Sorption of metals on glauconite in conditions of gastrointestinal tract of calves

Full Text

Ухудшение экологической обстановки приводит, в частности, к загрязнению почвы тяжелыми металлами (поллютантами). Их содержание в кормовых растениях может стать выше значений максимально-допустимого уровня, что повышает риск перехода поллютантов из продукции, получаемой от сельскохозяйственных животных, по пищевой цепи к человеку.Современная технология кормления предусматривает использование специальных кормовых добавок – энтеросорбентов, позволяющих минимизировать токсическое действие тяжелых металлов и других токсинов, попадающих в организм с кормами и водой, и без ущерба для здоровья животных производить от них безопасную в экологическом аспекте продукцию.

В последнее время активизировались научные исследования в этом направлении [1]. В качестве энтеросорбентов широко используют вещества минеральной природы (алюмосиликаты, цеолиты) и другие. В мировой практике накоплен большой опыт применения природных алюмосиликатов для решения ряда важнейших вопросов охраны окружающей среды [2, 3]. В сельском хозяйстве их применяют для снижения уровня токсичного воздействия металлов-поллютантов и радионуклидов на организм животных [4]. Зарубежные исследователи активно изучают сорбционную способность природных минералов, главным образом, монтмориллонитов и вермикулитов [5-10].

Глауконит (алюмосиликат осадочного происхождения) является широко распространенным природным минералом с уникальными сорбционными свойствами [11, 12]. В отличие от цеолитов природные глаукониты имеют не каркасное, а слоистое строение, не содержат игольчатых структур и, следовательно, не могут нанести механических повреждений слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта. В Бондарском районе Тамбовской области освоена добыча и обогащение глауконитовых песков для получения глауконитового концентрата. Его сорбционные способности изучали в экспериментах, посвященных возможности умягчения питьевой и питательной воды котлов высокого давления [13]. Минерал также показал высокую эффективность в качестве кормовой добавки в рацион телят [14].

Для улучшения эксплуатационных и функциональных свойств природных минералов применяют различные физические и химические методы модифицирования [15]. Например, перевод природных глин в Na-форму повышает их ионообменные свойства, способность к диспергированию в воде [16]. При таких модификациях происходит изменение структуры материала, увеличение его удельной поверхности, числа обменных центров и, как следствие, усиление его сорбционных и ионообменных свойств. Установлено, что обменная емкость глауконита зависит от рН раствора: в щелочной среде она значительно увеличивается, а в кислой – снижается. С ростом величины рН с 6,5 до 10 возрастает коэффициент извлечения катионов металлов на 7-10% [17, 18].

Проблема использования природных глин в качестве энтеросорбентов заключается в избыточной адсорбционной емкости, в результате которой может снижаться биодоступность металлов-нутриентов (макро- и микроэлементов), получаемых с кормом и необходимых для жизнедеятельности организма животных. Процесс сорбции в условиях пищеварительного тракта проходит в меняющейся среде и включает широкий спектр потенциальных сорбатов. Например, в содержимом рубца крупного рогатого скота присутствует слабокисло-нейтральная среда (pH 6,1-6,9), обусловленная процессами микробиальной ферментации. В сычуге реакция среды более кислая (pH 2,2-3,4), так как сычужный сок содержит свободную HCl. А в тонком отделе кишечника реакция среды опять меняется на слабощелочную (рH 8,2-8,7) благодаря выделению желчи. Поскольку активность минерала, используемого в качестве энтеросорбента, существенно возрастает в процессе подготовки, то существует потребность в дополнительных исследованиях его сорбционных свойств в отношении различных элементов, что позволит обоснованно выбирать дозы и продолжительность применения в рационах животных.

Цель работы – исследование сорбционных свойств энтеросорбента на основе модифицированного концентрата глауконита Бондарского месторождения в условиях прохождения через желудочно-кишечный тракт телят и характер его выведения из организма.

Методика. В опытах по кормлению молодняка крупного рогатого скота энтеросорбентом на основе глауконита изучали его сорбционную активность по отношению к катионам различных металлов. В данной работе представлена оценка его сорбционной способности по отношению к Ni (токсикант), Cu (микронутриент) и Ca (макронутриент). Для исследований был использован 50%-й концентрат глауконита Бондарского месторождения Тамбовской области (ТУ-2164-002-03039858-08), подвергнутый предварительной химической обработке. В течение 20 мин минерал обрабатывали 0,1М раствором NaOH. Затем отмывали от щелочи дистиллированной водой и далее проводили такую же процедуру в 0,1М HCl с последующей отмывкой от кислоты. Далее в течение 1 ч сорбент переводили в Na-форму в 3,0М растворе NaCl и вновь отмывали от ионов хлора.

В научно-производственном эксперименте, проведенным в соответствии с требованиями по подбору аналогов, соблюдений условий кормления и содержания, были использованы телята симментальской породы в возрасте 6-7-месяцев (по 6 голов в контрольной и опытной группе). Животные контрольной группы получали основной рацион, состоящий из силоса кукурузного (5 кг), сенажа разнотравного (3 кг), сена кострецового (3 кг), зерновой смеси (1,1 кг) и патоки кормовой (0,2 кг). В период эксперимента использовали минеральные и витаминные подкормки (соль поваренная – 25 г и премикс П-62-1 – 100 г). Телятам опытной группы ежедневно в течение 9 дней скармливали энтеросорбент в количестве 0,2 г/кг живой массы.Также был организован опыт по индивидуальному кормлению теленка энтеросорбентом в той же дозе в течение 6 дней. Основной рацион теленка состоял из сена лугового разнотравного и пшеничных отрубей, минеральные добавки не использовали. Энтеросорбент скармливали в виде твердых болюсов округлой формы, которые формировали путем смешивания подготовленного концентрата глауконита с сиропом из сахара и зерновой мукой в определенной пропорции. Болюсы с содержанием концентрата глауконита 1,12±0,005 г добавляли в рационы телят вместе с концентрированными кормами один раз в сутки в дневное кормление.

В учетные периоды (11 дней) была исследована динамика выделения металлов с экскрементами. Для определения металлов применяли предварительную минерализацию проб по ГОСТ 26929-94, рентгенофлуоресцентный анализ с использованием спектрометра «Спектроскан Макс-GV». Статистическая обработка результатов экспериментов проведена с использованием критерия Стьюдента и коэффициента вариации (Cv), характеризующего однородность данных. Различия между изучаемыми показателями рассматривали как статистически значимые, начиная с уровня вероятности ошибки p ≤ 0,05.

Результаты и обсуждение. В опыте по индивидуальному кормлению теленка изучали сорбционную активность глауконита по отношению к металлам, в том числе нутриентам, в условиях отсутствия в рационе дополнительных минеральных добавок, включающих изучаемые элементы. Для анализа отбирали все пробы кала, выделенные животным в течение суток. Результаты, изложенные в табл. 1, свидетельствуют, что значения по содержанию никеля, меди и кальция, полученные в период использования сорбента, однородны (коэффициенты вариации меньше 33%), то есть не являются случайными. Однако отмечена неоднородность показателей содержания никеля в целом за учетный период, что, вероятно, связано с небольшими концентрациями этого элемента в тканях животных и растений.

Медь и кальций являются жизненно важными элементами, нормируемыми в рационах животных. Медь входит в состав большого ряда ферментов-оксидаз, витаминов, участвующих в процессах кроветворения, воспроизводства и деятельности микрофлоры преджелудков жвачных. Следовательно, вывод меди в большом количестве из организма не желателен. Макроэлемент кальций – структурный компонент костей, необходим для формирования электрического потенциала мембраны клеток и передачи нервных импульсов. Недостаток кальция в рационе также может быть критичным для здоровья животных.

Установлено, что максимальное количество меди выводится с экскрементами на 4-й день скармливания глауконита (проба 5 на рис. 1), разница со средним значением за все дни наблюдений составила 41,8%.

 

Табл. 1. Концентрации никеля, меди и кальция в кале теленка в эксперименте по индивидуальному скармливанию глауконита

Проба	День кормления	Показатель
		Ni (мкг/г)	Cu (мкг/г)	CaO (мг/г)
1	0х	16,770	135,83	15,38
2	1	15,697	130,57	16,51
3	2	17,389	168,77	14,55
4	3	24,268	143,57	17,10
5	4	24,177	228,33	15,73
6	5	16,527	180,20	12,17
7	6	20,446	168,98	12,59
8	7х	21,818	138,72	16,35
9	8х	11,597	161,64	14,39
10	9х	4,131	176,50	12,13
11	10х	7,374	137,76	15,22
(X̅ ± sx̅ )по всем дням Cv, %		16,38 ±1,96 39,8	160,99 ±8,62 17,7	14,74 ±0,53 11,9
(X̅ ± sx̅ ) по дням без глауконита Cv, %		12,34 ±2,35 57,6	150,09 ±5,99 12,1	14,69 ±0,52 10,8
(X̅ ± sx̅ ) по дням с глауконитом Cv, %		19,75 ±1,05* 19,3	170,07 ±9,34 19,9	14,77 ±0,56 13,9
х Дни без глауконита в рационе. * p ≤ 0,05.

 

Рис. 1. Динамика выделения меди с калом (индивидуальное кормление).

 

Биологическая роль никеля не столь значительна, как у меди и кальция. Он участвует в структурной организации ДНК, РНК, клеточной мембраны, в активации некоторых ферментативных реакций, синтезе гемоглобина, обмене жиров и витаминов. Никель не нормируется в рационах, так как потребность в нем покрывается содержанием в кормах, однако, при избыточном поступлении в организм животных или человека его соединения токсичны. Максимально допустимый уровень присутствия никеля в кормах для сельскохозяйственных животных – до 3 мг/кг сухого вещества [19].

Концентрация выделенного никеля достигла наибольшего уровня на 3-й день от начала скармливания сорбента, разница со средним значением за все дни наблюдений была значительной – в 1,5 раза. В среднем во все дни экспериментального кормления (пробы 2-7 на рис. 2) количество никеля в кале теленка было выше на 7,41 мкг/г, что составляет 60% (p ≤ 0,05) по отношению к дням, когда в рацион не добавляли глауконит (пробы 1 и 8-11 на рис. 2).

 

Рис. 2. Динамика выделения никеля с калом (индивидуальное кормление).

 

Следует отметить, что только через двое суток после прекращения скармливания болюсов уровень выделяемого никеля постепенно снизился до наименьших значений (пробы 9-11 на рис. 2), что связано с накоплением сорбента в пищеварительном тракте.

В учетные дни не отмечено существенных изменений в содержании кальция (табл. 1, рис. 3). Вероятно, высокое содержание кальция в кормах не позволяет отследить те количества, которые сорбируются на глауконите в исследуемой дозе.

 

Рис. 3. Динамика выделения кальция с калом (индивидуальное кормление).

 

Опыт по групповому кормлению телят отличался не только присутствием в рационе дополнительных количеств металлов-нутриентов в виде соответствующих солей в составе минеральной добавки (премикса), но и условиями кормления (общая кормушка) и пробами экскрементов от всей группы животных. По результатам анализа, во всех кормах рациона отмечен дефицит содержания Cu (меньше 5 мг/кг). В пределах нормы было содержание металла-поллютанта Ni – до 8,1 мг/кг сухого вещества [19].

В период кормления энтеросорбентом в образцах кала от животных опытной группы содержалось больше минеральной части (золы) на 21,5% (p ≤ 0,01) относительно показателя контрольной группы (табл. 2). Установлено, что меди в кале телят опытной группы содержалось на 3,3% меньше относительно концентрации в контрольных образцах.

Динамика выделения меди с калом имела схожий характер в обеих группах (рис. 4), что, вероятно, связано с использованием в рационах минеральных добавок, а также неравномерным их потреблением животными в условиях группового кормления.

 

Рис. 4. Динамика выделения меди с калом (групповое кормление): пробы 1 и 11 – без глауконита, пробы 2-10 – с глауконитом в рационе.

 

Задержка выведения глауконита позволяет полнее усвоиться ассоциированным на его поверхности ионам меди и других нутриентов, тогда как при потреблении рациона без использования энтеросорбента часть их быстрее проходит транзитом через желудочно-кишечный тракт и не успевает включиться в процесс пищеварения.

Заметный сорбционный эффект на глауконите отмечен в отношении никеля (табл. 2, рис. 5). В кале телят опытной группы его содержалось больше в среднем на 8,9% относительно концентрации в контрольных образцах, максимальный уровень (+ 58,5% относительно среднего значения в контроле) наблюдали на 9-й день скармливания энтеросорбента (проба 10 на рис. 5).

 

Табл. 2. Содержание золы и концентрации никеля, меди и кальция в сухом веществе кала в эксперименте по групповому скармливанию глауконита

Период (дни)	Группа	Показатель	Зола, %	Ni (мкг/г)	Cu (мкг/г)	CaO (мг/г)
Учетный (11)	Контрольная	X̅ ± sx̅	8,14±0,27	33,85±1,83	145,7±6,0	21,93±2,54
		Cv, %	13,9	23,7	13,8	38,4
	Опытная	X̅ ± sx̅	9,15±0,23**	34,81±2,58	133,6±7,1	24,52±2,57
		Cv, %	10,7	24,5	17,7	34,8
Кормления (9)	Контрольная	X̅ ± sx̅	7,76±0,22	32,60±1,83	146,2±3,6	20,37±2,01
		Cv, %	10,8	23,6	10,4	41,8
	Опытная	X̅ ± sx̅	9,43±0,24**	35,50±2,15	141,3±4,3	26,28±1,99
		Cv, %	9,4	25,6	12,8	32,1
** p ≤ 0,01 по сравнению с контролем

 

Рис. 5. Динамика выделения никеля с калом (групповое кормление): пробы 1 и 11 – без глауконита, пробы 2-10 – с глауконитом в рационе.

 

Следует отметить большие колебания концентрации кальция в образцах кала животных обеих групп (рис. 6), что, очевидно, связано со значительным содержанием этого макроэлемента в основных кормах (Cv> 33% в табл. 2).

Использование энтеросорбента на основе модифицированного концентрата глауконита в рационах молодняка крупного рогатого скота в дозе 2 г/кг живой массы способствует выведению никеля из организма животных до 60% от всего количества. У сорбента оказалась средняя эффективность в отношении меди – примерно 13% ее количества связывается и выводится с калом. При этом минерал накапливается в пищеварительном тракте животных в течение 3-4 суток и выводится порционно в течение такого же периода. В условиях дефицита меди в кормах задержка сорбента способствует лучшему усвоению неорганических форм данного металла-нутриента, потребляемого с минеральными добавками. Энтеросорбент не оказывает влияния на выведение кальция, поскольку его содержание в кормах превышает количества, которые сорбируются на глауконите, потребляемом животными в указанной дозе.

 

Рис. 6. Динамика выделения кальция с калом (групповое кормление): пробы 1 и 11 – без глауконита, пробы 2-10 – с глауконитом в рационе.

About the authors

O. B. Filippova

All-Russian Scientific Research Institute for the Use of Machinery and Oil Products in Agriculture

Author for correspondence.
Email: filippova1968@mail.ru

candidate of biological sciences

Russian Federation, Tambov

E. I. Kiiko

All-Russian Scientific Research Institute for the Use of Machinery and Oil Products in Agriculture

Email: filippova1968@mail.ru

candidate of biological sciences

Russian Federation, Tambov

N. I. Maslova

All-Russian Scientific Research Institute for the Use of Machinery and Oil Products in Agriculture

Email: filippova1968@mail.ru
Russian Federation, Tambov

References

Supplementary files