Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития сельскохозяйственного производства характеризуется прогрессирующими технологиями возделывания сельскохозяйственных культур, причем ведущее место отводится освоению и рациональному использованию экологически безопасных и экономически рентабельных материальных и энергетических ресурсов, активно воздействующих на рост и развитие растений. Интенсификация животноводства, перевод его на промышленную основу и увеличение производства продуктов животноводства требует все большее внимание уделять полноценному, сбалансированному кормлению животных и повышению коэффициента полезного действия кормов.
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что сохранение здоровья животных и получение высокой продуктивности невозможно без тщательного сбалансирования рационов по микроэлементам. Являясь необходимой составной частью многих биологически активных соединений – белков, ферментов, гормонов, витаминов, пигментов, микроэлементы участвуют в разнообразных процессах жизнедеятельности и обмена веществ в организме животных. При этом весьма актуальным является получение высококачественной продукции растениеводства. Особое место при определении качества лекарственных и кормовых культур отводится содержанию биологически активных соединений (БАС).
Увеличение содержания БАС в растениях можно добиться различными способами, одним из которых является применение удобрений или обработка растений растворами микроэлементов. Существенным в механизмах действия всех микроэлементов является их способность давать комплексные соединения с различными органическими веществами, в том числе с белками и в подавляющем большинстве активизировать определенные ферментативные системы. Это осуществляется различными путями - непосредственным участием в составе молекул ферментов или их активацией. Но использование солей металлов и их хелатных (внутрикомплексных) соединений ограничено, с одной стороны, существованием предельно-допустимой дозы для растений, а с другой - опасностью загрязнения окружающей среды ионами металлов. В связи с этим возникает необходимость не только замены солей металлов (удобрений) такой формой состояния, которая будет оказывать меньшее загрязняющее влияние на окружающую среду и обеспечит минимальные требования к концентрации, используемой для обработки растений и семян, но и даст программирование динамики развития биомассы растения. К таким формам относятся продукты. нанотехнологий - ультрадисперсные порошки металлов (УДПМ).
Нанокристаллические металлы, обладая уникальными свойствами, могут использоваться как биопрепараты нового поколения, к тому же они экономически выгодны и влияют на повышение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных. Отличительной особенностью УДПМ является их малая токсичность по сравнению с солями металлов и способность при очень малых дозах активизировать физиологические и биохимические процессы. Модель влияния нанопорошков металлов, построенная на принципах самоорганизации структур и адаптации с учётом обратной связи, положена в основу создания информационной нанотехнологии управления производством сельскохозяйственной продукции. Частицы металла (УДП) в восстановленной форме обладают пролонгированным действием, что выражается в продолжительном их влиянии на регуляцию минерального питания, углеводного обмена, синтез аминокислот, реакции фотосинтеза и дыхание клеток. Высокая эффективность УДПМ в качестве стимуляторов роста показана на развитии сельскохозяйственных растений. Однако остается открытым влияние УДПМ на накопление биологически активных соединений в растениях и изменение структур этих соединений. Особого внимания заслуживает изучение экологических последствий, физиологических механизмов, пролонгированных эффектов УДПМ в процессе миграции в системе почва-растения-животные.
Проведенные в последние годы исследования Л.В. Коваленко, Г.В. Павлова, Г.Э. Фолманиса, Н.Н. Глущенко, А.П. Райковой (1998-2007 гг.) показали эффективность применения УДПМ в растениеводстве, кормопроизводстве и животноводстве. Их использование позволяет повысить урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 25%, а в результате усиления естественной резистентности животных снизить потери молодняка на 25-35%.
Положительные результаты были получены в Подмосковье, Калужской, Белгородской, Челябинской, Курганской областях, Ставропольском и Краснодарском краях, в Армении, Белоруссии, Украине, Латвии, Киргизии и Ферганской долине Узбекистана. В Рязанском государственном агротехнологическом университете имени П.А. Костычева исследования по этой тематике проводятся с 1997 года при участии сотрудников Московского института стали и сплавов и института металлургии имени А.А. Байкова РАН (г. Москва), которые являются производителями УДПМ.
Совокупность научных данных об ультрадисперсных порошках указывает на то, что они относятся к новому классу продукции, и характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной. В связи с этим актуально изучение безопасности нанопорошков металлов, создание методологии по оценке их биосовместимости, биодеградируемости и токсичности.
Цель и задачи исследований. Цель исследования заключалась в изучении экологических последствий применения в экосистеме почва – растения - животные ультрадисперсных порошков железа, кобальта и меди, влиянии нано доз этих элементов на накопление, строение, свойства биологически активных соединений растений, а также их действие на физиологическое состояние животных.
Для реализации поставленной цели предстояло:
1) определить оптимальные дозы нанокристаллических металлов, как микроудобрений и биодобавок, с учетом экологической безопасности их применения в системе почва – растения - животные;
2) изучить оптимальные условия выделения водорастворимых полисахаридов; определить их структуру и моносахаридный состав, а также доказать строение гомогенных фракций полисахаридов;
3) изучить влияние УДП кобальта, железа и меди на изменение моносахаридного состава и строение гомогенных фракций полисахаридов растений горца птичьего и лапчатки гусиной;
4) определить условия выделения белка, лектиновой фракции и полисахаридов из семян кормовой культуры вики, изучить влияние ультрадисперсных порошков меди на накопление и свойства выделенных биополимеров;
5) определить влияние УДПМ на аккумуляцию химических элементов в процессе онтогенеза, рост, развитие, урожайность и биохимический состав семян и растений кукурузы;
6) изучить эколого-биологическую безопасность УДПМ на накопление биологически активных соединений в растениях;
7) изучить изменения морфологических и биохимических показателей крови кроликов при введении в их рацион растений, выращенных с использованием УДПМ;
8) провести оценку эффективности, безопасности и адекватности применения УДПМ в качестве биодобавок кроликам;
9) изучить влияние УДПМ на биохимическое и физиологическое состояние кроликов (живую массу, плодовитость и сохранность потомства) кроветворную и иммунную системы, содержание минеральных веществ в сыворотке крови ;
10) показать эколого – биологическую безопасность полисахаридов растений обработанных УДПМ;
11) провести анализ экологической безопасности мяса при использовании УДПМ;
12) показать отдаленные последствия влияние УДПМ на развитие растений.
Решение данных задач позволит сделать вывод о целесообразности использования УДПМ для накопления биологически активных веществ в растениях и определить их опосредованное действие на животных.
Научная новизна. Впервые прослежены экологические эффекты нано доз железа, кобальта и меди в системе почва-растение-животное. Показано, что предпосевная обработка семян УДПМ в концентрации 0,01 – 0,08 г на гектарную норму высева семян не способствует накоплению данных металлов в почве, но влияет на рост, развитие и накопление в зеленой массе растений каротина, витамина С, белка, водорастворимых полисахаридов. Установлено влияние предпосевной обработки семян УДПМ на динамику минеральных веществ в онтогенезе растений. При этом предпосевная обработка семян растений микродозами УДП железа, кобальта и меди не влияет на строение выделенных полисахаридов из растений семейств Гречишных и Розоцветных. Выделенные полисахариды гетерогенны для всех изучаемых растений и состоят из гомогенных фракций А, В, С, Д, которые различаются физико-химическими характеристиками.
На кроликах установлено, что растения, семена которых обработаны оптимальными концентрациями УДПМ (0,03 г на гектарную норму высева семян), безопасны для их здоровья и стимулируют прирост живой массы, сохранность животных, улучшение морфо-биохимических показателей крови, повышение ферментативной и иммунобиологической активности. Водорастворимые полисахариды различных видов растений, подвергавшихся воздействию УДПМ, не оказывают отрицательного влияния на физиологическое состояние здоровых животных. Полисахариды лапчатки гусиной и горца птичьего, семена которых перед посадкой были обработаны УДПМ, не оказывали статистически значимого влияния на содержание билирубина и его фракций, а также общего белка и холестерина в сыворотке крови, что позволяет исключить возможность токсического действия на клетки печени. Определена максимальная доза УДПМ (1г/кг массы тела животного в сутки перорально), не вызывающая изменений общего состояния животных и состава периферической крови.
Практическая значимость работы. Определены оптимальные концентрации УДП железа, кобальта, меди, которые рекомендуется использовать в качестве микроудобрений, способствующих увеличению на 25-45% накопления биологически активных соединений, что способствует повышению кормовой ценности растений. Предпосевная обработка семян растений УДПМ возможна вместе с их протравливанием, что при невысокой стоимости 30-50 мг нанокристаллических металлов на гектар посевов полностью окупается полученной прибавкой урожая. Разработаны условия введения растений после обработки УДПМ в рацион животным. Даны рекомендации по использованию растений, обработанных УДП железа, кобальта и меди, как кормовых культур, которые не требуют предварительной обработки перед скармливанием животным и при этом не вызывают нарушения их эколого-физиологического состояния. Разработана методика введения УДПМ непосредственно в корма животных.
Использование кормов, выращенных с УДПМ, или обработанных их растворами, увеличивает массу животных на 20-25%, отражается на снижении у них заболеваний, что достигается за счет стимуляции иммунной защиты УДПМ, которые увеличивают содержание полисахаридов в растении и усиливают их биологическую активность.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Рязанского государственного медицинского университета (1979-2005); научных конференциях Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.А. Костычева (2000-2006); II Всесоюзном съезде фармацевтов (Кишинев, 1980), IV Всероссийском съезде фармацевтов (Воронеж, 1981); VII Всесоюзной конференции по химии и биохимии углеводов (Москва, 1982); научно-практической конференции (Ярославль, 1997); V Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных систем» (Екатеринбург, 2000); Международной конференции «Химическое образование и развитие общества» (Москва, 2000); VII Международном съезде фитофармацевтов (Санкт-Петербург, 2000); на Международной научно-практической конференции «Современные технологии и системы производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (Рязань, РГМУ, 2002-2004), научно-практической конференции «Состояние среды обитания и фауна охотничьих животных России» (Москва, 2008), 1-й Международной, 4-й Всероссийской конференции «Состояние среды обитания и фауна охотничьих животных Евразии» (Москва, 2009), Международной научно-практической конференции «Молодость, талант, знания – ветеринарной медицине и животноводству» (Троицк, 2010).
Научные положения, выносимые на защиту:
проведена оценка влияния различных доз ультрадисперсных порошков металлов (УДПМ) на рост и урожайность растений в полевых условиях;
определено влияние УДПМ на динамику аккумуляции поллютантов и эссенциальных элементов в почве и растениях;
определены оптимальные концентрации УДПМ железа, кобальта и меди для максимального накопления биополимеров в растениях;
изучено влияние УДПМ на условия выделения водорастворимых полисахаридов из растений, их структуру, состав, свойства выделенных мономеров;
изучено влияние вики, выращенной с использованием УДП меди, на физиологическое состояние кроликов, прирост живой массы, сохранность и воспроизводство, морфологические и биохимические показатели крови;
изучено действие лапчатки гусиной и горца птичьего, выращенных с использованием УДП железа, кобальта и меди, на морфо-биохимические показатели крови и продуктивность кроликов;
определено влияние растений, выращенных с использование УДПМ, на органолептические показатели мяса кроликов;
изучено влияние УДПМ железа, кобальта и меди при введении их в рацион на физиологические и морфо-биохимические показатели кроликов, содержание минеральных веществ в сыворотке крови;
определено влияние УДПМ на биологическую активность водорастворимых полисахаридов горца птичьего и лапчатки гусиной;
изучено действие выделенных полисахаридов на физиологическое состояние животных и некоторые показатели крови;
определено токсичное действие исследованных полисахаридов растительного происхождения;
определены отдаленные последствия влияния УДПМ на развитие растений
Публикации. Содержание диссертации изложено в 44 печатных работах, включающих 2 патента РФ, 3 монографии и 9 статей в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 316 страницах компьютерного текста, состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов и предложений производству, приложения, содержит 17 рисунков, 119 таблиц. Список литературы включает 376 источников, в том числе 92 на иностранных языках.
Личный вклад и участие автора. Автору принадлежит разработка, постановка и выполнение научной работы. Отдельные элементы научных исследований выполнены совместно с соавторами, что нашло отражение в опубликованном в автореферате списке работ.
