КРЕМНИЙ -ЗНАЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ Текст научной статьи по специальности «Агробиотехнологии»

DOI 10.31588/2413-4201-1883-247-3-113-119

УДК: 636.084.413

КРЕМНИЙ - ЗНАЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

Лаушкина М.В.1 - аспирант, Бикташев Р.У.2 - д.с.-х.н., в.н.с., Хузин Д.А.2 - д.б.н.,

Нигматуллин Г.Н.2 - к.вет.н., с.н.с.

1ФГБОУ ДПО «Татарский институт переподготовки кадров агробизнеса» 2ФГБНУ «Федеральный центр токсикологической, радиационной и биологической безопасности»

Ключевые слова: кремний, крупный рогатый скот, способы балансирования рационов Keywords: silicon, cattle, methods of diets balancing

Истинно растворенное состояние кремния (кремниевая и поликремневые кислоты) характерно лишь для части кремния (ЩЗЮ4~Н+ + HзSiO4-). При сдвиге рН в щелочную сторону растворимость кремнезема снижается со 100 до 50 % и ниже. Состав поликремневых кислот изменяется по типу mSiO2nH2O (т и п - являются целыми числами). Кремний встречается и в виде коллоидов (xSiO2. yH2O).

Концентрация (усредненные

показатели): речные воды - 1-20 мг/дм3; подземные водоемы - 20-30 мг/дм3; термальные источники - насыщенность достигает сотен миллиграммов на литр.

Относительно незначительная

концентрация данного элемента в природных водных объектах, уступающая растворимости диоксида кремния (125 мг/дм3 - 26 °С, 170 мг/дм3 - 38 °С), диагностирует протекание в источнике определенных процессов. Во-первых, кремний потребляют многие виды водных организмов (диатомовые водоросли, например, они на основе этого элемента выстраивают свой скелет). Во-вторых, на снижении его содержания сказывается реакция вытеснения кремниевой кислоты более сильной - угольной: Na4SiO4 + 4CO2 + 4H2O = H4SiO4 + 4NaHCOз. В-третьих, в определенных условиях неустойчивость кремния в составе растворов определяется также и склонностью его кислоты принимать гелеобразную форму.

Монокремниевая кислота способна связывать ионы металлов в подвижные комплексы и труднорастворимые

силикаты, направленность и скорость образования которых определяются узким диапазоном концентраций

монокремниевой кислоты в среде, называется ортокремниевая кислота и имеет химическую формулу Si(ОН)4. До недавнего времени ортокремниевая кислота была нестабильным веществом, которое быстро превращалась в другие соединения, и, следовательно, не усваивалась организмом. Несмотря на незначительное количество кремниевой кислоты, образующейся из SiO2 соединений в желудке, этого недостаточно для удовлетворения суточной потребности в кремнии.

В природе ортокремниевая кислота встречается в небольших количествах в почве и поверхностных водах, однако из-за интенсивного ведения сельского хозяйства, она практически вся исчезла из почвы, а также из воды. С каждым годом присутствие ортокремниевой кислоты в природной среде снижается, поэтому животные поглощают кремний из естественных источников все меньше. Обогащение кормов ортокремниевой кислотой может восстановить утраченное равновесие и благотворно воздействовать на здоровье животных. Установлено, что кремний является обязательным компонентом всех тканей и органов организма сельскохозяйственных

животных, он стимулирует обмен веществ, рост мышечной и костной тканей, способствует кальцификации молодых костей. Это особенно важно для поддержания нормального состояния

дистальной части конечностей, которая является приграничной «рискованной» зоной, подверженной постоянному действию неблагоприятных факторов, вызывающих различные патологии пальцев и копытец [13]. Кремний необходим также для нормального функционирования соединительнотканных и эпителиальных образований в организме, придания им нужной прочности, упругости и проницаемости. Отмечено положительное влияние данного элемента на использование животными азотистых веществ, липидов, фосфора, кальция, марганца, меди [3].

В биосфере кремний встречается только в виде кислородных соединений. Концентрация кремния в земной коре повышается с уменьшением глубины слоя, максимальное содержание кремния наблюдается в почвах и составляет от 35 до 48 % для песчаных почв и от 15 до 45 % для глинистых почв. Кроме твердых соединений кремния, представленных различными минералами, во всех природных водах, включая почвенные, присутствуют растворимые формы кремния. В природных водах постоянно находятся такие соединения, как моно- и поликремниевые кислоты,

кремнийорганические соединения, которые обладают высокой химической и биологической активностью [7]. Монокремниевая кислота реагирует с металлами и неметаллами. При высоких концентрациях она способна образовывать комплексы с органическими и неорганическими соединениями. По-видимому, похожими свойствами обладают и олигомеры кремниевой кислоты. Сам класс этих соединений был выделен сравнительно недавно [2, 3]. Олигомеры кремниевой кислоты нестабильны при значениях рН от 7 и ниже, но более стабильны в щелочной среде. Поликремниевые кислоты представляют собой цепочки силоксановой связи -БЮ-Бь с различным количеством гидроксигрупп. Молекулы поликремниевых кислот могут быть линейными, разветвленными или шарообразными. Они образуются путем конденсации монокремниевой кислоты.

Механизм этого процесса изучен недостаточно. Высокомолекулярные

поликремниевые кислоты химически инертны, так как возникающие на поверхности молекулы заряды, обусловливающие химическую активность соединения, могут быть компенсированы за счет изгиба самой молекулы. Наименее изученными формами растворимого кремния являются кремнийорганические соединения, а также комплексы с органическими и неорганическими лигандами. Однако в середине прошлого века развитие химии и химических средств защиты растений привели к снижению интереса к кремнию как биофильному элементу. Основные исследования в области изучения роли кремния в растениях свелись к определению его валового содержания. Значительное число работ было посвящено изучению новообразований кремния в растениях-фитолитов [4, 5]. Существуют данные, свидетельствующие об использовании различных кремний содержащих добавок в кормлении сельскохозяйственных

животных, положительно влияющих на их продуктивность и состояние здоровья. В качестве кремниевой подкормки используются бентонитовые глины, соли кремниевой кислоты (силикаты), кремнийорганические соединения класса силатранов [9, 10]. Однако вопрос о том, какие соединения кремния более целесообразно скармливать животным и в каких дозировках, остается до настоящего времени слабо изученным и требует разрешения. Не выявлена потребность сельскохозяйственных животных в кремнии, нет его норм в рационах. Разработаны эффективные и простые в применении методы анализа подвижных форм кремния в растениях, грунтах, почвах и природных водах. Предложенные методические приемы позволяют получать принципиально новую информацию о содержании растворимых форм кремниевых соединений в природных образцах и кормах [4, 5]. В последнее время участились случаи выбраковки коров и откармливаемого молодняка крупного рогатого скота по причине развития

коллагеноза.

Коллагеноз возникает в результате длительной гиподинамии, дефицита в рационе эссенциальных элементов (йода, кобальта, марганца, меди, цинка, серы, кремния, молибдена) и избытка тяжелых металлов, которые оказывают

конкурирующее влияние на усвоение и обмен этих элементов [6].

Предрасполагающими факторами

заболевания являются белковый перекорм в связи с высоким уровнем концентратов в рационе, резкий дефицит клетчатки и легкопереваримых углеводов и высокая продуктивность. Способствующими

факторами являются нарушение соотношения кальция и фосфора, сахаропротеинового отношения, резкий избыток железа, магния в кормах и воде.

В настоящее время под коллагенозом понимается болезнь соединительной ткани не воспалительного характера, развивающаяся в результате химического и ферментативного расщепления этой ткани гиалуроновой кислотой.

На важную биологическую роль кремния указывает также его присутствие в генетическом аппарате животных -нуклеиновых кислотах. Установлена связь между содержанием кремния в рационах, процессом роста и формирования скелета животных, состоянием их кожного покрова и роговых образований. При внедрении технологии безотвальной обработки почвы было допущено грубое отклонение от требований по предварительному глубокому (до 70 см) разрыхлению пласта, что также приводит к обеднению верхнего слоя по содержанию кремния.

Целью исследований стало, изучение причин и факторов, приводящих к возникновению и развитию коллагенозов крупного рогатого скота, возможности применения ортосиликата натрия в качестве усвояемого источника кремния в рационах.

Материал и методы исследований. Эксперимент проведен на 50 крысах-самцах линии Вистар исходной массой 100 г. На протяжении всего эксперимента животные получали сбалансированный

полнорационный гранулированный

комбикорм по ГОСТ 50258-92 и производимый ООО «Лабораторкорм» (115478 г. Москва, Каширское шоссе, д.24,) (Таблица 1). Рецепт ПК-120 для содержания лабораторных животных: злаковые (пшеница, ячмень) и продукты их переработки, (отруби пшеничные), мясо и субпродукты животного происхождения (мука мясокостная), шрот подсолнечный, витамины и минералы (премикс).

Корма сбалансированы по аминокислотному составу, минеральным веществам и витаминам. Проведены лабораторные исследования на токсичность. Корм был не токсичен.

Крыс размещали в клетках группами по 10 особей, рацион и воду предоставляли в режиме свободного неограниченного доступа. В начале эксперимента животные были разделены на пять групп равной численности (по 10 крыс), совпадающих по исходной средней массе тела. Животные 1-й (контрольной) группы получали основной рацион (ОР). Крысы 2-й группы получали ОР + 0,1 мг/кг массы тела ортосиликат натрия, дозу при этом рассчитывали, исходя из поедаемости рациона. Вводимая доза Na4SiO4 в группах 3-5 составляла 1,0; 10 и 100 мг/кг массы тела соответственно.

Кормление лабораторных животных проводили согласно «Санитарным правилам по содержанию

экспериментально-биологических клиник (вивариев)», утвержденными МЗ СССР 06.07.73 г, и Приказу МЗ СССР № 755 от 12.08.77.

Крыс взвешивали в начале и конце опыта на весах «Ньютон» для лабораторных животных. В отобранных пробах печени определяли концентрацию кремния методом Ю.Н. Раецкой и др. [8].

На основе результатов исследований на крысах и выявления оптимальной дозы ввода ортосиликата натрия рассчитали дозу введения препарата в рационы лактирующих коров и провели опыт на лактирующих коровах группы раздоя в ООО «Агрофирма Кырлай» Арского района РТ. Схема опыта была аналогична схеме опыта на крысах: 1 -я группа (10

голов) была контролем и получала основной рацион (ОР); 2-я группа получала ОР + 0,1 мг ортосиликата натрия/кг живой массы; 3-я группа коров получала ОР + 1 мг ортосиликата натрия/кг живой массы; 4-я

группа коров получала ОР + 10 мг ортосиликата натрия/кг живой массы; 5-я группа коров получала ОР + 100 мг ортосиликата натрия/кг живой массы. Длительность опыта составила 60 дней.

Таблица 1 - Состав полнорационного комбикорма ПК-120 для лабораторных животных

Наименование Ед.изм. Фактически

Влажность, не более % 13,50

Сырой протеин, не менее % 19, 00

Сырой жир, не более % 5,00

Сырая клетчатка, не более % 4,00

Сырая зола, не более % 7,00

Кальций % 0,9-1,2

Фосфор % 0,6-0,9

Натрий, не менее % 0,2-0,25

Поваренная соль, не более % 0,20

Дополнительно введено витаминов и микроэлементов в 1 кг комбикорма

Витамин А тысМЕ 27,000

Витамин D3 тысМЕ 1,375

Витамин E мг 125,00

Витамин В1 мг 30,00

Витамин B2 мг 9,50

Витамин B6 мг 15,00

Витамин B12 мг 50,00

Никотиновая к-та мг 37,50

Витамин B5 мг 22,00

Витамин B9 мг 2,50

Холина хлорид мг 1590,00

Витамин С мг 70,25

Витамин КЗ мг 62,50

Бетаин мг 365,00

Микроэлементы

Fe мг 128,00

Mn мг 18,75

Zn мг 128,00

Си мг 12,50

J мг 2,30

Se мкг 187,50

К г 2,60

Результат исследований. Прирост живой массы крыс за период опыта представлен в таблице 2. На протяжении опыта состояние животных было в пределах нормы.

Из таблицы 2 видно, что наилучшие результаты получены в 4-й группе крыс при дозе ортосиликата натрия 10 мг/кг живой массы. Исследования печени на содержание кремния не выявили

существенных изменений в первой, второй и третьей группах - 0,15-0,20 мг/кг. В печени крыс четверной группы концентрация кремния повышалась до 0,82 мг/кг. В пятой группе показатель повышался до 1,15 мг/кг. Это означает, что доза 100 мг/кг живой массы крыс была чрезмерной и кремний просто не усваивался. В ранее проведенных исследованиях введенный в организм

лактирующих коров препарат

«Нанокремний» в дозе 100 мг на голову в сутки способствует повышению гемоглобина, эритроцитов в крови

животных, а следствием этого является увеличение интенсивности обмена веществ и повышение продуктивности коров в среднем на 30 % [1].

Таблица 2 -

Динамика живой массы крыс в ходе опыта, г

Группа На начало опыта На конец оыта Прирост, г

1 100,0±2,4 193,5±3,8 93,5

2 100,0±3,3 198,7±3,8 98,7

3 100,0±2,8 208,3±4,0** 108,3

4 100,0±3,5 227,4±4,7*** 127,4

5 100,0±3,2 205,6±3,8** 105,6

Примечание: ** - Р <0,01;

***

Р <0,00

Вместе с тем, в совместных исследованиях ФГБНУ «Научно-исследовательский институт питания» и ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» была проанализирована подострая пероральная токсичность для крыс и мышей производимого промышленностью наноструктурного 8Ю2 типа «Аэросил» (с размером наночастиц 20-60 нм). Как показали результаты исследований, представленные в работах [11, 12], у животных, получавших наночастицы 8Ю2, отмечалась выраженная лейкопения, достоверное снижение доли Т-хелперов и возрастание доли цитотоксических лимфоцитов, уменьшение

иммунорегуляторного индекса (СБ4/СБ8) Проведенные исследования выявили признаки токсического действия наночастиц 8Ю2 с удельной площадью поверхности 300 м2/г на организм животных. Полученные результаты указывают на возможные риски для здоровья человека при использовании диоксида кремния (8Ю2) с удельной площадью поверхности 300 м2/г и выше в составе пищевой продукции в качестве пищевой добавки.

Перспективным в качестве кремниевой добавки в рационы лактирующих коров является

кремнекислый натрий (ортосиликат натрия) - нетоксичное соединение №48Ю4 (мол. масса -184,04). Растворимость в воде - 28,3 г/100 мл. Кремнекислый натрий (ортосиликат натрия) - легкорастворимая в

воде соль кремниевой кислоты. Имеет мелкую кристаллическую структуру. В 100 г кремнекислого натрия содержится 15,3 г кремния, это означает, что в 10 мг на 1 кг живой массы крысы получали 1,53 мг кремния. Если пересчитать на потребность лактирующих коров массой 500 кг (500 кг х 1,53 мг), то окажется, что в суточный рацион коровам надо включать дополнительно 0,765 г кремния или 5,0 г ортосиликата натрия. Испытание этой дозы кремнекислого натрия в составе премикса для высокопродуктивных коров ООО «Агрофирма Кырлай» Арского района РТ на группе раздоя показало достоверное (Р<0,05) увеличение динамики раздоя на 5,2 %, и как следствие, продуктивности опытных животных на 6,4 %.

В отношении лактирующих коров надо отметить особенности обмена кремния в ходе лактации. В период раздоя баланс кремния в организме постепенно становится отрицательным, поэтому необходимо включать в рацион кремниевые добавки, способствующие поддержанию продуктивности и профилактике развития кетозов и коллагенозов [9]. Специалисты

животноводства в каждом хозяйстве должны рассчитать профилактические, а при необходимости и лечебные дозы препаратов кремния. Для справки -кремнекислый натрий производит Стерлитамакское ПО «Сода».

Заключение. 1) Представляется необходимой разработка норм содержания усвояемых форм кремния в рационах крупного рогатого скота. 2) В качестве

препарата растворимого кремния лучше использовать ортосиликат натрия.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Алексеева, Л.В. Роль препарата нанокремний в модуляции некоторых составляющих гомеостаза организма дойных коров / Л.В. Алексеева, Т.В. Субботенко, Ф.Г. Деменик // Тверская государственная сельскохозяйственная академия - 2017. - С. 274-285.

2. Бочарникова, Е.А. Влияние активного кремния на подвижность кадмия в системе почва-растение / Е.А. Бочарникова, В.В. Матыченков // Труд. 2-й международной конф. «Современные проблемы загрязнения почв». - Москва. - 2007. - Т. 1. -С. 62-65.

3. Зеленков, В.Н. Природные и синтетические кремний содержащие соединения. / В.Н. Зеленков, В.В. Потапов // Медико-биологические аспекты (обзор литературы) ВНИИ овощеводства РАН, Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН -Вестник российской академии естественных наук. - 2016. - № 2. - С. 3-12.

4. Матыченков, В.В. О подвижных формах кремния в растениях / В.В. Матыченков, Е.А. Бочарникова, А.А. Кособрюхов, К.Я. Биль //ДАН РАН. -2008. - Т. 418. - № 2. - С. 279-281.

5. Матыченков, В.В. Защита растений от неблагоприятных факторов окружающей среды / В.В. Матыченков, Е.А. Бочарникова // Тр.4-го международного симп. «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». - М.: Изд-во «Российского университета дружбы народов», 2005. - Т. 1. - С. 316-318.

6. Мищенко, В.А. Болезни конечностей у высокопродуктивных коров / В.А. Мищенко, А.В. Мищенко // Вет. патол. - 2007. - № 2. - С. 138-143.

7. Потапов, В.В. Получение материалов на основе нанодисперсного

кремнезема гидротермальных растворов /

B.В. Потапов, В.Н. Зеленков, В.Н. Кашпура [и др.]. - М.: Изд. «РАЕН», 2010. - 296 с.

8. Раецкая, Ю.И. Фотометрический метод определения кремния в биологических объектах / Ю.И. Раецкая, Н . П . Дрозденко, С.И. Липман // Методические рекомендации по химическим и биохимическим

исследованиям в зоотехнии - Всесоюзный научно-исследовательский институт

животноводства (ВИЖ), 1975. - С. 85-88.

9 . Ф ед и н, А.С. Силатраны в питании животных. Монография / А.С. Федин, В.М. Дьяков, В.А. Скопцов и др. - Саранск, 2004.

- 88 с.

10. Фомичев, Ю.П. Профилактика кетоза у высокопродуктивных коров с помощью препарата Мивал-Зоо / Ю.П. Фомичев, С.А. Зайцев, З.А. Нетеча, Н.Н. Сулима // Зоотехния. - 2009. - № 4. -

C.13-15.

11. Шумакова, А.А. Токсикологическая оценка наноструктурного диоксида кремния. I. Интегральные показатели, аддукты ДНК, уровень тиоловых соединений и апоптоз клето к п ечени / А.А. Шумакова, Е.А. Арианова, В.А. Шипелин [и др.] // Вопросы питания. - 2014. - Т. 83. - № 3. -С. 52-62.

12. Шумакова, А.А. Токсикологическая оценка наноструктурного диоксида кремния. II. Энзимологические, биохимические показатели, состояние системы антиоксидантной защиты / А.А. Шумакова, Л.И. Авреньева, Г.В. Гусева [и др.] // Вопросы питания. - 2014. - Т. 83. - № 4. -С. 58-66.

13. Хузин, ДА. Роль общехозяйственных мероприятий в профилактике БПК у КРС / Д.А. Хузин, Х.Н. Макаев, К.Х. Папуниди [и др.] // Журнал Фармакологических исследований.

- 2019. - № 11 (2). - С.555-558.

КРЕМНИЙ - ЗНАЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

Лаушкина М.В., Бикташев Р.У., Хузин Д.А., Нигматуллин Г.Н.

Резюме

Результаты клинической практики свидетельствуют, что в отношении кремния была допущена ошибка в оценке значимости этого элемента в питании животных. Считалось, что его много в кормах и потребность полностью удовлетворяется. Поэтому даже в нормах (2002) нет никакой информации о кремнии. Соответственно специалисты животноводства также не контролируют содержание кремния в рационах. За последние годы установлено его влияние на многие стороны обмена веществ в организме и продуктивность животных. Выяснены факторы влияния на усвояемость элемента, что очень важно на фоне распространения коллагенозов у крупного рогатого скота, которые способствуют возникновению и распространению различных заболеваний незаразной и заразной этиологии, в т.ч. болезней пальцев и копытец.

SILICON-VALUE AND USE IN A LIVING ORGANISM

Laushkina M.V., Biktashev R.U., Khuzin D.A., Nigmatullin G.N.

Summary

Results of clinical practice demonstrate that concerning of silicon the mistake in assessment of the importance of this element in food of animals was made. The silicon concentration in foodstuffs considered being a great deal and its requirements of animals are fully satisfied. Therefore, even in norms (2002) consists no any information about silicon. Accordingly, specialists of cattle breeding also do not control silicon concentration in diets. The last years established its influence on many aspects of metabolism in organism and animal productivity. Established factors of influence on element assimilation that is very important at phone of spreading cattle collogenosis, that promote emergence and spread of various diseases of a noncontagious and infectious etiology, including diseases of fingers and hooves.