Моніторинг важких металів у довкіллі та способи зниження їх надлишку в організмі тварин

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора ветеринарних наук

Моніторинг важких металів у довкіллі та способи зниження їх надлишку в організмі тварин

Засєкін Д.А.

16.00.06 - гігієна тварин та ветеринарна санітарія

Київ - 2002

Анотація

Засєкін Д.А. Моніторинг важких металів у довкіллі та способи зниження їх надлишку в організмі тварин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора ветеринарних наук за спеціальністю 16.00.06 - гігієна тварин та ветеринарна санітарія. Національний аграрний університет, Київ, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню розповсюдження важких металів у довкіллі, вивченню впливу важких металів на компоненти екосистеми та організм тварин у центральних та північних областях України, розробці ефективних заходів з попередження накопиченню важких металів у продукції тваринництва. Проведеними дослідженнями з'ясовано кумулятивну дію Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr в єдиному природному ланцюзі: ґрунт-вода-корми-тваринний організм. Вивчено вплив надлишку важких металів на клінічний статус, функціональний стан органів та тканин, показники обміну речовин в організмі лабораторних тварин, лактуючих корів та новонароджених телят, якість молока, яловичини та субпродуктів.

З метою зниження вмісту важких металів в організмі лактуючих корів запропоновано дози та оптимальний термін використання природних сорбентів, що дає можливість одержувати екологічно безпечну продукцію тваринництва на територіях з підвищеним вмістом Pb, Cd, ⁸⁸Sr, Cu, Zn у довкіллі.

Ключові слова: важкі метали, міграція, вода, ґрунт, насіння, корми, щурі, корови, внутрішні органи, м'язи, сорбенти.

Аннотация

Засекин Д.А. Мониторинг тяжелых металлов во внешней среде и способы их снижения в организме животных. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора ветеринарных наук по специальности 16.00.06 - гигиена животных и ветеринарная санитария. Национальный аграрный университет, Киев, 2002.

Диссертация посвящена исследованию распространения тяжелых металлов во внешней среде, изучению влияния тяжелых металлов на компоненты экосистемы и организм животных в центральных и северных областях Украины, разработке эффективных мероприятий по предотвращению накопления тяжелых металлов в продукции животноводства. Проведенными исследованиями установлено кумулятивное действие Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr в единой природной цепи: почва-вода-корма-организм животных. Изучено влияние избытка тяжелых металлов на клинический статус, функциональное состояние органов и тканей, показатели обмена веществ в организме лабораторных животных, лактирующих коров и новорожденных телят, качество молока, говядины и субпродуктов.

Показано, что уровень Cu, Zn, Pb, Cd в воде, которая используется для выпаивания животным, превышает ГДК у 87, 93, 80 и 47 % проведенных исследований. Образцы почвы, отобранные в хозяйствах разных экологических зон и которые используются для выращивания кормовых культур, насыщены излишком Cu, Pb и Cd - у 80-83 % исследований, ⁸⁸Sr - у 100 %, а по содержанию Zn - могут быть отнесены к биогеохимическим провинциям цинковой недостаточности. Кормовые культуры большинства хозяйств превышают ПДК по Zn и Pb, а семена отдельных культур имеют повышенный уровень Cu, Cd и ⁸⁸Sr. Семена бобовых культур кумулируют тяжелые металлы в большей концентрации чем злаковые.

Введение лабораторным животным per os солей тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr) повышает их уровень в паренхиматозных органах крыс у 2-365 раз. При этом у лабораторных животных развивается субкомпенсированный метаболический ацидоз, угнетается активность ферментных систем, развивается гипергликемия, усиливается уреогенез, нарушается белоксинтезирующая функция печени, снижается концентрация и изменяется соотношение кето- и глюкогенных, заменимых и незаменимых аминокислот.

Для элиминации тяжелых металлов из органов и тканей лабораторных животных испытано эффективность природных и синтезированных сорбентов (цеолит, сапонит, хумолит, палигорскит, полисорб-М, энвет-1) и установлено их положительное действие. Указанные сорбенты, способствуя выведению избытка тяжелых металлов до параметров ПДК, не вызывают изменений клинических показателей, нормализуют обмен белков, углеводов, липидов, минеральных веществ в организме, что указывает на возможность их широкого использования в качестве детоксикантов и профилактических средств.

С целью снижения уровня тяжелых металлов в организме лактирующих коров предложено дозу и оптимальный срок использования природных сорбентов, что дает возможность получать экологически безопасную продукцию животноводства на территориях с повышенным содержанием Pb, Cd, ⁸⁸Sr, Cu, Zn во внешней среде.

Ключевые слова: тяжелые металлы, миграция, вода, почва, семена, корма, крысы, коровы, внутренние органы, мышцы, сорбенты.

Annotation

Zasekin D.A. Monitoring of heavy metal content in the environment and the ways to reduce their excess in animals. Manuscript.

Doctor of Veterinary Sciences Dissertation on speciality 16.00.06 - Animal Hygiene and Veterinary Sanitation. National Agrarian University, Kyiv, 2002.

The dissertation is dedicated to investigation of heavy metals: their environmental spreading, impact on ecosystem components and animal body in central and northern Ukraine, elaborating of effective ways to prevent their accumulation in animal products. The conducted research shows cumulative effect of Cu, Zn, Pb, ⁸⁸Sr in a single natural chain: soil-water-forage-animal. Impact of heavy metal excess оn clinical condition, functioning of body organs and tissues, metabolism in laboratory animals, milking cows and new-born calves, quality of milk, beef and animal sub-products.

To reduce heavy metal content in lactating cows, the dosage and optimal application schedule of natural sorbents have been suggested. These enable obtaining of environmentally safe animal products on the territories containing excessive levels of Cu, Zn, Pb, ⁸⁸Sr.

Key words: heavy metals, migration, water, soil, seeds, forage, rats, cows, internal organs, muscles, sorbents.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зростання антропогенного впливу на екосистеми призвело до забруднення навколишнього середовища токсичними сполуками, в тому числі важкими металами, що поставило перед ветеринарною медициною ряд важливих проблем щодо запобігання розповсюдженню, накопиченню та контролю за вмістом важких металів у ґрунтах, воді, кормах, тканинах сільськогосподарських тварин та продукції тваринництва.

Накопичення важких металів, насамперед Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr та інших, у ґрунтах, воді та кормах сприяє надходженню їх в організм, негативно впливає на фізіологічні функції органів та тканин, клінічний стан тварин , порушує КЛР крові, змінює активність ферментів, інтенсивність ПОЛ, перенесення електронів дихальним ланцюгом мітохондрій, ускладнює перебіг хвороб тварин тощо. Вирішенню наукових та практичних питань, пов'язаних із моніторингом важких металів у довкіллі, накопиченню в кормах, воді, продукції тваринництва, розробці способів їх елімінації із організму, присвячені роботи ряду відомих вчених та практиків (Покаржевський А.Д., 1985;

Алексєєв Ю.В., 1987; Добровольский В.В., 1988; Федоров В.М., 1990; Мельничук Д.О. та ін., 1994, 1995, 2000; Трахтенберг І.М. та ін., 1994; ЯновичД.В. та ін., 1994; Євтушенко М.Ю., 1995; Вяйзенен Г.Н. та ін., 1997; Кравців Р.Й. та ін., 1997; Хмельницький Г.О., 1998; Новожицька Ю.М., 1998; Розпутній О.І., 1999; Захаренко М.О та ін., 2000; Кисіль В.І., 2001; Kapl D. еt ol.,1994; Tahvonch R., 1995; Rounce S.R. et ol., 1997; та ін.). Однак проведені дослідження щодо впливу різних важких металів на організм стосуються, в основному, вивчення механізмів дії окремих елементів на метаболічні процеси в тканинах, розробки способів запобігання їх накопичення та виведення з організму, контролю за вмістом важких металів у молоці, м'ясі, субпродуктах та іншій продукції тваринництва. Практично зовсім не досліджено сумісний вплив важких металів на клінічний стан, метаболічний статус тварин, якість продукції тваринництва в єдиному ланцюзі: грунт-вода-корми-тварина, розповсюдження важких металів у довкіллі та накопичення в організмі тварин різних біогеохімічних провінцій України, що передбачає контроль за вмістом важких металів у ґрунтах, воді та тканинах тварин, вказує на необхідність розробки ефективних способів запобігання негативного пресингу важких металів на організм з метою поліпшення якості молока, м'яса та іншої продукції тваринництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною наукових досліджень теми “Вивчити динаміку накопичення важких металів у кормах та тканинах тварин у господарствах центральних областей України”, номер держреєстрації 0193U025335, що виконували співробітники кафедри біохімії і біотехнології та лабораторії клінічної і екологічної біохімії факультету ветеринарної медицини на замовлення Департаменту ветеринарної медицини з головною держветінспекцією Міністерства агропромислового комплексу України протягом 1992-1995 років та теми “Вивчити молекулярні механізми токсичної дії важких металів на обмін речовин в організмі тварин”, номер держреєстрації 0196U013075, що виконували співробітники кафедри гігієни тварин ім. А.К. Скороходька Національного аграрного університету на замовлення Кабінету Міністрів України впродовж 1996-2000 років.

Мета та завдання досліджень. Вивчити розповсюдження важких металів (Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr) у ґрунтах, воді та кормах ряду територіальних зон України, встановити шляхи їх надходження та накопичення в тканинах сільськогосподарських тварин, дослідити сумісний вплив важких металів на клінічний стан та метаболічний статус організму тварин. Розробити ефективні способи зниження вмісту важких металів у тканинах великої рогатої худоби з метою покращення якості молока та яловичини, що виробляються у сільськогосподарських підприємствах, розташованих на територіях, що забруднені важкими металами.

Для досягнення мети поставлено такі завдання:

Провести моніторингові дослідження важких металів у довкіллі, встановити шляхи їх надходження, особливості накопичення у досліджуваних зразках ґрунтів, води та кормів, що використовуються для годівлі великої рогатої худоби, вивчити вплив важких металів на клінічні показники, функціональний стан і метаболічний статус лактуючих корів, якість молока, яловичини і субпродуктів.

Розробити на лабораторних тваринах експериментальну модель з вивчення спільної токсичної дії комплексу солей важких металів на клінічний стан, функції органів та тканин, показники білкового, вуглеводного, ліпідного та мінерального обмінів в організмі.

Вивчити сумісний вплив розчинів солей важких металів на вміст Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr у крові, печінці, нирках, селезінці, легенях, серці, м'язах лабораторних тварин та встановити кумулятивну дію досліджуваних елементів в органах та тканинах.

Дослідити ефективність застосування природних (цеоліт, cапоніт, палігорскіт, хумоліт) та штучно синтезованих (полісорб-М, фітосорбент, енвет-1) сорбентів на вміст Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr у крові, печінці, нирках, селезінці, легенях, серці, м'язах, функціональний стан органів та показники білкового, вуглеводного, ліпідного і мінерального обмінів в організмі лабораторних тварин.

Вивчити вплив сорбентів cапоніт та хумоліт на вміст Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr у крові, печінці, нирках, селезінці, легенях, серці та м'язах лактуючих корів в умовах геохімічної зони, забрудненої важкими металами.

Вивчити вплив згодовування сапоніту та хумоліту лактуючим коровам на клінічний стан, функції органів та тканин, показники метаболічного стану - КЛР крові, активність ферментів, рівень білків, глюкози, амінокислот, ліпідів, макроелементів у крові, печінці, нирках, селезінці, легенях, серці та м'язах тварин.

На основі одержаних експериментальних даних розробити науково-практичні рекомендації щодо контролю вмісту важких металів у кормах і кормових добавках та способи запобігання накопиченню та виведення важких металів з організму лактуючих корів з метою одержати якісне молоко, яловичину та продукти їх переробки в регіонах України з підвищеним вмістом важких металів у довкіллі.

Об'єкт дослідження: ґрунт, вода, корми, лабораторні тварини, лактуючі корови, новонароджені телята, продукція тваринництва.

Предмет дослідження: важкі метали (Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr) у довкіллі та тканинах тварин, клінічні, гігієнічні, токсикологічні, фізіологічні та біохімічні показники, тканини лабораторних тварин та лактуючих корів, природні та штучно синтезовані сорбенти.

При виконанні роботи використовувались клінічні, зоогігієнічні, зоотехнічні, біохімічні, аналітичні, спектрофотометричні, біометричні та інші сучасні методи досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше теоретично обґрунтовано та експериментально доведено, що в основі механізму сумісної дії важких металів - Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr - лежить їх здатність проявляти кумулятивну дію, негативно впливати на клінічний стан тварин, функції органів та тканин, змінювати реакцію біологічних рідин в організмі, проявляти гальмівний вплив на ферментні системи, білоксинтезуючу функцію печінки, змінювати рівень та співвідношення білків, вільних замінних і незамінних амінокислот у тканинах.

Вперше встановлено надлишок важких металів у ґрунтах, воді, кормах, тканинах сільськогосподарських тварин та продукції тваринництва у різних біогеохімічних зонах України (центральна і південно-східна).

Експериментально доведено, що вміст Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr у тканинах лактуючих корів залежить від віку, структури раціону та типу годівлі тварин а також від вмісту та співвідношення важких металів у кормах та воді.

Вперше вказано на залежність рівня важких металів у тканинах новонароджених телят від їх вмісту в тканинах корів.

На лабораторних тваринах створено експериментальну модель, що дає можливість досліджувати вплив солей важких металів на клінічний статус, показники функціонального стану органів і тканин та обмін речовин, їх токсикокінетику, токсикодинаміку, етіологію та патогенез захворювань, що виникають в організмі тварин.

На основі проведених досліджень вказано на здатність природних та синтетичних сорбентів, таких як cапоніт, хумоліт, палігорскіт, полісорб-М, фітосорбент та енвет-1, ефективно елімінувати надлишок Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr з крові, тканин печінки, нирок, селезінки, легень, серця, та м'язів лабораторних тварин та лактуючих корів.

Теоретично обґрунтовано та експериментально встановлено оптимальні дози введення сорбентів хумоліту та сапоніту в раціони з метою зниження рівня важких металів у молоці та тканинах лактуючих корів.

Дослідження вмісту важких металів (Cu, Zn, ⁸⁸Sr, Pb, Cd) у природному ланцюзі грунт - вода - корми - тканини тварин - продукція тваринництва, проведених у різних природнокліматичних зонах, свідчать про погіршення екологічного стану значних територій центральних та північних областей України, вимагають постійного моніторингу вмісту важких металів у продукції тваринництва та вказують на необхідність розробки державної програми із зниження техногенного пресингу останніх на довкілля.

Наукова новизна проведених досліджень захищена 3 патентами України.

Практичне значення одержаних результатів. Завдяки широкоплановим дослідженням виявлено підвищені рівні Cu, Zn, ⁸⁸Sr, Pb, Cd у ґрунтах, воді та кормових культурах, які досить часто перевищують МДР, встановлені для цих токсичних сполук, що свідчить про забруднення важкими металами значних територій центральної та північно-східної зон України і вказує на необхідність проведення постійного санітарно-гігієнічного контролю за їх вмістом у молоці та яловичині, які виробляють на цих територіях, розробки цілеспрямованих профілактичних заходів щодо попередження забруднення важкими металами продукції тваринництва.

Ветеринарно-санітарна експертиза продуктів забою тварин та сировини, а також розробка профілактичних заходів та лікувальних засобів, пов'язаних із негативним впливом важких металів на печінку, нирки, легені, серце та інші органи у тварин, що вирощені та експлуатуються на територіях, забруднених важкими металами, повинна обов'язково включати дані з накопичення Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr в органах та тканинах тварин.

Показано, що сумісна дія важких металів Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr пов'язана з їх значним накопиченням у печінці, нирках, серці, легенях і суттєвим впливом на клінічний стан, показники метаболічного статусу, якість молока, яловичини та субпродуктів, що є необхідною умовою для розробки санітарно-гігієнічних норм при оцінці якості продукції тваринництва.

Виробничі випробування показали, що природні сорбенти cапоніт та хумоліт, які застосовували лактуючим коровам в дозі 0,5 г/кг маси тіла протягом 30 діб для елімінації важких металів, знижують рівень Pb та Cd у тканинах до значень ГДК при стабілізації показників клінічного стану та метаболічного статусу організму тварин.

Одержаний експериментальний матеріал щодо вмісту та міграції важких металів у ґрунтах, воді, кормах та організмі тварин слід використовувати при вивченні екології, токсикології, фармакології, терапії, ветеринарної санітарії та гігієни тварин студентами факультетів ветеринарної медицини та зооінженерних факультетів аграрних навчальних закладів України.

На основі проведених досліджень виробництву запропоновано 3 методичні розробки, що затверджені державним Департаментом ветеринарної медицини МінАПК України, в тому числі: “Методичні рекомендації щодо вмісту деяких хімічних елементів у кормах та кормових добавках для сільськогосподарських тварин”, (реєстраційний № 15-14/124 від 7 травня 1998 р.), “Максимально допустимий рівень (МДР) вмісту деяких хімічних елементів у кормах та кормових добавках для сільськогосподарських тварин”, (реєстраційний № 15-14/155 від 8 серпня 2000 р.) та “Науково-практичні рекомендації по застосуванню природних адсорбентів у тваринництві в регіонах України з високим рівнем важких металів у довкіллі”, (реєстраційний № 15-14/6 від 31 січня 2001 р.).

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі особисто дисертантом обґрунтовано напрямок досліджень, розроблено робочі програми, підібрано методики досліджень, проведено експерименти, проаналізовано і узагальнено одержані результати, підготовлено до друку матеріали, проведено їх апробацію, формулювання висновків і пропозицій виробництву. Із спільних з іншими співробітниками експериментальних досліджень і публікацій дисертант використав, за згодою зі співавторами, лише свою частку результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на секції ветеринарної медицини науково-технічної ради Мінагропрому України (1992-1995 рр.), на VI та VII Українських біохімічних з'їздах (м. Київ, 1992, 1997 р.), на міжнародних конференціях: “Конкурентоспособное производство продукции животноводства в республике Беларусь” (м. Жодино, 1998), “Діагностика, профілактика та лікування хвороб продуктивних тварин”, присвяченій 80-річчю факультету ветеринарної медицини НАУ (м. Київ, 2000), “Проблеми виробництва екологічно чистої сільськогосподарської продукції на межі 3-го тисячоліття” (м. Житомир, 2000), “Сучасні проблеми екології та гігієни виробництва продукції тваринництва” (м. Вінниця, 2000), “Аграрна наука і практика на рубежі тисячоліть: досягнення, проблеми і задачі”, присвячені 150-річчю Харківського зооветеринарного інституту

(м. Харків, 2001), на міжнародній конференції присвяченій 25-річному ювілею факультету ветеринарної медицини Дніпропетровського державного аграрного університету (м. Дніпропетровськ, 2001), ESVCN Conference European Society of Veterinary and Comparative Nutrition (Munchen, Germany, 1997), The 2-nd Parnas conference (Gdansk, Polska, 1998), на республіканській науково-практичній конференції “Проблеми неінфекційної патології у ветеринарній медицині” (м. Біла Церква, 1995), на науковій конференції, присвяченій 75-річчю з дня народження члена-кореспондента НАН, АМН України, професора, доктора мед. наук Ю.С. Кагана “Актуальні проблеми токсикології” (м. Київ, 1999), на ІІ Всеукраїнській конференції “Проблеми ветеринарної патології тварин в сучасних умовах” (м. Київ, 2001), на науково-практичній конференції Тверського сільськогосподарського інституту (м.Твер, Росія, 2001), на наукових конференціях професорсько-викладацького складу, наукових співробітників та аспірантів Національного аграрного університету (1992-2001).

2. Загальна методика і основні методи досліджень

Дослідження за темою дисертаційної роботи проведені протягом 1991-2001 років. Для досягнення поставленої мети проведено 9 наукових та науково-господарських дослідів в умовах клінік та віваріїв факультету ветеринарної медицини Національного аграрного університету та Інституту екогігієни і токсикології ім. Л.І. Медведя, а також у 14 сільськогосподарських підприємствах (господарствах) з 6 областей України: Київської, Житомирської, Чернігівської, Кіровоградської, Черкаської, Полтавської.

Об'єктом досліджень були середні зразки води для напування тварин (дослід 1), насіння кормових культур (дослід 2), ґрунти (дослід 3), кормові культури (дослід 4), в яких вивчали вміст важких металів: Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr. Всього досліджено: 16 зразків води, 80 зразків ґрунту, 157 зразків кормів із 14 сільськогосподарських підприємств 6 областей України.

Досліди 5-6 проведено на 62 коровах-аналогах чорно-рябої породи 2-3- та 5-6-ї лактації середньою живою масою 450-500 кг. У п'ятому досліді вивчали вміст та кумуляцію важких металів у молоці, крові, м'язах і внутрішніх органах корів з господарств центральних та північних областей України, що розташовані в різних екологічних зонах. Шостий дослід проведено з метою вивчення шляхів надходження важких металів в організм новонароджених телят та впливу надлишку важких металів у тканинах на клінічні показники та метаболічний статус організму корів залежно від віку та фізіологічного стану.

У корів вивчали показники клінічного стану (температуру тіла, частоту серцевих скорочень та частоту дихання) до вранішньої годівлі. Досліджували вміст Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr у крові, молозиві, плаценті корів та крові новонароджених телят у віці 3-5 діб. У гострому досліді у корів відбирали тканини печінки, нирок, легень, селезінки, серця та найдовшого м'яза спини для контролю вмісту важких металів.

У 7-му досліді, який проведено на 86 щурах лінії Вістар, вивчали кумуляцію важких металів (Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr) внутрішніми органами та тканинами. В цьому ж досліді вивчали вплив гострого токсикозу, створеного за рахунок введення тваринам розчинів солей Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr, на клінічний стан та метаболічний статус організму тварин.

Водні розчини суміші сірчанокислих солей Cu, Zn, Cd, азотнокислого Pb та хлористого Sr вводили per os у дозі 5, 5, 3, 3 та 1 мг/кг маси тіла тварини відповідно у перерахунку на метал, один раз на добу, за допомогою металевого зонду протягом двох тижнів.

У 8-му досліді, проведеному на 186 щурах, вивчали ефективність дії ряду найбільш поширених сорбентів, що мають цеолітову та аеросилову основу, - цеоліту, хумоліту, палігорскіту, сапоніту, полісорбу-М, фітосорбенту, енвету-1 - та їх здатність запобігати накопиченню і виводити важкі метали із токсикованого сумішшю солей організму лабораторних тварин.

З цією метою сформовано 9 груп щурів-аналогів лінії Вістар. Тваринам інтактної групи солі важких металів не застосовували, тваринам контрольної та семи дослідних груп вводили водні розчини солей важких металів у дозах та за схемою, як описано в досліді 7.

На 15-ту добу отруєння важкими металами щурам дослідних груп почали згодовувати сорбенти: 1 група - цеоліт; 2 - cапоніт; 3 - хумоліт; 4 - палігорскіт; 5 - полісорб-М; 6- фітосорбент; 7 - енвет-1. Сорбенти згодовували дослідним тваринам разом з кормом, згідно з чинними настановами, в дозі по 0,5 г/кг маси тіла за добу, протягом 20 діб. Поряд із зміною концентрації досліджуваних важких металів (Cu, Zn, Pb, Cd, ⁸⁸Sr) вивчали вплив сорбентів на показники обміну речовин в організмі та час елімінації того чи іншого елемента із тканин щурів (кров, печінка, нирки, серце, селезінка, легені, найдовший м'яз спини).

Дев'ятий дослід проведено з метою зниження негативного впливу важких металів на організм лактуючих корів, зменшення вмісту важких металів у тканинах та продукції, профілактики токсикозу тварин важкими металами.

З цією метою в НДГ “Великоснітинське” Київської області сформовано за принципом аналогів 3 групи лактуючих корів : контрольну та дві дослідні по 50 голів у кожній віком 4-5 років, живою масою 390-450 кг, середній удій за попередню лактацію становив 3400-4000 кг молока. Тваринам першої дослідної групи до основного раціону згодовували разом з концентрованими кормами сапонітове борошно, а коровам другої дослідної групи - хумоліт у дозі 0,5 г/кг маси тіла за добу протягом 30 діб. На 10, 20 та 30 добу застосування сорбентів у корів усіх груп відбирали зразки молока та крові, а в кінці (на 30 добу) в гострому досліді (3 голови з кожної групи) відбирали зразки печінки, нирок, серця, легень, селезінки та найдовшого м'яза спини для визначення впливу вищевказаних сорбентів на рівень досліджуваних важких металів у тканинах.

З метою вивчення можливості виникнення повторного негативного впливу важких металів на організм корів через контаміновані корми і воду у тварин вказаних груп відбирали зразки крові та молока на 60, 120 та 180 добу після закінчення згодовування сорбентів.

Середні зразки води, ґрунтів, насіння, кормів та тканин тварин для досліджень відбирали за загальноприйнятими методами. Важкі метали Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr, а також макроелементи K⁺, Na⁺, Ca²⁺ та Mg²⁺ визначали методом атомної абсорбції за W.Y. Price (1972). Показники клінічного стану контролювали за загальноприйнятими в клінічній практиці методами. Визначення показників кислотно-лужної рівноваги крові проводили за допомогою мікроаналізаторів газів крові Blood Gas Analizer “Gorning 178” (Англія) та “Rodelkis” (Угорщина). Концентрацію амінокислот у біологічних зразках визначали методом іонообмінної хроматографії за

Т.Д. Козаченко (1975). Гематологічні показники - кількість еритроцитів, лейкоцитів, концентрацію гемоглобіну, гематокріт, середній об'єм еритроцита, концентрацію гемоглобіну в одному еритроциті та 100 мл еритроцитів - за допомогою лічильника формених елементів крові - Культер -М-400 (Франція). Визначення метаболітів білкового (білок плазми, сечовина, альбуміни, креатинін), вуглеводного (глюкоза, амілаза, ЛДГ), ліпідного (загальні ліпіди, тригліцериди, фосфоліпіди, холестерин) обмінів та активність ферментів АлАТ, АсАТ, ЛФ, КФК, ГГТ проводили за загальноприйнятими методами, а також використовували біохімічний аналізатор STAT FAX 1904 Plus (Австрія). Одержані результати оброблено статистично (Кокунин В.А., 1978).

3. Результати досліджень

1. Джерела надходження та накопичення важких металів в органах і тканинах тварин

Проведеними дослідженнями вперше встановлено значне накопичення важких металів у ґрунтах, воді, кормах та продукції тваринництва, що тісно корелює з екологічним станом ряду господарств центральних та північних областей України. Показано, що основними шляхами надходження важких металів в організм тварин є вода та корми, а основне джерело їх накопичення - ґрунти.

Так, вміст основних токсичних елементів, а саме: Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr у воді, яку використовують для напування тварин у господарствах центральних та північних областей України, досить часто не відповідає санітарно-гігієнічним вимогам. Показано, що рівень Cu у 80% досліджуваних зразків води перевищує ГДК у 1,5-13,5 разів, вміст Zn - у 2 - 18 разів, Pb - у 1,2-4,5 раза, Cd - на 53%. Однак із досліджених 16 зразків води, відібраних із свердловин 12 господарств різних областей України, лише в НДГ “Великоснітинське” Фастівського району Київської області вміст ⁸⁸Sr майже в два рази перевищував ГДК. У решті зразків води рівень цього токсиканту був невисоким і коливався в допустимих межах, на рівні 0,2-2,0 мг/л.

Проведені дослідження узгоджуються із висновками інших авторів про те, що одним із шляхів надходження Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr в організм тварин є вода і вказують на необхідність проведення постійного ветеринарно-санітарного нагляду за джерелами водопостачання тваринницьких об'єктів у зонах екологічного контролю.

Показано, що концентрація Cu у досліджуваних зразках ґрунтів перевищувала МДР у 83% випадків. Встановлений дослідженнями понижений рівень Zn у 90% зразків ґрунтів (у межах 5 мг/кг) значно нижче від кларкових показників, вказує на те, що господарства, які розташовані у центральній зоні України, де проводили зазначені дослідження, відносяться до біогеохімічних провінцій цинкової недостатності і узгоджуються із дослідженнями

М.О. Судакова. та ін. (1977). Зареєстровано також коливання рухомих форм Pb у ґрунтах з різних господарств у межах 3,9-10,4 мг/кг. Максимальний рівень Pb виявлено у ґрунтах південної зони центрального регіону України (Новоукраїнський район Кіровоградської області) та у ґрунтах ряду господарств Черкаської області, що у 2-2,5 раза вище від встановлених показників рухомих форм цього токсиканту іншими авторами (в середньому 4,5 мг/кг).

Важливим з гігієнічної точки зору є той факт, що у досліджуваних зразках ґрунтів різних господарств встановлено високу концентрацію рухомих форм Cd. Так, у 80% зразків ґрунту показано, що вміст Cd перевищував МДР у 1,5-3,0 раза. Встановлено значне накопичення Cd в орному шарі ґрунтів, що характерно для господарств усіх 6 областей і вимагає постійного контролю за рівнем цього елемента в кормах та продукції тваринництва.

Зразки ґрунту з полів як центральних, так і північних областей України містять надлишкові концентрації рухомого стронцію, хоча в нормативних документах не вказано допустимий вміст цього токсиканту в ґрунтах. Показано, що ґрунти, на яких вирощувалися кормові культури, є головною ланкою в ланцюзі, за яким важкі метали надходять у корми, а з останніми - в організм тварин. Надходження важких металів в організм тварин з кормами найбільш небезпечне, оскільки вони перебувають в останніх у вигляді сполук з білками, амінокислотами, органічними кислотами та іншими біологічно активними речовинами, які відносно легко проникають через природні бар'єри - слизові оболонки шлунка та кишечнику - і накопичуються в органах-мішенях, проявляючи токсичну дію в організмі.

Встановлено, що у досліджених зразках насіння бобових культур з господарств Житомирської та Чернігівської областей, вміст Cu перевищував МДР на 10-75%, а Кіровоградської та Черкаської областей - на 44 та 230% відповідно. Вміст Zn у зеленій масі кормових культур з цих господарств перевищував допустимі значення у 2-2,5 раза. До основних накопичувачів Zn належать такі кормові культури: злакові та бобові трави, ячмінь, пшениця, кукурудза, еспарцет, люцерна та горох. Вміст Cd перевищував МДР у 2-4 рази лише у насінні буряка кормового, а Pb - у 2-30 разів у насінні як злакових, так і бобових культур.

Таким чином, показано, що кормові культури, які вирощені на ґрунтах з підвищеним вмістом важких металів, здатні їх активно всмоктувати, кумулювати і бути основним джерелом надходження важких металів в організм тварин.

Виявлено підвищений рівень Pb у крові корів із господарств екологічно різних зон України, вміст якого коливався в межах 0,2-3,2 мг/л. У цьому разі, у 64% досліджених зразків крові він становив майже 3 мг/л, що збігається із суттєвим забрудненням кормів та води даним токсикантом у цих господарствах. Вміст Cu, Zn, Cd, та ⁸⁸Sr у крові дослідних тварин також тісно корелював з їх концентрацією у воді та кормах, що вказує на основні джерела надходження важких металів в організм.

Показано, що рівень Cd у молоці корів з господарств, розташованих у різних екологічних зонах центральних та північних областей України, перевищував ГДК у 2-16 разів. Дослідженнями також встановлено високий (у 2-10 разів вище межі ГДК) рівень Pb у м'язовій тканині корів майже з усіх господарств, тоді як різких коливань вмісту Cu, Zn, Cd, та ⁸⁸Sr в паренхіматозних органах тварин не виявлено. Встановлене значне накопичення Cd та Pb у крові та молоці корів тісно корелює з надлишком цих токсикантів у кормах та воді.

Одержані результати свідчать про значне забруднення ґрунтів, води та кормів у господарствах центральних та північних областей України і вказують на необхідність проведення постійного контролю за вмістом Cd, Pb та ⁸⁸Sr у молоці корів та яловичині, які виробляються у цих зонах.

2. Вплив гострого отруєння тварин солями важких металів на показники обміну речовин

З'ясовано, що сумісна дія важких металів на організм за умов гострого отруєння має ряд суттєвих особливостей та відмінностей від отруєння тварин окремими елементами. Так, встановлено, що рівень Cu в тканинах серця, легень, печінки та селезінки після введення тваринам солей важких металів не змінювався, тоді як вміст Zn достовірно зростав у всіх досліджуваних тканинах, у тому числі в печінці - у 2,8 раза та селезінці у 2,3 раза порівняно з контролем (табл. 1).

Рівень Cd у м'язовій тканині зріс у 1,8 раза, в крові - у 14,6, у селезінці - у 19,4, у нирках - у 21,9, у серці - у 22, у легенях - у 25,8, а в печінці - у 365 разів, що свідчить про велику кумулятивну здатність цього токсиканта.

Таблиця 1 Вміст важких металів у тканинах щурів до та після введення важких металів, мг/кг сирої тканини, n=8-10

*- р ? 0,05 порівняно з показниками до отруєння.

Вміст Pb у нирках тварин дослідної групи збільшився у 7,6 раза, в м'язах - у 3,4, легенях та печінці - у 3 рази порівняно з аналогічними показниками до введення суміші солей важких металів. Рівень ⁸⁸Sr достовірно збільшився у крові, нирках та м'язах - у 2,5 раза, в печінці, серці та легенях - у 3,5 раза, а в селезінці - у 5,7 раза порівняно з інтактними щурами.

Одержані результати можна розглядати як біологічну модель, що створена експериментально на щурах і дає можливість досліджувати вплив важких металів на клінічні показники та метаболічні процеси, які характеризують функціональний стан окремих органів і тканин.

2.1 Вплив важких металів на стан кислотно-лужної рівноваги крові та активність ферментів

Важливим показником фізіологічного стану організму тварин є кислотно-лужна рівновага крові та інших біологічних рідин.

Встановлено, що показник рН крові щурів при введенні суміші солей важких металів змістився у кислий бік на 0,06 одиниці за рахунок зниження насиченості крові СО₂ (на 20%), рівня НСО₃^- (на 13%) та загальної вуглекислоти - на 16%, що відповідає стану субкомпенсованого метаболічного ацидозу (табл. 2).

Таблиця 2 Показники кислотно-лужної рівноваги крові щурів до та після введення важких металів, ммоль/л, М±m, n=5-8

*- р<0,05 порівняно з показниками до отруєння.

Зростання рівня важких металів у тканинах щурів викликало зниження активності АлАТ у крові майже у 7 разів, АсАТ - у 3 рази, амілази у 100 разів, креатинфосфокінази - у 195 разів, лактатдегідрогенази у 15 разів, гама-глутамілтранспептидази - у 3 рази відносно аналогічних значень у щурів контрольної групи через 1 добу, що вказує на суттєві зміни функціонального стану печінки, підшлункової залози, м'язів, трансмембранних процесів і пов'язано із порушенням метаболічного статусу організму.

У наступні 3 доби активність АлАТ, АсАТ, амілази, КФК, ЛДГ, ГГТ підвищувалась порівняно з аналогічними показниками у тварин через 1 добу після їх інтоксикації важкими металами, однак, значень, що характерні для тварин з контрольної групи, не досягла (табл. 3). В той же час, у даних умовах експерименту, активність лужної фосфатази в тканинах зростала, що свідчить про посилений розпад фосфорорганічних сполук і порушення фосфорно-кальцієвого обміну в тканинах.

Різке зниження активності більшості ферментів, що досліджували на першу добу після отруєння тварин, ймовірно є наслідком токсичного впливу як окремо взятого елемента, так і їх сумісної дії в організмі.

Таблиця 3 Активність ферментів у крові щурів до та після введення важких металів, М±m, n=4-6, ммоль/л

* - р ? 0,05 порівняно з контролем;

** - р ? 0,05 порівняно з даними через 1 добу.

Зростання активності ферментів у крові щурів протягом наступних двох діб може бути пов'язане з активацією компенсаторних механізмів та реакцією метаболічних систем у відповідь на введення токсичних елементів.

2.2 Вплив важких металів на показники обміну білків, вуглеводів, ліпідів та вміст макроелементів

Показано, що рівень загального білка плазми крові при введенні щурам солей важких металів знизився майже в 2 рази, альбумінів - на 34%, що свідчить про порушення білоксинтезуючої функції печінки в результаті зниження активності відповідних ферментних систем (табл. 4).

Рівень креатиніну в крові щурів не змінювався, що свідчить про відсутність глибоких змін у м'язовій тканині. Зростання концентрації сечовини в 2 рази в крові дослідних тварин, порівняно з контролем, вказує на стимуляцію уреогенезу в печінці і є, очевидно, наслідком посиленого катаболізму білків печінки, що узгоджується із вмістом сечовини у печінці, нирках та інших тканинах (табл. 5).

Таблиця 4 Показники обміну білків, ліпідів, вуглеводів та вміст мікроелементів у крові щурів при введенні важких металів, М±m, n=8-10, ммоль/л

* - р ? 0,05 порівняно з контролем.

Вміст глюкози в крові щурів дослідної групи у 2 рази вищий ніж у тварин з контрольної групи, що вказує на розвиток гіперглікемії та свідчить про зниження ана- та аеробних процесів у печінці та м'язах під впливом важких металів. Це наслідок зростання розщеплення глікогену з метою синтезу глюкози та інших сполук, які беруть участь в утворенні та функціонуванні компенсаторних захисних механізмів під час дії важких металів в організмі.

Так, концентрація глюкози в тканинах селезінки, серця, нирок та м'язів у тварин дослідної групи достовірно збільшилась, порівняно з інтактними тваринами на 350%, 28, 204 та 50% відповідно, тоді як у тканині печінки та легень її рівень залишався майже незмінним (табл. 5).

Таблиця 5 Вміст глюкози, загальних ліпідів та сечовини в тканинах щурів, М±m, n=4-6, ммоль/кг сирої тканини

*- р ? 0,05 порівняно з показниками до отруєння.

Вміст загальних ліпідів у тварин дослідної групи достовірно зріс у печінці у 9 раз, селезінці - у 6,5 раза, у серці, легенях, нирках та м'язах - у 2 рази відносно аналогічних показників у здорових тварин.

З'ясовано, що у печінці рівень сечовини збільшився на 86%, у селезінці - у 2,4 раза, в серці - у 2,2 раза, у легенях - в 1,6 раза, у м'язах - на 53%. Винятком є нирки, концентрація сечовини в яких, навпаки, знизилась на 54% порівняно з контролем.

Отже, встановлені значні зміни показників метаболічного статусу свідчать про порушення функціонального стану органів та тканин у токсикованих тварин, що підтверджує негативний вплив важких металів на організм.

3. Вплив сорбентів на вміст важких металів у тканинах

Введення щурам per os розчинів солей важких металів свідчить, що рівень таких елементів, як Cu, Zn, Pb, Cd та ⁸⁸Sr, у крові збільшився у 10; 4; 14; 1,5 та 3,7 рази відповідно, порівняно з аналогічними показниками в інтактних тварин. Однак застосування сорбентів впродовж перших 10 діб поряд з продовженням згодовування тваринам суміші солей важких металів сприяло тому, що вміст Cu у крові щурів вірогідно збільшився на 50% при використанні цеоліту, тоді як при згодовуванні сапоніту, полісорбу, фітосорбенту та енвет-1 він зменшився в середньому в 5 разів, а хумоліту та палігорскіту - в 2,5 раза порівняно з аналогічними показниками в отруєних тварин (табл. 6). У той же час, при згодовуванні цеоліту та інших сорбентів концентрація Cu у крові щурів усіх дослідних груп залишалась вищою ніж у крові тварин контрольної групи.

Через 15 діб від початку застосування сорбенти цеоліт, хумоліт та палігорскіт ще більше знижували рівень Cu у крові, а cапоніт, полісорб-М та фітосорбент, навпаки, сприяли зростанню останньої, і лише енвет-1 не впливав на вміст цього елемента в крові тварин.

Концентрація Cu у крові щурів через 20 діб застосування сорбентів мала аналогічні значення, як після 15-добового застосування сорбентів: полісорб-М сприяв зростанню, а енвет-1 знижував концентрацію останньої в крові тварин. Однак рівня Cu в крові, що характерний для інтактних щурів, в експерименті досягти не вдалося. На основі одержаних результатів можна зробити висновок, що згодовування лабораторним тваринам сорбентів є досить ефективним профілактичним заходом щодо отруєних тварин.

Рівень Zn у крові отруєних щурів через 10 діб від початку застосування сорбентів змінювався неоднозначно. Так, цеоліт та фітосорбент сприяли збільшенню його у 4 та 2 рази відповідно, а cапоніт, хумоліт, палігорскіт, полісорб та енвет-1 значно знижували рівень цього елемента в крові дослідних тварин. Через 15 діб згодовування тваринам сорбентів спостерігається тенденція до зниження рівня Zn у крові, що практично відповідає аналогічним значенням у тварин із контрольної групи. Після закінчення застосування сорбентів тваринам вміст Zn в їх крові був на рівні аналогічних показників у контролі. Таким чином, термін застосування сорбентів 15-20 діб є достатнім для нормалізації вмісту Zn у крові щурів, що отруєні сумішшю солей важких металів, а природні мінерали, що вивчалися, є ефективними засобами зниження його рівня в тканинах.

Таблиця 6 Вміст важких металів у крові щурів при застосуванні сорбентів, M±m, n = 5-7, мг/л

1 - у таблицях 6-8 контроль - інтактні щурі, дослід - отруєні щурі;

* - у таблицях 6-8 р ?0,05 порівняно з контролем;

** - порівняно з дослідом.

Зростання у 14 разів концентрації Cd у крові отруєних щурів, порівняно з аналогічними показниками у інтактних, є свідченням високої кумулятивної здатності цього токсичного елемента в організмі. Показано, що застосування цеоліту тваринам впродовж перших 10 діб сприяє зростанню вмісту Cd у крові майже в 10 разів. При застосуванні сапоніту та хумоліту рівень Cd у крові знизився в середньому в 2-7 разів, а фітосорбент зменшив його вміст до значень, що характерні для тварин контрольної групи. Через 15 діб застосування сорбентів спостерігається подальше зниження вмісту Cd у крові отруєних щурів. Найбільш чітка тенденція до елімінації Cd із організму отруєних лабораторних тварин протягом дослідного періоду показана при застосуванні сорбенту полісорб-М.

Аналізуючи одержані дані, слід зазначити, що застосування сорбентів з метою виведення надлишку Pb із крові тварин дослідної групи, як і у випадках з попередніми металами, не веде до зниження рівня Pb впродовж перших 10 діб експерименту при згодовуванні природного мінералу цеоліт. Сорбенти cапоніт, палігорскіт, полісорб-М, фітосорбент та енвет-1 знижували рівень Pb у крові тварин до аналогічних значень у контрольній групі.

Найбільш ефективним, як встановлено дослідженнями, є використання сорбентів для елімінації ⁸⁸Sr стабільного із крові отруєних щурів. Показано, що вже протягом перших 10 діб їх застосування, рівень ⁸⁸Sr знизився до величин, що характерні для тварин з контролю. Цеоліт та палігорскіт хоча й сприяли зниженню ⁸⁸Sr у крові дослідних тварин через 10 діб їх згодовування, однак до аналогічних показників у інтактних тварин наближалися лише після двотижневого їх використання (табл. 6).

Таким чином, застосування сорбентів з метою виведення важких металів з організму є ефективним профілактичним заходом, що дає можливість знизити рівень ⁸⁸Sr, Pb, Zn у крові, тоді як для зниження рівня Cu та нормалізації вмісту Cd у крові вказаний термін 20 діб для більшості досліджуваних сорбентів недостатній.

Показано, що введення щурам per os розчинів солей важких металів не впливало на вміст Cu та ⁸⁸Sr у печінці, тоді як рівень Zn зріс у 2 рази, а концентрація Cd та Pb у цьому органі збільшилась відповідно у 28 та 6 разів (табл. 7). Згодовування тваринам дослідних груп сорбентів цеоліту та cапоніту впродовж перших 10 діб сприяло зниженню рівня Cu у печінці щурів, тоді як застосування інших сорбентів не вплинуло на вміст цього елемента в печінці порівняно з тваринами контрольної групи. Встановлено, що через 15 діб згодовування тваринам сорбентів сапоніту, палігорскіту, полісорбу-М та енвету-1, рівень Cu у печінці зріс на 40-60% порівняно з аналогічними показниками у інтактних щурів.

Аналогічна закономірність щодо впливу сорбентів на рівень важких металів у печінці встановлена і для Zn. Так, уже через 10 діб застосування сорбентів тваринам дослідних груп рівень Zn в печінці знизився до значень цього елемента в печінці здорових щурів. У наступні 10 діб застосування тваринам сорбентів, поряд із введенням важких металів, спостерігається незначне зростання вмісту Zn у печінці, однак воно було меншим ніж до початку експерименту.

Згідно з одержаними результатами, основним депо Cd в організмі є печінка. Цей висновок підтверд...