Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции. Учебное пособие

группы: алюмосиликаты, бериллосиликаты и др., соединяясь с кремнекислородными тетраэдрами не вершинами, а рёбрами.

Катионы,входящиевсоставвысококремнистыхсоединений, разделяются на две группы: малые катионы – Mg 2, Al 3, Fe 2, Mn 2 и др.; крупные катионы – К+, Na+, Ca 2+, Ba 2, Sr 2+.

Свойства высококремнистых минералов определяются, прежде всего, типом кремнекислородного тетраэдра, твёрдостью, слоистостью, пористостью, плотностью, размером частиц. Цвет большинства минералов определяется ионами железа Fe 2 (зелёный), Fe 3 (бурый, красный, жёлтый), Fe 2+ и Fe 3+ (синий и др.).

В. И. Вернадский считал, что кремний в мироздании обладает исключительным значением. В периодической системе Д. И. Менделеева Si занимает № 14 с атомной массой 28,085. За рубежом его называют силицием (silex).

Кремний широко распространён в природе и его часто называют королём неорганического мира. Из соединений кремния состоит большая часть земной коры в виде устойчивых соединений в основном двуокиси кремния SiO2 и его гидратов в виде силикатов и алюмосиликатов. Основу всех этих природных соединений кремния составляют его атомы, симметрично окружённые четырьмя атомами кислорода. Размер атома кремния составляет 0,24 нм. Если в этом тетраэдре все атомы кислорода связать с атомами водорода, то получится ортокремниевая кислота.

Двуокиськремниявстречаетсявприродеввидеминералов кварца и значительно реже тридимита и кристобалита, построена из кремнекислородных тетраэдров, образующих трёхмерный каркас.

Из кварца состоят песчаники и кварциты. Кварц входит также в состав многих горных пород: гранитов, пегматитов и т. д. В силикаты включаются атомы различных элементов (алюминия, магния, кальция, железа и др.).

151

Растворы кремниевых кислот в природе образуются за счёт растворения в воде аморфного кремнезёма. Содержание их в растворах незначительное – в пределах 0,01 %. Кислоты эти неустойчивы и легко конденсируются с выделением воды и двуокиси кремния. Следует отметить, что эти соединения могут образовывать коллоидные растворы (золи), состоящие из мельчайших частиц гидрированного кремнезёма, связанного с ионизированной кремниевой кислотой.Золилегкопревращаютсявгели.Кслоистымсиликатам относятся все семейства глин.

Впрошлом столетии начали синтезировать органическиесоединениякремния.Понекоторымсвойствамониоказывались резко отличающимися от природных кремнезёма

исиликатов. Изучение таких веществ привело к появлению нового поколения соединений кремния – полимерных кремнийорганических материалов, которые нашли применение в промышленности, электротехнике и космонавтике.

Вновых полученных материалах удалось объединить два элемента: кремний – важнейший элемент неорганического мира и углерод, являющийся основой всего живого. Полученные кремнийорганические соединения сочетают лучшие свойства силикатов (химическая устойчивость, эластичность и растворимость).

Водоотталкивающие кремнийорганические покрытия широко используются для повышения водоустойчивости в строительстве, водозащитной одежде.

Вприроде все живые существа находятся в постоянном контакте с естественными и искусственными соединениями кремния. В организм животных, например овец, ежедневно поступает с кормом до 40 г кремнезёма, человека – 0,5–1 г кремния, а содержание его в теле человека не более 9–10 г.

Всвязисэтиммногимиучёнымиданномуэлементунеуделяется внимания, они считают кремний инертным иненужным

152

веществом в обменных процессах человека и животных. По нашему мнению, такой подход является ошибочным.

В. И. Вернадский считал, что ни один живой организм не может существовать без кремния.

Учеными кремний обнаружен практически во всех живыхорганизмах.Поуровнюегосодержанияживыеорганизмы делятся на три группы:

1)содержащие кремния более 10 %;

2)богатые кремнием – 1–2 %;

3)обычные, содержащие кремния 0,1–0,001 %.

В далеком прошлом на земле существовали организмы с кремниевым скелетом. Утилизация кремния осуществлялась живыми организмами уже более 600 млн лет назад. Большинство кремниевых организмов принадлежит к классу низших живых существ (простейших, обитающих в морской воде). К ним относятся как простейшие растения – водоросли, так и низшие животные – фораминиферы, радиолярии, кремниевые губки и солнечники. Все они извлекаюткремнийизморскойводыинакапливаютвтвердых тканях (панцирях, скелетах, спикулах).

Содержание кремния в твердых тканях диатомей, кремниевых губках 4,0–7,0 % против 0,1–0,8 % у моллюсков. В костях млекопитающих кремния около 0,1 %.

Диатомеи являются одним из самых распространенных на земном шаре микроорганизмов, их насчитывается около 20 тыс. видов. Это микроскопические одноклеточные существа размером 0,75–1500 мкм. Диатомовые водоросли обитают не только в морях и океанах, но и в сырой почве, на прибрежных песках и скалах.

Большие залежи диатомитов обнаружены в Западной Сибири, Забайкалье, Таймыре, Чукотке, Карелии и т. д.

Заметноеместовперечнекремниевыхорганизмовзанимают одноклеточные морские существа – фораминиферы. Кремнезем, из которого состоит их раковина, является опа-

153

лом. Радиолярии – один из самых древнейших видов живых организмов на нашей планете, имеющих размер от 40 мкм до1мм.Изостатковскелетоврадиоляриисостоятогромные залежи радиоляриевого ила на дне морей и океанов.

К группе высококремнистых организмов относятся также губки, которые содержат в золе более 95 % кремнезема. Из скелета губок образуются осадочные породы – спонгилиты и опоки.

Кремний играет важную роль в жизнедеятельности солнечников, амеб, инфузорий и многих других простейших, составляющих основную массу зоопланктона (Воронков М. Г., Кузнецов И. Г., 1984).

Следует отметить, что кремний выполняет важные функции в жизни лишайников и грибов, содержащих до 10–17 % кремнезема.

Кремний является циклическим элементом, совершающим непрерывный круговорот в природе. Миллионы тонн этого элемента находятся в непрерывном движении в геохимической миграции, – писал В. И. Вернадский.

Главную роль в круговороте кремния выполняют низшие классы организмов и растения, поглощающие его из окружающей среды и возвращающие в измененном виде послежизни.Вкруговоротеучаствуютмлекопитающие,однако незначительно, в частности грызуны.

Важную роль в геохимии кремния играют силикатные бактерии, разрушающие силикаты, высвобождая кремнезем, калий, фосфор и другие минеральные соединения.

3.5.2. Кремний и нанотехнологии в биологических системах

За последние годы проводятся многочисленные исследования по изучению нанотехнологий в применении к микро- и микробиологическим наукам. Проведение исследований в данном направлении является актуальным и давно

154

назрело. Необходимо разрабатывать методологические вопросы по терминологии, систематизации нанотехнологий биологической направленности.

Исследования В. В. Потапова (2003) по гидротермальному кремнезему показывают, что кремнезем в термальной воде находится в виде полимерных структур, представляющихсобойсферическиеобразования(коллоидныечастицы), которые имеют радиус от 7,2 до 34 нм. Такая форма кремнезема позволяет активно взаимодействовать с мембранами биологическихобъектовипроникатьвнутрьклеток.Однако нарастание концентрации кремния внутри биологических объектов имеет свои пределы, которые задаются физиологическими особенностями конкретных объектов и химическим составом внутриклеточной жидкости.

Одним из направлений нанобиотехнологии является разработка методов и способов привнесения искусственных наночастиц различных материалов в живые системы. Данная область представляет собой перспективное направление использования кремния в различных технологиях и механизмах транспортировки, посредством которых будет доставляться в необходимый орган живого организма.

Литофагия, или камнеедение («литос» – камень, «фагос» – пожирание), в животном мире явление столь же широко распространённое, как и обычное питание. Но она всё ещё остаётся за пределами внимания учёных, всё ещё не нашла должной научной оценки. Правда, в народной и официальной медицине некоторые камни употребляются как лечебное средство (Паничев А. М., 1990).

Термин «литофагия» в науку был введен П. Л. Дравертом – крупным сибирским геологом и известным поэтом в 1922 г. Отметив литофагию среди волков, северных оленей, лосей, куланов как явление самолечения (автотерапию), Драверт привёл примеры камнеедения и среди людей

155

различных континентов, предположив, что литофагия есть результат деградации голодных людей или прихоть отдельных гастрономов-любителей. Но вот что интересно. Во многих районах мира, названных Петром Людвиговичем, где камнеедение особенно широко распространено у людей, нынеоткрытыместорожденияминеральногосырья,обладающего сорбционными и ионообменными свойствами: цеолитизированные туфы, монтмориллонитовые, каолиновые глины и др.

Можно привести ещё много примеров «солонцевания» диких животных. Исследователей ставит в тупик вопрос: какова причина поедания животными несолёных пород? Сегодня необходимым дополнением для удовлетворения физиологических нужд животных считается только натрий, отсутствующий в пище в достаточных количествах. Но, не обнаружив в водных вытяжках солонцовых пород хлористого натрия, исследователи делают предположения о возможной нехватке в организме каких-то других элементов. Называют кобальт, радий, фосфор, просто «микроэлементы», есть даже попытки «обвинить» животных в испорченных потребностях (если потребляются грязные воды, моча, зола).

Литературных примеров камнеедения привести можно множество, но и указанных хватит, чтобы понять недостаточность наших знаний о причинах литофагии.

При первых же исследованиях было установлено, что на зверовых природных солонцах или вблизи них немало экскрементов животных, состоящих в той или иной мере (нередко полностью) из каменного материала, по внешним признакам не отличающегося от материала «солонцовых» пород. Это навело на мысль провести сопоставительные анализы поедавшихся пород (вход) и минеральной части экскрементов (выход).

156

На побережье Байкала изюбры «солонцуются» разуплотненными при выветривании метаморфическими сланцами, состоящими из тонкого кварца, гидрослюд, хлоритов, амфиболов, плагиоклазов (альбит), карбонатов кальция

имагния. Предпочитают животные кварц-гидрослюдистые разновидности пород.

На Алтае, в районе Телецкого озера, лоси и маралы поедают продукты тонкой дезинтеграции древних сланцев пород, представленных биотитплагиоклазовым гнейсом, биотитровым кварцитом и др.

На Абаканском хребте Алтая литоосновой «солонцов» служат глинистые продукты преобразования серпентинизированных гипербазитов, составляющих лакомство для лосей, маралов, горных козлов, птиц.

На южных склонах Северо-Чуйского хребта и на его западных отрогах исключительно широко распространены солонцы гидрослюдисто-хлорит-кварц-полевошпатового состава.

ВЗападном Саяне «солонцовыми» породами для зверей и птиц являются продукты дезинтеграции гидрослюди- сто-хлоритовых и кварц-гидрослюдисто-хлорит-карбонат- ных сланцев.

На севере Сибирской платформы объектом повышенного внимания северных оленей являются цеолитоносные

имонтмориллонитоносные породы корвунчанской свиты. Радинихживотныезабираютсянатруднодоступныекрутые обрывы и нередко срываются, разбиваясь насмерть.

Вподавляющем большинстве случаев на природных зверовых «солонцах» поваренной соли нет. В этой связи представляется целесообразным укоренившийся в литературе термин «солонец» заменить словом «кудюр», которым издревлепользуютсяисконныескотоводы–алтайцы,монго- лы, манчжуры, хакасы и др. Понятийное значение слова пу-

157

тают даже языковеды. Из топонимического словаря Горного Алтая (Молчанова О. Т., 1979): «Kyjyp – солонцовый грунт земли, солончак, солонец, солончаковый – распространен довольно широко в географической номенклатуре Алтая. Лошади, коровы, если соли нет в хозяйствах, тоже идут на кудюры. Из диких животных кудюры посещают лоси, козы, косули, козероги и особенно маралы. Дикие животные приходят на кудюры за 30–40 километров, поднимаясь из долин в горы на высоты до двух тысяч метров. Количество потреблённого минерального вещества (кудюрита) за один раз например у маралов может составлять несколько килограммов. Насытившись землёй, животные возвращаются на свои пастбища».

3.5.3. Экспериментальное обоснование влияния кремния, высококремнистых минералов на обмен веществ у птицы

За последние годы особое внимание обращается на использование в кормлении животных цеолитов и других нетрадиционных высококремнистых добавок (Шадрин А. М. и др., 1996; Шадрин А. М., Панин Л. Е., 2003; Романов Г. А., 2000; Ланцева Н. Н., 2008, и др.).

В связи с тем, что у авторов нет единого мнения по этому вопросу и учитывая противоречивость полученных ими данных, нами была поставлена цель – провести комплексные исследования по изучению механизма действия кремнистыхминераловСибирииэффективностиихприменения в птицеводстве.

Опыты проводились в Сибирском НИИ переработки сельскохозяйственной продукции, Новосибирском государственном аграрном университете и Сибирском научно-ис- следовательском институте геологии, геофизики и мине-

рального сырья (Мотовилов К. Я., 1986, 1987, 1989, 1994,

158

2003, 2011, 2012, Бгатов В. И., 1987; Ланцева Н. Н. 1994, 1997, 2003, 2006).

В связи с тем, что при нормировании макро- и микроэлементов в кормлении животных кремний как элемент не рассматривается, а роль высококремнистых соединений, по мнению многих авторов, сводится лишь к механической функции,намибылапоставленацель–изучитьвлияниераз- личных высококремнистых комплексов на организм птицы, изменение самих добавок при прохождении через пищеварительный тракт, а также их воздействие на продуктивные показатели и качество получаемой продукции.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

–найти минералы, содержащие максимальное количество кремния и минимальное – примесей других элементов;

–измельчить минералы до определенной фракции;

–провести физиологические исследования по влиянию различных минералов на активность ферментов, переваримость и усвояемость питательных веществ;

–изучить воздействие высококремнистых комплексов на гематологические показатели.

Совместно с геологами были определены для изучения этой проблемы три высококремнистых минерала: горный хрусталь, цеолит (пегасин) и кварц жильный.

Рацион опытной птицы соответствовал нормам ВНИТИП. Кормление птицы осуществлялось по принципу вволю (т. е. сколько птица съест, без ограничения). Во время опыта ежедневно учитывалось количество потребляемого корма и снесённых яиц, а во время балансового опыта проводили ежедневный учёт выделенного помёта. Образцы комбикормов, помёта и яиц исследовались в НГАУ. Часть помёта исследовали на макро- и микроэлементы в лаборатории СНИИГГиМС.

159

В эксперимент были введены две разновидности кварца – горный хрусталь и обычный, часто встречающийся в природе, жильный кварц.

Горный хрусталь – дефектная друза бесцветных крупных (10–15 см) кристаллов кварца, покрытых железистой рубашкой. После отмывки и соскабливания железистая плёнка была почти полностью удалена. В опытах с горным хрусталём ставилась цель получить результаты на идеально чистом кварце, чтобы исключить возможность химических изменений за счёт различных примесей, часто встречающихся в других разновидностях кварца.

Жильный кварц – белый, молочно-белый крупнокристалллический, иногда окрашен пятнами – окислами железа,

средкими включениями прозрачного среднекристаллического кальцита иочень редкими тончайшими вкраплениями пирита.

Цеолиты – природные молекулярные сита. Размер пор 3–5 нм. Применяют в качестве катализаторов и носителей наноструктур. Цеолитовый туф (пегасин) представлял собой пробу Пегасского месторождения гейландита. Цвет породы серовато-жёлтый, структура пепловая или реликтовая витрокластическая, микрозернистая. Излом раковистый, текстура беспорядочная, участками полосчатая. Порода сложена рогульчатыми осколками раскристаллизированного стекла и редкими остроугольными обломками полевых шпатов, кварца, единичными зёрнами рудных минералов (гематита). Полевые шпаты представлены кислыми плагиоклазами (типа олигоклаза) размером 0,06 мм, иногда

счеткой структурой тонких двойниковых полос, а также калиевыми полевыми шпатами, представленными политизированным ортоклазом и единичными зёрнами микроклина

срешёткой двойниковой структуры.

Рогульчатые осколки вулканического стекла размерами от 0,01–0,17 до 0,027–0,10 мм. Крупные из них замещены мелкочешуйчатым монтомориллонитом. Монтоморилло-

160