CC BY
49
УДК 59:615.9
Мирошникова Е.П., Аринжанов А.Е. , Килякова Ю.В.
Оренбургский государственный университет, г Оренбург, Россия E-mail: [email protected]
ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ РЫБ ПРИ ВВЕДЕНИИ В РАЦИОН БИОДОБАВОК
И НАНОЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗА
Достижения последних лет в области кормления животных позволили существенно увеличить ассортимент используемых биодобавок, положительно влияющих на скорость роста, конверсию кормов и резистентность организма. Исследования на теплокровных животных показали перспективность совместного использования биодобавок и наночастиц металлов в кормлении, однако экспериментальные работы в рыбоводстве по данной тематике единичны.
Мы впервые изучили перспективы совместного использования препаратов наночастиц железа и биодобавок в кормлении рыб и показали, что их одновременное применение способствует повышению показателей прироста живой массы до 28% по сравнению с контролем. При введении в рацион Fe НЧ (наночастиц) констатировали достоверное повышение концентрации макро- и микроэлементов по сравнению с контролем: кальция на 42% (Р<0,001), калия на 8,2% (Р<0,05), магния на 19% (Р<0,001), натрия на 27% (Р<0,001), фосфора на 32% (Р<0,001), хрома на 6% (Р<0,05), меди на 18,8% (Р<0,05), кобальта на 6% (Р<0,05), марганца на 72,2 % (Р<0,001), селена на 17,5% (Р<0,001) и цинка на 34% (Р<0,001). При добавлении в рацион Fe НЧ и ферментного препарата Ровабио XL отмечено достоверное повышение концентрации натрия на 13 % (Р<0,01), меди на 14% (Р<0,05), кобальта на 9,6% (Р<0,05), марганца на 26,6% (Р<0,05), селена на 9,2% (Р<0,01) и цинка на 42,5 % (Р<0,001) и снижение концентрации кальция на 26% (Р<0,001) по сравнению с контролем. При включении в рацион Fe НЧ и Bifidobacterium bifidum зафиксировано значительное повышение содержания элементов по сравнению с контролем: кальция на 148% (Р<0,001), калия на 62% (Р<0,001), магния на 111% (Р<0,001), натрия на 100 % (Р<0,001) и фосфора на 100% (Р<0,001), хрома на 36,8% (Р<0,001), меди на 84% (Р<0,001), кобальта на 174% (Р<0,001), железа на 58% (Р<0,001), марганца на 270% (Р<0,001), селена на 82% (Р<0,001) и цинка на 125% (Р<0,001). Анализ содержания токсических элементов в теле рыб показал, что для опытных групп было характерно снижение концентрации элементов, за исключением свинца.
Таким образом, установлено, что совместное включение в рацион карпа наночастиц железа и биодобавок положительно влияет на накопление макро- и микроэлементов и не сказывается на аккумулировании токсических элементов в теле рыб, при этом наилучшие показатели по динамике живой массы были получены при совместном использовании Fe НЧ и пробиотического препарата Bifidobacterium bifidum.
Ключевые слова: ферменты, пробиотики, кормление рыб, наночастицы, железо, макроэлементы, микроэлементы.
На сегодняшний день современная интенсивная индустрия рыбоводства основывается на использовании в качестве обязательных компонентов комбикормов различных биологически активных стимуляторов обмена веществ. Для повышения перевариваемости и усвояемости кормов, стимуляции роста и развития, повышения неспецифического иммунитета применяются ферментные и пробиотические препараты [1]-[3]. Обнадеживающие результаты применения биодобавок в рыбоводстве дают основания для расширения исследований в данном направлении [4]-[5].
Однако, существуют данные, согласно которым присутствие ферментных препаратов в рационе животных, может сопровождаться снижением биологической доступности отдельных микроэлементов питания в том числе и эссен-циальных [6].
Способность ферментных препаратов избирательно влиять на усвоение минеральных веществ из пищи, усиливая ретенцию одних элементов и ограничивая поступление других, имеет важное практическое значение, в частности, сорбционные свойства ферментов по отношению к токсичным элементам могут быть использованы в целях снижения хронической интоксикации в организме. При этом каталитическая активность ферментов во многом зависит от присутствия микроэлементов, в частности железа. Известно, что химические элементы могут проявлять как потенцирующее, так и подавляющее влияние на активность ферментов.
Зачастую ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы [7]-[8].
Мирошникова Е.П. и др._
На сегодняшний момент известно, что нано-частицы железа обладают биологически активными свойствами, при этом они менее токсичны по сравнению с неорганическими солями железа [9]-[11]. К тому же наноразмерное железо выгодно отличается от солей пролонгированным воздействием на биологические объекты. На основе наночастиц железа созданы биопрепараты нового поколения, успешно испытанные в растениеводстве, птицеводстве и животноводстве [12]-[15].
Целью исследований являлось установить особенности обмена макроэлементов, эссенци-альных и токсических элементов в организме карпа при введении в рацион наночастиц железа совместно с ферментными и пробиотическими препаратами.
Материалы и методы
Для проведения эксперимента было отобрано 200 сеголетков (0+) карпа с навеской 10-15 г, выращенные в условиях садкового хозяйства ООО «Озерное» г. Оренбург, которых методом пар-аналогов разделили на четыре группы (n = 50) -контрольная и три опытных.
Исследования выполнены в условиях аквариумного стенда кафедры «Биотехнология животного сырья и аквакультура» Оренбургского государственного университета. Условия выращивания и содержания рыб соответствовали правилам OECD (Oiganization for Economic Co-operation and Development) [16]. Эксперименты выполняли в соответствии с протоколами Женевской конвенции и принципами надлежащей лабораторной практики (Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 534342009), а также с инструкциями «The Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (National Academy Press Washington, D.C. 1996)».
Эксперименты проводили в аквариумах объемом 300 литров, при температуре воды 28±1°С. Кормление подопытной рыбы осуществлялось 6-8 раз в сутки. Расчет массы задаваемого корма производили с учетом рекомендаций на основе поедаемости корма.
Наночастицы железа (Fe НЧ) синтезировали методом высокотемпературной конденсации (установка Миген-3, Институт энергетических проблем химической физики РАН, г. Москва) согласно описанию [17]. Материаловедческая аттестация препаратов включала электронную сканирующую и просвечивающую микроскопию
Особенности обмена химических элементов...
на JSM 7401F и JEM-2000FX («JEOL», Япония). Рентгенофазовый анализ выполняли на дифрак-тометре ДРОН-7 (НПО «Буревестник», Россия). Размер (d) полученных наночастиц 100±2 нм.
Основными компонентами комбикормов являлись: мука рыбная, мука мясокостная, мука пшеничная, шрот подсолнечный, шрот соевый, масло растительное, премикс ПМ-2. В качестве биодобавок использовали ферментный препарат Ровабио XL и пробиотический препарат Бифидо-бактерин бифидум (Bifidobacterium bifidum, КОЕ - 107). Производство комбикормов включало ступенчатое смешивание компонентов корма и экс-трудирование [18].
Исследования проводились в два этапа - подготовительный (7 суток) и учетный (56 суток). В период подготовительного этапа вся рыба находилась в одинаковых условиях содержания и кормления (основной рацион - ОР). После подготовительного периода подопытные рыбы были переведены на рационы: рыбе контрольной группы скармливали ОР, в рацион I опытной группы включали Fe НЧ (30 мг/кг корма); в рацион II группы включали Fe НЧ (30 мг/кг корма) и ферментный препарат Ровабио XL (6,75 г/кг); в рацион III группы включали Fe НЧ (30 мг/кг корма) и пробиотический препарат Бифидобактерин бифидум (14 доз).
Содержание в тканях рыб и используемых комбикормов химических элементов исследовали в лаборатории АНО «Центра биотической медицины» (Registration Certificate of ISO 9001: 2000, Number 4017-5.04.06) методом атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии (АЭС-ИСП и МС-ИСП) на оборудовании Elan 9000 (Perkin Elmer, США) и Optima 2000 V (Perkin Elmer, США).
Данные представлены в виде среднего (M) и стандартной ошибки среднего (m). Статистический анализ выполняли с использованием стандартных методик ANOVA. Различия считались статистически значимыми при Р < 0,05.
Результаты исследований
Установлено, что использованный в рационе спектр препаратов оказал положительное влияние на рост и развитие подопытной рыбы (табл. 1).
Наилучшие показатели по динамике живой массы были получены в III опытной группе, в рацион которого включали Fe НЧ и пробиоти-
ческий препарат, масса карпа к середине опыта превышала контроль на 18% (Р<0,01), а концу опыта на 28% (Р<0,001), что демонстрирует хорошо выраженный синергизм в воздействии этих веществ на рост рыбы.
Включение в рацион рыб наночастиц совместно с биодобавками повлияло на обмен химических элементов в организме, что наглядно демонстрирует его элементный статус (табл. 2-4).
Установлено, что при введении в рацион Fe НЧ (I группа) наблюдается достоверное повышение концентрации макроэлементов по сравнению с контролем (табл. 2): кальция на 42% (Р<0,001), калия на 8,2% (Р<0,05), магния на 19% (Р<0,001), натрия на 27% (Р<0,001) и фосфора на 32% (Р<0,001).
Во II опытной группе зафиксировано достоверное снижение концентрации кальция на 26% (Р<0,001) и повышение концентрации натрия на 13% (Р<0,01) по сравнению с контролем. Повышение же концентрации калия, магния и фосфора были не достоверно различимы.
Наиболее сильное воздействие на накопление макроэлементов было проявлено в III группе (Fe НЧ + Bifidobacterium bifidum). Отмечено значительное повышение содержания макроэлементов по сравнению с контролем: кальция на 148 % (Р<0,001), калия на 62% (Р<0,001), магния на 111% (Р<0,001), натрия на 100% (Р<0,001) и фосфора на 100% (Р<0,001).
При сравнении накопления эссенциальных микроэлементов в теле подопытных рыб выявлено, что при введении в рацион Бе НЧ (I группа) повышается концентрация большинства микроэлементов по сравнению с контрольной группой: хрома на 6% (Р<0,05), меди на 18,8% (Р<0,05), кобальта на 6% (Р<0,05), железа на 2,2%, марганца на 72,2% (Р<0,001), селена на 17,5% (Р<0,001), цинка на 34% (Р<0,001). Схожую картину изменения накопления микроэлементов наблюдали и в остальных опытных группах (табл. 3).
Так, при включении в рацион Бе НЧ и ферментного препарата (II группе) отмечено повышение меди на 14 % (Р<0,05), кобальта на 9,6% (Р<0,05), марганца на 26,6% (Р<0,05), селена на 9,2 % (Р<0,01) и цинка на 42,5 % (Р<0,001) по сравнению с контролем.
При включении в рацион Бе НЧ и пробио-тического препарата (III группа) зафиксировано наиболее высокое увеличение содержания эссен-циальных элементов относительно контрольной группы: хрома на 36,8% (Р<0,001), меди на 84% (Р<0,001), кобальта на 174% (Р<0,001), железа на 58% (Р<0,001), марганца на 270% (Р<0,001), селена на 82 % (Р<0,001) и цинка на 125% (Р<0,001).
Таким образом, введение наночастиц совместно с биодобавками приводило к увеличению содержания большинства эссенциальных микроэлементов, за исключением йода уровень которого был недостоверно различим.
Таблица 1 - Рыбоводно-биологические показатели выращивания подопытного карпа
Группа Масса рыб в начале эксперимента, г Масса рыб в конце эксперимента, г Абсолютный прирост, г
Контроль 22,3 ± 0,5 36,6 ± 1,1 14,3
I опытная 22,5 ± 0,6 38,7 ± 0,5* 16,2
II опытная 22,3 ± 0,5 38,5 ± 1,3* 16,2
III опытная 22,5 ± 0,5 46,8 ± 1,2** 24,3
Примечание: * Р<0,05; ** Р<0,01: Сравниваемые пары групп: I—II, I—III, I-IV
Таблица 2 — Содержание макроэлементов в теле рыб, мкг/гол.
Элемент Группа
Контроль I II III
Ca 52745 ± 1738 74868 ± 2332*** 38925± 1101*** 131127±3570***
K 57312 ± 1739 61988 ± 2332* 57650 ± 1630 92763 ± 2236***
Mg 4612 ±152 5486± 171*** 4850 ± 137 9745 ± 235***
Na 17330 ±571 22040± 687*** 19575 ± 554** 34669±836***
P 50074 ±1651 66241 ±2064*** 51900 ± 1468 100545±2628***
Примечание: * Р<0,05; ** Р<0,01; *** Р<0,001.
Сравниваемые пары групп: Контроль - I, Контроль - II, Контроль - III.
Мирошникова Е.П. и др.
Особенности обмена химических элементов..
Из полученных данных следует, что потребление наночастиц железа совместно с биодобавками в составе комбикормов оказывает влияние на депонирование химических элементов, участвующих в формировании опорно-двигательного аппарата, а именно: Са, М§, Р, Си и 8е.
Анализ содержания токсических элементов в теле рыб показал, что для опытных групп было характерно снижение концентрации элементов, за исключением свинца (табл. 4).
В частности, в I опытной группе констатировали достоверное снижение концентрации А1, РЬ, и 8п на 14%, 15%, 47% и 36%, соответственно, по сравнению с контрольной группой.
Во II опытной группе наблюдали снижение алюминия на 43% (Р<0,001), кадмия на 45% (Р<0,001), ртути на 78% (Р<0,001), олова на 78% (Р<0,001) и стронция на 9% (Р<0,05) по сравнению с контролем.
В III опытной группе констатировали достоверное снижение алюминия на 19% (Р<0,001), олова на 83% (Р<0,001) и стронция на 28% (Р<0,001).
Таким образом, были подтверждены положительные способности применявшихся биодобавок
снижать содержание в продукции ряда токсичных элементов.
В результате исследования выявлено, что включение в рацион рыб наночастиц железа совместно с ферментным и пробиотическим препаратом влияет на показатели минерального обмена. Совместное использование в рационе карпа наночастиц железа и биодобавок положительно влияет на накопление макро- и микроэлементов (меди, кобальта, железа, марганца, селена, цинка, лития, никеля, кремния, вольфрама) и не сказывается на аккумулировании токсических элементов (А1, 8п, 8г, Сё) в теле рыб.
Так, повышение содержания микроэлементов в организме рыб при совместном использовании наночастиц железа и биодобавок можно объяснить тем, что более доступная форма железа (высокодисперсный порошок) имеет выраженное стимулирующее воздействие на пробиотики, в результате усиливается благотворное воздействие на микрофлору кишечника (баланс микробиоценоза) [19]. Ферментный препарат проявляет синергизм с Бе НЧ и в итоге железо принимает активное участие в окислительно-восстановительных процессах, способствует росту и развитию тканей.
Таблица 3 - Содержание эссенциальных микроэлементов в теле рыб, мкг/гол.
Элемент Группа
Контроль I II III
Cr 0,913 ± 0,03 0,967 ± 0,03* 0,750 ± 0,02*** 1,249 ± 0,03***
Cu 11,19 ± 0,37 13,29 ± 0,41* 12,75 ± 0,36* 20,61 ± 0,50***
Co 0,228 ± 0,008 0,242 ± 0,007* 0,250 ± 0,007* 0,625 ± 0,015***
Fe 275 ± 9,0 281 ± 8,6 262 ± 7,4* 435 ± 10,1***
I 6,39 ± 0,21 6,04 ± 0,19 6,49 ± 0,18 6,56 ± 0,16
Mn 11,65 ± 0,38 20,06 ± 0,63*** 14,75 ± 0,42* 43,10 ± 1,04***
Se 2,06 ± 0,068 2,42 ± 0,075*** 2,25 ±0,064** 3,75 ± 0,09***
Zn 669 ± 22 897±28*** 953±27*** 1509 ±36***
Примечание: * Р<0,05; ** Р<0,01; *** Р<0,001.
Сравниваемые пары групп: Контроль - I, Контроль - II, Контроль - III.
Таблица 4 - Содержание токсических элементов в теле рыб, мкг/гол.
Элемент Группа
Контроль I II III
Al 31,74 ± 1,1 27,31 ± 0,9*** 18,00 ± 0,6*** 25, 61 ± 0,6***
Cd 0,046 ± 0,002 0,073 ± 0,002*** 0,025 ± 0,001*** 0,025 ± 0,001***
Hg 0,114 ± 0,004 0,097 ± 0,003** 0,025 ± 0,001*** 0,187 ± 0,005***
Pb 0,457 ±0,015 0,242 ± 0,008*** 0,750 ± 0,021*** 0,625 ± 0,015***
Sn 0,114 ± 0,004 0,073 ± 0,002*** 0,025 ± 0,001*** 0,019 ±0,001***
Sr 114 ± 3,76 232 ± 7,58*** 104 ± 2,83* 82 ± 1,94***
Примечание: * Р<0,05; ** Р<0,01; *** Р<0,001.
Сравниваемые пары групп: Контроль - I, Контроль - II, Контроль - III.
Полученные результаты исследований показывают перспективность совместного использования наночастиц железа и биодобавок, как высокоэффективных биологических катализаторов
биохимических процессов в организме, улучшающих физиологическое состояние и повышающие интенсивность роста рыб.
11.05.2017
Исследования выполнены при финансовой поддержке РНФ № 14-36-00023
Список литературы:
1. Применение пробиотиков в осетровом рыбоводстве / А. А. Пышманцева и др. // Сборник научных трудов Северо-Кавказского научно-исследовательского института животноводства. - 2014. - Т.2. - №3. - С. 225-229.
2. Кцоева, И.И. Химический состав мышц радужной форели при использовании в кормах биологически активных добавок / И.И. Кцо-ева, Р.Б. Темираев // Известия Горского государственного аграрного университета. - 2014. - Т. 51. - №4. - С. 150-153.
3. Influence of iodine on efficience of fish / A.A. Vasiliev et al. // Journal of Agricultural Sciences. - 2014. - Т. 6. - №10. - P. 79.
4. A comprehensive assessment of the impact of the additive «Abiopeptide with iodine» on the growth, development and marketable quality of the Lena sturgeon grown in gages / I.V. Poddubnaya et al. // Biosciences Biotechnology Research Asia. - 2016. - Т. 13. -№3. - P. 1547-1553.
5. Mechanisms of the effects of probiotics on symbiotic digestion / N.A. Ushakova et al. // Biology Bulletin. - 2015. - Т. 42. - № 5. -P. 394-400.
6. Влияние ферментных препаратов на содержание микроэлементов в тканях и органах кур / Е.П. Мирошникова и др. // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2004. - № S4. - С. 60-61.
7. Miroshnikova, E.P. Influence of enzymatic preparations on elemental status of carp and hen / E.P. Miroshnikova, A.A. Barabash // Микроэлементы в медицине. - 2010. - Т. 11. - №2. - С. 46 a.
8. To the development of innovative mineral additives based on alloy of Fe and Co antagonists as an example / Е.А. Sizova et al. // Agricultural Biology. - 2016. - V. 51. - № 4. - P. 553-562.
9. Comparative assessment of effect of copper nano- and microparticles in chicken / S.A. Miroshnikov et al. // Oriental Journal of Chemistry. - 2015. - Т. 31. № 4. - P. 2327-2336.
10. Antagonist metal alloy nanoparticles of iron and cobalt: impact on trace element metabolism in carp and chicken / A. Arinzhanov et al. // Human & Veterinary Medicine. International Journal of the Bioflux Society. - 2015. - Vol. 7. - Iss. 4. - P. 253-259.
11. Эффективность ферментсодержащих комбикормов в сочетании различными формами цинка в рационах жвачных / Д.В. Нестеров и др. // Вестник мясного скотоводства. - 2012. - Т.4. - №78. - С. 74-78.
12. Наноразмерное железо - кормовая добавка для сельскохозяйственной птицы / И.Н. Никонов и др.// Доклады Академии наук. - 2011. - Т. 440. - №4. - С. 565-569.
13. Nanoparticles in combination with amino acids change productive and immunological indicators of broiler chicken / E.V. Yausheva et al. // Agricultural Biology. - 2016. - V. 51. - №6. - P. 912-920.
14. Morphological and biochemical blood parameters in broilers at correction with dietary copper salts and nanoparticles / Е.А. Sizova et al. // Agricultural Biology. - 2016. - V. 51. - №6. - P. 903-911.
15. To the development of innovative mineral additives based on alloy of fe and Co antagonists as an example / Е.А. Sizova et al. // Agricultural Biology. - 2016. - V. 51. - № 4. - P. 553-562.
16. OECD Guideline for Testing of Chemicals. Guideline 203. Fish, Acute Toxicity Test. - Organization of Economic Cooperation Development, Paris, France, 1992.
17. Установка для получения и исследования физико-химических свойств наночастиц металлов / А.Н. Жигач и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2000. - №6. - С. 122-127.
18. Патент РФ 2517228. Способ производства корма для рыб. Аринжанов А.Е., Мирошникова Е.П., Сизова Е.А., Килякова Ю.В., Родионова Г.Б., Глущенко Н.Н. Заявлено 27.12.2012. Опубликовано 27.05.2014.
19. Сизова, Е.А. Некоторые биохимические и морфологически показатели крови при введении в организм наночастиц меди / Е.А. Сизова, Е.А. Русакова, Ю.А. Сизов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2011. -Т. 4. - №32-1. - С. 308-309.
Сведения об авторах:
Мирошникова Елена Петровна, заведующий кафедрой биотехнологии животного сырья и аквакультуры Оренбургского государственного университета, доктор биологических наук, профессор 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, e-mail: [email protected]
Аринжанов Азамат Ерсаинович, старший преподаватель кафедры биотехнологии животного сырья и аквакультуры Оренбургского государственного университета, кандидат сельскохозяйственных наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, e-mail: [email protected]
Килякова Юлия Владимировна, доцент кафедры биотехнологии животного сырья и аквакультуры Оренбургского государственного университета, кандидат биологических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, e-mail: [email protected]
