«Химия» в кормах
Известно, что многие птицеводческие, животноводческие и звероводческие хозяйства, а также питомники и заводчики домашних любимцев сталкиваются с серьёзными проблемами, которые обусловлены низким качеством кормов. Значительная часть кормов, применяемых при выращивании и откорме поголовья, содержит микотоксины (МКТ), тяжелые металлы, радиоактивные изотопы и другие вредные вещества, такие как полиароматические углеводороды (ПАУ) и стойкие органические загрязнители (СОЗ). Это приводит к интоксикации животных, снижению сохранности поголовья, повышенному расходу кормов и пониженным товарному весу и потребительским свойствам выпускаемой продукции. Известно, что целый ряд микотоксинов, ПАУ и СОЗ в существенной степени (от 5 до 80% от количества, содержащегося в корме) переносятся в готовую продукцию животноводства — яйца, икру, мясо, молоко и молочные продукты. И часто специально применяемые кормовые добавки и адсорбенты не позволяют полностью справиться с такой ситуацией. Это связано с рядом причин.
Во-первых, современные адсорбенты, применяемые в животноводстве, имеют ограниченную адсорбционную ёмкость по отношению к значительной части микотоксинов (40 — 45%).
Во-вторых, токсичность кормов зачастую обусловлена не одними микотоксинами. Здесь следует отметить, что все ПАУ и СОЗ, широко распространённые в окружающей среде, а это несколько сотен весьма устойчивых, токсичных и опасных по отдаленным последствиям соединений, представляют собой липофильные субстанции с высоким индексом биоаккумуляции, т.е. имеют тенденцию к накоплению в организме на одном уровне пищевой цепи. При этом, большинство «традиционных» кормовых адсорбентов не обладают способностью к их эффективному связыванию и удалению этих неполярных соединений из желудочно-кишечного тракта. Многие из них, кроме всего прочего, способны усиливать токсические эффекты микотоксинов и друг друга.
Итак, какие основные виды загрязнений в кормах для сельскохозяйственных животных, представляют наибольшую опасность?
1. Тяжелые металлы (Cd, Hg, Pb, As, Tl и т.д.)
2. Радиоактивные элементы (Cs137, Sr60 и др.)
3. Микотоксины (МКТ)
4. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)
5. Стойкие органические загрязнители (СОЗ)
В наших обзорах тяжёлые металлы и радиоактивные изотопы рассматриваться не будут, поскольку, во-первых, никому в голову не приходит выращивать кормовые культуры на отвалах металлургических комбинатов или в зоне радиоактивного заражения и, во-вторых, те количества этих загрязнений, которые попадают в корма из общего экологического фона, достаточно эффективно удаляются из желудочно-кишечного тракта глинами и другими полярными алюмосиликатными адсорбентами.
Остановимся на трёх последних группах химических соединений, поскольку именно они, по мнению специалистов, представляются наиболее опасными для животных и человека при включении в пищевые цепи.
С древних времён для выращивания домашних животных и питания людей используют злаковые растения. Различные злаковые объединяет строение растений, а также способ их выращивания.
Рисунок 1. Общее строение злаковых растений.
Все злаковые состоят из корневой системы, стебля, листьев и плодов в виде зёрен, покрытых оболочкой. Все они произрастают под открытым небом в тёплое время года и подвергаются как атмосферным отложениям в виде пыли, так и атмосферным осадкам в виде дождя. Следует отметить, что многие кормовые травы для крупного рогатого скота (КРС) и ряда других животных также относятся к злаковым, но выращиваются они не ради получения зерна, а для производства кормовой зелёной массы, а также консервированных продуктов из травы в виде силоса, сенажа или сена, гранулята и т.д.
Рассмотрим поступление самых опасных и токсичных из СОЗ в разные части злакового растения. В этом примере использован рис, но в очень близкой степени эти данные относятся и к другим злаковым.
Таблица 1. Накопление полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов в различных частях злаковых растений.
|
Объект |
Содержание токсинов |
Относительное загрязнение части растения |
|
Почва |
120 |
|
|
Часть растения: |
||
|
Сок ксилемы |
<0,0001 |
0,1 |
|
Зерно |
0,0011 |
1 |
|
Стебель |
0,05 |
45 |
|
Оболочка зерна |
0,38 |
345 |
|
Листья |
4,1 |
3741 |
В среднем столбце таблицы указана концентрация диоксинов в почве и в разных частях растения, а в правом указано относительное содержание диоксинов в конкретной части растения по сравнению с его концентрацией в зерне. Низкая концентрация диоксинов в соке ксилемы свидетельствует о том, что всасывание диоксинов корневой системой растения вносит в общий процесс накопления весьма незначительный вклад. Данный пример с очевидностью показывает, что наиболее высокое количество диоксинов содержится в листьях, за которыми следуют оболочка зерна и стебель. Можно сделать вывод, что зерно, благодаря наличию оболочки, надёжно защищено от попадания диоксинов, а также других СОЗ. Как было установлено в многочисленных экспериментах, основной путь распространения и миграции СОЗ и диоксинов, в том числе, из мест с их высокой концентрацией состоит в возгонке в атмосферу из почвы, адсорбции в воздухе на пылевых частицах и в переносе ветром пылевых частиц, содержащих СОЗ, на большие расстояния с последующим отложением пыли на почву и растения. Поскольку у злаковых поверхность листьев намного превышает поверхность зерновых оболочек и вертикального стоящего стебля, наибольшие количества частиц пыли с токсинами оседает именно на листьях, что подтверждается данными, представленными в таблице. Поэтому, как было установлено, зерно злаковых чаще поражается микотоксинами, а зелёная часть растения, кроме микотоксинов, может содержать также значительные концентрации СОЗ и сходных с ними по физико-химическим свойствам полиароматических углеводородов, или ПАУ. При этом их совокупная концентрация в зелёной массе может превышать таковую в зерне в сотни и тысячи раз.
Принимая во внимание основные виды кормов, которые используют в разных отраслях животноводства, большую часть сельскохозяйственных животных можно условно разделить на две основные группы. Первая из них состоит из птицы разных видов, свиней и разных видов рыбы. Эту группу объединяет то, что основу их рациона составляет зерно злаковых культур и комбикорма на основе зерна. Основные токсичные примеси в зерне, как известно, обычно представлены различными микотоксинами. В рационы для рыб кроме зерна также обычно включают рыбную муку, которая, как и любой продукт животного происхождения, может содержать некоторое количество ПАУ и СОЗ. Их концентрация в значительной степени зависит от района мирового океана, в котором выловлено сырьё для её производства.
Вторая группа животных представлена коровами, буйволами, верблюдами, козами, овцами и лошадьми. Основу рациона для этих животных составляют зелёные части травянистых растений. Как было упомянуто выше, зеленые растения и продукты их консервирования, в добавок к микотоксинам, всегда загрязнены СОЗ и ПАУ в различных концентрациях. Эти данные представлены в следующей таблице.
Таблица 2. Токсины в кормах сельскохозяйственных животных.
|
Животные |
Основной компонент корма |
Основные токсические примеси в корме |
|
Птица, |
Зерно |
Микотоксины (МКТ) |
|
Корова, Верблюд |
Трава |
Микотоксины (МКТ) |
Из этих данных следует, что основную угрозу для состояния здоровья животных из первой группы представляют МКТ, а животные второй группы могут подвергаться дополнительному токсическому воздействию со стороны ПАУ и СОЗ. Поэтому, если при содержании животных первой группы, как правило, достаточным представляется применение «традиционных» адсорбентов микотоксинов, то для животных второй группы появляется необходимость в выборе других или дополнительных кормовых адсорбентов, которые способны связывать и выводить из организма животных не только МКТ, но и ПАУ, и СОЗ. Следует учитывать также «образ жизни» животных из первой и второй групп. Первые содержаться в закрытых обогреваемых помещениях и дышат профильтрованным от пыли воздухом. Вторая группа животных большую часть времени в странах с тёплым и умеренным климатом проводит на открытом воздухе в непосредственном контакте с травами, пылью и почвой, которые могут содержать значительные концентрации ПАУ и СОЗ.
В эту схему хорошо укладываются данные о содержании диоксина в обычных куриных яйцах и т. н. яйцах «органик» от кур на свободном выпасе, т. е., имеющих на «прогулках» свободный доступ к траве, почве и насекомым. В яйцах с обычной птицефабрики, как было установлено, содержание диоксина и других СОЗ было значительно ниже (в 5-10 раз), чем в «фермерских» яйцах категории «органик».
Особая группа животных представлена хищниками, которые содержатся в домашних условиях в качестве любимцев (кошки, собаки, хорьки и т. д.) и в качестве источника мехового сырья на зверофермах (лисы, песцы, норки, соболи и т. д.). В природных условиях хищники стоят на вершинах пищевых цепей и потребляют в основном мясную пищу, подвергаясь при этом из-за биомагнификации более высокому риску накопления липофильных токсинов по сравнению с травоядными животными. Под биомагнификацией обычно понимают скачкообразное увеличение накопления липофильных веществ в организме при продвижении вверх по ступеням пищевой цепи. Концентрация, например, пестицидов в жировых тканях хищных животных в 10 — 1000 раз превосходит таковую у травоядных. По этой причине в современности хищные животные, как правило, живут меньше, чем сходные с ними по размерам травоядные.
Для защиты организма от природных токсинов в процессе эволюции у позвоночных развилась достаточно эффективная система химической детоксикации чужеродных соединений, не представляющих пищевой ценности — ксенобиотиков (от греч. ξένος — чуждый и βίος — жизнь). В наибольшей степени комплексы ферментов этой системы, которая содержит оксидазы, монооксигеназы, пероксидазы, гидролазы, трансферазы и др., сосредоточены в клетках печени. Эти комплексы представлены также в других органах и тканях, но главную нагрузку все же несёт печень. Это связано с тем, что все вещества, которые всасываются в пищеварительном тракте, сначала поступают в печень и лишь потом разносятся кровотоком по всему организму. Основная функция системы метаболизма ксенобиотиков состоит в модификации молекулы «бесполезного» с точки зрения пищевой ценности, а порой и токсичного вещества, до такой степени, чтобы это вещество могло быть выведено из организма естественным путём с минимальными затратами энергии.
Эта система функционирует у позвоночных уже сотни миллионов лет и достаточно эффективно нейтрализует многие ксенобиотики, с которыми она сталкивалась в процессе эволюции. К таким веществам можно отнести две из трёх рассматриваемых групп токсинов — МКТ и ПАУ. Все животные постоянно сталкивались с этими веществами в процессе эволюции и они — «старые знакомые» для системы метаболизма ксенобиотиков печени теплокровных, но когда в организм попадают ксенобиотики, с которыми она до сих не сталкивалась, например СОЗ, она может дать сбой. Также данная система обладает конечной ёмкостью по обезвреживанию токсичных ксенобиотиков, в том числе и МКТ. Она не может обезвредить количество ксенобиотиков, превышающее её «производственные мощности». Именно производительность системы метаболизма ксенобиотиков определяет величины значений ПДК, МДУ и т. д., принятые для вредных веществ. Функционирование данной системы довольно затратно с точки зрения энергетики организма, поэтому применение токсичных кормов напрямую приводит не только к нарушению работы разных систем организма, но и к избыточным энергетическим затратам для нейтрализации токсинов в целом и, как следствие — к снижению продуктивности и экономическим потерям.
Мы живём в настоящее время в очень опасной окружающей среде. В доисторические времена дикие растения тоже поражались микромицетами и животные подвергались действию микотоксинов. На поверхности растений также осаждались частицы пыли, содержащие ПАУ, которые могли образоваться во время извержения вулканов или в результате лесного или степного пожара. И естественный отбор позволил животным приспособиться к этой токсической нагрузке. В естественной среде травоядные за счёт хорошего обоняния легко определяют растения, зараженные сверх меры микромицетами и избегают их поедания. Поэтому токсическая нагрузка на животный мир со стороны кормов в те времена была минимальна. И представители животного мира к этой нагрузке смогли приспособиться за счёт адекватного развития системы метаболизма ксенобиотиков печени. С развитием цивилизации ситуация изменилась кардинальным образом.
Развитие земледелия и переход на сельскохозяйственные монокультуры привёл к значительному возрастанию токсической нагрузки на продукты растительного происхождения со стороны МКТ. Развитие молочного и мясного животноводства привело к необходимости заготавливать корма для животных для их прокорма в холодное время года. Итог — дополнительное увеличение нагрузки со стороны «складских» МКТ.
Промышленная революция, начиная с XVIII века, привела не только к замене ручного труда машинами но и к интенсивному использованию пара и каменного угля, а несколько позднее — нефти и нефтепродуктов. Все эти изменения наряду с развитием транспорта, чёрной металлургии, химической и нефтехимической промышленности привели к параллельному возрастанию загрязнения окружающей среды ещё и ПАУ. Здесь уместно вспомнить знаменитый «лондонский смог», «Ржавый пояс» США и старую советскую песню со словами «За фабричной заставой, где закаты в дыму…». Итог — дополнительное увеличение нагрузки со стороны ПАУ.
И вишенкой на этом торте, содержащем токсины, стало изобретение и широкое применение СОЗ в промышленности и сельском хозяйстве, начиная со второй трети ХХ века. И, если система метаболизма ксенобиотиков своих «старых знакомых» — МКТ и ПАУ, несмотря на возрастание их концентраций в корме, всё ещё могла достаточно эффективно перерабатывать, то с появлением в кормах СОЗ ситуация в корне изменилась. Это можно сравнить с подачей в деревообрабатывающий станок вместо деревянной заготовки то куска теста, то металлического предмета. А когда в такой станок по очереди или одновременно подавать и тесто и дерево и металл, такой станок долго не протянет. Что мы и наблюдаем в настоящее время. Выход один — удаление из заготовок для станка «теста» и «металла» и снижение размера обрабатываемой детали для станка до оптимального размера. Поэтому крайне необходимо использование эффективных средств для защиты животных от вредного влияния токсинов, содержащихся в кормах, в современном животноводстве. В настоящее время для этих целей чаще всего используют кормовые адсорбенты.
Для оценки эффективности кормовых адсорбентов прежде всего необходимо выбрать адекватную биологическую модель и работать с реальными кормами, которыми располагает животноводческое хозяйство. Наиболее удобную модель в этом плане представляет собой молочный скот, так как коровы даже при качественном содержании и полноценном уходе весьма мобильно отзываются на качество кормов и наглядно демонстрируют это с помощью такого важного показателя качества молока, как концентрация соматических клеток в молоке (КСК). Если в других отраслях животноводства, в птицеводстве и свиноводстве о качестве и эффективности кормовых адсорбентов можно судить только по сохранности молодняка и одному интегральному показателю — удельному привесу на единицу корма, что занимает не так уж мало времени, то молочные коровы наряду с этим показателем, применимым для молодняка, предоставляют дополнительно ещё два показателя, продуктивность (суточный удой) и ещё более гибкий показатель — КСК. Известно, что КСК существенно и достаточно быстро возрастает при применении токсичных кормов. Вероятнее всего, это связано с отрицательным влиянием токсических компонентов кормов на иммунную систему животных, функция которой может подавляться как представителями МКТ, так и ПАУ, и СОЗ. При применении эффективных адсорбентов КСК достаточно быстро приходит в норму. По нашим данным продуктивность восстанавливается несколько медленнее.
В рамках такой модели «идеальный» адсорбент, который может быть подобран только эмпирическим путём, должен быть способным к связыванию достаточных количеств токсинов, особенно неполярных, в желудочно-кишечном тракте. Поэтому очень важна высокая ёмкость адсорбента и прочность связывания сорбата в водной среде. Эффективным с практической точки зрения в молочном стаде можно считать адсорбент (или комбинацию адсорбентов, один из которых обязательно должен быть неполярным), который при использовании наличных кормов и применяемых дозировок, способен поддерживать КСК на «здоровом» уровне 80,000 — 120,000 клет/мл в течение длительного времени, и применение которого экономически оправдано.
Для оценки эффективности предполагаемого кормового адсорбента для начала целесообразно рассмотреть модельную ситуацию с влиянием токсинов из корма на продуктивность и качество молока в стаде лактирующих первотёлок. В это стадо (n = 400) входят коровы со сроком лактации от 30 до 250 дней после первого отёла. Животные получают основной рацион, содержащий токсины (МКТ, ПАУ и СОЗ) в концентрациях, характерных для данного региона и данного конкретного хозяйства. Концентрация токсинов в корме на всём протяжении этого мысленного эксперимента может рассматриваться в качестве константы. Оценка проводится по 4 основным параметрам:
1. Суммарная концентрация токсинов в сыворотке крови, которая отражает их концентрацию в жировой ткани.
2. Активность, которая характеризует общее состояние физиологических систем организма. Она может отражаться в продуктивности (удоях), уровне иммунного статуса, эффективности зачатия, полноценном вынашивании и т. д.
3. Концентрация токсинов в молоке, что позволяет оценивать уровень накопления токсинов в жировой ткани и степень безопасности использования молока в качестве продукта питания для человека.
4. Концентрация соматических клеток. Этот показатель отражает статус иммунной системы, прямо связан со степенью обсеменённости молока микроорганизмами и количественно описывает качество, сортность и сыропригодность молока.
Результаты подобного эксперимента представлены ниже.
Рисунок 2. Влияние токсинов из корма на физиологическое состояние лактирующих коров.
На графике представлено развитие событий в стаде двухлетних коров после первых родов и в процессе первой и второй лактаций. Корма содержат «привычный» набор токсинов (МКТ, ПАУ, СОЗ). В период выращивания тёлок и первой беременности они уже накопили в жировой ткани некоторое количество жирорастворимых токсинов (Токс), которые с началом лактации начинают переноситься в молоко (Мол). В течение рассматриваемого периода (24 мес) коровы накапливают всё больше токсинов в жировой ткани и процент их переноса в молоко увеличивается. Параллельно с увеличением токсической нагрузки на организм начинает снижаться «активность» (Акт), параметр, который отражает совокупные представления о продуктивности и физиологическом состояния организма в целом. Наряду с этим можно наблюдать снижение иммунной функции под влиянием накапливающихся жирорастворимых токсинов и, как следствие, повышение уровня соматических клеток в молоке (КСК).
Повышения общего уровня интоксикации приводит к угнетению иммунной системы, развитию рецидивирующих маститов, снижению продуктивности и качества молока. Это, как следствие, приводит к вынужденной выбраковке животных. При этом следует учитывать, что каждая вынужденная замена коровы приносит хозяйству ощутимые финансовые потери. В результате, в настоящее время в молочных хозяйствах России среднее количество лактаций на одну корову составляет всего 2,5. Поскольку уровень загрязнения окружающей среды постоянно возрастает, то, если не принимать соответствующие меры, вероятно, этот показатель будет снижаться и в дальнейшем.
В разделах, посвящённых свойствам адсорбентов, мы будем обсуждать, как может измениться эта картина при применении действительно эффективных адсорбентов.
«Эффективных» не на бумаге рекламного проспекта,
а на практике.
Со свойствами упомянутых основных типов токсинов (МКТ, ПАУ и СОЗ) в кормах для животных и кормовых адсорбентов для их нейтрализации можно ознакомиться в соответствующих разделах нашего сайта.
Рекомендуемая литература
1. Beek, B. Bioaccumulation: New aspects and developments. In Handbook of Environmental Chemistry; Hutzinger, O., Ed.; Springer: New York, NY, USA, 1986; Volume 2, p. 298.
2. Rychen, G.; Jurjanz, S.; Fournier, A. Exposure of ruminants to persistent organic pollutants and potential of decontamination. Environ. Sci. Pollut. Res. 2014, 21, 6440–6447.
3. Rychen, G.; Jurjanz, S.; Toussaint, H.; Feidt, C. Dairy ruminant exposure to persistent organic pollutants and excretion to milk. Animal 2008, 2, 312–323.
4. Schatzmayr, G.; Streit, E. Global occurrence of mycotoxins in the food and feed chain: Facts and figures. World Mycotoxin J. 2013, 6, 213–222.
5. Streit, E.; Schatzmayr, G.; Tassis, P.; Tzika, E.; Marin, D.; Taranu, I.; Oswald, I.P. Current situation of mycotoxin contamination and Co-occurrence in animal feed—Focus on Europe. Toxins 2012, 4, 788–809.
6. Streit, E.; Schwab, C.; Sulyok, M.; Naehrer, K.; Krska, R.; Schatzmayr, G. Multi-mycotoxin screening reveals the occurrence of 139 dierent secondary metabolites in feed and feed ingredients. Toxins 2013, 5, 504–523.
7. Nichea, M.; Palacios, S.; Chiacchiera, S.; Sulyok, M.; Krska, R.; Chulze, S.; Ramirez, M. Presence of multiple mycotoxins and other fungal metabolites in native grasses from a Wetland ecosystem in Argentina intended for grazing cattle. Toxins 2015, 7, 3309–3329
8. T. Otani, M. Kuwahara, R. Uegaki, and N. Seike. 1. Major route of contamination of rice plants by dioxins. NIAES Annual Report 2003.
http://www.naro.affrc.go.jp/archive/niaes/annual/r2003/html/no04.html
9. Weber, R. et al. \\ Reviewing the relevance of dioxin and PCB sources for food from animal origin and the need for their inventory, control and management \\ Environ. Sci. Eur., 2018, 30, 42-84.
А.И.Сотниченко, В.В.Оханов
01.01.2020
Москва
