Моделирование поступления радионуклидов 137Cs и 90Sr с рационом в организм жвачных животных и оценка перехода в продукцию животноводства

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 636.03                                        

В настоящее время наблюдается усиление антропогенного воздействия на окружающую среду. В результате, особенно в индустриальных регионах, выявлены территории с повышенным содержанием экотоксикантов, что приводит к серьёзному загрязнению сельскохозяйственных угодий, кормов и, как следствие, к ухудшению ветеринарносанитарного качества продукции животноводства. Это, в свою очередь, является причиной хронической интоксикации животных, снижения их репродуктивных способностей и иммунологического статуса [1, 2].

Наибольшую опасность представляют радионуклиды 137Cs и 90Sr, которые, обладая высокой степенью токсичности для окружающей среды и способностью аккумулироваться в живых организмах, при попадании внутрь нарушают естественные обменные процессы и снижают устойчивость к различным заболеваниям [3].

На сегодняшний день вопросы накопления радионуклидов в организме жвачных животных при поступлении с рационом остаются недостаточно изученными. Все имеющиеся оценки отражают условия проведения экспериментов, и степень их достоверности различается в зависимости от исследования. Прогнозирование перехода радионуклидов в продукцию животноводства затруднительно. Отдельные работы по изучению миграции и аккумуляции 137Cs и 90Sr в органах и тканях крупного рогатого скота и овец проведены, но результаты исследований противоречивы и фрагментарны, не позволяют сформировать комплексное представление о поведении радионуклидов в системе «рацион — организм животных — продукция животноводства» [4-6].

В этой связи задача кормопроизводства должна быть расширена от оптимизации использования кормов с целью обеспечения максимальной продуктивности, обусловленной генетически, при сохранении здоровья и репродуктивной функции животного, до решения вопросов, связанных с получением экологически безопасной животноводческой продукции.

Цель данного исследования состоит в разработке модели, позволяющей оценить поступление радионуклидов 137Cs и 90Sr в организм жвачных животных, их накопление и переход в молоко и мясо. Это необходимо для определения максимально допустимых уровней содержания радионуклидов в рационах кормления животных на загрязнённых радионуклидами территориях и обеспечения производства экологически безопасной животноводческой продукции.

В контексте вышеизложенного, представляется актуальным изучение не только определения особенностей распределения упомянутых радионуклидов в организме, но и выявления закономерностей их накопления и перехода в продукцию животноводства с целью разработки научно обоснованных нормативов содержания радионуклидов в кормовых рационах.

Общедоступные научные данные свидетельствуют о том, что внимание исследователей сосредоточено главным образом на процессах аккумуляции 137Cs и 90Sr в органах и тканях животных, а также уровнях загрязнения мяса, молока и других продуктов. Анализ этих данных показывает, что они существенно различаются, что делает их сопоставление и обобщение практически невозможным. Предлагаемые подходы к описанию процессов поступления радионуклидов в организм животных характеризуются значительным разнообразием, что обусловлено тем, что реакция организма на поступление радионуклидов с кормами зависит от множества факторов внешней и внутренней среды [3].

В случае длительного поступления радионуклидов с рационом задача не может быть решена без учёта этих факторов. Устранение противоречий в методологических подходах представляется важным и может быть успешно решено только посредством проведения дополнительных исследований. При этом следует учитывать, что установленные и действующие в настоящее время временные усреднённые нормы предельно допустимого содержания радионуклидов в кормах обладают рядом существенных недостатков и нуждаются в уточнении.

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

Моделирование. Ранее были разработаны модели, описывающие поступление Cd, Pb, Hg и As в организм жвачных животных с рационом, а также их накопление и переход в животноводческую продукцию, такую как молоко и мясо [7].

В ходе численных экспериментов, анализа и обобщения полученных данных были выявлены закономерности формирования зависимостей «доза-эффект» при поступлении тяжёлых металлов (ТМ) в организм животных с рационом. Эти закономерности аналогичны базовым закономерностям, характерным для изолированных органов и тканей [8].

Анализ формирования зависимостей показал, что распределение животных по показателям «концентрация ТМ в мясе» и «концентрация ТМ в молоке» подчиняется нормальному и логнормальному распределению. Это позволяет использовать модели для прогнозирования содержания ТМ в продукции. Вариация значений установленных модифицирующих факторов позволила нормировать и оценить максимально допустимый уровень (МДУ) содержания Cd, Pb, Hg и As в рационах животных [9].

Для создания имитационной модели поступления радионуклидов с рационом в организмы крупного рогатого скота и овец была применена методология оценки перехода тяжёлых металлов из кормов в продукцию. Цель моделирования заключается в установлении количественной оценки максимально допустимого уровня поступления 137Cs и 90Sr в организм жвачных животных разного вида, возрастной группы, физиологического состояния, технологии содержания, хозяйственного использования и продуктивности. Также необходимо рассмотреть вклад принимаемых защитных мероприятий на территориях, загрязнённых радионуклидами, для предотвращения превышения санитарно-гигиенических нормативов в животноводческой продукции.

Концептуальная схема, представленная на Рисунке 1, отражает структуру и порядок функционирования модели поступления 137Cs и 90Sr в организм крупного рогатого скота и овец. Модель является стохастической, в ней учтены вариации содержания радионуклидов в рационах кормления, абсорбции радионуклидов в желудочно-кишечном тракте, изменения основного обмена веществ от животного к животному при различных физиологических состояниях, энергетических ресурсов, расходуемых организмом на поддержание своего энергетического статуса, а также других показателей, влияющих на переход радионуклидов в продукцию. Для количественного учёта потребляемых питательных веществ в рационах кормления применяется система оценки кормов по обменной энергии [10]. Учтены модифицирующие факторы, оказывающие воздействие на аккумуляцию радионуклидов в организме и их последующий переход в продукцию животноводства [11].

Структура рапиона

>

Перевод на «чистые» корма;

Использование сорбентов

Грубые корма

Концентр, корма

Сочные корма

Зелёные корма

Содержание и кормление

Содержание в летний период (пастбищное, пастбипгно-________ стойловое,...);

Абсорбция

Животноводческая продукция

Продуктивность: привес, удон

Концентрация РН в продукции (молоко, мясо)

Вид животных

Крупный рогатый скот, овны

Половозрастная

Опенка максимальнодопустимого уровня (МДУ) поступления

РН с рационом согласно выбранного критерия нормирования

Рисунок 1. Концептуальная схема модели перехода 137Cs и 90Sr из рациона в животноводческую продукцию, нормирования и оценки максимально - допустимого уровня (МДУ) поступления РН

Входными параметрами для определения максимально-допустимых уровней поступления 137Cs и 90Sr с рационом в организм крупного рогатого скота и овец являются следующие:

• -    вид животных: КРС или овцы;

• -    поголовье животных (10 голов для каждого численного опыта на модели);

• -    половозрастная группа животных. Для крупного рогатого скота: быки-производители, коровы, ремонтные телки, племенные бычки и молодняк, выращиваемый на мясо. Для овец: бараны-производители, овцематки и растущие ягнята;

• -    рацион кормления. Рассматриваются типовые рационы, разработанные для роста и нормального физиологического развития животных определённого вида и возрастной группы при заданных условиях содержания и хозяйственного использования [10, 12-15];

• -    продуктивность: планируемая живая масса к завершению периода откорма, для коров и лактирующих овец - молочная продуктивность, выраженная в удое за период лактации;

• -    технологии содержания и кормления животных;

• -    критерии нормирования - параметры, согласно которым выполняется нормирование и оценка максимально допустимого уровня суточного поступления радионуклидов в организм животных;

• -    величина накопленного уровня содержания ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в мышечной ткани животных.

Принято во внимание изменения живой массы с возрастом, удоев в процессе лактации, типа и уровня кормления при переходе от пастбищного к стойловому содержанию.

Длительность моделирования составляет один год. Шаг моделирования по времени равен одним суткам, что соответствует основному циркадианному ритму, который обуславливает баланс веществ и энергии в организме.

В качестве исследуемого показателя рассматривается максимально допустимый уровень поступления 137Cs и 90Sr с рационом кормления в соответствии с выбранным критерием нормирования. Превышение данного уровня, как ожидается, приведёт к нарушению санитарно – гигиенических нормативов в продуктах животноводства (молоке и мясе).

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

Рисунок 2. Оценка влияния содержания 137Cs и 90Sr в рационе крупного рогатого скота на концентрацию радионуклидов в молоке и мышечной ткани животных

Верификация. В зоотехнической практике для оценки поступления радионуклидов в продукцию продуктивных животных применяется коэффициент перехода, который отражает уровень миграции радионуклидов из рациона в производимую продукцию. Для верификации модели проведён сравнительный анализ взаимосвязи параметров, используемых для расчёта коэффициента перехода: а) концентрации ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в молоке и мышечной массе крупного рогатого скота и овец, (Бк/кг); б) содержания ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в рационе животных, (Бк).

Моделирование проводилось для коров в возрасте от трёх до четырёх лет, с продуктивностью от 4000 до 6000 литров молока, и для овец в возрасте от двух месяцев до трёх лет. Кормление животных соответствовало стандартным нормам и рационам в периоды пастбищного и стойлового содержания. Предметом исследования являлась концентрация 137Cs и 90Sr в мышечной ткани и молоке жвачных животных в зависимости от уровня содержания радионуклидов в их рационе.

На Рисунках 2 и 3 представлены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования, проведённых с применением модели.

Рисунок 3. Оценка влияния содержания 137Cs и 90Sr радионуклидов в мышечной ткани животных в рационе овец на концентрацию

Заштрихованные области представляют собой совокупности расчётных значений концентрации 137Cs и 90Sr в молоке и мышечной ткани, которые соответствуют множеству возможных значений содержания радионуклидов в рационе жвачных животных. Расчётные данные полностью охватывают результаты исследований и натурных экспериментов. Это свидетельствует о том, что модель обладает свойствами, близкими к изучаемой реальной системе, и выводы, полученные с помощью модели, могут считаться корректными и достоверными на приемлемом уровне.

Степень корреляции между эмпирическими данными и результатами моделирования свидетельствует о возможности и правомерности применения модели для определения максимально допустимого уровня содержания 137Cs и 90Sr в рационах животных. Это имеет большое значение для решения задач в области кормопроизводства при ведении животноводства на территориях, загрязнённых радионуклидами.

Заключение

До настоящего времени не была проведена в полном объёме комплексная оценка поступления радионуклидов 137Cs и 90Sr в организм жвачных животных, их накопление и переход в молоко и мясо. Имеющиеся данные носят отрывочный и фрагментарный характер.

Реализация модели, созданной с целью прогнозирования перехода радионуклидов в продукцию животноводства позволит внести коррективы в существующие технологии содержания и кормления, адаптируя их к сложившейся радиационной обстановке в хозяйствах. В свою очередь, определение максимально допустимых уровней поступления 137Cs и 90Sr с рационом в зависимости от вида, возраста, хозяйственного назначения, уровня продуктивности животных и других факторов позволит обеспечить получение экологически безопасной продукции животноводства.