eng
Выпуск #4/2013
В.Потапов, В.Сивашенко, В.Зеленков
Нанодисперсный диоксид кремния: растениеводство и ветеринария
Нанодисперсный диоксид кремния: растениеводство и ветеринария
Просмотры: 5076
В статье обсуждаются возможность и перспективность использования нанодисперсного кремнезема (НДК), полученного из гидротермального раствора. Показано, что НДК обладает биофильностью, нетоксичен, может применяться при выращивании картофеля и в качестве кормовой добавки в рационе молодняка крупного рогатого скота молочного направления.
Теги: fodder additive hydrothermal solution nanodispersed silica potato young livestock of cattle гидротермальный раствор картофель кормовая добавка молодняк крупного рогатого скота нанодисперсный кремнезем
Токсичность нанокремнезема.
Испытания на простейших
Биотестирование кормов основано на извлечении из них фракций токсических веществ ацетоном и водой с последующим воздействием экстрактом на инфузории [Paramecium caudatum et Stylonychia mytilus]. Оценка делается по их гибели через фиксированные промежутки времени. Безопасным считается корм, не вызывающий гибели этих инфузорий при одновременном воздействии ацетонового (1 ч) и водного экстрактов (3 ч). На инфузориях [Tetrachymena pyriformis] определена их выживаемость в течение 3 ч в среде, содержащей исследуемый продукт или корм. При биотестировании опыты проводились с первыми инфузориями на планшетах в пяти лунках дважды с каждым экстрактом параллельно с контрольными, а при использовании тетрахимен – дважды с каждой концентрацией параллельно с контрольными.
На стилонихиях и парамициях получены аналогичные результаты, свидетельствующие, что гибели таких инфузорий не наблюдалось. На тетрахименах выживаемость во всех группах была абсолютной.
Результаты испытаний
на общую токсичность
на высших животных
Три опытные группы цыплят, получавшие ацетоновую вытяжку экстракта из геля и три группы, получившие вытяжку из НДК, не отличались изменением активности и состоянием покрова. При вскрытии на четвертые сутки после получения экстракта никаких видимых изменений по сравнению с контрольной группой обнаружено не было. Это позволило сделать заключение о нетоксичности ацетонового экстракта нанокремнезема для птицы.
Аналогичный результат был получен и на мышах. Во всех опытных группах никаких отличий в состоянии и в активности не обнаружено. При вскрытии видимые изменения по сравнению с контрольной группой также не зафиксированы.
Цыплята, получавшие различные дозы НДК, через пять дней также не отличались состоянием покрова или поведением. При вскрытии на шестые сутки после получения экстракта никаких видимых изменений по сравнению с контрольной группой обнаружено не было. Аналогичный результат получен во всех опытных группах и на мышах. Не было обнаружено также никаких изменений в поведении и физиологии мышей. Массовые коэффициенты органов у исследованных животных (мышей и птицы) также не различались. Дерматотоксические пробы на кроликах, подвергшихся воздействию ацетонового и водного экстрактов, также не выявили никакой реакции. Все это позволило сделать заключение об общей нетоксичности геля и порошка нанокремнезема для животных.
Испытания на хроническую токсичность
Кроме того, выяснилось, что кремнезем не обладал хронической и репродуктивной токсичностью для простейших. Обработка кремнеземом не препятствовала размножению стилоннихий, что подтвердило нетоксичность корма.
На втором этапе проверялась хроническая токсичность добавки НДК на мышах весом 20–
22 г. В 1-й группе вес падал у нелинейных мышей, регулярно получавших добавку кремнезема
1 г/кг живой массы. При дозе 500 мг/кг падение веса было несущественным. Количество малых лимфоцитов в крови падало в 3-й и 4-й группах. Удлинение периода свертывания крови в этих группах наблюдалось в сыворотке животных с меньшей массой. В 4-й опытной группе и в моче исследованных животных следы белка, глюкозы, кетонов, гемоглобина не обнаружены. При вскрытии на 35 день массовые индексы мышей не менялись, у 4-й группы жировая капсула вокруг внутренних органов была выражена слабее, но патологические изменения не обнаружены. В 4-й группе при вскрытии тонкий кишечник был слабо розовый, однако несколько розовее, чем в контрольной группе. При гистологии кишечника ворсинки присутствовали, наблюдалось небольшое уменьшение расстояния между ними и умеренное укорочение ворсинок по сравнению с контрольной группой.
Таким образом, введение в корм НДК в дозе 100– 250 мг/кг на интересующие исследователей показатели влияния не оказывало.
Рассмотренные формы нанокремнезема (гель, порошок) не обладали токсичностью как для простейших, так и для высших животных. Нанокремнезем из гидротермального раствора характеризуется как материал с высокими сорбционными свойствами, что подтверждалось его антитоксическим влиянием на маток и молодняк, в том числе при заболеваниях желудочно-кишечного тракта различной этиологии.
Повышение урожайности картофеля
при применении нанокремнезема
Для снижения потерь урожая необходим высокий уровень защитных мероприятий, включающих применение химических средств защиты (ХСЗ). В мире постоянно ведутся поиски снижения пестицидной нагрузки, уменьшения опасности загрязнения окружающей среды при использовании ХСЗ без снижения эффективности защитных мероприятий.
Для решения проблемы исследования проводятся в нескольких направлениях. Одно из них – снижение потери пестицидов. Известно, что более 90% вносимых в агроценозы пестицидов не достигают целевых организмов, а попадают в почву, водоемы или в урожай. Ограничить такие потери можно за счет использования пестицидов со вспомогательными веществами. Однако такие вещества не позволяют существенно снизить норму расхода пестицидов. Кроме того, они используются, как правило, только для протравливания семян. Более целесообразным является применение для этих целей кремнийсодержащих соединений.
Вначале были проведены испытания на фитотоксичность на водорослях и злаковых. Была установлена нетоксичность НДК для растений, показано положительное влияние этой добавки на корневую систему высших растений. С учетом указанных обстоятельств было проведено изучение использования нанодисперсного кремнезема в картофелеводстве. В частности, изучено влияние предпосадочной обработки семенных клубней гелем кремнезема и гуминами, а также вегетирующих растений на всхожесть и развитие. Оценено влияние на устойчивость обработанных растений картофеля к патогенам.
Установлено, что применение геля способствует более раннему цветению при более позднем увядании (в комбинации с гуматами вегетация продлевается на две недели). Количество обработок пестицадами можно сократить с шести до четырех. Всхожесть в ранний период была выше на 6%. Эта тенденция сохранилась. Заболеваемость гельминтоспориозно-фузариозной инфекцией при применении геля была в 4–5 раз ниже по сравнению с контрольным материалом. Урожайность картофеля при применении этого геля возрасла на 20%, а в комбинации с гумином – на 45%.
В июне-сентябре 2012 года испытано действие геля и нанопорошка кремнезема из гидротермального раствора Мутновского месторождения. Испытания проводились на сортах картофеля Фреско (ранний) и Сантэ (среднеранний). Перед посадкой семена обрабатывались водной суспензией с содержанием нанокремнезема 2 г/л. Плотность засева составляла 3,6–4,0 т/га, расход суспензии на обработку семян – 2 л/т. В результате расход по кремнезему составил около
16 г/га. Нанокремнезем испытывался в формах геля и нанопорошка. Результаты однократного эксперимента по изучению влияния нанодобавки на урожайность картофеля оказались следующими:
• сорт Фреско. Урожайность контрольного участка – 140 ц/га. Урожайность при добавлении геля – 160 ц/га (+14,3%). Урожайность при добавлении порошка – 150 ц/га (+7,1%). Наибольшее отклонение от среднего по четырем параллельным участкам площадью 625 м2 каждый составило 12 ц/га;
• сорт Сантэ. Урожайность контрольного участка – 183 ц/га. Урожайность при добавлении геля – 248 ц/га (+35,5%). Урожайность при добавлении порошка – 223 ц/га (+21,8%). Наибольшее отклонение от среднего по четырем параллельным участкам – 17,2 ц/га.
Таким образом, нанокремнезем в форме геля по сравнению с порошковой формой показал большую активность на обоих сортах картофеля, при этом абсолютное повышение урожайности было сильнее выражено на среднераннем сорте по сравнению с ранним сортом. Необходимо продолжение испытаний с применением нанодисперсных форм кремнезема, полученных в разных технологических режимах.
Влияние нанокремнезема на молодняк
крупного рогатого скота
Исследовано влияние различных доз аморфного нанодисперсного кремнезема из гидротермальных растворов, введенного в рацион молодняка крупного рогатого скота молочного направления. Изучено влияния нанокремнезема на физиологический статус этого молодняка, установлены оптимальные дозы нанокремнезема в рационе, оказывающие положительное влияние на энергию роста и развитие животных.
Исследование проводилось на телятах холмогорской породы (20–450-дневный возраст). За период наблюдения (540) дней, в первые 345 дней дополнительно к рациону в количестве 30, 50 и 70 г/кг сухого вещества корма вводился гель кремнезема с содержанием SiO2 10%. В контрольной группе было 15 голов, в трех опытных группах – по 10. Кремнезем давался в смеси с комбикормом. Опытные животные получали гель до 360-дневного возраста. Рацион кормления на 70% состоял из объемистых кормов: сена, силоса и сенажа. Остальной состав рациона состоял из комбикорма, соли, мела и премикса (рис.1, табл.1–4).
Молодняк опытных групп, получавший кремнезем, весь период опережал развитие животных контрольной группы в росте. К концу периода выращивания живая масса 1-й опытной группы превосходила контрольную на 27 кг (9,18%); 2-я группа – на 20 кг (6,56%). Опытная 3-я группа также на 3,3% превышала контрольную по живой массе, высоте в холке, глубине и ширине груди, а также в тазобедренном сочленении на 6,1; 7,4; 7,7 и 7,7%, соответственно. Телки 1-й опытной группы к шестимесячному возрасту имели лучшие показатели по высоте в холке, глубине и ширине груди, ширине в тазобедренном сочленении, косой длине туловища на 8,1; 9,3; 10,3; 10,3 и 4,4% , соответственно. Во все возрастные периоды наибольшей живой массой отличался молодняк 1-й опытной группы, получавший 10%-ный кремнезем на 30 г/кг сухого вещества корма. Показатели минерального обмена были интенсивнее у молодняка 3-й опытной группы, получавшей гель в количестве 70 г/кг сухого вещества корма. Опытные животные имели развитый костяк и являлись более морфо- и физиологически зрелыми, чем животные контрольной группы, где сформировались позднеспелые мелкие животные с нереализованным генетическим потенциалом.
Важное значение имеет соотношение в крови кальция и фосфора (табл.5, 6, рис.2). У здоровых животных при нормальном уровне обмена веществ этот коэффициент равен 1,6–2,0. Повышение показателя более 3 (снижение менее 1,5) указывает на патологию фосфорно-кальциевого обмена.
Важное диагностическое значение имеет соотношение в крови кальция и фосфора. У здоровых животных при нормальном уровне обмена веществ этот коэффициент равен 1,6–2,0. Повышение этого показателя более 3 (или снижение менее 1,5) указывает на патологию фосфорно-кальциевого обмена.
Анализ соотношения Са/Р показывает (табл.7, рис.3), что в возрасте 180–360 дней активно усваиваются кальций и фосфор. Постепенно соотношение снижается, и при отмене молока и увеличении доли концентратов необходимо вводить в рацион больше кальция. Затем возрастает потребность в фосфоре, идущем на синтез мышечной ткани, и соотношение повышается.
На рис.3а, б показана концентрация кальция и фосфора в крови животных разного возраста в зависимости от количества добавляемого в корм геля кремнезема. Концентрации Ca и P в крови всегда возрастала с увеличением расхода кремнезема, в том числе в возрасте 540 дней, когда добавление кремнезема в корм было прекращено.
Результаты свидетельствуют о том, что кремнезем в виде геля в дозах 30–70 г/кг корма может быть рекомендован для молодняка крупного рогатого скота молочной направленности в возрасте до года. При этом в связи с усилением расхода микроэлементов на генез опорных тканей, особенно остеогенез, при введении нанокремнезема необходим его мониторинг и коррекция вводимого количества. ■
Toxicity of nanosilica.
Tests on protozoa
Biotesting of forages is based on extraction from them of the fractions of toxic substances by means of acetone and water with a subsequent application of the extract to infusoria [Parameciumcaudatum et Stylonychia mytilus]. An estimation is done by their death, in fixed time intervals. A forage is considered safe, if it does not cause death of these infusoria in case of a simultaneous influence of the extracts of acetone (one hour) and water (three hours).
Test on infusoria [Tetrachymena pyriformis] determined their survival rate within three hours in the environment containing the investigated product or forage. Biotesting experiments were done with the first infusoria on plates in 5 holes, twice with each extract in parallel with the control ones, and, when tetrachimena were used - twice with each concentration in parallel with the control ones.
Similar results were obtained with Stylonychia and Paramecium, testifying to the fact that death of such infusoria was not observed. With tetrachimena the survival rate in all groups was absolute.
Results of tests for general
toxicity on eutherians
Three experimental groups of chickens, which got acetone gel extract and three groups, which got NDS extract, did not show any difference in their activity and the state of their coats. Autopsy done on the fourth days after getting the extract revealed no visible changes in comparison with the control group. This allowed us to make a conclusion that the acetone extract of nanosilica was nontoxic for birds.
A similar result was obtained with mice. In all the experimental groups there were no difference in their state and activity. Autopsy also revealed no visible changes in comparison with the control group.
After five days the state of the coats and activity of the chickens, which got various doses of NDS, were not different. On the sixth day of getting the extract autopsy also revealed no visible changes in comparison with the control group. A similar result was obtained with all the experimental groups of mice. Also no changes in behavior and physiology of mice were revealed. Mass coefficients of the organs of the examined animals (mice and birds) also did not differ. Dermatotoxic tests on rabbits subjected to the influence of the acetone and water extracts also revealed no reaction. All this allowed us to make a conclusion that silica gel and powder in general are not toxic for animals.
Tests for a chronic toxicity
Besides, it was found out, that silica did not have chronic and reproductive toxicity for the protozoans. Processing with silica did not prevent reproduction of stylonychia, which confirmed non-toxicity of the forages.
At the second stage a chronic toxicity of NDS additive was tested on mice with weight of 20–22 g. In the 1st Group the weight of the nonlinear mice regularly receiving the silica additive of 1g per 1 kg of live weight diminished. With a dose of 500 mg/kg the reduction of weight was insignificant. The quantity of small lymphocytes in the blood fell in the 3rd and 4th Groups. Lengthening of the period of blood clotting in the 3rd and 4th Groups was observed in the serum of the animals with smaller weight. In the 4th Experimental Group also in the urine of the examined animals no trace of protein, glucose, ketone and haemoglobin was traced.
On the 35th day the autopsy did not show any changes of the mass indexes of the mice. In Group 4 the fat capsule around the internals was less pronounced, but without any pathological changes. In Group 4 thin bowels were slightly pink, however, less pink than in the Control Group. Histology of the bowels revealed presence of fringes, the distance between them was somewhat less and they were a little shorter than in the Control Group. So, introduction of NDS in the forage in the doses of 100–250 mg/kg had no influence on the indexes under examination.
The considered forms of nanosilica (gel, powder) were not toxic for the protozoans and for the eutherians. Nanosilica from a hydrothermal solution is characterized as a sorbent with high sorption properties, which was proved by its antitoxic influence on both dams and young growth, including in case of diseases of a gastroenteric path of varied aetiology.
Increase of productivity of potatoes due to application of nanosilica
In order to decrease the crop losses, a high level of protective measures including application of chemical means of protection (CMP) is necessary. Research is going on in the world, how to lower the pesticide load and risks of the environment contamination without decreasing the efficiency of the protective measures.
Solutions to the problem are sought in several directions. One of them is decrease of the loss of the pesticides. As is known, more than 90% of the pesticides introduced in agrocenosis do not reach the target organisms, but get into the soil, water reservoirs or in the crop. It is possible to limit such losses due to the use of pesticides with auxiliary substances. However, such substances do not allow us to lower essentially the norms of the use of pesticides. Besides, they are applied, as a rule, only for treatment of seeds. It would be more expedient to use siliceous compounds for these purposes.
First, phytotoxic tests were done on the weeds and cereals. It was established that NDS was not toxic for the plants and had a positive influence on the higher plants when added to their root system. With account of the above circumstances research was done of the use of the nanodispersed silica in potato growing. In particular, scientists examined the influence of a pre-planting processing of the seed tubers and also of the vegetating plants with silica gel and humics on their germination and development.
It was established, that application of the gel promotes earlier flowering and later withering (in a combination with humates the vegetation is prolonged by two weeks). The number of processings with pesticides can be reduced from six to four. Germination during the early period was 6% higher. This trend remained. Application of the gel reduced helminthosporiose-fusariose disease incidence 4–5 times in comparison with a control material, and increased productivity of potatoes by 20%, and in a combination with humate - by 45%.
In June-September, 2012, the action of the gel and silica nanopowder from the hydrothermal solution of Mutnovsky deposit was tested. The tests were done on potatoes of Fresco (early) and Sante (mid-early) kinds. Before planting the seeds were processed by water suspension containing 2 g/l of nanosilica. The sow density was 3.6–4.0 t/hectare, the consumption of suspension on processing of the seeds – 2 l/t. As a result consumption of the suspension of silica was about 16 g/hectare. Nanosilica was tested in the forms of gel and nanopowder. The results of a single experiment of studying the influence of the nanoadditive on productivity of potatoes appeared to be the following:
• Fresco brand. Productivity of the control plot - 140 c/h. Productivity with the gel added - 160 ts./g (+14.3%). Productivity with the powder added - 150 c/h (+7.1%). The greatest deviation from an average in the four parallel plots with the area of 625 м2 each was
12 c/h.
• Sante brand. Productivity of the control plot -
183 c/h. Productivity with the gel added - 248 c/h
(+35.5%). Productivity with the powder added - 223 c/h (+21.8%). The greatest deviation from an average in the four parallel plots – 17.2 c/h.
Thus, nanosilica in the form of a gel demonstrated higher activity with both brands of potatoes in comparison with the powder form, at that an absolute increase of productivity was stronger expressed on a mid-early brand in comparison with an early brand. The tests should be continued with application of nanodispersed forms of silica obtained in different technological modes.
Research was done of the influence of various doses of amorphous nanodispersed silica from hydrothermal solutions, introduced in the ration of the young growth of large horned livestock of a dairy kind. The influence of nanosilica on the physiological status of the young growth was studied, its optimal doses in the ration were established, which have a positive influence on the energy of growth and development of animals.
The research was done on the calves of Kholmogorskaya breed (20–450 days old). During the observation period (540 days) in the first 345 days to the daily ration of 30, 50 and 70 g/kg of dry substance silica gel was added with SiO2 content of 10%. There were 15 heads in the Control Group and 10 heads in each of the Experimental Groups. Silica was given in a mix with mixed fodder. Experimental animals received gel up to their 360-day age. 70% of the ration consisted of voluminous forages: hay, silo and haylage. The rest of the ration consisted of mixed fodder, salt, chalk and premix (Fig.1, Tables 1–4).
The young growth of the Experimental Groups, which received silica, surpassed the development of the Control Group in growth during the whole of the period. By the end of the period of growth the live weight of the 1st Experimental Group surpassed the Control Group by 27 kg (9.18%); and the 2d Group – by 20 kg (6.56%). The 3d Group also surpassed the Control Group by 3.3% in live weight, withers, breast depth and width, and also in coxofemoral joint by 6.1, 7.4, 7.7 and 7.7% correspondingly. Heifers of the 1st Group in their 6-month age had better parameters in withers, breast depth and width, coxofemoral joint and diagonal body length by 8.1, 9.3, 10.3, 10.3 and 4.4% correspondingly. In all the age periods the young growth of the1st Experimental Group, which got 10% silica per 30g/kg of the dry forage, had the biggest live weight. The most intensive indexes of the mineral exchange were in the 3d Experimental Group, which got gel in the quantity of 70g/kg of the dry forage. The experimental animals had developed bones and were morphologically and physiologically more mature than the animals of the Control Group, which were late and small and with an unrealized genetic potential.
Of great importance is a correlation of calcium and phosphorus in blood (Table 5, 6. Fig.2). Healthy animals with a normal level of metabolism have this coefficient equal to 1.6–2.0. Increase of the indicator over 3 (decrease below 1.5) means a pathology in calcium-phosphorus exchange.
Of great diagnostic importance is correlation of calcium and phosphorous in blood. Healthy animals with a normal level of metabolism have this factor equal to 1.6–2.0. Increase of this indicator over 3 (or decrease below 1.5) means a pathology in the phosphorus- calcium exchange.
Analysis of Са/Р correlation (Table 7, Fig.3) shows that in the age of 180–360 days calcium and phosphorus are assimilated actively. Gradually the correlation goes down and, when milk is removed from the ration and the share of concentrations increased, more calcium is needed. Then the need for phosphorous, which is necessary for the synthesis of the muscular tissues, is growing, and the correlation goes up.
Fig.3a, b shows concentration of calcium and phosphorous in the blood of animals of various age depending on the quantity of the silica gel added to the forage. The concentration of Ca and P in blood was always increasing with the growth of silica consumption, including in the age of 540 days, when adding of silica to the forage was stopped.
The results testify that silica in the form of gel in doses of 30–70 g/kg of forage can be recommended for the young growth of the large horned livestock of a dairy kind in the age group up to one year. At that in connection with the growth of the consumption of microelements for the genesis of the supporting tissues, especially osteogenesis, introduction of nanosilica should be accompanied by its monitoring and correction of the introduced quantity. ■
Испытания на простейших
Биотестирование кормов основано на извлечении из них фракций токсических веществ ацетоном и водой с последующим воздействием экстрактом на инфузории [Paramecium caudatum et Stylonychia mytilus]. Оценка делается по их гибели через фиксированные промежутки времени. Безопасным считается корм, не вызывающий гибели этих инфузорий при одновременном воздействии ацетонового (1 ч) и водного экстрактов (3 ч). На инфузориях [Tetrachymena pyriformis] определена их выживаемость в течение 3 ч в среде, содержащей исследуемый продукт или корм. При биотестировании опыты проводились с первыми инфузориями на планшетах в пяти лунках дважды с каждым экстрактом параллельно с контрольными, а при использовании тетрахимен – дважды с каждой концентрацией параллельно с контрольными.
На стилонихиях и парамициях получены аналогичные результаты, свидетельствующие, что гибели таких инфузорий не наблюдалось. На тетрахименах выживаемость во всех группах была абсолютной.
Результаты испытаний
на общую токсичность
на высших животных
Три опытные группы цыплят, получавшие ацетоновую вытяжку экстракта из геля и три группы, получившие вытяжку из НДК, не отличались изменением активности и состоянием покрова. При вскрытии на четвертые сутки после получения экстракта никаких видимых изменений по сравнению с контрольной группой обнаружено не было. Это позволило сделать заключение о нетоксичности ацетонового экстракта нанокремнезема для птицы.
Аналогичный результат был получен и на мышах. Во всех опытных группах никаких отличий в состоянии и в активности не обнаружено. При вскрытии видимые изменения по сравнению с контрольной группой также не зафиксированы.
Цыплята, получавшие различные дозы НДК, через пять дней также не отличались состоянием покрова или поведением. При вскрытии на шестые сутки после получения экстракта никаких видимых изменений по сравнению с контрольной группой обнаружено не было. Аналогичный результат получен во всех опытных группах и на мышах. Не было обнаружено также никаких изменений в поведении и физиологии мышей. Массовые коэффициенты органов у исследованных животных (мышей и птицы) также не различались. Дерматотоксические пробы на кроликах, подвергшихся воздействию ацетонового и водного экстрактов, также не выявили никакой реакции. Все это позволило сделать заключение об общей нетоксичности геля и порошка нанокремнезема для животных.
Испытания на хроническую токсичность
Кроме того, выяснилось, что кремнезем не обладал хронической и репродуктивной токсичностью для простейших. Обработка кремнеземом не препятствовала размножению стилоннихий, что подтвердило нетоксичность корма.
На втором этапе проверялась хроническая токсичность добавки НДК на мышах весом 20–
22 г. В 1-й группе вес падал у нелинейных мышей, регулярно получавших добавку кремнезема
1 г/кг живой массы. При дозе 500 мг/кг падение веса было несущественным. Количество малых лимфоцитов в крови падало в 3-й и 4-й группах. Удлинение периода свертывания крови в этих группах наблюдалось в сыворотке животных с меньшей массой. В 4-й опытной группе и в моче исследованных животных следы белка, глюкозы, кетонов, гемоглобина не обнаружены. При вскрытии на 35 день массовые индексы мышей не менялись, у 4-й группы жировая капсула вокруг внутренних органов была выражена слабее, но патологические изменения не обнаружены. В 4-й группе при вскрытии тонкий кишечник был слабо розовый, однако несколько розовее, чем в контрольной группе. При гистологии кишечника ворсинки присутствовали, наблюдалось небольшое уменьшение расстояния между ними и умеренное укорочение ворсинок по сравнению с контрольной группой.
Таким образом, введение в корм НДК в дозе 100– 250 мг/кг на интересующие исследователей показатели влияния не оказывало.
Рассмотренные формы нанокремнезема (гель, порошок) не обладали токсичностью как для простейших, так и для высших животных. Нанокремнезем из гидротермального раствора характеризуется как материал с высокими сорбционными свойствами, что подтверждалось его антитоксическим влиянием на маток и молодняк, в том числе при заболеваниях желудочно-кишечного тракта различной этиологии.
Повышение урожайности картофеля
при применении нанокремнезема
Для снижения потерь урожая необходим высокий уровень защитных мероприятий, включающих применение химических средств защиты (ХСЗ). В мире постоянно ведутся поиски снижения пестицидной нагрузки, уменьшения опасности загрязнения окружающей среды при использовании ХСЗ без снижения эффективности защитных мероприятий.
Для решения проблемы исследования проводятся в нескольких направлениях. Одно из них – снижение потери пестицидов. Известно, что более 90% вносимых в агроценозы пестицидов не достигают целевых организмов, а попадают в почву, водоемы или в урожай. Ограничить такие потери можно за счет использования пестицидов со вспомогательными веществами. Однако такие вещества не позволяют существенно снизить норму расхода пестицидов. Кроме того, они используются, как правило, только для протравливания семян. Более целесообразным является применение для этих целей кремнийсодержащих соединений.
Вначале были проведены испытания на фитотоксичность на водорослях и злаковых. Была установлена нетоксичность НДК для растений, показано положительное влияние этой добавки на корневую систему высших растений. С учетом указанных обстоятельств было проведено изучение использования нанодисперсного кремнезема в картофелеводстве. В частности, изучено влияние предпосадочной обработки семенных клубней гелем кремнезема и гуминами, а также вегетирующих растений на всхожесть и развитие. Оценено влияние на устойчивость обработанных растений картофеля к патогенам.
Установлено, что применение геля способствует более раннему цветению при более позднем увядании (в комбинации с гуматами вегетация продлевается на две недели). Количество обработок пестицадами можно сократить с шести до четырех. Всхожесть в ранний период была выше на 6%. Эта тенденция сохранилась. Заболеваемость гельминтоспориозно-фузариозной инфекцией при применении геля была в 4–5 раз ниже по сравнению с контрольным материалом. Урожайность картофеля при применении этого геля возрасла на 20%, а в комбинации с гумином – на 45%.
В июне-сентябре 2012 года испытано действие геля и нанопорошка кремнезема из гидротермального раствора Мутновского месторождения. Испытания проводились на сортах картофеля Фреско (ранний) и Сантэ (среднеранний). Перед посадкой семена обрабатывались водной суспензией с содержанием нанокремнезема 2 г/л. Плотность засева составляла 3,6–4,0 т/га, расход суспензии на обработку семян – 2 л/т. В результате расход по кремнезему составил около
16 г/га. Нанокремнезем испытывался в формах геля и нанопорошка. Результаты однократного эксперимента по изучению влияния нанодобавки на урожайность картофеля оказались следующими:
• сорт Фреско. Урожайность контрольного участка – 140 ц/га. Урожайность при добавлении геля – 160 ц/га (+14,3%). Урожайность при добавлении порошка – 150 ц/га (+7,1%). Наибольшее отклонение от среднего по четырем параллельным участкам площадью 625 м2 каждый составило 12 ц/га;
• сорт Сантэ. Урожайность контрольного участка – 183 ц/га. Урожайность при добавлении геля – 248 ц/га (+35,5%). Урожайность при добавлении порошка – 223 ц/га (+21,8%). Наибольшее отклонение от среднего по четырем параллельным участкам – 17,2 ц/га.
Таким образом, нанокремнезем в форме геля по сравнению с порошковой формой показал большую активность на обоих сортах картофеля, при этом абсолютное повышение урожайности было сильнее выражено на среднераннем сорте по сравнению с ранним сортом. Необходимо продолжение испытаний с применением нанодисперсных форм кремнезема, полученных в разных технологических режимах.
Влияние нанокремнезема на молодняк
крупного рогатого скота
Исследовано влияние различных доз аморфного нанодисперсного кремнезема из гидротермальных растворов, введенного в рацион молодняка крупного рогатого скота молочного направления. Изучено влияния нанокремнезема на физиологический статус этого молодняка, установлены оптимальные дозы нанокремнезема в рационе, оказывающие положительное влияние на энергию роста и развитие животных.
Исследование проводилось на телятах холмогорской породы (20–450-дневный возраст). За период наблюдения (540) дней, в первые 345 дней дополнительно к рациону в количестве 30, 50 и 70 г/кг сухого вещества корма вводился гель кремнезема с содержанием SiO2 10%. В контрольной группе было 15 голов, в трех опытных группах – по 10. Кремнезем давался в смеси с комбикормом. Опытные животные получали гель до 360-дневного возраста. Рацион кормления на 70% состоял из объемистых кормов: сена, силоса и сенажа. Остальной состав рациона состоял из комбикорма, соли, мела и премикса (рис.1, табл.1–4).
Молодняк опытных групп, получавший кремнезем, весь период опережал развитие животных контрольной группы в росте. К концу периода выращивания живая масса 1-й опытной группы превосходила контрольную на 27 кг (9,18%); 2-я группа – на 20 кг (6,56%). Опытная 3-я группа также на 3,3% превышала контрольную по живой массе, высоте в холке, глубине и ширине груди, а также в тазобедренном сочленении на 6,1; 7,4; 7,7 и 7,7%, соответственно. Телки 1-й опытной группы к шестимесячному возрасту имели лучшие показатели по высоте в холке, глубине и ширине груди, ширине в тазобедренном сочленении, косой длине туловища на 8,1; 9,3; 10,3; 10,3 и 4,4% , соответственно. Во все возрастные периоды наибольшей живой массой отличался молодняк 1-й опытной группы, получавший 10%-ный кремнезем на 30 г/кг сухого вещества корма. Показатели минерального обмена были интенсивнее у молодняка 3-й опытной группы, получавшей гель в количестве 70 г/кг сухого вещества корма. Опытные животные имели развитый костяк и являлись более морфо- и физиологически зрелыми, чем животные контрольной группы, где сформировались позднеспелые мелкие животные с нереализованным генетическим потенциалом.
Важное значение имеет соотношение в крови кальция и фосфора (табл.5, 6, рис.2). У здоровых животных при нормальном уровне обмена веществ этот коэффициент равен 1,6–2,0. Повышение показателя более 3 (снижение менее 1,5) указывает на патологию фосфорно-кальциевого обмена.
Важное диагностическое значение имеет соотношение в крови кальция и фосфора. У здоровых животных при нормальном уровне обмена веществ этот коэффициент равен 1,6–2,0. Повышение этого показателя более 3 (или снижение менее 1,5) указывает на патологию фосфорно-кальциевого обмена.
Анализ соотношения Са/Р показывает (табл.7, рис.3), что в возрасте 180–360 дней активно усваиваются кальций и фосфор. Постепенно соотношение снижается, и при отмене молока и увеличении доли концентратов необходимо вводить в рацион больше кальция. Затем возрастает потребность в фосфоре, идущем на синтез мышечной ткани, и соотношение повышается.
На рис.3а, б показана концентрация кальция и фосфора в крови животных разного возраста в зависимости от количества добавляемого в корм геля кремнезема. Концентрации Ca и P в крови всегда возрастала с увеличением расхода кремнезема, в том числе в возрасте 540 дней, когда добавление кремнезема в корм было прекращено.
Результаты свидетельствуют о том, что кремнезем в виде геля в дозах 30–70 г/кг корма может быть рекомендован для молодняка крупного рогатого скота молочной направленности в возрасте до года. При этом в связи с усилением расхода микроэлементов на генез опорных тканей, особенно остеогенез, при введении нанокремнезема необходим его мониторинг и коррекция вводимого количества. ■
Toxicity of nanosilica.
Tests on protozoa
Biotesting of forages is based on extraction from them of the fractions of toxic substances by means of acetone and water with a subsequent application of the extract to infusoria [Parameciumcaudatum et Stylonychia mytilus]. An estimation is done by their death, in fixed time intervals. A forage is considered safe, if it does not cause death of these infusoria in case of a simultaneous influence of the extracts of acetone (one hour) and water (three hours).
Test on infusoria [Tetrachymena pyriformis] determined their survival rate within three hours in the environment containing the investigated product or forage. Biotesting experiments were done with the first infusoria on plates in 5 holes, twice with each extract in parallel with the control ones, and, when tetrachimena were used - twice with each concentration in parallel with the control ones.
Similar results were obtained with Stylonychia and Paramecium, testifying to the fact that death of such infusoria was not observed. With tetrachimena the survival rate in all groups was absolute.
Results of tests for general
toxicity on eutherians
Three experimental groups of chickens, which got acetone gel extract and three groups, which got NDS extract, did not show any difference in their activity and the state of their coats. Autopsy done on the fourth days after getting the extract revealed no visible changes in comparison with the control group. This allowed us to make a conclusion that the acetone extract of nanosilica was nontoxic for birds.
A similar result was obtained with mice. In all the experimental groups there were no difference in their state and activity. Autopsy also revealed no visible changes in comparison with the control group.
After five days the state of the coats and activity of the chickens, which got various doses of NDS, were not different. On the sixth day of getting the extract autopsy also revealed no visible changes in comparison with the control group. A similar result was obtained with all the experimental groups of mice. Also no changes in behavior and physiology of mice were revealed. Mass coefficients of the organs of the examined animals (mice and birds) also did not differ. Dermatotoxic tests on rabbits subjected to the influence of the acetone and water extracts also revealed no reaction. All this allowed us to make a conclusion that silica gel and powder in general are not toxic for animals.
Tests for a chronic toxicity
Besides, it was found out, that silica did not have chronic and reproductive toxicity for the protozoans. Processing with silica did not prevent reproduction of stylonychia, which confirmed non-toxicity of the forages.
At the second stage a chronic toxicity of NDS additive was tested on mice with weight of 20–22 g. In the 1st Group the weight of the nonlinear mice regularly receiving the silica additive of 1g per 1 kg of live weight diminished. With a dose of 500 mg/kg the reduction of weight was insignificant. The quantity of small lymphocytes in the blood fell in the 3rd and 4th Groups. Lengthening of the period of blood clotting in the 3rd and 4th Groups was observed in the serum of the animals with smaller weight. In the 4th Experimental Group also in the urine of the examined animals no trace of protein, glucose, ketone and haemoglobin was traced.
On the 35th day the autopsy did not show any changes of the mass indexes of the mice. In Group 4 the fat capsule around the internals was less pronounced, but without any pathological changes. In Group 4 thin bowels were slightly pink, however, less pink than in the Control Group. Histology of the bowels revealed presence of fringes, the distance between them was somewhat less and they were a little shorter than in the Control Group. So, introduction of NDS in the forage in the doses of 100–250 mg/kg had no influence on the indexes under examination.
The considered forms of nanosilica (gel, powder) were not toxic for the protozoans and for the eutherians. Nanosilica from a hydrothermal solution is characterized as a sorbent with high sorption properties, which was proved by its antitoxic influence on both dams and young growth, including in case of diseases of a gastroenteric path of varied aetiology.
Increase of productivity of potatoes due to application of nanosilica
In order to decrease the crop losses, a high level of protective measures including application of chemical means of protection (CMP) is necessary. Research is going on in the world, how to lower the pesticide load and risks of the environment contamination without decreasing the efficiency of the protective measures.
Solutions to the problem are sought in several directions. One of them is decrease of the loss of the pesticides. As is known, more than 90% of the pesticides introduced in agrocenosis do not reach the target organisms, but get into the soil, water reservoirs or in the crop. It is possible to limit such losses due to the use of pesticides with auxiliary substances. However, such substances do not allow us to lower essentially the norms of the use of pesticides. Besides, they are applied, as a rule, only for treatment of seeds. It would be more expedient to use siliceous compounds for these purposes.
First, phytotoxic tests were done on the weeds and cereals. It was established that NDS was not toxic for the plants and had a positive influence on the higher plants when added to their root system. With account of the above circumstances research was done of the use of the nanodispersed silica in potato growing. In particular, scientists examined the influence of a pre-planting processing of the seed tubers and also of the vegetating plants with silica gel and humics on their germination and development.
It was established, that application of the gel promotes earlier flowering and later withering (in a combination with humates the vegetation is prolonged by two weeks). The number of processings with pesticides can be reduced from six to four. Germination during the early period was 6% higher. This trend remained. Application of the gel reduced helminthosporiose-fusariose disease incidence 4–5 times in comparison with a control material, and increased productivity of potatoes by 20%, and in a combination with humate - by 45%.
In June-September, 2012, the action of the gel and silica nanopowder from the hydrothermal solution of Mutnovsky deposit was tested. The tests were done on potatoes of Fresco (early) and Sante (mid-early) kinds. Before planting the seeds were processed by water suspension containing 2 g/l of nanosilica. The sow density was 3.6–4.0 t/hectare, the consumption of suspension on processing of the seeds – 2 l/t. As a result consumption of the suspension of silica was about 16 g/hectare. Nanosilica was tested in the forms of gel and nanopowder. The results of a single experiment of studying the influence of the nanoadditive on productivity of potatoes appeared to be the following:
• Fresco brand. Productivity of the control plot - 140 c/h. Productivity with the gel added - 160 ts./g (+14.3%). Productivity with the powder added - 150 c/h (+7.1%). The greatest deviation from an average in the four parallel plots with the area of 625 м2 each was
12 c/h.
• Sante brand. Productivity of the control plot -
183 c/h. Productivity with the gel added - 248 c/h
(+35.5%). Productivity with the powder added - 223 c/h (+21.8%). The greatest deviation from an average in the four parallel plots – 17.2 c/h.
Thus, nanosilica in the form of a gel demonstrated higher activity with both brands of potatoes in comparison with the powder form, at that an absolute increase of productivity was stronger expressed on a mid-early brand in comparison with an early brand. The tests should be continued with application of nanodispersed forms of silica obtained in different technological modes.
Research was done of the influence of various doses of amorphous nanodispersed silica from hydrothermal solutions, introduced in the ration of the young growth of large horned livestock of a dairy kind. The influence of nanosilica on the physiological status of the young growth was studied, its optimal doses in the ration were established, which have a positive influence on the energy of growth and development of animals.
The research was done on the calves of Kholmogorskaya breed (20–450 days old). During the observation period (540 days) in the first 345 days to the daily ration of 30, 50 and 70 g/kg of dry substance silica gel was added with SiO2 content of 10%. There were 15 heads in the Control Group and 10 heads in each of the Experimental Groups. Silica was given in a mix with mixed fodder. Experimental animals received gel up to their 360-day age. 70% of the ration consisted of voluminous forages: hay, silo and haylage. The rest of the ration consisted of mixed fodder, salt, chalk and premix (Fig.1, Tables 1–4).
The young growth of the Experimental Groups, which received silica, surpassed the development of the Control Group in growth during the whole of the period. By the end of the period of growth the live weight of the 1st Experimental Group surpassed the Control Group by 27 kg (9.18%); and the 2d Group – by 20 kg (6.56%). The 3d Group also surpassed the Control Group by 3.3% in live weight, withers, breast depth and width, and also in coxofemoral joint by 6.1, 7.4, 7.7 and 7.7% correspondingly. Heifers of the 1st Group in their 6-month age had better parameters in withers, breast depth and width, coxofemoral joint and diagonal body length by 8.1, 9.3, 10.3, 10.3 and 4.4% correspondingly. In all the age periods the young growth of the1st Experimental Group, which got 10% silica per 30g/kg of the dry forage, had the biggest live weight. The most intensive indexes of the mineral exchange were in the 3d Experimental Group, which got gel in the quantity of 70g/kg of the dry forage. The experimental animals had developed bones and were morphologically and physiologically more mature than the animals of the Control Group, which were late and small and with an unrealized genetic potential.
Of great importance is a correlation of calcium and phosphorus in blood (Table 5, 6. Fig.2). Healthy animals with a normal level of metabolism have this coefficient equal to 1.6–2.0. Increase of the indicator over 3 (decrease below 1.5) means a pathology in calcium-phosphorus exchange.
Of great diagnostic importance is correlation of calcium and phosphorous in blood. Healthy animals with a normal level of metabolism have this factor equal to 1.6–2.0. Increase of this indicator over 3 (or decrease below 1.5) means a pathology in the phosphorus- calcium exchange.
Analysis of Са/Р correlation (Table 7, Fig.3) shows that in the age of 180–360 days calcium and phosphorus are assimilated actively. Gradually the correlation goes down and, when milk is removed from the ration and the share of concentrations increased, more calcium is needed. Then the need for phosphorous, which is necessary for the synthesis of the muscular tissues, is growing, and the correlation goes up.
Fig.3a, b shows concentration of calcium and phosphorous in the blood of animals of various age depending on the quantity of the silica gel added to the forage. The concentration of Ca and P in blood was always increasing with the growth of silica consumption, including in the age of 540 days, when adding of silica to the forage was stopped.
The results testify that silica in the form of gel in doses of 30–70 g/kg of forage can be recommended for the young growth of the large horned livestock of a dairy kind in the age group up to one year. At that in connection with the growth of the consumption of microelements for the genesis of the supporting tissues, especially osteogenesis, introduction of nanosilica should be accompanied by its monitoring and correction of the introduced quantity. ■
Отзывы читателей
