Способ определения содержания кадмия в органах и мышечной ткани свиней

Изобретение относится к животноводству и экологии и предназначено для прижизненной оценки накопления кадмия в мышечной ткани и внутренних органах свиней по уровню марганца и калия в копытном роге. Способ определения содержания кадмия в органах и мышечной ткани свиней, включающий анализ биосубстрата животного, характеризуется тем, что проводят химический анализ копытного рога свиней методом атомно-абсорбционной спектрометрии, при этом для определения содержания кадмия в мышечной ткани, сердце, печени и почках определяют в копытном роге концентрацию Mn и содержание Cd рассчитывают из уравнения регрессии; для определения содержания кадмия в легких определяют в копытном роге концентрацию Mn и/или К и рассчитывают уравнения регрессии; для определения содержания кадмия в селезенке определяют в копытном роге концентрацию К и рассчитывают уравнение регрессии. Техническим результатом изобретения является возможность прижизненного неинвазивного определения содержания кадмия в органах и мышечной ткани животного для оценки и корректировки экологической безопасности продукции животноводства, повышение точности определения содержания кадмия, возможность создания банка проб копытного рога, имеющего неограниченный срок хранения. 4 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к животноводству и экологии и предназначено для использования в качестве теста прижизненной оценки степени накопления во внутренних органах и мышечной ткани свиней кадмия - одного из основных загрязнителей внешней среды.

В последующие годы в результате возрастающего антропогенного воздействия наблюдается прогрессирующее загрязнение окружающей среды геохимическими элементами, в том числе и тяжелыми металлами. Накоплению различных загрязняющих веществ в атмосфере, почве и воде способствуют выбросы промышленных предприятий, бытовые и сельскохозяйственные отходы, в которые входят соединения, не имеющие природных разрушителей и обладающие токсическим действием на живые организмы. Это в конечном итоге приводит к тому, что значительные площади сельскохозяйственных культур подвергаются воздействию химических веществ, которые входят в состав выбросов. Так, в Российской Федерации более 70 млн. га почвы загрязнено промышленными отходами.

Одним из химических токсикантов является кадмий, мировое производство которого составляет около 18 тыс. т в год, в том числе более 6 тыс. т представляет атмосферная эмиссия (Н.А. Уразаев, В.Я. Никитин, А.А. Кабыш. Эндемические болезни сельскохозяйственных животных. - М.: Агропромиздат, 1990. - 271 с.). Основными источниками загрязнения почвы кадмием являются фосфатные удобрения, отходы цветной металлургии, осадки сточных вод. Этот химический элемент широко используется для защиты от коррозии и декоративного покрытия изделий из стали, в производстве антисептических средств, никель-кадмиевых и серебро-кадмиевых аккумуляторов, бытовых батареек, аварийных и регулирующих стержней для атомных реакторов, в самолетостроении и других отраслях.

Концентрация кадмия велика в районах транспортно-промышленных загрязнений (до 10 мг/кг - у обочин дорог, до 160 мг/кг - в районах металлообработки и до 500 мг/кг в горнорудных районах), что является причиной увеличения содержания этого металла в пастбищных травах и овощах (Е.А. Карпова, Ю.А. Потатуева. Кадмий в почвах, растениях, удобрениях // Химизация сельского хозяйства. - 1990. - № 2. - С.44-47; Д.С. Орлов. Микроэлементы в почвах и живых организмах // Соросовский образовательный журнал. - 1988. - № 1. - С.61-68). В количестве 70% кадмий поступает в растения из почвы и только 30% - из воздуха. У животных усвоение кадмия, поступающего алиментарным путем, находится на уровне 5%, а аэрозольным - 80% (С.Л. Давыдова, В.И. Тагасов. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века. - М.: Изд-во РУДН, 2002. - 140 с.).

Кадмий относят к первому классу опасности из-за высокой кумулятивности: период полувыведения Cd составляет более 20 лет (А.О.Войнар. Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека. - М.: Советская наука, 1952. - 435 с.). Этот химический элемент может замещать цинк в активных центрах металлсодержащих ферментов, приводя к резкому нарушению ферментативных процессов. Особенно легко кадмий связывается с органическими веществами, содержащими сульфгидрильные, карбоксильные и аминные группы. Он также образует комплексы с аминокислотами, полисахаридами и гуминовыми кислотами.

Кадмий нарушает обмен цинка, кальция, фосфора, железа и меди, что приводит к потере аппетита, снижению прироста, анемии, разрушению костной ткани, изменению простаты. Характерными проявлениями кадмиевой интоксикации являются поражение центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, гипертония, почечная недостаточность с протеинурией, цианоз, ринит, бронхопневмония, некротические изменения в гонадах, некроз плаценты и гибель плода (В.Д. Фокина, С.Ф. Покровская. Влияние загрязнения окружающей среды на сельскохозяйственных и диких животных. - М.: Колос, 1983. - 272 с.; Г.И. Оксенгендлер. Яды и противоядие. - Л.: Наука, 1982. - 191 с.). Также доказано канцерогенное действие кадмия на организм путем прямого повреждения генетического аппарата и действия на нуклеиновые кислоты.

Животные, находясь в динамическом равновесии со средой, постоянно выводят из организма избыток химических элементов с калом, мочой, желчью, потом, молоком, а также депонируют их в костной ткани, коже и ее производных - волосе, роге. Копытный рог является более информативным по сравнению с кровью, мочой, слезой, эспиратом, костной тканью и зубами, потому что сохраняет большинство метаболитов, в том числе и кадмий, накопление которых происходит за довольно продолжительный промежуток его роста. Кроме того, взятие проб копытного рога можно проводить при сезонных обработках копыт у животных.

В отличие от других видов сельскохозяйственных животных, свиньи являются наиболее удобным модельным объектом при изучении различных болезней человека, потому что многие физиологические и биохимические процессы у них достаточно сходны.

В настоящее время известны способы определения содержания кадмия в пищевых продуктах (мышечная ткань, внутренние органы и другие ткани), которые можно использовать только после убоя животных (ГОСТ Р 51301-99. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсических элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). - М.: Госстандарт России, 1999. - С.7-13; ГОСТ 30538-97. Продукты пищевые. Методика определения токсических элементов атомно-эмиссионным методом. - М.: Госстандарт России, 1997. - С.10-21; ГОСТ 26929-94. Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсических элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). - М.: Госстандарт России, 1994. - С.2-7).

Недостатком этих способов является невозможность прижизненного определения степени накопления кадмия в органах и мышечной ткани животных с целью оценки и коррекции экологической безопасности потенциального продовольственного сырья.

От вышеперечисленных способов-прототипов, при которых содержание кадмия определяется непосредственно в мышечной ткани и внутренних органах убитых животных, заявляемый способ определения содержания кадмия в органах и мышечной ткани свиней, включающий анализ биосубстрата животного, отличающийся тем, что проводят химический анализ копытного рога свиней методом атомно-абсорбционной спектрометрии, при этом для определения содержания кадмия в мышечной ткани, сердце, печени и почках определяют в копытном роге концентрацию Mn и рассчитывают уравнения регрессии:

у=0,3388-0,1001х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в мышечной ткани;

у=0,3661-0,1071 х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в сердце;

у=0,3449-0,1158х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в печени;

у=0,4718-0,0691х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в почках;

для определения содержания кадмия в легких определяют в копытном роге концентрацию Mn и/или К и рассчитывают уравнения регрессии:

у=0,3195-0,0766х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в легких;

у=0,3653-0,1474х, где х - концентрация К в копытном роге,

у - содержание Cd в легких;

для определения содержания кадмия в селезенке определяют в копытном роге концентрацию К и рассчитывают уравнение регрессии:

у=0,3999-0,1755х, где х - концентрация К в копытном роге,

у - содержание Cd в селезенке.

Заявляемым способом решается задача оценки накопления кадмия в мышечной ткани свиней и таких важнейших внутренних органах, как сердце, печень, почки, селезенка и легкие. Поставленная задача достигается путем установления концентрации в копытном роге К и Mn с последующим расчетом уровня кадмия в мышечной ткани и во внутренних органах по уравнениям регрессии. По концентрации в копытном роге К и/или Mn рассчитывается содержание кадмия в легких, по уровню К - в селезенке, а по Mn - в мышечной ткани, сердце, печени и почках.

От существующих способов, при которых определение содержания тяжелого металла кадмия в мышечной ткани и внутренних органах свиней возможно только после их убоя, заявляемый способ отличается тем, что устанавливается в копытном роге содержание К и/или Mn и по нему прижизненно оценивается накопление кадмия в мышечной ткани, сердце, печени, почках, селезенке, легких.

Определение уровня загрязнения мышечной ткани и внутренних органов свиней тяжелым металлом кадмием по заявляемому способу обеспечивает точность метода, безболезненность и отсутствие стрессирования и инфицирования животных, относительную простоту и удобство при проведении исследований. Кроме того, возможно создание банка проб копытного рога, потому что для хранения этого биосубстрата не требуется специального оборудования вследствие того, что он не портится и сохраняется неограниченное время. Содержание микро- и макроэлементов в копытном роге является интегральным показателем минерального обмена в организме животного. Пробы копытного рога (около 1 г) отмывали детергентами и обезжиривали петролейным эфиром, потом промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 70°С в течение 24 часов. Массу навесок определяли с помощью торсионных весов. Озоление проб проводили при постоянном увеличении температуры от 200 до 450°С. Озоленный остаток кипятили в концентрированной азотной кислоте при температуре 130...140°С до полного ее испарения. Далее проводили отжиг оставшейся органики при температуре 450°С до получения золы светлых тонов без темных включений (при наличии темных частиц повторяли две предыдущие операции). На завершающем этапе добавляли концентрированную соляную кислоту, минерализат выпаривали до мокрых солей и разбавляли бидистиллятом.

Концентрации изучаемых химических элементов определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС), который основан на поглощении излучения оптического диапазона невозбудимыми свободными атомами. Величина поглощенной энергии пропорциональна концентрации определяемого элемента в атомном паре.

Из табл.1 видно, что наибольшее содержание кадмия выявлено в почках, а наименьшее - в печени. По уровню аккумуляции кадмия органы, мышечная ткань и копытный рог располагаются в следующем порядке: почки > копытный рог > селезенка > легкие > сердце > мышечная ткань > печень. Таким образом, копытный рог по накоплению кадмия в 1,27-1,49 раза превосходит мышечную ткань и все остальные органы, за исключением почек.

В копытном роге свиней больше всего накапливается калия, натрия и магния (табл.2). По содержанию в копытном роге химические элементы образуют следующий ранжированный ряд: К>Na>Mg>Zn>Fe>Cu>Mn>Pb>Cd>Co. Наименьшая изменчивость концентрации химических элементов в копытном роге характерна для калия, натрия, марганца, цинка и свинца (Cv=17,2-21,8%), наибольшая - для кобальта и меди (Cv=44,1-46,2%).

Из табл.3 видно, что между содержанием в копытном роге отдельных химических элементов выявлены средние и высокие корреляции. Так, наибольшая корреляционная связь установлена между содержанием натрия и магния (r=0,730), магния и кобальта (r=-0,699), меди и цинка (r=0,705).

Таблица 3.
Корреляции между содержанием отдельных химических элементов в копытном роге свиней
Коррелирующие химические элементы	r±Sr	P
Cd-Fe	0,528±0,175	0,029
Pb-Na	0,434±0,197	0,082
Na-Mg	0,730±0,113	0,001
Na-Co	-0,455±0,192	0,066
Mg-Co	-0,699±0,124	0,002
Mn-Cu	0,466±0,190	0,060
Mn-Zn	0,556±0,168	0,020
Cu-Zn	0,705±0,122	0,002
Zn-Co	0,475±0,188	0,054

Также были рассчитаны коэффициенты корреляции между содержанием химических элементов в копытном роге свиней и концентрацией кадмия в мышечной ткани и внутренних органах. При этом наиболее высокие корреляционные связи (табл.4) выявлены между содержанием марганца, калия в копытном роге и концентрацией кадмия в мышечной ткани (r=-0,556), почках (r=-0,501) и легких (r=-0,508).

Таблица 4.
Корреляции между содержанием калия, марганца в копытном роге и концентрацией кадмия в мышечной ткани и внутренних органах
Коррелирующие элементы, х-у	r±Sr	Rx/y	y=a+bx
Mn копытный рог - Cd мышцы	-0,556±0,168	-3,0921	y=0,3388-0,1001x
Mn копытный рог - Cd сердце	-0,434±0,197	-1,7618	y=0,3661-0,1071x
Mn копытный рог - Cd печень	-0,444±0,195	-1,7011	y=0,3449-0,1158x
Mn копытный рог - Cd почки	-0,501±0,182	-3,6235	y-0,4718-0,0691x
Mn копытный рог - Cd легкие	-0,396±0,205	-2,0466	y=0,3195-0,0766x
К копытный рог - Cd легкие	-0,508±0,180	-1,7528	y=0,3653-0,1474x
К копытный рог - Cd селезенка	-0,483±0,186	-1,3273	y=0,3999-0,1755x

С целью неинвазивного определения накопления кадмия в мышечной ткани и внутренних органах свиней на основании коэффициентов корреляции были рассчитаны коэффициенты и уравнения регрессии. Из табл.4 видно, что содержание кадмия в мышечной ткани, сердце, печени и ночках можно определить по концентрации марганца в копытном роге. Аккумуляцию кадмия в легких возможно установить по уровню марганца и/или калия в копытном роге, а уровень кадмия в селезенке - по величине калия в копытном роге.

Наиболее информативным показателем из всех изученных химических элементов является содержание марганца и калия в копытном роге. По первому показателю с использованием уравнений регрессии можно выявить концентрацию кадмия в мышечной ткани и четырех органах, по второму - в легких у селезенке. По содержанию остальных металлов в копытном роге свиней не представляется возможным тестировать уровень кадмия в мышечной ткани и внутренних органах вследствие низкой корреляционной связи.

Следовательно, по уровню марганца и калия в копытном роге, используя уравнения регрессии, можно прижизненно неинвазивным способом тестировать у свиней мышечную ткань, сердце, печень, почки, селезенку и легкие на содержание кадмия. Это дает возможность оценить и скорректировать экологическую безопасность продовольственного сырья, получаемого при убое животных.

Способ определения содержания кадмия в органах и мышечной ткани свиней, включающий анализ биосубстрата животного, отличающийся тем, что проводят химический анализ копытного рога свиней методом атомно-абсорбционной спектрометрии, при этом для определения содержания кадмия в мышечной ткани, сердце, печени и почках определяют в копытном роге концентрацию Mn и рассчитывают уравнения регрессии:

у=0,3388-0,1001х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в мышечной ткани;

у=0,3661-0,1071х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в сердце;

у=0,3449-0,1158х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в печени;

у=0,4718-0,0691х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в почках;

для определения содержания кадмия в легких определяют в копытном роге концентрацию Mn и/или К и рассчитывают уравнения регрессии:

у=0,3195-0,0766х, где х - концентрация Mn в копытном роге,

у - содержание Cd в легких;

у=0,3653-0,1474х, где х - концентрация К в копытном роге,

у - содержание Cd в легких;

для определения содержания кадмия в селезенке определяют в копытном роге концентрацию К и рассчитывают уравнение регрессии:

у=0,3999-0,1755х, где х - концентрация К в копытном роге,

у - содержание Cd в селезенке.