Моделирование потребления овцами кадмия с рационом и оценка воздействия на организм животных

Введение 

В современных условиях для сельского хозяйства вообще и животноводства, в частности, вопросы, связанные с проблемой техногенного загрязнения окружающей среды приобретают актуальное значение [1]. В определенных районах концентрация тяжелых металлов, пестицидов, бытовых отходов в почве, воде, воздушном бассейне, кормах в десятки раз превышает допустимые уровни [2-6]. Загрязненность промышленными выбросами воздушного бассейна и территорий вокруг крупных городов и заводов достигает десятков километров с аномальным содержанием токсичных элементов. Их избыточное накопление в кормах и воде, потребляемых животными, возможно до уровней, способных оказать отрицательное влияние на состояние здоровья и продуктивность животных [7-9]. Анализ распространения, содержания и влияния негативных факторов внешней среды, а также поиск средств снижения их отрицательного воздействия на организм является актуальной задачей сельскохозяйственной науки и практики [10, 11].

Тяжелые металлы (ТМ) и их соединения занимают особое место среди экотоксикантов [12, 13, 14].  Это обусловлено, с одной стороны, технократическим направлением развития общества, а с другой — физиолого-биохимическими особенностями тяжелых металлов. В отличие от других веществ ТМ не разлагаются и имеют тенденцию к накоплению [15, 16].

В связи с этим актуальной, но и весьма сложной для исследователей, представляется задача изучения закономерностей поступления и распределения ТМ в организме сельскохозяйственных животных, оценки их воздействия, с выявлением специфики для каждого из металлов, определением критических уровней и разработкой обоснованных нормативов.

Анализ проведенных исследований оценки воздействия ТМ на организм сельскохозяйственных животных приводит к выводу об их фрагментарности, констатирует отсутствие функциональных оценок воздействия ТМ на организм сельскохозяйственных животных, а все известные оценки по своему содержанию являются отражением условий проведения экспериментов и степень их достоверности в разных исследованиях, естественно, различна. Очень мало исследовательских работ, посвященных изучению хронического воздействия металлов и их соединений.  По объективным причинам, мало экспериментальных данных не только о специфике поступления и распределения ТМ у  сельскохозяйственных животных, но и механизмах действия на системы разного уровня биологической организации.

Тем не менее, обобщение имеющихся материалов предоставляет возможности для оценки воздействия ТМ  на организм сельскохозяйственных животных через проявления общей реакции по изменению показателей, которые имеют высокую степень интегральности.

Цель исследования 

Цель настоящей работы – разработка имитационной модели потребления овцами кадмия с рационом для прогнозирования и оценки воздействия Cd на организм овец.

Кадмий относится к группе наиболее токсичных ТМ [17]. ЛД50 кадмия хлорида для крыс при однократном введении внутрь составляет 366,8; для кроликов – 117,3; для овец – 32,0 мг/кг [18]. Наиболее чувствительны к кадмию куры и овцы, относительно устойчивы утки и свиньи [19]. При хроническом поступлении кадмий накапливается в организме (в основном в почках и печени) и вызывает нарушения в общем метаболизме, проявляющиеся в том, что процессы распада начинают преобладать над процессами биосинтеза.

Многочисленными исследованиями, проведенными в нашей стране и за рубежом, доказано, что при определенных дозах кадмий вызывает пищевые отравления, приводит к снижению потребления корма и прироста живой массы животных, отрицательно влияет на молочную продуктивность [20, 21, 22, 28].

Методика 

Методика достижения цели задачи состояла в выполнении следующих пунктов:

— анализ и обобщение результатов исследований баз данных по воздействию тяжелых металлов  на  организм сельскохозяйственных животных и миграции тяжелых металлов в системе «рацион — сельскохозяйственные животные» [23, 24];

— решение проблемы большой вариабельности экспериментальных данных;

— построение  имитационной модели оценки воздействия Cd на организм овец;

—  верификация модели.

Экспериментальные данные: проблемы анализа и обработки

Анализ   баз данных по параметрам миграции и действия тяжёлых металлов на организм сельскохозяйственных животных показал достаточно большую неоднородность экспериментальных данных [23, 24].  Способы, с помощью которых некоторые исследователи пытаются оправдать значительный разброс полученных значений, являются следующие: настаивание на  проведении дополнительных исследований; удаление  максимальных и минимальных значений пока коэффициент вариации не станет приемлемым; задание границ, за пределами которых все данные исключаются из анализа, например, два или три среднеквадратических отклонения.  Но такие меры не позволяют устранить или снизить неоднородность данных.  Осознанное игнорирование требований математической статистики в итоге приводит к ошибочным выводам.

Поскольку величина вариабельности сама по себе отражает многофакторный характер формирования совокупности данных,  в данной работе выходом из ситуации, направленным на повышение однородности совокупности данных, предлагается установление этих факторов и группировка данных согласно этим факторам.

Доминантные факторы, определяющие отклик организма животных на поступление ТМ с рационом 

Для достижения поставленной цели выполнен обзор научной литературы по вопросам воздействия Cd на состояние здоровья  и продуктивности выращиваемых жвачных животных. Установлены основные доминантные факторы, определяющие отклик организма животных  на негативное токсическое воздействие [25].   Поскольку факторов  много – это и возрастная группа животных, и концентрация ТМ в рационе, и длительность поступления ТМ с рационом, и т.д. — задача является многовариантной.

Привлечение регрессионного, факторного, кластерного анализа, линейного программирования и т.д. для оценки вклада данных факторов в формирование ответной реакции организма животных имеет ограничения. Эти инструменты обработки данных, по большей части, применимы либо к объектам неживой природы, либо для случая исключения из рассмотрения многофакторного характера формирования отклика организма.

Для достижения цели задачи в статье предлагается использование имитационной модели  потребления овцами Cd  с рационом и оценки воздействия ТМ на организм животных. Обоснованием служит то, что  имитационная модель  – это математическое описание процесса воздействия техногенного фактора на объект исследования, построенное на основе  анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных в результате проведения определенного количества опытов над  объектом изучения. Она представляет собой замену исследуемого объекта другим, который не только сохраняет характеристики реального объекта, но и, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что её изучение дает новую информацию об объекте.

Описание модели оценки  воздействия Cd на организм овец 

Модель разработана с позиций биоэнергетического подхода, положения  которого отражают представления о роли поддержания и нарушения энергетического баланса организма с окружающей средой, использования и расходования его энергетических ресурсов [25]. Характерной особенностью данного подхода является систематизированный анализ и обобщение экспериментальных данных о процессах, протекающих  в пораженном организме, исследований по изучению обмена веществ и энергии у животных. 

Моделирование потребления Cd с рационом выполнено для овец, поскольку изучение токсического действия тяжёлых металлов на организм этих жвачных животных по показателям качества продукции, снижения продуктивности и выживаемости представляет определенный научно-практический интерес.

Для количественного учета определения  потребления корма выбрана система оценки кормов по обменной  энергии [26]. Согласно этой системе, потребность животных в энергии выражается в форме обменной энергии, а эффективность ее использования зависит от живой массы, возраста, продуктивности животного, содержания и концентрации обменной энергии в 1 кг сухого вещества рациона.

В качестве комплексного показателя, отражающего нарушение физиологического состояния овец при негативном воздействии  ТМ, взят основной обмен. Согласно положениям биоэнергетического подхода, снижение живой массы, продуктивности в результате токсического действия ТМ связано с увеличением затрат  энергии организма на поддержание жизни на величину, определяемую техногенной нагрузкой и может рассматриваться как приспособительная реакция, направленная на восстановление нарушенного энергетического баланса [27, 29, 30, 31]. 

Модель является стохастической. В ней  характер формирования  токсикологических эффектов, отражающий нарушение гомеостаза на фоне энергетического обмена с окружающей средой, рассматривается не только как результат вероятностной концентрации ТМ в рационе, но и объясняется биологической вариабельностью животных по живой массе и возрасту. Учитываются вариации основного обмена при одинаковом физиологическом состоянии животных, калорийности тела, величины энергетических ресурсов, расходуемых организмом на поддержание своего энергетического статуса, а также стохастический характер потребления корма. Для обеспечения вариабельности животных по данным параметрам  использовался генератор псевдослучайных чисел. Коэффициент вариации принят равным 10% от среднего значения.

Шаг по времени в модели принят равным 1 сутки.   Он совпадает с соответствующим для большинства животных основным циркадианным (суточным) ритмом, который обусловливает баланс основных веществ и энергии во  временном промежутке равном 24 ч.

Верификация модели  

Верификация модели проводилась по результатам  исследований проведенных на 30-ти овцах с живой массой от 30 до 32 кг при скармливании им в течение 163 суток рационов c  различной концентрацией Cd [32]. Средний возраст овец составлял ~ 4 месяца. Животные были разделены по весу на 5 групп по 6 голов. Кормление для всех групп был одинаковым, но с различной концентрацией Cd в рационе: 0, 5, 15, 30 и 60 ppm[1]. Рацион содержал смесь кукурузы, хлопковую шелуху и соевой шрот. Кадмий добавлялся в рацион в виде CdCl₂. Величина потребления корма каждым животным ежедневно контролировалась, за исключением животных контрольной группы. Раз в две недели животные взвешивались,  ежемесячно брались пробы крови из яремной вены.

Данные исследования были воспроизведены на модели. Для статистической оценки результатов, полученных при проведении численных опытов, каждый эксперимент имел десятикратную повторность, а численность животных в каждом  из них  принята равной 100 голов.

Верификация выполнена по четырем параметрам:  изменению живой массы животных,  величине потребления корма,  уровню поступления Cd  с рационом и  по содержанию металла  в мышечной ткани (рисунок 1). Расчетные значения критерия несоответствия  Тейла по всем параметрам варьировали от 0,053 до 0,109. 

Степень совпадения экспериментальных данных и результатов численных опытов, позволяет использовать модель  в качестве рабочего инструмента научно-обоснованного оценки воздействия ТМ на организм овец при потреблении Cd с рационом и определения последствий для здоровья и продуктивности животных.

Выводы 

В условиях растущей антропогенной нагрузки на биосферу изучение различных аспектов токсического воздействия Cd помогает решению основной задачи – научно-обоснованному определению относительно безопасных концентраций кадмия  в кормах, сводящие к минимуму негативные последствия попадания этого элемента в организм сельскохозяйственных животных, а затем и человека. Эта задача, особенно в случае хронического поступления  Cd  с рационом, не может быть решена без установления количественных закономерностей формирования зависимостей «доза-эффект» по таким показателям как качество продукции, снижение продуктивности и выживаемость животных.

Рисунок 1 — Верификация  модели (овцы) по показателям: изменение живой массы животных, потребление корма, поступление Cd с рационом и содержание ТМ в мышечной ткани

Значимость настоящей работы заключается в новизне подхода, без которого в   реальной действительности  путем проведения дополнительных экспериментов получить информацию о действии токсического фактора проблематично. Во-первых, это дорого и проведение подобных экспериментов в таком количестве практически невозможно. Во-вторых, позволяет существенно сократить расходы на проведение экспериментов, которые для крупных сельскохозяйственных животных отличаются значительной степенью трудоемкости и сложностью исследований.

·         [1]
Ppm –  миллионная доля  (от англ. parts per million — частей на миллион) — единица измерения концентрации.