Влияние модифицирующих факторов на общую реакцию организма овец при потреблении кадмия с рационом

Введение

В современных условиях рост и развитие промышленного производства неукоснительно приводит к накоплению тяжёлых металлов в объектах окружающей среды. Для сельского хозяйства загрязнение тяжелыми металлами кормов, используемых в животноводстве, представляет наибольшую опасность. Повышенное содержание ТМ в вегетативной массе кормовых культур и их способность накапливаться в организме животных приводит к значительно большему увеличению их концентрации в крови, органах и продукции животноводства по сравнению с их содержанием в самих кормах. Их избыточное накопление в организме может достигать уровней, способных оказать отрицательное влияние на состояние здоровья и продуктивность животных [1].

Обзор научно-технической литературы показывает, что исследования ученых по миграции и накоплению тяжёлых металлов в органах и тканях жвачных животных не отражают комплексного подхода к изучению их поведения в системе «рацион кормления – организм — животноводческая продукция» [2-4].

В связи с этим актуальной представляется задача изучения закономерностей поступления и распределения ТМ в организме сельскохозяйственных животных, оценки их воздействия на физиологическое состояние и продуктивность. Требование продолжения дальнейших и более детальных исследований связано с целью выявить общие механизмы реагирования на техногенное воздействие и определить количественные взаимосвязи между уровнями поступления ТМ с рационом и общей ответной реакцией организма.

О выраженности такой реакции принято судить по изменению следующих интегральных показателей: превышение допустимого уровня ТМ в мясе, снижение продуктивности, гибель животных. Зависимости «доза-эффект» или функции эффективности, отражающей степень проявления изучаемых эффектов, придается особое значение. Оно обусловлено, прежде всего, возможностью использования её для решения многочисленных экспертных вопросов, преимущественно касающихся проблемы нормирования содержания ТМ в рационах кормления с целью обеспечения безопасных уровней воздействия ТМ на организм животных и получения животноводческой продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям.

Цель исследования

Цель настоящей работы заключается в установлении закономерностей накопления и оценки воздействия Cd на организм овец при потреблении ТМ с рационом. Внимание к данному вопросу объясняется повышением содержания Cd в пастбищной растительности и продукции кормопроизводства вследствие увеличения техногенной нагрузки и загрязнения Cd почвы, воды и воздуха.

Способность кадмия при хроническом поступлении накапливаться в организме (в основном в почках и печени) приводит к сдвигу в общем метаболизме, проявляющееся в том, что процессы распада начинают преобладать над процессами биосинтеза. В результате наблюдаются нарушения деятельности половой, нервной системы, других физиологических функций организма, происходит разрушение костной ткани, рост вероятности возникновения злокачественных опухолей [5-8]. Повышенные дозы кадмия ведут к потере аппетита, снижению роста, продуктивности, анемии, изменению простаты, нефритам и нефрозам, нарушениям белкового, витаминного и фосфорно-кальциевого обменов [9].

Содержание кадмия более 150 мг на 1 кг сухого вещества корма или 5 мг на кг живой массы в сутки считается небезопасным для домашних животных. Накопление его в печени и почках свыше 5-10 мг/кг приводит к отравлению [10]. Относительно устойчивы к кадмию утки и свиньи, наиболее чувствительны куры и овцы, [11]. У овец, затравленных кадмием в дозе ЛД50, характерные изменения в морфологическом и биохимическом составе крови наблюдаются уже на 5 и 10 сутки после интоксикации [12]

Выявить зависимость между содержанием Cd в рационе, накоплением и воздействием Cd на организм овец является актуальной задачей для разработки технологии выращивания и содержания животных на техногенных территориях и получения продукции соответствующей ГОСТу.

Материалы и методы

Основаны на использовании имитационной модели потребления овцами кадмия с рационом [1] и заключаются в проведении исследований формирования зависимости «доза-эффект» от изменения факторов, модифицирующих отклик организма животных на воздействие ТМ.

Обоснование обращения к методу имитационного моделирования, заключается в том, что изучаемая система заменяется имитирующей, и, при этом, сохраняет характеристики и свойства реальной системы [13,14]. Для оценки последствий воздействия Cd на организм овец, открываются возможности получить ответ на интересующий вопрос, в то время как в реальной действительности путем проведения дополнительных экспериментов это осуществить дорого и не всегда возможно.

Верификация модели показала достаточно высокое соответствие расчетных и эмпирических данных [1]. Это дает основания утверждать, что модель в целом адекватно отражает общую реакцию организма овец на воздействие Cd при потреблении ТМ с рационом.

В связи с этим, для получения новой информации о накоплении и реагировании организма на техногенное воздействие вполне достаточно компьютерных возможностей. Организация и проведение численных экспериментов, комплексный анализ и оценка полученных результатов позволяют определить влияние изменения следующих модифицирующих факторов на формирование кривой «доза-эффект»: концентрация Cd в рационе, длительность потребления Cd с рационом, тип рациона, возрастная группа животных и др. [15].

Для достижения решения поставленной задачи предварительно было выполнено планирование численных экспериментов: определен перечень исследуемых параметров, заданы начальные условия и порядок проведения численных экспериментов.

Исследуемыми параметрами при осуществлении опытов на модели рассматривались интегральные показатели, отражающие общую реакцию организма овец на техногенное воздействие: «превышение ДУ в мясе»[1], «снижение продуктивности» и «гибель животных».

Начальные условия проведения экспериментов задаются значениями следующих показателей:

— поголовье животных. Предполагается, что численность 100 голов для каждого отдельного опыта вполне достаточна для изучения формирования дозовых зависимостей. Несмотря на индивидуальную особенность реагирования животных, с ростом воздействующей дозы Cd вероятность проявления изучаемого эффекта будет и должна увеличиваться. Соответственно, будет расти количество особей, у которых развивается оцениваемый эффект.

— возрастная группа животных: живая масса (кг) и возраст (мес.);

— условия содержания скота: тип рациона кормления (Мкал/кг сухого вещества), концентрация Cd в рационе (мг/кг сухого вещества) и длительность потребления кадмия с рационом (сутки).

— продолжительность эксперимента: до 180 суток. Соответствует средней продолжительности пастбищного периода.

Шаг моделирования по времени взят равным одни сутки, что соответствует циклу, в течение которого поддерживается баланс веществ и энергии в организме.

Рационы кормления овец составлены на основе системы оценки кормов по обменной энергии [16], согласно которой концентрация обменной энергии в сухом веществе характеризует их структуру. В грубых, трудно перевариваемых кормах концентрация равна 1,6 Мкал обменной энергии на 1 кг сухого вещества. По мере повышения перевариваемости и понижения клетчатки концентрация энергии возрастает и для концентрированных кормов достигает 3,0-3,4 Мкал на 1 кг сухого вещества [16].

После задания условий и направлений исследований дальнейшие мероприятия заключались непосредственно в проведении численных экспериментов на модели, статистической обработке полученных расчетных данных, их обобщении и анализе.

Для получения достоверной статистической оценки результатов моделирования и повышения качества аналитических выводов каждый опыт имел десятикратную повторность. 

Результаты и обсуждение

Ниже, в качестве примера, представлены описания ряда численных экспериментов и кратко изложены полученные результаты исследований. При моделировании учитывался стохастический характер потребления кормов, вариации концентрации Cd в рационе, коэффициента абсорбции, возраста и живой массы животных и др.

а) Изучение влияния типа рациона на отклик организма овец по показателю «превышение допустимого уровня Cd в мясе» 

Описание эксперимента. Проводился на 4 группах животных по 100 голов в каждой. Средний возраст равен 18 месяцев. Средняя живая масса — 56 кг. Концентрация обменной энергии в кормах для каждой из опытных групп составляет 1,8; 2,2; 2,6 и 3,0 Мкал на 1 кг сухого вещества. Концентрация Cd в рационах одинакова и составляет 10 мг/кг сухого вещества. Длительность потребления Cd с рационом в течение 180 суток.

Цель эксперимента: Установить вклад фактора «тип рациона» в формирование функции эффективности для овец данной возрастной группы по показателю превышение санитарно-гигиенического норматива ТМ в мясе.

Результаты исследований. Результаты численных экспериментов представлены на рисунке 1. При одной и той же концентрации Cd в рационе для животных данной возрастной группы с уменьшением перевариваемости кормов и повышением клетчатки сроки превышения ДУ в мясе наступают раньше. Кривая эффективности смещается влево и становится более крутой.

Рисунок 1- Кривые «доза-эффект» по показателю «превышение ДУ в мясе» в зависимости от типа рациона

б) Установление закономерностей формирования функции эффективности по показателю «снижение продуктивности» для овец разных возрастных групп.

Снижение продуктивности животных является следующей фазой общей реакции организма на потребление Cd с рационом [18].

Описание эксперимента. Численность поголовья: 600 голов. Животные разделены на 6 возрастных групп, по 100 голов в каждой. Средний возраст животных: 6, 9, 12, 15, 18 и 24 месяца. Живая масса соответствует возрастной группе и составляет в среднем: 37, 45, 50, 54, 56 и 58 кг. Рационы кормления по концентрации в них обменной энергии (2.2 Мкал/кг сухого вещества) совпадают и рассчитаны на удовлетворение потребностей на рост и нормальное физиологическое развитие. Длительность потребления Cd с рационом для всех опытных групп составляет 180 суток. Продолжительность эксперимента — 180 суток. Концентрация Cd в рационе: 6 мг/кг сухого вещества.

Цель эксперимента: Изучить влияние воздействия Cd на общую реакцию организма овец различных возрастных групп при потреблении рационов с данной концентрацией ТМ по показателю «снижение продуктивности». Рассматривается величина снижение суммарного привеса на 3 кг относительно контроля.

Результаты исследований. Представлены на рисунке 2. Молодые растущие животные более чувствительны к воздействию Cd при потреблении рационов с одинаковой концентрацией ТМ. Кривые «доза-эффект» с возрастом смещаются вправо и становятся более пологими.

Рисунок 2 — Кривые «доза-эффект» для овец разных возрастных групп по показателю «снижение продуктивности»

в) Оценка влияния концентрации Cd в рационе на организм по показателю «гибель животных»

При потреблении в течение длительного промежутка времени кормов с токсической концентрацией ТМ возможен смертельный исход животных. Наблюдаемый эффект применяют для оценки степени токсичности ТМ, установления величины дозы (количества ТМ) или концентрации в рационе, вызывающей гибель 50% животных.

При установлении закономерностей формирования дозовых кривых по показателю «гибель животных» были приняты в рассмотрение установленные эмпирическим путем эффективные концентрации Cd в рационе [19].

Описание эксперимента. Общее поголовье овец составляет 400 голов. Животные разделены на 4 группы, по 100 голов в каждой. Средний возраст равен 12 месяцев. Средняя живая масса — 50 кг. Рационы кормления соответствуют обеспечению роста и нормального физиологического развития скота. Концентрация обменной энергии составляет 2.2 Мкал/кг сухого вещества. Концентрация Cd в рационах для каждой из опытных групп отличается: 60, 100, 180 и 260 мг/кг сухого вещества.

Цель эксперимента: Установить закономерности формирования кривых «доза-эффект» по показателю «гибель животных» в зависимости от концентрации Cd в рационе.

Результаты исследований. На рисунке 3 показаны графики зависимости гибели овец.

Рисунок 3 — Гибель овец при потреблении рационов с различной концентрацией Cd

         В токсикологии при оценке степени токсичности химических веществ и их соединений, изучении механизмов их воздействия проводятся исследования на изолированных органах и тканях в искусственных условиях, моделирующих естественную среду [20]. Сведения, накопленные в этих экспериментах, позволили сформулировать рецепторную концепцию действия токсикантов на клетку или орган, выдвинуть различные, основанные на ней, теории [20].

В период распространения и научного признания концепции были установлены и сформулированы, как базовые, основные закономерности, лежащие в основе формирования зависимости «доза — эффект»:

— параллельный сдвиг кривой;

— снижение максимальных значений;

— параллельный сдвиг с одновременным снижением максимальных значений.

Одновременно предпринимались попытки, но пока безрезультатно, связать выраженность эффекта со стороны целостной биологической системы с характеристиками воздействия и факторами внешней среды [20].

При выполнении данной работы анализ и обобщение результатов моделирования показывает, что варьирование факторов, модифицирующих воздействие Cd на организм овец при потреблении с рационом, приводит к различным трансформациям отклика организма животных. В основе их лежат те же базовые закономерности, что установлены для изолированных органов и тканей [20]

Принципиальная новизна проведенных исследований заключается в том, что картина проявлений токсического воздействия при потреблении животными Cd с кормом получила количественную оценку. Выраженность развивающегося эффекта определяется не только свойствами кадмия, а является функцией количества действующего ТМ, т.е. концентрацией Cd в рационе и длительностью его поступления в организм с кормом, типом рациона, зависит от возрастной группы животных.

Выводы

В современных проектах токсикологических исследований оценки вредного воздействия ТМ на организм сельскохозяйственных животных, обеспечения их здоровья, сохранения продуктивности и экологической безопасности производимой животноводческой продукции задача установления закономерностей формирования зависимости между дозой вредного вещества и вызываемым эффектом имеет актуальное значение.

В данной работе с использованием имитационной модели проведены исследования влияния потребления Cd с рационом на общую реакцию организма овец по интегральным показателям: «превышение допустимого уровня Cd в мясе»: «снижение продуктивности» и «гибель животных» при различных значениях модифицирующих факторов.

Впервые на организменном уровне установлены закономерности формирования зависимостей «доза-эффект», которые согласуются с базовыми закономерностями, выявленными в токсикологии при проведении исследований на изолированных органах и тканях.

Поскольку проведение численных экспериментов на модели определяется случайным характером процессов, это позволяет получить устойчивую статистику и создать обширную базу результатов опытов, достаточную для изучения природы формирования зависимости «доза-эффект», расширить представления об общих механизмах реагирования организма на техногенное воздействие.

[1]
ДУ кадмия в мясе не более 0,05мг/кг , [17]