Эколого-токсикологическая оценка действия кадмия, цинка, селена в условиях южной лесостепи Омской области

35. Bellrose F.C. Waterfowl migration corridors east of the Rocky Mountains in the United States // Biol. Notes. -Urbana: Illinois Natur. Hist. Survey. - 1968. - Vol. 61. - P. 1-24.

36. Eckardt E. Die Vogelwelt als geographisches problem // Geogr. Zeirschrift. - 1922 . - Р. 23-42.

37. Fisher J., Peterson R.T. The world of birds: A comprehensive guide to general ornithology. - London, 1964. - 288 p.

38. Guthrie R.D., Matthews J.V. Jr. The Cape Deceit Fauna: early Pleistocene mammalian assemblage from the Alaska Arctic // Quaternary Res. - 1971. - Vol. 1. - P. 474-510.

39. MacKinnon J., Phillipps K. A Field Guide to the Birds of China. - Oxford Univ. Press, Oxford, 2000. - P. 56-143.

40. Matthews P.H. Morphology. - Cambridge, 1974. - 330 p.

41. MayrE, Meise W. Theoretisches zur Geschichte des Vogelzuges. - Vogelzug, 1930. - Vol. 1. - P. 149-172.

42. McClure H.E. Migration and survival of the birds of Asia. - Bangkok, Thailand, 1974. - P. 25-48.

43. Palmen I.A. Ober die ZugstraGen der Vogel. - Leipzig, 1876. - P. 1-293.

44. Pleistocene evolution of closely related sand martins Riparia riparia and R. diluta / A. Pavlova, R.M. Zink,

S. Drovetski [et al.] // Molecular Phylogenetics and Evolution. - 2008. - Vol. 48. - P. 61-73.

45. Rogacheva H. The birds of Central Siberia. - Husum: Husum Druck- und Verlagsgesellshaft, 1992. - 737 p.

46. Veen J., Yurlov A.K., Delany S.N. An atlas of movements of Southwest Siberian waterbirds [Электронный ресурс] // Wetlands International, Wageningen. - The Netherlands, 2005. - Режим доступа: www.wetlands.org.

----------♦-------------

УДК 631.8:631.95 А.В. Синдирева

ЭКОЛОГО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ КАДМИЯ, ЦИНКА, СЕЛЕНА В УСЛОВИЯХ ЮЖНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ

В статье рассматриваются вопросы неблагополучной экологической ситуации, сложившейся во многих регионах России. Обозначена одна из ключевых проблем, которая заключается в развитии микро-элементного дисбаланса в живых организмах. Автором приведены основные принципы нормирования и прогнозирования действия ряда микроэлементов (Cd, Zn, Se) в системе «почва-растение-животное» в определенных агроэкологических условиях в Омской области.

Ключевые слова: микроэлементы, столовая свекла, морковь, рапс яровой, Омская область, экологическая оценка, крысы, печень.

A.V. Sindireva ECOLOGICAL AND TOXICOLOGICAL ESTIMATION OF CADMIUM, ZINC, SELENIUM EFFECT IN THE OMSK REGION SOUTHERN FOREST-STEPPE CONDITIONS

The issues of unfavorable ecological situation that has emerged in many Russian regions are considered in the article. One of the key problems which is microelement disorder development in live organisms is emphasized. The main principles of rationing and forecasting some microelement (Cd, Zn, Se) effect in the "soil-plant-animal" system in certain agroecological conditions in Omsk region are given by the author.

Key words: microelements, table beet, carrot, spring rape, Omsk region, ecological estimation, rats, liver.

Введение. Одним из основных факторов, определяющих качество окружающей среды, является ее элементный состав. В условиях неблагополучной экологической ситуации, сложившейся во многих регионах России, значительной проблемой является развитие микроэлементного дисбаланса в живых организмах. Биологическая роль многих микроэлементов, в частности, кадмия, селена, цинка, неоднозначна. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход жизнедеятельности организмов. Нарушение этих концентраций в результате техногенного загрязнения окружающей среды приводит к отрицательным последствиям для живых организмов.

Цель исследований. Дать эколого-токсикологическую оценку действия кадмия, селена, цинка при их поступлении по пищевой цепи «почва-растение-животное» в условиях южной лесостепи Омской области.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись овощные (столовая свекла, морковь) и кормовая (рапс яровой) культуры, лабораторные животные (белые беспородные крысы), а также лугово-черноземная почва при моделировании условий антропогенного поступления кадмия, цинка, селена. Программа исследований включала 2 экспериментальных этапа: лабораторный и полевой. Исследования проведены в 1996-2010 гг.

На основе данных полевых опытов исследовали действие кадмия, цинка, селена на продуктивность и качество сельскохозяйственных культур. Содержание микроэлементов (кадмия и цинка) определяли в ФГУ ЦАС «Омский» атомно-абсорбционным методом, концентрацию селена - в НИИ питания РАМН флуоромет-рическим методом. Опыты со столовой свеклой, морковью, рапсом яровым заложены на луговочерноземной почве южной лесостепи Омской области в условиях моделирования антропогенного поступления кадмия, никеля, цинка в дозах 7, 22 и 36 кг/га под столовую свеклу и морковь, а также в дозах, соответствующих 0,5; 1; 2 ПДК этих элементов в почве под рапс яровой, что составляет соответственно для кадмия 3,5, 7, 14 кг/га, для цинка - 26, 54, 109 кг/га, для селена - 12, 24, 48 кг/га. Фоном (Ф) на вариантах с морковью являлось внесение фосфора в дозе 90 кг/га, столовой свеклы - азота в дозе 45, фосфора - в дозе 90 кг/га, для рапса ярового - азота и фосфора в дозах 90 кг/га. Удобрения вносили до посева. Азот применяли в виде аммиачной селитры, фосфор - двойного суперфосфата, кадмий и цинк - в виде ацетатных солей, селен -селенита натрия. После уборки урожая корма, выращенные с применением кадмия, селена, цинка в дозах

0,5; 1; 2 ПДК, от содержания подвижных форм этого элемента в почве в течение шести месяцев вводили в рацион животных, распределенных по группам согласно вариантам полевых опытов.

В плазме крови животных, потреблявших растительную пищу с избытком исследуемых микроэлементов, определяли основные биохимические показатели, характеризующие функциональное состояние печени: общий белок и его фракции, функциональные пробы, лактат, урат, активность аланинаминотранс-феразы, аспартатаминотрансферазы. В эритроцитах устанавливали содержание глутатиона, диеновых конъюгатов, малонового диальдегида, липофусциноподобного пигмента, активность супероксиддисмутазы и глутатионпероксидазы. Исследования осуществляли унифицированными методами. Кроме того, проводили патологоанатомическое и патологогистологическое исследование органов крыс. Биохимические и патологогистологические исследования проводили совместно с сотрудниками Института ветеринарной медицины ФГОУ ВПО ОмГАУ и ГНУ ВПО «Омская медицинская академия». Результаты подвергали статистической обработке с применением критерия Стьюдента. Использовали программу Microsoft Excel.

Результаты исследований и их обсуждение. Поскольку уровень содержания химических элементов в растениях в определенной мере коррелирует с их количеством в почве, вопросам нормирования содержания микроэлементов именно в почве в настоящее время уделяется большое внимание. Исследованиями, проведенными ФГУ ЦАС «Омский», доказано, что Омская область, хотя и является регионом с высоким техногенным прессингом, в силу сложившейся инфраструктуры промышленности имеет гораздо меньшую техногенную нагрузку на почву вблизи города и в целом на сельскохозяйственные агроценозы. Уровень содержания валовых кислоторастворимых форм тяжелых металлов в почвах Западно-Сибирского региона невысок и в среднем не превышает 0,5 ПДК по каждому из элементов, при данном уровне применения средств химизации и сегодняшней техногенной нагрузке заметного увеличения их в почве не наблюдается [1]. В то же время особую озабоченность вызывают почвы пригородных зон, а также расположенные на территории техногенных эмиссий (золоотвалы, автомагистрали, промышленные выбросы города), что подтверждает данные [2] о загрязнении тяжелыми металлами исследуемых почв, которое сопровождается увеличением ПДК в них.

В рамках проведенных многолетних исследований при моделировании поступления микроэлементов в почву разработаны коэффициенты «b» интенсивности изучаемых микроэлементов на химизм луговочерноземной почвы. Так, при внесении 1 кг/га кадмия, цинка, содержание подвижных форм этих металлов увеличивается соответственно в среднем на 0,011; 0,005; 0,011 мг/кг слоя почвы 0-30 см. При внесении 1 кг/га селена его валовое содержание увеличивается на 0,45 мг/кг. Кроме того, дополнительно внесенные микроэлементы способны изменять подвижность других химических элементов, что с точки зрения экологии почв является немаловажным. Представленные коэффициенты позволяют прогнозировать содержание подвижных форм микроэлементов в случае их дополнительного поступления при антропогенной деятельности:

Сн = Сф + Д . b,

где Сн, Сф - накопленное (Сн) и фоновое (Сф) содержание подвижной формы микроэлемента в почве, мг/кг сухого вещества;

О - доза поступившего элемента, кг/га;

Ь - коэффициент интенсивности действия единицы поступившего микроэлемента в почву.

Помимо оценки влияния микроэлементов на продуктивность сельскохозяйственных культур, значительное внимание должно уделяться гигиенической оценке растениеводческой продукции и в первую очередь элементному составу. В условиях моделирования содержания микроэлементов в границах от 0,5 до 2 установленных ПДК в почве рассчитаны коэффициенты «Ь» интенсивности их действия на химизм произрастающих на лугово-черноземной почве растений. В частности, для корнеплодов столовой свеклы коэффициенты «Ь» составляют по кадмию, никеля, цинку соответственно 0,0067; 0,12; 0,13 мг/кг, для моркови - Ь СС1 = 0,0019, Ь N1 = 0,03, Ьип = 0,079 мг/кг, для рапса ярового - Ь сс! = 0,027, Ь N1 = 0,06, Ьип = 0,34, Ь Эе= 0,11 мг/кг.

Исследования показали, что дополнительное поступление микроэлементов в почву и как следствие избыточное накопление их в растениях способно качественно и количественно изменять химический состав культур и соответственно качество растениеводческой продукции (содержание сухого вещества, сахаров, нитратов, протеина и т.д.).

Согласно нашим исследованиям, наиболее токсичными для животных являлись корма, выращенные с применением микроэлементов (Сс1, Ип, Эе) в дозе 2 ПДК. При этом концентрация кадмия, цинка, селена достигала соответственно 0,98; 51; 5,4 мг/кг сухого вещества. Однако уже достоверные изменения ряда биохимических показателей отмечены в крови животных групп «кадмий 1 ПДК», «селен 0,5 ПДК».

Понимание молекулярных механизмов интоксикации служит основой для внедрения новых методов ранней диагностики повреждений органов животных и выявления критических уровней содержания микроэлементов в кормах, выращенных на загрязненных почвах. Биохимические показатели крови крыс при воздействии кадмия и цинка представлены в таблице.

Биохимические показатели крови крыс при воздействии кадмия и цинка

Показатель Группа животных

Контроль

Общий белок, г/л 70,03 ± 3,27 69,13 ± 1,39 71,13 ± 0,68 74,40 ± 2,55 84,00 ± 0,49,*

Альбумины, г/л 46,87 ± 2,28 45,03 ± 1,19 74,17 ± 0,59* 47,00 ± 0,10 44,00 ± 2,69

Мочевина, моль/л 7,10 ± 0,73 5,27 ± 0,27* 10,93 ± 1,23* 4,75 ± 0,32 8,40 ± 0,59

Билирубин, Моль/л 6,13 ± 0,09 6,27 ± 0,20 7,13 ± 0,05 6,27 ± 0,14 8,00 ± 0,10*

Мочевая к-та, мкмоль/л 179,83 ± 7,06 183,33 ± 7,16 248,67 ± 9,56* 211,50 ± 15,43 253,00 ± 13,23*

Холестерин, моль/л 2,40 ± 0,22 2,20 ± 0,11 3,00 ± 0,18 1,76 ± 0,09 2,30 ± 0,20

Тимоловая проба, ед. 0,72 ± 0,09 0,60 ± 0,08 0,67 ± 0,05 1,05 ± 0,12 5,05 ± 0,29

АСТ, МЕ/л 56,30 ± 4,39 70,50 ± 2,50* 89,57± 6,15* 51,00 ± 3,43 82,30 ± 6,59*

АЛТ, МЕ/л 34,20 ± 1,84 42,67 ± 0,92* 41,67 ± 8,08 33,00 ± 3,43 41,07 ± 0,49*

Глюкоза, моль/л 4,17 ± 0,29 4,40 ± 0,28 6,25 ± 0,39* 4,10 ± 0,44 * 9 ,3 0, +1 0 ,7 5,

* - Р <0,05.

Исследования показали, что у животных, потреблявших корма, выращенные с применением кадмия в дозах 1 и 2 ПДК (группы «кадмий 1 ПДК» и «кадмий 2 ПДК»), в крови отмечено увеличение активности ами-нотрансфераз. При этом активность аспартатаминотрансферазы (АсТ) при ее уровне на контроле в среднем 56,3 млмоль/ч.л. увеличивалась на 25 % у животных группы «кадмий 1 пДк» и на 59 % - у животных группы «кадмий 2 ПДК». При применении цинка увеличение было отмечено только в группе «цинк 2 ПДК» на 46 % по сравнению с контролем. Активность аланинаминотрансферазы (АлТ) в группах «кадмий 1 ПДК» и «кадмий 2 ПДК» была выше уровня контроля в среднем на 23 % (при содержании в крови животных контрольной группы 34,2 млмоль/ч.л.). А при применении цинка увеличение наблюдалось только в группе «цинк

2 ПДК» по сравнению с контролем на 20 %. Известно, что повышение активности данных ферментов может быть свидетельством повреждения мембран гепатоцитов.

Применение кадмия и цинка в дозе 2 ПДК приводит наряду с более выраженным увеличением активности аминотрансфераз у животных к увеличению содержания мочевины и мочевой кислоты.

Содержание глюкозы в крови крыс группы «кадмий 2 ПДК» повышает уровень контроля на 50 % (при ее содержании на контроле в среднем 4,17 млмоль/ч.л.). Это объясняется тормозящим воздействием тяжелых металлов на процессы энергообеспечения, что может привести к повышенному окислению глюкозы в реакциях анаэробного гликолиза с последующим повышением потребности организма в данном моносахариде и к усиленному распаду гликогена в печени с последующим выходом глюкозы в кровь.

Свидетельством усиления процессов глюконеогенеза в тканях крыс группы «кадмий 2 ПДК» является увеличение концентрации холестерина в сыворотке крови на 25 % по сравнению с контролем.

Повреждающее действие активных форм кислорода усугубляется окислением кадмием сульфгидрильных групп и других групп, входящих в состав как активных центров энзимов в системе антипе-рекисной защиты, так и глутатиона - одного из важнейших антиоксидантов.

Несмотря на повреждение мембранных структур, функция печени у животных группы «кадмий 2 ПДК» резко не нарушается. Например, не отмечено снижение общего белка и его фракций - альбуминов. Кроме того, отсутствует изменение содержания билирубина и тимоловой пробы.

Повышение уровня цинка в кормах животных сказалось на изменении в ее крови показателей, характеризующих функциональное состояние печени, - тимоловой пробы и трансаминаз. Так, тимоловая проба у животных группы «цинк 2 ПДК» составляла свыше 5 ед.

Согласно нашим данным, интоксикация селеном способствует торможению аэробных процессов выработки АТФ. Это приводит к компенсаторной интенсификации анаэробного гликолиза, о чем свидетельствует увеличение концентрации глюкозы (на 34,3 %) в крови и молочной кислоты (на 79,3 %) по сравнению с уровнем контроля (рис.).

го

200

180

I

о

£ ^ 160 го

о ^ о 2 120 = о

ГС

140

100

х! 80

о

I

о

60

40

20

0

179,3

134,3

100

126,5

Контроль Глюкоза Молочная Мочевая

кислота кислота

Показатели энергетического обмена в крови крыс

Изменения (%) показателей энергетического обмена в плазме крови крыс группы «селен 2 ПДК»

по сравнению с контрольной группой

Накопление в тканях молочной кислоты приводит к ацидозу, способствующему активации аденилат-дезаминазы и аденозин-дезаминазы, участвующих в расщеплении АТФ, АМФ до гипоксантина, и к увеличению его уровня. В дальнейшем гипоксантин окисляется ферментом ксантиноксидазой до мочевой кислоты (ее концентрация увеличивается на 26,5 %).

При этом ксантиноксидаза продуцирует активные формы кислорода. Они способны повреждать ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав липидов мембранных структур, что в дальнейшем приводит к гибели клеток. Об увеличении количества активных форм кислорода свидетельствует повышение активности ферментов, разрушающих их, - СОД и каталазы (соответственно на 47,2 (Р<0,05) и 3,6 % (Р>0,05)).

Таким образом, токсическое действие селена приводит к нарушению энергетического обмена в организме, усилению процессов липопероксидации мембранных структур и впоследствии к разрушению клеток [3].

Результаты биохимических исследований крови, свидетельствующие о признаках воспалительных и дегенеративно-некротических процессов в печени у животных, в рацион которых входили корма, выращенные при внесении Сс1, Эе, Ип в дозах 2 ПДК, подтверждены патологогистологическими исследованиями органа.

В заключение необходимо отметить, что осуществление всестороннего анализа природной среды при нормировании экологических нагрузок - задача сложная и практически невыполнимая. Однако в работах по мониторингу окружающей среды можно использовать нормативные показатели действия химических элементов, выявленные в конкретных экологических условиях, для определенных сельскохозяйственных культур и отдельных видов животных.

Выводы

1. В результате наших исследований разработаны нормативные показатели действия кадмия, селена, цинка (коэффициенты «Ь») в системе «почва-растение», которые позволят прогнозировать изменение содержания данных элементов в случае их антропогенного поступления.

2. Определено влияние кадмия, цинка, селена на биохимические показатели крови лабораторных животных (крыс), что послужит основой для разработки методов диагностики интоксикации этими элементами и коррекции развившихся при ней метаболических нарушений.

3. Установленные закономерности действия Сс1, Ип, Эе в системе «почва-растение-животное» позволяют решить агрономическую и санитарно-гигиеническую цели нормирования химических элементов.

Литература

1. Красницкий В.М. Агрохимическая и экологическая характеристики почв Западной Сибири: моногра-

фия. - Омск: ОмГАУ, 2002. - 144 с.

2. Пархоменко Н.А., Ермохин Ю.И. Агроэкологическая оценка действия тяжелых металлов в системе

«почва-растение» вдоль автомагистралей в условиях лесостепи Западной Сибири: монография. -Омск: ОмГАУ, 2005. - 112 с.

3. Современные проблемы элементозов в условиях Западной Сибири: монография / под ред. А.Г. Па-

тюкова. - Омск: Вариант-Омск, 2010. - 172 с.

--------♦'-----------