Теоретическое обоснование и разработка системы получения качественной продукции молочного животноводства в регионе с комбинированным техногенным загрязнением Кривоногова Анна Сергеевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор литературы 16

1.1. Техногенная аварийность, промышленное загрязнение и его последствия 16

1.2. Характеристика районов с радионуклидным загрязнением на примере Восточно-Уральского радиоактивного следа 18

1.3. Особенности комбинированного техногенного загрязнения окружающей среды 20

1.4. Связь техногенного загрязнения с заболеваемостью животных и эпизоотологической картиной популяции 25

1.5. Получение качественной животноводческой продукции в зонах комбинированного техногенного загрязнения: современное состояние проблемы 31

2. Основное содержание работы 40

2.1. Материалы и методы 40

2.2. Результаты исследований 51

2.2.1. Анализ загрязнения компонентов агробиоценоза радионуклидами и тяжелыми металлами в регионе с комбинированным техногенным загрязнением 51

2.2.1.1. Загрязнение кормовых растений радионуклидами и токсичными элементами 70

2.2.2. Влияние комбинированного действия антропогенных загрязнителей на состояние здоровья животных и качество продукции молочного животноводства 88

2.2.2.1. Состояние здоровья крупного рогатого скота при комбинированном антропогенном загрязнении 88

2.2.2.2. Содержание техногенных контаминантов в организме крупного рогатого скота 88

2.2.2.3. Биохимические, гематологические, морфологические показатели коров в зонах с разной степенью антропогенной контаминации 101

2.2.2.4. Заболеваемость лейкозом КРС как индикатор снижения иммунной реактивности на территориях ВУРС и приграничных территориях 119

2.2.2.5. Заболеваемость и выбытие крупного рогатого скота в регионе с комбинированным техногенным загрязнением радионуклидами и тяжелыми металлами .122

2.2.2.6. Влияние комбинированного действия антропогенных загрязнителей на качество продукции молочного животноводства 127

2.2.3. Характеристика органических отходов животноводства в зоне комбинированного техногенного загрязнения и их значение во вторичном разносе опасных контаминантов 146

2.2.4. Применение электрофизического метода наносекундного электронного пучка с целью обеззараживания и повышения качества молока .157

2.2.5. Система получения качественной продукции молочного животноводства в регионе с комбинированным загрязнением

3. Обсуждение результатов исследования 183

4. Выводы .191

5. Практические предложения 195

6. Список использованной литературы

• Характеристика районов с радионуклидным загрязнением на примере Восточно-Уральского радиоактивного следа
• Связь техногенного загрязнения с заболеваемостью животных и эпизоотологической картиной популяции
• Влияние комбинированного действия антропогенных загрязнителей на состояние здоровья животных и качество продукции молочного животноводства
• Влияние комбинированного действия антропогенных загрязнителей на качество продукции молочного животноводства

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В промышленных регионах, а также на территориях, пострадавших от крупных техногенных, в т.ч. радиационных аварий одним из главных негативных факторов является комбинированное загрязнение наземных и пресноводных экосистем ксенобиотиками различного происхождения.

В Уральском регионе находятся источники различных видов природного и техногенного загрязнения: металлургическая промышленность и машиностроение (Fe, Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Mn, Ni, Co, Mo, F, Al, Sr, аэрозоли и пыли), химическая промышленность (углеводороды, сера, бенз(а)пирены, моноксид углерода, сероводород, аммиак, фтороводород, оксиды азота и серы, БАВ и др.), зона радиационного загрязнения - ВУРС (⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²¹⁰РЬ и др.), предприятия аграрно-промышленного комплекса (пестициды, удобрения, лекарственные препараты, органические отходы), крупные населенные пункты и мегаполисы (пластик, бытовой мусор, лекарственные препараты, антибиотики, органические отходы, металлы), а также месторождения полезных ископаемых (загрязнение грунтовых вод и почв естественное и при добыче).

Постоянная циркуляция опасных контаминантов в экосистемах обусловлена непрерывным их переносом из абиотической среды в живые организмы, миграцией по трофическим цепям, возвращением в неживую среду и возобновлением вышеописанных циклов. Так формируется стойкое длительное загрязнение среды отдельными веществами, такими как тяжелые металлы и радионуклиды. В Уральском регионе существенное влияние на экологию оказывают радиационные факторы. Северная часть региона находится в зоне влияния Новоземельского полигона ядерных испытаний, а крупные территории средней и южной частей (Челябинская, Курганская и Свердловская области) загрязнены радионуклидами в результате трех крупных радиационных катастроф на НПО «Маяк» в 1949-1951, 1957 и 1967 гг. (А.В. Трапезников, И.В. Молчанова, Е.Н. Караваева, В.Н. Трапезникова, 2007). В результате штатной и аварийной деятельности радиохимического комбината «Маяк» в 1949 - 1958 годы сформировалась обширная зона радиационного загрязнения, включающая в себя Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС) (1957-1958 г.), Карачаевский след (1967 г.), загрязненный бассейн реки Теча (1949-1956 гг.).

Возрастающая агрессивность окружающей среды, сопровождающаяся загрязнениями микроэлементной природы, ведет к насыщению опасными контаминантами всех звеньев биоты. Накапливаясь в растениях, техногенные поллютанты и радионуклиды затем по пищевой цепи попадают в организм животных и человека, нарушают функции отдельных органов и систем и снижают общую резистентность организма, в том числе устойчивость к инфекционным болезням (И.М Донник, П.Н. Смирнов, 2001, A.M. Смирнов., В.И. Дорожкин., Г.П. Кононеко 2015, М.И. Гулюкин, 2015).

Учитывая экологическую специфику территорий, для производства продуктов питания и сырья, отвечающих требованиям современных стандартов качества и технических регламентов необходимо корректирующее воздействие на всех этапах производства продукта: мониторинг состояния отдельных компонентов агробиоценоза; профилактика накопления опасных контаминантов в организме, восстановление и поддержание состояния здоровья сельскохозяйственных животных; предотвращение вторичного разноса ксенобиотиков с отходами животноводства; контроль качества

продуктов животноводства и применение современных высокотехнологичных способов переработки сельхозпродукции.

В связи с этим представляется актуальной разработка системы комплексных мер по повышению качества животноводческой продукции в регионе с комбинированным техногенным загрязнением, основанная на мониторинге состояния агробиоценозов, эффективных методах профилактики токсического воздействия на животных и на современных технологиях переработки животноводческой продукции.

Степень разработанности темы исследования. Современными исследованиями установлено, что в результате увеличивающегося антропогенного воздействия на окружающую среду сформировались новые биогеохимические территории, на которых активно ведется сельскохозяйственное производство. Изменения, происходящие в антропогенных биогеоценозах, оказывают значительное влияние на состояние сельскохозяйственных животных и качество получаемой от них продукции (И.М. Донник, И.А. Шкуратова, Г.М. Топурия, A.M. Гертман, В.Т. Самохин, А.А. Пермяков, Л.Н. Лежнина, М.М. Roozbahani, S. Sobhanardakani, Н. Karimi, R. Sorooshnia, 2006-2015). Примером территорий с комбинированным загрязнением может являться Уральский регион. По данным А.В. Трапезникова, И.В. Молчановой, Е.Н. Караваевой, В.Н. Трапезниковой, (2007-2015) уникальность Уральского региона определяется тем, что он испытывает не имеющую мировых аналогов техногенную и радиационную нагрузку на все экосистемы. Комбинированное загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и радионуклидами обусловливает существенные изменения здоровья животных и влияет на качество животноводческой продукции. Таким образом, в зонах комбинированного техногенного загрязнения целесообразно осуществлять постоянный мониторинг загрязнения сельскохозяйственных угодий металлическими поллютантами и радионуклидами, состояния питьевой воды, растительных кормов, накопления ксенобиотиков в организме продуктивных животных. На основании получаемых данных целесообразно выполнять картирование сельскохозяйственных угодий, планировать и проводить соответствующие профилактические мероприятия.

Цель исследований. Дать теоретическое обоснование и разработать систему получения качественной продукции молочного животноводства в регионе с комбинированным техногенным загрязнением.

Задачи исследований:

1. Провести анализ загрязнения компонентов агробиоценоза радионуклидами и тяжелыми металлами в регионе с комбинированным техногенным загрязнением.

2. Изучить влияние комбинированного действия антропогенных загрязнителей на состояние здоровья животных и качество продукции молочного животноводства.

3. Дать характеристику органических отходов животноводства в зоне комбинированного техногенного загрязнения и их значения во вторичном разносе опасных контаминантов.

4. Изучить возможности применения электрофизического метода обработки молочных продуктов с целью обеззараживания и повышения их качества.

5. Разработать научно-обоснованную систему получения качественной продукции молочного животноводства в регионе с комбинированным техногенным загрязнением.

Научная новизна. Получены новые данные о современном состоянии и комбинированном загрязнении радионуклидами и тяжелыми металлами агробиоценозов в регионе Восточно-Уральского радиоактивного следа и приграничных территорий. Дана современная характеристика продукции молочного животноводства, получаемой на территории с остаточным радиационным загрязнением, выявлены связи между содержанием радионуклидов и металлических техногенных контаминантов в кормовых растениях, содержанием их в организме животных, состоянием здоровья животных и качеством получаемой продукции в радиационно-загрязненных территориях и зонах, расположенных вблизи них.

Впервые изучено содержание опасных контаминантов в органических отходах крупного рогатого скота; охарактеризован трансграничный перенос радионуклидов, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²¹⁰РЬ и токсичных элементов Cd, Fe, Zn, Си на границе ВУРСа, опосредованный через биотические компоненты аграрных экосистем.

Предложен электрофизический метод наносекундного электронного пучка (НЭП) для обеззараживания и повышения качества молочной продукции. Впервые установлено, что воздействие НЭП в дозах, обеспечивающих элиминацию микрофлоры, улучшает отдельные качественные показатели молока (увеличивается содержание свободных аминокислот, снижается количество соматических клеток, улучшается класс сыропригодности по сычужно-бродильной пробе).

По результатам исследований получено 2 патента.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Результаты проведенных исследований положены в основу разработанной системы повышения качества продукции молочного животноводства в зоне с комбинированным загрязнением окружающей среды. Применение комплекса методов воздействия на каждое звено трофической цепи позволило повысить качество продукции, что подтверждает его эффективность и востребованность. Разработанная система позволяет оказывать более точное и эффективное воздействие на процесс накопления и переноса опасных контаминантов на различных участках технологической и пищевой цепи, что значительно облегчает производство биологически безопасной и полноценной продукции молочного животноводства, сохраняя при этом экономическую эффективность молочно-товарного производства.

Результаты исследований автора могут быть использованы для повышения качества продукции молочного животноводства на территориях, подвергнутых комбинированному антропогенному загрязнению (в том числе радиационному) и соседствующих с ними. По результатам исследований издано 5 научно-практических рекомендаций. Также могут применяться в научно-исследовательской работе и в учебно-педагогическом процессе при подготовке специалистов ветеринарной, ветеринарно-экспертной, зоотехнической, технологической, биологической и экологической направленности.

Методология и методы исследования.

Исследование взаимосвязей состояния агробиоценозов и качества продукции молочного животноводства, получаемой от животных в регионе с комбинированным техногенным загрязнением, проводили путём комплексного последовательного исследования накопления опасных контаминантов в кормовых растениях, готовых растительных кормах, органах и тканях животных, в молоке, мясе, субпродуктах, а также в продуктах жизнедеятельности животных. Анализировали содержание ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs,

Pb, Cd, Fe, Cu, Zn в пробах компонентов рациона, готовой кормосмеси, питьевой воде, мышечной такни, печени, почках и костях коров в трех экологических зонах: в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа, на приграничных территориях и в «условно-чистом», интактном районе. Оценивали также состояние здоровья животных, эпизоотическую картину популяции по хроническим иммунотропным инфекциям, анализировали причины выбытия животных, показатели продуктивности и продуктивного долголетия для установления степени воздействия контаминированной окружающей среды на крупный рогатый скот. Продукцию молочного животноводства анализировали по критериям санитарного качества, биологической полноценности и безопасности. Для исследования процессов трансграничного и вторичного разноса опасных контаминантов, опосредованного через биотические компоненты агроэкосистем, изучали содержание отдельных радионуклидов и тяжелых металлов в навозе крупного рогатого скота, приготовленном к внесению в почву в качестве удобрения. Исследовали возможность применения электрофизического способа наносекундного электронного пучка (НЭП) для стерилизации и повышения качественных показателей молока: оценивали микробную обсемененность, изменения аминокислотного состава, содержания соматических клеток, химический состав молока, а также проводили сычужно-бродильную пробу. Для профилактики попадания и влияния опасных контаминантов на организм животных проводили модельный опыт с использованием сорбентов, корректоров метаболизма и иммуномодуляторов. Изучали способы микробного биоразложения органических отходов КРС с целью предотвращения вторичного разноса и повторного внесения опасных контаминантов в почвы.

Основные положения, выносимые на защиту:

6. На территориях, подвергнутых интенсивному радиационному загрязнению (1950-1970е гг.) современный уровень радиационного фона снижен до значений, сравнимых с естественным. Однако, накопление радионуклидов ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²¹⁰РЬ и тяжелых металлов Fe, Cd, Pb, Си, Zn в кормовых растениях, организмах животных и продуктах их жизнедеятельности, приводит к круговороту указанных контаминантов в агроэкосистемах. Имеет место взаимное проникновение контаминантов различного происхождения через приграничную буферную зону.

7. Постоянное поступление опасных контаминантов (радионуклидов и тяжелых металлов) в организм животных в подпороговых количествах ведет к накоплению их в тканях, стойкому нарушению метаболизма и гомеостаза, истощению иммунных механизмов животных и к ухудшению качества молочной и мясной продукции.

8. Молочная продукция от коров в регионе с комбинированным загрязнением в целом соответствует санитарно-гигиеническим нормативам, но отличается по отдельным показателям качества и биологической ценности. Мясное сырьё от животных в регионе с комбинированным загрязнением по морфологическим и химическим показателям качества отличается от мяса животных из интактных территорий.

9. Использование электрофизического метода НЭП позволяет эффективно обеззараживать молоко при сохранении его биологической полноценности.

10. Предложена система зоогигиенических мероприятий по сохранению здоровья коров и повышению качества продукции молочного животноводства в регионе

с комбинированным техногенным загрязнением, включающая в себя алиментарную профилактику попадания опасных контаминантов в организм животных, электрофизический способ обеззараживания молока НЭП, микробиологический способ переработки органических отходов жизнедеятельности животных.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Степень достоверности обусловлена обследованием 24 молочно-товарных ферм и комплексов. Всего исследовано 8716 животных, проведено 3656 исследований, в том числе 1586 биохимических, 198 химических и токсикологических, 156 радиологических, 1560 иммуногематологических, выполнено 18136 анализов. Животных для исследований отбирали по принципу аналогов, они находились в одинаковых условиях с однотипной технологией содержания и эксплуатации. Проведение модельных опытов осуществляли в 2-3 параллелях; пробы кормов, воды, биоматериала, продукции, отходов жизнедеятельности животных исследовали в сертифицированных лабораториях, аккредитованных на соответствующие виды аналитической деятельности и имеющих современное оборудование и расходные материалы.

Полученные результаты анализировали в программах Statistica (StatSoft- Dell) и MS Excel с применением комплекса методов статистического анализа в соответствии с характером и объемом обрабатываемых данных, в том числе включающего подсчет средних величин, ошибки средней, коэффициента корреляции, критерия достоверности Стьюдента.

Тема исследований, направление, методические принципы и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях Ученого совета факультета ветеринарной медицины и экспертизы ФГБОУ ВО «Уральский ГАУ»; на заседаниях Ученого совета ФБГНУ Уральский НИВИ (2012-2017 гг.), на заседаниях издательско-редакционных советов журналов «Аграрный вестник Урала» (2015, 2016 гг.), «Ветеринария Кубани» (2014, 2015, 2016 г.), «Вопросы нормативно-правового урегулирования в ветеринарии» (2015, 2016 г.) На международных научно-практических конференциях «Fourth International Conference on Radiation and Applications in Various Fields of Research» (RAD, Serbia, 2016); «Научно-технологическое развитие сельского хозяйства и природопользования: взгляд в будущее» (2017 г., Екатеринбург); конференции, посвященной 45-летию ГНУ ВНИВИПФиТ РАН «Проблемы и пути развития ветеринарии высокотехнологичного животноводства» (2015 г., Воронеж); «Инновационные подходы к решению современных проблем ветеринарной медицины» (Екатеринбург, 2015 г.), «Инновационное развитие аграрного производства в современных условиях» (Екатеринбург, 2015 г.), «Актуальные вопросы зооветеринарной науки и сельскохозяйственного производства» (Екатеринбург, 2014 г.). На IX Международном симпозиуме «Экология человека и медикобиологическая безопасность населения» (2014 г., Франтишковы Лазне, Чехия); на XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016); на IV Международной конференции «Микробное разнообразие: ресурсный потенциал» (Пермь, 2016).

Личный вклад автора. Заключается в личном участии соискателя во всех этапах работы над диссертационным исследованием. Автором определена степень изученности проблемы в отечественной и зарубежной литературе. Автор лично планировал, организовывал и проводил сбор данных, их анализ, статистическую обработку, а также эксперименты в полевых и лабораторных условиях, принимал участие в исследовании

состояния различных компонентов сельскохозяйственных биоценозов в зоне ВУРС, на приграничных территориях и в районах, удалённых от зоны радиационного загрязнения.

Публикации. Всего опубликовано научных работ - 87. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ. В том числе научных статей в изданиях Web of Science и Scopus - 3, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ - 13 (журналы «Аграрный вестник Урала- 5; «Ветеринария Кубани» - 6; «Вопросы нормативно-правового регулирования в ветеринарии» - 2); рекомендаций - 5, монографий - 1 (в соавторстве). Получено 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 247 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 43 таблицы, 8 экологических карт. Состоит из введения, обзора литературы, основного раздела, заключения, практических предложений, библиографического списка. Библиографический список включает 412 наименований, из них 95 иностранных.

Характеристика районов с радионуклидным загрязнением на примере Восточно-Уральского радиоактивного следа

Восточно-Уральский радиоактивный след - часть территорий Уральского региона, подвергнутая радиационному загрязнению в результате деятельности ПО «Маяк» в 1950-1970 гг. В результате теплового взрыва емкости с радиоактивными отходами в 1957 г. в атмосферу на высоту около 1000 м было выброшено около 2 МКи (по суммарной бета-активности) радионуклидов, радиоактивное облако прошло над Челябинской, Свердловской, Тюменской и Курганской областями, образовав Восточно-Уральский радиоактивный след.

Длина следа составила 300 км, ширина 30-50 км. Территория с плотностью загрязнения более 0,1 Ки/м2 по стронцию-90 занимает 23 тыс. км2. Наиболее существенный вклад в радиационное загрязнение водоёмов и связанных с ними компонентов биогеоценозов вносит стронций-90, который является основным дозообразующим радионуклидом в настоящее время, а также цезий-137 [13, 186, 240, 91, 280, 282]. Площадь загрязнения с концентрацией стронция-90 более 74 ГБк/км2 составила 1000 км2, более 370 ГБк/км2 - 4000 км2, 3,7 ГБк/км2 - 117 км2. Максимальному загрязнению подверглись промплощадка комбината «Маяк» и территории, относящиеся к санитарно-защитной зоне. Сам ВУРС характеризуется плавным снижением уровней загрязнения по направлению от источника и достаточно быстрой убылью активности от центра к границам в перпендикулярном к оси Следа направлении [12].

Радиоэкологическую обстановку на Урале осложняет также широкое распространение природных геохимических аномалий с развитием месторождений полезных ископаемых, в том числе полиметаллических руд. Загрязнение подземных вод в районах залегания руд обусловлено природными причинами, а загрязнение поверхностных водоёмов Зауральского пенеплена -преимущественно техногенного характера. Естественный радиационный фон Урала характеризуется высокой мозаичностью, обусловленной включением в геологические комплексы пород природных радионуклидов: 40К, 232Th, 238U, 226Ra, радиационная нагрузка от которых выше в южной части ВУРС в Челябинской области из-за близости к области, содержащей урановые руды.

В Свердловской и Челябинской областях существует значительное количество локальных скоплений естественной радиоактивной минерализации урановой, уран-ториевой и ториевой природы, в связи с чем более чем в тысяче водопунктов выявлена экологически значимая концентрация естественных радиоактивных элементов с превышением допустимых ВОЗ величин [301, 177, 241].

В озёрах ВУРС отмечаются также превышение ПДК по ионам меди и цинка [113, 176], радионуклидов 137Cs и 90Sr [281]. Наиболее неблагоприятная обстановка в бассейне реки Теча, где многие годы существует риск внутреннего облучения для населения. В большинстве поверхностных водоёмов в зоне ВУРС удельная активность 137Cs и 90Sr в воде значительно ниже уровней вмешательства для питьевой воды. Однако в реке Теча среднегодовая удельная активность 90Sr в 3—8 раз превышает уровень вмешательства по 90Sr для питьевой воды и на 3 порядка превышает фоновый уровень для рек Российской Федерации [57, 58].

По оси ВУРСа на протяжении 100 км снижение содержания 137Cs и 90Sr в почвах описывается экспоненциальным уравнением. Максимальный запас 90Sr (25000 кБк/м2), 137Cs (670 кБк/ м2) в почвенном покрове обнаружен на расстоянии 6 км от эпицентра аварии. На западной и восточной перифериях следа в пределах радиационного заповедника содержание 90Sr в почвах составляет 30-80 кБк/м2, а за пределами заповедника незначительно превышает фоновый уровень [196]. Специалистами ПО «Маяк» было отмечено, что дальнейшее существование ВУРСа будет в целом определяться скоростью распада 90Sr - основного компонента радиоактивного загрязнения. Практически полное исчезновение ВУРСа прогнозируется через период времени, соответствующий 10 периодам полураспада или 290 лет (к 2247 году). Снижение активности по 137Cs до фоновых значений возможно через 100-150 лет [177].

Проблема радионуклидного загрязнения периферических областей ВУРС в настоящее время имеет особое значение из-за попавших в След земель сельхозназначения: агроландшафт преобладает на севере ВУРСа, а также в приграничных территориях [297, 308, 85, 93].

Связь техногенного загрязнения с заболеваемостью животных и эпизоотологической картиной популяции

Объектом исследования являлись: вода для поения животных; растительные корма и готовые кормосмеси; крупный рогатый скот -лактирующие коровы 5-6 лет; кровь, органы и ткани животных; сырое молоко; мясо, навоз от коров и телят.

Отбор и упаковку проб проводили по стандартной методике, применяемой для анализа растительных кормов (Таланов Г. А., Хмелевский В.Н., 1991; ГОСТ). Во всех выбранных для обследования районах изучали накопление и распределение 90Sr, 137Cs, 210Pb, Zn, Fe, Cu, Pb и Cd в растительных кормах, воде, тканях и органах животных, в молоке, мясе, в навозе, предназначенном для последующего использования в качестве удобрения на посевных площадях обследуемых агропредприятий.

Для изучения вторичного разноса ксенобиотиков проводили анализ навоза, мочи коров на содержание ксенобиотиков - 90Sr, 137Cs, 210Pb, Си, Cd, Fe, Zn, Pb, a также органического и неорганического азота, фосфора, хлоридов, органического углерода, определяли водородный показатель рН.

Пробы тканей разлагали концентрированной азотной кислотой в микроволновой системе пробоподготовки MARS-5 (производство США), а затем определяли содержание Cd, Pb, Mn, Fe, Zn, Cu, As в этих пробах атомно-абсорбционным и атомно-эмиссионным методами спектрометрии на атомно-адсорбционном спектрофотометре AA6800F (производство Shimadzu, Япония).

Лабораторные исследования проведены на базе отдела ветеринарно-лабораторной диагностики с испытательной лабораторией ФГБНУ Уральского НИВИ, ГБУ Свердловской области «Свердловская областная ветеринарная лаборатория», имеющих государственную аккредитацию на проведение исследований. Активность образцов по 90Sr, 137Cs, 210РЬ определяли в соответствии с ГОСТ 32161-2013, Инструктивно-методическими указаниями по радиохимическим методам определения радиоактивности в объектах ветнадзора от 1984 г.

Содержание Cu, Cd, Fe, Zn, Pb Mn в воде определяли согласно ГОСТ 31870-2012 «Вода питьевая. Определение содержания элементов методами атомной спектрометрии» с использованием атомно-абсорбционного спектрометра «КВАНТ-2А» (Россия) и атомно-абсорбционного спектрофотометра АА 6800 FG (Shimadzu, Япония).

Содержание Си, Cd, Fe, Zn, Pb в пробах кормов, почвы, тканей, органов, продукции и навоза определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии в соответствии с ГОСТ Р 56372-2015 на атомно-абсорбционном спектрофотометре АА 6800 FG (Shimadzu, Япония).

Биохимическое исследование сыворотки крови проводили на автоматическом биохимическом и иммуноферментном анализаторе СНЕМ WELL 2910 - Combi (USA), наборами реактивов Dialab (Австрия), в соответствии с методиками, рекомендованными Международной федерацией клинической химии IFCC. Определяли концентрацию общего белка и белковых фракций, трансаминаз, мочевины, креатинина, глюкозы, щелочной фосфатазы, гаммаглутамилтранспептидазы, глутаматдегидрогеназы, меди, цинка, кальция, фосфора, калия, натрия, хлоридов, карбонатов, билирубина, холестерина, триглицеридов в сыворотке крови. Определение количества витаминов С и Е, метионина в сыворотке крови проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на хроматографе LC20 Shimadzu (Япония). Состояние антиоксидантных систем крови определяли набором ImAnOx (производство АО Вектор-Бест, Россия, г. Новосибирск) биохимическим методом в микропланшетном формате (чувствительность: 130 мкмоль/л).

Гематологические исследования (определение концентрации гемоглобина, количества эритроцитов, лейкоцитов) выполняли на автоматическом ветеринарном анализаторе Abacus Junior Vet (Diatron, Австрия). Подсчет лейкоцитарной формулы проводили в мазках крови по общепринятой методике, окрашенных по Романовскому-Гимза, (Д.К. Новиков, В.И. Новикова, 1996). Количество Т- и В-лимфоцитов, фагоцитарную активность нейтрофилов и фагоцитарное число определяли методом опсонофагоцитарной реакции с использованием культуры золотистого стафилококка - штамм № 209 (Методические рекомендации «Панель наиболее информативных тестов для оценки резистентности животных», г. Новосибирск, 2007г.).

Анализ молока от коров в разных зонах проводили по стандартным методикам ветеринарно-санитарной экспертизы, определяли содержание поллютантов и активность радионуклидов, проводили микробиологическое исследование - посев на питательные среды, выделение чистых культур и изучение их биохимических, морфологических свойств. Подсчет соматических клеток проводили на анализаторе молока вискозиметрическом «Соматос-М» (Россия). Аминокислотный анализ проб молока проводили методом ВЭЖХ на хроматографе LC20 Shimadzu (Япония). Содержание малонового диальдегида в молоке определяли по методике «Метод определения малонового диальдегида с помощью 2-тиобарбитуровой кислоты» (Стальная И.Д., Гаришвили ТТ., 1970 г., Двинская Л.М., Никифорова Л.П., 1980 г).

Морфологическое и гистологическое исследование органов и тканей от животных проводили на кафедре анатомии, физиологии и экспертизы Уральского ГАУ под руководством доктора ветеринарных наук, профессора Дроздовой Л.И.

Гистологический материал фиксировали в 10 % нейтральном водном растворе формалина в течение 24 часов, производили заливку в парафин по стандартным общепринятым методикам. Нарезку материала выполняли на микротоме-криостате “MIKROM - НМ525” (производство Германия), получая срезы толщиной 10-15 мкм. Срезы окрашивали гематоксилином Эрлиха и докрашивали 1%-ым свежеприготовленным водно-спиртовым эозином; помещали под покровные стекла в глицерин-желатин. Изучение микроструктуры образцов на гистологических препаратах и их фотографирование на цифровую фототехнику проводили на световом микроскопе «Leica» (Австрия) при разных увеличениях.

Влияние комбинированного действия антропогенных загрязнителей на состояние здоровья животных и качество продукции молочного животноводства

Исследование системы крови позволяет дать объективную оценку физиологического состояния и интенсивности обменных процессов в организме [315]. Содержание в сыворотке крови общего белка, альбуминов, глобулинов и мочевины является одним из показателей полноценности белкового питания высокопродуктивных коров. Количество общего белка крови является консервативным показателем, и его отклонения ниже стандартного интервала могут свидетельствовать о продолжительном дефиците протеина в рационе. Увеличение количества белка в сыворотке крови выше стандартного интервала может быть следствием повышенного содержания гамма-глобулино-имунных белков, являющихся признаком метаболической напряженности, обусловленной несбалансированностью рациона по протеину и заболеванием животных. Альбумины представляют собой группу белков крови, для которой характерна высокая мобильность в организме. Они выполняют ряд функций, в том числе используются для синтеза специфических белков, поэтому недостаток их в крови может указывать на истощение аминокислотного и белкового резервов организма. Аминокислотный состав белков в рационах высокопродуктивных коров должен максимально соответствовать животному белку и обеспечивать полноценный синтез альбуминов. В настоящее время стандартный интервал для данного показателя находится в пределах 3,30-5,36% в сыворотке крови. Снижение этого показателя до уровня 1,9-2,6% обычно сопряжено с уменьшением живой массы коров, а также нарушением их воспроизводительных способностей. При биохимическом исследовании белковых фракций необходимо также учитывать альбумин-глобулиновый индекс - показатель, характеризующий интенсивность белкового обмена, его направленность и распределение фракций в плазме крови в организме высокопродуктивных животных.

При недостаточном и несбалансированном белковом питании животных в первую очередь снижается уровень альбуминов, что вначале компенсируется увеличением количества глобулинов, уменьшается величина альбумин-глобулинового индекса. При длительном алиментарном недостатке белка уменьшается его общее количество в крови и развивается гипопротеинемия.

По данным ряда авторов [25, 88, 95], исследовавших биохимические показатели крови коров из районов с высокой техногенной контаминацией, угнетение белоксинтезирующей функции организма, вызванное хронической экзогенной интоксикацией тяжелыми металлами, приводит к ряду метаболических (недостаточность ферментных пулов, нарушение синтеза нейромедиаторов и гуморальных регуляторных факторов), физиологических расстройств (иммуносупрессия вследствие нарушения выработки антител, угнетение регенерационных процессов, снижение естественной резистентности), а также - к ухудшению продуктивности.

Исследование биохимических показателей белкового обмена коров (п=1586) выявило тенденцию к снижению количества общего белка, альбуминов и глобулинов в крови животных из экологически неблагополучных зон по сравнению с контролем. Среднее значение общего белка по выборке (п = 476 проб) в зоне ВУРС составлял 77,0 ±1,8 г/л, в контрольной - 83,8 ±1 г/л. Количество проб с низким содержанием общего белка (ниже 50,5 г/л) составляло на ВУРСе 7%, в приграничном районе - 6% в условно-чистой зоне - 0% (таблица 21, таблица 22).

Среднее значение по выборке (п = 476 проб) в зоне ВУРС составляло 77±1,8 г/л, однако медиана выборки (77,5 г/л) и наиболее частотное значение (83,3г/л) превышают среднее, что обусловлено пробами с низким уровнем общего белка: в 7% проб крови содержание общего белка не превышало 50,5 г/л (при норме 62,0-82,0 г/л). В приграничной зоне (п=510) таких проб было выявлено 6% от общего числа, в контрольной зоне (п=452) - 0%. Концентрация альбуминов во всех трёх зонах составляла в среднем 33,9 ±0,6 г/л, причем в «условно чистой» зоне наиболее частотное значение по выборке приходилось на нижнюю границу стандартного интервала - 31,0 г/л, в пробах из других групп мода альбумина составляла 33,3-33,4 г/л.

При хронической ксенобиотической нагрузке на организм в первую очередь истощаются ферментные и клеточные механизмы детоксикационной системы, что обусловлено постоянным высоким расходом молекулярных компонентов и энергии на обезвреживание токсичных веществ и выведение их из организма. Главным образом, это ферментные системы гепатоцитов, эпителия печёночных протоков, нефронов. Синтез ферментов детоксикационной системы является более приоритетным процессом для организма и обеспечивается аминокислотами и энергией в первую очередь. При недостаточном поступлении необходимых белков с кормом, а также при высоких темпах расхода (эндогенная и/или экзогенная интоксикация), организм животного использует собственные белки, в основном за счет мышечной ткани, для восполнения компонентов детоксикационной системы. Данный факт объясняет замедление роста мышечной массы, уменьшение содержания белков в молоке, слюне и слёзной жидкости при хронических отравлениях [375].

При анализе содержания гаммаглутамилтранспептидазы - наиболее чувствительного маркера гепатотоксичности - отмечали, что в сыворотке крови коров из зон с комбинированной техногенной контаминацией среднее значение находится на верхней границе нормального стандартного интервала и составляет 25,1±0,2 Ед/л (зона ВУРС), 22,2±0,1 (приграничные районы), у коров в контрольной зоне этот показатель был на 27,9% ниже - 18,1±0,1 Ед/л. стандартный интервал 4,9-26,0 Ед/л) (таблица 23).

Влияние комбинированного действия антропогенных загрязнителей на качество продукции молочного животноводства

В настоящее время одной из проблем, стоящей перед отечественным молочным животноводством, является повышение качества молочного сырья и продукции, обусловленное новыми требованиями регламентов Таможенного Союза. При этом в ряде субъектов Российской Федерации сложились неблагоприятные экологические условия, осложняющие ведение сельского хозяйства. Так, в промышленных регионах существует стойкое техногенное загрязнение агробиоценозов, в которых почва и водоисточники, используемые для выращивания кормовых культур, контаминированы тяжелыми металлами, радионуклидами и другими опасными веществами. Это заметно затрудняет получение в таких экологически неблагополучных районах нормативно безопасной сельскохозяйственной продукции, особенно животноводческой.

В связи с этим в промышленных регионах мы провели исследования, конечной целью которых явилась разработка системы получения качественной продукции молочного животноводства в условиях территорий с комбинированным техногенным загрязнением.

Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи, включающие анализ загрязнения компонентов агробиоценозов тяжелыми металлами и радионуклидами; оценку влияния комбинированного техногенного загрязнения на здоровье животных и популяции, на качество получаемой продукции. Была поставлена задача изучить характеристику органических отходов животноводства и оценить их роль в формировании вторичного загрязнения агробиоценозов.

Кроме того, в числе задач было изучение возможности использования различных альтернативных методов обработки молочного сырья, в том числе электрофизических, поиск оптимального в данных условиях метода, позволяющего повысить качество молока и молочного сырья.

Для решения первой задачи было проведено комплексное исследование качественных и количественных характеристик загрязнения компонентов агробиоценоза в регионе с комбинированной техногенной контаминацией окружающей среды. Были отобраны сельскохозяйственные предприятия молочного профиля с однотипной технологией, расположенные в районах с различным характером загрязнения местности. Часть предприятий находилась в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа - на территориях с остаточной радионуклидной контаминацией; часть в приграничных к ВУРСу районах, загрязненных выбросами с крупных металлургических, машиностроительных, и других предприятий. В этой зоне наиболее выражена контаминация окружающей среды тяжелыми металлами. И третья часть животноводческих хозяйств -контрольная - была расположена в «условно чистой» местности, на значительном удалении от источников техногенного загрязнения.

Наше исследование показало, что за период, прошедший со времен череды аварий и выбросов на ПО «Маяк», содержание долгоживущих радионуклидов радиостронция и радиоцезия в абиотических компонентах среды (вода, почва, атмосферный воздух) существенно уменьшилось. Однако данные контаминанты до сих пор присутствуют в биоте в количествах, значительно превышающих таковые показатели в других, условно чистых районах.

По данным ряда исследователей [91, 280, 181, 183, 393, 408], токсичные элементы и радионуклиды, попадающие в сельскохозяйственные растения, затем мигрируют по трофическим цепям, и, в конечном итоге, могут попасть в пищу человека.

Загрязнение сельскохозяйственных угодий в районах комбинированного техногенного загрязнения приводит к тому, что в растительных культурах, используемых для приготовления кормов высокопродуктивным коровам, содержатся радионуклиды и тяжелые металлы в повышенных концентрациях. Высокое содержание в готовых кормах способствует накоплению этих ксенобиотиков в тканях животных, что подтверждается исследованиями, проведёнными И.А. Шкуратовой, И.М. Донник, Н.П. Лысенко, [181, 159, 87, 88].

Такое состояние агроценозов требует профилактических мер и коррекции. Авторы, ранее проводившие аналогичные исследования в регионе указывали на накопление тяжелых металлов и радионуклидов в тканях, однако предполагали, что степень снижения контаминации агробиоценозов будет значительнее за счет проведенных мероприятий по реабилитации, восстановлению пострадавших от техногенного, в том числе, радиационного территорий [222, 308, 149].

Однако нами было установлено, что, несмотря на более чем полвека существования Восточно-Уральского радиоактивного следа, уровень загрязнения растительных объектов, кормов и организма сельскохозяйственных животных в зоне следа остаётся высоким. Также было обнаружено, что в приграничной к ВУРСу зоне содержание радиостронция и радиоцезия повышено относительно аналогичных значений в интактных, «условно чистых» районах, но при этом было ниже, чем в зоне ВУРС. При этом в приграничной зоне отмечали высокий уровень контаминации объектов агробиоценозов тяжелыми металлами -кадмием, медью, цинком, железом. В зоне ВУРС уровень контаминации тяжелыми металлами был несколько ниже, но при этом заметно превышал таковой в интактных районах. Эти факты, вероятно, свидетельствуют о вторичном разносе техногенных поллютантов и их трансграничной миграции, опосредованной через биотические компоненты экосистем.

В рамках работ по второй задаче нами была проведена комплексная оценка состояния здоровья коров в разных экологических зонах, проанализированы эпизоотологические показатели популяции, охарактеризованы качественные и количественные показатели качества молока и мяса, получаемых от коров. Установили, что продукция от коров в регионе с комбинированным техногенным загрязнением соответствует санитарным нормам и требованиям, что позволяет использовать её для человека без ограничений. Однако наши исследования показали, что постоянное поступление поллютантов в подпороговых количествах приводит не только к накоплению его в тканях, но и угнетению ряда физиологических функций, нарушению обмена веществ, снижению естественной резистентности организма и возникновению функциональных и органических изменений в отдельных органах и тканях.