УДК 519.87:546.487+636.1:636.085/087

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ CD НА ОРГАНИЗМ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ С РАЦИОНОМ

Епимахов Вадим Геннадьевич
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение ≪Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии≫
г. Обнинск, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Аннотация
Для установления количественных закономерностей формирования зависимостей ≪доза-эффект≫ разработана модель воздействия кадмия (Cd) на организм крупного рогатого скота при поступлении с рационом. Основной обмен рассматривается как комплексный показатель, отражающий степень влияния техногенного фактора. Представлены методика достижения решения поставленной задачи, описание модели и её верификация.

Ключевые слова: вариабельность, верификация, кадмий, крупный рогатый скот, модель, рацион кормления, Сd


MODELING INFLUENCE OF DIETARY CADMIUM ON ORGANIZM OF THE CATTLE

Epimakhov Vadim Gennad'evich
Russian Institute of Radiology and Agroecology
Obninsk, PhD in biological sciences, senior researcher

Abstract
To establish quantitative laws of formation of dependence «dose-response» model of influence of dietary cadmium on organism of the cattle is developed. The main exchange is regarded as a comprehensive indicator of the degree of influence of anthropogenic factors. The technique of achieving a solution of the problem, a description of the model and its verification are presented.

Keywords: cadmium, cattle, feeding diet, variability, verification


Рубрика: 03.00.00 БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Епимахов В.Г. Моделирование воздействия Cd на организм крупного рогатого скота при поступлении с рационом // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/02/77944 (дата обращения: 14.02.2017).

Одной из главных задач современной сельскохозяйственной науки и практики является обеспечение населения продуктами животноводства высокого качества. Однако неблагоприятное состояние окружающей среды является серьезным сдерживающим фактором в решении данной задачи. Антропогенное загрязнение окружающей среды приводит к резкому увеличению в кормах различных токсикантов, что отражается на нарушении обмена веществ, ухудшения воспроизводительной способности, здоровья, снижении сохранности и продуктивности животных. Также резко ухудшается качество продуктов питания растительного и животного происхождения . 
Тяжелые металлы (ТМ) являются одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды, избыточное поступление которых в трофические цепи опасно для здоровья животных и человека. Анализ поступления с рационом, накопления и влияния ТМ, а также поиск средств снижения их отрицательного воздействия на организм сельскохозяйственных животных является актуальной задачей агроэкологии [1,2].
Среди металлов одним из самых опасных токсикантов внешней среды является кадмий (Cd). Он обладает высокой кумулятивной способностью и низкой скоростью выведения из организма, общей токсичностью и канцерогенностью. Основной причиной попадания кадмия в пищевые цепи являются промышленные газообразные выбросы. Около 20 тонн кадмия ежегодно выбрасывается в окружающую среду. В промышленно развитых районах концентрация кадмия превышает нормативы в десятки, а около мощных источников выброса – в сотни и тысячи раз [3,4].
Цель исследования. Цель настоящей работы – разработка модели оценки воздействия Cd на организм крупного рогатого скота при поступлении ТМ с рационом, использования в дальнейшем данной модели для установления количественных закономерностей формирования зависимостей «доза-эффект» и разработки критериев оценки устойчивости агроэкосистем к воздействию данного техногенных фактора.
Актуальность поставленной задачи подтверждается аналитическим обзором научно-технической литературы и обусловлена ограниченной информацией, касающейся данного вопроса.
Методика. Методика достижения решения поставленной задачи заключалась в выполнении следующих пунктов:
- решение проблемы большой вариабельности экспериментальных данных, представленных в базах данных по воздействию тяжелых металлов на организм сельскохозяйственных животных и миграции тяжелых металлов в системе «рацион – сельскохозяйственные животные» [5];
- установление доминантных факторов, определяющих отклик организма с/х животных на техногенное воздействие;
- построение биолого-математической модели оценки воздействия Cd на организм крупного рогатого скота; 
- верификация модели.

1. Экспериментальные данные: проблемы анализа и обработки

Анализ экспериментального материала, представленного в базах данных по параметрам миграции и действия тяжёлых металлов на организм сельскохозяйственных животных показал достаточно большую неоднородность экспериментальных данных [6]. Реальность такова – однородные данные в готовом виде встречаются редко. Тем не менее часто при описании результатов проводимых экспериментов приходится оперировать понятием «однородность». Данный статистический термин достоин своего упоминания. Значимость однородности в статанализе невозможно переоценить, так как она напрямую влияет на точность рассчитываемых показателей и качество аналитических выводов. Чем однороднее данные, тем надежнее и адекватнее реалиям результаты статистического анализа. 
Для преодоления данной проблемы при обработке и обобщении результатов исследований всегда приходится сталкиваться с дилеммой: либо решить вопрос неоднородности выборки, либо, невзирая ни на что, двигаться дальше? 
Одним из способов, с помощью которого некоторые исследователи пытаются оправдать значительный разброс полученных значений, – это настаивание на проведении дополнительных исследований. Но такие меры не ведут к повышению точности и не позволяют устранить или снизить неоднородность данных. 
Другой способ – это удаление максимальных и минимальных значений до тех пор, пока коэффициент вариации не станет приемлемым. Если полученные данные являются повторностями одного эксперимента, то данный подход, может быть, уместен. 1-2% измерений можно отклонить как ошибки эксперимента. Но, если это результат нескольких экспериментов, проведенных при других, пусть даже приближенных условиях, данный подход сомнителен. Тут ещё надо разобраться, почему такое отклонение. 
Еще есть вариант: задать некоторые рамки отклонения, за пределами которых все данные отсекаются, то есть исключаются из анализа. Это могут быть, например, два или три среднеквадратических отклонения (2 или 3 сигмы).
Если экспериментатор осознанно или неосознанно игнорирует требования математической статистики, и, не обращая внимания на неоднородность, продолжает «двигаться» дальше, ошибка будет накладываться на ошибку вплоть до момента, когда следствие будет приниматься за причину.
Строгих рекомендаций, конечно, нет, всё на страх и совесть аналитика или экспериментатора. Главное здесь – не сильно исказить содержание данных в надежде «улучшить» их качество.
Выходом из ситуации, направленным на повышение однородности совокупности данных является их группировка. Дело в том, что величина вариабельности сама по себе отражает многофакторный характер формирования совокупности данных. Установление этих факторов, группировка данных согласно этим факторам позволяет снизить неоднородность результатов исследований и повысить качество их анализа.

2. Доминантные факторы, определяющие отклик организма с/х животных на техногенное воздействие.

Для достижения поставленной цели, чтобы избежать неоднородности результатов экспериментов и должным образом их обработать, был выполнен обзор научно-технической литературы по вопросам функционирования агроэкосистем и установлены факторы, которые являются основными доминантами, определяющими отклик организма сельскохозяйственных животных на негативное токсикологическое воздействие.
В таблице 1 представлены факторы, которые оказывают основной вклад на реакцию организма с/х животных на поступление ТМ с рационом. 

Таблица 1 – Факторы, являющиеся основными доминантами, определяющими отклик организма сельскохозяйственных животных на токсикологическое воздействие ТМ.

С целью получения выводов, которые предусматривали ответ достаточно достоверный для конкретного случая поступления с рационом в организм животных ТМ, необходимо оценить вклад данных факторов в формирование зависимости «доза-эффект». Поскольку факторов много, задача является многовариантной. 
Подходов к решению подобных задач много – регрессионный, факторный анализ, кластерный анализ, линейное программирование, это элементы теории вероятности, теории массового обслуживания, теории надежности. Но эти инструменты обработки данных по большей части приемлемы либо к объектам неживой природы, либо для случая исключения из рассмотрения многофакторного характера их формирования на конкретный момент времени. А организм – это динамичная, самоподдерживающаяся, саморазвивающаяся, самоорганизующаяся и самовосстанавливающаяся система. Если мы рассматриваем его с этих позиций, а это позиции системного подхода, то должны отказаться от принятых методов, которые имеют ограниченное применение и представляют собой частный случай. 
Единственно возможным решением является разработка имитационных моделей оценки воздействия ТМ и определения вклада каждого из доминантных факторов в формирование зависимости «доза-эффект». Обоснованием данного вывода служит то, что имитационная модель – это математическое описание процесса воздействия техногенного фактора на объект исследования, построенное на основе анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных в результате проведения определенного количества опытов над объектом изучения. Она представляет собой замену исследуемого объекта другим, который не только сохраняет характеристики реального объекта, но и, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что её изучение дает новую информацию об объекте.

3. Описание модели оценки воздействия Cd на организм крупного рогатого скота

С позиций биоэнергетического подхода, положения которого отражают представления о роли поддержания и нарушения энергетического баланса организма с окружающей средой, использования и расходования его энергетических ресурсов, была разработана имитационная модель оценки воздействия токсикологического фактора на организм овец при поступлении Cd с рационом [7,8]. Характерной особенностью данного подхода является систематизированный анализ и обобщение экспериментальных данных о процессах, протекающих в пораженном организме, исследований по изучению обмена веществ и энергии у животных и растений [9]. 
Модель разработана на примере крупного рогатого скота, поскольку результаты токсикологического действия тяжёлых металлов на организм этих сельскохозяйственных животных представляют определенный научно-практический интерес.
Для количественного учета определения потребляемых питательных веществ корма выбрана система оценки кормов по обменной энергии [10]. Согласно этой системе, потребность животных в энергии выражается в форме обменной энергии (ОЭ), а эффективность ее использования зависит от живой массы, возраста, продуктивности животного, содержания и концентрации обменной энергии в 1 кг сухого вещества рациона. 

а) Расчет рационов кормления

Расчет рационов кормления животных с использованием системы оценки кормов по обменной энергии осуществляется следующим образом.

Пусть на каждые t сутки Pm – содержание корма m–ого вида (кг) в рационе. Тогда количество обменной энергии Et в рационе и содержание сухого вещества Bt в рационе будет составлять, соответственно:

    (1)

     (2)

где am – количество ОЭ в 1 кг корма m–ого вида;

bm – содержание сухого вещества в 1 кг корма m-ого вида.

Среднее количество ОЭ в сухом веществе рациона Ht на каждые t сутки будет составлять:

    (3)

б) Использование ОЭ рациона на поддержание жизни и продуктивность

Для рациона с данной концентрацией энергии может быть вычислена истинная потребность в обменной энергии в сутки [10]:

     (4)

Если Ft – основной обмен животного живой массы Wt
и возраста At
на t сутки, то необходимое для поддержания жизни количество ОЭ рациона должно составлять:

     (5)

где km - эффективность использования ОЭ рациона для поддержания основных жизненных функций.

Для овец Ft определяется выражением [10]:

     (6)

При потреблении рациона с данной концентрацией ОЭ отложение энергии на привес Ct составит:

     (7)

где kf - эффективность использования ОЭ рациона на привес.

Разделив найденную величину отложения энергии на калорийность привеса, получаем значение ожидаемого привеса (∆Wt ):

     (8)

где T– калорийность привеса (Мкал/кг) [10].

Если энергии потребляемых питательных веществ корма недостаточно для удовлетворения данной потребности (Gt<St), имеем потери живой массы за счет катаболизма тканей животного:

     (9)

где R– калорийность тела [10].

В результате изменение живой массы овец за сутки составит:

     (10)

в) Поступление, накопление и выведение ТМ из организма

Если на каждые t сутки Pm – содержание корма m–ого вида (кг) в рационе, тогда количество ТМ в рационе Dt будет составлять:

     (11)

где dm – концентрация ТМ в корме m-ого вида, (мг/кг корма m-ого вида ).

Средняя концентрация ТМ на каждые t сутки в сухом веществе рациона будет составлять:

     (12)

Содержание ТМ в организме с/х животных Nt описывается на каждые t сутки следующим уравнением:

     (13)

где k TM – коэффициент абсорбции ТМ;

V– величина биологического выведения ТМ из организма животного на t сутки.

г) Нарушение физиологического состояния организма

Эксперименты, выполненные на различных видах животных, в том числе и на сельскохозяйственных, показывают, что снижение веса тела или продуктивности в результате токсического действия ТМ является одним из важных критериев степени тяжести поражения организма. Данное снижение живой массы, согласно положениям биоэнергетического подхода, связано с увеличением затрат энергии организма на поддержание жизни на величину, определяемую техногенной нагрузкой и может рассматриваться как приспособительная реакция, направленная на восстановление нарушенного энергетического баланса, т.е. ростом основного обмена и последующим процессом его восстановления [11]. На данном основании в качестве комплексного показателя, отражающего нарушение физиологического состояния и продуктивности сельскохозяйственных животных при негативном воздействии ТМ, взят основной обмен.

Модель является стохастической. В ней характер формирования токсикологических эффектов, отражающий нарушение гомеостаза на фоне энергетического обмена с окружающей средой, рассматривается не только как результат вероятностной концентрации ТМ в рационе, но и объясняется биологической вариабельностью животных по живой массе и возрасту. Учитываются вариации основного обмена от животного к животному при данном физиологическом состоянии, калорийности тела, величины энергетических ресурсов, расходуемых организмом на поддержание своего энергетического статуса, а также стохастический характер потребления корма. Для обеспечения вариабельности животных по данным параметрам использовался генератор псевдослучайных чисел. Коэффициент вариации принят равным 10% от среднего значения. 
Разработанная модель предназначена для количественной оценки воздействия Cd на организм крупного рогатого скота и установления вклада доминантных факторов, определяющих отклик организма на техногенное воздействие, в формирование зависимостей «доза-эффект». 
При проведении на модели численных экспериментов рассматриваются следующие параметры: возрастная группа животных, рацион кормления, концентрация Cd в рационе и длительность поступления ТМ с рационом, т.е. те самые доминантные факторы, которые отражают отклик организма на токсическое действие Cd при поступлении его с рационом.
Шаг по времени в модели принят равным 1 сутки. Он совпадает с соответствующим для большинства животных основным циркадианным (суточным) ритмом, который обусловливает баланс основных веществ и энергии во временном промежутке равном 24 ч. 

4. Верификация модели

Анализ и обобщение экспериментальных данных, представленной в базах по параметрам миграции и действия тяжёлых металлов на организм сельскохозяйственных животных позволил получить информацию не только достаточную для разработки модели оценки воздействия Cd на организм крупного рогатого скота при потреблении ТМ с рационом, но и выполнить её верификацию.
Верификация модели проводилась по результатам исследований проведенных на 24-х телятах Голштиґнской породы и 8-ми бычках Джерсейской породы со средней живой массой 90 кг при скармливании им в течение 90 суток рационов c различной концентрацией Cd [12]. 
Первичная цель эксперимента состояла в изучении синдрома токсичности кадмия на организм телят и установлении взаимосвязи его токсического действия от концентрации Cd в рационе. Вторичная цель состояла в получении информации относительно влияния добавки в рацион Zn на снижение токсичности Cd. Средний возраст телят составлял ~ 2 месяца. Животные были разделены по весу на 8 групп по 4 головы. Рационы, которые скармливали в течение 12 недель животным, были следующие: – основной с низкой концентрацией цинка и кадмия; основной + 100 ppm1 цинк; основной + 40 ppm кадмия; основной + 40 ppm кадмия +100 ppm цинк; основной + 160 ppm кадмия; основной + 160 ppm кадмия + 100 ppm цинк; основной + 640 ppm кадмия; и основной + 2560 ppm кадмия. 
Основной рацион содержал мякоть цитрусовых, свекловичный жом, кукурузу, соевую муку и гранулы прибрежной бермудской травы. Кадмий добавляли в корм в виде CdCl2 и размешивали. Цинк добавлялся в рацион в виде порошка ZnO.
Клинические экспертизы проводились еженедельно. Потребление корма и воды определялось в среднем за 7 дней в течение каждой недели эксперимента. Один раз в неделю животные взвешивались.
Данные исследования были воспроизведены на модели. Для статистической оценки результатов, полученных при проведении численных опытов, каждый эксперимент имел десятикратную повторность, а численность животных в каждом из них составляла 100 голов.
Полученные расчетные данные послужили материалом для выполнения верификации модели. Верификация выполнена по следующим параметрам: 
- изменению среднего прироста живой массы животных и среднего потребления корма в зависимости от концентрации Cd в рационе (рисунок 1);
- динамике прироста живой массы и потребления корма в течение эксперимента при различных концентрациях Cd в рационе (рисунок 2);
- гибель животных при потреблении корма с концентрацией Cd в рационе 2560 ppm (рисунок 3)
Расчетные значения критерия несоответствия Тейла [13] варьировали от 0,011 до 0,239.

 

Рисунок 1. Средний прирост живой массы телят и среднее потребление корма в зависимости от концентрации Cd в рационе.

В реальном эксперименте по завершению скармливания телятам Cd с рационом рассматривалось восстановление организма животных от негативного влияния ТМ. Одному из телят, который получал с рационом 640 ppm Cd, был установлен типовой рацион. В течение времени наблюдения аппетит, живая масса и другие физиологические показатели животного быстро восстанавливались. Если теленок в возрасте 20 недель возраста весил 66 кг, то через два месяца его живая масса составляла 120 кг, а в возрасте 12 месяцев достигла 282 кг. Если в последнюю неделю эксперимента среднее потребление рациона в день составляло 1.9 кг, то через две недели это значение выросло до 3.1 кг.

а) концентрация Cd в рационе = 0,32 ppm

  
б) концентрация Cd в рационе = 40 ppm

  
в) концентрация Cd в рационе = 160 ppm

  
г) концентрация Cd в рационе = 640 ppm

  
д) концентрация Cd в рационе = 2560 ppm

  
Рисунок 2 – Прирост живой массы телят и потребление корма животными в течение эксперимента при различных концентрациях Cd в рационе.

Дополнительно верификация была проведена и для такого случая. При проведении численных опытов на модели установлено, что исключение Cd из рациона после 90 суток скармливания телятам с концентрацией 640 ppm привело к тому, что через две недели потребление корма за сутки возрастало от 1,8±0,3 кг до 2,9±0,3кг, а через три недели до 3,2±0,3 кг. Величина живой массы животных в возрасте 7 месяцев составила 126,6±6 кг, а в возрасте 1 год – 273±10 кг.

Рисунок 3 – Гибель животных при потреблении корма с концентрацией Cd в рационе 2560 ppm.

Степень совпадения экспериментальных данных и результатов численных опытов, позволяет использовать модель в качестве рабочего инструмента научно-обоснованного определения последствий воздействия ТМ на организм крупного рогатого скота при потреблении Cd с рационом. Также результаты моделирования могут быть использованы с одной стороны, для прогнозирования и оценки токсикологического действия ТМ, с другой стороны, для установления закономерностей поступления Cd с рационом, накопления и выведения тяжелого металла в зависимости от изменения доминантных факторов, определяющих течение этих процессов. 

Выводы. В настоящее время проблема качества продуктов животноводства приобрела крайне острый характер. Из-за несбалансированного кормления и использования недоброкачественных кормов с повышенным содержанием ТМ в организм животных поступает намного больше токсичных веществ, чем обычно. Кадмий является одним из техногенных загрязнителей, который в разных диапазонах концентраций способен оказывать на организм животных общетоксическое воздействие. Обладая способностью подавлять наиболее значимые процессы метаболизма, тормозить рост и развитие животных, потребление Cd с рационом приводит к снижению продуктивности и ухудшения качества продукции. 
В настоящее время предпринимаются попытки снизить уровень загрязнения окружающей среды, разрабатываются новые системы контроля качества кормов, создаются новые лекарственные препараты (иммуностимуляторы, антидоты и т.д.). Но все эти меры, как правило, имеют ограниченное применение и не обладают достаточной эффективностью. Это связано с отсутствием знаний о характере и путях формирования количественных закономерностей формирования зависимостей «доза-эффект» при воздействии токсикантов на организм животных. 
Значимость настоящей работы заключается в принципиальной возможности использования представленной биолого-математической модели в решении проблемы обеспечения качества животноводческой продукции.


1 - Ppm – миллионная доля (от англ. parts per million — частей на миллион) — единица измерения концентрации.


Библиографический список
  1. Донник, И.М. Оценка здоровья сельскохозяйственных животных при техногенном загрязнении среды /И.М. Донник, А.Г. Исаева// Агроэкологические проблемы сельхоз. производства в условиях техногенного загрязнения агроэкосистем. – Казань, 2002. – Ч.2. – С.253-255.
  2. Смирнов, А.М. Актуальные вопросы ветеринарно-санитарных мероприятий на территориях, загрязненных экотоксикантами / А.М. Смирнов, В.И. Дорожкин, П.Н. Рубченков // Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии. – 2010. – №2. – С. 7–13.
  3. Аргунов, М.Н. Некоторые аспекты миграции кадмия в биологических системах / М.Н. Аргунов, Р.В. Сащенко, Р.Н. Гусеналиев // Мат. I-го съезда вет. фармакологов России. – Воронеж, 2007. – С. 95 – 98.
  4. Каплин, В.Г. Основыэкотоксикологии/В.Г.Каплин.–М.:КолосС,2006.–232с
  5. Володин В.В., Мироненко Р.И., Епимахов В.Г., Козьмин Г.В. Многопользовательская база данных – архив данных экспериментов (АрДЭкс) / Техногенные системы и экологический риск: Тезисы докладов XIII Региональной научной конференции с.144-145
  6. Научные основы оценки устойчивости агроэкосистем к воздействию техногенных факторов.- Обнинск: ГНУ ВНИИСХРАЭ,2013.- 187 с.
  7. Епимахов В.Г. К вопросу нормирования воздействия ионизирующей радиации на организм овец и их продуктивность. // Материалы российской научной конференции с международным участием «Медико-биологические проблемы токсикологии и радиологии», Санкт-Петербург, 2015, С.29-30.
  8. Епимахов В.Г., Кобялко В.О. Биоэнергетический подход к оценке поступления тяжёлых металлов в организм сельскохозяйственных животных с рационом. // Материалы российской научной конференции с международным участием «Медико-биологические проблемы токсикологии и радиологии», Санкт-Петербург, 2015, С.30-31.
  9. Епимахов В.Г. Биоэнергетический подход оценки воздействия техногенных факторов на компоненты агроэкосистем // Материалы Международной научно-практической конференции «Теоретические, методологические и прикладные вопросы науки и образования», Самара, 2016, С.162-163.
  10. Потребность жвачных животных в питательных веществах и энергии /пер. с англ. А. А. Яковлева; под ред. А. П. Дмитроченко. М.: Колос, 1968
  11. Епимахов В.Г., Козьмин Г.В. Установление количественных закономерностей исхода острого лучевого поражения овец / East European Scientific Journal (Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe) Варшава, Польша Biologia № 6, 2016, рр.144-148
  12. Powell G.W., Miller W.J., Morton J.D., Clifton C.M. 1964 Influence of dietary Cd level and supplemental zinc on Cd toxicity in the bovine J. Nutr. 84: 205-214
  13. Тейл Г. Экономические прогнозы и принятие решений. – М.: Статистика, 1971. – 488 с.


Все статьи автора «Епимахов Вадим Геннадьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация