Russian Federation
Cel' issledovaniya – raschet referentnyh intervalov koncentracii mikroelementov v semennikah bychkov s uchetom vliyaniya paratipicheskih faktorov. Ob'ekt issledovaniya – koncentraciya cinka, zheleza i marganca v semennikah bychkov gerefordskoy porody, razvodimyh na territorii Krasnozerskogo, Maslyaninskogo i Novosibirskogo rayonov Novosibirskoy oblasti i Celinnogo rayonov Altayskogo kraya. Proby semennikov otobrany ot 31 klinicheski zdorovogo zhivotnogo v vozraste 16–18 mesyacev. Opredelenie koncentracii himicheskih elementov v probah osuschestvlyali s pomosch'yu metoda atomno-absorbcionnoy spektrometrii s elektrotermicheskoy atomizaciey. Gomogennost' dispersiy v gruppah ocenivali s pomosch'yu kriteriya Flignera-Kilina. Metodom Kraskela-Uollisa vyyavlyali vliyanie paratipicheskih faktorov. Mezhgruppovye sravneniya osuschestvlyali s primeneniem testa Danna s popravkoy Holma. Mediannye znacheniya soderzhaniya cinka, marganca i zheleza v semennikah skota nahodilis' v intervale 11,9–15,4, 0,35–0,50 i 16,4–26,1 mg/kg sootvetstvenno. Uroven' fenotipicheskoy izmenchivosti soderzhaniya izuchennyh mikroelementov u bychkov iz Maslyaninskogo rayona byl znachitel'no vyshe, chem u skota iz drugih rayonov. Gruppovye dispersii po koncentracii cinka v semennikah bychkov – gomoskedastichny (χ2 = 5,42; R = 0,14). Vyyavleno vliyanie paratipicheskih faktorov na uroven' cinka v semennikah zhivotnyh (N = 16,35; p < 0,001). U bychkov iz Maslyaninskogo rayona koncentraciya cinka v semennikah statisticheski znachimo vyshe, chem u zhivotnyh iz drugih rayonov (p < 0,05). Referentnyy diapazon soderzhaniya marganca i zheleza v semennikah gerefordskogo skota, razvodimogo v usloviyah yuga Zapadnoy Sibiri, sostavlyaet 0–0,959 i 8,72–37,19 mg/kg sootvetstvenno. Poluchennye znacheniya mogut ispol'zovat'sya v kachestve fiziologicheskoy normy dlya skota gerefordskoy porody.
cattle, Hereford breed, testes, manganese, iron, zinc
Введение. При высоких концентрациях эссенциальные химические элементы – железо, цинк, марганец и другие – могут продуцировать токсические эффекты [1, 2]. Их воздействие на организм зависит не только от их концентрации, но и от структуры, растворимости, формы, способности образовывать окислительно-вительные комплексы [3, 4]. Основной причиной их токсического воздействия на организм являются нарушения внутриклеточных метаболических процессов. Среди этих нарушений можно выделить повреждение ДНК, перекисное окисление липидов, белков из-за повышенного окислительного стресса, повреждения митохондрий и апоптоза [5–7].
Экспериментальные исследования на животных показали, что тяжелые металлы в повышенных концентрациях являются репродуктивными токсикантами [4, 8]. Они накапливаются в семенниках и их придатках, вследствие чего повреждаются эндокринная и репродуктивная системы [9]. Установлено, что различные повреждения, такие как снижение количества сперматозоидов, их подвижности, жизнеспособности, уровня тестостерона, активности антиоксидантных ферментов и сперматогенной функции, а также увеличение аномальной скорости сперматозоидов, перекисное окисление липидов и апоптоз, происходят в результате токсического воздействия тяжелых металлов на семенники [10, 11]. Кроме того, во многих исследованиях прямого воздействия тяжелых металлов пероральным, парентеральным или ингаляционным путем на лабораторных животных было продемонстрировано, что это негативно влияет на репродуктивную систему самцов [12, 13]. Необходимо проявлять особую осторожность при распространении результатов экспериментов с лабораторных на сельскохозяйственных животных из-за межвидовых различий в динамике развития эффектов и других видовых особенностей репродуктивной системы [14, 15].
Степень проявления симптомов сильно зависит от способа, дозы, стадии, типа, продолжительности воздействия металлов на репродуктивную систему [16]. Гомеостаз микроэлементов также жизненно важен для развития тканей, которые могут быть разрушены точечным воздействием высоких доз тяжелых металлов [17]. Повышенная концентрация микроэлементов в семенной плазме может снизить плотность, подвижность и морфологию сперматозоидов [2, 18, 19].
Цель исследования – рассчитать референтные содержания микроэлементов в семенниках бычков с учетом влияния паратипических факторов.
Материал и методы. Для исследования были отобраны пробы семенников (m = 100 г) от бычков герефордской породы в возрасте 16–18 месяцев, выращенных на территории Целинного района (n = 4) Алтайского края и Новосибирском (n = 6), Краснозерском (n = 4) и Маслянинском (n = 17) районах Новосибирской области. Животные содержались в типовых условиях промышленного комплекса с соблюдением зооветеринарных требований (ГОСТ 32855-2014, ГОСТ Р 52254-2004, ГОСТ 26090-84). По данным предубойного осмотра животные были клинически здоровы. Отбор образцов для анализа проводили сразу после забоя.
Определение концентрации железа (Fe), марганца (Mn) и цинка (Zn) осуществляли методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией на спектрометре МГА-1000.
Статистический анализ выполнен в среде статистического программирования R. Для описания признаков использованы робастные статистики из-за малого количества наблюдений в группах: медиана (Me), минимальное и максимальное значение (Min, Max), первая и третья квартили (Q1, Q3) и интерквартильный размах (IQR). Гомогенность дисперсий оценивали с помощью теста Флигнера-Килина. Оценку влияния фактора проводили с помощью критерия Краскела-Уоллиса. Пост-хок анализ выполняли методом Данна с поправкой Холма. Расчет референтных интервалов проводили робастным методом с использованием бутстрэппинга для получения скорректированных и несмещенных интервалов [20].
Результаты и их обсуждение. Данные по содержанию тяжелых микроэлементов в семенниках бычков герефордской породы в зависимости от района представлены в таблице 1. У скота из Маслянинского района концентрация цинка в семенниках была выше, а уровень железа и марганца ниже, чем у животных из других районов. У бычков из Маслянинского района уровень фенотипической изменчивости был значительно выше, чем у скота из других районов. Минимальная изменчивость концентрации химических элементов характерна для скота из Целинного района. В среднем фенотипическая изменчивость уровня цинка и марганца была ниже, чем железа.
Таблица 1
Содержание микроэлементов в семенниках бычков герефордской породы, мг/кг
|
Показатель |
Район |
Me |
Min |
Max |
Q1 |
Q3 |
IQR |
|
Fe |
Краснозерский |
26,1 |
22,8 |
32 |
23,6 |
30,1 |
6,49 |
|
Маслянинский |
16,4 |
5,7 |
38,9 |
12,2 |
28,1 |
15,9 |
|
|
Новосибирский |
28,5 |
25,2 |
34,2 |
25,3 |
30,2 |
4,88 |
|
|
Целинный |
21,1 |
19,9 |
23,6 |
19,9 |
23 |
3,07 |
|
|
Mn |
Краснозерский |
0,5 |
0,49 |
0,5 |
0,49 |
0,5 |
0,01 |
|
Маслянинский |
0,35 |
0,2 |
1,73 |
0,3 |
1,14 |
0,84 |
|
|
Новосибирский |
0,5 |
0,4 |
0,6 |
0,49 |
0,51 |
0,02 |
|
|
Целинный |
0,5 |
0,5 |
0,51 |
0,5 |
0,51 |
0,01 |
|
|
Zn |
Краснозерский |
12,9 |
11,5 |
13,7 |
11,8 |
13,6 |
1,74 |
|
Маслянинский |
15,4 |
8,4 |
18,8 |
15,1 |
16 |
0,94 |
|
|
Новосибирский |
12,9 |
11,8 |
14,3 |
11,9 |
14,1 |
2,22 |
|
|
Целинный |
11,9 |
11,2 |
12,1 |
11,4 |
12,1 |
0,61 |
Концентрация тяжелых металлов в семенниках крупного рогатого скота в настоящее время недостаточно изучена. Ранее нами на малой выборке были получены данные по концентрации кадмия, свинца и меди в семенниках бычков [21]. Однако в литературе не было найдено данных о содержании цинка, железа и марганца в семенниках крупного рогатого скота. Возможно, это связано с тем, что семенники быков очень ограниченно используются в пищу. Кроме того, нормативные документы не содержат данных о нормировании этих микроэлементов в субпродуктах.
Одна из задач исследования – выявление влияния паратипических факторов на уровень химических элементов в семенниках. Несмотря на гомогенность дисперсий в группах по уровню цинка, оценку влияния эколого-географического фактора проводили с помощью критерия Краскела-Уоллиса (табл. 2), так как некоторые группы были малочисленными и характер распределения признака в них не соответствовал нормальному (p < 0,05). По результатам анализа видно, что уровень марганца не различался в изученных районах, напротив, очевидно, что концентрация цинка значительно зависит от паратипических факторов.
Таблица 2
Оценка гомоскедастичности дисперсий ТМ в легких скота методом Флигнера-Килина
|
Показатель |
df |
*χ2 |
p |
**H |
p |
|
Цинк |
3 |
5,42 |
0,14 |
16,35 |
< 0,001 |
|
Железо |
3 |
8,71 |
0,03 |
7,86 |
0,05 |
|
Марганец |
3 |
12,98 |
0,01 |
1,6 |
0,66 |
* – хи-квадрат Флигнера-Килина; ** – статистика Краскела-Уоллиса.
Апостериорный анализ показал, что нет достаточных оснований отклонять нулевую гипотезу в отношении различий по уровню железа и марганца в семенниках скота, разводимого в изученных районах. Установлено, что концентрация цинка в семенниках бычков из Маслянинского района значительно выше, чем у животных из других районов (табл. 3). В свою очередь, уровень цинка в семенниках бычков из Краснозерского, Новосибирского и Целинного районов был схожим. Можно предположить, что данные различия обусловлены высокой фенотипической изменчивостью уровня цинка у животных из Маслянинского района. Необходимо продолжать мониторинг уровня цинка у скота на больших популяциях и выявить отдельные факторы, влияющие на его изменчивость.
Таблица 3
Межгрупповое сравнение районов по содержанию цинка в семенниках бычков
|
Районы |
Z-статистика |
|
|
Краснозерский – Маслянинский |
2,52 |
0,024 |
|
0,17 |
0,43 |
|
|
Маслянинский – Новосибирский |
2,71 |
0,017 |
|
Краснозерский – Целинный |
0,52 |
0,6 |
|
Маслянинский – Целинный |
3,17 |
0,005 |
|
Новосибирский – Целинный |
0,74 |
0,69 |
Уровень марганца и железа значимо не различался у животных в изученных районах, поэтому их можно объединить в одну группу для расчета референтных интервалов. Полученные диапазоны с доверительными интервалами для нижней и верхней границ представлены в таблице 4.
Таблица 4
Референтные интервалы с 90 % доверительными интервалами (ДИ)
для содержания тяжелых металлов в легких герефордского скота, мг/кг
|
Показатель |
Референтный интервал |
Верхний предел 90 % ДИ |
|
|
Mn |
0–0,959 |
0,782–1,174 |
|
|
Fe |
8,72–37,19 |
4,31–12,47 |
34,31–41,27 |
Если сравнивать полученные референтные интервалы содержания железа и марганца, то очевидно, что их концентрации в семенниках значительно ниже. Так, в почках, печени, мышечной ткани и волосе концентрация железа и марганца в 2–8 раз выше, а в селезенке – более чем в 5–20 раз [22]. Кроме того, при расчете референтных интервалов уровня химических элементов в органах и тканях животных необходимо учитывать влияние комплекса генетических и паратипических факторов [14, 23].
Заключение. В ходе исследования установлено существенное влияние паратипических факторов на концентрацию цинка в семенниках герефордского скота. Уровень цинка в семенниках бычков из Маслянинского района на 16–23 % выше, чем в Новосибирском, Краснозерском и Целинном районах. Не выявлено различий между показателями содержания марганца и железа в семенниках животных в изученных районах. Наибольшая фенотипическая изменчивость концентрации микроэлементов в семенниках характерна для животных из Маслянинского района. Полученные референтные значения содержания марганца и железа в семенниках можно рассматривать в качестве физиологической нормы. В перспективе необходимо продолжить изучение содержания микроэлементов в органах и тканях крупного рогатого скота и разработать референтные значения для них.
1. Kochkarev P.V., Mihaylov V.V. Kompleksnyy analiz soderzhaniya tyazhelyh metallov v organah i tkanyah dikogo severnogo olenya (Rangifer tarandus L. 1758) // Vestnik KrasGAU. 2016. № 8. S. 21–27.
2. Detrimental effects of long-term exposure to heavy metals on histology, size and trace elements of testes and sperm parameters in Kermani Sheep / A.H. Heidari [et al.] // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021. Vol. 207. P. 111563.
3. De Palma G., Ortiz A., Apostoli P. Effects of metallic elements on reproduction and development // Handbook on the Toxicology of Metals // Academic Press. 2022. P. 565–592.
4. Changes in heavy metal levels, reproductive characteristics, oxidative stress markers and testicular apoptosis in rams raised around thermal power plant / S.A. Akarsu [et al.] // Theriogenology. 2022. Vol. 179. P. 211–222.
5. Melner M.H., Abney T.O. The direct effect of 17β-estradiol on LH-stimulated testosterone production in hypophysectomized rats // Journal of Steroid Biochemistry. 1980. Vol. 13. № 2. P. 203–210.
6. The footprints of oxidative stress and mitochondrial impairment in arsenic trioxide-induced testosterone release suppression in pubertal and mature F1-male Balb/c mice via the downregulation of 3β-HSD, 17β-HSD, and CYP11a expression / M.M. Ommati [et al.] // Biological trace element research. 2020. Vol. 195. P. 125–134.
7. Disorders of the reproductive health of cattle as a response to exposure to toxic metals / M. Wrzecinska [et al.] // Biology. 2020. Vol. 10 (9). P. 882.
8. Kumar N., Singh A.K. Impact of environmental factors on human semen quality and male fertility: a narrative review // Environmental Sciences Europe. 2022. Vol. 34. P. 1–13.
9. Verma R., Vijayalakshmy K., Chaudhiry V. Detrimental impacts of heavy metals on animal reproduction: A review // J. Entomol. Zoo. Stud. 2018. Vol. 6. P. 27–30.
10. Are serum zinc and copper levels related to semen quality? / L. Yuyan [et al.] // Fertility and sterility. 2008. 89 (4). P. 1008–1011.
11. Guvvala P.R., Ravindra J.P., Selvaraju S. Impact of environmental contaminants on reproductive health of male domestic ruminants: a review //Environmental Science and Pollution Research. 2020. Vol. 27. P. 3819–3836.
12. Batra N., Nehru B., Bansal M.P. The effect of zinc supplementation on the effects of lead on the rat testis // Reproductive toxicology. 1998. T. 12, № 5. S. 535–540.
13. Epigenetic dysregulation of Mdr1b in the blood-testis barrier contributes to dyszoospermia in mice exposed to cadmium / Y. Fang [et al.] // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2020. Vol. 190. P. 110–142.
14. Effects of exposure to environmental chemicals during pregnancy on the development of the male and female reproductive axes / M. Bellingham [et al.] // Reproduction in domestic animals. 2012. Vol. 47. P. 15–22.
15. Mezhvidovye razlichiya po koncentracii tyazhelyh metallov v proizvodnyh kozhi zhivotnyh / K.N. Narozhnyh [i dr.] // Fundamental'nye issledovaniya. 2015. № 2(26). S. 5815–5819.
16. Apostoli P., Catalani S. Effects of metallic elements on reproduction and development // Handbook on the Toxicology of Metals. Academic Press, 2015. P. 399–423.
17. Flora S.J.S., Mittal M., Mehta A. Heavy metal induced oxidative stress & its possible reversal by chelation therapy // Indian Journal of Medical Research. 2008. Vol. 128. № 4. P. 501–523.
18. Meligy A.M.A., Waheed M.M., El-Bahr S.M. Effect of heavy metals arsenic, cadmium, and lead on the semen variables of dromedary camels (Camelus dromedarius) // Animal reproduction science. 2019. Vol. 208. P. 106–115.
19. Relation of seminal plasma trace mineral in the Arabian stallion’s semen with the semen characteristics and subsequent fertility / M.M. Waheed [et al.] // Heliyon. 2022. Vol. 8(10). P. e11128.
20. Efron B., Tibshirani R.J. An introduction to the bootstrap, Boca Raton: CRC press, 1994. 456 p.
21. Narozhnyh K.N. Soderzhanie nekotoryh tyazhelyh metallov v semennikah bychkov gerefordskoy porody // Sb. nauch. tr. SWorld. 2013. T. 42, № 1. S. 24–26.
22. Puls R. Mineral Levels in Animal Health. Diagnostic data. Columbia: Sherpa International, 1988. 168 p.
23. Influence of anthropogenic pollution on interior parameters, accumulation of heavy metals in organs and tissues, and the resistance to disorders in the yak population in the Republic of Tyva / O.I. Sebezhko [et al.] // Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. 2017. Vol. 9 (9). P. 1530.
