Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

VARIABILITY AND CONJUGATION OF SOME HEAVY METALS ACCUMULATION IN THE LUNG TISSUE OF BLACK-AND-WHITE ANIMALS

Konovalova T.V. 1
1 Federal State Education Establishment of Higher professional Education "Novosibirsk State Agrarian University"
Lung tissue samples taken from 30 Black-and-White bull-calves of West Siberia, aged 18 months were examined in ecologically clean area. The concentrations of trace elements, such as iron, zinc, copper, manganese, lead and cadmium were determined by atomic emission spectrometry with inductively coupled plasma (ICP-AES) in the laboratory of analytical geochemistry of the Joint Institute of Geology, Geophysics and Mineralogy SB RAS. Mean population levels were identified by the concentration of heavy metals in the lung tissue of the Black- and-White animals. The ranged row of these elements was as follows: iron ˃ zinc ˃ copper ˃ magnesium and lead ˃ cadmium. The content of chemical elements in organs and tissues can be one of the characteristics of animal interior. It was revealed that there were relationships of some heavy metals concentrations in the lungs with the mineral composition of blood serum and hair. The data obtained can be used to study the interior of cattle, ecology and veterinary medicine.
interier
ecology
lung
cattle
heavy metals

Известно, что большинство химических элементов, а именно тяжелых металлов, таких как Fe, Zn, Cu, Mn, Pb и Cd поступают в организм животного через пищеварительный тракт вместе с кормом и питьем [1,17, 28, 30, 33]. На втором месте стоит аэробный путь поступления. Легкие  выполняют функции газообмена, а так же устраняют из вдыхаемой смеси инородные частицы и инфекционные агенты определенной дисперсности. В них проходит ряд биохимических реакций, например, активация ангиотензина I, инактивация брадикинина, серотонина и ряда других веществ [1, 3]. Из этого следует, что в легочной ткани содержатся ферменты, в состав которых входят химические элементы. Диффузия углекислого газа с кислородом в легких проходит через аэрогематический барьер. Легкие являются органом, интенсивно снабжающегося кровью, поэтому поступление химических элементов в легочную ткань может осуществляться не только аэробным путем, но и гематологическим.

Железо входит в состав гемоглобина, а так же присутствует в белке цитохрома в форме гема [1, 3]. Медь является составной частью ферментов отвечающих за клеточное дыхание. Марганец играет важную роль в процессе кровотворения. Цинк входит в состав фермента, регулирующего связывание и выделение СО2 [3].

Необходимость изучения химических элементов в свое время отметил В.И. Вернадский. Его труды посвящены не только учению о биосфере, но и о взаимосвязи микромира химических элементов с живыми организмами [2]. За последнее десятилетие количество научных работ, посвященных теме содержания химических элементов в окружающей среде и живых организмах, многократно увеличилось, что дало начало созданию новой научной дисциплины «Медицинской элементологии» и развитию нового научного направления, а в будущем, возможно, и самостоятельной дисциплины - «Элементология сельскохозяйственных животных» [7, 17, 28].

На актуальность данной тематики указывает проявление постоянного научного интереса ученых разных направлений, таких как химия, биология, экология, геология, медицина, ветеринария, зоотехния и др., а так же регулярно проходящие международные конференции как в России, так и за рубежом [30-32, 35, 36, 38].

Цель исследования - изучить закономерности аккумуляции некоторых тяжелых металлов в легких быков черно-пестрой породы.

Материалы и методы

Легочная ткань для исследования взята у 30 бычков черно-пестрой породы в возрасте 18 месяцев. Концентрация  микроэлементов Fe, Zn, Cu, Mn, Pb и Cd в пробах определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС) в сертифицированной лаборатории аналитической геохимии Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН. Исследования проб легочной ткани выполняли на спектрометре серии IRIS Advantage производства Thermo Jarrell Ash.

Материалы работы статистически обработаны с использованием программы Microsoft Excel. Соответствие фактического распределения нормальному было определено с использованием теста Andersena Darling в модификации Kолмогорова-Смирнова.

Результаты и обсуждение

Работа выполнялась в рамках темы «Изучение генофонда и фенофонда пород сельскохозяйственных животных Сибири» [9,10,16,18,19,22,27,29,34].

В легочной ткани выявлено наибольшее содержание Fe (табл. 1). Это, видимо, объясняется тем, что железо входит в состав гемоглобина, а так же присутствует в белке цитохрома в форме гема, который  является компонентом дыхательной цепи. Концентрации меди, цинка и марганца были значительно ниже.

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в легких

Элемент

 

σ

Cv

lim

Отнош. крайн.    вар.

Fe

212,8±13,6

71,9

33,8

79,2-455,0

5,7:1

Zn

20,23±0,59

3,10

15,3

13,7-25,2

1,8:1

Cu

1,33±0,045

0,238

17,9

0,99-2,16

2,2:1

Mn

0,448±0,065

0,342

76,3

0,16-1,73

10,8:1

Pb

0,169±0,016

0,084

49,7

0,064-0,470

7,3:1

Cd

0,004±0,0001

0,001

25,0

0,002-0,0068

3,4:1

Ранжированный ряд по содержанию тяжелых металлов представлен в виде Fe>Zn>Cu>Mn и Pb>Cd. В легких концентрация Cd и  Pb были незначительны. Цинк и медь  входят в состав  сотен ферментов. Соотношение Zn и Cu равно 15,2: 1, что существенно отличалось от такого же  показателя у животных мясных пород (9,9:1) [14]. Наибольшая  фенотипическая изменчивость характерна для Fе и Mn. Индивидуальные различия между животными по аккумуляции тяжелых металлов определяются как влиянием факторов среды, так и наличию наследственной гетерогенности в популяции по устойчивости и восприимчивости к накоплению в организме химических элементов [5, 6].

Существуют  межвидовые и межпородные различия в аккумуляции эссенциальных элементов. Так, например, концентрация железа в легочной ткани свиней скороспелой мясной породы (СМ-1) была выше (291,39±25,89 мг/кг), чем у животных черно-пестрой породы [4].

Изучены корреляции между концентрациями различных химических элементов в легких (табл. 2).

Таблица 2

Корреляции некоторых тяжелых металлов в легких

Элемент

r

Элемент

r

Fe-Cu

0,305

Fe-Zn

0,416*

Sr-Cu

0,380*

Fe-Cd

0,338

Zn-Cu

0,564**

Fe-Pb

-0,009

Cd-Cu

0,242

Mn-Zn

0,387*

Pb-Cu

-0,120

Mn-Cd

0,192

Cd-Zn

0,427*

Mn-Pb

0,016

Cd-Pb

0,189

 

 

Наибольшая положительная корреляция присутствует между цинком и медью (r=0,564). Цинк, как и железо, в больших количествах, около 75% [28] содержится в крови (r=0,416). Между концентрацией этих металлов существует средняя положительная корреляция. Положительную связь Zn-Cd (r = 0,43) можно, видимо, рассматривать как один из важнейших механизмов защиты организма на поступления кадмия. Кадмий и медь являются антогонистами, он блокирует способность дуоденального белка к связыванию с медью.

Важным направлением исследований является поиск прижизненных и малоинвазивных маркеров накопления тяжелых металлов в органах и тканях животных разных видов с целью получения экологически безопасной продукции [20-23, 27, 37-38]. Это позволит заранее получать информацию о содержании тяжелых металлов в организме и корректировать их концентрацию путем изменения рациона [11-15, 35, 36]. Нами выявлена связь между концентрацией свинца и кадмия в легких с содержанием цинка и кремния в сыворотке крови (r = 0,57 и 0,51). Уровень свинца в легких коррелирует с концентрацией марганца и натрия в волосе (r = 0,62 и 0,45). Следовательно, уровень некоторых элементов в сыворотке крови и в волосе могут быть прижизненными маркерами накопления ряда тяжелых металлов в легких.

Выводы

В экологически благополучном районе Новосибирской области установлены средние популяционные уровни по аккумуляции Fe, Zn, Cu, Mn, Pb и Cd в легочной ткани животных черно-пестрой породы. Ранжированный ряд по этим элементам имел вид: железо >цинк >медь >магний и свинец >кадмий. Корреляция в легких  обнаружена между концентрациями цинка и меди и цинка и кадмия (соответственно 0,564 и 0,427). Выявлена связь между содержанием Fe и Zn в легких,  и концентрацией Zn и Sr  в сыворотке крови. Полученные данные об аккумуляции тяжелых металлов можно использовать при  оценке интерьера животных, в ветеринарии и экологии.

Рецензенты:

Рыков А.И., д.с.-х.н., г.н.с., ФГБНУ Сибирский научно-исследовательский и проектно-технологический институт животноводства «СибНИПТиЖ», Новосибирская обл., п.Краснообск-1;

Кончев Н.Н., д.б.н., профессор кафедры ветеринарной генетики и биотехнологии ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», г.Новосибирск.