Элементный состав шерсти как модель для изучения межэлементных взаимодействий

Инновационное направление науки 9

УДК 636.085:577.17

Элементный состав шерсти как модель для изучения межэлементных взаимодействий

С.А. Мирошников, О.А. Завьялов, А.Н. Фролов, А.В. Харламов, Г.К. Дускаев, М.Я. Курилкина

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства»

Аннотация. Проведено исследование элементного состава шерсти коров герефордской, казахской белоголовой и симментальской пород в условиях одной биогеохимической провинции. В шерсти особей симментальской породы по сравнению герефордским и казахским белоголовым скотом выявлено повышенное содержание эссенциальных элементов: кобальт - на 102,2 (p<0,001) и 165,0 % (p<0,001), хром - на 179,9 (p<0,001) и 195,6 % (p<0,001), медь - на 11,8 (p<0,01) и 25,3 % (p<0,01), железо - на 141,4 (p<0,001) и 216,5 % (p<0,001) и цинк - на 5,9 и 23,6 % (p<0,01). Животные герефордской породы отличались повышенным содержанием в шерсти: йода - на 235,0 (p<0,001) и 87,3 % (p<0,001), марганца - на

88.2 (p<0,001) и 14,1 % и селена - на 234,5 (p<0,001) и 210,5 % (p<0,001). Сравнение концентрации токсичных элементов в шерсти животных показало достоверное превосходство животных симментальской породы по отношению к герефордским и казахским белоголовым особям по концентрации в шерсти: алюминия - на 24,1 (p<0,001) и 201,9 % (p<0,001), мышьяка - на 40,8 (p<0,001) и 36,6 % (p<0,01), ртути - на

14.3 и 166,7 % (p<0,01) и свинца - на 83,3 (p<0,001) и 84,1 % (p<0,01). По содержанию кадмия и олова они уступали герефордским особям на 42,4 (p<0,001) и 17,7 %, при этом опережая сверстниц казахской белоголовой породы по накоплению соответствующих элементов на 111,1 (p<0,05) и 42,9 % (p<0,01). Достоверная положительная корреляция в шерсти животных всех изучаемых пород была отмечена между Co и Al (r=0,75-0,89), Co и Cd (r=0,64-0,77), Fe и Cd (г=0,35-0,65). Отрицательная зависимость наблюдалась между Se и Pb (r=0,35-0,65).

Ключевые слова: шерсть (волос), токсичные элементы, эссенциальные элементы, межэлементные взаимодействия, коровы, герефордская порода, казахская белоголовая порода, симментальская порода.

Введение.

Важной особенностью обмена химических веществ в организме является их взаимодействие друг с другом. Это взаимодействие проявляется как в виде синергических антагонистических эффектов, так и в способности взаимно активизировать либо тормозить абсорбцию друг друга в пищеварительном тракте [1].

Одним из проявлений межэлементных взаимодействий является угнетение обмена эссенциаль-ных элементов под влиянием токсичных. В конечном итоге, данное действие выражается в проявлении эффектов, затрагивающих основополагающие функции живых организмов [2]. Избыточное поступление токсичных элементов в организм может усугубляться наличием дефицита эссенциальных элементов.

В этой связи исследования, направленные на выявление особенностей взаимодействия токсичных и эссенциальных элементов в организме крупного рогатого скота, являются актуальными.

Цель исследования.

Изучить взаимодействие обменного пула эссенциальных и токсичных элементов в организме крупного рогатого скота.

Материалы и методы исследования.

Объект исследований. Исследования выполнены на модели животных герефордской, казахской белоголовой и симментальской пород, разводимых на территории одной биогеохимической провинции. Живая масса коров в период отбора образцов шерсти составляла 512,7±21,4 кг. Возраст 3-6 лет.

Обслуживание животных и экспериментальные исследования были выполнены в соответствии с инструкциями и рекомендациями Russian Regulations, 1987 (Order No.755 on 12.08.1977 the USSR Ministry of Health) and «The Guide for Care and Use of Laboratory Animals (National Academy Press Washington, D.C. 1996)». При выполнении исследований были предприняты усилия, чтобы свести к минимуму страдания животных и уменьшения количества используемых образцов.

10 Инновационное направление науки

Схема эксперимента. Для исследований отбирались клинически здоровые коровы герефорд-ской (n=50), казахской белоголовой (n=50) и симментальской пород (n=50).

Рацион кормления скота в стойловый период состоял из сена житнякового и разнотравного, силоса кукурузного, сенажа из суданской травы, в пастбищный - злаковое разнотравье.

Отбор проб производился по методике [3] в период ноябрь-декабрь 2015 года.

Элементный состав биосубстратов исследовали по 14 показателям (Co, Cr, Cu, Fe, I, Mn, Se, Zn, Al, As, Cd, Hg, Pb, Sn).

Оборудование и технические средства. Элементный состав шерсти определяли методами атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии (АЭС-ИСП и МС-ИСП) в испытательной лаборатории АНО «Центр биотической медицины», г. Москва (Registration Certificate of ISO 9001: 2000, Number 4017-5.04.06). Озоление биосубстратов проводили с использованием микроволновой системы разложения MD-2000 (США). Оценка содержания элементов в полученной золе осуществлялась с использованием масс-спектрометра Elan 9000 (Perkin Elmer, США) и атомно-эмиссионного спектрометра Optima 2000 V (Perkin Elmer, США).

Статистическая обработка. Статистическая обработка материала проводилась с использованием непараметрических методов (критерий Манна-Уитни, ранговая корреляция Спирмена) с помощью пакета программ «Statistica 10.0» («Stat Soft Inc.», США).

Результаты исследования.

Сравнительная характеристика результатов элементного состава шерсти, отобранной от животных изучаемых групп, выявила его неоднородность в зависимости от породной принадлежности (табл. 1, 2).

Таблица 1. Содержание эссенциальных элементов в шерсти животных, мкг/г

Элемент Порода

герефордская казахская белоголовая симментальская

Co Cr Cu Fe I Mn Se Zn 0,130±0,008 0,276±0,018 5,32±0,100 108,9±8,78 0,459±0,032 30,14±1,56 0,649±0,035 122,6±4,55 0,099±0,004 0,248±0,016 4,72±0,281 83,1±4,91 0,137±0,016 16,02±1,16 0,194±0,021 105,1±2,98 0,263±0,025 0,773±0,079 5,95±0,220 263,0±26,10 0,245±0,016 26,42±2,16 0,209±0,007 129,8±6,16

Таблица 2. Содержание токсичных элементов в шерсти животных, мкг/г

Порода

Элемент герефордская казахская белоголовая симментальская

Al 79,15±7,21 32,54±3,29 98,23±33,85

As 0,130±0,006 0,134±0,008 0,183±0,012

Cd 0,033±0,002 0,009±0,003 0,019±0,002

Hg 0,007±0,001 0,003±0,001 0,008±0,001

Pb 0,252±0,012 0,251±0,051 0,462±0,035

Sn 0,024±0,002 0,014±0,001 0,020±0,003

Как следует из полученных данных, в шерсти особей симментальской породы по сравнению ге-рефордским и казахским белоголовым скотом было выявлено повышенное содержание эссенциальных микроэлементов: кобальт - на 102,2 (р<0,001) и 165,0 % (р<0,001), хром - на 179,9 (р<0,001) и 195,6 % (р<0,001), медь - на 11,8 (р<0,01) и 25,3 % (р<0,01), железо - на 141,4 (р<0,001) и 216,5 % (р<0,001) и

Инновационное направление науки 11

цинк - на 5,9 и 23,6 % (р<0,01). Животные герефордской породы отличались повышенным относительно казахских белоголовых и симментальских сверстниц содержанием в шерсти: йода - на 235,0 (р<0,001) и 87,3 % (р<0,001), марганца - на 88,2 (р<0,001) и 14,1 % и селена - на 234,5 (р<0,001) и 210,5 % (р<0,001).

Сравнение концентрации токсичных элементов в шерсти животных изучаемых групп показало достоверное превосходство животных симментальской породы по отношению к герефордским и казахским белоголовым особям по концентрации в шерсти: алюминия - на 24,1 (р<0,001) и 201,9 % (р<0,001), мышьяка - на 40,8 (р<0,001) и 36,6 % (р<0,01), ртути - на 14,3 и 166,7 % (р<0,01) и свинца -на 83,3 (р<0,001) и 84,1 % (р<0,01). По содержанию кадмия и олова они уступали герефордским особям на 42,4 (р<0,001) и 17,7 %, при этом опережая сверстниц казахской белоголовой породы по накоплению соответствующих элементов на 111,1 (р<0,05) и 42,9 % (р<0,01).

В ходе проведённого исследования получены данные, отражающие статистически значимую корреляционную связь между обменным пулом некоторых эссенциальных и токсичных элементов в организме животных изучаемых групп (табл. 3).

Таблица 3. Коэффициенты корреляции между содержанием токсичных и эссенциальных элементов в шерсти животных

Элемент Al As Cd рь Sn

Герефордская порода

Со 0,83* 0,50* 0,64* -0,05 0,78* 0,22*

Сг 0,90* 0,72* 0,48* 0,01 0,76* 0,01

Си 0,37* 0,55* 0,07 -0,14 0,36* -0,32*

Fe 0,93* 0,75* 0,35* -0,12 0,69* -0,12

I 0,16* -0,12 0,13 0,08 0,18* 0,39*

Мп 0,50* 0,12 0,52* 0,01 0,55* 0,31*

Se -0,45* -0,35* -0,31* 0,12 -0,42* 0,05

Zn 0,11 0,39* 0,51* -0,03 0,10 -0,48*

Казахская белоголовая порода

Со 0,75* 0,90* 0,77* 0,45* 0,97* 0,39*

Сг 0,92* 0,84* 0,65* 0,48* 0,79* 0,09

Си 0,25 0,39* 0,37* -0,16 0,32 -0,20

Fe 0,94* 0,86* 0,64* 0,49* 0,78* 0,08

I -0,15 0,10 0,18 0,19 0,35 0,58*

Мп 0,55* 0,63* 0,82* 0,42* 0,83* 0,42*

Se -0,13 -0,16 0,15 0,25 -0,57* -0,15

Zn 0,23 0,12 0,31 0,09 0,05 -0,16

Симментальская порода

Со 0,89* 0,16 0,65* 0,39 -0,21 -0,18

Сг 0,44 -0,08 0,39 0,08 0,33 0,38

Си 0,38 0,43 0,76* -0,22 0,14 0,32

Fe 0,62 0,43 0,65* 0,31 -0,09 0,35

I -0,43 -0,96* -0,03 0,51 0,43 -0,24

Мп 0,12 -0,68* 0,38 0,53 0,16 -0,48

Se -0,70* -0,21 -0,09 0,13 -0,40* 0,56

Zn -0,53 0,23 0,63* -0,20 -0,10 0,19

Примечание * - достоверные коэффициенты корреляции

Достоверная положительная корреляция в шерсти животных всех изучаемых пород была отмечена между Со и А1 (г=0,75-0,89), Со и Cd (г=0,64-0,77), Fe и Cd (г=0,35-0,65). Отрицательная зависимость наблюдалась между Se и РЬ (г=0,35-0,65).

12 Инновационное направление науки

Обсуждение полученных результатов.

Исследования элементного состава шерсти (волос) находят всё большее применение в животноводстве при выявлении и коррекции элементозов, оценке биогеохимических провинций и т. д. [4-6].

Шерсть (волос) является легкодоступным биологическим материалом, отбор её прост, безболезнен, она может длительно храниться и пригодна для массовых скрининговых обследований [7].

В ходе проведённого исследования получены результаты, демонстрирующие перспективность элементного анализа шерсти для изучения межэлементных взаимодействий в организме крупного рогатого скота. Анализ состава шерсти животных изучаемых групп выявил отрицательную корреляцию между содержанием в шерсти селена и токсичными элементами: алюминием (г=0,13-0,70), кадмием (г=0,09-0,31) и свинцом (г=0,40-0,57). Объяснить данный факт можно, опираясь на ранее проведённые исследования по изучению микроэлементного состава волос жителей северо-восточных областей России, проживающих в различных экологических зонах, в которых установлен факт достоверной отрицательной корреляции селена с тяжёлыми металлами, уровень которых существенно превышал фоновые [8].

В нашем исследовании не был выявлен факт взаимосвязи между уровнем содержания в шерсти йода и свинца, несмотря на наличие в научной литературе исследований, указывающих на антагонистические связи между этими элементами [9]. При этом обнаружена отрицательная корреляция между уровнем йода и мышьяка в шерсти коров герефордской (г=0,12) и симментальской пород (г=0,96). Однако это заключение не столь однозначно и не нашло подтверждение в результатах, полученных для казахской белоголовой породы.

Обращает на себя внимание выявленный синергетический характер взаимодействия уровней содержания цинка и кадмия (г=0,31-0,63) в пробах шерсти, полученных от животных сравниваемых групп. Данное явление идёт в разрез с результатами исследований, констатирующими обратно пропорциональную связь этих элементов в организме [10]. Между тем в ряде исследований отмечалось, что при отсутствии цинка в рационе в печени не синтезируется цинк-тионеин, являющийся одним из основных рецепторов кадмия, и, как следствие, снижается накопление кадмия в этом органе [11]. Это подтверждается данными, указывающими, что под воздействием цинка увеличивается количество кадмия в цитозоле печени [12].

Заключение.

Анализ элементного состава шерсти крупного рогатого скота выявил корреляционную связь между концентрациями кобальта и алюминия, кобальта и кадмия, железа и кадмия, цинка и кадмия, селена и свинца. Выявленная отрицательная корреляция между концентрациями селена и свинца может быть использована для разработки способов коррекции элементозов.

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда

Литература

1. Скальный А.В., Рудаков И.А. Биоэлементы в медицине. М.: «Мир», 2004. 271 с.

2. Владимцева Т.М., Нефёдова В.В. Егорова А.Б. Окислительный стресс и нарушение морфологии гамет // Акушерство и гинекология. 2003. № 2. С. 58-59.

3. Method of sampling beef cattle hair for assessment of elemental profile / S. Miroshnikov, A. Khar-lamov, O. Zavyalov, A. Frolov, G. Duskaev, I. Bolodurina, O. Arapova // Pakistan Journal of Nutrition. 2015. № 14(9). P. 632-636.

4. Региональные особенности элементного состава шерсти крупного рогатого скота (результаты пилотного исследования) / С.А. Мирошников, А.В. Харламов, О.А. Завьялов, А.Н. Фролов // Вестник мясного скотоводства. 2015. № 2(90). С. 7-10.

5. Особенности формирования элементного статуса крупного рогатого скота в связи с продуктивностью и принадлежностью к половозрастной группе / С.А. Мирошников, А.В. Харламов, О.А. Завьялов, А.Н. Фролов, А.В. Кудашева, А.Г. Зелепухин, А.Х. Заверюха, В.Г. Литовченко // Вестник мясного скотоводства. 2015. № 4(92). С. 94-99.

6. Фролов А.Н., Завьялов О.А., Харламов А.В. Особенности элементного состава шерсти и адаптационные способности тёлок импортной селекции в зависимости от их продуктивности // Вестник мясного скотоводства. 2016. № 2(94). С. 39-44.

Инновационное направление науки 13

7. Информативность биосубстратов при оценке элементного статуса сельскохозяйственных животных (обзор) / А.В. Харламов, А.Н. Фролов, О.А. Завьялов, А.М. Мирошников // Вестник мясного скотоводства. 2014. № 4(87). С. 53-58.

8. Горбачёв А.Л., Скальный А.В., Ефимова А.В. Физиологическая роль селена и его вариации в организме жителей Северо-Востока России // Микроэлементы в медицине. 2001. Т. 2. Вып. 4. С. 31-36.

9. Лебедев С.В., Барышева Е.С., Малышева Н.В. Степень накопления и особенности взаимодействия токсичных и эссенциальных элементов в организме лабораторных животных (экспериментальные исследования) // Вестник Оренбургского государственного университета. 2006. № 2. С. 33-35.

10. Benoff S., Hurley I.R., Barkia M.A. Potential role for cadmium in the etiology of varicocele-associated infertility // Fertility sterility. 1997. 67(2). Р. 336-347.

11. Богомазов М.Я., Гарибян Г.М. Влияние содержания цинка в рационе экспериментальных животных на всасывание, распределение и накопление хлорида кадмия в организме при различных путях его введения // Вопросы питания. 1992. № 4. С. 51-53.

12. Goering P.L., Klaassen D.G. Zinc-induced tolerance to cadmium hepatotoxicity // Toxicol appl. Pharmacol. 1984. № 74(3). P. 299-307.

Мирошников Сергей Александрович, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, директор ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)43-46-41, e-mail: vniims.or@mail.ru

Завьялов Олег Александрович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела технологии мясного скотоводства и производства говядины ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)43-46-78, e-mail: oleg-zavyalov83@mail.ru

Фролов Алексей Николаевич, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела технологии мясного скотоводства и производства говядины ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)43-46-78, e-mail: forleh@mail.ru

Харламов Анатолий Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий отделом технологии мясного скотоводства и производства говядины ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)43-46-78, e-mail: vniims.or@mail.ru

Дускаев Галимжан Калиханович, доктор биологических наук, заведующий отделом кормления сельскохозяйственных животных и технологии кормов им. профессора С.Г. Леушина ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)43-46-79

Курилкина Марина Яковлевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник испытательного центра ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8(3532)77-39-97, e-mаil: vniims.or@mаil.ru

UDC 636.085:577.17

Miroshnikov Sergey Aleksandrovich, Zavyalov Oleg Aleksandrovich, Frolov Alexey Nikolaevich, Kharlamov Anatoly Vasilyevich, Duskaev Galimzhan Kalikhanovich, Kurilkina Marina Yakovlevna

FSBSI «All-Russian Research Institute of Beef Cattle Breeding», e-mаil: vniims.or@mail.ru The elemental composition of hair as a model for the study of inter-element interactions Summary. A study of the elemental composition of hair of the Hereford, Kazakh white-headed and Simmental breeds in the conditions of a biogeochemical province is conducted. The hair of the Simmental animals compared to the Hereford and Kazakh whiteheaded cattle revealed higher content of essential elements: cobalt - by 102,2 (p<0,001) and 165,0 % (p<0,001), chrome - by 179,9 (p<0,001 ) and 195,6 % (p<0,001), copper - by 11,8 (p <0,01) and 25,3 % (p<0,01), iron - by 141,4 (p<0,001) and 216,5 % (p<0,001) and zinc - by 5,9 and 23,6 % (p<0,01). The Hereford animals had higher content in hair of: iodine - by 235,0 (p<0,001) and 87,3 % (p<0,001), manganese - on 88,2 (p<0,001) and 14,1 %, and selenium - to 234,5 (p<0,001) and 210,5 % (p<0,001). Comparing the concentration of toxic elements in the hair of animals showed significant superiority of the Simmental animals towards the Hereford and Kazakh white-headed animals according to the concentra-

14 Инновационное направление науки

tion in hair: aluminum - by 24,1 (p<0,001) and 201,9 % (p<0,001), arsenic - by 40,8 (p<0,001) and 36,6 % (p<0,01), mercury - by 14,3 and 166,7 % (p <0,01) and lead - by 83,3 (p<0,001) and 84,1 % (p<0,01). According to the content of cadmium and tin they were lower comparing to the Hereford animals by 42,4 (p<0,001) and 17,7 %, thus advancing over the Kazakh white-headed breed according to the accumulation of relevant elements by 111,1 (p<0,05) and 42,9 % (p<0,01). Significant positive correlation in hair of all studied animal was registered between Co and Al (r=0,75-0,89), Co and Cd (r=0,64-0,77), Fe and Cd (r=0,35-0,65). A negative correlation was observed between Se and Pb (r=0,35-0,65).

Key words: hair, toxic elements, essential elements, inter-element interaction, cows, Hereford, Kazakh white-headed breed, Simmental breed.