Сизова Е.А., Яушева Е.В., Шошин Д.Е., Нечитайло К.С.

Животноводство и кормопроизводство. 2026. Т. 109. № 3. С. 8-22.

Научная статья

УДК 577.17.049:546.47

doi: 10.33284/2658-3135-109-3-8

Биотоксичность ультрадисперсных частиц цинка как фактор,

ограничивающий их применение в сельском хозяйстве

 

Елена Анатольевна Сизова1, Елена Владимировна Яушева2, Даниил Евгеньевич Шошин3,

Ксения Сергеевна Нечитайло4

1,2,3,4Оренбургский государственный университет имени В.А. Бондаренко, Оренбург, Россия

1sizova.l78@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-5125-5981

2vasilena56@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-1589-2211

3daniilshoshin@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-3086-681X

4k.nechit@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8755-414X

Аннотация. Активное внедрение ультрадисперсных частиц (УДЧ) металлов в сельскохозяйственную практику, обусловленное их уникальными физико-химическими свойствами, сопровождается нарастающими экологическими рисками, связанными с их биотоксичностью и способностью к биоаккумуляции. Одним из наиболее востребованных элементов в агросфере является цинк, однако вариабельность биологического ответа тест-объектов в зависимости от размера частиц и их коллоидного поведения остается недостаточно изученной, особенно в субмикронном диапазоне, превышающем наноразмерный. Целью представленной работы стало установление взаимосвязи между гидродинамическим диаметром УДЧ ZnO (458,41±0,95 нм и 153,96±2,57 нм) и их токсичностью с использованием двух модельных систем – бактериального штамма Escherichia coli K12 TG1 и инфузорий Stylonychia mytilus. Полученные результаты демонстрируют выраженную размер-зависимую биотоксичность: частицы с меньшим диаметром (153,9 нм) проявляли более продолжительное ингибирующее действие на бактериальную люминесценцию в широком диапазоне низких концентраций и вызывали более глубокое подавление ферментов антиоксидантной системы (глутатионпероксидазы, каталазы и супероксиддисмутазы) у инфузорий по сравнению с более крупными частицами. В то же время на уровне интегральных показателей выживаемости и содержания нуклеиновых кислот и белка у S. mytilus размерный эффект нивелировался, уступая место общему токсическому воздействию. Установлено, что даже в субингибиторных концентрациях УДЧ ZnO вызывают критический окислительный стресс, характеризуемый трехкратным увеличением концентрации глутатиона и почти пятикратным снижением активности ключевых антиоксидантных ферментов, что свидетельствует об истощении защитных механизмов клетки. Таким образом, несмотря на снижение токсичности с увеличением размера частиц, высокий окислительный потенциал УДЧ цинка остается ограничивающим фактором для их широкого применения в сельском хозяйстве, обосновывая необходимость разработки компенсирующих стратегий и регламентов безопасного использования.

Ключевые слова: ультрадисперсные частицы, Escherichia coli, Stylonychia mytilus, биолюминесценция, окислительный стресс, цинк

Благодарности: работа выполнена при финансовой поддержке гранта на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технического развития (№ 075-15-2024-550).

Для цитирования: Биотоксичность ультрадисперсных частиц цинка как фактор, ограничивающий их применение в сельском хозяйстве / Е.А. Сизова, Е.В. Яушева, Д.Е. Шошин, К.С. Нечитайло // Животноводство и кормопроизводство. 2026. Т. 109. № 3. С. 8-22. [Sizova EA, Yausheva EV, Shoshin DE, Nechitailo KS. Biotoxicity of ultrafine zinc particles as a factor limiting their use in agriculture. Animal Нusbandry and Fodder Production. 2026;109(3):8-22. (In Russ.)]. https://doi.org/10.33284/2658-3135-109-3-8

Список источников

  1. Костюк В.А., Потапович А.И., Ковалева Ж.В. Простой и чувствительный метод определения активности супероксиддисмутазы, основанный на реакции окисления кверцетина // Вопросы медицинской химии. Т. 36. № 2. С. 88-91. [Kostyuk VA, Potapovich AI, Kovaleva ZhV. A simple and sensitive method of determination of superoxide dismutase activity based on the reaction of quercetin oxidation. Questions of medicinal chemistry. 1990;36(2):88-91. (In Russ.)].
  2. Ayeleso TB, Ramachela K, Mukwevho E. Aqueous-methanol extracts of orange-fleshed sweet potato (Ipomoea batatas) ameliorate oxidative stress and modulate type 2 diabetes associated genes in insulin resistant C2C12 cells. Molecules. 2018;23(8):2058. doi: 10.3390/molecules23082058
  3. Dai H, Sun T, Han T, Guo Z, Wang X, Chen Y. Aggregation behavior of zinc oxide nanoparticles and their biotoxicity to Daphnia magna: Influence of humic acid and sodium alginate. Environ Res. 2020;191:110086. doi: 10.1016/j.envres.2020.110086
  4. Dai S, Ye R, Huang J, Wang B, Xie Z, Ou X, et al. Distinct lipid membrane interaction and uptake of differentially charged nanoplastics in bacteria. J Nanobiotechnology. 2022;20:191. doi: 10.1186/s12951-022-01321-z
  5. Dong X, Wu Z, Li X, Xiao L, Yang M, Li Y, et al. The size-dependent cytotoxicity of amorphous silica nanoparticles: a systematic review of in vitro studies. Int J Nanomed. 2020;15:9089-9113. doi: 10.2147/IJN.S276105
  6. Fatima A, Zaheer T, Pal K, Abbas RZ, Akhtar T, Ali S, et al. Zinc oxide nanoparticles significant role in poultry and novel toxicological mechanisms. Biol Trace Elem Res. 2024;202(1):268-290. doi: 10.1007/s12011-023-03651-x
  7. Fenchel T. Suspension feeding in ciliated protozoa: Functional response and particle size selection. Microb Ecol. 1980;6(1):1-11. doi: 10.1007/BF02020370
  8. Fröhlich E. The role of surface charge in cellular uptake and cytotoxicity of medical nanoparticles. Int J Nanomed. 2012;7:5577-5591. doi: 10.2147/IJN.S36111
  9. Garncarek-Musiał M, Dziewulska K, Kowalska-Góralska M. Effect of different sizes of nanocopper particles on rainbow trout (Oncorhynchus mykiss W.) spermatozoa motility kinematics. Sci Total Environ. 2024;941:173763. doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.173763
  10. Gharpure S, Ankamwar B. Synthesis and Antimicrobial Properties of Zinc Oxide Nanoparticles. J Nanosci Nanotechnol. 2020;20(10):5977-5996. doi: 10.1166/jnn.2020.18707
  11. Hadwan MH, Abed HN. Data supporting the spectrophotometric method for the estimation of catalase activity. Data Brief. 2016;6:194-199. doi: 10.1016/j.dib.2015.12.002
  12. Heck DE, Shakarjian M, Kim HD, Laskin JD, Vetrano AM. Mechanisms of oxidant generation by catalase. Ann N Y Acad Sci. 2010;1203:120-125. doi: 10.1111/j.1749-6632.2010.05603.x
  13. Islam S. Toxicity and transport of nanoparticles in agriculture: effects of size, coating, and aging. Front Nanotechnol. 2025;7:1622228. doi: 10.3389/fnano.2025.1622228
  14. Kang M, Bai X, Liu Y, Weng Y, Wang H, Ye Z. Driving role of zinc oxide nanoparticles with different sizes and hydrophobicity in metabolic response and eco-corona formation in sprouts (Vigna radiata). Environ Sci Technol. 2024;58(22):9875-9886. doi: 10.1021/acs.est.4c01731
  15. Kumar S, Suman S, Muthukumar M, Mishra K, Bajpai A, Tiwari AK, et al. Technical review on different metal nanoparticles and their formulations on growth, agronomic and economic traits of crop plants. Front Nanotechnol. 2025;7:1576582. doi: 10.3389/fnano.2025.1576582
  16. Lavagna E, Barnoud J, Rossi G, Monticelli L. Size-dependent aggregation of hydrophobic nanoparticles in lipid membranes. 2020;12(17):9452-9461. doi: 10.1039/d0nr00868k
  17. Li J, Schiavo S, Rametta G, Miglietta ML, La Ferrara V, Wu C, et al. Comparative toxicity of nano ZnO and bulk ZnO towards marine algae Tetraselmis suecica and Phaeodactylum tricornutum. Environ Sci Pollut Res Int. 2017;24(7):6543-6553. doi: 10.1007/s11356-016-8343-0
  18. Lin X, Li J, Ma S, Liu G, Yang K, Tong M, et al. Toxicity of TiO2 nanoparticles to Escherichia coli: effects  of  particle  size,  crystal  phase and water chemistry. PLoS One. 2014;9(10):e110247. doi: 10.1371/journal.pone.0110247
  19. Makabenta JMV, Nabawy A, Li CH, Schmidt-Malan S, Patel R, Rotello VM. Nanomaterial-based therapeutics for  antibiotic-resistant  bacterial    Nat  Rev  Microbiol. 2021;19:23-36. doi: 10.1038/s41579-020-0420-1
  20. Muzammil S, Ashraf A, Siddique MH, Aslam B, Rasul I, Abbas R et al. A review on toxicity of nanomaterials in agriculture: Current scenario and future prospects. Sci Prog. 2023;106(4):368504231221672. doi: 10.1177/00368504231221672
  21. Nair S, Sasidharan A, Divya Rani VV, et al. Role of size scale of ZnO nanoparticles and microparticles on toxicity toward bacteria and osteoblast cancer cells. J Mater Sci Mater Med. 2009;20(Suppl 1):235-241. doi: 10.1007/s10856-008-3548-5
  22. Saliani M, Jalal R, Goharshadi EK Mechanism of oxidative stress involved in the toxicity of ZnO nanoparticles against eukaryotic cells. Nanomed J. 2016;3(1):1-14. doi: 10.7508/NMJ.2016.01.001
  23. Sattar AA, Matin AA, Hadwan MH, Hadwan AM, Mohammed RM. Rapid and effective protocol to measure glutathione peroxidase activity. Bull Natl Res Cent. 2024;48(1):100. doi: 10.1186/s42269-024-01250-x
  24. Schatzman SS, Peterson RL, Teka M, et al. Copper-only superoxide dismutase enzymes and iron starvation stress in Candida fungal pathogens. J Biol Chem. 2020;295(2):570-583. doi:10.1074/jbc.RA119.011084
  25. Singh R, Cheng S, Singh S. Oxidative stress-mediated genotoxic effect of zinc oxide nanoparticles on Deinococcus radiodurans. 3 Biotech. 2020;10(2):66. doi: 10.1007/s13205-020-2054-4
  26. Wang X, Shi Q, Zha Z, Zhu D, Zheng L, Shi L, et al. Copper single-atom catalysts with photothermal performance and enhanced nanozyme activity for bacteria‐infected wound therapy. Bioact Mater. 2021;6(12):4389-4401. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.04.024
  27. Zarghami A, Ganjkhanlou M, Zali A, Fekri A, Palangi V. Effects of nano-zinc oxide supplementation on milk yield, rumen fermentation, nutrient digestibility, and blood indices of high-yielding dairy cows. Front Vet Sci. 2025;12:1720270. doi: 10.3389/fvets.2025.1720270

Информация об авторах:

Елена Анатольевна Сизова, доктор биологических наук, профессор, профессор РАН, главный научный сотрудник НОЦ «Биологические системы и нанотехнологии», Оренбургский государственный университет имени В.А. Бондаренко, 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13.

Елена Владимировна Яушева, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Биологические системы и нанотехнологии», Оренбургский государственный университет имени В.А. Бондаренко, 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13.

Даниил Евгеньевич Шошин, ассистент НОЦ «Биологические системы и нанотехнологии», Оренбургский государственный университет имени В.А. Бондаренко, 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13.

Ксения Сергеевна Нечитайло, кандидат биологических наук, старший преподаватель НОЦ «Биологические системы и нанотехнологии», Оренбургский государственный университет имени В.А. Бондаренко, 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13.

Статья поступила в редакцию 18.05.2026; одобрена после рецензирования 07.07.2026; принята к публикации 14.09.2026.

Загрузить