Влияние аминокислотного состава плодов яблок и зерна озимой пшеницы, сформированного под влиянием приема биологической активации почвы на показатели крови крыс в биологическом эксперименте
Ю.К. Альтудов, И.Х. Борукаева, А.Х. Занилов, М.А. Конов
Международный сельскохозяйственный журнал. 2024. 5 (401) Vol.67. С.561-564.
Аннотация.
Незаменимые аминокислоты как компонент белковых молекул определяют ценность сельскохозяйственной продукции. Организм млекопитающих, в том числе человека, не приспособленный к синтезу достаточного количества незаменимых аминокислот компенсирует их дефицит потреблением пищи. В условиях интенсификации земледелия отмечается снижение качества продовольствия. Причиной является деградация естественного плодородия. Существующие агротехнологии направлены преимущественно на повышение валовой урожайности. Потребность почв в восстановительных мероприятиях на практике учитывается значительно реже. Известно, что плодородие почвы тесно связано с активностью ее микрофлоры. Признанными приемами компенсации (биоактивация) численности полезных микроорганизмов являются внесение в почву органических, органо-минеральных почвоудобрительных средств и агрономически ценных штаммов микроорганизмов. В качестве объектов исследования использовались культуры — лидеры по потреблению населением – яблоки и озимая пшеница. В технологию их производства были включены: органо-минеральный комплекс АКМ (смесь серпентинита и бурого угля) под яблоневые деревья в норме 1 т/га и консорциум почвенных микроорганизмов, внесенный в почву перед высевом озимой пшеницы в дозе 2 л/га. Исследования проводились в условиях Кабардино-Балкарской республики в 2023-2024 гг. В результате исследования было установлено, что представленные средства повышали концентрацию в плодах яблок 5 из 8 незаменимых аминокислот на 10,2-32,3%, и всех незаменимых аминокислот в зерне озимой пшеницы – на 23,7-57,5%. Фаза эксперимента, связанная со скармливанием яблок (45 мг/сутки/особь) и зерна озимой пшеницы (30 мг/сутки/особь) на протяжение 54 дней, продемонстрировала улучшение показателей крови лабораторных крыс. Клинический и биохимический анализы выявили достоверное увеличение содержания гемоглобина и эритроцитного гемоглобина, улучшившими кислородное обеспечение организма. Была отмечена нормализация системы гемостаза у опытных крыс за счет увеличения изначально сниженного уровня тромбоцитов. Было улучшено морфо-функциональное состояние печени, что связано со уменьшением содержания в крови АЛТ и АСТ, достигнутым за счет антитоксического действия аминокислот.
Ключевые слова: средства биоактивации почвы, качество продукции, незаменимые аминокислоты, показатели крови, эритроциты, гемоглобин
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ (FZZR-2023-0010)
Введение.
Обеспечение населения Земли белком является одной из ключевых проблем, связанных с обеспечением человечества качественным продовольствием. К началу XXI от дефицита пищевого белка страдало не менее половины населения планеты [1].
Оценка белковой полноценности пищевой продукции тесно связана с важнейшей характеристикой ее биологической ценности – аминокислотным составом, так как аминокислоты являются важнейшими компонентами молекул белков [2, 3].
Из более, чем 200 аминокислот, только 20 входят в состав белков и 8 из них являются незаменимыми, а 1 условно незаменимой, которые не синтезируются в организме человека. Их недостаток ограничивает процесс регенерации в клетках [4] и обусловливает снижение иммунитета, умственной и физической работоспособности человека [5].
Биологическая ценность протеиногенных аминокислот, часть которых синтезируется в организме, заключается в поддержании роста животных и человека посредством образования белков в нем. Те же аминокислоты, которые не синтезируются в организме или интенсивность синтеза которых недостаточна для обеспечения регенеративных процессов в клетке, называются незаменимыми [4]. К таким аминокислотам относятся: треонин, дефицит которого вызывает задержку роста организма; валин, недостаток которого сопровождается нарушением координации движений; изолейцин входит в состав иммуноглобулинов; лейцин активизирует эндокринную систему, повышает иммунитет; фенилаланин повышает умственную активность, улучшает работу печени и поджелудочной железы; гистидин отвечает за когнитивное развитие детей, входит в состав нуклеиновых кислот, участвует в синтезе гемоглобина; лизин обеспечивает рост костной ткани, повышает устойчивость к вирусам; метионин, дефицит которого сопровождается ожирением, анемией, атрофией мышц, риском развития цирроза печени. Условно незаменимой аминокислотой является аргинин, ответственный за регенерацию тканей и повышение иммунной системы. [3].
Одной из основных причин белкового голода на Земле является деградация естественного плодородия и снижение качества почвы – основного средства сельскохозяйственного производства [6]. Ухудшение почвенных характеристик связано со сформировавшейся инерционностью интенсивного землепользования, целью которого в первую очередь является рост валовых сборов урожая и в меньшей степени уделяется внимание физиологическим показателям произведенной продукции.
Из всех продуктов растительного происхождения к наиболее распространенным продуктами массового потребления относятся яблоки [7] и пшеничная мука [8]. Следовательно, повышение качества фруктов и зерна озимой пшеницы по аминокислотному составу посредством использования соответствующих технологий в процессе производства (биофортификация) отвечает целям и задачам повышения качества пищи, что способствует профилактике и контролю неинфекционных заболеваний населения [9].
Восстановление естественного и реализация эффективного плодородия почвы во многом связано с активностью почвенной микрофлоры [10-11]. Следовательно, приемы и средства, повышающие уровень биологической активности почвы, могут рассматриваться в качестве эффективных элементов технологий биофортификации, которые в итоге могут стать основой технологий здоровьесбережения.
Целью исследования является оценка влияния повышенного содержания незаменимых аминокислот в плодах яблок и зерне озимой пшеницы, сформированного под влиянием средств и приемов биологической активации почвы на показатели клинического и биологического анализа крови крыс.
Материалы и методы
Оценка влияния приема биологической активации почвы на изменение аминокислотного состава яблок (сорт Гала Шнико ред) проводилось в производственных условиях на базе ООО «Центр «Питомник» (Баксанский р-н, Кабардино-Балкарской республики). В качестве средства биоактивации почвы использовался органо-минеральный комплекс АКМ (анионит-катионт-мелиорант) [12; 13]. Внесение производилось в приствольные круги деревьев из расчета 1 тонна на 1 га.
Зерно озимой пшеницы (сорт Южанка) было произведено на участке многолетних наблюдений (№82) Института сельского хозяйства Кабардино-Балкарского научного центра РАН, входящий в географическую сеть опытов с удобрениями (Геосеть). Почва представлена обыкновенным мицеллярно-карбонатным остаточно-луговатым черноземом с содержанием гумуса 3,23-3,32% [14; 15].
Контрольная партия зерна произведена на фоне с ½ расчетной дозы минеральных удобрений (N57; P12,5; K24,5). Опытная партия произведена с тем же количеством минеральных удобрений и с предварительным внесением комплекса почвенных микроорганизмов (Pseudomonas fluoreiscence (шт. А-33), Azotobacter vinelandii ИБ-4, Trichoderma viridae и Trichoderma harzianum. Концентрация живых клеток более 1×109. Внесение в почву осуществлялось в вечернее время штанговым опрыскивателем из расчета 2 л/га.
Содержание независимых аминокислот в плодах яблок и зерне озимой пшеницы определялось методом высокоэффективной жидкостной хроматографии по ГОСТ 32195-2013 на базе учебно-научного центра коллективного пользования – «Сервисная лаборатория комплексного анализа химических соединений» РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязева.
Содержание и кормление крыс проводилось на базе медицинской академии Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова. Экспериментальные животные представлены крысами линии Wistar, по 10 шт. в каждой группе. Первая группа – опытная получали яблоки и зерно озимой пшеницы с повышенным содержанием незаменимых аминокислот в норме 45 и 30 мг в сутки на каждую особь. Особи контрольной группы получали яблоки и зерно, произведённые на участках без внесения средств биоактивации почвы.
Клинический анализ крови крыс (уровень лейкоцитов, лимфоцитов, промежуточных клеток, гранулоцитов в крови, процентное содержание лимфоцитов, промежуточных клеток и др. показателей (табл.1) проводился на автоматическом гематологическом анализаторе MicroCC-20Plus.
Биохимический анализ крови (АлАТ, АсАТ, альбумин, билирубин общий, глюкоза, креатинин, мочевина, кальций) проводился в клинике Vet Union (г. Нальчик, ул. Байсултанова, д. 25) на базе ИНВИТРО (ветеринарная лаборатория, г. Ессентуки). Продолжительность кормления 54 дня. Исследования проводились в период 2023-2024 год.
Результаты и обсуждение
Анализ содержания незаменимых аминокислот в плодах яблок и зерне озимой пшеницы продемонстрировал возможность повышения физиологической ценности пищевой продукции за счет использования средств биоактивации почвы – органо-минеральных удобрений и агрономически ценных штаммов микроорганизмов.
Как видно из диаграммы 5 незаменимых аминокислот из 8 (треонин, валин, изолейцин, лейцин, гистидин) демонстрируют рост концентрации в плодах под влиянием внесенного био-органо-минерального комплекса АКМ. Особенно эффективно под действием АКМ синтезируются лейцин, изолейцин и гистидин, концентрация которых в плодах опытного участка выше, чем контрольного на 10,2%; 32,3% и 19,3%, соответственно.
Две аминокислоты метионин и лизин не претерпевают существенного изменения. Разница между вариантами находится в пределах погрешности – 1,5-3,7%. Снижение содержания отмечается по одному показателю – фенилаланину – на 13,4%.
Анализ зерна оз. пшеницы демонстрирует ярко выраженное влияние средства биоактивации почвы на содержание аминокислот.
Содержание всех рассматриваемых аминокислот в зерне, произведенном на биоактивированном участке оказалось существенно выше чем в зерне контрольного варианта. Разброс составил 23,7-57,5%. Максимальному росту были подвержены метионин, ответственный на липидный обмен, мышечный тонус, состояние печени и аргинин, чья функция сводится к регенерации тканей, повышению иммунной системы и высвобождению гормонов. [3]. Было отмечено повышение их концентрации на 57,5% и 40,7% соответственно.
Концентрация треонина, валина, изолейцина, лейцина, фенилаланина, гистидина и лизина выросла на 27,5; 23,7; 29,1; 32,4; 32,0; 24,8; 25,3% соответственно.
Влияние рациона на показатели крови крыс
За период кормления лабораторных крыс яблоками и зерном оз.пшеницы (02.12.2023г. — 24.01.2024г.) у опытных крыс отмечалось статистически значимое изменение следующих показателей (Таблица 1): уменьшилось изначально повышенное содержание лейкоцитов в крови (р<0,05), процентное содержание промежуточных форм (р<0,001), что привело к нормализации лейкоцитарной формулы. Статистически значимо увеличилось содержание гранулоцитов в крови (р<0,01), что свидетельствовало об усилении неспецифического клеточного иммунитета и повышении резистентности крыс к различным повреждающим факторам.
Важным результатом опыта стало достоверное увеличение содержание гемоглобина в крови (р<0,01), что привело к повышению кислородной емкости крови опытных крыс и улучшению кислородного обеспечения организма крыс. Увеличение среднего эритроцитарного гемоглобина (р<0,001) свидетельствовало о том, что после опыта гипохромные эритроциты стали нормохромными, что, несмотря на отсутствие достоверного возрастания количества эритроцитов в крови, улучшило кислородный баланс организма. Достоверно увеличился изначально сниженный уровень тромбоцитов в крови (р<0,01), тромбоцитокрит (р<0,01) и коэффициент больших тромбоцитов (р<0,001), что привело к нормализации системы гемостаза у опытных крыс.
В контрольной группе отмечалось статистически значимое увеличение эритроцитов в крови (р<0,01) без достоверного возрастания уровня гемоглобина в крови, в результате чего средняя концентрация гемоглобина в эритроците и средний эритроцитарный гемоглобин остались без изменений, что не привело к улучшению кислородного обеспечения организма. Несмотря на достоверное увеличение ширины распределения эритроцитов по объему (р<0,05), его значение оставалось в пределах нормы и не являлось признаком патологии. Статистически значимое увеличение количества тромбоцитов в крови (р<0,05) привело к возрастанию гематокрита (р<0,05). Снижение коэффициента больших тромбоцитов (р<0,01) свидетельствовало о повышении риска развития кровотечений и кровоизлияний.
У крыс опытной группы после опыта отмечалось статистически значимое уменьшение содержания в крови АЛТ (р<0,05) и АСТ (р<0,05), что являлось результатом улучшения морфо-функционального состояния печени (Таблица 2).
В контрольной группе достоверных изменений показателей не было; уменьшение содержания общего билирубина не имело клинического значения, так как было в пределах нормы.
Добавление опытным крысам в пищевой рацион продуктов с повышенным содержанием незаменимых аминокислот привело к статистически значимому повышению содержания гемоглобина в крови. Это стало возможным благодаря повышенному содержанию изолейцина в зерне, который, являясь протеиногенной аминокислотой, оказывает стимулирующее влияние на синтез гемоглобина. Повышение содержания тромбоцитов и коэффициента больших тромбоцитов, также можно объяснить протеиногенным действием изолейцина. Нормализация лейкоцитарной формулы после опыта связана, по-видимому, с действием лейцина, который необходим для повышения иммунитета.
Статистически значимое уменьшение содержания в крови АЛТ и АСТ можно объяснить антитоксическим действием изолейцина, в результате чего произошло улучшение морфофункционального состояния печени.
Заключение
В результате исследования было установлено, что повышение аминокислотного статуса пищевой растительной продукции как показателя его белковой ценности возможно достичь посредством модификации традиционной системы удобрения сельскохозяйственных культур органо-минеральными и микробиологическими средствами биологической активации почвы. Данные средства и приемы могут быть рассмотрены в качестве элементов технологии биофортификации и здоровьесбережения, так как установлено достоверное влияние растительной продукции с улучшенным аминокислотным составом на показатели крови лабораторных крыс; в частности, на улучшение кислородного обеспечения организма крыс, повышение иммунологической реактивности и резистентности к повреждающим факторам, нормализацию системы гемостаза и улучшение морфофункционального состояния печени.
Фактором, обеспечивающим прорывную модель развития региона в современных условиях, являются фундаментальные институциональные преобразования [16]. Создание технологий здоровьесбережения и их внедрение в агропромышленный комплекс может стать основой модернизации экономики аграрно развитых регионов и перспективным направлением, способным повысить конкурентоспособность аграрной отрасли и обеспечить прорывную модель развития.
Литература
Гумеров Р. Как обеспечить продовольственную безопасность страны? // Российский экономический журнал. 2009. С. 6-11.
Кондратенко Е.П., Константинова О.Б., Соболева О.М., Ижмулкина Е.А., Вербицкая Н.В., Сухих А.С. Содержание белка и аминокислот в зерне озимых культур, произрастающих на территории лесостепи юго-востока Западной Сибири // Химия растительного сырья. 2015. №3. С. 143-150.
Лысиков Ю. А. Аминокислоты в питании человека // ЭиКГ. 2012. №2. С. 88-105.
Гигиена питания / Под ред. К.С. Петровского. — М.: Медицина, 1971.— Т. 1. — 511 с.
Gad Galili, Rachel Amir// The Regulation of Essential Amino Acid Synthesis and Accumulation in Plants. Annual Review of Plant Biology 67(1). DOI:10.1146/annurev-arplant-043015-112213.
Николаева М.А., Лебедева Т.П. Состояние и перспективы развития российского рынка яблок // СТЭЖ. 2016. №2 (23). С. 106-109
Dwyer, J.T. Fortification and Health: Challenges and Opportunities / J.T. Dwyer, K.L. Wiemer, O. Dary, C.L. Keen, J.C. King, K.B. Miller, M.A. Philbert, V. Tarasuk, C.L. Taylor, P.C. Gaine, A.B. Jarvis, R.L. Bailey // Advanc
Кулабухова Д.Ю. Глобальная проблема обеспечения человечества белком // Теория и практика современной науки. 2015. №6 (6).
Рождественская Л.Н., Рогова О.В. О необходимости обеспечения физической и экономической доступности здорового питания населения // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2020. №1. С. 94-110.
Никитин, Д. А. Микробиологические индикаторы экологических функций почв (обзор) / Д. А. Никитин, М. В. Семенов, Т. И. Чернов, Н. А. Ксенофонтова, А. Д. Железова, Е. А. Иванова, Н. Б. Хитров, А. Л. Степанов // Почвоведение. №2. — С. 228-243. DOI 10.31857/S0032180X22020095.
Anderson, T. H. Soil microbial biomass: The eco-physiological approach / T. H. Anderson, K. H. Domsch // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 42. Issue 12. — P. 2039-2043.
Гринец Л.В., Сенькова ЛА. Мингалев С.К. Биологическая активность почвы // Аграрное образование и наука. №2. стр. 14.
Комплексное удобрение: патент РФ № RU 2762361 / Конов М.А.; заявка № 2021114146 от 19.05.2021: опубл. 20.12.2021. 11 с.
Занилов А.Х. Таов, Р. Х., Азнаева М.А., Хашхожев И.Т., Бакуев Ж.Х., Сатибалов А.В. Влияние био-органо-минерального комплекса АКМ на биологическую активность почвы, продуктивность яблони и качество плодов // Плодоводство и виноградарство Юга России. – 2023. – № 84(6). – С. 121-135.
Фиапшев Б.Х., Хачетлов Р.М., Шхацева С.Х. О влиянии длительного удобрения на элементы плодородия обыкновенного мицелярно-карбонатного остаточно-луговатого (предкавказского реррасового) чернозема // Материалы конференции «Научные основы рационального использвания почв Северного Кавказа и пути повышения их плодородия» 24-27 июля 1969г. Нальчик. 1971. с.31-325.
Боров А. Х. Экономика Кабардино-Балкарской Республики в контексте пространственной дифференциации российского общества // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2023. № 5(115). С. 95–115. DOI: 10.35330/1991-6639-2023-5-115-95-115.
Информация об авторах:
Альтудов Юрий Камбулатович, доктор экономических наук, доктор технических наук, исполняющий обязанности ректора Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова, ORCID 0009-0005-2520-8267, [email protected]
Борукаева Ирина Хасанбиевна, доктор медицинских наук, заведующий кафедрой нормальной и патологической физиологии человека Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова, ORCID 0000-0003-1180-228X, [email protected]
Занилов Амиран Хабидович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник центра декарбонизации АПК и региональной экономики Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова, ORCID 0009-0002-8635-6501, [email protected]
Конов Магомет Абубекирович, генеральный директор Научно-производственного объединения «Радий), [email protected]