Monitoring of the safety of plant-based feed by the content of ecotoxicants

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие агропромышленного комплекса, промышленности и использование природных ресурсов закономерно привели к распространению экологически опасных элементов, что способствовало загрязнению почв сельскохозяйственных территорий и кормовых экосистем.

Основными источниками загрязнения сельскохозяйственных территорий экотоксикантами являются атмосферные выбросы промышленных предприятий, применение удобрений, полигоны твердых бытовых отходов, ядохимикаты, отходы транспорта. Так же на уровень концентрации экотоксикантов влияют и природные факторы, например состав почв, количество органического вещества, формы соединения металлов, процессы миграции в почвенно-грунтовом слое и другое.

При оценке безопасности кормов растительного происхождения определяют содержание таких экотоксикантов как токсичные элементы, микотоксины, бензапирен, пестициды, радионуклиды, полихлорированные бефинилы, диоксины и дибензофураны. Согласно требованиям действующих нормативных документов в кормах растительного происхождения нормируются такие токсичные элементы как свинец, кадмий, ртуть и мышьяк. Из природных экотоксикантов-микотоксинов определяют содержание афлатоксина В₁, сумму афлатоксинов В₁, В₂, G₁, G₂, дезоксиниваленола, Т-2 токсина, фумонизина, охратоксина А и зеараленона, из пестицидов – альфа-, бета, – гамма-изомеры гексахлорциклогексана, дихлордифенил трихлорметилметан и его метаболиты, гексахлорбензол; ртутьорганические пестициды; 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота, ее соли и эфиры, а из радионуклидов – цезий 137 и стронций 90.

Нормативно-правовая база обеспечения безопасности кормов в отношении экотоксикантов позволяет на высоком уровне определить их содержание с помощью арбитражных методов, изложенных в гостах и методических указаниях. В отношении определения токсичных элементов широко используется метод атомно-абсорбционной спектроскопии [1]. Для определения концентрации радионуклидов применяют метод гамма-спектрометрии, а для определения пестицидов, микотоксинов, бензапирена, и других экотоксикантов – хроматографические методы, такие как газовая, тонкослойная и высокоэффективная жидкостная хроматография.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Мы провели литературный обзор научных трудов за последние 20 лет, используя ресурсы поисковых систем eLIBRARY, Scopus по вышеуказанным ключевым словам. Для проведения анализа литературных источников мы использовали статьи, содержащие научные и экспериментальные данные по вопросам, касающимся содержания экотоксикантов в растительных кормах и их влияния на животных и человека.

Экотоксиканты могут оказывать как прямое, так и непрямое действие на растительные и животные организмы. Прямое действие связано с поражением за счет повышенного содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, а непрямое – за счет изменения характеристик почвы и характера питания растений. Действие экотоксикантов на растения и животных зависит от ряда факторов, таких как вид и концентрации действующих веществ, время их воздействия, восприимчивости к загрязнителям, возраст и других. Опасность этих веществ заключается в способности аккумулироваться в организме животного и вызывать различные патологии, поражая мочевыделительную, кроветворную, пищеварительную и нервную системы, в целом задерживают рост и развитие сельскохозяйственных животных, снижают резистентность, продуктивность и увеличивают риск обнаружения токсикантов в сельскохозяйственной продукции животного происхождения [2–4].

По токсичности для животных кадмий относят ко второму классу опасности. Основное его действие связано с нарушением синтеза белков и ферментативных процессов. Отмечается так же и его эмбриотоксическое действие. У человека при отравлении кадмием развивается болезнь «Итай-Итай», впервые установленная в Японии в префектуре Тояма в 1946 году. Одним из основных симптомов этой болезни является очень сильная боль в костях, суставах и позвоночнике, гипотония и гипотрофия мышц, патологические переломы и деформации костей [5].

Свинец, попав в организм, вызывает потерю 80% воды и калия, нарушает окислительное фосфорилирование в клетках головного мозга, а являясь тиоловым ядом накапливается в печени, костях, селезенке, почках и других органах. У лактирующих животных происходит выделение свинца с молоком.

Свинец, у человека вызывает психотропное, нейротоксическое и гемолитическое действия [6, 7].

Ртуть в организме животного вызывает нарушение обмена веществ и дегенеративные процессы в паренхиматозных органах. Особенно сильно поражаются те органы, через которые ртуть выводится из организма, или в которых она депонируется – это печень, почки и железы. В зависимости от степени отравления отмечаются паралитические явления со стороны центральной нервной системы и сердца. Ртуть способна проникать через плацентарный барьер, проявляя эмбриотоксическое и тератогенное действие. Соединения ртути обладают гонадотоксическим действием. У человека ртуть вызывает болезнь Минамата, которая первые обнаружена в Японии, в городе Минамата в 1956 году. Симптомы этой болезни включают нарушение моторики, парестезию в конечностях, ухудшение внятности речи, ослабление зрения и слуха, а в тяжёлых случаях – паралич и нарушение сознания, завершающиеся летальным исходом [8].

Мышьяк относится к протоплазматическим ядам и, попав в организм животного, поражает эндотелий кровеносных сосудов, почек и других паренхиматозных органов, вызывает блокаду сульфгидрильных групп окислительных ферментов. Наибольшее накопление яда отмечается в паренхиматозных органах, главным образом в печени. Меньше всех откладывается в мышцах и костях (при хроническом отравлении). Особенно большое количество мышьяка можно обнаружить в шерсти отравившегося животного. У лактирующих животных мышьяк выделяется с молоком [6, 9].

Пестициды вызывают нарушение функции центральной нервной системы, окислительно-восстановительных процессов, липидного обмена и поражение паренхиматозных органов [10].

При различных микотоксикозах наблюдаются поражение центральной нервной системы – желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, мочеполовой системы. Попадая в организм человека, микотоксины проявляют токсическое действие, влияя на обменные процессы. Некоторые микотоксины обладают канцерогенным действием, например, афлатоксин [11].

Бенз(а)пирен является химическим канцерогеном, опасным для человека даже в малой концентрации, так как обладает свойством биоаккумуляции. Будучи химически сравнительно устойчивым, бенз(а)пирен может мигрировать, в результате чего многие объекты окружающей среды становятся его вторичными источниками. В организм бенз(а)пирен может поступать через кожу, органы дыхания, пищеварительный тракт и трансплацентарным путём. Он оказывает мутагенное действие и вызывает злокачественные опухоли [12–14].

Диоксиноподобные полихлорированные бифинилы способны к длительному накоплению в жировой ткани. Опасность заключается, прежде всего, в том, что они являются мощными факторами подавления иммунитета, провоцируют развитие рака, поражений печени, почек, нервной системы, кожи.

У человека диоксиноподобные полихлорированные бифинилы вызывают болезнь Юшо, впервые зарегистрированную в Японии в 1968 году, а попадая в организм плода и ребёнка, они способствуют развитию врождённого уродства и таких детских патологий как отставание в развитии, снижение иммунитета, поражение кроветворения – болезнь Юй-Чэн, обнаруженную в Тайвани в 1979 году [15].

Диоксины и дибензфураны являются кумулятивными ядами и относятся к группе опасных веществ, обладающих мутагенным, иммунодепрессантным, канцерогенным, тератогенным и эмбриотоксическим действием.

Диоксины, подавляя иммунитет, воздействуют на процессы деления клеток, провоцируют развитие онкологических заболеваний. Влияют на работу эндокринных желез, репродуктивную функцию, резко замедляя половое созревание и нередко приводя к бесплодию [16].

Стронций-90 при попадании в организм накапливается в костной ткани, костном мозге, органах кроветворения, а цезий-137 – в мышцах. Эти изотопы в организме приводят к остановке роста и деления клеток, повреждают нормальные биохимические циклы, вызывают нарушение структурных связей ДНК, разрушают генетический код [17].

Содержание токсичных элементов в готовых кормах, комбикормах для продуктивных животных зависит от содержания их в растительном сырье, используемом для производства готовой кормовой продукции [3, 18].

Распределение свинца в растениях неравномерно. Максимальная концентрация отмечается в корнях и минимальная – в запасающих и репродуктивных органах. Наибольшее количество свинца регистрируется в соломе злаковых культур.

Кадмий легко поглощается растениями. Большая его часть аккумулируется в корневой системе, а в стеблях, листьях и других надземных частях обнаруживаются более низкие концентрации. Содержание кадмия в сельскохозяйственных растениях варьирует в очень широких пределах, зависящих от биологических особенностей вида, сорта и находится приблизительно на одинаковом уровне.

Ртуть, попадая в растение, в большей степени до 95% от общего количества аккумулируется в корнях. Через поверхность листьев в растения способны проникать пары свободной ртути и летучие органические соединения металла. Среднее ее содержание в зерне кукурузы и сои находится приблизительно на одинаковом уровне, тогда как в зерне озимой пшеницы ртути в 3,5 раза больше.

Устойчивость растений к соединениям мышьяка различна. У культурных видов, по сравнению с дикорастущими, она, как правило, меньше. Мышьяк может перемещаться в растениях, поскольку его наличие отмечается и в репродуктивных органах. Среднее содержание мышьяка в кукурузе и сое приблизительно на одном уровне, а в зерне озимой пшеницы и ячменя – немного больше.

Проблема микотоксинов приобрела глобальный характер в связи с нарушением экологического равновесия. В продукции растениеводства микотоксины могут образовываться из-за погоды, при которой она выращивалась. Чаще всего превышение микотоксинов встречается в зерновой группе, если агрокультуры произрастали или были убраны при неблагоприятных метеорологических условиях, вывозились с поля поздней осенью. Причем зачастую микотоксины встречаются и в своевременно убранном зерне, если оно было недостаточно просушено или неправильно хранилось.

Чаще всего микотоксины обнаруживают в кукурузе и продуктах переработки зерновых, таких как отруби, несколько реже – в пшенице и белковом сырье растительного происхождения, таких как шрот, жмыхи [19].

Пестициды попадают в растения в результате всасывания через корни и/или поступления через листья. Накопление пестицидов происходит в различных частях растений неодинаково. В очень большом количестве пестициды накапливаются в корнеплодах и клубнях. Метаболизм проходит в клетках с разной скоростью в зависимости от вида, возраста растения, свойств пестицида. Токсическое действие протекает на клеточном уровне и выражается в нарушении пестицидами жизненно важных процессов, таких как фотосинтез, посредством разрушения клеточных структур [20].

С июня 2021 года Россельхознадзор осуществляет государственный контроль в области безопасного обращения пестицидов и агрохимикатов. В частности, контролируется применения химических средств защиты растений при производстве сельскохозяйственной продукции. С 1 июля 2022 года введена в эксплуатацию Федеральная государственная информационная системы прослеживаемости пестицидов и агрохимикатов ФГИС «Сатурн», позволяющая эффективно противодействовать ввозу в страну некачественных и контрафактных препаратов и получать оперативную информацию о применении химических средств защиты растений на конкретном земельном участке [21].

Процент обнаружения остаточных количеств пестицидов в зерновых культурах составляет ежегодно менее 1%, от общего количества исследованных проб.

При исследовании накопления бенз(а)пирена в злаковых культурах установлено, что наибольшая концентрация токсина наблюдается в корневой части. Бенз(а)пирен в почве разрушается за четыре года и после этого растения перестают его накапливать, и их токсичность для человека снижается [22].

В растения переходит только порядка 30% диоксиноподобных полихлорированных бифинилов, содержащихся в почве. Коэффициенты биоаккумуляции колеблются в диапазоне от 0,23 до 0,34. При этом наблюдается в основном корневое загрязнение. В надземные части полихлорированные бифинилы поступают из воздуха, источником вторичного загрязнения которого является загрязненная почва [23].

Основная часть диоксинов и дибензфуранов аккумулируется в корневых системах растений, и только 10% – в наземных частях [22].

На накопление радионуклидов в растениях оказывают влияние состав почвы и биологические особенности растений. В порядке убывания коэффициентов перехода цезия-137, зерновые культуры можно расположить следующим образом: люпин, горох, вика, рапс, овес, просо, ячмень, пшеница, озимая рожь. В наибольшей степени стронций-90 накапливает яровой рапс, за ним следуют люпин, горох, вика, ячмень, яровая пшеница, овес, озимая пшеница и озимая рожь. Как цезий, так и стронций сильнее накапливаются в соломе злаков и гораздо меньше переходят в зерно. Установлено, что в зерне радионуклиды распределяются неравномерно: максимальная концентрация наблюдается в кроющих чешуях и оболочках, минимальная – в эндосперме. Поэтому механическое удаление кроющих чешуй и оболочек при производстве крупы может снижать содержание радионуклидов в конечном продукте в 10–20 раз. В то же время при отвеивании зерна, пшеницы, ржи, ячменя, гречихи, пшена коэффициент очистки составляет 1,5–2, при отмывании проточной водой – 1,5–3,0, при переработке на хлеб и крупу – 1,2–2,5, при переработке на спирт – 1000 [24].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В связи с этим, возникает необходимость в мониторинге состояния сельскохозяйственных территорий, угодий и кормовой базы для объективной оценки их загрязнений экотоксикантами и дальнейшего использования. Для решения данной проблемы необходима оперативная, достоверная и точная информация об уровне загрязнения агроэкосферы токсичными веществами с учетом коэффициентов накопления этих элементов в кормовых культурах сельскохозяйственных территорий. Выявленные уровни концентрации различных экотоксикантов можно использовать для картирования и создания базы по экологическому мониторингу, а также для разработки стратегий рационального использований сельскохозяйственных территорий.

About the authors

Tamara V. Kalyuzhnaya

St. Petersburg State University of Veterinary Medicine Ministry of Agriculture of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: kalyuzhnaya.t.v@mail.ru
SPIN-code: 4389-8955

Ph.D. in Veterinary Sciences, Associate Professor of the Department of Veterinary and Sanitary Expertise

Russian Federation, St. Petersburg

Diana A. Orlova

St. Petersburg State University of Veterinary Medicine Ministry of Agriculture of the Russian Federation

Email: diana_ae@mail.ru
SPIN-code: 4682-5251

Ph.D. in Veterinary Sciences, Associate Professor of the Department of Veterinary and Sanitary Expertise

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files