СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
Э — эозинофилы
Б — базофилы
БАВ - биологически активные вещества
БАД - биологически активная добавка
Л - лимфоциты
Эр — эритроциты
ТУ — технические условия
М - моноциты
МДА - малоновый диальдегид
П — палочкоядерные нейтрофилы
СЯ - сегментоядерные нейтрофилы
ЦП - цветовой показатель
НТФ - нитрилтриметиленфосфоновая кислота
ОЭДФ - гидроксиэтилидендифосфоновая кислота
ФКМ - фосфорсодержащий комплексонат металла
ФКП - фосфорсодержащий комплексонат переходного элемента
ФКТ - фосфорсодержащий комплексонат титана
ФКТ-2 - однолигандный фосфорсодержащий комплексонат титана с нитрилтриметиленфосфоновой кислотой
ФКТ-3 - разнолигандный фосфор- и серусодержащий комплексонат титана с гидроксиэтилиденфосфоновой кислотой
ФКТ-4 - разнолигандный фосфорсодержащий комплексонат титана
ФКЖ-2 - фосфорсодержащий комплексонат железа (II)
ФКЖ-3 - фосфорсодержащий комплексонат железа (III)
ФКК - фосфорсодержащий комплексонат калия
МЭ - микроэлементы
ЯМР - метод ядерного магнитного резонанса
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность диссертационной темы. Антропогенное загрязнение окружающей среды оказывает существенное влияние на рост и развитие организма. (И.М. Донник, 1997; И.А. Шкуратова, 2000; А.Р. Таирова, 2001, Ю.М. Захаров, 2003).
Биологические системы Урала подвергаются агрессивному техногенному загрязнению окружающей среды. На Урале имеются биогеохимические аномалии разнородных металлогенных поясов обогащающих почвы кадмием, никелем и др. переходными элементами (В.И. Георгиевский, В.Т Анненков, В.Т. Самохин, 1979). В биогеохимических зонах Урала особо актуальны вопросы сбалансированности рационов по микро- и макроэлементам (Ю.М. Захаров, 2003). На Южном Урале загрязнено тяжёлыми металлами 56% почв сельскохозяйственных угодий. В питьевой воде наблюдается значительное снижение содержания ионов кальция и магния (СИ. Плитман, 1990). Исследования почвы, воды, растений на содержание тяжёлых металлов указывают на тенденцию накопления их в организме и снижения их биологической доступности (Ю.В. Алексеев, 1987; Aikawa J.K., 1991).
В связи с этим, актуальны исследования механизмов адаптации организма к изменениям окружающей среды. Эколого-адаптивный принцип с использованием адаптогенов мягкого действия, антиоксидантов, иммунотропных средств, улучшающих состояние функциональных систем, занятых биотрансформацией элементов, детоксикацией организма является перспективным направлением ветеринарии. Значительную долю болезней птиц занимают микро-элементозы: паракератоз, анемия, гипокобальтоз (A.A. Кабыш, 1986; В.Т. Самохин, 1997; Siegel H., 1986). Повсеместно уменьшается содержание микроэлементов в системе почва - растение - животное (В.В. Ковальский, 1967; В.Т. Самохин, 1992). В таких случаях эффективно и актуально использовать добавки микроэлементов в виде комплексов (Х.Щ. Казаков, 1986; A.A. Овчинников, 1998; Allan, 1993; Amigo P., 1979; Gillard R. D., 1967; Schubert J., 1981).
В основе живого лежит химический элемент. По мнению В.И. Вернадского (1937), А.П. Виноградова (1949) все имеющиеся в природе элементы необходимы для существования живого вещества. Экологическое неблагополучие биосферы и особенности строения ионов титана и фосфорсодержащих ком-плексонатов титана (ФКТ) указывают на актуальность проведения системных работ по синтезу, изучению состава, строения и биологических эффектов фосфорсодержащих комплексонатов, их применения для коррекции дисбаланса микро- и макроэлементов.
В условиях экологического неблагополучия биосферы, достигает всё большей актуальности изучение, а также разработка технологии регенерации и утилизации промышленных отходов для обеспечения устойчивого развития биосферы. Эти предпосылки определили цель исследований.
Цель и задачи исследования. Определить влияние фосфорсодержащих комплексонатов титана на биологические особенности животных и растений в последовательности: состав, строение, физико-химические свойства, биологическая активность ФКТ в зависимости от природы, концентрации, строения гидратированной поверхности комплекса, взаимовлияния их составных компонентов. Разработать и внедрить системы научно-обоснованных мероприятий, направленных на коррекцию биохимических процессов в звеньях трофических и биогеохимических цепей в условиях экологического неблагополучия биосферы.
Для достижения указанной цели были определены следующие задачи:
- синтезировать ФКТ и разработать методы получения фосфорсодержащих комплексов, установить их состав, строение, физико-химические, биогенные, адаптогенные и антиоксидантные свойства;
- в неблагоприятных условиях Урала определить особенности биоэффектов ФКТ на рост и развитие животных (свиноматок, поросят, цыплят, мышей), адаптогенные, дезинтоксикационные свойства, антиоксидантный гомеостаз,
защитные реакции организма и на растения в разные периоды их вегетации (картофель, ячмень) и возможность коррекции биологических процессов;
- определить влияние фосфорсодержащих комплексонатов металлов (ФКМ) на макроэлементный гомеостаз, на взаимодействие между микро- и макроэлементами на их взаимодействие с органической составляющей комплекса и определить их роль в биологическом действии ФКМ, а так же возможность профилактики и коррекции гипо- и гипермикро- и макроэлементозов животных и растений, повышении гомеостатической ёмкости биогенных элементов, сбалансированности минерального питания;
- оценить возможности ФКМ по нейтрализации и элиминации токсичных элементов;
- определить влияние дозы и природы (ФКТ) на направленность и интенсивность биологического действия в хроническом эксперименте на животных и растениях;
- разработать систему обоснованных технологических решений способствующих устойчивому развитию производства животноводческой и растительной продукции в экологически неблагоприятных условиях Урала на основе применения фосфорсодержащих комплексов в рамках биогеохимического круговорота химических элементов;
- разработать методы и средства профилактики техногенных воздействий на организм сельскохозяйственных животных (свиноматок, поросят и птиц) на основе применения ФКМ в рамках биогеохимического круговорота химических элементов;
- разработать систему профилактики возникновения биохимических аномалий путем разработки и внедрения малоотходных технологий регенерации и утилизации токсигенных промышленных отходов.
Научная новизна работы. Впервые синтезировано 17 фосфорсодержащих комплексов металлов (ФКМ). У девяти из них изучено влияние на биологические особенности животных и растений.
8
Впервые у 5 препаратов установлено биостимулирующее действие; 4 препарата - комплексонаты калия (ФКК) проявляют ингибирующие свойства, разработаны методы их получения и применения, раскрыты физико-химические основы биорегуляторных свойств ФКМ и роль их основных компонентов. Выявлена роль фосфоновых групп ФКМ в формировании антиокси-дантных свойств препаратов.
Впервые изучены возрастные особенности животных на фоне применения препаратов и их влияние на снижение напряженности метаболических процессов, обусловленных негативным воздействием экологических факторов, вследствие выраженных адгезионных, гепатопротекторных и антиоксидантных свойств препаратов. Установлено нейтрализующее и элиминирующее действие токсичных элементов комплексонатами титана.
Впервые изучено влияние дозы и природы ФКМ на направленность и интенсивность их биологического действия в хроническом эксперименте на растениях и животных в интервале концентраций от 10~7 до КГ2 моль Ti/кг живой массы, перемежающий характер. Доза оказывает влияние на интенсивность и направленность биологического действия. ФКТ обладают высокой гомеостати-ческой емкостью, малотоксичны и не обладают кумулирующим действием.
Впервые проведено системное изучение влияния ФКТ на некоторые виды сельскохозяйственных животных и растений, что позволило отнести титан к биогенным элементам. Показателем этого являются более 10 биоэффектов, которые указывают на активное включение препаратов в метаболические процессы, протекающие в организме животных и в растениях.
Новизна проведенных исследований подтверждена 6-ю авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая значимость и реализация результатов исследования. Синтезировано 5 комплексонатов титана, проявляющих биостимулирующее действие на животных и растениях и 4 комплексонатов s-элементов (ФКК), обладающих ингибирующим действием. Разработаны технологии их синтеза и
применения при выращивании проявления комплексного воздействия ФКТ на биологические особенности животных, растений и отмечено активное включение их в метаболические процессы.
Разработана научно-обоснованная система мероприятий, обеспечивающая коррекцию нарушений обменных процессов, повышение уровня естественной резистентности организма животных и растений, что позволяет снизить негативное воздействие неблагоприятных техногенных факторов внешней среды.
Разработаны технологии регенерации и утилизации промышленных отходов (способ регенерации отработанной серной кислоты — A.C. № 1148900 и способ регенерации производственных растворов — A.C. № 1341245).
Результаты исследований внедрены в учебный процесс Чел. ГМА и УГАВМ в виде учебного пособия «Общая химия. Химия комплексных соединений. Окислительно-восстановительные реакции и процессы. Биогенные элементы».
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на XV Менделеевском съезде по общей и прикладной химии посвященной 250-летию Отечественной химической науки (Минск 1993); XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (С-П, 1998); III Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы». (Новосибирск, 2000); IV Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003); Втором Всесоюзном совещании по химии и применению комплексов и комплексонатов металлов (Москва, 1983); XII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 1981); XV Всесоюзном Чугаевском совещании по химии комплексных соединений (Киев, 1985); третьем Всесоюзном совещании по химии и применению комплексонов и комплексонатов металлов (Челябинск, 1988); пяти конференциях ЧелГМА и 6 региональных конференциях; Всероссийской конференции «Экологические проблемы сельского хозяйства и производства качественной продукции» (Челябинск 1999); Четвёртой
10
Российской биохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003); пятой биогеохимической школе «Проблемы биогеохимии геохимической экологии» (Москва, 2004); международной научно-практическая конференции «Состояние и перспективы увеличения производства продукции животноводства и птицеводства (Оренбург, 2003).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 73 опубликованных научных работах, в том числе в 6 патентах РФ и авторских свидетельствах, 2 монографиях.
Объём и структура диссертации.
Работа изложена на 36$ страницах текста. Содержит ф§ таблиц* , Ж ри-сун :ок, включает в себя: актуальность проблемы, обзор литературы, методическую главу, собственные исследования, заключение, выводы, практические рекомендации. Список литературы включает 40if источников, из которых 3%f, отечественных и §4 зарубежных.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
- Состав и физико-химические свойства фосфорсодержащих комплексо-натов металлов (ФКМ): ФКТ-1, ФКТ-2, ФКТ-3, ФКТ-4, БАД люцэвита, ФКК-0, ФКК-1, ФКК-3, ФКК-5, методы получения препаратов и рекомендации по их применению;
- Биогенные свойства соединений титана и их токсичность;
- Влияние ФКТ на биологические особенности животных и растений в экологически неблагополучных территориях Урала.
- Биологическая активность препаратов, вносимых в качестве добавки в корм, проявляется оптимизацией метаболических процессов в организме, увеличением прироста живой массы, продуктивности животных, сохранности поголовья, повышением антиоксидантных, адаптогенных свойств, нейтрализации и элиминации тяжелых металлов в организме животных в обеспечении макро-
11
и микроэлементного гомеостаза в повышении урожайности и качества продукции;
— Физико-химические основы биорегуляторных свойств ФКМ;
- Система научно обоснованных рекомендаций по профилактике возникновения биогеохимических аномалий в условиях техногенеза.
12
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛАВА 1.1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ИХ РОЛЬ В ОРГАНИЗМЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОГЕННЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
В естественных условиях на нашей планете в более или менее ощутимых количествах обнаружено 92 элемента (А. П. Авцын, А. А. Жаворонков и др., 1991). Раздел геохимии, изучающий химические процессы в земной коре с участием живых организмов, называют биогеохимией. Часть земной оболочки, занятой растительными и животными организмами, переработанная ими и космическими излучениями, и приспособленной к жизни, называют биосферой (по В.Й. Вернадскому).
А.П. Виноградов (1962) считал, что концентрация элементов в живом веществе прямо пропорциональна его содержанию в среде обитания с учетом растворимости их соединений. По мнению А.П. Виноградова, химический состав организма определяется составом окружающей среды. Биосфера содержит 100 млрд. тонн живого вещества. Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% — на кремний. Восемнадцать элементов (О, Si, AI, Fe, Ca, Na, К, Mg, Ti, С, P, H, N, S, Cl, F, Mn, Ba) составляют 99,8% массы земной коры. Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Изменения, происходящие в. верхних слоях земной коры, влияют на химический состав живых организмов. По мнению В.И. Вернадского и А.П. Виноградова, все имеющиеся в природе элементы необходимы для существования живого вещества, так как живое возникло и непрерывно воспроизводится из них или в их присутствии (В. И. Вернадский, 1937, 1940, 1994; А. П. Виноградов, 1935, 1942, 1962). Практически все элементы, которые найдены во внешней среде, присутствуют в живом организме, и каждый из них выполняет определенную функцию. (А. П. Авцын, 1991; Agget P. J., 1985; Anke M., 1999). Специфика биосферы в том, что в ней постоянно происходит обусловленный деятельностью организмов круговорот элементов
13
(рис. 1). Реальные зоны, где в результате жизнедеятельности осуществляется круговорот элементов, называются экосистемами и, как назвал их В.Н. Сукачев, биогеоценозом. По теории В.И. Вернадского (1994), существует биогенная миграция атомов по цепочке: воздух > почва > вода > пища > человек (рис. 1, рис.
2),L^7^03XDa^-
Воздух
чшв
Водные организмы«-»Человек
Рис. 1. Пути поступления химических элементов в организм. В пищевой цепи может происходить уменьшение концентрации одних элементов и накопление других (Покатилов Ю. Т., 1993; Белякова Т.М., 1999). Изучение влияния недостатка или избытка элементов на изменение биогеохимических пищевых цепей, промежуточный обмен веществ, адаптацию организмов к условиям среды и возникновение эндемий составляет предмет и задачи нового раздела наук - биогеохимической экологии (Ковальский В.В., 1974). Концепция гомеостаза, в том числе и элементного гомеостаза, является цен-. тральной проблемой геохимической экологии и отражает состояние относительного постоянства внутренней и внешней среды организма (рис.). В.В. Ковальский рассматривал гомеостаз, на различных уровнях жизни от молекул и популяционного до биосферного. Концепция макроэлементного, микроэлементного и молекулярного гомеостаза положена в основу биогеохимических циклов. Организмы, участвуя в биогеохимических циклах, поддерживают биогеохимический гомеостаз среды обитания (регуляция содержания кислорода, СО2, блокирование токсичных элементов, радикалов, веществ), Микроэлементный гомеостаз организма достигается с помощью трех взаимосвязанных про-
14
цессов: 1) избирательного поглощения определенных элементов; 2) их избирательной концентрации в определенных организмах, органах, клетках и, может быть, в органеллах; 3) их избирательной элиминации. Ход этих процессов связан с экологическими условиями и обменом веществ, присущим данному виду (Ершов Ю.А., Плетнёва Т. В., 1989; Agget P.J., 1985). В работе (Сокова Л.А., 2001) изучены закономерности поступления и элиминации элементов в системах организма, их периодический характер, зависимость от строения атомов.
почвы
**] Р«1СГОНМЯ j
Микроэлементы
Микроэ/иммвмты
»о-ааужа
Корыт и пищевые растительные
и жшютиых
Микроэлементы «оды
Животные {промежуточные}
Корма и пищевые
веществ* животного
Рис. 2. Биогеохимические пищевые цепи химических элементов (В.В. Ковальский, 1974).
Содержание некоторых элементов в организме по сравнению с окружающей средой повышенное, и это называют биологическим концентрированием элемента. Например, углерода в земной коре 0,35%, и по содержанию в живых организмах он занимает второе место (21 %). Эта закономерность наблюдается не всегда. Так, кремния в земной коре 27,6%, а в живых организмах его мало, алюминия - 7,45%, а в живых организмах - 1х10"5%. Наиболее выражена концентрационная функция у морских организмов. Обнаружено повышенное концентрирование 10-и переходных элементов, особенно характерное для железа, титана и марганца (Саенко Г.Н., 2002; 1992). Различие между концентрациями кремния, титана и алюминия в земной коре и их небольшим содержанием в живом веществе обусловлено растворимостью в воде соединений этих элементов. Биоконцентрирование характерно для отдельных органов (печени, почек, пищеварительного тракта). Из них микроэлементы вовлекаются в
15
процессы метаболизма для поддержания микроэлементного гомеостаза. Степень концентрирования элементов определяется уровнем организации материи в пользу структур несущих определенную физиологическую нагрузку.
Доказано, что от химического элементного состава среды обитания организмов зависит их морфологическая и физиологическая изменчивость, размножение, рост и развитие. Поэтому нарушение баланса химических элементов в среде, как это происходит в биогеохимических провинциях, вызывает патологические изменения в организме животных и человека (Л.И. Жук, A.A. Кист, 1990; Ю.Г. Покатилов, 1993). Становится очевидным, что наряду с биогеохимическими эндемиями природного происхождения, следует изучать эндемические болезни, являющиеся реакцией на аномальный состав природной среды, измененной техногенной деятельностью человека — антропобиогеохимические провинции и заболевания (Т.М. Белякова, 1999),ЦИО, iQ6, iu?]*
Использование огромных масс химических элементов, обусловленное техногенезом, пока не сказывается на глобальных циклах химических элементов, поддерживающих целостность биосферы. Но в будущем ряд техногенных процессов может оказать заметное влияние на миграцию элементов в биосфере (блокирование атмосферного азота, окисление серы и углерода, повышение кислотности природных вод), способствуя образованию техногенных провинций в результате изменения биогеохимических циклов отдельных химических элементов и их групп. Несомненно, более глубокого подхода требует и оценка биологических реакций организмов на экстремальные техногенные и природные факторы среды. Для этого кроме клинических, морфологических и биохимических исследований уместно использовать генетический скрининг, включая микросомальное активирование, исследовать мутагенное действие на организмы, в частности на млекопитающих, применять токсикологические и иммунологические методы, [_М2,i i $j №5j 127.7-
Существует несколько классификаций элементов (Ю. Ершов и др., 2000; A.B. Авцын и др., 1991; М. Anke и др., 1999; Бгатов A.B., 1999). В зависимости
16
от функциональной роли элементы делят на: органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S); элементы электролитного фона (Na, К, Са, Mg, СГ). Данные ионы металлов составляют 99% общего содержания металлов в организме; микроэлементы - это биологически активные атомы центры ферментов, гормонов (переходные металлы). По концентрации в организме элементы делят на: макроэлементы; микроэлементы; ультрамикроэлементы. Элементы, содержание которых в организме превышает 0,01 % от массы тела, относят к макроэлементам. К ним отнесены 12 элементов: органогены, ионы электролитного фона и железо. Они составляют 99,99% живого субстрата. Еще более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, Р, Са. Элементы К, Na, Mg, Fe, Cl, S относят к олигобиогенным элементам. Содержание, их колеблется от 0,1 до 1%. Элементы, суммарное содержание которых составляет величину порядка 0,01 %, относят к микроэлементам (Kieffer F., 1990). Содержание каждого из них <0,001 % (10"3-10"5%). Большинство микроэлементов содержится в основном в тканях печени. Это депо микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям (йод - к щитовидной железе (Anke et al., 1994), фтор - к эмали зубов, цинк - к поджелудочной железе, молибден - к почкам и т.д.). Элементы, содержание которых меньше, чем 10"5 %, относят к ультрамикроэлементам. Данные о количестве и биологической роли многих элементов не выяснены до конца. Некоторые из них постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Ti, F, AI, As, Cr, Ni, Sc, Ge, Sn и другие. Биологическая роль их мало выяснена. Их относят к условно биогенным элементам (В.И. Георгиевский и др., 1979; A.B. Скальный, 2004). Другие элементы (Те, Sc, In, W, Re и другие) обнаружены в организме человека и животных, а данные об их количестве и биологической роли не выяснены. Они отнесены к примесным элементам. Примесные элементы делят на аккумулирующиеся (Hg, Pb, Cd) и неаккумулирующиеся (AI, Ag, Go, Ti, F) (Anke et al., 1994). Известны крылатые слова, сказанные немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак: "В каждом булыжнике на мостовой присутствуют
17
все элементы периодической системы". Если согласиться, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то тем более это должно быть справедливо для живого организма, [Z34,2 95,5QSJ¦
Все живые организмы имеют тесный контакт с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме (табл. 1). Поступлению в организм химических элементов способствует питание и потребляемая вода. Организм состоит из воды на 60%, 34% приходится на органические вещества, 6% — на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются С, Н, О, В их состав входят также N, P, S. В составе неорганических веществ обязательно присутствуют 22 химических элемента. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нём содержится (в граммах): Са - 1700, К - 250, Na - 70, Mg - 42, Fe - 5, Zn - 3. На долю металлов приходится 2,1 кг. Содержание в организме элементов IIIA-VIA групп, ковалентносвязанных с органической частью молекул, уменьшается с ростом заряда ядра атомов данной группы периодической системы Д. И. Менделеева. Например, ю(0) > co(S) > co(Se) > co(Fe). Количество элементов, находящихся в организме в виде ионов (s-элементы IA, ПА групп, р-элементы VIIA группы), с ростом заряда ядра атома в группе увеличивается до элемента с оптимальным ионным радиусом, а затем уменьшается. Например, во ПА группе при переходе от Be к Са содержание в организме увеличивается, а затем от Ва к Ra снижается. Элементы-аналоги, имеющие близкое строение атомов, имеют много общего в биологическом действии. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей
должно находиться на определенном уровне (табл. 1). (Ю.А. Ершов и др., 2001),[313,320, 5U^?TСтолько же химических элементов должно выводиться из организма, поскольку их содержание в организме находится в относительном постоянстве.
Классификация, основанная на концентрации элементов в организме проста и удобна, но она даёт ответ на главный вопрос биологической роли элементов. |
