Содержание к диссертации
Введение
2. Основная часть 11
2.1. Обзор литературы 11
2.1.1. Физиологическая роль железа, меди и кобальта для сельскохозяйственных животных 11
2.1.2. Влияние солей железа, меди и кобальта на физиологические, биохимические и продуктивные показатели сельскохозяйственных животных 17
2.1.3. Применение нанодисперсных порошков железа, меди и кобальта в животноводстве 24
2.2. Объекты и методы исследований.. 43
2.2.1. Объекты исследований 43
2.2.2. Характеристика НПМ и условия их включения в рацион лабораторных и сельскохозяйственных животных 45
2.2.3. Изучение токсикологических свойств нанопорошков металлов 46
2.2.3.1. Лабораторные исследования по изучению острой токсичности при внутрижелудочном введении белым мышам 48
2.2.3.2. Лабораторные исследования по изучению острой токсичности при внутрижелудочном введении белым крысам 49
2.2.3.3. Лабораторные исследования по изучению хронической токсичности при внутрижелудочном введении белым крысам 50
2.2.4. Производственные испытания нанопорошков металлов на бычках черно-пестрой породы 51
2.2.4.1. Влияние нанопорошков металлов на морфофизиологические и биохимические показатели бычков черно-пестрой породы 54
2.2.4.2. Изучение минерального состава мышечной ткани и печени бычков черно-пестрой породы 55
2.2.5. Производственные испытания нанопорошков металлов на телочках голштинской породы 55
2.2.5.1. Влияние нанопорошков металлов на показатели минерального и липидного обмена телок голштинской породы 58
2.2.6. Обработка результатов исследований 58
2.3. Результаты исследований 59
2.3.1. Определение острой и хронической токсичности наночастиц металлов железа, кобальта и меди на лабораторных животных 59
2.3.1.1. Определение острой пероральной токсичности наночастиц металлов железа, кобальта и меди на белых мышах 59
2.3.1.2 Определение острой пероральной токсичности наночастиц металлов железа, кобальта и меди на белых крысах 60
2.3.1.3 Определение хронической токсичности наночастиц металлов железа, кобальта и меди на белых крысах 62
2.3.2. Влияние нанопорошков металлов на физиологические показатели бычков черно-пестрой породы 63
2.3.2.1. Влияние нанопорошков железа, кобальта и меди на живую массу бычков черно-пестрой породы 63
2.3.2.2. Морфо-биохимические показатели крови бычков черно-пестрой породы при введении в их рацион наночастиц металлов 66
2.3.3. Исследование показателей минерального обмена при введении в рацион бычков черно-пестрой породы нанопорошков металлов 74
2.3.3.1. Влияние нанопорошков металлов на содержание минеральных веществ и ферментов в сыворотке крови бычков 74
2.3.3.2. Влияние нанопорошков металлов на содержание минеральных веществ в мышцах и печени бычков 80
2.3.4. Влияние нанопорошков металлов на физиологические показатели телок голштинской породы 83
2.3.4.1. Влияние нанопорошков железа, кобальта и меди на живую массу телок голштинской породы 83
2.3.4.2 Морфо-биохимические показатели крови телок голштинской породы при введении в их рацион наночастиц металлов 86
2.3.5. Показатели минерального обмена при введении в рацион телок голштинской породы наночастиц металлов 93
2.3.5.1. Влияние наночастиц металлов на содержание минеральных веществ в сыворотке крови телок 93
2.3.5.2. Влияние наночастиц металлов на минеральный состав шерсти телок 97
2.3.6. Показатели липидного обмена при введении в рацион телок голштинской породы наночастиц металлов 103
3. Заключение 107
3.1 Результаты и их обсуждение . 107
3.2 Выводы 127
3.3 Предложение производству 129
3.4. Перспективы исследования 130
Список сокращений 132
Список использованной литературы 133
Приложения 156
- Применение нанодисперсных порошков железа, меди и кобальта в животноводстве
- Морфо-биохимические показатели крови бычков черно-пестрой породы при введении в их рацион наночастиц металлов
- Морфо-биохимические показатели крови телок голштинской породы при введении в их рацион наночастиц металлов
- Результаты и их обсуждение
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из ведущих для с/х животных является проблема сбалансированных рационов, от чего напрямую зависят их продуктивность и экономические показатели животноводства. В ее решении большую роль выполняют биологически активные добавки. Организм животных включает около 50 микроэлементов, на долю которых приходится не менее 1% массы тела, поэтому он нуждается в непрерывном поступлении нутриентов. В настоящее время рационы содержат микроэлементы в виде солей металлов. Так как дозы микроэлементов измеряются миллиграммами на 1 кг корма, включить их оптимальное количество для животных, не превысив нормы ПДК сложно. К тому же избыток одного элемента может привести к дефициту другого из-за антагонистического взаимодействия. Поэтому животноводство нуждается в эффективных и безопасных веществах, содержащих микроэлементы в малых дозах.
Альтернативой солям микроэлементов могут стать наноразмерные порошки металлов (НПМ). Их особенностью является способность стимулировать биохимические и физиологические процессы в организме животных при использовании в малых концентрациях. Широкое внедрение НПМ может стать одним из путей успешного развития сельского хозяйства. Наиболее активны нанопорошки на основе железа, меди, кобальта, произведенные в НИТУ МИСиС (г. Москва). Изучением возможности применения на-нопорошков металлов в сельском хозяйстве занимаются Л.В. Коваленко, Н.Н. Глущен-ко, Г.Э. Фолманис, Г.В. Павлов, С.Д. Полищук, Г.И. Чурилов.
Степень разработанности темы. В Рязанском ГАТУ им. П.А. Костычева изучение биологической активности нанопорошков металлов проводится с 1997 года. С 2006 года начаты опыты по влиянию НПМ на физиологические и биохимические показатели животных, на мясную и молочную продуктивность; кроветворную, иммунную и ферментные системы животных; а также по изучению безопасности их применения в животноводстве.
Цель и задачи исследования. Цель работы – определить токсикологические параметры нанопорошков железа, кобальта и меди и установить их действие в оптимальных концентрациях на показатели минерального и липидного обмена крупного рогатого скота в зависимости от пола и возраста животных.
Задачи исследования:
-
Определение острой и хронической токсичности наночастиц железа, кобальта и меди на лабораторных животных.
-
Действие нанопорошков железа, кобальта и меди на физиологические и морфо-биохимические показатели при ведении их в рацион бычков черно-пестрой породы.
-
Изучение влияния наночастиц металлов на показатели минерального обмена бычков черно-пестрой породы.
-
Действие наночастиц кобальта и меди на физиологические и морфо-биохимические показатели телок голштинской породы.
-
Изучение влияния наночастиц металлов на показатели минерального обмена телок голштинской породы.
-
Изучение действия наночастиц металлов на показатели липидного обмена телок голштинской породы.
7. Рекомендации производству.
Научная новизна. Определена острая и хроническая токсичность нанопорош-
ков железа, кобальта и меди на лабораторных животных (мыши, крысы) для установ
ления класса опасности веществ. Впервые изучено физиологическое действие НПМ
кобальта и меди на телках голштинской породы и проведена сравнительная характери
стика их действия на бычках черно-пестрой породы. Впервые изучено влияние наноча-
стиц металлов железа, кобальта и меди на показатели минерального и липидного об
мена жвачных с/х животных (бычки черно-пестрой породы, телочки голштинской по
роды). Впервые разработаны условия для контроля действия нанопорошков металлов
на животных, определены параметры их воздействия на молодняк крупного рогатого
скота.
Теоретическая и практическая значимость работы. Показана возможность применения наночастиц железа, кобальта и меди как эффективных и малотоксичных микроэлементов, активизирующих физиологические и биохимические процессы, повышающих минеральный и липидный обмены. На основании лабораторных исследований по изучению токсичности НПМ железа, кобальта и меди доказана их безопасность при введении в рацион животных и утвержден отчет ФГБНУ «ВНИИП им. К.И. Скрябина».
Разработаны рекомендации по применению наночастиц металлов в рационах крупного рогатого скота для активации минерального и липидного обмена, предупре-4
ждения микроэлементозов с целью замены ими неорганических солей металлов в премиксах.
Методология и методы исследования. Методологической и теоретической основой исследований послужил анализ методов, используемых отечественными и зарубежными учеными в области изучения влияния микроэлементов на обменные процессы при введении их в рацион с/х животных. На основании полученных данных были сформулированы цель и задачи исследований, разработана схема опытов. При их постановке и проведении были использованы лабораторные, зоотехнические, физиологические, биохимические методы. Объектами исследований служили лабораторные животные и молодняк крупного рогатого скота. Полученные результаты исследований были статистически обработаны и проанализированы.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- результаты определения острой и хронической токсичности нанопорошков ме
таллов на лабораторных животных (мыши, крысы);
результаты влияния наночастиц металлов на физиологические и биохимические показатели бычков черно-пестрой породы и телок голштинской породы;
результаты влияния нанопорошков металлов на показатели минерального обмена бычков черно-пестрой породы и телок голштинской породы;
результаты влияния нанопорошков кобальта и меди на показатели липидного обмена телок голштинской породы.
Степень достоверности и апробация работы. Данные исследований доложены и обсуждены на: Втором международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (Москва, 2009), Всероссийской науч.-практ. конференции «Приоритетные направления современной Российской науки глазами молодых ученых» (Рязань, 2009), Международной науч.-практ. конференции «Молодость, талант, знания – ветеринарной медицине и животноводству» (Троицк, 2010), Международной науч.-практ. конференции «Химико-экологические аспекты научно-исследовательской работы» (Беларусь, 2013), 3-ей Международной конференции молодых ученых «Interdisciplinary Problems of Nanotechnology, Biomedicine and Nanotoxicology» (Тамбов, 2015), IV Международной науч.-практ. конференции «Наноматериалы и живые системы NLS-2016» (Москва, 2016), Международной науч.-практ. конференции «Эколого-
биологические проблемы использования природных ресурсов в сельском хозяйстве» (Екатеринбург, 2017).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печати в 24 научных работах, из них 7 – в рецензируемых научных изданиях, в том числе 4 – в изданиях, входящих в перечень ВАК, 2 – в изданиях, входящих в базу SCOPUS, 1 – в издании, входящем в базу Web of Science, 1 – патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 разделов, обсуждения результатов, выводов, списка литературы, содержащем 179 источников, в том числе 14 иностранных, 3 приложений, изложена на 158 страницах, включает 25 рисунков и 37 таблиц.
Применение нанодисперсных порошков железа, меди и кобальта в животноводстве
Огромный потенциал нанотехнологий и наноматериалов обуславливает их развитие для нужд сельского хозяйства, как в России, так и за рубежом. Малый размер наночастиц (1-100 нм) и высокие адсорбирующие свойства обеспечивают их повышенную реакционную способность и приводят к образованию веществ с ранее неизвестными свойствами. Активное использование наноматериалов ставит перед учеными и производителями ряд задач, непосредственно относящихся к проблеме их воздействия на экологию, растительные, животные и микроорганизмы, и, как следствие, на качество продукции АПК.
Нанотехнологии включают в себя разработку, синтез и применение материалов, различных систем и устройств, функционирование которых определяется их структурой – расположением в определенном порядке частиц, имеющих размер - 1 - 100 нм (10-9 м). Наночастицы имеют комплекс свойств различного биологического и физико-химического характера, которые отличаются от свойств аналогичного соединения в форме «сплошных фаз» или макроскопических дисперсий. В диапазоне размеров 1 10 нм происходят радикальные изменения многих основных свойств, вызванные тем обстоятельством, что атомы на всей поверхности, вследствие ассиметричного взаимовлияния, отличаются от аналогичных атомов в объеме. В наночастицах все атомы рассматриваются как находящиеся на поверхности, так как действию поверхностных сил подвергается весь объем. В мировой промышленности зарегистрировано и выпускается уже более 2000 наименований различных наноматериалов (А.В. Алешков, 2011; Нанотехнологии. Азбука для всех, 2008).
Среди различных отраслей применения и внедрения достижений нанотехнологического мира – оптика, военное дело, конструкционные материалы, энергетика, микроэлектроника, охрана окружающей среды, медицина, биотехнологии, транспорт, сельское хозяйство (Ю.И. Головин, 2007).
Наноматериалы уникальны тем, что вещество находится в состоянии, при котором начинают проявляться квантово-механические эффекты. Характерным свойством наночастиц также является то, что отсутствуют структурные дефекты (А.В. Алешков, 2011; О.П. Лаврентьева, 2010). Одним из наиболее востребованных направлений нанотехнологий является на сегодняшний день химический синтез металлов, частицы которых наноразмерны. В основе данного метода находится химическое восстановление ионов металла до атомов с последующей агрегацией атомов и ионов с образованием наночастиц. Такие наночастицы усваиваются и обладают физиологически активным действием на организм животных в несколько раз сильнее, чем известные соли минеральных веществ (А.Г. Грушкин, А.А. Брылев, Н.Ф. Мельников и др., 2009).
Изучение физико-химических процессов, контролирующих образование наноструктур, и разработка технологий получения наноматериалов проводится в направлении, связанном с принципами нелинейной динамики. Для создания различных наноматериалов наиболее важным является, как и химический состав, так и размерность частиц, что усиливает интеграцию свойств в ансамбле нанообъектов (Г.Э. Фолманис, 1993).
Разработанные методы позволяют получать как дисперсные наноматериалы, так и их суспензии. В их основу положен самоуправляемый синтез, предполагающий полное отсутствие внешнего воздействия на систему после установления технологического режима (Л.В. Коваленко, Г.Э. Фолманис, 2009).
Микроэлементы в виде наночастиц являются составной частью многих биологически активных соединений – гормонов, ферментов, белков, витаминов либо оказывают сильнейшее влияние на основные их функции, к тому же участвуют в различных процессах метаболизма и жизнедеятельности живых систем. Наибольшей активностью обладают порошки, активными составляющими которых являются кобальт, медь, железо, марганец, селен. Эти элементы участвуют в процессах окисления и восстановления, что основано на их способности менять валентность. Частицы нанометаллов можно сравнить по размерам с молекулами фосфолипидов, непосредственно входящих в мембраны клеток (Л.В. Коваленко, Г.Э. Фолманис, 2006). Нанопорошки оксидов металлов и металлов на сегодняшний день являются наиболее растпространненым типом наноматериалов и производство их непрерывно растет. К основным методам синтеза порошковых наноматериалов относят: химические методы (лазерный синтез, термический синтез, плазмохимический синтез, высокотемпературный саморастпространяющийся синтез, электрохимический синтез, механохимический синтез, криохимический синтез, осаждение из водных растворов); физические методы (механическое измельчение, детонационная обработка, электрический взрыв проводника, испарение и конденсация в реакционном или инертном газе) (И. Миттова, 2007).
Плазмохимический синтез используется в процессе получения наноразмерных порошков различных смесей, оксидов металлов, карбидов, нитридов (размер 10-200 нм). В этой плазме вещества распадаются до атомов, и при быстром охлаждении синтезируются сложные и простые вещества, состояние, строение и состав которых зависит от скорости их охлаждения. В настоящее время физические способы получения нанопорошков выходят на практически промышленный уровень. Они основаны на испарении оксидов, сплавов или металлов и, с затем следующей их конденсацией, при заданных атмосфере и температуре. Форма и размер нанопорошков будут зависеть от температуры и давления, используемых в процессе синтеза и химического состава атмосферы.
Авторами (Г.В. Павлов, Г.Э. Фолманис, 1999) были синтезированы нанодисперсные порошки железа химическим методом низкотемпературным водородным восстановлением с последующей обработкой ультразвуком в водной среде. После данной обработки порошки представляют собой ультрадисперсную систему, содержащую поверхностно-активные анионы, ионы, атомы, железо в двух- и трехвалентной форме, оксиды, супероксиды, молекулярные водород, кислород и т.п. соединения. При восстановлении нанопорошки аккумулируют водород и воду, поэтому свежеприготовленные УДП железа подвергают дегазации. Оптимальным является интервал температур 180 – 190 С, так как при данных высокотемпературном плазменном процессе наноматериалы по удельной эффективности уступают (Л.В. Коваленко, Г.Э. Фолманис, Н.С. Вавилов, 1994).
В последние годы нанодисперсные порошки активно изучаются как биопрепараты для растениеводства и животноводства. Авторами (И.П. Арсеньева, Е.С. Зотова, Г.Э. Фолманис, 2007) была проведена материаловедческая аттестация нанопорошков железа, синтезированных химико-металлургическим способом. Биологические свойства металлов в наноразмерном состоянии в живых системах определяются, как правило, их фазовым и химическим составами, природой частиц, их размером и формой, месторасположением оксидных фаз. В РФ потребность в металлах-микроэлементах составляет для кобальта – 0,3 тысяч тонн, для меди – 4,8 тысяч тонн (П.И. Анспок, 1990).
Наночастицы металлов имеют ядро и внешнюю оболочку (2-10 нм), сформированную оксидами металла. Они активны только в коллоидном состоянии, при этом образуется структура, размерность которой определена соотношением заряженных и свободных частиц. На поверхности коллоидных частиц образуются определенные нанослои, которые обладают некоторым запасом энергии, при этом готовы обмениваться с объектами в контакте. Действие нанопорошков на различные живые системы проявляется на клеточном, субклеточном и макромолекулярном уровнях, и в активности продуктов химического взаимодействия нанопорошков (комплексные соединения, ионы металлов) с биологическими жидкостями (В. Полякова, С. Мирошников, Е. Сизова, 2009). Главная обсобенность биологически активных наноматериалов при взаимодействии с организмом – это процессы самосинтеза, самоорганизации, самосборки, и возможность широко применять их, при этом используя при реализации энергию этих же наносистем. Из-за хорошей биосовместимости с живой клеткой наночастицы, окруженные молекулами воды, проникают с легкостью через клеточные мембраны и контактируют с клеточными органеллами, что способствует реализации их биологической активности (В.Г. Каплуненко, В.Г. Косинов, 2007).
Морфо-биохимические показатели крови бычков черно-пестрой породы при введении в их рацион наночастиц металлов
Для определения влияния нанопорошков меди, кобальта и железа на клинические показатели крови (уровень лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина) бычков (черно-пестрая порода) из каждой опытной группы у нескольких животных периодически проводили забор крови. Результаты представлены в таблице 14.
Как видно из таблицы 14, в крови животных контрольной группы к 12 месяцу наблюдалось повышение уровня эритроцитов (на 14,6%) и гемоглобина в сравнении с началом опыта, что связано с процессами роста и развития бычков. Количество лейкоцитов увеличилось на 5,6%. У животных опытных групп наблюдалась иная картина крови. В группе, получавшей добавку нанопорошка железа, количество эритроцитов к 12 месяцу исследований (в сравнении с показателями на начало опыта) увеличилось на 32,6%, а гемоглобина – на 7,4%. Если же сравнить с контролем, то содержание эритроцитов было выше на 10,9 %, а гемоглобина – на 4,5 %.
В наибольшей степени повышение гемоглобина и уровня эритроцитов при введении наночастиц железа в корма животных связано с тем, что железо непосредственно содержится в данных соединениях и активно участвует в процессе их образования. К тому же известно, что главной функцией белка гемоглобина является перенос газообразных веществ и активное участие в дыхании клетки, поэтому включение НП железа в корм активизирует процессы обмена веществ и, как следствие, возрастает и интенсивность окислительно-восстановительных реакций.
Введение нанопорошка кобальта также повлекло за собой изменения в клинических показателях крови (табл. 14). К концу поставленного опыта было замечено достоверное повышение уровня гемоглобина – на 7,3%, кровяных телец эритроцитов - на 16,4% и лейкоцитов – на 6,7% выше контрольных значений.
Включение нанопорошка меди в рацион бычков также способствовало повышению основных клинических показателей крови: содержание гемоглобина на 3,6%, уровня эритроцитов на 14,5% и лейкоцитов на 12% выше контрольных значений.
Известно, что кровяные тельца эритроциты непосредствеено участвуют в транспорте кислорода к различным тканям от легких. К тому же они принимают участие в переносе углекислого газа, питательных веществ, поддерживают уровень водородного показателя (рН) в крови на необходимом уровне.
Сложный белок гемоглобин участвует в переносе кислорода, являясь основной составной частью эритроцитов. Его содержание в крови зависит от активности ОВР, поэтому образование эритроцитов находится в прямой корреляции от повышенной потребности животных в кислороде.
Все показанные изменения состава крови свидетельствуют только о положительном воздействии наночастиц металлов-микроэлементов на биохимические окислительно-восстановительные процессы т процессы кроветворения в организме бычков.
Для определения в крови биохимических показателей забор крови проводили у тех же бычков, что и при анализе клинических показателей. В крови бычков были определены основные ферменты (АлАТ, АсАТ, амилаза, щелочная фосфатаза, ГГТП) а также холестерин и общий белок (табл. 15).
На начало опыта основные показатели в крови бычков контрольной и опытных групп находились в пределах физиологической нормы, характерной для животных данного возраста, пола и вида.
Биохимические показатели крови отражают процессы обмена белков, витаминов, жиров, гормонов, углеводов, водно-минеральные характеристики организма. Эти данные позволяют интерпретировать процессы роста и развития организма.
Биохимические показатели крови бычков, в корма которых ввели нанопорошок железа, показаны в таблице 16.
Введение железа в нанодисперсном состоянии значительно активизировало ферментные системы. Так, содержание АлАТ к концу опыта в сыворотке крови увеличилось на 7,9%, а АсАТ – на 7,6% выше контроля. Повышение в крови опытных животных концентрации представленных в таблице ферментов говорит об активации белкового обмена, что подтверждается также интенсивным повышением живой массы бычков (табл. 12). Этот факт также согласуется с повышением концентрации в сыворотке крови фермента у- глутамилтранс-пептидазы на 26,9% в сравнении с контролем, так как данный фермент активно принимает участие в аминокислотном обмене и уровень фермента говорит об интенсивности обмена белков. Все это согласуется с повышением общего белка на 8,8% в крови бычков, получавших НП железа.
Также наблюдалось изменение показателей липидного обмена, в частности в крови животных повысилось на 24,0% содержание холестерина -стерола животного происхождения, который участвует в образовании необходимых для организма соединений витамина группы Д, желчных кислот, некоторых половых гормонов (тестостерон и эстрадиол).
Также наблюдалось изменение углеводного обмена, в частности повышение в крови бычков концентрации фермента амилазы выше контроля на 28,5%. Ферменты этой группы производятся поджелудочной железой, и участвуют, будучи в составе поджелудочного сока в гидролизе (расщеплении) крахмалов, гликогена, клетчатки, входящих в корма животных. При этом наблюдается разрушение глюкозидных связей в макромолекулах крахмала и других полимеров (полисахаридов) до мономеров: различных декстринов, мальтозы и т.п.
Повышение уровня -амилазы в крови бычков, получавших с кормом НП железа, свидетельствует о том, что увеличилась пищеварительная активность бычков, и, как следствие, повысилась переваримость и усвоение питательных веществ кормов, составляющих рацион, в том числе БЭВ (безазотистых экстрактивных веществ). Повышение концентрации щелочной фосфатазы (на 29,4% выше контроля) в крови опытных бычков говорит о более интенсивном росте организма животных, так как этот фермент активно участвует в катализе фосфортного обмена, в процессах синтеза костной ткани животных, поэтому повышение ее уровня связано с активацией минерального обмена.
Морфо-биохимические показатели крови телок голштинской породы при введении в их рацион наночастиц металлов
В процессе данного опыта были определены основные клинические (табл. 26 - 29) и биохимические (табл. 30) показатели крови телочек.
В результате исследований крови животных контрольной группы было установлено, что значения всех показателей в хо де исследования не выходили за пределы физиологической нормы. У животных контрольных групп к концу 12 месяца опыта наблюдалось некоторое повышение содержания гемоглобина, эритроцитов, тромбоцитов, что связано с процессами развития и роста телок голштинской породы. Таблица 27 Клинические показатели крови телок, получавших нанопорошок кобальта
У животных из групп, в которых использовался нанопорошок кобальта, при анализе крови было отмечено повышение количества эритроцитов (на 22,5%), гемоглобина (на 13,9%) по сравнению с началом опыта, что, в свою очередь, повлияло на уровень гематокрита, который повысился на 4%. Это произошло в связи с тем, что наночастицы металлов способны активизировать биохимические процессы внутри клеток, в т.ч. окислительно-восстановительные, вызывая потребность в поступлении большего количества кислорода к тканям. Отмечено некоторое увеличение содержания тромбоцитов, но данное явление наблюдалось как в контрольной, так и другой опытной группе, что, видимо, связано с развитием и ростом животных и не зависит от введения наночастиц.
В процессе исследований к 12 месяцу у животных в группах, которые получали наночастицы меди, содержание эритроцитов повысилось на 14,7%, гемоглобина – на 11,2% по сравнению с началом опыта. Кроме того, во всех опытных группах отмечалось увеличение содержания лейкоцитов – для наночастиц кобальта на 15,5%, для наночастиц меди – на 5,3% и изменения в лейкоцитарной формуле (табл. 29). Таблица 29 Лейкоцитарная формула крови телок голштинской породы
Все показатели лейкоцитарной формулы крови животных находились в пределах нормы. Незначительное повышение палочкоядерных нейтрофилов во всех группах говорит о регенеративном сдвиге. Это показатель повышенной активности костного мозга, которая объясняется тем, что благодаря меди и кобальту железо в большем количестве попадает в костный мозг, тем самым стимулируя его активность и кроветворение, и, следовательно, повышая иммунитет животных.
В крови опытных животных наблюдалась перестройка лейкоцитарной формулы: количество лимфоцитов немного снизилось, что подтверждает нормальное физиологическое состояние и развитие животных, так как в основном В-лимфоциты участвуют в выработке защитных иммуноглобулинов или антител при обнаружении инфекции в организме.
Понижение количества лимфоцитов способствовало небольшому повышению гранулоцитов, а именно нейтрофилов - на 2-6% больше контроля.
Биохимический состав крови отражает биохимические и физиологические процессы, идущие в организме животных, в том числе можно увидеть некоторые изменения физиологического статуса под влиянием изучаемых факторов. В процессе опыта были проанализированы некоторые показатели крови (табл. 30).
В крови животных было изучено содержание общего белка и его фракций в динамике в течение проведенного опыта. Известно, что большую часть сухого остатка плазмы составляют белки - глобулины и альбумины, и их определение способствует диагностированию иммунологического статуса и продуктивности животных.
На начальном этапе исследований уровень основных показателей в крови животных как контрольных, так и опытных групп находился в пределах физиологической нормы для данного вида и возраста животных. Спустя 12 месяцев опыта у телочек, получавших при кормлении НП кобальта, количество общего белка увеличилось на 8,4%, а альбумины превысили контроль на 7,8%.
Подобные изменения морфо-физиологических показателей наблюдаются также и у телочек, получавших с кормом наночастицы меди: при этом увеличился общий белок - на 7,5%, альбумины - на 3,1 % по сравнению с контролем. Увеличение данных показателей говорит о стимуляции в клетках синтеза белка молодняка КРС под воздействием наночастиц металлов.
Известно, что белки крови выполняют важную роль в транспорте питательных веществ. В частности, альбумины связывают и переносят жирные кислоты, пигменты желчи. а- и Р-глобулины участвуют в транспорте стероидных гормонов, холестерина, фосфолипидов, Р-глобулины переносят металлические катионы.
Введение в рацион телок голштинской породы НП кобальта и меди значительно повлияло на белковый обмен. Известно, что обмен белков протекает при непосредственном участии сывороточных трансаминаз (АсАТ, АлАТ). В сыворотке крови телочек, получавших НП кобальта, отмечается повышение уровня АлАТ к концу исследований на 33,6%, АсАТ - на 15,7% по сравнению с контролем. Наноразмерные порошки меди повысили содержание АлАТ на 56,9%, АсАТ - на 10,3%. Однако, при учеличении содержания данных ферментов коэффициент де Ритиса как в контрольной, так и в опытных группах, находился в пределах физиологической нормы.
Известно, что основным конечным продуктом азотистого обмена является мочевина. Процесс распада мочевины в животном организме идет со значительным поглощением энергии. Поэтому организму требуются большие энергетические затраты, которые при активном обмене идут на процессы синтеза веществ, в том числе и белков. Это свидетельствует о том, что повышение белкового обмена сопровождается снижением уровня мочевины в крови. В опытной группе, получавшей НП кобальта, азот мочевины был ниже контроля на 18,8%, креатинина – на 11,7%, в группе, получавшей НП меди, азот мочевины снизился на 2,2%, а креатинин – на 10,3%.
Таким образом, снижение уровня таких показателей, как мочевина и креатинин в крови опытных животных, говорит об улучшении усвоения азотсодержащих соединений в организме.
Результаты и их обсуждение
В результате исследований токсикологических параметров НП металлов (железо, медь и кобальт) в опытах на мышах и крысах (отчет ФГБНУ «ВНИИП им. К.И. Скрябина», лаборатория арахноэнтомологии, ПРИЛОЖЕНИЕ 1) были получены данные, позволяющие сделать заключение:
- среднесмертельная доза при пероральном введении для белых мышей ЛД50 (Fe) = 5947,3±856,0 мг/кг; ЛД50 (Cu) = 5868,4±835,6 мг/кг; ЛД50 (Co) = 1033,3±225,8 мг/кг;
- среднесмертельная доза при пероральном введении для белых крыс ЛД50 (Fe) = 6710,5±692,6мг/кг; ЛД50 (Cu) = 7000,0±644,2мг/кг; ЛД50 (Co) = 1233,3±308,4 мг/кг;
- хроническая среднесмертельная доза при пероральном введении для крыс ЛД50 (Fe) = 35 750,3 мг/кг; ЛД50 (Cu) = 40 650,9 мг/кг; ЛД50 (Co) = 4180,8 мг/кг;
- коэффициент кумуляции Ккум (Fe) = 5,5; Ккум (Cu) = 5,8; Ккум (Co) = 3,8.
Если сравнивать острую токсичность при пероральном введении крысам нанопорошков металлов и их солей (рис.1, 2), наблюдаются явные отличия в уровне среднесмертельной дозы.
ЛД50 всех представленных солей металлов, согласно различным источникам, не достигает 5000 мг/кг, следовательно, данные соединения относятся к умеренно опасным веществам (3 классу опасности согласно ГОСТу 12.1.007-76 «Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности»).
Среднесмертельные дозы (ЛД50) нанопорошков железа, кобальта и меди значительно выше. Так, нанопорошки меди и железа, согласно исследованиям острой токсичности, относятся к малоопасным веществам (4 классу опасности согласно ГОСТу 12.1.007-76 «Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности»).
Таким образом, нанопорошки металлов менее опасны в 7-40 раз (Polishchuk S.D., Nazarova A.A., Stepanova I.A., 2015; Степанова И.А., Назарова А.А., 2011) и биологически активны (Nazarova A.A., Polishchuk S.D., Stepanova I.A. [etc.], 2014; Makarov P.M., Stepanova I.A., Nazarova A.A. [etc.], 2017), чем металлы и их соли, и могут использоваться в качестве добавок в корма животным.
Введение НП металлов в рацион бычков способствовало повышению их живой массы в сравнении с началом опыта (рис.3). Живая масса бычков, которые получали нанопорошок железа, через 2 месяца после начала исследований увеличилась на 2,2% по сравнению с контролем, через 6 месяцев – на 14,8%, через 12 месяцев – на 16,9% относительно контроля (ЗАО «Старожиловский конный завод», Рязанская область).
Введение НП кобальта в рацион бычков привело к повышению живой массы через 6 месяцев исследований на 35,8 кг или на 12,7%, а через 12 месяцев – на 56,2 кг или 13,9% по сравнению с контролем.
При добавлении наночастиц меди к рациону опытных животных наблюдалось увеличение живой массы через 6 месяцев эксперимента - на 30,4 кг или 10,8%, через 12 месяцев - на 46,2 кг или 11,5% по сравнению с контролем.
У животных, получавших с рационом НП железа, среднесуточные приросты к концу опыта превышали контроль на 17,0%; у животных, получавших НП кобальта, к концу эксперимента среднесуточные приросты превышали контрольные значения на 16,1%; а добавление НП меди в рацион животных, в свою очередь, привело к увеличению среднесуточных приростов на 14,4%. Контрольные животные также набирали вес, но медленнее, чем опытные. Более высокие результаты получены при применении нанопорошка железа.
Можно отметить: и введение наночастиц кобальта при кормлении телок также оказывало положительное влияние на планомерный набор живой массы, но масса животных, получавших НП кобальта, превысила массу контрольных животных только через 4 месяца после начала эксперимента, а через 10 месяцев превышала контроль на 7,8%. Это произошло в связи с тем, что кобальт оказывает влияние на мышечную массу, которая активно развивается у животных в возрасте после полугода.
Отмечалось увеличение прироста живой массы у животных, которые получали НП меди. На 3 месяц после начала эксперимента прирост составил 5,8%, а к 10 месяцу – 3,7% по сравнению с контролем.
В процессе эксперимента контролировались биохимические и морфологические показатели крови животных. Клинические показатели крови бычков, получавших нанопорошки металлов с кормом, представлены на рисунках 6-8.
Как следует из данных исследований, в крови контрольных бычков на 12 месяц исследований отмечалось увеличение содержания эритроцитов (на 14,6%) и гемоглобина по сравнению с началом опыта, что связано с ростом и развитием бычков. Уровень содержания лейкоцитов повысился на 5,6%.
У бычков опытных групп была иная картина крови. На протяжении всего опыта наблюдалось увеличение изучаемых показателей. В группе, получавшей НП железа, по сравнению с началом исследований уровень содержания эритроцитов к 12 месяцу повысился на 32,6%, гемоглобина – на 7,4%.
Добавление наночастиц кобальта также повлекло за собой изменения в клинических показателях крови. К концу исследований отмечалось достоверное увеличение содержания эритроцитов - на 16,4%, гемоглобина – на 7,3%, лейкоцитов – на 6,7% выше контроля.
Отмечено повышение основных клинических показателей крови при включении нанопорошка меди в рацион бычков: содержание эритроцитов увеличилось на 14,5%, гемоглобина на 3,6%, лейкоцитов на 12% по сравнению с контролем.