Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние скармливания растительных кормовых добавок коровам в сухостойный период на выведение тяжелых металлов из организма их потомства

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата сельскохозяйственных наук, Патрушева, Ольга Ивановна, Великий Новгород

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

ВЛИЯНИЕ СКАРМЛИВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ КОРМОВЫХ ДОБАВОК КОРОВАМ В СУХОСТОЙНЫЙ ПЕРИОД НА ВЫВЕДЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОРГАНИЗМА ИХ ПОТОМСТВА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных

наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки Российской Федерации,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Г.Н.Вяйзенен

На правах рукописи

ПАТРУШЕВА

Ольга Ивановна

Специальность 03.00.16 - Экология

Великий Новгород, 1999

Содержание

Введение ................................................................................................................................................................................4

1 Цель и задачи исследования .....................................................................................6

2 Обзор литературы ..............................................................................................................................................8

2.1 Токсическое действие тяжелых металлов ................................................................9

2.2 Источники загрязнения биосферы ......................................................................................11

2.3 Физиолого-биохимические аспекты действия тяжелых

металлов на растения ....................................................................................................21

2.3.1 Кадмий ..........................................................................................................21

2.3.2 Свинец ................................................................................................................................................................................23

2.3.3 Цинк ..........................................................................................................24

2.3.4 Марганец ......................................................................................................................................................................25

2.3.5 Хром ...................................................................................................................26

2.3.6 Медь ........................................................................................................................................................................................27

2.4 Физиологическое действие тяжелых металлов на

организм животных и человека ........................................................................................28

2.4.1 Кадмий ..............................................................................................................................28

2.4.2 Свинец ..............................................................................................................................................................................30

2.4.3 Цинк ............................................................................................................32

2.4.4 Марганец ...................................................................................................................................................33

2.4.5 Хром ........................................................................................................................................................................................34

2.4.6 Медь ..........................................................................................................................................................................................35

2.5 Агрохимические и биологические приемы снижения

загрязнения почв и растений тяжелыми металлами................................................36

3 Результаты исследований ..................................................................................................................................41

3.1 Материал и методика исследований .......................................................................................41

3.2 Концентрация тяжелых металлов в рационах кормления молодняка крупного рогатого скота от рождения до шестимесячного возраста..............43

3.3 Интенсивность выведения тяжелых металлов через желудочно-кишечный тракт из организма молодняка крупного рогатого скота............................53

3.4 Интенсивность выведения тяжелых металлов через почки из организма молодняка крупного рогатого скота ...........................................................95

3.5 Влияние скармливания кормовых растительных добавок стельным сухостойным коровам на интенсивность выведения тяжелых металлов через почки у их потомства .................................................................................. 132

3.5.1 Кадмий ................................................................................................... 132

3.5.2 Свинец ................................................................................................... 133

3.5.3 Олово ................................................................................................... 135

3.5.4 Цинк .................................................................................................. 136

3.5.5 Марганец ..................................................................................................................................................................................138.

3.5.6 Хром ..................................................................................................... 140.

3.5.7 Медь ....................................................................................................... 143

3.6 Обмен тяжелых металлов организмом молодняка при добавлении в рационы их матерей растительных кормовых добавок........................... 146

3.6.1 Обмен хрома........................................................................................... 146

3.6.2 Обмен кадмия........................................................................................ 188

3.6.3 Обмен меди .......................................................................................... 204

3.6.4 Обмен свинца........................................................................................ 222

3.6.5 Обмен марганца ..................................................................................... 239

3.6.6 Обмен олова ........................................................................................... 252

3.6.7 Обмен цинка ........................................................................................ 259

3.7 Экономическая эффективность кормления молодняка крупного рогатого скота в возрасте 4-6 месяцев ................................................................................................................270

3.8 Заключение ............................................................................................... 273

4 Выводы ........................................................................................................ 278

5 Практические предложения......................................................................... 281

Библиографический указатель литературы................................................. 282

Приложения ................................................................................................. 291

ВВЕДЕНИЕ

Характер питания молодняка крупного рогатого скота меняется с возрастом. Традиционно различают три основных периода выращивания телят: молозивный, или период новорожденности - первые 10 - 15 суток жизни; период молочного питания - до 4 -5 месячного возраста; послемолочный - до 16-18 месячного возраста.

Схемы кормления и содержания молодняка при выращивании на племя или на мясо определяются, как известно, четко отлаженной специализацией молочного животноводства и устойчивой, прочной кормовой базой хозяйства.

Следует отметить, что о полноценном кормлении молодняка крупного рогатого скота в различных регионах страны накоплена обширная литература (А.С.Емельянов, А.П.Дмитроченко, В.М.Крылов, С.А.Клейменов, С.А.Лапшин и многие другие (32, 36, 38,39)). Хотелось бы выразить им слова искренней благодарности как руководителям научных школ за богатое научное наследие, добрые традиции, которые легли в основу, составили прочный фундамент теории и практики биологически полноценного питания молодняка жвачных животных.

В настоящее время очень робко, вяло решаются проблемы экологии кормления молодняка крупного рогатого скота как науки, производства и реализации экологически чистой сельскохозяйственной продукции, а также продуктов питания, особенно в регионах активной деятельности крупнейших предприятии химической промышленности и ряда атомных электростанций.

Необходимо выявлять обеспеченность тяжелыми металлами организма молодняка с момента рождения до окончания молозивного периода выращивания. В этот очень ответственный период начала жизни

новорожденного, в частности с потреблением единственного продукта питания - молозива, происходит "передача" ряда тяжелых металлов потомству через организм матерей. В дальнейшем, в связи с увеличением возраста, интенсивности роста, адаптации организма к новым условиям жизнеобеспечения, потребления других молочных кормов и растительных кормов, воды питьевой, молодняк подвергается, к сожалению, загрязнению тяжелыми металлами. В этой связи целесообразно определить нормы обеспеченности тяжелыми металлами молодняка от рождения до шестимесячного возраста.

1 Цель и задачи исследований

Основной целью исследований являлось определение влияния скармливания растительных кормовых добавок стельным коровам в сухостойный период на загрязненность тяжелыми металлами организма их приплода. В связи с этим нами поставлены следующие задачи:

- установить степень загрязненности молочных, растительных кормов и воды питьевой тяжелыми металлами в рационах молодняка до шестимесячного возраста;

- определить возможности снижения загрязненности организма телят тяжелыми металлами в молозивный период выращивания через своих коров-матерей;

- определить возможности снижения загрязненности организма молодняка тяжелыми металлами от рождения до шестимесячного возраста;

- выявить закономерности накопления тяжелых металлов в организме;

- дать экологическую оценку системы выращивания молодняка крупного рогатого скота при пониженных приростах живой массы в первые 3 месяца жизни и получение более высоких приростов в последующем;

- определить экономическую эффективность кормления молодняка во второй половине молочного периода выращивания.

Тема является составной частью производственной научно-технической программы Департамента кадровой политики и образования МСХ иП РФ (регистрационные номера 372-36-2Ж; 95-34-2Ж), единого заказ-наряда Министерства общего и профессионального образования РФ 129.99Ф-фундаментальные науки).

Научная новизна. Впервые разработан способ снижения загрязненности тяжелыми металлами организма телят в молозивный период путем скармливания стельным коровам в сухостойный период муки кипрея, татарника, донника белого и стеблей бобов кормовых в дозе 30 г/гол/сут. Установлены закономерности накопления и выведения тяжелых металлов из

организма молодняка крупного рогатого скота от рождения до шестимесячного возраста.

Практическая значимость работы. В результате исследований определена обеспеченность рационов кормления молодняка тяжелыми металлами от рождения до шестимесячного возраста. Ориентировочные нормы обеспеченности тяжелыми металлами связаны с динамикой роста молодняка в хозяйстве. Скармливание коровам-матерям сена, заготовленного на участках после предварительного внесения в почву карбоната кальция химического синтеза (ККС), не оказало отрицательного влияния на интенсивность роста их приплода.

Реализация результатов исследований. Для снижения степени загрязненности организма телят в молозивный период тяжелыми металлами в рационы коров в сухостойный период рекомендовано включить муку татарника, кипрея, донника белого, стеблей бобов кормовых. Использование данных компонентов в рационах сухостойных коров способствует созданию экологически чистой системы выращивания молодняка в последующем.

Апробация работ. Основные положения диссертации доложены на научных конференциях Академии сельского хозяйства и природных ресурсов Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого (1998 - 1999 гг.), опубликованы в печати.

2 Обзор литературы

2.1 Токсикологическое действие тяжелых металлов

Роль тяжелых металлов двойственна: с одной стороны, они необходимы для нормального протекания физиологических процессов, с другой, токсичны при повышенных концентрациях. Поведение тяжелых металлов в природных средах во многом зависит от специфичности миграционных форм.

Для понимания миграционных процессов и оценки токсичности тяжелых металлов недостаточно определить только их валовое содержание. Необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физической структуры: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные и прочие.

Тяжелые металлы образуют в кислотной среде хелатные комплексные соединения с аминокислотами и молочной кислотой, которые не разрушаются под действием фосфатов. С увеличением рН хелаты тяжелых металлов разрушаются и в фосфатной среде образуются малорастворимые соединения [18].

Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биосредах. В таблице 1 представлены основные биохимические свойства тяжелых металлов [60].

По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий ряд: Ня> Си> Ъп> №> РЬ> С<1> Сг> 8п> Ре> Мп> А1. Этот ряд имеет самый общий характер; единого порядка изменения чувствительности нет ни на видовом, ни на более высоком уровне.

Тяжелые металлы проявляют широкое токсическое действие. Некоторые из них, такие как свинец, оказывают явно выраженное воздействие на многочисленные органы, тогда как другие, например, кадмий, имеют более ограниченную область токсического действия. В зависимости от путей

проникновения в организмы металлы могут проявлять и канцерогенные свойства. Обнаружена более высокая частота раковых заболеваний дыхательных путей среди рабочих никелевой промышленности [44]. Для каждого металла существует механизм токсического действия, обусловленный конкуренцией между необходимыми и токсичными металлами за места связывания в белковых молекулах.

Таблица 1

Предельно допустимые или ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов в природных средах [45, 50, 53]

Воздух, Вода, мг/л Почва, мг/кг

Металл мг/м3

хозяйствен- рыбохозяй подвижная валовая

но-бытового ственных форма форма

назначения водоемов

РЬ 0,0003 0,03 од 6,0 32,0

са 0,0003 0,001 0,005 2,0 -

Си 0,001 1,0 0,001 3,0 33,0

гп 0,005 1,0 0,01 23,0 55,0

N1 0,001 од 0,01 4.0 20,0

Со 0,001 од 0,01 5.0 -

Сг6+ 0,0015 0,05 0,001 6.0 -

Яq 0,0003 0,0005 0,0001 - 2,1

Повышение концентрации тяжелых металлов вызывает не только коагуляцию белков, снижение проницаемости мембран, блокирует реакции с участием ферментов, но также изменяет поступление в растения зольных элементов и азота, необходимых для увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур. Содержание азота в растениях на загрязненных почвах почти в 2 раза выше. Повышенное содержание свинца, кадмия, цинка в почве ингибирует поглощение фосфора и кальция в растениях [67]. То есть токсичность тяжелого металла зависит от природы самого металла, от того, накапливается ли этот металл в организме или нет. К накапливающимся металлам относятся ртуть, свинец, кадмий, мышьяк , цинк. Хром не накапливается в организме [17].

Токсичность тяжелых металлов зависит от их совместного воздействия. Например, при совместном влиянии пар никель-ртуть и никель- медь токсическое воздействие пары выше, чем каждого металла в отдельности, а в парах никель-кадмий, никель-цинк, (никель, кадмий)-ртуть совместное воздействие ниже, чем каждого металла в отдельности. Если кадмий попадает в среду, где уже есть смесь цинка и меди, то общее токсическое воздействие трех металлов резко усиливается. Это явление называется синергизмом. Оно характерно для многих групп металлов: медь+цинк, никель+ртуть, ртуть+цинк, никель+медь, никель+цинк+медь, кадмий+(цинк+медь), ртуть+кадмий [17].

Существует и обратное явление, когда токсичность группы металлов ниже, чем каждого металла в отдельности. Это явление называется антагонизмом. Оно характерно для взаимодействия группы металлов: никель+кадмий, никель+цинк, никель+кадмий+ртуть, медь+свинец, меды-кадмий, цинк+кадмий.

Поглощение металла живыми организмами зависит от наличия других металлов. Совместное присутствие металлов может как увеличить, так и уменьшить степень поглощения. Например, присутствие марганца и железа в воде ингибирует поглощение кадмия. Медь, наоборот, способствует увеличению проницаемости клеток оболочек в водных растениях. На поглощение тяжелых металлов, растворенных в виде ионов в воде, сильное ингибирующее действие оказывает жесткость воды. При увеличении жесткости воды поглощение тяжелых металлов уменьшается за счёт связывающего эффекта ионов кальция и магния.

Следует заметить, что живые организмы имеют механизмы детоксикации тяжелых металлов. Так, в ответ на токсическое действие ионов свинца, кадмия и ртути печень и почки человека увеличивают синтез металлотионинов -низкомолекулярных белков, в состав которых входит цистеин. Высокое содержание в последнем сульфгидрильных групп (8Н-групп) обеспечивает связывание ионов металлов в прочные комплексные соединения.

2.2 Источники загрязнения биосферы тяжелыми металлами

Поступление тяжелых металлов в окружающую среду имеет естественное и техногенное происхождение. Природными источниками поступления тяжелых металлов являются пыль, лесные пожары, вулканическая деятельность, растительность, морские соли и др. Так, эродированные ветром частицы почвы содержат до 58% цинка, имеющего природное происхождение, а поступление его с растительностью составляет около 20% [129].

Главными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в атмосферу являются тепловые и иные электростанции (27%), предприятия черной металлургии (24,3%), предприятия по добыче и переработке нефти (15,5%), транспорт (13,1%), предприятия цветной металлургии (10,5%), а также предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов (8,1%) [2].

Анализ вклада различных производств в глобальный поток эмиссии тяжелых металлов показывает, что 73% меди, 55% кадмия связаны с выбросами предприятий по производству меди и никеля; 54% эмиссии ртути приходится на сжигание угля; 46% никеля - на сжигание нефтепродуктов; 86% свинца поступает в атмосферу от автотранспорта. Техногенная доля меди и цинка по различным оценкам составляет от 56% до 75%, кадмия и ртути 5089%, никеля 30-75%, кобальта 10% [39,16].

Для урбанизированных районов концентрации тяжелых металлов в атмосфере значитель