Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8
1.1. Биологическая роль витамина А 8
1.2. Антиоксидантные свойства витамина Е 13
1.3. Накопление и миграция тяжелых металлов в окружающей среде... 18
1.3.1. Антропогенные источники загрязнения 18
1.3.2. Токсичность тяжелых металлов 19
1.3.3. Загрязнение почвы тяжелыми металлами 20
1.4. Токсическое действие тяжелых металлов 22
1.4.1. Ртуть 32
1.4.2. Свинец 37
1.4.3. Медь 40
1.5. Сочетанное воздействие ионизирующего излучения, солей ртути и свинца на организм животных 43
1.6. Миграция радионуклидов по экологическим цепям 44
1.7. Радиационный контроль биологических объектов в Калужской области 50
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 63
2.1. Материалы и методы исследования 63
2.1.1. Материалы исследования 63
2.1.2. Измерение гамма-фона 64
2.1.3. Отбор проб 64
2.1.4. Экспрессное определение удельной бета-активности проб 66
2.1.5. Радиохимический анализ 67
2.2. Методы определения тяжелых металлов в биологических объектах 70
2.3. Определение тяжелых металлов - Pb2+, Cu2+, Hg2+, в кормах и крови животных 81
2.4. Определение витаминов А и Е в биологическом материаел 83
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 88
3.1. Радиационная обстановка местности и содержание радионуклидов в кормах 88
3.2. Определение содержания Cs-137, Sr-90 и Pb-210 в компонентах рациона и молоке крупного рогатого скота в стойловый период 94
3.3. Определение перехода Cs-137, Sr-90 и Pb-210 в звене рацион-молоко 99
3.4. Показатели поглощенных доз от внутреннего и внешнего облучения 101
3.5. Содержание ионов тяжелых металлов, нитратов и нитритов в кормах и сыворотке крови 102
3.6. Содержание каротина и витамина Е в рационе животных в пастбищный период 104
3.7. Содержание каротина и витамина Е в рационе животных в стойловый период 107
3.8. Содержание ретинола и токоферола в сыворотке крови, молоке и печени коров и телят в пастбищный период 111
3.9. Уровень витаминов в организме животных в стойловый период до и после использования витаминных препаратов 113
3.9.1. Влияние витаминных препаратов на содержание витамина А .Л 13
3.9.2. Влияние витаминных препаратов на содержание витамина Е 117
Глава 4. ВЛИЯНИЕ ПРЕПАРАТОВ ЖИРОРАСТВОРИМЫХ ВИТАМИНОВ НА УРОВЕНЬ ВИТАМИНА А И ВИТАМИНА Е В ОРГАНИЗМЕ ЖИВОТНЫХ 120
4.1. Курс введения ретинола 120
4.2 Курс введения токоферола 124
4.3 Курс введения тривита 126
ВЫВОДЫ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
- Загрязнение почвы тяжелыми металлами
- Экспрессное определение удельной бета-активности проб
- Содержание ионов тяжелых металлов, нитратов и нитритов в кормах и сыворотке крови
Введение к работе
Научно-технический прогресс, пронизывающий промышленные и сельскохозяйственные отрасли народного хозяйства, невозможен без воздействия на природу, без расходования ее ресурсов. Наращивание мощностей промышленного производства всегда связано с большим использованием сырья, значительным расходованием воды на промышленные нужды и увеличением выбросов в атмосферу загрязняющих веществ. Поэтому нельзя недооценивать опасности отрицательных последствий усиленного воздействия человека на природу.
Особую опасность представляют продукты сгорания угля и нефтепродуктов, взвешенные частицы пыли и металлов, выхлопные газы автомобилей и т.д. Общее количество различного рода вредных веществ, поступающих в окружающую среду за год во всем мире, превысило 30 млрд.т.
Одно из последствий научно-технического прогресса - появление в окружающей среде в угрожающих количествах мутагенных факторов физической и химической природы. Из физических в первую очередь следует отметить различные виды ионизирующего излучения высокой проникающей способности. Установлено, что мутагенное воздействие ионизирующих излучений обладает всеобщностью и беспороговостью, т.е. любые дозы его способны вызывать генетические повреждения.
Мутагенной способностью обладают и многие химические соединения, причем целый ряд из них по интенсивности мутагенного действия превышает ионизирующее излучение.
Актуальность темы. Авария на Чернобыльской атомной станции вызвала беспрецедентное по своим масштабам загрязнение окружающей среды. В условиях радионуклидного загрязнения местности животные подвергаются как внешнему, так и внутреннему хроническому облучению.
6 Однако в реальных условиях в зонах, пострадавших в результате аварии на Чернобыльской АЭС, помимо радиационного воздействия, на организм животного оказывает влияние комплекс патогенетических факторов. Внесение высоких доз удобрений при проведении агрохимических мероприятий привело к накоплению в почве, растениях и, следовательно, поступлению в организм животных солей тяжелых металлов и кислородосодержащих соединений азота (А.Ф.Маленченко, 1989, В.Т.Ториков в соавт., 1995). Токсические факторы способны усиливать и модифицировать свободнорадикальные процессы. Сочетанное воздействие ионизирующей радиации и токсикантов способствует развитию нарушений, не характерных только для действия радиации (А.Д.Белов, Н.П.Лысенко и др., 1993). Целью данной работы было: определить радиационную обстановку местности и поступление радионуклидов в организм животных с основными кормами рациона; рассчитать значения доз внутреннего и внешнего облучения крупного рогатого скота, содержащегося в зоне экологического влияния аварийных выбросов ЧАЭС; оценить уровень солей тяжелых металлов, а также нитритов и нитратов в кормах и организме животных, находящихся на загрязненной территории; исследовать витаминную обеспеченность рационов и содержание витаминов А и Е в органах и тканях животных, находящихся в зоне радиационного контроля; исследовать зависимость применения жирорастворимых витаминных препаратов от уровня содержания витаминов А и Е в биоматериале.
Научная новизна. Произведены исследования в условиях сочетанного внутреннего и внешнего хронического облучения и действия токсических факторов на организм животных.
Выявлены закономерности накопления тяжелых металлов в организме животных, подвергшихся радиационному облучению. На основании проведенных исследований доказано, что совместное действие радиационного облучения и токсических факторов способствует развитию серьезных нарушений в организме животных.
Впервые показана возможность снижения уровня свободно-радикального окисления витаминными препаратами у крупного рогатого скота, находящегося на загрязненной радионуклидами территории, и изучено содержание витаминов А и Е в сыворотке крови, печени и молоке крупного рогатого скота, длительное время находящегося в условиях повышенного радиационного фона.
Теоретическое и практическое значение работы. Результаты исследований дают представление о влиянии на организм тяжелых металлов в условиях повышенного радиационного фона.
Полученные данные используются для практического определения уровня тяжелых металлов и радиационного загрязнения на местах (в хозяйствах Калужской области).
Загрязнение почвы тяжелыми металлами
Загрязнение происходит преимущественно в результате накопления на её поверхности выпадающих из атмосферы химических соединений. Загрязнение почвы приводит к тому, что накопившиеся в ней избыточные тяжелые металлы начинают, поступать в растения, а через них в организм животных и человека.
Почва - мощный и активный поглотитель тяжелых металлов. Она способна трансформировать попадающие в неё соединения элементов и прочно связывать их, снижать поступление токсикантов в растения и почвенно-грунтовые воды. Но емкость почвы не беспредельна: чем меньше в почве гумуса и тонкодисперсных минеральных частиц, тем она ниже.
Для оценки масштаба загрязнения почв тяжелыми металлами важно знать их естественное, фоновое содержание. При этом важно не только валовое содержание, но и количество подвижной формы тяжелых металлов в почвах. Соединения, входящие в состав подвижной формы, наиболее доступны растениям. Именно они формируют поток тяжелых металлов из почвы в растения, способны мигрировать в почвенно-грунтовые воды.
Фоновое содержание тяжелых металлов в разных типах почв неодинаковое (таблица 1).
Средневаловое содержание тяжелых металлов в незагрязненных почвах таково: ртуть - 0,03, мышьяк - 6,0 , кадмий - 0,06, свинец - 10, цинк - 50, медь -20 мг/кг воздушно-сухой массы. Тяжелые металлы накапливаются в почвах в разной форме - в виде ионов в почвенном растворе, они входят в состав органоминеральных комплексов, адсорбируются на поверхности коллоидных частиц.
Концентрации тяжелых металлов в растворе зависят от особенностей взаимодействия твердой и жидкой фаз почвы. Теоретически возможно предсказать растворимость тяжелых металлов в большинстве химических соединений, присутствующих в почве, но экспериментальные данные показывают, что эти расчеты не дают действительных значений растворения.
Фульвокислоты с металлами образуют растворимые хелатные соединения в большом диапазоне значения рН, повышая тем самым растворимость металлов. Напротив, комплексы гуминовых кислот с тяжелыми металлами менее растворимы, что способствует их накоплению в почвах.
В окислительных условиях при снижении рН, растворимость металлов увеличивается в восстановительных - растворимость большинства металлов уменьшается.
Мобильность тяжелых металлов и, следовательно, токсичность их для растений в условиях загрязнения зависят от многих компонентов и свойств почвы. Кислые почвы обладают значительно меньшей способностью удерживать тяжелые металлы, чем нейтральные. Возможности перевода токсикантов в малоподвижные соединения у разных почв неодинаковы: почвы малогумусные песчаные, например, не в состоянии оградить растения от высоких концентраций тяжелых металлов, что следует учитывать при использовании загрязненных земель в сельском хозяйстве. Напротив, почвы высокогумусированные глинистые обладают большими возможностями для инактивации ионов тяжелых металлов.
Попадающие в почву тяжелые металлы изменяют в неблагоприятную сторону течение таких важных процессов как азотфиксация и нитрификация. Ртуть накапливается в различных звеньях трофических цепей за счет способности живых организмов аккумулировать этот металл до концентраций, в сотни и тысячи раз превосходящих его содержание в окружающей среде. По токсикологическим свойствам соединения ртути классифицируются на следующие группы: элементарная металлическая ртуть, неорганические соединения, алкильные соединения с короткой цепью (метилртуть, этилртуть) и другие ртутьорганические соединения.
Металлическая ртуть (в отличие от паров) токсически индифферентна. Пары ртути и её соединения, поступая в организм даже в сравнительно малых концентрациях, взаимодействуют с солями крови и тканей, блокируя функциональные (преимущественно сульфгидрильные) группы белков. Тиогруппы в процессе блокирования ртутью теряют свои реакционные свойства.
Органические соединения ртути: метил-, этил-, фенилртуть и другие более токсичны, чем неорганические. Это связано с тем, что органические соединения ртути хорошо растворяются в липидах и легко связываются с белками, способствуя свободному проникновению их в клетку. Наиболее токсичны алкилртутные соединения с короткой цепью, например, метилртуть, которая отличается более высокой стабильностью в окружающей среде, чем другие соединения и четко выраженными кумулятивными свойствами. Токсическое действие алкильных соединений ртути характеризуется в основном необратимыми поражениями нервной системы.
Ртуть в организме отлагается в почках, печени, мозге, толстых кишках, легких, костях. Выделение её из организма происходит органами дыхания (с выдыхаемым воздухом), почками, кишечником, слюнными, потовыми и молочными железами.
Наряду с прямым токсическим действием на организм особую опасность представляют отдаленные биологические последствии отравления ртутью, связанные с мутагенным, эмбриотоксическим и гонадотоксическим действием её соединений.
Рассмотрим токсическое действие соединений ртути на гидробионты, фауну суши и человека.
Присутствие в водной среде соединений ртути за счет уменьшения интенсивности фотосинтеза водорослей на 10-90% приводит к снижению первичной продукции. При действии ртути на Hidrilla verticulatus, Pistia stratiotes, Salvina molesta в концентрациях I - 1000 мкг/л наблюдалось сильное повреждение листьев, снижение интенсивности фотосинтеза и прироста биомассы. Концентрация ртути 5000 мкг/л и выше вызывала признаки старения у Salvina natans, уменьшение содержания хлорофилла, белка, РНК, снижение сухого веса, активности каталаз и протеаз при одновременном повышении содержания свободных аминокислот. Концентрация ртути 10000 мкг/л приводила к гибели растений в течение первых суток. Ингибирование ртутью фотосинтетической активности в большей степени происходит у водорослей в стационарной фазе развития (старые культуры), нежели в экспоненциальной (молодые культуры). К возможным причинам неодинакового реагирования старых и молодых водорослей на ртуть, в первую очередь, относят различия в метаболическом состоянии и в кинетике накопления и выведения металла. Механизм поглощения ртути у водорослей осуществляется, по-видимому, путем пассивной абсорбции.
Токсичность соединений ртути для морских и пресноводных беспозвоночных зависит от их видовой принадлежности, стадии развития и условий окружающей среды. Микроскопические виды, такие как коловратки, более чувствительны к воздействию ртути, что связано с большой, по сравнению с объемом, площадью их тела, увеличивающей вероятность проникновения ртути. В то время, например, олигохеты, значительно устойчивее к воздействию ртути.
Зоопланктон принимает непосредственное участие в транспорте ртути из осадков в рыбу. Обнаружена зависимость концентрации, ртути в теле водных беспозвоночных от содержания её в донных отложениях. Биодоступность ртути коррелирует со степенью её связанности с органической фракцией грунта. Большая часть ртути ассоциирована с органическими веществами типа гуминовых и фульвокислот, и доступность металла для водных беспозвоночных уменьшается с увеличением концентрации органических соединений в осадках. Хорошими индикаторами биологической доступности ртути, присутствующей в донных отложениях, являются также моллюски Scrobiculana plana и Maccma baltica.
Личинки водных беспозвоночных более чувствительны к воздействию ртути по сравнению со взрослыми стадиями. Так, летальная концентрация хлорида ртути, вызывающая гибель 50% особей моллюсков Crepidula fornicata, составляла для личинок 60 мкг Hg/л, тогда как для взрослых организмов - 330 мкг Hg/л. Минимальная пороговая концентрация ртути для личинок креветок составляет 41 мкг/л. Гонадотоксический эффект ртути у некоторых водных беспозвоночных (в частности, у креветок) выражается в вакуолизации ооцитов с последующим разрушением оолеммы и слиянием соседних ооцитов. В эритроцитах морского двустворчатого моллюска Scaphara broughtoni ртуть вызывает гемолиз. Причина - окисление SH-групп и образование межмолекулярных связей.
Экспрессное определение удельной бета-активности проб
Методика предназначена для массовых экспрессных измерений количества радиоактивных веществ в указанных продуктах без концентрирования проб при максимальном времени измерения одной пробы не более 1000 с и при содержании в пробах радионуклидов не менее 1 10"9 Ки/кг.
При измерении использовали бета-радиометр РКБ4-1еМ с блоком детектирования БДЖБ-02.
Некоторые технические характеристики радиометра: фон в свинцовой защите - 4-5 с"1, оценка значения минимальной удельной активности за время измерения Т=1000с - 1 1010 Ки/кг.
Сыпучие, твердые, пастообразные пробы размещаются в полиэтиленовых пакетах, которые устанавливали между пластинами детектора. Жидкие пробы заливают в чувствительный объем детектора.
Скорость счета измеряли m раз и вычисляли среднее значение фоновой скорости счета по формуле (1):
Радиохимический анализ
Радиохимический анализ — основной метод определения радиоактивности в объектах ветнадзора, который позволяет дать полную и объективную характеристику радиоактивной загрязненности объекта отдельными радиоизотопами. Применяя радиохимические методики, производили концентрирование, разделение отдельных радионуклидов, после чего и активность определяли на радиометрической установке.
Озоление проб. В связи с небольшой концентрацией радиоизотопов в пробе, необходимо произвести концентрирование. Концентрирование жидких проб проводили путем выпаривания с последующим сжиганием и озолением, а твердые пробы высушивали, сжигали и озоляли.
Рассчитывали коэффициент озоления (М) пробы, который использовали для пересчета радиоактивности золы на радиоактивность сырой пробы. Для твердых проб коэффициент озоления М рассчитывали по формуле (3).
При выделении радиоизотопов из зольных остатков исследуемых проб использовали методы аналитической химии.
Данная методика позволяет производить определение Cs, Sr, Pb из одной пробы кормов растительного и животного происхождения.
Выделение РЬ-210 из исследуемой пробы основано на предварительном его концентрировании вместе с носителем стабильного свинца из рабочего раствора на ионообменной смоле ЭДЭ-ЮП с последующим выделением в виде хромата свинца.
Выделение Cs-137 проводили сурьмяноиодидным методом, который позволяет выделить Cs в радиохимически чистом состоянии из больших объемов раствора золы проб с высоким содержанием солей. Кроме того из одной навески золы можно выделить Cs-137 и Sr-90. метод основан на предварительном концентрировании Cs-137 с носителем из кислотного раствора золы пробы в виде комплексного соединения ферроцианида никель-цезия:
Содержание ионов тяжелых металлов, нитратов и нитритов в кормах и сыворотке крови
В кормах, входящих в состав рациона коров и телят хозяйств исследуемых "чистой" и "грязной" зон содержание солей тяжелых металлов, нитритов и нитратов соответствовало нормативным показателям. Напротив, во всех исследованных образцах кормов хозяйств "грязной" зоны выявлено повышенное содержание свинца (таблица 13).
В сене разных угодий концентрация свинца была наибольшей и составила 2,60 - 6,76 мг/кг. Уровень свинца в питьевой воде - 0,16 мг/л, а в воде из дренажной канавы - 0,22 мг/л. Содержание солей свинца превышает допустимые концентрации в воде в 1,6 - 2,2 раза, в сене - в 2,6 — 6,8 раза.
Повышенная концентрация свинца в кормах и воде приводит к тому, что содержание этого токсиканта в организме животных превышает допустимые значения. Так, в сыворотке крови уровень свинца составил 0,42 - 1,74 мг/л, а молоко всех исследованных образцов содержало от 0,4 до 0,5 мг/л свинца. Это превышает допустимые значения в6-8и4-5 раз соответственно.
Значительное содержание меди было выявлено в некоторых образцах сена. Концентрация меди в сыворотке крови животных в 4 раза выше физиологических значений.
Концентрация ртути не превышала допустимые уровни во всех исследованных объектах. В образцах сыворотки крови и молока обнаружено наличие мышьяка (0,26 мг/л) и никеля (1,55 мг/л). В пробах свеклы, возделываемой в колхозах "чистой" зоны, содержание нитрат-иона составило 90 — 117 мг/кг, нитрит-иона - 1,25 — 3 мг/кг и не выходило за рамки установленных норм. 104 Кроме того, в колхозах "грязной" зоны, в зеленой массе установлено высокое содержание нитратов: от 400 до 1148 мг/кг. Уровень нитратов в кормах в 2-6 раз превышает предельно допустимые показатели. Таким образом, на организм животных, содержащихся в зоне экологического влияния аварийных выбросов ЧАЭС, оказывает влияние комплекс токсических факторов. К их числу относятся соли свинца, кослородосодержащие соединения азота (нитраты). Содержание каротина и витамина Е в рационе животных в пастбищный период Основная доля каротина и витамина Е приходится на зеленые корма. Содержание каротина и витамина Е было более, чем в два раза выше физиологических потребностей. Это способствует устранения дефицита витамина А и витамине Е, возникающему в стойловый период, и создает возможность накопления данных витаминов.
В рацион молодняка контрольного хозяйства входило 4 л цельного молока; 0,3 концентрированного; 2,5 кг подвяленой травы. Такой рацион соответствует 2,21 к.ед. В основных кормах рациона исследовали содержание каротина, витамина А, витамина Е (таблица 14).
Учитывая, что рацион крупного рогатого скота нормируется по каротину, выражали концентрацию витамина А в эквивалентных количествах каротина. Один миллиграмм каротина соответствует 120 мкг ретинола. Всего в 4 литрах молока содержится 51,2 - 63,2 мкг ретинола, что эквивалентно 0,42 - 0,53 мг каротина.
Данный рацион соответствует физиологическим потребностям телят в возрасте 1-2 месяца как по энергетической ценности, так и по обеспеченности витаминами.
Рацион животных опытного хозяйства как по своему составу, так и по энергетической ценности аналогичен рациону контрольной группы. В рационе опытных животных был исследован уровень каротина и витамина Е. Результаты анализа представлены в таблице 15.
Полученные данные указывают на достаточное поступление каротина и витамина Е. Содержание каротина и витамина Е в рационе коров опытного хозяйства не имело достоверных отличий от аналогичных показателей контрольного хозяйства. Рацион телят опытной группы также состоял из 4 л цельного молока; 0,3 кг комбикорма и 2,5 кг подвяленной травы. Исследование содержания каротина, витамина А и витамина Е в рационе указывает на их достаточное поступление (таблица 16).
