigi E. A. Environmental effects of nanoceria on seed production of common bean (Phaseolus vulgaris). A proteomic analysis. Environ. Sci. Technol., 2015, vol. 49, pp. 13283–13293.

42. Majumdar S., Peralta-Videa J. R., Bandyopadhyay S. Exposure of cerium oxide nanoparticles to kidney bean shows disturbance in the plant defense mechanisms. J. Hazard. Mater., 2014, vol. 278, pp. 279–287.

43. McGrath S. P., Zhao F. J. Phytoextraction of metals and metalloids from contaminated soils. Curr. Opin. Biotechnol., 2003, vol. 14, pp. 277–282.

44. Miralles P., Church T. L., Harris A. T. Toxicity, Uptake, and Translocation of Engineered Nanomaterials in Vascular plants. Environ. Sci. Technol., 2012, vol. 46 (17), pp. 9224–9239.

45. Monica R. C, Cremonini R. Nanoparticles and higher plants. Caryologia, 2009, vol. 62, pp. 161–165.

46. Morales M. I., Rico C. M., Hernandez-Viezcas J. A. Toxicity assessment of cerium oxide nanoparticles in cilantro (Coriandrum sativum L.) plants grown in organic soil. J Agric. Food Chem., 2013, vol. 61, pp. 6224–6230.

47. Mykytyuk M. V. Nanoparticles and prospects of their application in biology and medicine. Problems of Ecology and Medicine, 2011, vol. 15, no. 5–6, pp. 41–49. (in Ukrainian)

48. Nair R., Varghese S. H., Nair B. G. Nanoparticulate material delivery to plants. Plant Sci., 2010, vol. 179, pp. 154–163.

49. Nesli S., Kokini J. L. Nanotechnology and its applications in the food sector. Trends in Biotechnology, 2009, vol. 27, no. 2, pp. 82–89.

50. Nisha S. N., Aysha O. S., Rahaman J. S. N. Lemon peels mediated synthesis of silver nanoparticles and its antidermatophytic activity. Spectro Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2014, vol. 124, pp. 194–198.

51. Ou X., Guo Z., Wang J. The effects of rare earth element additive in feed on piglets. Livestock Poultry Industry, 2000, vol. 4, pp. 21–22.

52. Park H. J., Kim S. H., Kim H. J., Choi S. H. A new composition of nanosized silica-silver for control of various plant diseases. Plant Patho., 2007, vol. 22, pp. 295–302.

53. Petersen E. J., Henry T. B., Zhao J. Identification and avoidance of potential artifacts and misinterpretations in nanomaterial ecotoxicity measurements. Environ. Sci. Technol., 2014, vol. 48 (8), pp. 4226–4246.

54. Priestera J. H., Gea Y., Mielkea R. E. Soybean susceptibility to manufactured nanomaterial’s with evidence for food quality and soil fertility interruption. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012.

55. Prodanchuk N. G. Balan G. M. Nanotoxicology: the state and prospects of research. Contemporary Problems of Toxicology, 2009, no. 3–4, pp. 4–18. (in Russian)

56. Ravikumar S., Gokulakrishnan R. The Inhibitory Effect of Metal Oxide Nanoparticles against Poultry Pathogens. International Journal of Pharmaceutical Sciences and Drug Research, 2012, vol. 4 (2), pp. 157–159.

57. Rico C. M., Hong J., Morales M. I. Effect of cerium oxide nanoparticles on rice: a study involving the antioxidant defense system and in vivo fluorescence imaging. Environ. Sci. Technol., 2013, vol. 47 (11), pp. 5635–5642.

58. Rico C. M., Majumdar S., Duarte-Gardea M. Interaction of nanoparticles with edible plants and their possible implications in the food chain. J. Agric. Food Chem., 2011, vol. 59 (8), pp. 3485–3498.

59. Rohder L. A., Brandt T., Sigg L., Behra R. Influence of agglomeration of cerium oxide nanoparticles and speciation of cerium(III) on short term effects to the green algae Chlamydomonas reinhardtii. Aquat. Toxicol., 2014, vol. 152, pp. 121–130.

60. Roopan S. M., Bharathi A., Prabhakarn A. Efficient phytosynthesis and structural characterization of rutile TiO2 nanoparticles using. Annona squamosa peel extract. Spectro Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2012, vol. 98, pp. 86–90.

61. Schwabe F., Schulin R., Rupper P. Dissolution and transformation of cerium oxide nanoparticles in plant growth media. J. Nanopart. Res., 2014, vol. 16, pp. 2668.

62. Schwabe F., Tanner S., Schulin R. Dissolved cerium contributes to uptake of Ce in the presence of differently sized CeO2-nanoparticles by three crop plants. Metallomics, 2015, vol. 7, pp. 466–477.

63. Shadura Y. M., Bityutskyy V. S., Spyvack M. J. Biochemical parameters and productive qualities of hens by using cerium dioxide nanoparticles. Technology of production and processing of livestock products, 2015, no. 2 (120), pp. 174–177. (in Ukrainian)

64. Shadura Y. M., Bityutskyy V. S., Spyvack M. J. Pre-clinical studies of acute toxicity of nanocrystalline cerium dioxide. Bulletin ZHNAEU, 2015, vol. 2 (50), no. 1, pp. 358–363. (in Ukrainian)

65. Shah V., Belozerova I. Influence of metal nanoparticles on the soil microbial community and germination of lettuce seeds. Water Air Soil Pollut., 2009, vol. 197, pp. 143–148.

66. Shcherbakov A. B., Ivanova O. S., Spivak N. Y. Synthesis and biomedical applications of nanodispersed cerium dioxide. Tomsk, Publishing House of Tomsk State University, 2016, 476 p. (in Russian)

67. Shcherbakov A. B., Zholobak N. M., Ivanov V. K. Nanomaterials on cerium dioxide based: Using properties and prospects in biology and medicine. Biotechnology, 2011, vol. 4, no. 1, pp. 9–28. (in Russian)

68. Singh S., Dosani T., Karakoti A. S. A phosphate-dependent shift in redox state of cerium oxide nanoparticles and its effects on catalytic properties. Biomaterials, 2011, vol. 32 (28), pp. 6745–6753.

69. Sitar O.V., Novitsky N. V., Taran N. Y. Nanotechnology in modern agriculture. Physics living, 2010, vol. 18, no. 3, pp. 113–116. (in Ukrainian)

70. Song J. Y., Kim B. S. Rapid biological synthesis of silver nanoparticles using plant leaf extracts. Bioprocess Biosyst. Eng., 2009, vol. 32, pp. 79–84.

71. Spyvack M. J., Demchenko O. A., Zholobak N. M. Effect of nanocrystalline cerium dioxide on quail egg productivity. Modern poultry, 2013, no. 3 (124), pp. 22–24. (in Ukrainian)

72. Spyvack M. J., Oksamitny V. M., Demchenko O. A. Effect of cerium dioxide nanoparticles to the rate of growth and feed intake youngsters quail. Veterinary Medicine, 2013, no. 97, pp. 470–472. (in Ukrainian)

73. Temerk Y., Ibrahim H. A new sensor based on In doped CeO2 nanoparticles modified glassy carbon paste electrode for sensitive determination of uric acid in biological fluids. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, vol. 224, pp. 868–877.

74. Thill A., Zeyons O., Spalla O. Cytotoxicity of CeO2 nanoparticles for Escherichia coli. Physico-chemical insight of the cytotoxicity mechanism. Environ. Sci. Technol., 2006, vol. 40, pp. 6151–6156.

75. Trujillo-Reyes J., Vilchis-Nestor A. R., Majumdar S. Citric acid modifies surface properties of commercial CeO2 nanoparticles reducing their toxicity and cerium uptake in radish (Raphanus sativus) seedlings. J. Hazard. Mater., 2013, vol. 263, pp. 677–684.

76. US EPA (US Environmental Protection Agency): Ecological Effects Test Guidelines. Seed Germination. Root Elongation Toxicity Test. OPPTS 850.4200. Washington, D.C, US EPA; 1996.

77. Walser T., Limbach L. K., Brogioli R. Persistence of engineered nanoparticles in a municipal solid-waste incineration plant. Nat. Nanotechnol., 2012, vol. 7 (8), pp. 520–524.

78. Wang B., Feng W., Zhao Y., Chai Z. Metallomics insights for in vivo studies of metal based nanomaterials. Metallomics, 2013, vol. 5 (7), pp. 793–803.

79. Wang H., Sun H., Chen Y., Wang X. The bioaccumulation of rare earth elements in the internal organs of fish and their effect on the activities of enzymes in liver. China Environmental Science, 1999, vol. 19, pp. 141–144.

80. Wang M. Q., Xu Z. R. Effect of supplemental lanthanum on the growth performance of pigs. Asian-Australian Journal of Animal Science, 2003, vol. 16, pp. 1360–1363.

81. Weinstein J., Dreher K. Exposure, Health and Ecological Effects Review of Engineered Nanoscale Cerium and Cerium Oxide Associated with its Use as a Fuel Additive. Crit. Rev. Toxicol., 2011, vol. 41 (3), pp. 213–229.

82. Wu J., Zhang Z., Yan J. An initial study on effect of adding rare earth element on productivity of egg laying breeder hens. NingXia Science and Technology of Farming and Forestry, 1994, vol. 4, pp. 36–38.

83. Xie J., Wang Z. The effect of organic rare-earth compounds on production performance of chicken. In: 2nd International Symposium on Trace Elements and Food Chain, Wuhan, China, 1998, 12–15 November, p. 74.

84. Xie K., Xing Y., Zhang J. Effects of rare earth elements on growth of broilers. Research of Agricultural Modernization (Chinese), 1991, vol. 12, pp. 50–54.

85. Xu X., Xia H., Rui G. Effect of lanthanum on secretion of gastric acid in stomach of isolated mice. Journal of Rare Earths, 2004, vol. 22, p. 427.

86. Yang Z., Dong M., Mao C. Effects of rare earth elements on serum parameters in broiler. Gansu Animal Science and Veterinary medicine, 1992, vol. 22, pp. 7–8.

87. Zhang A., Li X., Tian P., Liu Y. A study of feeding Rare Earth Elements to laying anaphase hens. Journal of Husbandry and Veterinary, 1996, vol. 15, pp. 9–10.

88. Zhang L., Fang M. Nanomaterial’s in pollution trace detection and environmental improvement. Nano Today, 2010, vol. 5, pp. 128–142.

89. Zhang P., Ma Y. H. Biotransformation of Ceria Nanoparticles in Cucumber Plants. ACS Nano, 2012, vol. 6 (11), pp. 9943–9950.

90. Zhang W., Ebbs S. D., Musante C. Uptake and accumulation of bulk and nanosized cerium oxide particles and ionic cerium by radish (Raphanus sativus L.). J. Agric. Food Chem., 2015, vol. 63, pp. 382–390.

91. Zhang Z., He X., Zhang H. Uptake and distribution of ceria nanoparticles in cucumber plants. Metallomics, 2011, vol. 3, pp. 816–822.

92. Zhao L. J., Peralta-Videa J. R., Varela-Ramirez A. Effect of surface coating and organic matter on the uptake of CeO2 NPs by corn plants grown in soil: Insight into the uptake mechanism. J. Hazard. Mater., 2012, vol. 225, pp. 131–138.

93. Zhao L. J., Sun Y. P., Hernandez-Viezcas J. A. Influence of CeO2 and ZnO Nanoparticles on Cucumber Physiological Markers and Bioaccumulation of Ce and Zn: A Life Cycle Study. J. Agric. Food Chem., 2013, vol. 61 (49), pp. 11945–11951.

94. Zheng L., Hong F., Lu S., Liu C. Effect of nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach. Biol Trace Element Res., 2005, vol. 104, pp. 83–91.

95. Zohravi M. effect of rare earth elements on growth performance, Tibia mineralization and blood serum of Japanese quails. Dissertation der tiermedizinischen Doktorwürde der tiermedizinischen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München, 2006.

скачати повний текст статті в форматі PDF