Перспектива использования наночастиц диоксида кремния для повышения переваримости кормового субстрата

8 Инновационное направление науки

УДК 636.085:577

Перспектива использования наночастиц диоксида кремния для повышения переваримости кормового субстрата

Д.Б. Косян, А.М. Макаева

ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук»

Аннотация. Улучшение технологии кормления и актуализация нормативов потребности сельскохозяйственных животных в необходимых веществах остаётся важной составляющей развития животноводческой отрасли. В следствие чего активно развивается направление применения новых форм биологически активных веществ, которые требуются организму животного для нормального функционирования, роста продуктивности и жизнедеятельности. Таковыми являются биологически активные добавки в виде порошков металлов, в частности, следует отметить важность такого элемента, как кремний. Множественными исследованиями показано, что Si входит в состав всех тканей и органов, участвует в обмене веществ и росте мышц и костей. В качестве исследуемого вещества использовали наночастицы (НЧ) диоксида кремния (НЧ SiO2). Для определения переваримости корма с добавлением НЧ in vitro использовали «искусственный рубец». В качестве кормового субстрата использовали смесь овса, свежеотобранного профильтрованного рубцо-вого содержимого крупного рогатого скота вкупе с приготовленным по расчётам буферным раствором и взвеси НЧ SiO2 с концентрацией 0,25; 0,1; 2,0 и 2,5 мг/кг. При увеличении концентрации исследуемого вещества до 2,5 мг/кг наблюдается повышение показателя переваримости до 9 %. При уменьшении концентрации НЧ SiO2 до 0,25 мг/кг и 0,1 мг/кг отмечаются наиболее высокие результаты с разницей на 12,1 % и 14,2 % соответственно. Однако следует отметить обратно пропорциональную зависимость между концентрацией НЧ и итоговым процентом переваренного корма: чем выше концентрация НЧ, тем переваримость ниже, и наоборот - по мере уменьшения концентрации возрастает средний процент переваренного кормового вещества. Таким образом, можно сделать вывод, что внесение НЧ SiO2 даёт результат в увеличении общего процента переваримости кормового субстрата в условиях искусственного рубца крупного рогатого скота.

Ключевые слова: сельскохозяйственные животные, бычки, кормление, переваримость, токсичность, нанотехнологии, диоксид кремния (НЧ SiO2).

Введение.

Улучшение технологии кормления и актуализация нормативов потребности сельскохозяйственных животных в необходимых веществах остаётся важной составляющей развития животноводческой отрасли [1]. Обеспечение животных необходимым количеством полноценных питательных веществ зависит от развития производства полнорационных комбикормов, содержащих в своём составе вещества, обеспечивающие высокое усвоение питательных компонентов рационов [2]. В следствие чего активно развивается направление применения новых форм биологически активных веществ, которые требуются организму животного для нормального функционирования, роста продуктивности и жизнедеятельности. Таковыми являются биологически активные добавки в виде нанопорошков металлов [3, 4], в частности, следует отметить важность такого элемента, как кремний [5, 6].

Множественными исследованиями показано, что Si входит в состав всех тканей и органов, участвует в обмене веществ и росте мышц и костей. Также этот элемент обеспечивает обогащение кальцием костей и необходим для нормального формирования и работы соединительной ткани и эпителия в организме, придаёт им прочность и упругость [7-10]. Исходя из вышесказанного, использование кремния в кормлении животных открывает ряд перспектив. Особенно это стало возможным с развитием нанотехнологий. Вещества в наноформе благодаря своим свойствам отличаются высоким биологическим действием, а относительно НЧ кремния можно отметить не только их высокую активность, но и достаточно низкую токсичность в отношении клетки [11, 12].

Инновационное направление науки 9

Таким образом, актуальными представляются исследования эффективности использования НЧ кремния в кормлении сельскохозяйственных животных и оценка их действия на переваримость компонентов корма.

Цель исследования.

Оценка влияния НЧ SiO2 на переваримость питательных веществ корма.

Материалы и методы исследования.

Объект исследования. Бычки красной степной породы; рубцовая жидкость (РЖ).

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.

Схема эксперимента. Физиологические исследования выполнялись в условиях Покровского сельскохозяйственного колледжа-филиала ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» Оренбургского района Оренбургской области. Отбор рубцовой жидкости проводился у бычков через хроническую фистулу рубца. Исследования проводили методом нейлоновых мешочков: in vitro - с использованием «искусственного рубца KPL 01», 48-часовая экспозиция.

Исследовательская работа проводилась на базе центра «Нанотехнологии в сельском хозяйстве» ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук».

В качестве исследуемого вещества использовали НЧ диоксида кремния (НЧ SiO2) («Передовые порошковые технологии», г. Томск).

Параметры НЧ SiO2, заявленные производителем, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики НЧ SiO2

№ НЧ Размер, нм Состав

1 SiO2 40,9 SiO2: 99,8 %; Ch: <0,2% Газофазный 55,4

Подготовку препарата НЧ проводили в дистиллированной воде на ультразвуковом диспер-гаторе (f - 35 кГц, N - 300 Вт, А - 10 мкА), путём диспергирования в течение 30 минут. Размер НЧ определяли с использованием электронного микроскопа JSM-740 IF.

Для дальнейших исследований были приготовлены серии последовательных разведений от 1 М до 0,1х10"9 М.

Для определения переваримости корма с добавлением НЧ in vitro использовали «искусственный рубец», состоящий из баночек, стойки с вращающимся валиком, привода и покрышки с приводным двигателем.

Также использовались пронумерованные мешочки из полиамидной ткани в количестве 15 штук, которые далее с содержимым подворачивались и закреплялись прищепами на валике. По 3 мешочка помещали в одну банку по порядку нумерации.

В качестве наполнителя использовали дроблёное зерно овса, свежеотобранное профильтрованное рубцовое содержимое крупного рогатого скота вкупе с приготовленным по расчётам буферным раствором и взвеси НЧ SiO2 с концентрацией 0,25; 0,1; 2,0 и 2,5 мг/кг корма. Содержимое рубца у жвачных животных берём при помощи желудочного зонда длиной 120-150 см, наружным диаметром около 15 мм.

Контролем служило желудочное содержимое на буферном растворе с овсом.

10 Инновационное направление науки

После небольшой выдержке заготовленных смесей стеллаж с закреплёнными мешочками опускается в ёмкость, плотно закрывается крышка для создания анаэробных условий и подключённый к сети прибор помещается в термостат на 48 часов при температуре +39 °С. Валики с мешочками равномерно покачиваются, опуская все мешочки в смесь сока рубца и буферного раствора и одновременно приподнимая их. Таким путём частицы корма подвергают непрерывному воздействию смеси буферного раствора сока рубца, что схоже с перистальтикой рубца жвачных животных.

По истечении 48 часов «искусственный рубец» вынимается из термостата, баночки с мешочками переносятся в ванну с водопроводной водой для споласкивания. Затем в баночки добавляем разведённый пепсин, который свободно доступен в продаже. Прибор снова помещают в термостат на 24 часа для вторичного переваривания.

По окончании переваривания с пепсином пробы вынимаются из ванны «рубца», тщательно промываются водопроводной водой и обтекают в течение 24-28 часов. Завершающим этапом служит сушка проб в сушильном шкафу при температуре +60 °С до константного веса и вычисление степени переваримости корма.

Вес мешочков из полиамидной ткани не меняется на протяжении всего опыта, поэтому учитывается их первоначальный вес нетто. На основании разницы в первоначальном и конечном брутто весах можно вычислить переваримость сухой массы.

Переваримость, % = (Мпервонач. - М конечн. ) х 100/500,

где Мпервонач. = масса мешочка мг+500 мг сухой массы корма

Мконечн- вес брутто по итогам взвешивания проб после сушения.

500 - вес сухой массы корма.

Все эксперименты были выполнены в трёх повторностях.

Оборудование и технические средства. Исследования были выполнены в условиях центра «Нанотехнологии в сельском хозяйстве» ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук». «Искусственный рубец» KPL 01; термостат электрический суховоздушный ТС-1/80 СПУ (ОАО «Смоленское СКТБ СПУ», Россия); весы лабораторные электронные МВ 210-А (ЗАО «Сартогосм», Россия); желудочный зонд (Россия).

Статистическая обработка. Полученные результаты обрабатывали методами вариационной статистики с использованием офисного программного комплекса «Microsoft Office» с применением программы «Excel» («Microsoft», США) с обработкой данных в «Statistica 10.0» («Stat Soft Inc.», США). Выводы об уровне значимости различий делали исходя из полученной величины коэффициента Стьюдента (t-критерий) и количества наблюдений в анализируемых выборках. Достоверными считали различия при вероятности ошибки P<0,05, высокозначимыми считали различия при P<0,01 и P<0,001.

Результаты исследований.

Результаты по оценке действия НЧ SiO2 на переваримость представлены в таблице 2.

Таблица 2. Переваримость кормового субстрата (КС) при внесении НЧ SiO2 различной концентрации

№ Название группы Концентрация НЧ SiO2, мг/кг Средняя переваримость, %

1 ^+SiO2 (0,1 мг/кг) 0,1 67,5±5,2

2 ^+SiO2 (0,25 мг/кг) 0,25 65,4±6,5

3 ^+SiO2 (2 мг/кг) 2 60,8±5,7

4 ^+SiO2 (2,5 мг/кг) 2,5 62,3±5,9

5 КС контроль 53,3±5,3

Инновационное направление науки

11

Анализ полученных данных показал, что процент переваримости контрольного образца составляет 53,3 %. Сравнение контроля с опытными группами демонстрирует различие в полученных данных. Так, минимальное увеличение процента переваримости при внесении НЧ SiO2 в концентрации 2 мг/кг составило 7,5 %. При увеличении концентрации исследуемого вещества до 2,5 мг/кг наблюдается повышение показателя переваримости до 9 %. При уменьшении концентрации НЧ SiO2 до 0,25 мг/кг и 0,1 мг/кг отмечаются наиболее высокие результаты с разницей на 12,1 % и 14,2 % соответственно (рис. 1).

80

70

Ж 60

50

40

30

С 20 10

О

62,3

60.Е

65.4

53,3

53,3

2.5

2 0.25

Концентрация, мг/мл

67,5

53,3

ОД

Контроль  НЧ 8Ю2

Рис. 1 - Переваримость сухого вещества при внесении НЧ SiO2 в различных концентрациях

Сравнительный анализ результатов между группами показал, что внесение НЧ в концентрации 0,1 мг/кг способствует переваримости субстрата до 67,5 %, что на 2,1 % больше, чем при внесении исследуемого вещества в концентрации 0,25 мг/кг. Примечательно, что при увеличении концентрации до 2 мг/кг и 2,5 мг/кг просматривается тенденция к уменьшению процента переваренного корма на 6,7 % и 5,2 % соответственно.

Таким образом, можно сделать вывод, что внесение НЧ SiO2 даёт результат в увеличении общего процента переваримости кормового субстрата в условиях искусственного рубца крупного рогатого скота.

Однако следует отметить обратно пропорциональную зависимость между концентрацией НЧ и итоговым процентом переваренного корма: чем выше концентрация НЧ, тем переваримость ниже, и наоборот - по мере уменьшения концентрации возрастает средний процент переваренного кормового вещества.

Выбивающееся значение при внесении НЧ отмечено в концентрации 2 мг/кг, но в сравнении с конечной наблюдается незначительное повышение. Это можно объяснить тем, что представленное явление довольно часто встречается в исследованиях действия малых доз - «мёртвая зона», когда вначале отмечается равномерный эффект, после чего наступает «неожиданный сбой», после которого снова нормализуется общая тенденция. Природа этого феномена может быть связана с особенностями кинетики реакций, в которых немаловажную роль играют слабые взаимодействия, вследствие чего улучшается клеточный метаболизм.

Обсуждение полученных результатов.

По данным ряда исследователей применение НЧ в животноводстве, в частности, использование НЧ металлов-микроэлементов как кормовых и пищевых добавок - одно из наиболее весомых направлений нанотехнологии [13-16].

Так, отечественными учёными проведена серия испытаний нанодисперсных частиц диоксида кремния на животных (поросята, цыплята, телята). Опытным путём было установлено, что введение вышеупомянутых НЧ оральным путём в дозе 0,005-0,01 г/кг живой массы получены от-

12 Инновационное направление науки

личные результаты в виде возрастания живой массы новорождённых и подсосных поросят на 20-40 % за счёт нормализации минерального обмена у свиноматок, прироста массы поросят за четыре месяца на 29,4 % в сравнении с контролем. Отмечено также, что кость поросят после 4 месяцев введения в корм кремнезёма на 17 % выдерживает большую нагрузку на излом, чем в контрольной группе. Сохранность молодняка повысилась на 20 % по сравнению с контрольной группой, а масса кости на 45 день дачи кремнезёма увеличилась у цыплят на 1,5 % при одинаковом живом весе с контрольной группой [17-19]. Использование НЧ в кормлении животных представляет обширную область для изучения кормового потенциала [20-22].

Наши исследования выявили следующее:

- оптимальная концентрация НЧ SiO2 - 0,1 мг/кг;

- возрастание среднего процента переваримости корма сопряжено с меньшей концентрацией вносимых НЧ SiO2 (за исключением концентрации 2 мг/кг);

- применение НЧ с концентрацией больше 0,25 мг/кг сокращает процентную разницу переваримости корма в сравнении с контролем.

Выводы.

Можно сказать, что введение НЧ SiO2 в условиях in vitro даёт увеличение общего процента переваримости кормового субстрата в условиях искусственного рубца крупного рогатого скота. Оптимальной концентрацией которого является 0,1 мг/кг корма. В рамках дальнейших исследований полученные результаты будут использованы в экспериментах in vivo.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых учёных МК-3631.2017.11

Литература

1. Kononenko S.E. Ways of reduction of adverse feeding effects of animals // Agricultural sciences. 2016. № 119(05). P. 1-20.

2. An oxidative stress-specific bacterial cell array chip for toxicity analysis / J.H. Lee, C.H. Youn, B.C. Kim, M B. Gu // Biosensors and Bioelectronics. 2007. Vol. 22(9-10). P. 2223-2229.

3. Сравнительные испытания ультрадисперсного сплава, солей и органических форм ^ и Zn как источников микроэлементов в кормлении цыплят-бройлеров / Е.А. Сизова, С.А. Мирошни-ков, С.В. Лебедев, Ю.И. Левахин, И.А. Бабичева, В.И. Косилов // Сельскохозяйственная биология. 2018. 53(2). С. 393-403. doi: 10.15389/agrobiology.2018.2.393rus.

4. Наночастицы Fe в сочетании с аминокислотами изменяют продуктивные и иммунологические показатели у цыплят-бройлеров / Е.В. Яушева, С.А. Мирошников, Д.Б. Косян, Е.А. Сизова // Сельскохозяйственная биология. 2016. Т. 51. № 6. С. 912-920.

5. The role of animal nutrition in designing optimal foods of animal origin as reviewed by the COST action feed for health / L. Pinotti et al. // Biotechnology, Agronomy, Society and Environment. 2014. № 18(4). P. 471-479.

6. Health effects of nanomaterials on next generation / K. Takeda et al. // Yakugaku Zasshi. 2011. V. 131(2). P. 229-236.

7. Tishenkov P.I. Digestibility of nutrients of the grain mixes enriched with fermental preparations // Veterinary science. 2014. № 3. P. 30-35.

8. Effect of supplementation of minerals and vitamins on growth performance of indigenous heifers / D.N. Sawant et al. // Indian Journal of Animal Nutrition. 2013. № 30(4). P. 387-391.

9. Перспективы использования новых минеральных добавок в рационах сельскохозяйственных животных / А.В. Якимов и др. // Фундаментальные и прикладные проблемы повышения продуктивности животных и конкурентоспособности продукции животноводства в современных экономических условиях АПК РФ: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Ульяновск: Ульян. ГСХА им. П.А. Столыпина, 2015. Т. 1. С. 268-271.

Инновационное направление науки 13

10. Улитько В.Е. Инновационные подходы в решении проблемных вопросов в кормлении сельскохозяйственных животных // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2014. № 4. С. 136-144.

11. Пресняк А.Р. Использование наночастиц микроэлементов - перспективное направление при производстве мяса цыплят-бройлеров // Молодой учёный. 2015. № 5.2(85.2) С. 40-42. url: https://moluch.ru/archive/85/16148/ (дата обращения: 14.02.2018).

12. Мирошников С.А., Сизова Е.А. Наноматериалы в животноводстве (обзор) // Вестник мясного скотоводства. 2017. № 3(99). С. 7-22.

13. Metal particles as trace-element sources: current state and future prospects / V.I. Fisinin, S.A. Miroshnikov, Е.А. Sizova, A.S. Ushakov, E.P. Miroshnikova // World's Poultry Science Journal. 2018. September. Vol. 74. Issue 3. P. 523-540. https://doi.org/10.1017/S0043933918000491.

14. Нанодисперсный диоксид кремния: применение в медицине и ветеринарии / В.В. Потапов и др. // Наноиндустрия. 2012. № 3. С. 32-36.

15. Нестеров Д.В., Мирошников С.А., Холодилина Т.Н. Применение цинка в различных формах в качестве катализатора экзогенных ферментов // Вестник Оренбургского государственного университета. 2008. № 12. С. 52-55.

16. Кондакова К.С., Дроздова Е.А., Япрынцева Е.В. Влияние различных видов обработки кормовых средств, содержащих макро-, наночастицы металлов, на способность бактерий рубца к адгезии // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. Т. 33. № 1. С. 245-247.

17. Маркелов Д.А., Ницак О.В., Геращенко И.И. Сравнительное изучение адсорбционной активности медицинских сорбентов // Химико-фармацевтический журнал. 2008. № 7(42). С. 30-33.

18. Structuraland oxidative changes in the kidney of crucian carp induced by silicon-based quantum dots / S.N. Petrache, L. Stanca, A.I. Serban, C. Sima, A.C. Staicu, M.C. Munteanu, M. Costache, R. Burlacu, O. Zarnescu, A. Dinischiotu // International Journal of Molecular Sciences. 2012. 13(8). P. 10193-10211. doi: 10.3390/ijms130810193.

19. Impact of silicon-based quantum dots on the antioxidative system in white muscle of Carassius auratus gibelio / L. Stanca, S.N. Petrache, M. Radu, A.I. Serban, M.C. Munteanu, D. Teodorescu, A.C. Staicu, C. Sima, M. Costache, C. Grigoriu, O. Zarnescu, A. Dinischiotu // Fish Physiology and Biochemistry. 2012. 38. P. 963-975. doi: 10.1007/s10695-011-9582-0.

20. Мирошников С.А., Лебедев С.В. Диапазон концентраций (референтные значения) химических элементов в теле животных // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 6(112). С. 241-243.

21. О перспективности нанопрепаратов на основе сплавов микроэлементов-антагонистов (на примере Fe и Co) / Е.А. Сизова, С.А. Мирошников, С.В. Лебедев, А.В. Кудашева, Н.И. Рябов // Сельскохозяйственная биология. 2016. № 51(4). С. 553-562.

22. Сизова Е.А. Влияние включения в рацион наночастиц меди на уровень кадмия в организме цыплят-бройлеров // Вестник мясного скотоводства. 2017. № 1(97). С. 13-20.

Косян Дианна Багдасаровна, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», г. Оренбург, 9 Января, 29, e-mail: kosyan.diana@mail .ru

Макаева Айна Маратовна, младший научный сотрудник центра «Нанотехнологии в сельском хозяйстве» ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, тел.: 8-919-842-46-99, e-mail: ayna.makaeva@mail.ru

Поступила в редакцию 21 ноября 2018 года

14 Инновационное направление науки

UDC 636.085:577

Kosyan Dianna Bagdasarovna, Makaeva Aina Maratovna

FSBSI «Federal Research Center for Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences», e-mail: kosyan.diana@mail.ru

The prospect of using silicon dioxide nanoparticles to increase digestibility of the feed substrate Summary. The improvement of feeding technology and the actualization of standard needs of farm animals in the required substances remains an important component of the development of the livestock industry. As a result, the direction of application of new forms of biologically active substances, required by the animal body for normal functioning, productivity growth and vital activity, is actively developing. These are biologically active additives in the form of metal powders, in particular, it should be noted the importance of such an element as silicon. Multiple studies have shown that Si is part of all tissues and organs, is involved in metabolism and the growth of muscles and bones. Nanoparticles (NPs) of silicon dioxide (SiO2 nanoparticles) were used as the test substance. To determine the digestibility of the feed with the addition of NPs in vitro, an «artificial rumen» was used. As a fodder substrate, a mixture of oats, freshly selected filtered cicatricial contents of cattle was used, together with a buffer solution prepared according to calculations and a suspension of SiO2 NPs with a concentration of 0.25; 0.1; 2.0 and 2.5 mg/kg. With an increase in the concentration of the test substance up to 2.5 mg/kg, an increase in the digestibility index is observed up to 9 %. When the concentration of SiO2 NPs decreases to 0.25 mg/kg and 0.1 mg/kg, the best results are observed with a difference of 12.1 % and 14.2 %, respectively. However, back proportional relationship between the concentration of NPs and the final percentage of digested food should be registered: the higher the concentration of NPs, the lower digestibility is, and vice versa - as the concentration decreases, the average percentage of digested food substance increases. Thus, it can be concluded that the introduction of SiO2 NPs results in an increase in the total percentage of digestibility of the feed substrate under conditions of artificial rumen of cattle.

Key words: farm animals, bulls, feeding, digestibility, toxicity, nanotechnology, silicon dioxide (SiO2 NPs).