Биологическое поглощение тяжелых металлов и эссенциальных элементов в системе «почва-корма-животное-продукция» в регионе селенодефицита

Изучение химических и биологических свойств уникального химического элемента селена, его содержание и миграция в объектах внешней среды вызывает все больший интерес ученых. Установлены закономерности содержания и трансформации селена в почвах в зависимости от их типа, характера хозяйственного использования и количественного содержания гумуса [9]. Концентрация селена в почве имеет огромное значение для получения сельскохозяйственных культур богатых селеном. Селен содержится в составе минералов самородного селена, селенатов, селенидов, селенитов. Значительное влияние на концентрацию минералов селена в почве оказывает материнская порода. Неравномерное распределение селена в почве обуславливает появление селенодефицитных регионов. Селен – это рассеянный ультра-микроэлемент, обладающий антиоксидантными свойствами, который оказывает антагонистическое воздействие на всасывание растениями тяжелых металлов из почвы [5]. Некоторыми авторами сообщается, что кормовые растения, выращенные на селенодефицитных почвах с кислой средой, концентрируют тяжелые металлы в большей степени, по сравнению с растениями, произрастающими на щелочных почвах с умеренным содержанием селена [7, 10].

Макро-     и     микроэлементы оказывают большое влияние на метаболизм животных. Цинк в живом организме содержится в составе более чем трехсот ферментов, что объясняет его роль в регуляции углеводного, жирового, и белкового    обменов,    участие    в окислительно-восстановительных процессах и регулировании активности генов [4]. Медь играет важную роль в организме, влияя на активность витаминов, гормонов и ферментов. Одновременно микроэлемент участвует в формировании соединительной ткани, образовании энергии на клеточном уровне, в синтезе меланина и в антиоксидантной защите организма [4]. Содержание кадмия в почве, растениях и в организме сельскохозяйственных животных в зонах различной степени техногенной нагрузки неодинаковое, с усилением степени техногенеза увеличивается загрязненность объектов [3]. Никель в организме животных влияет на процесс синтеза белка,    ферментативные    процессы, окисления витамина C и при избыточном поступлении его в организм, вызывает нарушение синтеза белка, ДНК, РНК, снижает        активность        ряда металлоферментов    [12].    Авторами отмечено антитоксическое свойство органических форм селена в организме животных, заключающееся в связывании ионов тяжелых металлов. Связанные комплексы селена и ионов тяжелых металлов, преодолевают почечный барьер и выводятся из организма [6, 8].

Общеизвестно, что соединения тяжелых металлов свободно мигрируют в системе         «почва-корма-животное- продукция» и многие внешние факторы могут оказывать влияние на снижение или увеличение концентрации химических элементов в различных звеньях системы. Опасность тяжелых металлов заключается в их кумулятивных и токсичных свойствах в живых организмах. Особо важными для изучения в миграции и взаимодействии в системе         «почва-корма-животное- продукция» являются, как обособленные опасные химические элементы кадмий и никель, так и эссенциальные - цинк и медь, которые при неадекватном накоплении их в организме, вызывают интоксикацию [11]. Некоторые авторы сообщают, что исследование процессов миграции химических элементов в системе «почва-корма-животное-продукция» позволяет прогнозировать накопление токсичных соединений в звеньях системы, а использование антиоксидантов и сорбентов позволит снизить токсическую нагрузку на объекты системы [1].

В связи с чем, целью исследования стало определение особенностей миграции химических элементов по звеньям системы «почва-корма-животное-продукция»     в селенодефицитном регионе с низкой степенью техногенной и антропогенной нагрузки.

Материал      и      методы исследований. Объектами исследования стали образцы почв (n=5), кормов (n=12), кровь телят (n=7), молоко коров (n=3).

Исследования проводили на территории    западного    Предкамья

Республики Татарстан (РТ), где преобладают светло-серые лесные почвы, на их долю приходится более 60%, остальную часть занимают дерновосреднеподзолистые      почвы      на делювиальных суглинках и дерново-карбонатные выщелоченные. Территория характеризуется     низким     уровнем техногенной нагрузки - 0,029 П, в течение года от стационарных источников промышленных предприятий и автотранспорта в атмосферу выбрасывается не более 15,3 тыс.т. загрязняющих веществ ежегодно [2].

Пробы почв отбирали по диагонали участка методом маршрутного хода. Формировали объединенную пробу, включающую в себя 40 уколов буром на глубине пахотного слоя. Проводили отбор средней пробы злакобобового сенажа массой 1кг и концентрированного корма массой 0,5 кг. Кровь отбирали у телят в возрасте двух месяцев, в утренние часы до кормления. Молоко коров отбирали из общего сборного молока из молочного танкера в объеме 0,5 л в течение трех дней.

Исследование на содержание химических элементов в образцах почв, кормов, крови телят и молока коров проводили методом атомно абсорбционной спектрометрии с пламенной атомизацией на спектрометре Perkin Elmer «PinAAcle900F» (США) по ГОСТ 30178-96 «Сырьё и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов»

Результаты, полученные в ходе исследования были сопоставлены с данными нормативных документов утвержденных Главным государственным санитарным врачом РФ 06.11.2001: «Временный максимально-допустимый уровень (МДУ) некоторых химических элементов в кормах для сельскохозяйственных животных, мг/кг корма» (Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 и СанПиН 2.3.2.107801) (ГН); «Предельно допустимые количества (ПДК) химических веществ в почвах, мг/кг», которые были утверждены Минздравом России под номером 1968-79 от 21.02.79, номером 25546-82 от 13.05.82 и номером 3210-85 от 10.02.85; «Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в некоторых видах продовольственного сырья и пищевых продуктов для России, мг/кг» (медикобиологические требования постановления №5061-89). Для количественной оценки способности объектов к поглощению и накоплению химических соединений, применяли коэффициент биологического поглощения. Коэффициент биологического поглощения (КБП) вычисляли по формуле КБПо = Со / Сп, где КБПо представляет собой коэффициент биологического поглощения элементов объектом, Со – содержание элементов в золе исследуемого объекта, а Сп – содержание элементов в золе предыдущего в звене объекта. Статистическую обработку данных проводили в программе Microsoft Office

Excel 2022, для определения значимости различий использовали t-критерий Стьюдента. Библиографический список использованных литературных источников оформляли в соответствии с ГОСТ Р 7.0.11-2011.

Результат исследований. В таблице 1 представлены показатели содержания химических элементов – цинка, меди, селена, кадмия и никеля в пробах крови и молока крупного рогатого скота, кормах и почве.

Таблица 1 – Содержание химических элементов в объектах системы «почва-корма-животное-продукция» (мг/кг)

Объект исследования	Допустимый уровень	Показатель	% от допустимого уровня
Цинк
Почва	100,0	29,2±1,2	29,2
Сочные Корма	50,0	51,0±3,4	102,0
Комбикорм	100,0	13,0±1,1	13,0
Кровь	40,0	2,9±0,8	7,2
Молоко	5,0	5,8±0,3	116,0
Медь
Почва	55,0	15,3±1,1	28,0
Сочные Корма	30,0	35,0±2,0	116,0
Комбикорм	30,0	7,0±0,5	23,3
Кровь	5,0	1,3±0,2	25,0
Молоко	1,0	0,2±0,1	20,0
Селен
Почва	2	0,09±0,03	4,5
Сочные Корма	0,04	0,02±0,01	55,0
Комбикорм	0,2	0,01±0,01	5,0
Кровь	0,2	0,01±0,01	3,0
Молоко	0,6	0,11±0,01	18,3
Кадмий
Почва	2,0	0,2±0,1	8,5
Сочные Корма	0,4	менее 0,005	1,2
Комбикорм	0,4	менее 0,005	1,2
Кровь	0,03	менее 0,005	16,6
Молоко	0,02	менее 0,005	25,0
Никель
Почва	40,0	31,0±2,4	77,5
Сочные Корма	3,0	0,7±0,6	23,3
Комбикорм	3,0	0,9±0,3	30,0
Кровь	0,5	0,05±0,01	10,0
Молоко	0,3	0,05±0,01	16,6

При анализе показателей таблицы коров – на 16,0 %, и содержания меди в установлено превышение содержания сочных кормах на 16,0 %, в сравнении с цинка в сочных кормах на 2,0%, молоке показателями МДУ и ГН этих элементов в

кормовых растениях и молоке. Отмечали, что содержание химических элементов в исследованных пробах почв не превышали установленных нормативов предельнодопустимых концентраций (ПДК) этих элементов для почв. Исследование проб концентратов показало, что содержание цинка, меди, селена, кадмия и никеля находилось значительно ниже допустимых показателей МДУ кормов, что объясняется наличием естественного физиологического барьера между стеблем растения и формирующимся зерном, обеспечивающим антитоксическую защиту.

Анализ содержания химических элементов в крови телят и молоке коров показал, что их концентрация значительно ниже предельно-допустимых значений, что может указывать на активное потребление цинка, меди и селена для роста и развития телят и процессы образования молока у коров. Превышение цинка в исследованных пробах молока связано с потреблением животных большого количества сочных кормов, обеспечивающих молокообразование. Однако, низкое содержание цинка в крови телят указывает на низкую концентрацию элемента в организме. В то же время превышение в молоке коров указывает на то, что с молоком идет усиленная элиминация соединений цинка из организма животных.

Миграция и кумуляция химических соединений в звеньях системы «почва-корма-животное-продукция» зависит от агрохимических свойств почвы, видовых особенностей растений, способа их переработки и хранения, количества потребленных животными кормов, метаболизма животных и количества произведенной продукции. В связи с чем, особый интерес представляло определение коэффициента биологического поглощения (КБП) элементов звеньями системы «почва-корма-животное-продукция». Показатель, превышающий единицу, указывает на наличие накопления элементов в звеньях системы. Полученные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Коэффициент биологического поглощения химических элементов

Объект исследования	Величина коэффициента биологического поглощения (КБП) элементов
	цинк	медь	селен	кадмий	никель
Сочные корма	1,70	2,28	0,22	0,02	0,02
Комбикорм	0,44	0,46	0,11	0,02	0,03
Кровь	0,04	0,03	0,50	0,50	0,03
Молоко	2,03	0,20	5,50	1,0	0,05

Анализ полученных данных показывает, что высокими накопительными свойствами в отношении соединений цинка и меди обладали сочные корма, где показатель КБП составил 1,7 и 2,28 единиц соответственно. Высокие кумулятивные свойства цинка и селена проявились в молоке коров, где показатели КБП составили 2,03 и 5,5 единиц соответственно. Показатель коэффициента биологического поглощения особо опасных химических элементов во всех звеньях системы находился ниже единицы и указывал на низкие накопительные свойства соединений кадмия и никеля в почвах и растениях.

При анализе перемещения селена по звеньям системы установлено, что его коэффициент накопления в кормах колебался в пределах 0,11-0,22 единиц, с повышением накопления в крови телят – до 0,5 и в молоке коров – до 5,5 единиц. Полученные данные свидетельствуют о высоком кумулятивном свойстве селена в организме животных.

Выявляли сравнительно высокий коэффициент накопления кадмия в крови телят – 0,5 и молоке коров – 1,0 единица. В то же время кумуляция никеля в крови и молоке была сопоставима с остальными звеньями системы и характеризовалась показателем КБП – 0,03 и 0,05 единиц соответственно.

Заключение. Проведенное исследование в западном Предкамье РТ по содержанию тяжелых металлов и эссенцеальных элементов в системе «почва-корма-животное-продукция» установило незначительное превышение допустимых концентраций цинка и меди по МДУ в злакобобовом сенаже. Установлено,     что     биологическое поглощение цинка было выше единицы по звену «корма» и «продукция», что составило 1,7 и 2,03 единицы соответственно.             Превышение коэффициента накопления меди выявляли в звене «корма», что составило 2,28 единиц; селена – в звене «продукция» – 5,5 единиц; кадмия – в звене «продукция» – 1,0 единиц; накопления никеля в звеньях системы не выявляли. Высокие кумулятивные свойства селена в сочных кормах и молоке коров открывают перспективу для разработки технологии получения функциональных продуктов растениеводства и животноводства по содержанию селена, что является актуальным в регионах селеновой недостаточности.