CC BY
28
УДК 636.52
Экспериментальное моделирование влияния кадмия на элементный статус организма
Е.А. Сизова, А.М.Короткова
Институт биоэлементологии ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»
Аннотация. В статье представлены данные, характеризующие изменения в элементном статусе птиц (куры несушки) и млекопитающих (крысы) при введении токсичных доз кадмия. Изучен элементный статус организма по 25 химическим элементам.
Summary. The paper presents the data characterizing changes in the element status of birds (chickens laying hens) and mammals (rats) when toxic doses of Cadmium are introduced. Elemental status of organism is studied by 25 chemical elements.
Ключевые слова: микроэлементы, кадмий, воспроизводительная система, куры-несушки, крысы, референтные значения.
Key words: microelements, cadmium, reproductive system, laying hens, rats, referential meaning.
Актуальность.
В настоящее время проблема коррекции нарушений обмена макро- и микроэлементов является актуальной. Использование современного оборудования позволяет в динамике определить характер поступления и особенности взаимодействия химических элементов внутри организма, а также установить пороговые концентрации (референтные значения) 25 макро- и микроэлементов [1]. В частности, при моделировании дисэлементозов установлено, что избыток или дефицит отдельных элементов в рационе приводят к нарушению элементного гомеостаза в целом [2]. Дефицит ряда эссенциальных микроэлементов (селена, цинка, железа, йода, марганца) и интоксикация токсичными микроэлементами (ртуть, свинец, мышьяк, кадмий) способствуют росту нарушению обмена веществ и развитию патологических состояний. В сельскохозяйственной биологии такие нарушения являются причиной снижения продуктивных качеств животных [3], нарушения гормонального статуса [4], репродуктивной способности (Лебедев С.В) [5], и как следствие снижение жизнеспособности молодняка и обеспеченности организма химическими элементами. Одной из причин дисэлементозов является повышенное поступление токсичных микроэлементов в организм, ярким представителем является кадмий. Кадмий - один из самых токсичных тяжелых металлов, Российским СаНПиНом он отнесен ко 2-му классу опасности - «высоко опасные вещества». Известно, что токсический эффект кадмия у человека и животных возникает при его содержании в почве в количестве 3 мг/кг и в биомассе растений - не менее 0,4 мг/кг.
Есть предположение о том, что кадмий может играть роль эссенциального, было высказано в двух сообщениях [6] (Anke et al., 1978). Несколько более медленный рост коз наблюдался при содержании их на диете, содержащей менее 25 мкг/кг кадмия. Более значимой является проблема токсического воздействия кадмия на организм. Давно известно, что кадмий может вызывать острое и хроническое отравление организма, а также нарушения функционирования иммунной системы (Нотова С.В.) [7] и тем самым снижение продуктивных качеств [8]
С целью изучения влияния кадмия на минеральный статус организма были проведены исследования на лабораторных животных (крысы) и птице (куры-несушки).
Материалы и методы исследований
В эксперименте были использованы две модели животных: крысы линии Wistar и куры-несушки кросса «Хайсекс - браун».
Для проведения эксперимента на самок крыс линии Wistar было сформировано 2 группы животных (n=20): опытная и контрольная. Эксперимент включал два последовательных периода, с хронологией в 21 день. После периода выравнивания, животные были переведены на режим основного учетного периода. Для чего в рацион кормления (полусинтетический рацион, разработанный по рекомендациям Института питания РАМН) опытной группе вводили кадмий в виде сернокислого кадмия - 3 мг на голову в сутки.
Для проведения эксперимента было отобрано 60 - восьминедельных курочек кросса «Хайсекс - браун», из числа которых, по принципу пар-аналогов, было сформировано 2 группы (n=30): одна контрольная и опытная. До 13-недельного возраста птица находилась в условиях подготовительного периода. Затем, с 14-недельного возраста, в течение 3-х недель птица опытной группы получала в дополнение к основному рациону 40 мг/кг корма сернокислого кадмия [9]. Кормление и содержание птицы осуществлялось в соответствии с рекомендациями [10]. После окончания основного учетного периода (возраст 14-16 недель) птица была переведена на основной рацион.
В начале и конце экспериментальных исследований под эфирным рауш-наркозом проводили убой птицы (ВНИТИП, 2000) и крыс с последующим формированием средних проб мышечной ткани, кожи, внутренних органов (ткани желудочно-кишечного тракта, сердца, легких, печени, почек, селезенки, половых органов), костной ткани и центральной нервной системы, внутреннего жира.
Элементный состав биосубстратов изучали с использованием атомно-эмиссионной и масс - спектрометрии (АЭС-ИСП и МС-ИСП) в испытательной лаборатории АНО «Центр биотической медицины», г. Москва (аттестат аккредитации - ГСЭН. RU^OA.311, регистрационный номер в государственном реестре -Росс. RU 0001.513118 от 29 мая 2003; Registration Certificate of ISO 9001: 2000, Number 4017 - 5.04.06). При выполнении исследований методами АЭС-ИСП и МС-ИСП озоление биосубстратов проводили с использованием микроволновой системы разложения MD-2000 (США). Оценка содержания элементов в полученной золе осуществлялась с использованием масс-спектрометра Elan 9000 (Perkin Elmer, США) и атомно-эмиссионного спектрометра Optima 2000 V (Perkin Elmer, США).
Цифровой материал, полученный в экспериментальных исследованиях, был подвергнут статистической обработке с использованием программ «Exel», «Statistica 5,5». Достоверными считали различия при Р<0,05. Полученные по ходу эксперимента цифровые данные были обработаны методом вариационной статистики [11]. Данные в таблицах представлены в виде M±m, где M - среднее арифметическое, m - ошибка средней арифметической. При нормальном распределении, когда в сравниваемых группах разница между средней арифметической (М) и медианой (Ме) была менее 10%, оценку статистической значимости различий между группами проводили с помощью t - критерия Стьюдента, если же сравниваемые показатели имели распределение, отличающееся от нормального, то сравнение проводили с помощью U - теста Манна-Уитни, то есть непараметрического аналога t - критерия Стьюдента.
Результаты собственных исследований
Полученные результаты мультиэлементного анализа тела крыс показывает, что на фоне токсической нагрузки организма животных кадмием происходит дисбаланс минерального статуса. Это выражается в снижении общего пула макроэлементов, эссенциальных и условно - эссенциальных на 15,2 и 50,8% (Р<0,05) относительно контрольной группы и увеличение концентрации токсичных элементов на 49%.
Введение кадмия в рацион сопровождалось изменениями в минеральном обмене, что можно представить в виде соотношения, где в числителе элементы, содержание которых увеличилось, а в знаменателе
Cr ,V, Cd t
уменьшилось: Cd = -т .
I, Se, Zn, Ag, Sr, K, Mg i
Проведенные исследования на модели кур-молодок установили, что токсическая нагрузка на организм солями кадмия приводит к снижению роста и развития органов воспроизводства кур-молодок в период становления половой зрелости. Стоит отметить, что яичник контрольной и опытной групп имели в 16 - недельном возрасте практически одинаковую абсолютную массу, однако различия с 14-недельным возрастом составили 51,5%.
Наибольшие показатели абсолютной массы органов воспроизводства кур-молодок отмечались в контрольной группе, при недостоверных отличиях она превосходила аналогов опытной группы на 1,8%.
В проведенных экспериментах по оценке действия токсичных и эссенциальных элементов на минеральный статус установлено, что в период максимального роста и развития органов репродукции (период становления половой зрелости) в контрольной группе наблюдается снижение концентрации токсичных, условно-эссенциальных и эссенциальных элементов на 42,9, 24,7 и 34,1% соответственно, и увеличение макроэлементов на 24,6%.
На фоне введения в рацион солей кадмия общий пул токсичных элементов превосходил данные контрольной группы на 29,3%. Отмечается достоверное увеличение концентрации А1 и Cd на 34,1(Р<0,05) и 24,7% и снижение олова на 42,9% относительно контрольной группы. Концентрация условно-эссенциальных элементов в репродуктивных органах курочек опытной группы относительно 14 - недельного периода уменьшилось с 0,2638 до 0,1779 ммоль/г. Общая минерализация органа была на 32,6% меньше относительно контрольной группы.
3,00 2,50 2,00
L_
"2
| 1,50 5
1,00 0,50
n Si Ni Sn Co I Cu Pb Li Cd Na Al P Mg Zn K Hg As Fe
элементы
0,00
Рис. 1 - Концентрация минеральных веществ в органах воспроизводства кур-молодок опытной
группы относительно контрольной
Интересен факт изменения пула эссенциальных элементов в органах воспроизводства кур-молодок. В опытной группе отмечается увеличение его концентрации до 2,0213 ммоль/г, что на 55,0,% больше, чем в контрольной. Поэлементный анализ показывает, что наибольшую тенденцию к накоплению в опытной группе имели железо и цинк, они превосходили контрольных особей на 63,1% и 45,0% (Р<0,05) соответственно, при этом отмечается снижение таких микроэлементов как Cr на 33,8% и Se на 55,5% (Р<0,05) соответственно.
В 14-недельном возрасте соотношение Ca/Р в контрольной группе составило 1:14, в 16-недельном возрасте - уменьшилось до 1:9. Кальце-фосфорное отношение при введении кадмия в рацион, в опытной группе составило 1:26. Данные факты косвенно подтверждают существование антагонистических взаимодействий кадмия и кальция. Непродолжительное скармливание повышенных доз кадмия сопровождалось достоверным различием в концентрации химических элементов по сравнению с контрольной: Cd =
Al, Cd, As, P, Fe t Sr, Se i .
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о разностороннем действии кадмия, что сопровождается нарушением обмена химических элементов как в организме в целом, так и в отдельных его системах, отвечающих за репродукцию, что сопровождается снижением концентрации Se и снижением функциональной активности органов репродукции. Вышеперечисленные изменения свидетельствуют не только о нарушении стромально-фолликулярных ауто- и паракринных связей, но, возможно, и о дисфункции центрального звена регуляции, что может быть связано, по сведениям Miller R.K. et al. (1993), с воздействием кадмия не только на ткани яичников, но и непосредственно на гипоталамус и гипофиз.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при нагрузке организма солями тяжелых металлов происходит депонирование одних и перераспределение других элементов в тканях и органах, что свидетельствует о разностороннем действии кадмия внутри организма.
Литература
1. Мирошников С.А., Лебедев С.В. Диапазон концентраций (референтные значения) химических элементов в теле животных // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 6. С. 241-243.
2. Кван О.В., Лебедев С.В., Русакова Е.А. Моделирование дефицита химических элементов в организме животных // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2011. №4(32). С. 312315.
3. Лебедев С.В., Рахматуллин Ш.Г., Гречушкин А.И., Сизова Е.А. Минеральный статус организма животных на фоне различной нутриентной обеспеченности // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 6. С. 201-203.
4. Нотова С.В., Барышева Е.С., Лебедев С.В., Полякова В.С., Малышева Н.В. Влияние микроэлементов на морфофункциональные показатели щитовидной железы //Вестник Оренбургского государственного университета. 2006. № 2. С. 64.
5. Лебедев С.В. Динамика химического состава и морфофункционального состояния органов воспроизводства кур в различные периоды онтогенеза //Молодой ученый. 2011. Т.1. С. 65.
6. Anke, M. The essentiality of arsenic for animals / М. Anke, M. Grun, M. Partschefeld // Trace Substances in Environmental Health / ed. D. D. Hemphill. - Columbia, MO : U. of Missouri, 1976. V. 10. Р. 403-409.
7. Нотова С.В., Мирошников С.А., Лебедев С.В., Дубровина Г.В. Изучение уровня тяжелых металлов в организме при различных патологических состояниях, связанных с нарушением функционирования иммунной системы // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 6. С. 496-498.
8. Лебедев С.В. Особенности влияния дополнительного введения в рацион кур несушек микроэлементов Cd, I, Se и Zn на макроэлементный состав яиц // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 12. С. 96.
9. Hill, C. H. Influence of high levels of minerals on the susceptibility of chicks to Salmonella gallinarum / F. W. Hill // J. Nutr. 1974.V. 80. P. 227.
10. Методика проведения научных и производственных исследований по кормлению сельскохозяйственной птицы : рекомендации / Ш. А. Имангулов, И. А. Егоров, Т. М. Околелова [и др.] ; Всерос. науч.-исслед. и технол. ин-т птицеводства. Сергиев Посад : ВНИТИП, 2004. 43 с.
11. Гатаулин А.М. Система прикладных статистико-математических методов обработки экспериментальных данных в сельском хозяйстве. М.: Изд-во МСХА, 1992. Ч. 2. 192 с.
Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на проведение научно-исследовательских работ (Шифр заявки № 4.2979.2011 г.).
Сизова Елена Анатольевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры биология, тел.: 89123449907
Короткова Анастасия Михайловна, аспирант
