Экологическая оценка действия свинца в системе "почва-растение-животное" и разработка научно обоснованных приемов его детоксикации

Введение . В последние десятилетия среди наиболее опасных загрязнителей все чаще называют тяжелые металлы. Их миграция и перераспределение в компонентах экосистем зависят как от целого комплекса природных факторов, так и от интенсивности и характера техногенеза [1, 2].

Свинец является одним из наиболее токсичных металлов и включен в списки приоритетных загрязнителей рядом международных организаций, в том числе ВОЗ, ЮНЕП, Американским агентством по контролю за токсичными веществами и заболеваниями (CDC) и другими аналогичными государственными организациями в различных странах [3].

Селен – биологически активный микроэлемент, незаменимый для жизнедеятельности человека и животных. Нет другого минерала, который был бы столь жизненно важен для наших антиокислительных защитных механизмов. Когда у нас нет селена, то нет и глутатионпероксидазы – мощного антиокислительного фермента [4]. При этом речь идёт о тонкой регуляции жизнедеятельности клетки (обмен глюкозы, калиево-натриево-кальциевый обмен, ферментативные реакции) – от её энергетики до деления. Селен препятствует образованию свободных радикалов в крови и мешает разрушительному действию уже образовавшихся. Селен помогает выводить из организма ионы тяжёлых металлов [5–7].

Цель работы . Экологическая оценка действия свинца в системе «почва-растение-животное» и разработка научно обоснованных приемов детоксикации свинца путем обогащения кормов селеном.

Объекты, методы и результаты исследований . Объекты исследования: лабораторные животные – крысы линии Wistar, микроэлементы – свинец, селен, луговочерноземная почва, столовая свекла и морковь.

Для моделирования поступления микроэлементов в животный организм были использованы корма, выращенные в условиях антропогенного загрязнения тяжелыми металлами.

Полевой опыт проводился в мае 2015–2016 гг. Схема полевого опыта по оценке влияния Pb на урожайность и качество столовой свеклы и моркови следующая: 1. Фон. 2. Фон+ Pb 7кг/га (0,5 ПДК). 3. Фон+ Pb 14 кг/га (1 ПДК). 4. Фон+ Pb 28 кг/га (2 ПДК).

Проводимый опыт – однофакторный. Фактором, определяющим величину урожая в опыте, являлись различные дозы микроудобрений. Опыт является мелкоделя-ночным. Общая площадь делянки 1,0 м2. Полевой опыт заложен в четырехкратной повторности с систематической последовательностью размещения вариантов.

Внесение свинца осуществлялось до посева культуры. Предшественником столовой свеклы и моркови был чистый пар.

Дозы свинца рассчитаны с учетом установленных ПДК для подвижных форм их в почве. Использовали дозы, соответствующие 0,5; 1 и 2 ПДК.

В ходе исследований были проведены учеты и наблюдения за ростом и развитием растений, приурочен- ные к основным фазам развития столовой свеклы и моркови.

Отбирали по 6 растений с каждой делянки для проведения биометрических измерений по следующим показателям: масса целых растений, длина надземной части каждого растения, масса листьев, масса плода. В растениях определяли сухое вещество весовым методом, дальше материал оставляли сушить для последующего определения тяжелых металлов. Содержание свинца определяли в ФГБУ ЦАС «Омский».

В сентябре 2015–2016 гг. года была организована уборка, проведена оценка биометрических показателей свеклы и моркови. Учет урожая проводили прямым поде-ляночным взвешиванием. По окончании проводили статистическую обработку данных.

После уборки урожая полученные корма вводились в рацион лабораторных животных – крыс линии Wistar. Подопытные животные содержались на стандартном лабораторном рационе (Крючкова Г.М. и соавт., 1977), ежесуточно в течение шести месяцев в рацион вводились столовая свекла, морковь, выращенные в полевых опытах с применением микроэлементов.

Подопытные животные контрольной группы содержались на стандартном лабораторном рационе. Животным 1-й опытной группы ежесуточно в рацион вводились корма, обогащенные свинцом, животным 2-й опытной группы – корма, обогащенные свинцом, и раствор селенита натрия (доза селена 1 мг/кг ). Животные 3-й группы получали стандартный лабораторный рацион и раствор селена. Кормление животных осуществлялось в течение 4 месяцев.

В качестве фактора, снижающего токсичность тяжелых металлов, выбраны корма, обогащенные селеном.

Биохимические исследования . Для лабораторных исследований у животных контрольной и опытных групп был произведен забор крови из бедренной артерии, печени и почки под эфирным наркозом. Полученную кровь разделили на плазму и эритроцитарную массу. В плазме крови определили содержание общего белка и его фракций (альбумины и глобулины), глюкозы, молочной и мочевой кислот, мочевины, активность ферментов аланинаминотрансферазы, аспартатаминотрансферазы, содержание Ca и P.

Статистические методы . Математическая обработка результатов осуществлялась стандартными статистическими методами с использованием компьютерного пакета программ STATISTIKA, EXCEL.

Для того чтобы выявить содержание свинца в почве в условиях антропогенного влияния, были внесены в почву растворы с различной концентрацией микроэлементов (табл. 1).

Таблица ч1

Содержание подвижногоilsсвинца в лугово-черноземной почве в зависимости от дозы его применения, мг/кг

Вариант	Свинец,мг/кг
Фон	1,36±0,01вранбы
Фон+Pb 0,5 ПДК	1,74±0,04
Фон+Pb 1 ПДК	2,10±0,02*
Фон+Pb 2 ПДК	2,25±0,02*
ПДК	6

* Различия достоверны по отношению к фону.

Анализ содержания свинца в овощных культурах показал, что столовая свекла и морковь интенсивно аккумулируют эти элементы в условиях дополнительного поступления их в почву (табл. 2). При этом наблюдалась четкая закономерность при накоплении тяжелых металлов в корнеплодах исследуемых овощных культур: чем больше была доза вносимого в почву элемента, тем больше его содержание в корнеплодах. В то же время накопление микроэлементов как в столовой свекле, так и в моркови не превышало установленных нормативов.

Содержание свинца в корнеплодах моркови и свеклы, мг/кг

Таблица 2

Вариант	Морковь	Свекла
Фон	0,43±0,02	0,46±0,01ксурино
Фон + Pb 0,5 ПДК	0,80±0,04*	0,78±0,04*
Фон + Pb 1 ПДК	0,83±0,03*	0,88±0,03*
Фон + Pb 2 ПДК	0,92±0,04*	0,88±0,04*ксурино

* Различия достоверны по отношению к фону.

При изучении действия свинца в системе «почва- растение-животное» представляет интерес оценка влияния этого металла не только на химический состав растений, но и на организм животных [8, 9].

В дальнейшем полученный урожай корнеплодов был использован в рационе лабораторных крыс линии Wistar с целью исследования влияния свинца на организм животных и возможности снижения его токсического действия введением селена.

Известно, что печень в организме выполняет множество функций, в том числе синтетическую и экскреторную. При этом общее количество белка свинца и его основные физико- химические параметры зависят от состояния гепатоцитов. В связи с этим нами были изучены такие биохимические показатели, как общий белок и его фракции [10, 11].

Исследования биохимического анализа крови животных показали, что у всех трех групп опытных животных наблюдаются изменения в уровне общего белка и его фракций по сравнению с контролем. Содержание общего белка в группе «свинец» на 10,8 % больше, чем у животных контрольной группы. Возможно, это связано с наличием воспалительных явлений (возрастание количества белков острой фазы воспаления) (рис. 1).

Рис. 1. Содержание общего белкакзви его фракций глобулинов кэги альбуминов в сыворотке крови крыс, г/л

У животных всех опытных групп отмечается повышение содержания молочной кислоты. Наибольшее содержание молочной кислоты в группе «свинец» – 7,3 ммоль м/л, что в 2,7 раза превышает показатель группы «контроль». Это может свидетельствовать о наличии гипоксии в организме животных. Возрастание уровня молочной кислоты также наблюдается при поражении печени, сердечной и почечной недостаточности.

Существует мнение, что возрастание уровня мочевины выше 6,66 ммоль/л уже нужно рассматривать как признак патологии. Увеличение содержания мочевины по сравнению с контролем отмечено в крови животных групп «селен» (на 14,9 %) и «свинец» (на 7,5 %), что свидетельствует о нарушении функции почек (рис. 2).

11 Молочная кислота

5! Мочевина

Рис. 2. Содержание молочной кислоты и мочевины в сыворотке крови крыс, ммоль/л

В крови животных группы «свинец» отмечено увеличение содержания мочевой кислоты в 2,2 раза по сравнению с контролем. В группе «селен» увеличение содержа- ния мочевой кислоты – в 1,7 раза по сравнению с контролем. Повышенное содержание мочевой кислоты может свидетельствовать о поражении почек (рис. 3).

I I Мочевая кислота

Рис. 3. Содержание мочевой кислоты в сыворотке крови крыс, проводился мкмоль/л

В условиях повышенного поступления микроэлементов особый интерес представляет обмен ионов в организме животных, в связи с этим мы провели исследование содержания кальция и фосфора в крови животных.

Нормальная абсорбция свинца из пищеварительного тракта составляет 5–10 %. Величина ее увеличивается в животных организмах, страдающих недостатком кальция. Место аккумуляции свинца – скелет, в котором содержится около 90 % всего поступившего в организм элемента. Свинец накапливается в костях, частично замещая кальций в фосфате Ca 3 (PO 4 ) 2 [12, 13].

Физиологическая норма содержания кальция в сыворотке крови составляет 2,4–2,9 ммоль/л. Обмен кальция в организме не нарушается, содержание свободного кальция находится в пределах нормы во всех группах.

Нормальное содержание фосфора в сыворотке статистические крови составляет 0,81–1,45 ммоль/л.

При этом установлено, что при поступлении селена и свинца увеличивается содержание фосфора, что, возможно, говорит о нарушении функции почек. Максимальное фосфора в группе «селен» – 1,95 ммоль/л, что превышает показатель группы на 69,5 % (рис. 4).

2,5

ммоль/л 1,5

0,5

я Кальций

Фософор

контроль     Se

Pb      Pb+Se

Рис. 4. Содержание кальция, фосфора в сыворотке крови крыс, ммоль/л

Помимо биохимических показателей, в рамках данного исследования была проведена оценка накопления свинца и селена в организме крыс линии Wistar.

Поскольку основным депо микроэлементов является печень, представлялось необходимым определить содер- жание свинца именно в этом органе. Наибольшее содержание свинца отмечается у вого животных 2-й опытной группы (рис. 5).

и

i? s

w

1,8 1,6 1,4 1,2

1 0,8 0,6 0,4 0,2

s Свинец контроль    Se       Pb     Se+Pb

Рис. 5. Содержание свинца в печени крыс , мг/кг

Исследования показали, что содержание свинца во 2-й опытной группе увеличивается в 1,6 раза по сравнению с контрольной группой. В группе «свинец+селен» применение селена снижает уровень поступления свинца в организм крыс в 1,5 раза. При этом у данной группы животных содержание свинца в печени снижается до уровня контроля.

По результатам исследования отмечено накопление свинца в печени у животных и нарушение ее функций, в то же время применение селена способствует нормализации ряда показателей. Селен способен снижать содержание свинца в печени животных и способствует снижению токсического действия этого металла.

Выводы

• 1.    Содержание подвижного свинца в луговочерноземной почве напрямую зависит от дозы его внесения в почву. Чем больше доза внесения свинца, тем больше его содержание в почве, максимальное содержание свинца в почве при дозе 2 ПДК составляет 2,25 мг/кг.

• 2.    Столовая свекла и морковь интенсивно аккумулируют свинец. При этом наблюдалась четкая закономерность при накоплении тяжелых металлов в корнеплодах исследуемых овощных культур: чем больше была доза вносимого в почву элемента, тем больше его содержание в корнеплодах.

• 3.    Применение селена снижает уровень поступления свинца в организм крыс в 1,5 раза. При этом у группы животных «свинец+селен» содержание свинца в печени снижается до уровня контроля.

• 4.    В условиях повышенного накопления свинца в печени животных отмечается нарушение ее функций, в то же время применение селена способствует нормализации ряда биохимических показателей. Селен способен снижать содержание свинца в печени животных и способствует снижению токсического действия этого металла.