07. Перспективи розробки препаратів для сільського господарства на основі наночастинок

https://doi.org/10.31073/agrovisnyk201910-07
Дерев’янко С. В., Васильченко А. В., Каплуненко В. Г., Головко А. М., Співак М. Я., Харчук М. С.
Сторінки: 44-54.
Короткий огляд
Цель. Показать перспективы применения наночастиц (НЧ) в разработке новых и совершенствовании существующих препаратов для различных отраслей сельского хозяйства. Методы. Анализ библиографических источников, синтез, обобщение. Результаты. Учеными многих стран мира убедительно доказана высокая эффективность использования НЧ металлов и неметаллов в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в сельском хозяйстве. Показана целесообразность использования НЧ различных элементов для предпосевной обработки семян, внекорневой подкормки, защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Доказана перспективность их использования при разработке иммунобиологических препаратов, диагностических средств и наносенсоров. Показаны перспективы использования наночастиц и нанотехнологий в кормопроизводстве, животноводстве и ветеринарной медицине. Установлено, что добавление цитратов Cr, Se, Co и Zn к рациону коров на протяжении первого месяца лактации способствует повышению дезинтокационной функции печени, улучшает обмен Ca, P и витамина E. Минеральная добавка стимулирует секреторную активность молочной железы, среднесуточные удои молока у коров повышает на 3,3–7,8%. Цитраты НЧ таких элементов, как Fe, Zn, Mn, Cu и Co более активные, чем их неорганические соли. Они влияют на показатели метаболизма в крови поросят в концентрациях в 10 раз меньших, чем концентрации неорганических солей. Учитывая значительные достижения мировой нанобиологии, весомый опыт и научный потенциал отечественных ученых в этой области науки, выступаем с предложением разработки Государственной целевой научно-технической программы «Нанотехнологии в сельском хозяйстве» на 2021–2025 гг. Выводы. Необходимость всестороннего изучения влияния НЧ на организм животных, сельскохозяйственные культуры, микроорганизмы почвы и кишечника животных, патогены растений и животных, разработка эффективных нанопрепаратов и технологий их применения продиктованы временем.

Ключевые слова: диагностика, нанотехнологии, квантовые точки, наноудобрения, болезни, вредители.

Бібліографія
  1. Salata O.V. Applications of nanoparticles in biology and medicine. J. of nanobiotechnology. 2004. № 1. Р. 3. https://doi.org/10.1186/1477-3155-2-3
  2. Boholm M., Arvidsson R. A definition framework for the terms nanomaterial and nanoparticle. NanoEthics. 2016. № 1. Р. 25–40. https://doi.org/10.1007/s11569-015-0249-7
  3. Hardman R. A toxicologic review of quantum dots: toxicity depends on physicochemical and environmental factors. Environmental health perspectives. 2005. № 2. Р. 165–172. https://doi.org/10.1289/ehp.8284
  4. Oberdörster G., Maynard A., Donaldson K. еt al. Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: elements of a screening strategy. Particle and fibre toxicology. 2005. № 1. P. 1–35. https://doi.org/10.1186/1743-8977-2-8
  5. Wang Z.L., Feng X. Polyhedral shapes of CeO2 nanoparticles. The J. of Physical Chemistry B. 2003. № 49. P. 13563–13566. https://doi.org/ 10.1021/jp036815m
  6. Sabir S., Arshad M., Chaudhari S.K. Zinc oxide nanoparticles for revolutionizing agriculture: synthesis and applications. The Scientific World Journal. 2014. № 11. P. 1–8. http://dx.doi.org/10.1155/2014/925494
  7. Prasad R., Kumar V., Prasad K.S. Nanotechnology in sustainable agriculture: present concerns and future aspects. African Journal of Biotechnology. 2014. № 6. P. 705–713. http://dx.doi.org/10.5897/AJBX2013.13554
  8. Tarafdar J.C., Sharma S., Raliya R. Nanotechnology: Interdisciplinary science of applications. African J. of Biotechnology. 2013. № 3. Р. 219–226. http://dx.doi.org/10.5897/AJB12.2481
  9. Клестова З.С., Головко А.М. Нанотехнології та біоризики. Науково-технічний бюлетень Інституту біології тварин НААН і Державного науково-дослідного контрольного інституту ветпрепаратів та кормових добавок. 2014. № 2–3. С. 329–339.
  10. DeRosa M.C., Monreal C., Walsh R.P. Nanotechnology in fertilizers Nature nanotechnology. 2010. № 2. P. 91. https://doi.org/10.1038/nnano.2010.2
  11. Пат. № 116440 Україна, МПК (2017.01) C05F 11/00. Спосіб застосування композиційних мікроелементних препаратів. О.Є. Давидова, П.Г. Дульнєв, М.Д. Аксиленко, В.Г. Каплуненко; заявник і патентовласник Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України. № u 201610941; заявл. 31.10.2016; опубл. 25.05.2017; № 10.
  12. Давидова О.Є., Каплуненко В.Г., Аксиленко М.Д. та ін. Ефективність застосування нових мікроелементних комплексів при вирощуванні пшениці озимої. Физиология растений и генетики. 2015. № 3. С. 212–223.
  13. Франтійчук В.В., Коваленко М.С., Гончар Л.М. та ін. Вплив неіонного колоїдного розчину наночасток металів на ріст і розвиток озимої пшениці. Збірник наукових праць Інституту біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН. 2012. № 14. С. 119–123.
  14. Пат. № 56328 Україна, МПК (2011.01), C05D 9/00, C05G 1/00, A01N 25/00, A01N 59/00, B82B 3/00. Засіб для позакореневого підживлення сільськогосподарських культур. М.В. Косінов, В.Г. Каплуненко, заявник і патентовласник М.В. Косінов, В.Г. Каплуненко. № u 201007659; заявл. 18.06.2010. опубл. 10.01.2011. №1.
  15. Пат. № 103414 Україна, МПК (2015.01), C05D 9/02 (2006.01), C05G 3/00, A01N 37/44 (2006.01), A01N 59/00. Композиція для підвищення ефективності азотофіксації в рослинництві. В.Г. Каплуненко, В.А. Дімчев; заявник і патентовласник В.Г. Каплуненко, В.А. Дімчев. № u 2015 07272; заявл. 20.07.2015. опубл. 10.12.2015. № 23.
  16. Пат. № 67051 Україна, МПК (2011.01), A01G 1/00, A01N 59/20 (200.01), A01N 59/06 (2006.01). Засіб для захисту картоплі від хвороб і колорадського жука. В.Г. Каплуненко, М.В. Косінов, О.С. Адамчук. № u 201109532; заявл. 29.07.2011; опубл. 25.01.2012. № 2.
  17. Pelgrift R.Y., Friedman A.J. Nanotechnology as a therapeutic tool to combat microbial resistance. Advanced drug delivery reviews. 2013. Т. 65. № 13–14. Р. 1803–1815. https://doi.org/10.1016/j.addr.2013.07.011
  18. Guo L., Huang K., Liu H. Biocompatibility selenium nanoparticles with an intrinsic oxidase-like activity. J. of Nanoparticle Research. 2016. Т. 18. № 3. Р. 74. https://doi.org/10.1007/s11051-016-3357-6
  19. Shankar S., Jaiswal L., Aparna R.S.L., Prasad R.G.S.V. Synthesis, characterization, in vitro biocompatibility, and antimicrobial activity of gold, silver and gold silver alloy nanoparticles prepared from Lansium domesticum fruit peel extract. Materials Letters. 2014. Т. 137. Р. 75–78. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.08.122
  20. Venkatakrishnan S., Veerappan G., Elamparuthi E., Veerappan A. Aerobic synthesis of biocompatible copper nanoparticles: promising antibacterial agent and catalyst for nitroaromatic reduction and C–N cross coupling reaction. RSC Advances. 2014. № 29. Р. 15003–15006. https://doi.org/10.1039/C4RA01126K
  21. Usman M.S., El Zowalaty M.E., Shameli K. et al. Synthesis, characterization, and antimicrobial properties of copper nanoparticles. International j. of nanomedicine. 2013. V. 8. P. 4467. https://doi.org/10.2147/IJN.S50837
  22. Mahapatra O., Bhagat M., Gopalakrishnan C., Arunachalam K.D. Ultrafine dispersed CuO nanoparticles and their antibacterial activity. J. of Experimental Nanoscience. 2008. № 3. P. 185–193. https://doi.org/10.1080/17458080802395460
  23. Azam A., Ahmed A.S., Oves M. et al. Size-dependent antimicrobial properties of CuO nanoparticles against Gram-positive and-negative bacterial strains. International J. of Nanomedicine. 2012. V. 7. P. 3527. https://doi.org/10.2147/IJN.S29020
  24. Ahamed M., Alhadlaq H.A., Khan M.A. et al. Synthesis, characterization, and antimicrobial activity of copper oxide nanoparticles. J. of Nanomaterials. 2014. P. 1–4. https://doi.org/10.1155/2014/637858
  25. Yamamoto O., Ohira T., Alvarez K., Fukuda M. Antibacterial characteristics of CaCO3–MgO composites. Materials Science and Engineering: B. 2010. 1–3. P. 208–212. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2009.12.007
  26. Jin T., He Y. Antibacterial activities of magnesium oxide (MgO) nanoparticles against foodborne pathogens. J. of Nanoparticle Research. 2011. № 12. P. 6877–6885. https://doi.org/10.1007/s11051-011-0595-5
  27. Leung Y.H., Ng A.M., Xu X. et al. Mechanisms of antibacterial activity of MgO: non-ROS mediated toxicity of MgO nanoparticles towards Escherichia coli. Small. 2014. № 6. P. 1171–1183. https://doi.org/10.1002/smll.201302434
  28. Vidic J., Stankic S., Haque F. et al. Selective antibacterial effects of mixed ZnMgO nanoparticles. J. of Nanoparticle Research. 2013. № 5. P. 1595. https://doi.org/10.1007/s11051-013-1595-4
  29. Sawai J., Kojima H., Igarashi H. et al. Antibacterial characteristics of magnesium oxide powder. World J. of Microbiology and Biotechnology. 2000. № 2. P. 187–194. https://doi.org/10.1023/A:1008916209784
  30. Dhapte V., Kadam S., Pokharkar V. et al. Versatile SiO2 nanoparticles@polymer composites with pragmatic properties. ISRN Inorganic Chemistry. 2014. Р. 1–8. http://dx.doi.org/10.1155/2014/170919
  31. Cousins B.G., Allison H.E., Doherty P.J. et al. Effects of a nanoparticulate silica substrate on cell attachment of Candida albicans. Journal of applied microbiology. 2007. V. 102. № 3. P. 757–765. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2006.03124.x
  32. Egger S., Lehmann R.P., Height M.J. et al. Antimicrobial properties of a novel silver-silica nanocomposite material. Applied and environmental microbiology. 2009. № 9. P. 2973–2976.
  33. Kundu S., Liang H. Polyelectrolyte-mediated non-micellar synthesis of monodispersed ‘aggregates’ of gold nanoparticles using a microwave approach. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2008. № 2–3. P. 143–150. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2008.07.043
  34. Kunkalekar R.K., Naik M.M., Dubey S.K., Salker A.V. Antibacterial activity of silver-doped manganese dioxide nanoparticles on multidrug-resistant bacteria. J. of Chemical Technology & Biotechnology. 2013. № 5. P. 873–877. https://doi.org/10.1002/jctb.3915
  35. Пат. № 46624 Україна, МПК (2009), C02F 1/50, B22F 9/16/дезінфікуючий засіб «шумерське срібло». М.В. Косінов, В.Г. Каплуненко. № u 200908031; заявл. 30.07.2009; опубл. 25.12.2009. № 24.
  36. Пат. № 69702 Україна, МПК, A61K 9/06 (2006.01), A61K 33/38 (2006.01) антимікробний засіб у формі мазі для лікування ранових та опікових поверхонь. С.В. Білоус, В.Ф. Марієвський, Т.Г. Калинюк, І.С. Чекман, Н.М. Кролевецька, Н.М. Рубан. Заявники та патентовласники: С.В. Білоус, В.Ф. Марієвський, Т.Г. Калинюк, І.С. Чекман, Н.М. Кролевецька, Н.М. Рубан. № u 2011 12500; заявл. 25.10.2011; опубл. 10.05.2012. № 9.
  37. Rigo C., Ferroni L., Tocco I. et al. Active silver nanoparticles for wound healing. International j. of molecular sciences. 2013. № 3. P. 4817–4840. https://doi.org/10.3390/ijms14034817
  38. Rakhmetova A.A., Alekseeva T.P., Bogoslovskaya O.A. et al. Wound-healing properties of copper nanoparticles as a function of physicochemical parameters. Nanotechnologies in Russia. 2010. № 3–4. P. 271–276. https://doi.org/10.1134/S199507801003016X
  39. Пат. № 54721 Україна, МПК (2009), A61K 9/127, A61K 9/28, A23L 1/30. Ліпосомальна композиція мікроелементів. М.В. Косінов, В.Г. Каплуненко. Заявники і патентовласники: М.В. Косінов, В.Г. Каплуненко. № u 201004507; заявл. 19.04.2010; опубл. 25.11.2010. № 22.
  40. Feng Q.L., Wu J., Chen G.Q. et al. A mechanistic study of the antibacterial effect of silver ions on Escherichia coli and Staphylococcus aureus. J. of biomedical materials research. 2000. № 4. P. 662–668. https://doi.org/10.1002/1097-4636(20001215)52:4%3C662::AID-JBM10% 3E3.0.CO;2-3
  41. Kim J., Kwon S. Antimicrobial effect of silver-impregnated cellulose: potential for antimicrobial therapy. J. of biological engineering. 2009. № 1. P. 20. https://doi.org/10.1186/1754-1611-3-20
  42. Ling D., Hyeon T. Chemical design of biocompatible iron oxide nanoparticles for medical applications. Small. 2013. V. 9. P. 1450–1466. https://doi.org/10.1002/smll.201202111
  43. Fellahi O., Sarma R.K., Das M.R. et al. The antimicrobial effect of silicon nanowires decorated with silver and copper nanoparticles. Nanotechnology. 2013. V. 24. № 49. P. 495101. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/49/495101
  44. Galdiero S., Falanga A., Vitiello M. et al. Silver nanoparticles as potential antiviral agents. Molecules. 2011. № 10. P. 8894–8918. https://doi.org/10.3390/molecules16108894
  45. Baram-Pinto D., Shukla S., Perkas N. et al. Inhibition of herpes simplex virus type 1 infection by silver nanoparticles capped with mercaptoethane sulfonate. Bioconjugate chemistry. 2009. № 8. P. 1497–1502. https://doi.org/10.1021/bc900215b
  46. Elechiguerra J.L., Burt J.L., Morones J.R. et al. Interaction of silver nanoparticles with HIV-1. J. of nanobiotechnology. 2005. № 1. P. 6. https://doi.org/10.1186/1477-3155-3-6
  47. Shionoiri N., Sato T., Fujimori Y. et al. Investigation of the antiviral properties of copper iodide nanoparticles against feline calicivirus. J. of bioscience and bioengineering. 2012. № 5. P. 580–586. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2011.12.006
  48. Borkow G., Gabbay J. Putting copper into action: copper-impregnated products with potent biocidal activities. The FASEB j. 2004. № 14. P. 1728–1730. https://doi.org/10.1096/fj.04-2029fje
  49. Ingle A.P., Duran N., Rai M. Bioactivity, mechanism of action, and cytotoxicity of copper-based nanoparticles: a review. Applied microbiology and biotechnology. 2014. № 3. P. 1001–1009. https://doi.org/10.1007/s00253-013-5422-8
  50. Ramya S., Shanmugasundaram T., Balagurunathan R. Biomedical potential of actinobacterially synthesized selenium nanoparticles with special reference to anti-biofilm, anti-oxidant, wound healing, cytotoxic and anti-viral activities. J. of Trace Elements in Medicine and Biology. 2015. V. 32. P. 30–39. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2015.05.005
  51. Li Y., Lin Z., Guo M. et al. Inhibitory activity of selenium nanoparticles functionalized with oseltamivir on H1N1 influenza virus. International j. of nanomedicine. 2017. V. 12. P. 5733. https://doi.org/10.2147/IJN.S140939
  52. Liga M.V., Bryant E.L., Colvin V.L., Li Q. Virus inactivation by silver doped titanium dioxide nanoparticles for drinking water treatment. Water research. 2011. № 2. P. 535–544. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.09.012
  53. Broglie J.J., Alston B., Yang C. et al. Antiviral activity of gold/copper sulfide core/shell nanoparticles against human norovirus virus-like particles. PloS one. 2015. № 10. P. e0141050. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0141050
  54. Park H.H., Park S., Ko G., Woo K. Magnetic hybrid colloids decorated with Ag nanoparticles bite away bacteria and chemisorb viruses. J. of Materials Chemistry B. 2013. № 21. P. 2701–2709. https://doi.org/10.1039/C3TB20311E
  55. Sankarakumar N., Tong Y.W. Preventing viral infections with polymeric virus catchers: a novel nanotechnological approach to anti-viral therapy. J. of Materials Chemistry B. 2013. № 15. P. 2031–2037. https://doi.org/10.1039/C3TB00009E
  56. Bromberg L., Bromberg D.J., Hatton T.A. et al. Antiviral properties of polymeric aziridine-and biguanide-modified core — shell magnetic nanoparticles. Langmuir. 2012. № 9. P. 4548–4558. https://doi.org/10.1021/la205127x
  57. Антивірусні властивості наночасток: тези доповідей ХV з’їзду мікробіологів України ім. С.М. Виноградського 11–15 вересня 2017 р.: С.В. Дерев’янко, Л.М. Решотько, О.О. Дмитрук та ін. Одеса. С. 313.
  58. Shydlovska O., Kharchenko E., Osenniy I. et al. Наночастинки діоксиду церію — ефективний антивірусний засіб та ад’ювант біологічно-активних молекул. ScienceRise: Biological Science. 2018. № 1 (10). P. 26–30. https://doi.org/10.15587/2519-8025.2018.124686
  59. Elbeshehy E.K., Elazzazy A.M., Aggelis G. Silver nanoparticles synthesis mediated by new isolates of Bacillus spp., nanoparticle characterization and their activity against Bean Yellow Mosaic Virus and human pathogens. Frontiers in microbiology. 2015. V. 6. P. 453. https://doi.org/10.1111/j.1744-7348.1996.tb05775.x
  60. Ingale A.G., Chaudhari A.N. Biogenic synthesis of nanoparticles and potential applications: an eco-friendly approach. J. Nanomed Nanotechol. 2013. № 165. P. 1–7. http://dx.doi.org/10.4172/2157-7439.1000165
  61. McLamore E.S., Diggs A., Calvo Marzal P. et al. Non-invasive quantification of endogenous root auxin transport using an integrated flux microsensor technique. The Plant J. 2010. № 6. P. 1004–1016. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2010.04300.x
  62. Prasad R., Kumar V., Prasad K.S. Nanotechnology in sustainable agriculture: present concerns and future aspects. African J. of Biotechnology. 2014. № 6. P. 705–713. http://dx.doi.org/10.5897/AJBX2013.13554
  63. Kwak S.Y., Wong M.H., Lew T.T.S. et al. Nano- sensor technology applied to living plant systems. Annual Review of Analytical Chemistry. 2017. V. 10. P. 113–140. https://doi.org/10.1146/annurev-anchem- 061516-045310
  64. He Q., Mitchell A.R., Johnson S.L. et al. Calcium phosphate nanoparticle adjuvant. Clin. Diagn. Lab. Immunol. 2000. № 6. P. 899–903. https://doi.org/10.1128/CDLI.7.6.899-903.2000
  65. Borges O., Cordeiro-da-Silva A., Tavares J. et al. Immune response by nasal delivery of hepatitis B surface antigen and codelivery of a CpG ODN in alginate coated chitosan nanoparticles. European J. of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 2008. № 2. P. 405–416. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2008.01.019
  66. Slütter B., Plapied L., Fievez V. et al. Mechanistic study of the adjuvant effect of biodegradable nanoparticles in mucosal vaccination. J. of Controlled Release. 2009. № 2. P. 113–121. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2009.05.011
  67. Mody K.T., Popat A., Mahony D. et al. Mesoporous silica nanoparticles as antigen carriers and adjuvants for vaccine delivery. Nanoscale. 2013. № 12. P. 5167–5179. https://doi.org/10.1039/C3NR00357D
  68. Zhao L., Seth A., Wibowo N. et al. Nanoparticle vaccines. Vaccine. 2014. № 3. Р. 327–337. https://doi.org/10.1016/j.vaccine.2013.11.069
  69. Хомин М.М., Федорук Р.С., Кропивка С.Й. Біохімічні процеси в організмі корів і біологічна цінність молока за впливу цитратів хрому, селену, кобальту та цинку. Біологія тварин. 2015. № 1. С. 155–162.
  70. Пат. № 100197 Україна, МПК, A23K 1/18 (2006.01), A23K 1/22 (2006.01), A61P 7/06 (2006.01). Спосіб профілактики ферумдефіцитної анемії поросят. Т.І. Приступа, В.В. Данчук, О.В. Данчук, В.О. Линник, В.Г. Каплуненко; заявник і патентовласник Український державний науково-дослідний інститут нанобіотехнологій та ресурсозбереження. № u 2015 01520; заявл. 23.02.2015; опубл. 10.07.2015.
  71. Пат. № 68188 Україна, МПК (2012.01), A23L 1/30, A23K 1/175, B82B 3/00. Спосіб нанокорекції мікроелементного складу кормів для тварин. Д.О. Мельничук, В.А. Копілевич, В.Г. Каплуненко, В.І. Максин, М.В. Косінов; заявник і патентовласник: Національний університет біоресурсів і природокористування України.
  72. Співак М.Я., Оксамитний В.М., Демченко О.А. та ін. Вплив наночастинок діоксиду церію на інтенсивність росту та споживання кормів молодняком перепілок. Ветеринарна медицина. 2013. № 97. С. 470–472.
  73. Влізло В.В., Бащенко М.І., Іскра Р.Я. та ін. Нанотехнології та їх застосування у тваринництві й ветеринарній медицині. Вісник аграрної науки. 2015. № 11. С. 5–9.