Моделирование поступления кадмия, свинца, ртути и мышьяка в организм жвачных животных с рационом и перехода в продукцию животноводства

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №3. 2023

УДК 636.03                                       

В настоящее время наблюдается рост антропогенной нагрузки на окружающую среду. В результате, особенно в промышленных регионах, обнаружены территории с повышенным содержанием экотоксикантов, что приводит к значительному загрязнению сельхозугодий, кормов и, как следствие, ухудшению ветеринарно-санитарного качества животноводческой продукции, служит причиной хронической интоксикации животных, снижая их воспроизводительные качества, иммунологический статус [1, 2].

Наибольшую опасность представляют тяжелые металлы (ТМ): ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, которые включены в число подлежащих контролю при международной торговле пищевыми продуктами. Обладая высокой экотоксичностью, кумулятивностью и синергизмом они, при попадании в организм, нарушают внутренние обменные процессы и снижают его устойчивость к различным заболеваниям [3].

К сожалению, вопросы накопления ТМ в организме с/х животных при потреблении с рационом малых количеств тяжелых металлов в настоящее время изучены недостаточно, а все известные оценки по своему содержанию являются отражением условий проведения экспериментов и степень их достоверности в разных исследованиях, естественно, различна. Прогнозировать их переход в производимую продукцию, затруднительно. Отдельные работы по миграции и накоплению ТМ в органах и тканях крупного рогатого скота и овец выполнены, но результаты исследований противоречивы, носят фрагментарный характер, не отражают комплексного подхода к изучению поведения ТМ в системе «рацион – организм животных – продукция животноводства» [4, 5].

В связи с этим задача кормопроизводства от рационального использования кормов в направлении обеспечения максимальной, генетически обусловленной продуктивности при сохранении здоровья и воспроизводительной функции животного должна быть расширена до решения вопросов получения экологически безопасной животноводческой продукции.

Цель данной работы заключается в моделировании поступления Cd, Pb, Hg и As в организм жвачных животных, накоплении и перехода в животноводческую продукцию на предмет оценки допустимых уровней содержания ТМ в рационах кормления для получения на техногенно загрязненных территориях экологически безопасной продукции (молока и мяса).

В связи с вышесказанным, актуальной является задача не только выявления специфики распределения в организме каждого из указанных тяжелых металлов, но также установления

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №3. 2023 закономерностей накопления и перехода в животноводческую продукцию для разработки научно-обоснованных нормативов содержания ТМ в рационах кормления.

Общедоступная научная информация показывает, что основное внимание исследователей сконцентрировано на процессах аккумуляции ТМ в органах и тканях организма животных и уровнях загрязнения мяса, молока и др. продукции. Сопоставление данных показывает, что они довольно сильно отличаются, провести анализ и обобщить их практически невозможно. Причина в том, что ответная реакция организма на поступление ТМ с рационом находится в зависимости от многочисленных факторов внешней и внутренней среды и, в случаях длительного поступления ТМ с рационом, задача не может быть решена без их учета. Проблема усложняется еще и тем, что предлагаются различные подходы к оценке поступления ТМ в организм животных [6].

Устранение расхождений в подходах является необходимым и возможно только путем проведения дальнейших исследований с учетом, что принятые в настоящее время временные усредненные нормы предельного содержания токсических элементов в кормах имеют существенные недостатки и требуют уточнения.

Таким образом несмотря на то, что загрязнение кормов тяжелыми металлами носит региональный характер и связано в основном с промышленными выбросами и повышенным естественным их содержанием в почвах, проблема перехода ТМ по трофической цепи «рацион – организм животных – продукция животноводства» находится в центре внимания специалистов.

Моделирование

Математическое описание исследуемых объектов или биологических процессов зависит от особенностей поставленной задачи. Когда не принимается во внимание структура изучаемой системы и механизмы ее функционирования ограничиваются методами математической статистики, которые дают требуемое решение. В случае, когда представления о поведении системы, ее отклика на изменение факторов внешней и внутренней среды могут существенно повлиять на принимаемые решения, прибегают к методам моделирования систем.

Ранее была разработаны модели воздействия Cd на организм жвачных животных при хроническом поступлении с рационом [7]. При проведении численных опытов на моделях, анализе и обобщении полученных данных установлены закономерности формирования зависимостей «доза-эффект» при поступлении ТМ в организм животных с рационом, которые оказались аналогичны базовым закономерностям для изолированных органов и тканей [8]. Анализ формирования зависимостей показал, что имеет место нормальное и логнормальное распределение животных по показателям «концентрация ТМ в мясе» и «концентрация ТМ в молоке», что позволяет использовать модели для прогнозирования содержания ТМ в продукции. Варьирование значений модифицирующих факторов позволили нормировать и выполнить оценку максимально допустимого уровня (МДУ) содержания Cd и Pb в рационах животных [9].

Принятая методология оценки перехода ТМ из кормов в продукцию была использована при построении имитационных моделей поступления Hg или As с рационом в организм КРС и овец. В дальнейшем, разработанные модели были трансформированы в одну модель. Предназначение — решение задачи количественной оценки допустимого уровня содержания Cd, Pb, Hg и As в рационах жвачных животных в зависимости от вида животных, возраста, физиологического состояния, способа содержания, направления и уровня продуктивности при содержании на загрязненных тяжелыми металлами территориях с целью недопущения превышения санитарно-гигиенического норматива в животноводческой продукции.

Концептуальная схема (Рисунок 1) отражает структуру и порядок функционирования модели. Модель является стохастической. В них учтены вариации содержания ТМ в рационах кормления, абсорбции ТМ в ЖКТ, изменения основного обмена от животного к животному при данном физиологическом состоянии, энергетических ресурсов расходуемых организмом на поддержание своего энергетического статуса, других показателей, влияющих на переход ТМ в продукцию, а также стохастический характер потребления корма. Для количественного учета потребляемых питательных веществ рационов кормления используется система оценки кормов по обменной энергии [10].

Учтены факторы, влияющие на накопление ТМ в организме и переход в производимую продукцию животноводства такие как вид животных, возрастная группа, физиологическое состояние, способ содержания и кормления, уровень продуктивности [11].

Рацион кормлении родукция хнологня содержания н кормления

Метаболизм ТМ в организме

Животноводческая я

ТМ в рационе:

Структура:

Привес, удой, соответствующий рациону кормления

Содержание ТМ в продукции (молоке, мясе)

Группа животных ' (пол, возраст, живая масса, планируемая продуктивность^

Производственное направление использования

/----------

Вцд животных (КРС, овцы)

I Грубые Сочные

Зелёные

Концентр.

Абсорбция

,’ЛЯЦИЯ

Концентрация, (мг/кг)

Содержание, , (иг) _;

Экскреция j

Рисунок 1. Концептуальная схема модели оценки поступления Cd, Pb, Hg и As в организм жвачных животных с рационом.

Для расчета максимально-допустимых уровней содержания кадмия, свинца, ртути и мышьяка в рационе крупного рогатого скота и овец установлен перечень входных параметров:

• -    вид животных: КРС или овцы;

• -    поголовье животных. Численность животных установлена 10 голов для каждого опыта;

• -    половозрастная группа животных. Для КРС выбраны следующие группы: быки-производители, коровы, ремонтные телки и племенные бычки, молодняк, выращиваемый на мясо. Овцы представлены 3 группами: бараны-производители, овцематки и растущие ягнята;

• -    рацион кормления. Структура рациона включает объемистые (грубые, сочные и зеленые) корма и концентрированные корма. Рассматриваются типовые рационы [10, 12–14], которые рассчитаны на обеспечение роста и нормального физиологического развития животных данного вида, возрастной группы при заданных условиях содержания и направления использования.

• -    продуктивность: планируемая живая масса на конец периода выращивания, для лактирующих —молочная продуктивность (удой за лактацию);

• -    величина содержания ТМ (Cd, Pb, Hg или As) в рационе (мг/рацион). Принято во внимание, что в пастбищный период размеры поступления ТМ в организм животных и, соответственно, в продукцию животноводства возрастают за счет потребления почвенных частиц: в среднем у крупного рогатого скота в 1,8 раза, у мелкого рогатого скота — в 2,2 раза [15];

Учитывается изменение живой массы с возрастом, удоев, типа и уровня кормления при переходе от пастбищного периода к стойловому периоду, а также, в течение лактации, начальное содержание Cd, Pb, Hg и As в мышечной ткани животных, что важно и необходимо для проведения корректных расчетов.

Длительность моделирования составляет 1 год, включает пастбищный и стойловый периоды содержания животных. Шаг моделирования по времени принят равным 1 сутки, что совпадает с основным циркадианным ритмом, обуславливающим баланс веществ и энергии в организме.

Исследуемым показателем является максимально допустимый уровень содержания Cd, Pb, Hg и As в рационах кормления, превышение которого, ожидаемо, будет приводить к нарушению нормативов ТМ в продуктах животноводства (молоке и мясе), установленных органами санитарно-эпидемиологической службы Минздрав РФ.

Для повышения достоверности и качества аналитических выводов, снижения неоднородности результатов исследований, обеспечения математико-статистической обработки данных для каждого численного опыта предусмотрена неоднократная повторность.

Верификация

В зоотехнической практике критерием оценки поступления ТМ в молоко и мясо продуктивных животных считается коэффициент перехода (КП) токсикантов из рациона в производимую продукцию [16]. Для верификации модели был выполнен сравнительный анализ взаимосвязи используемых для расчета КП параметров: а) концентрации Cd, Pb, Hg и As в молоке и мышечной массе КРС и овец и б) содержания Cd, Pb, Hg и As в рационе животных.

Моделирование проводилось для коров возраста 3–4-х лет, продуктивностью от 4000 до 6000 л молока и овец возраста от 2 месяцев до 3 лет. Кормление животных соответствовало типовым нормам и рационам в пастбищный и стойловый периоды. Рассматривались варианты концентрации ТМ в мышечной ткани животных на начало проведения численных экспериментов. Результаты исследования — концентрация Cd, Pb, HgиAs в мышечной ткани и молоке жвачных животных.

На Рисунках 2 и 3 представлены экспериментальные данные и результаты численных экспериментов, полученные с использованиемописаннойвышемодели.

Заштрихованные области представляют собой множество расчетных значений концентрации ТМ в молоке и мышечной ткани, соответствующей совокупности возможных значений содержания ТМ в рационе. Они практически полностью покрывают данные, полученные в исследованиях и натурных экспериментах. Это показывает, что модель обладает характеристиками, близкими к изучаемой реальной системе, а выводы, сделанные с помощью модели, применимы к системе и могут считаться правильными и достоверными на приемлемом уровне.

= 0,003

=г 0,01

5 0,005

Рисунок 2. Оценка влияния содержания Cd, Pb, Hg и As в рационе на концентрацию ТМ в молоке и мышечной ткани КРС при варьировании модифицирующих факторов

Рисунок 3. Оценка влияния содержания Cd, Pb, Hg и As в рационе на концентрацию ТМ в мышечной ткани овец при варьировании модифицирующих факторов

Степень сходства эмпирических данных и результатов моделирования говорит о правомерности использования модели для оценки максимально допустимого уровня содержания ТМ в рационах животных, что представляется важным для решения задач в области кормопроизводства и животноводства по вопросам содержания и кормления животных на техногенно загрязненных территориях, получения продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям.

Заключение

До настоящего времени комплексная оценка миграции тяжелых металлов Cd, Pb, Hg и As в системе «рацион – животные – производимая продукция» в полном объеме не проводилась, а имеющиеся данные носят разрозненный и фрагментарный характер.

Реализация модели, установление величин максимально допустимых уровней содержания кадмия, свинца, ртути и мышьяка в рационах животных в зависимости от вида, возрастной группы, физиологического состояния, уровня продуктивности и других факторов позволит внести изменения и улучшить в условиях сложившейся техногенной обстановки технологии содержания и кормления и гарантировать получение экологически безопасной продукции животноводства.