Меню

Известия Академии промышленной экологии, №3, 2004 г

Исследование поведения воды с отрицательным изотопическим сдвигом дейтерия в организме телят

Академик АПЭ, доктор техн. наук В. И. Бадьин1,
академик АПЭ, доктор мед. наук Г. Н. Гастева2,
канд. хим. наук Ю. В. Дробышевский3,
канд. биол. наук С. П. Замана4, доктор с.-х. наук А. В. Соколов4, С. Н. Столбов3, С. И. Усенко5

Головной центр Госсанэпиднадзора ФУ «Медбиоэкстрем» РФ, ГНЦ ИБФ, 3Ассоциация «Союз Чернобыль», 4ВНИИПТИХИМ, 5ВНИИЭФ

Введение

Известно, что при изменении изотопического состава химических соединений происходят изменения параметров химических реакций, в которых эти соединения участвуют. В настоящее время эти эффекты выделены в специальный раздел химии — изотопическую химию, которая занимается изучением таких реакций.

Биологические системы оказались чувствительными к изотопным эффектам, но токсикология глубоко разделенных стабильных изотопов только начинает развиваться.

Наибольший изотопический эффект наблюдается на водороде. Общеизвестно, что химические реакции с участием дейтерия, в отличие от протия, протекают с меньшей скоростью из-за большей энергии активизации [1]. Скорость энзимных реакций с участием протия в 4–5 раз выше, чем с дейтерием [2].

Сформулировано предположение, что обменные процессы жизнедеятельности живых организмов протекают более интенсивно, если химические соединения обогащены легкими изотопами, образующих их элементами [3]. Наиболее сильно этот эффект может проявиться на воде. Во-первых, относительная разница массы изотопов водорода максимальна, а во-вторых, вода является тем основным веществом, которое определяет все процессы жизнедеятельности в организмах.

Обзор литературы, посвященной исследованиям биологического действия воды с изотопическим сдвигом дейтерия, показывает, что отсутствуют данные по исследованию динамики изменения изотопного состава биологических систем при ведении в них воды с измененным изотопическим составом.

Можно предполагать, что изотопический сдвиг различных продуктов, в том числе и воды, как отрицательный, так и положительный, может активизировать или угнетать биохимические процессы в организме. До тех пор, пока не накоплены первичные сведения в области токсикологии продуктов с глубокоразделенными стабильными изотопами, исследовать их на человеке опасно. С другой стороны, существует ряд производств стабильных изотопов, а информация об оценке их экологического действия на окружающую среду и человека отсутствует. Так, например, первым шагом в практическом использовании обедненной дейтерием воды может быть применение ее в рационе персонала на производстве тяжелой воды в качестве профилактического средства.

Нами были проведены измерения динамики снижения содержания дейтерия в организме телят 4-месячного возраста, которых поили водой с пониженным, относительно природного, содержанием дейтерия.

Методика экспериментов

Для эксперимента были отобраны три здоровых теленка 4-х месячного возраста. Каждый из них помещался в отдельное стойло. Перед началом эксперимента у животных были взяты пробы мочи, крови и волосы из кисти хвоста. Животные были измерены для определения живого веса. В течение эксперимента животных кормили сеном (1,5–2 кг/сут.) и комбикормом (2 кг/сут.). Животных поили очищенной водой с известным изотопным сдвигом протий/дейтерий. Характеристики воды приведены в таблицах 1–2.

Для описываемого эксперимента была получена партия воды с известным изотопическим сдвигом, объем которой определялся известной усредненной потребностью в воде телят данного возраста и температурой помещения. Для создания однородного химического состава и изотопного сдвига воды, воду разбавляли бидистиллятом с известным химическим составом. Затем проводили химический и масс-спектрометрический анализ этой воды. Данные приведены в табл. 2.

На второй, пятый и седьмой день эксперимента у животных отбирали мочу и кровь, в которых определяли содержание макро- и микроэлементов, дейтерия, а также креатенина. Каждый день у телят измеряли пульс, частоту дыхания и температуру тела. В течение всего эксперимента за телятами вели наблюдение ветеринарный врач и зоотехник.

Результаты эксперимента

Результаты определения химических элементов, дейтерия в исходной воде, моче и креатенина в моче и сыворотке крови, а также химических элементов в волосяном покрове приведены в табл. 1–6.

Было установлено, что концентрация дейтерия в моче животных до начала эксперимента оказалась примерно равной концентрации дейтерия в воде Московского региона.

Анализируя данные, приведенные в таблицах, можно сделать следующие выводы:

  1. Потребление животными воды, обедненной дейтерием, приводит к изменению изотопного состава воды мочи.
  2. Можно отметить, что потребление животными очищенной воды, приводит к снижению концентрации кальция в моче.
  3. Зарегистрировано уменьшение содержания кальция, магния и кадмия в волосяном покрове.
  4. Произошло увеличение концентрации креатенина в моче и сыворотке крови при сохранении соотношения концентраций кровь/моча.
Таблица 1. Результаты санитарно-микробиологического исследования исходной воды
п/п Тип бактерий Результат
1 ОМЧ при 37°C КОЕ/мл 0
2 ОМЧ при 22°C КОЕ/мл 0
3 Общие колиморфные бактерии в 300 мл Не обнаружено
4 Термотолерантные колиморфные бактерии в 300 мл Не обнаружено
5 Глюкозоположительные колиморфные бактерии в 300 мл Не обнаружено
6 Pseudomonas aeruginosa в 1000 мл Не обнаружено
Таблица 2. Результаты масс-спектрометрического и химического анализа образцов воды, которой поили телят
Элемент Содержание, мг/л
Na 0,0089
Ca 0,15
K 0,028
Mg 0,07
Fe 0,08
Al 0,006
Br 0,0026
Sr 0,0042
Si 0,02
Элемент Содержание, мг/л
V 0,0001
Cr 0,0002
Co 0,00006
As 0,00005
Se 0,0001
Mo 0,0003
Cd 0,00005
Sn 0,000070
Mn 0,002
Элемент Содержание, мг/л
Sb 0,000120
Ba 0,0010
Hg 0,000015
Cu 0,001
Pb 0,00003
Ni 0,002
Zn 0,009
Ti 0,000068
Изотопный сдвиг, SA(SMOW), ‰ -105, 18±0,06

SA(SMOW), ‰ = (Обр[Ppm]/(SMOW)–1)×1000, SMOW=155,78 Ppm

Таблица 3. Результаты масс-спектрометрического анализа образцов мочи на содержание дейтерия

п/п
Время, сутки Животное Изотопный сдвиг, SA(SMOW), ‰ Ст. ошибка измерения Концентрация дейтерия, Ppm
1 0 1 -63,24 0,14 145,95
2 2 -65,45 0,10 145,60
3 3 -66,98 0,14 145,36
4 2 1 -67,58 0,08 145,27
5 2 -70,75 0,14 144,78
6 3 -71,57 0,18 144,65
7 5 1 -72,64 0,15 144,48
8 2 -72,74 0,09 144,47
9 3 -72,80 0,22 144,46
10 7 1 -74,60 0,13 144,18
11 2 -77,15 0,14 143,78
12 3 -80,43 0,14 143,27
Таблица 4. Результаты химического анализа мочи

п/п
Время,
сутки
Животное Na
мг/л
K
мг/л
Ca
мг/л
Mg
мг/л
Mn
мг/л
Fe
мг/л
Zn
мг/л
Cu
мг/л
1 0 1 1 130 9 670 81 365 0,06 0,58 0,03 <0.01
2 2 1 680 5 820 106 315 0,03 0,20 0,026 <0,01
3 3 390 2 280 46 62 0,01 0,01 0,026 <0,01
4 2 1 105 11 950 34 385 0,04 0,53 0,15 н/о
5 2 343 7 650 84 302 0,03 0,20 0,04 н/о
6 3 1 180 5 725 182 357 0,04 0,18 0,05 н/о
7 5 1 275 10 650 23 517 0,03 0,41 0,09 <0.01
8 2 1 000 6 250 33 400 0,02 0,20 0,10 <0.01
9 3 195 1 840 20 60 <0,001 0,06 0,09 <0.01
10 7 1 1 300 8 380 38 615 0,06 0,61 0,14 н/о
11 2 770 6 420 38 415 0,04 0,30 0,12 н/о
12 3 700 6 300 92 325 0,025 0,21 0,08 н/о
Таблица 5. Результаты измерения креатинина

п/п
Время, сутки Животное Сыворотка, мкмоль/л Моча, мкмоль/л
1 0 1 94,0 9,96
2 2 99,0 7,56
3 3 88,9 3,20
4 7 1 131,9 11,4
5 2 139,0 8,2
6 3 128,0 7,9
Таблица 6. Результаты анализа содержания химических элементов в волосяном покрове, мг/кг
Эле­мент Теленок №1 Теленок №2 Теленок №3
До экс­пе­ри­мен­та Пос­ле экс­пе­ри­мен­та До экс­пе­ри­мен­та Пос­ле экс­пе­ри­мен­та До экс­пе­ри­мен­та Пос­ле экс­пе­ри­мен­та
Натрий 567 941 724 669 280 831
Калий 938 1 638 1 600 1 100 1 800 1 550
Магний 250 180 440 150 320 120
Кальций 790 590 1 610 490 1 440 500
Стронций 8,5 7 25 5,5 24 4
Кадмий 0,11 0,07 0,061 0,032 0,062 0,036
Цинк 150 129 163 159 144 131
Медь 9,5 8,5 8 9 8,5 8,5
Марганец 10,5 7 31 8 26 3
Железо 15 14,5 17 16 14 14,5
Никель 0,53 1,62 0,47 0,38 1,69 1,4
Кобальт 0,03 0,01 0,01 0,07 0,015 0,02

Обсуждение результатов. Закономерности изменения изотопного состава воды организма животного при потреблении воды, обедненной дейтерием

Как видно из экспериментальных данных, приведенных в табл. 3, при потреблении воды, обедненной дейтерием, у всех животных наблюдается уменьшение концентрации дейтерия в моче. Кривые изменения концентрации дейтерия в моче от времени достаточно удовлетворительно спрямляются в полулогарифмическом масштабе.

Рис. 1. Зависимости изменения концентрации дейтерия в моче животных от времени поения водой с отрицательным изотопическим сдвигом, даны в полулогарифмическом масштабе. Квадратами отмечены экспериментальные точки, сплошные прямые — аппроксимация функцией ln(Ppm) = b-c×τ

На рис. 1 представлены графики изменения концентрации дейтерия в моче в полулогарифмическом масштабе. Статистическая обработка данных показывает, что усредненный коэффициент корреляции составляет 0,95.

Интерполяция данных показывает, что закономерность изменения концентрации дейтерия в организме животного можно удовлетворительно описать экспоненциальным уравнением типа

где: Ppm(τ) — концентрации дейтерия в моче, τ — текущее время эксперимента, A, b, с — константы.

Такая обработка данных позволила перейти к следующей, довольно простой модели изменения концентрации дейтерия в организме животного.

Приняты следующие положения:

  1. Вода в организм животного поступает:
    • питьевая вода — обеднена дейтерием;
    • вода, содержащаяся в корме — с природным содержанием дейтерия.
  2. Вода из организма животного выводится:
    • с мочой — измеряемый параметр;
    • с калом и потом;
    • с выдыхаемым воздухом.
  3. Общее содержание воды в организме пропорционально массе животного.
  4. Организмом животного поддерживается водный баланс, т.е. объем поступившей в организм воды равен объему удаленной из организма воды.

Рис. 2. Схема водного баланса животного

На рис. 2 графически представлена схема модели.

Изменение концентрации дейтерия в организме животного во времени в соответствии с рассматриваемой моделью можно описать следующей системой уравнений.

где: С — текущая концентрация дейтерия в организме, С0 — концентрация дейтерия в воде, которую животное пьет, G0 — объем выпиваемой воды, G0k — объем воды, содержащейся в корме, С0k — концентрация дейтерия в воде корма, Gv — объем воды, выдыхаемой с воздухом, Gm — объем воды в моче, Gkal — объем воды кала и пота, M — общий объем воды в организме животного, a и b — константы.

Данная система уравнений решалась в универсальной интегрированной среде Mathcad 2000 Pro.

Удалось получить решение системы, которое достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Данные расчетов с наложенными на них экспериментальными точками представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости изменения концентрации дейтерия в организме животных от времени поения водой с отрицательным изотопическим сдвигом

Потребление воды G0 — 10 л/сут., масса теленка M1 — 105 kg, принято содержание воды в массе животного — 65%, принят изотопный сдвиг воды в выдыхаемом воздухе — 16 Ppm

Потребление воды G0 — 13 л/сут., масса теленка M2 — 111 kg, содержание воды в массе животного — 65%, изотопический сдвиг воды в выдыхаемом воздухе — 16 Ppm

Потребление воды G0 — 17 л/сут., масса теленка M3 — 128 kg, содержание воды в массе животного — 65%, изотопический сдвиг в выдыхаемом воздухе — 16 Ppm

Как видно из графиков, представленных на рис. 3, экспериментальные данные достаточно удовлетворительно коррелируют с предложенной моделью. Если принять за основу эту достаточно грубую, но простую модель, то можно на основании ее сделать следующие выводы:

Потребление животным воды с измененным изотопическим составом приводит к быстрому изменению изотопного состава всех жидких сред организма, т.е. организм животного можно представить как химический реактор идеального смешения.

Прежде чем вода выводится из организма, она многократно обменивается и перемешивается.

В соответствии с моделью сделан вывод, что вода, выделяемая с мочой, калом и потом имеет тот же изотопический сдвиг, что и вся вода в организме, а вода, выдыхаемая легкими, имеет отрицательный изотопический сдвиг относительно воды организма [или ткани растущего организма поглощают воду обедненную дейтерием).

Биохимические эффекты, сопровождающие изменение дейтерия в организме животных

При исследовании поведения воды, обедненной дейтерием, в организме животных попутно были зафиксированы следующие эффекты.

  1. Зарегистрировано уменьшение содержания кальция, магния и кадмия в волосах, причем уменьшение содержания этих элементов происходит достаточно быстро (в течение нескольких дней). К сожалению, однозначной трактовки, что явилось причиной этого — уменьшение концентрации дейтерия в воде или чистота воды, авторы дать пока не могут.
  2. У животных зарегистрировано увеличение концентрации креатинина в моче и сыворотке крови при сохранении соотношения концентраций кровь/моча.

Креатинин, ангидрид креатина, образуется, главным образом, в мышцах в результате необратимой неферментативной дегидратации и дефосфорилирования креатинфосфата. Суточное выделение креатенина с мочой постоянно и пропорционально объему общей мышечной массе. Креатинин является хорошим индикатором работы почек.

Креатинфосфат относится к числу высокоэнергетических фосфатов, содержащихся в мышцах и обеспечивает необходимую концентрацию аденозинтрифосфата в период его быстрого расходования как источника энергии для мышечных сокращений. Можно предположить, что потребление животными обедненной дейтерием воды приводит к активизации энергетических биохимических циклов, в которых участвует креатинфосфат и АТФ.

Нами было замечено, что телята, пившие воду, обедненную дейтерием, отличались от обычных телят резвостью и высокой подвижностью.

В заключение авторы выражают большую признательность и благодарят Дубинину Е. О. из ИГЕМа РАН за проведение масс-спектрометрических анализов и Шахпендерян Е. А. из МГУ за проведение химических анализов мочи животных.

Список литературы

  1. Simonyi Miklos and Fitos Ilona: Hydrogen Isotope Effect in Chemical Reactions. (Recent Results in Chemistry) 46, 8–129 (1980)
  2. Biochem. Pharmacol. 30, 3089–3094 (1981)
  3. Бадьин В. И., Дробышевский Ю. В. и др. Отчет о НИР «Разработка препарата и способа его получения для стимуляции жизнедеятельности организма», Фирма «Мед-Чернобыль», 1993 г.