МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ CD НА ОРГАНИЗМ ОВЕЦ ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ С РАЦИОНОМ Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Cd НА ОРГАНИЗМ ОВЕЦ ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ С РАЦИОНОМ

Епимахов В.Г. ©

Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии»

(ФГБНУ ВНИИРАЭ), г. Обнинск, Россия

Аннотация

Для установления количественных закономерностей формирования зависимостей «<доза-эффект» разработана модель воздействия кадмия (Cd) на организм овец при поступлении с рационом. Основной обмен рассматривается как комплексный показатель, отражающий степень влияния техногенного фактора. Представлены методика достижения решения поставленной задачи, описание модели и её верификация.

Ключевые слова: кадмий (Cd), овцы, вариабельность, модель, рацион кормления, верификация.

Keywords: Cadmium (Cd), sheep, variability, model, feeding diet, verification.

В последние годы уровень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) неуклонно растет. Опасность повышенного содержания таких элементов состоит в том, что ионы тяжелых металлов не изымаются из биологического круговорота, их токсичность не снижается со временем, а, напротив, по мере возрастания концентрации увеличивается [1,2].

Кадмий (Cd) относится к группе наиболее токсичных веществ. Интерес к этому представителю тяжелых металлов вызван его способностью стимулировать при длительном воздействии низких концентраций многочисленные деструктивные процессы в организме животных и человека.

Многочисленными исследованиями, проведенными в нашей стране и за рубежом, доказано, что при определенных дозах кадмий вызывает пищевые отравления, что приводит к снижению потребления корма и прироста живой массы сельскохозяйственных животных, отрицательно влияет на молочную продуктивность.

Цель исследования. Цель настоящей работы - построение биолого- математической модели оценки воздействия Cd на организм овец при поступлении ТМ с рационом и использования её в дальнейшем для установления количественных закономерностей формирования зависимостей «доза-эффект» и разработки критериев оценки устойчивости агроэкосистем к воздействию данного техногенных фактора.

Методика. Методика достижения решения поставленной задачи заключалась в выполнении следующих пунктов:

- решение проблемы большой вариабельности экспериментальных данных, представленных в базах данных по воздействию тяжелых металлов на организм сельскохозяйственных животных и миграции тяжелых металлов в системе «рацион -сельскохозяйственные животные» [3];

- установление доминантных факторов, определяющих отклик организма с/х животных на техногенное воздействие;

- построение биолого-математической модели оценки воздействия Cd на организм

овец;

- верификация модели.

© Епимахов В.Г., 2017 г.

1. Экспериментальные данные: проблемы анализа и обработки

Анализ экспериментального материала, представленного в базах данных по параметрам миграции и действия тяжёлых металлов на организм сельскохозяйственных животных показал достаточно большую неоднородность экспериментальных данных [4]. Реальность такова - однородные данные в готовом виде встречаются редко. Тем не менее, часто при описании результатов проводимых экспериментов приходится оперировать понятием «однородность». Данный статистический термин достоин своего упоминания. Значимость однородности в статанализе невозможно переоценить, так как она напрямую влияет на точность рассчитываемых показателей и качество аналитических выводов. Чем однороднее данные, тем надежнее и адекватнее реалиям результаты статистического анализа.

Для преодоления данной проблемы при обработке и обобщении результатов исследований всегда приходится сталкиваться с дилеммой: либо решить вопрос неоднородности выборки, либо, невзирая ни на что, двигаться дальше?

Одним из способов, с помощью которого некоторые исследователи пытаются оправдать значительный разброс полученных значений, - это настаивание на проведении дополнительных исследований. Но такие меры не ведут к повышению точности и не позволяют устранить или снизить неоднородность данных.

Другой способ - это удаление максимальных и минимальных значений до тех пор, пока коэффициент вариации не станет приемлемым. Если полученные данные являются повторностями одного эксперимента, то данный подход, может быть, уместен. 1-2% измерений можно отклонить как ошибки эксперимента. Но, если это результат нескольких экспериментов, проведенных при других, пусть даже приближенных условиях, данный подход сомнителен. Тут ещё надо разобраться, почему такое отклонение.

Еще есть вариант: задать некоторые рамки отклонения, за пределами которых все данные отсекаются, то есть исключаются из анализа. Это могут быть, например, два или три среднеквадратических отклонения (2 или 3 сигмы).

Если экспериментатор осознанно или неосознанно игнорирует требования математической статистики, и, не обращая внимания на неоднородность, продолжает «двигаться» дальше, ошибка будет накладываться на ошибку вплоть до момента, когда следствие будет приниматься за причину.

Строгих рекомендаций, конечно, нет, всё на страх и совесть аналитика или экспериментатора. Главное здесь - не сильно исказить содержание данных в надежде «улучшить» их качество.

Выходом из ситуации, направленным на повышение однородности совокупности данных является их группировка. Дело в том, что величина вариабельности сама по себе отражает многофакторный характер формирования совокупности данных. Установление этих факторов, группировка данных согласно этим факторам позволяет снизить неоднородность результатов исследований и повысить качество их анализа.

2. Доминантные факторы, определяющие отклик организма с/х животных на техногенное воздействие.

Для достижения поставленной цели, чтобы избежать неоднородности результатов экспериментов и должным образом их обработать, был выполнен обзор научно-технической литературы по вопросам функционирования агроэкосистем и установлены факторы, которые являются основными доминантами, определяющими отклик организма сельскохозяйственных животных на негативное токсикологическое воздействие.

В таблице 1 представлены факторы, которые оказывают основной вклад на реакцию организма с/х животных на поступление ТМ с рационом.

С целью получения выводов, которые предусматривали ответ достаточно достоверный для конкретного случая поступления с рационом в организм животных ТМ, необходимо оценить вклад данных факторов в формирование зависимости «доза-эффект». Поскольку факторов много, задача является многовариантной.

Таблица 1

Факторы, являющиеся основными доминантами, определяющими отклик организма сельскохозяйственных животных на токсикологическое воздействие ТМ.

Подходов к решению подобных задач много - регрессионный, факторный анализ, кластерный анализ, линейное программирование, это элементы теории вероятности, теории массового обслуживания, теории надежности. Но эти инструменты обработки данных по большей части приемлемы либо к объектам неживой природы, либо для случая исключения из рассмотрения многофакторного характера их формирования на конкретный момент времени. А организм - это динамичная, самоподдерживающаяся, саморазвивающаяся, самоорганизующаяся и самовосстанавливающаяся система. Если мы рассматриваем его с этих позиций, а это позиции системного подхода, то должны отказаться от принятых методов, которые имеют ограниченное применение и представляют собой частный случай.

Единственно возможным решением является разработка имитационных моделей оценки воздействия ТМ и определения вклада каждого из доминантных факторов в формирование зависимости «доза-эффект». Обоснованием данного вывода служит то, что имитационная модель - это математическое описание процесса воздействия техногенного фактора на объект исследования, построенное на основе анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных в результате проведения определенного количества опытов над объектом изучения. Она представляет собой замену исследуемого объекта другим, который не только сохраняет характеристики реального объекта, но и, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что её изучение дает новую информацию об объекте.

3. Описание модели оценки воздействия Сё на организм овец

С позиций биоэнергетического подхода, положения которого отражают представления о роли поддержания и нарушения энергетического баланса организма с окружающей средой, использования и расходования его энергетических ресурсов, была разработана имитационная модель оценки воздействия токсикологического фактора на организм овец при поступлении Сё с рационом [5,6]. Характерной особенностью данного подхода является систематизированный анализ и обобщение экспериментальных данных о

процессах, протекающих в пораженном организме, исследований по изучению обмена веществ и энергии у животных и растений [7].

Модель разработана на примере овец, поскольку токсикологическое действие тяжёлых металлов на организм этих сельскохозяйственных животных представляет определенный научно-практический интерес.

Для количественного учета определения потребляемых питательных веществ корма выбрана система оценки кормов по обменной энергии [8]. Согласно этой системе, потребность животных в энергии выражается в форме обменной энергии (ОЭ), а эффективность ее использования зависит от живой массы, возраста, продуктивности животного, содержания и концентрации обменной энергии в 1 кг сухого вещества рациона.

а) Расчет рационов кормления

Расчет рационов кормления животных с использованием системы оценки кормов по обменной энергии осуществляется следующим образом.

Пусть на каждые г сутки Рт - содержание корма т-ого вида (кг) в рационе. Тогда количество обменной энергии Ег в рационе и содержание сухого вещества Вг в рационе будет составлять, соответственно:

Е = X Рт*От ,(Мкал) (1)

т

Вг = X Рт* К /100, (кг) (2)

т

где ат - количество ОЭ в 1 кг корма т-ого вида;

Ьт - содержание сухого вещества в 1 кг корма т-ого вида.

Среднее количество ОЭ в сухом веществе рациона Нг на каждые г сутки будет составлять:

Н = Е-, Мкал / кг) (3)

г Вг

б) Использование ОЭ рациона на поддержание жизни и продуктивность

Для рациона с данной концентрацией энергии может быть вычислена истинная потребность в обменной энергии в сутки [8]:

0.418 Ег2 0.418

О = Е * (0.89 + )--— --0.11), (Мкал/ сутки) (4)

г г Нг Нг

Если - основной обмен животного живой массы и возраста Л( на г сутки, то необходимое для поддержания жизни количество ОЭ рациона должно составлять:

Ц *100

Б = —т—, (Мкал/ сутки) (5)

кт

где кт - эффективность использования ОЭ рациона для поддержания основных жизненных функций.

Для овец ¥1 определяется выражением [8]:

2 0.73

Ц = (96 - 7 * 1п(А ) - 0.95 * 1п (Л)) * Ж , (Мкал/ сутки) (6)

При потреблении рациона с данной концентрацией ОЭ отложение энергии на привес Сг составит:

(О, -Б, )*кг

С( =-100-, (Мкал/ сутки) (7)

где kf - эффективность использования ОЭ рациона на привес. Разделив найденную величину отложения энергии на калорийность привеса, получаем значение ожидаемого привеса (А Ж ):

С

ДЖ = , (кг / сутки) (8)

где Т - калорийность привеса (Мкал/кг) [8].

Если энергии потребляемых питательных веществ корма недостаточно для удовлетворения данной потребности (О<8), имеем потери живой массы за счет катаболизма тканей животного:

О

ДЖ = —Б—, (кг / сутки), (9)

1 К1

где ^ - калорийность тела [9].

В результате изменение живой массы овец за сутки составит:

= Ж +ДЖ{, (кг / сутки) (10)

в) Поступление, накопление и выведение ТМ из организма

Если на каждые I сутки Рт - содержание корма т-ого вида (кг) в рационе, тогда количество ТМ в рационе Б, будет составлять:

- = Ер«* ^ /100, (мг) (11)

т

где - концентрация ТМ в корме т-ого вида, (мг/кг корма т-ого вида ). Средняя концентрация ТМ на каждые , сутки в сухом веществе рациона будет составлять:

А

К = , (мг / кг) (12) ' в

Содержание ТМ в организме с/х животных К, описывается на каждые I сутки следующим уравнением:

N = N-1 + ктм * - - V, (мг) (13)

где к тм - коэффициент абсорбции ТМ;

V, - величина биологического выведения ТМ из организма животного на I

сутки.

г) Нарушение физиологического состояния организма

Эксперименты, выполненные на различных видах животных, в том числе и на сельскохозяйственных, показывают, что снижение веса тела или продуктивности в результате токсического действия ТМ, как и других техногенных факторов считают одним из важных критериев степени тяжести поражения организма. Данное снижение живой массы, согласно положениям биоэнергетического подхода, связано с увеличением затрат энергии организма на поддержание жизни на величину, определяемую техногенной нагрузкой и может рассматриваться как приспособительная реакция, направленная на восстановление нарушенного энергетического баланса, т.е. ростом основного обмена и последующим процессом его восстановления [9]. На данном основании в качестве

комплексного показателя, отражающего нарушение физиологического состояния и продуктивности сельскохозяйственнывх животных при негативном воздействии ТМ, взят основной обмен.

Модель является стохастической. В ней характер формирования токсикологических эффектов, отражающий нарушение гомеостаза на фоне энергетического обмена с окружающей средой, рассматривается не только как результат вероятностной концентрации ТМ в рационе, но и объясняется биологической вариабельностью животных по живой массе и возрасту. Учитываются вариации основного обмена от животного к животному при данном физиологическом состоянии, калорийности тела, величины энергетических ресурсов, расходуемых организмом на поддержание своего энергетического статуса, а также стохастический характер потребления корма. Для обеспечения вариабельности животных по данным параметрам использовался генератор псевдослучайных чисел. Коэффициент вариации принят равным 10% от среднего значения.

Разработанная модель предназначена для количественной оценки воздействия Сё на организм сельскохозяйственных животных и установления вклада доминантных факторов, определяющих отклик организма на техногенное воздействие, в формирование зависимостей «доза-эффект».

При проведении на модели численных экспериментов рассматриваются следующие параметры: возрастная группа животных, рацион кормления, концентрация Сё в рационе и длительность поступления ТМ с рационом, т.е. те самые доминантные факторы, которые отражают отклик организма на токсическое действие Сё при поступлении его с рационом.

Шаг по времени в модели принят равным 1 сутки. Он совпадает с соответствующим для большинства животных основным циркадианным (суточным) ритмом, который обусловливает баланс основных веществ и энергии во временном промежутке равном 24 ч.

4. Верификация модели

Анализ и обобщение экспериментальных данных, представленной в базах по параметрам миграции и действия тяжёлых металлов на организм сельскохозяйственных животных позволил получить информацию не только достаточную для разработки модели оценки воздействия Сё на организм овец при потреблении ТМ с рационом, но и выполнить её верификацию.

Верификация модели проводилась по результатам исследований проведенных на 30-ти овцах с живой массой от 30 до 32 кг при скармливании им в течение 163 суток рационов с различной концентрацией Сё [10]. В описанном эксперименте средний возраст овец составлял ~ 4 месяца. Животные были разделены по весу на 5 групп по 6 голов. Кормление для всех групп был одинаковым, но с различной концентрацией Сё в рационе: 0, 5, 15, 30 и 60 ррт1. Рацион содержал смесь кукурузы, хлопковую шелуху и соевой шрот. Кадмий добавлялся в рацион в виде СёС12. Величина потребления корма каждым животным ежедневно контролировалась, за исключением животных контрольной группы. Раз в две недели животные взвешивались, и раз в месяц брались пробы крови из яремной вены.

Данные исследования были воспроизведены на модели. Для статистической оценки результатов, полученных при проведении численных опытов, каждый эксперимент имел десятикратную повторность, а численность животных в каждом из них составляла 100 голов.

Верификация выполнена по четырем параметрам: изменению живой массы животных, величине потребления корма, уровню поступления Сё с рационом и по содержанию металла в мышечной ткани (рисунок 1). Расчетные значения критерия несоответствия Тейла по всем параметрам варьировали от 0,053 до 0,109 [11].

Рис. 1 - Верификация модели (овцы) по показателям: изменение живой массы животных, потребление корма, поступление Cd с рационом и содержание ТМ в

мышечной ткани

Степень совпадения экспериментальных данных и результатов численных опытов, позволяет использовать модель в качестве рабочего инструмента научно-обоснованного определения последствий воздействия ТМ на организм овец при потреблении Сё с рационом. Также результаты моделирования могут быть использованы с одной стороны, для прогнозирования и оценки токсикологического действия ТМ, с другой стороны, для установления закономерностей поступления Сё с рационом, накопления и выведения тяжелого металла в зависимости от изменения доминантных факторов, определяющих течение этих процессов.

Выводы. В условиях растущей антропогенной нагрузки на биосферу изучение различных аспектов токсического воздействия Сё помогает решению основной профилактической задачи исследователей - научно-обоснованное определение относительно безопасных концентраций кадмия в кормах, сводящие к минимуму негативные последствия попадания этого элемента в организм сельскохозяйственных животных, а затем и человека. Эта непростая задача, особенно в случае хронического поступления Сё с рационом, не может быть решена без установления количественных закономерностей формирования зависимостей «доза-эффект» по таким показателям как качество продукции, снижение продуктивности и выживаемость животных с учетом высокой кумулятивности данного элемента.

Значимость настоящей работы заключается в принципиальной возможности использования описанной биолого-математической модели в решении проблемы обеспечения качества животноводческой продукции.

:Ppm - миллионная доля (от англ. parts per million — частей на миллион) — единица измерения

концентрации.

Литература

1. Трахтенберг И.М., Колесников B.C., Луковенко В.П. Тяжелые металлы во внешней среде: современные гигиенические и токсикологические аспекты. Минск, 1994. 285 с.

2. Тиво П.Ф., Быцко И.Г. Тяжелые металлы и экология. Мн.: Юнипол, 1996.-192 с.

3. Володин В.В., Мироненко Р.И., Епимахов В.Г., Козьмин Г.В. Многопользовательская база данных - архив данных экспериментов (АрДЭкс) / Техногенные системы и экологический риск: Тезисы докладов XIII Региональной научной конференции с.144-145

4. Научные основы оценки устойчивости агроэкосистем к воздействию техногенных факторов.-Обнинск: ГНУ ВНИИСХРАЭ,2013- 187 с.

5. Епимахов В.Г. К вопросу нормирования воздействия ионизирующей радиации на организм овец и их продуктивность. // Материалы российской научной конференции с международным участием «Медико-биологические проблемы токсикологии и радиологии», Санкт-Петербург, 2015, С.29-30.

6. 6.Епимахов В.Г., Кобялко В.О. Биоэнергетический подход к оценке поступления тяжёлых металлов в организм сельскохозяйственных животных с рационом. // Материалы российской научной конференции с международным участием «Медико-биологические проблемы токсикологии и радиологии», Санкт-Петербург, 2015, С.30-31.

7. Епимахов В.Г. Биоэнергетический подход оценки воздействия техногенных факторов на компоненты агроэкосистем // Материалы Международной научно-практической конференции «Теоретические, методологические и прикладные вопросы науки и образования», Самара, 2016, С.162-163.

8. 8 .Потребность жвачных животных в питательных веществах и энергии /пер. с англ. А. А. Яковлева; под ред. А. П. Дмитроченко. М.: Колос, 1968

9. Епимахов В.Г., Козьмин Г.В. Установление количественных закономерностей исхода острого лучевого поражения овец / East European Scientific Journal (Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe) Варшава, Польша Biologia № 6, 2016, рр.144-148

10. John J. Doyle, William H. Pfander et. al. Effect of Dietary Cadmium on Growth, Cadmium Absorption and Cadmium Tissue Levels in Growing Lambs, J. Nutr. 104: 160-166, 1974.

11. Тейл Г. Экономические прогнозы и принятие решений. - М.: Статистика, 1971. - 488 с.