CC BY
44
УДК 591.133 + 591.149.2
Герасёв Алексей Дмитриевич
Доктор биологических наук, профессор кафедры анатомии, физиологии и безопасности жизнедеятельности, ректор НГПУ
Луканина Светлана Николаевна
кандидат биологических наук доцент кафедры анатомии, физиологии и безопасности жизнедеятельности НГПУ
Корощенко Галина Анатольевна
кандидат биологических наук доцент кафедры анатомии, физиологии и безопасности жизнедеятельности НГПУ
Ефимов Сергей Викторович
студент 5 курса ОЗО биофак ИЕСЭН НГПУ
Панин Лев Евгеньевич
Доктор медицинских наук, профессор, академик РАМН, директор Института биохимии СО РАМН.
Айзман Роман Иделевич
Доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой анатомии, физиологии и безопасности жизнедеятельности НГПУ E-mail: roman.aizman@mail.ru
ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ ЦЕОЛИТОВ НА МАКРО-И МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМА
В статье обобщаются результаты исследования действия природных цеолитов, в
которых большую роль играют ионообменные свойства, на макро- и микроэлементный
состав сред организма. Отмечается, что природные цеолиты имеют полиэлементный
состав, зависящий от геохимических условий их формирования. Показано, что в условиях
105
использования природных цеолитов в качестве пищевой добавки, увеличивается выведение ряда микроэлементов с калом и мочой, но сохраняется ионный состав плазмы и тканей организма.
Ключевые слова: природные цеолиты, минеральный обмен, макроэлементы, микроэлементы.
Введение. В механизме биологического действия природных цеолитов (ПЦ) большую роль играют их ионообменные свойства. Известно, что использование ПЦ в качестве пищевой добавки сопровождается как поступлением, так и выведением из организма ряда жизненно важных элементов [1, 2, 5]. Наиболее полно исследованы ионообменные реакции для макроэлементов (Na, K, Ca, Mg,), значительно меньше работ посвящено изучению обмена микроэлементов. Вместе с тем известно, что ПЦ имеют полиэлементный состав, зависящий от геохимических условий их формирования. Они характеризуются значительным набором макро- и микроэлементов, которые могут извлекаться из цеолитсодержащей породы и усваиваться организмом, вызывая при этом как биологически благоприятные, так и неблагоприятные эффекты [7, 8]. Целью настоящего исследования была оценка изменения минерального обмена организма крыс в условиях использования ПЦ в качестве пищевой добавки.
Объект и методы исследования. Для достижения поставленной цели были проведены несколько серий экспериментов в условиях in vivo и in vitro.
Эксперимент in vivo поставлен на взрослых самцах крыс линии Вистар
(250-300 г.). В каждой серии животных делили на 2 группы: контрольную и
экспериментальную. Крысы экспериментальной группы в течение 7 дней
получали стандартный комбикорм с добавлением 5 %
(по массе) порошкообразного цеолита Шивыртуйского месторождения
(фракция 0-1 мм.) Контрольные животные потребляли такой же корм без
цеолитов. В ходе эксперимента у всех животных забирались пробы мочи и
каловых масс, в конце эксперимента под эфирным наркозом брали пробы
106
крови из нижней полой вены, а также образцы тканей: печени, тонкого и толстого кишечника (предварительно вскрытого и очищенного от химуса и слизи), сердца, почки, мышцы, бедренной кости и подкожной клетчатки.
Эксперимент in vitro был поставлен с аптечным препаратом желудочного сока «Эквин». В одну порцию желудочного сока объемом 10 мл помещали навеску ПЦ Шивыртуйского месторождения массой 0,5 гр на срок 2 часа, при t желудочного сока 37-38°С, с помешиванием. Вторая порция желудочного сока использовалась в качестве контроля. Затем обе порции желудочного сока подвергали центрифугированию в течение 15 минут. В надосадочной жидкости определяли содержание макро- и микроэлементов. Кроме того, исследовали элементный состав самого цеолита, стандартного корма и водопроводной воды, используемой для питья.
Содержание химических элементов в пробах, полученных в ходе эксперимента, определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии.
Результаты. На первом этапе исследования для оценки степени влияния ПЦ на минеральный обмен организма крыс мы сопоставили количество макро- и микроэлементов, вносимых ПЦ, с величинами их поступления в организм с водой и пищей (табл.1).
Как видно из таблицы, основная часть минеральных веществ поступала в организм с пищей; доля, привносимая с водой, незначительна для абсолютного большинства макро- и микроэлементов. Анализ поступления минеральных веществ у контрольных и опытных животных, показал, что из 24 проанализированных элементов содержание лишь 10 изменялось более чем на 10 % за счет ПЦ. Наиболее существенное увеличение содержания в суточном рационе отмечено для Mn, Al, Be, Pb, Li, As, Fe, V. Таким образом, несмотря на полиэлементный состав цеолиты Шивыртуйского месторождения содержали лишь 8 элементов в количествах более значительных, чем в пище и воде.
В связи с этим на следующем этапе было изучено влияние ПЦ, используемых в качестве пищевой добавки, на содержание данных элементов в крови и некоторых тканях (табл. 2, 3).
Исследуя макро- и микроэлементный состав тонкого кишечника, мы установили, что в условиях цеолитной диеты в стенке тонкого кишечника увеличивалось содержание Fe и Mn. В печени мы зафиксировали лишь незначительное повышение содержания Fe и As. Макро- и микроэлементный состав плазмы крови оставался практически неизменным, за исключением небольшого повышения содержания Л], As, Li. Было отмечено повышенное содержание натрия в ткани печени животных опытной группы, а также калия в тканях печени, сердца, тонкого кишечника, бедренной кости и подкожной клетчатки. По содержанию воды не было выявлено значительных изменений, за исключением повышенного ее содержания в тканях тонкого кишечника у животных опытной группы.
Эти данные позволяют заключить, что в условиях цеолитной диеты не происходило существенного изменения макро- и микроэлементного состава внутренней среды организма. На первый взгляд, это достаточно странно, поскольку у экспериментальных животных содержание некоторых элементов в суточном рационе было в десятки раз выше, чем у контрольных животных.
Табл. 1. Суточное поступление минеральных веществ в организм
контрольных и экспериментальных животных
Содержание макро- и микроэлементов
Элемент Корм без ПЦ (мкг\сутки) Вода (мкг\сутки) Корм + вода мкг\сутки (контроль) Корм + вода+ ПЦ мкг\сутки (опыт)
Л1 3988,0±102,0 0,2±0,002 3988,2± 102,0 35696,6±1972,8 *
ЛБ 6,0±0,6 0,003±0,00003 6,0±0,6 68,7±2,0 *
Ве 3,2±0,2 0,0002±0,000002 3,2±0,2 4,8±0,3 *
Са 229502,0±2796,0 321,7±3,2 229823,7±2796,0 248975,4±3131,0
Сё 1,8±0,08 0,0001±0,000001 1,8±0,08 2,0±0,08
Со 18,0±3,6 0,00002±0,0000002 18,0±3,6 22,0±3,7
Сг 29,8±3,6 0,0009±0,00001 29,8±3,6 31,7±3,7
Си 282,4±6,4 0,04±0,0004 282,4±6,4 290,7±6,6
Бе 40070,0±531,0 57,2±0,6 40127,2±531,0 57871,0±1799,4 *
Ив 0,1±0,02 0,0003±0,000003 0,1±0,02 0,1±0,02
К 165024,0±6750,0 22,1±0,2 165046,1±6750,0 180663,0±7947,0
ы 9,0±1,0 0,04±0,0004 9,0±1,0 18,3±1,7 *
Мв 56036,0±1766,0 82,4±0,8 56118,4±1766,0 60066,3±1938,5
Мп 3366,0±178,0 0,6±0,006 3366,6±178,0 6710,4±226,3 *
Ка 25668,0±2322,0 92,2±0,9 25760,2±2322,0 33842,8±2524,1
N1 102,6±22,6 0,02±0,0002 102,6±22,6 109,2±22,8
Р 143038,0±2134,0 0,2±0,002 143038,2±2134,0 143691,5±2188,6
РЬ 6,0±0,6 0,00005±0,000001 6,0±0,6 36,3±1,2 *
Бе 4,1±0,6 0,006±0,00006 4,1±0,6 4,2±0,6
12658,0±216,0 13,1±0,1 12671,1±216,0 13882,8±291,9
Бп 1,4±0,2 0,00009±0,000001 1,4±0,2 1,5±0,2
И 842,0±75,0 0,02±0,0002 842,0±75,0 852,9±75,0
V 12,6±1,2 0,0002±0,000002 12,6±1,2 21,1±1,7 *
2п 2086,0±124,0 0,05±0,0005 2086,0±124,0 2166,7±129,6
Примечание:
*- достоверные отличия показателей животных, потреблявших ПЦ по сравнению с контрольными.
Поэтому в дальнейшем мы проанализировали изменение макро- и микроэлементного состава желудочного сока (in vitro) при 2 часовой инкубации в нем 5% навески ПЦ. Полученные результаты представлены в таблице 4. Как видно, в результате взаимодействия с ПЦ первоначальный состав желудочного сока значительно изменился. Обращает на себя внимание тот факт, что содержание минеральных компонентов в желудочном соке менялось разнонаправлено.
Табл. 2. Влияние ПЦ на содержание микро-и макроэлементов в плазме крови и тканях
Элемент Тонкий кишечник (мкг\г сух. ткани) Печень (мкг\г сух. ткани) Плазма крови (мкг\мл)
Группы животных
контроль опыт контроль опыт контроль опыт
Al 2,1±0,3 2,5±0,5 1,5±0,2 1,7±0,2 0,07±0,01 0,13±0,03 *
As 0,04±0,003 0,05±0,005 0,1±0,01 0,2±0,02 * 0,018±0,0008 0,03±0,005 *
Be 0,002±0,0003 0,002±0,0003 0,002±0,0005 0,002±0,0003 0,001±0,000 0,001±0.000
Fe 116,6±7,3 215,6±22,9 * 213,8±13,5 235,5±12,8 5,5±0,9 6,7±1,5
Li 0,03±0,005 0,01±0,002 0,02±0,004 0,02±0,007 0,004±0,0002 0,007±0,0005
Mn 3,6±0,4 4,9±0,1 * 4,1±0,2 4,3±0,1 0,06±0,01 0,08±0,03
Pb 0,07±0,02 0,04±0,01 0,04±0,002 0,02±0,002 0,03±0,008 0,04±0,02
Примечание:
*- достоверные отличия показателей экспериментальных животных по сравнению с контрольными.
Табл. 3. Содержание воды и макроэлементов
в тканях животных (М±т)
Ткани и органы Группы животных Содержание
Ш+, ммоль/100г. сух. м. К+, ммоль/100г. сух. м. Воды, %
печень контроль 11,0±0,3 26,6±0,3 70,7±0,4
опыт * 12,8±0,7 * 30,2±0,6 71,9±0,6
сердце контроль 19,4±0,6 29,0±0,5 76,7±0,3
опыт 20,4±0,7 * 32,4±0,9 77,4±0,7
почка контроль 34,1±0,6 21, 1±0,2 76,5±0,2
опыт 34,7±2,2 24,0±2,0 75,7± 1,9
толстый кишечник контроль 23,0±1,5 32,2± 1,7 72,6± 1,2
опыт 27,1±2,0 36,8±1,7 73,8±1,2
тонкий кишечник контроль 18,4±1,8 30,1±1,4 67,6± 1,2
опыт 17,1±1,2 * 38,6±1,5 * 72,4±1,3
мышца контроль 8,8±0,3 37,0±1,5 73,3±0,6
опыт 8,3±0,8 39,2±1,5 73,4±1,0
бедренная кость контроль 23,0±0,5 5,5±0,3 3 5,9± 1,4
опыт 23,2±0,8 * 6,9±0,5 39,0±2,6
подкожная клетчатка контроль 19,8±3,8 3,9±0,4 65,4±2,6
опыт 26,9±4,5 * 7,5±0,9 72,8±3,7
По степени увеличения в желудочном соке концентрации изучаемых элементов их можно условно разбить на 3 группы: а) с приростом концентрации более 5 раз - Ве, Мп; б) с приростом концентрации от 2 до 5 раз - А1, Ы; в) с приростом концентрации до 2 раз - Лб. Интересно, что при этом концентрация РЬ в желудочном соке снижалась. Таким образом, состав желудочного сока при контакте с ПЦ претерпевает значительные изменения, что, вероятно, является результатом ионообменных реакций на цеолитном каркасе и возможно, следствием растворения в желудочном соке различных компонентов ПЦ и цеолитсодержащей породы.
Табл. 4. Изменение содержания минеральных элементов в желудочном соке под влиянием природных цеолитов
Элемент Содержание элементов в желудочном соке (мкг\мл)
без ПЦ с ПЦ
А1 9,1±0,2 23,7±0,5 *
ЛБ 0,014±0,0003 0,017±0,0008 *
Ве 0,001±0,0001 0,021±0,0008 *
Бе 4,1±0,07 3,9±0,2
Ы 0,1±0,003 0,2±0,008
Мп 0,2±0,005 1,2±0,03 *
РЬ 0,2±0.003 0,04±0,004 *
Примечание:
*- достоверные отличия показателей экспериментальных животных по сравнению с контрольными.
В этих условиях представляло интерес исследование уровня экскреции данных элементов с калом и мочой. Было обнаружено значительное увеличение выведения с фекалиями А1 и Лб, экскреция Бе наоборот несколько снижалась (табл.5). Выведение других элементов у контрольных и экспериментальных животных не различалось. Экскреция элементов с мочой
у животных, получавших природные цеолиты, существенно не изменялась, за исключением снижения выведения Бе.
Табл. 5. Влияние ПЦ на экскрецию микро- и макроэлементов с калом и мочой
Элемент Экскреция с калом (мкг/100г/сутки) Экскреция с мочой (мкг/100г/ сутки)
кон-ль опыт кон-ль опыт
Л1 528,1±44,0 803,6±103,5 * 0,3±0,04 0,4±0,1
ЛБ 0,7±0,03 6,0±1,2 * 0,3±±0,03 0,4±0,1
Ве 0,07±0,01 0,1±0,01 0,004±0,001 0,003±0,0003
Бе 1069,6±84,5 806,7±156,4 5,9±2,8 2,5±0,7
и 1,1±0,09 1,2±0,1 0,3±0,03 0,3±0,08
Мп 0,3±0,03 0,2±0,03 0,1±0,02 0,2±0,08
РЬ 7,5±2,9 5,1±0,7 0,2±0,09 0,1±0,02
Примечание:
*- достоверные отличия показателей экспериментальных животных по сравнению с контрольными.
Обсуждение: В литературе приводятся противоречивые данные о влиянии природных цеолитов на минеральный обмен организма. Так, ряд авторов в своих исследованиях не обнаружили существенного влияния ПЦ на минеральный состав органов и тканей (4). В то же время другими исследователями было установлено, что применение ПЦ в качестве пищевой добавки приводит к увеличению содержания некоторых микро- и макроэлементов в тканях (6).
Такие изменения авторы связывают со значительным поступлением микро- и макроэлементов в организм с природными цеолитами. В нашем случае при использовании природных цеолитов в качестве 5% пищевой добавки значительное влияние ПЦ на минеральный состав суточного рациона было обнаружено только по нескольким элементам (Л1, Лб, Ы, Мп,
РЬ, Ве, Бе, V). По остальным 18 элементам ПЦ Шивыртуйского месторождения при использовании их в количестве 5 % от массы корма не оказывали заметного влияния на суточную дозу потребляемых микро- и макроэлементов.
Изучение содержания различных элементов в плазме крови и тканях показало, что их минеральный состав практически не изменялся, за исключением увеличения содержания Бе в тканях и небольшого прироста концентрации А1, Лб, Ы в плазме крови. Эти данные плохо согласуются с результатами первой части наших исследований, где было обнаружено значительное поступление с ПЦ А1, Лб, Ы, Мп, РЬ, Ве, Бе и V. Поэтому для выяснения причин такого несоответствия мы в дальнейшем определяли изменение минерального состава желудочного сока при инкубации в нем ПЦ и исследовали экскрецию изучаемых микро- и макроэлементов с калом и мочой.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что основная часть Лб, Ы, Бе, содержится в ПЦ в связанном виде и практически не переходит в желудочный сок. Другие элементы: А1, Ве, Мп, - содержатся, вероятно, в более растворимых формах, чем и объясняется значительное возрастание их концентраций в желудочном соке. Вместе с тем, даже для этих элементов повышение концентрации в желудочном соке было не столь значительно по сравнению с их содержанием в ПЦ. Это объясняется тем, что основная часть элементов оставалась в связанной форме. Полученные данные свидетельствуют о том, что при оценке степени влияния ПЦ на минеральный обмен организма необходимо учитывать не только общее содержание элементов, но и способность ПЦ отдавать микро- и макроэлементы при поступлении в ЖКТ.
В этих условиях логично было ожидать значительное увеличение экскреции с калом микро- и макроэлементов у экспериментальных животных. Действительно, мы обнаружили существенное повышение
выведения Л1, Лб с фекалиями и практически неизменный уровень их экскреции с мочой. Это, на наш взгляд, свидетельствует о том, что основное количество поступивших микроэлементов выводится из организма, даже не будучи абсорбированными в ЖКТ. Однако это не исключает возможности их влияния на процессы абсорбции в кишечнике, возможно, за счет непосредственного действия на активность транспортных систем эпителиоцитов (3). Тот факт, что большинство микроэлементов не выходит за пределы ЖКТ подтверждается отсутствием заметного прироста содержания элементов в тканях, плазме крови и практически неизменном выведении макро- и микроэлементов с мочой. Вместе с тем, при более длительном потреблении ПЦ в качестве пищевой добавки нельзя исключить возможности значительных изменений минерального обмена организма.
Выводы
Природные цеолиты Шивыртуйского месторождения, используемые в качестве 5 % пищевой добавки, существенно увеличивают поступление в ЖКТ Мп, Л1, Ве, РЬ, и Лб, Бе и V.
1. Основная часть минеральных веществ в избытке поступающих с ПЦ в ЖКТ находится в связанной форме, что препятствует их абсорбции в кишечнике.
2. В условиях цеолитной диеты минеральный состав плазмы крови и тканей изменяется незначительно, а экскреция избыточно поступающих элементов осуществляется в основном с калом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айзман Р. И., Герасев А. Д., Петункин Н. И. Влияние цеолитов на водно-солевой обмен и функцию почек // Использование цеолитов в защите природной среды и человека. - 1993. - С. 23-30.
2. Богданова В. И., Белицкий И. А. Проблемы оценки качества цеолитсодержащих пород по ионообменной емкости/ // Физико-химические и медико-биологические свойства природных цеолитов. - 1990. - С. 13-29.
3. Герасев А. Д., Луканина С. Н., Айзман Р. И. Особенности транспорта ионов К+ в кишечнике крыс при использовании природных цеолитов в качестве пищевой добавки // Российский физиол. журн. им. И. М.Сеченова. - 2003. - Т. 89. - № 8. -С. 972-981.
4. Панин Л. Е., Третьякова Т. А. Влияние хонгурина на химический состав и биологическую ценность мяса птицы // Физико-химические и медико-биологические свойства природных цеолитов. - 1990. - С. 72-83.
5. Паничев А. М. Литофагия в мире животных и человека. - М., 1990. - 224 с.
6. Шадрин А.М., Сафронов В. С. Влияние пегасина в составе кормосмеси с карбамидом на продуктивность, обмен веществ и качество мяса бычков // Физико-химические и медико-биологические свойства природных цеолитов. - 1990. -С. 90-99.
7. Natural zeolite clinoptilolite: new adjuvant in anticancer therapy / K. Pavelic, M. Hadzija, L. Bedrica, J. Pavelic, I. Dikic, M. Katic, M. Kralj, M. Bosnar, S. Kapitanovic, M. Poljak-Blazi, S. Krizanac, R. Stojkovic, M. Jurin, B. Subotic, M. Colic // J Mol Med. - 2001. -Vol.78(12). - P.708-720.
8. The effect of the zeolite clinoptilolite on serum chemistry and hematopoesis in mice / I. Martin-Kleiner, Z. Flegar-Mestric, R. Zadro, D. Breljak, S. Stanovic Janda, R. Stojkovic, M. Marusic, M. Radacic, M. Boranic // Food Chem Toxicol. - 2001. - Vol. 39(7). - P. 717-727.
