Сравнительная оценка эффективности переваривания кормов при внесении наночастиц металлов в условиях in vitro

Сравнительная оценка эффективности переваривания кормов при внесении наночастиц металлов в условиях in vitro*

А.М. Макаева, аспирантка, К.Н.Атландерова, аспирантка, СА.Мирошников, чл.-корр. РАН, д.б.н., профессор, ФГБНУ «ВНИИМС»; ДБ. Косян, к.б.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Современная наноиндустрия захватила практически все сферы человеческой жизнёдеятельности. Сельское хозяйство не стало исключением. Наибольшее распространение нанотехнологии получили в различных областях ветеринарии, скотоводстве и птицеводстве и, конечно, в кормопроизводстве. Данная популярность обусловлена наличием уникальных свойств наноматериалов, благодаря которым повышается продуктивность, улучшаются качество продукции и условия содержания животных [1, 2].

В последнее время особое внимание учёных направлено на изучение перспективы использования нанопорошков металлов в качестве биологически активных добавок с целью активизации биохимических и физиологических процессов, позволяющих получить более качественную сельскохозяйственную продуцию [3]. При этом

немаловажное значение имеет именно безопасность применяемых нанопрепаратов. Ввиду этого популярность набирают наночастицы перспективного направления, которые как раз характеризуются высокой степенью безопасности. К таким препаратам относятся наночастицы БЮ2 и Сг203. Эти элементы играют большую роль в организме животного. Кремний является составляющим элементом всех органов и тканей животных и птицы, учавствует в процессах кальцификации при формировании костной ткани. В кровеносных сосудах содержание кремния в эластине и коллагене обусловливает гибкость и эластичность волокон. Экспериментальные исследования, демонстрируют его влияние на липидный обмен и метаболизм фосфора и ряда других минеральных элементов [3 — 5]. Биологическая роль хрома определяется его участием в обмене углеводов, в частности, он входит в состав ферментного комплекса GLUT4, участвующего в обеспечении клеток глюкозой. Исследования российских и зарубежных учёных доказывают положительное влияние органических

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования

форм хрома при дополнительном введении в корма на воспроизводство, рост и мясные качества сельскохозяйственных животных [6, 7].

Все вышесказанное предопределило цель нашего исследования: оценить эффективность переваримости сухого вещества корма при добавлении наночастиц SiO2 и Cr2O3.

Материал и методы исследования. Исследование было проведено в условиях лаборатории агроэкологии техногенных наноматериалов на базе Всероссийского НИИ мясного скотоводства.

Исследование основано на моделировании процессов пищеварения в организме жвачных животных в условиях in vitro при помощи искусственного рубца KPL 01. В качестве анализируемых веществ применялись препараты оксидов наночастиц металлов хрома и кремния. Наночастицы SiO2 и Cr2O3 представляют собой препараты сферической формы, полученные методом высокотемпературной конденсации на установке «МиГен», изготовлены предприятием «Передовые порошковые технологии» (г. Томск); их размерность составляет SiO2 (25 — 30 нм), Cr2O3 (60 - 100 нм).

В качестве корма были использованы пшеничные отруби в натуральном виде.

Подготовку препарата наночастиц проводили в изотоническом растворе на ультразвуковом дис-пергаторе (f-35 кГц, N-300 Вт, А-10 мкА) путём диспергирования в течение 30 мин. Размер нано-частиц определяли с использованием электронного микроскопа JSM-740 IF. Действие веществ исследовали в спектре концентраций от 0,25 до 1,0 M для НЧ Cr2O3 и НЧ SiO2. Выбор концентраций был обусловлен ранее проведёнными исследованиями [8, 9].

После проведения диспергирования наноча-стицы оксидов металлов в соответствующей концентрации смешивались с пшеничными отрубями.

Переваримость сухого вещества была проведена по методике доктора В. Лампетера (1966 — 1970) в модификации Г.И. Левахина, А.Г. Мещерякова (2003).

Уровень переваривания сухого вещества кормов in vitro определяли по разности массы образца корма вместе с мешочком и после двухстадийной инкубации и высушивания до постоянной массы при температуре 60°С по следующей формуле:

К=(А-В)/СХ100 %, где К — коэффициент переваримости сухого вещества корма, %;

А — исходная масса образца корма вместе с мешочком, г;

В — масса образца корма вместе с мешочком после переваривания, г;

С — исходная масса образца корма без массы мешочка, г.

Статистический анализ проводили с использованием программного обеспечения ANOVA и критерия Тьюки (SPSS вер. 17,0). Значения с P < 0,05 считались статистически значимыми.

Результаты исследования. Действие наночастиц обусловлено не только видом, но и концентрацией, что проявилось в различиях по показателям переваримости.

Так, при внесении в качестве вспомогательного компонента НЧ SiO2 в минимальной концентрации 0,5 M значение перваримости составляло 80,4%. При повышении концентрации до 1 M этот показатель незначительно повысился — на 1,5%. При этом следует отметить, что существует небольшая концентрационная зависимость эффекта действия наночастиц оксида кремния. При сравнении с контролем (переваримость пшеничных отрубей без дополнительных компонентов составила 85,0+0,3%) выявлено, что остальные образцы с минеральной составляющей также оказывали статистически значимое влияние на переваримость, однако показатели были ниже контроля (табл. 1).

1. Переваримость сухого вещества пшеничных отрубей при добавлении наночастиц SiO2

Наименование Концентрация, M Переваримость, %

Контроль - 85±0,383

ПО + НЧ SiO2 1,0 81,9±1,946

ПО + НЧ SiO2 0,5 81,0±0,944

ПО + НЧ SiO2 0,25 80,44±22,361

Анализ действия НЧ Сг203 на переваримость кормового субстрата показал, что при минимальной концентрации (0,25 М) этот показатель составил 69,5%. При этом повышение концентрации исследуемой наночастицы оксида металла приводило к ухудшению значения переваримости. Минимальные показатели были получены при внесении НЧ Сг203 в концентрации 0,5 М - 49,4%. Таким образом, в противовес вышеизложенным результатам оценка переваримости при внесении НЧ Сг203 показывает обратную зависимость эффекта наночастиц от значения концентрации (табл. 2). При сопоставлении с данными контрольного образца следует отметить, что переваримость сухого вещества значительно ухудшилась в результате действия НЧ Сг203.

2. Переваримость сухого вещества пшеничных отрубей при добавлении наночастиц Сг203

Наименование Концентрация, M Переваримость, %

Контроль - 85±0,383

ПО + НЧ Cr2O3 1,0 51,17±1,026

ПО + НЧ Cr2O3 0,5 49,37±5,108

ПО + НЧ Cr2O3 0,25 69,52±7,074

Сравнительная оценка действия изучаемых на-нопрепаратов показала, что НЧ Сг203 замедляют процессы переваримости по сравнению с НЧ БЮ2 (рис.).

и

НЧ СгА

НЧ ею.

Контроль 1 0,5 0,25

Концентрация, мг/мл

Рис. 1 - Оценка переваримости сухого вещества при внесении НЧ Сг,0, и БЮ, в различных концентрациях

Так, при внесении НЧ 8Ю2 в максимальной концентрации показатель переваримости сухого вещества составил 80,7%, что было на 29,5 % больше относительно показателей наночастиц НЧ Сг203. Анализ минимальных концентраций также выявил различия в показателях переваримости в пользу НЧ 8Ю2, однако данная разница составляла 11%. Минимальная эффективность процессов переваривания сухого вещества отмечена при добавлении НЧ Сг203 в концентрации 0,5 М.

Выводы. Проведённое исследование показало, что введение дополнительных добавок в виде наночастиц оксидов металлов в различных концентрациях сопровождается неоднозначной переваримостью кормового субстрата. На основании полученных данных установлено, что НЧ БЮ2 не оказывают негативного воздействия на процессы переваримости сухого вещества, поэтому они могут безопасно использоваться в качестве кор-

мовой добавки. Наиболее оптимальной является концентрация 1 М.

Действие НЧ Сг203, наоборот, демонстрирует обратный эффект на процессы переваримости. При этом отмечается, что снижение концентрации нанопрепарата приводит к уменьшению данного показателя (при концентрации 0,5 М переваримость составила всего 49,4%). На основании вышеизложенного использование данной наночастицы в качестве кормовой добавки неэффективно.

Литература

1. Чурилов Г.И., Назарова А.А. Научное и практическое обоснование применения нанопорошков металлов в кормлении сельскохозяйственных животных: монография. Рязань: Издательство РГАТУ, 2010. 144 с.

2. Арсентьева И.П. Аттестация наночастиц металлов, используемых в качестве биологически активных препаратов / И.П. Арсентьева, Е.С. Зотова, Г.Э. Фолманис, Н.Н. 1лу-щенко, ТА. Байтукалов, И.П. Ольховская, О.А. Богословская, Ю.В. Балдохин, Э.Л. Дзидзигури, Е.Н. Сидорова // Нанотехника. 2007. № 10. - С. 72-77.

3. Жигач А.Н. Установка для получения и исследования физико-химических свойств наночастиц металлов /

A.Н. Жигач, И.О. Лейпунский, М.Л. Кусков, Н.И. Стоенко,

B.Б. Сторожев // Приборы и техника эксперимента. 2000. №6. - С. 122-129.

4. Napavichayanun S., Amornsudthiwat P., Pienpinijtham P. Interaction and effectiveness of antimicrobials along with healing-promoting agents in a novel biocellulose wound dressing // Mater Sci Eng C. 2015. Vol. 55. P. 95-104. doi: 10.1016/j. msec.2015.05.026.

5. Influence of fetuin and hyaluronan on the post-thaw quality and fertilizing ability of Hoist ein bull seme/S. Sariozkan, M.N. Bucak, P.B. Tuncer, S. Buyukleblebici, A. Eken, C. Akay// Cryobiology. 2015. Vol. 71. P. 119-124. doi: 10.1016/j.cryobiol.20i5.04.0li.

6. Effects of chromium supplementation on growth, nutrient digestibility and meat quality of growing pigs / A.E. Untea, I. Varzaru, T. D. Panaite, M. Habeanu, M. Ropota, M. Olteanu, G. M. Cornescu, S.//Afr.j. anim. sci. 2017. Vol.47. P. 229-239.

7. Шацких E.B. Использование кормовых добавок в животноводстве / E.B. Шацких, Ш.С. Гафаров, Г.Г. Бояринцева,

C.Л. Сафронов. Екатеринбург, 2006.

8. Яушева Е.В. Исследование биологического действия наночастиц металлов / Е.В. Яушева, С.А. Мирошников, Е.А. Сизова, А.С. Васильченко // Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2013. Т. 5. №4. - С. 44-50.

9. Toxic effect and mechanisms of nanoparticles on freshwater infusoria / D.B. Kosyan, E.A. Rusakova, E.A. Sizova, E.V. Yausheva, S.A. Miroshnikov // International Journal of GEOMATE. 2016. Vol. 11(23). P. 2170-2176.