ТОКСИКОЛОГІЧНА ОЦІНКА КОРМІВ ІЗ РІЗНИМИ РІВНЯМИ МІКРОЕЛЕМЕНТІВ З ВИКОРИСТАННЯМ ЛЮМІНЕСЦЕНТНИХ МІКРООРГАНІЗМІВ PHOTOBACTERIUM РHOSPHOREUM
Анотація
Надання токсико-гігієнічної оцінки токсичним контамінантам різного походження (в тому числі й мікроелементам) широко проводяться у країнах Європи, Азії та Америки. Нині для цих цілей важливу роль відіграє біотестування з використанням про- та евкаріотичних організмів у якості тест-моделей, при чому на перший план висуваються біотести з використанням живих біолюмінесцентних бактерій, які вирізняються з поміж інших тим, що як параметр життєдіяльності вимірюється інтенсивність їх світіння. Метою даної роботи було провести токсикологічну оцінку кормів із різними рівнями мікроелементів з використанням люмінесцентних мікроорганізмів Photobacterium рhosphoreum. За умов дослідження мікроелементів у якості «матриці» було використано кукурудзяну крупу, що не володіла токсичними властивостями. Мікроелементи використовували у формі Державних стандартних зразків, а саме: Ферум, Кобальт, Манган, Селен, Нікель, Хром і Бром. У якості тест-культури використовували ліофілізовану культуру Photobacterium рhosphoreum (штам ІМВ В-7071; Sq3), отриману із Депозитарію мікроорганізмів Інституту мікробіології і вірусології імені Д.К. Заболотного Національної академії наук України (м. Київ). Перед внесенням мікроелементів у корм попередньо досліджували «матрицю» на їх вміст (фон). Токсиканти вносили в «матрицю» у різних концентраціях з урахуванням «фонових» показників (по 5 серій), що готували шляхом розведення в дистильованій воді, залежно від максимально допустимого рівня. В результаті виконання роботи установлено можливість використання люмінесцентних мікроорганізмів Photobacterium рhosphoreum (штам ІМВ В-7071; Sq3) для експресної токсикологічної оцінки кормів з різними рівнями мікроелементів, що базується на зниженні інтенсивності світіння. Проте, якщо для Со, Mn, Ni, Se, Cr i Br за умов дослідження корму з вмістом мікроелементів на максимально допустимих рівнях (МДР) (2,0; 120,0; 3,0; 0,5; 1,0 і 10,0 мг/кг відповідно) корм характеризувався як нетоксичний, то для Fe за МДР (750,0 мг/кг) корм характеризувався як сильно токсичний, що свідчить про необхідність подальших досліджень з вивчення токсикологічної характеристики мікроелементу в організмі лабораторних і продуктивних тварин, можливо з подальшим переглядом (у бік зниження) МДР відповідного забруднювача у кормах в Україні. Перспективою подальших досліджень у цьому напрямку є токсикологічна оцінка кормів із різними рівнями пестицидів з використанням люмінесцентних мікроорганізмів Photobacterium рhosphoreum.
Посилання
2. Prashanth, L, Kattapagari, K. K., Chitturi, R. T., Baddam, V. R., & Prasad, L. K. (2015). A review on role of essential trace elements in health and disease. J. NTR Univ. Health Sci. 4(2), 75-85. https://doi.org/10.4103/2277-8632.158577
3. Vincent, J. B. (2019). Effects of chromium supplementation on body composition, human and animal health, and insulin and glucose metabolism. Curr. Opin. Clin Nutr. Metab. Care. 22(6), 483-489. https://doi.org/10.1097/MCO.0000000000000604
4. Calderón Guzmán, D., Juárez Olguín, H., Osnaya Brizuela, N., Hernández Garcia, E., & Lindoro Silva, M. (2019). The Use of Trace and Essential Elements in Common Clinical Disorders: Roles in Assessment of Health and Oxidative Stress Status. Nutr. Cancer. 71(1), 13-20. https://doi.org/10.1080/01635581.2018.1557214 5. Dias, R. S., Montanholi, Y. R., Lopez, S., Smith, B., Miller, S. P., & France, J. (2016). Utilization of macrominerals and trace elements in pregnant heifers with distinct feed efficiencies. J. Dairy Sci. 99(7), 5413-5421. https://doi.org/10.3168/ jds.2015-10796
6. Younus, N., Zuberi, A., Rashidpour, A., & Metón, I. (2020). Dietary cobalt supplementation improves growth and body composition and induces the expression of growth and stress response genes in Tor putitora. Fish Physiol Biochem. 46(1), 371-381. https://doi.org/10.1007/s10695-019-00723-5
7. Vogt, A. S., Arsiwala, T., Mohsen, M., Vogel, M., Manolova, V., & Bachmann, M. F. (2021). On Iron Metabolism and Its Regulation. Int. J. Mol. Sci. 22(9), 4591. https://doi.org/10.3390/ijms22094591
8. Gać, P., Czerwińska, K., Macek, P., Jaremków, A., Mazur, G., Pawlas, K., & Poręba, R. (2021). The importance of selenium and zinc deficiency in cardiovascular disorders. Environ. Toxicol. Pharmacol. 82, 103553. https://doi.org/10.1016/j. etap.2020.103553
9. Orobchenko, O., Koreneva, Y., Paliy, A., Rodionova, K., Korenev, M., Kravchenko, N., Pavlichenko, O., Tkachuk, S., Nechyporenko, O., & Nazarenko, S. (2022). Bromine in chicken eggs, feed, and water from different regions of Ukraine. Potravinarstvo Slovak Journal of Food Sciences, 16, 42–54. https://doi.org/10.5219/1710
10. Balachandran, R. C., Mukhopadhyay, S., McBride, D., Veevers, J., Harrison, F.E., Aschner, M., Haynes, E. N., & Bowman, A. B. (2020). Brain manganese and the balance between essential roles and neurotoxicity. J. Biol. Chem. 295(19), 6312-6329. https://doi.org/10.1074/jbc.REV119.009453
11. Wu, J., Yang, J. J., Cao, Y., Li, H., Zhao, H., Yang, S., & Li, K. (2020). Iron overload contributes to general anaesthesiainduced neurotoxicity and cognitive deficits. J. Neuroinflammation. 17(1), 110. https://doi.org/10.1186/s12974-020-01777-6
12. Raisbeck, M. F. (2020). Selenosis in Ruminants. Vet. Clin. North Am. Food Anim. Pract. 36(3), 775-789. https://doi. org/10.1016/j.cvfa.2020.08.013
13. Magrone, T. (2020). Nickel-Induced Damage: Pathogenesis and Therapeutical Approaches. Endocr. Metab. Immune Disord. Drug Targets. 20(7), 967. https://doi.org/10.2174/1871530320666200707151502
14. Zafalon, R. V. A., Pedreira, R. S., Vendramini, T. H. A, Rentas, M. F., Pedrinelli, V., Rodrigues, R. B. A., Risolia, L. W., Perini, M. P., Amaral, A. R., de Carvalho Balieiro, J. C., Pontieri, C. F. F., & Brunetto, M. A. (2021). Toxic element levels in ingredients and commercial pet foods. Sci. Rep. 11(1), 21007. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00467-4
15. Kozhanova, N., Sarsembayeva, N., Lozowicka, B., & Kozhanov, Z. (2021). Seasonal content of heavy metals in the «soil-feed-milk-manure» system in horse husbandry in Kazakhstan. Vet. World. 14(11), 2947-2956. https://doi.org/10.14202/ vetworld.2021.2947-2956
16. Koch, F., Kowalczyk, J., Wagner, B., Klevenhusen, F., Schenkel, H., Lahrssen-Wiederholt, M., Pieper, R. (2021). Chemical analysis of materials used in pig housing with respect to the safety of products of animal origin. Animal. 15(9), 100319. https://doi.org/10.1016/j.animal.2021.100319
17. Chowdhury, R., Ramond, A., O’Keeffe, L. M., Shahzad, S., Kunutsor, S. K., Muka, T., Gregson, J., Willeit, P., Warnakula, S., Khan, H., Chowdhury, S., Gobin, R., Franco, O. H., & Di Angelantonio, E. (2018). Environmental toxic metal contaminants and risk of cardiovascular disease: systematic review and meta-analysis. BMJ. 362, k3310. https://doi. org/10.1136/bmj.k3310
18. Kurbatska, O. V., & Orobchenko, O. L. (2021а). Express method for determination of general feed toxicity using bioluminescent microorganisms Photobacterium phosphoreum. Scientific and Technical Bulletin оf State Scientific Research Control Institute of Veterinary Medical Products and Fodder Additives аnd Institute of Animal Biology. 22(2), 217–224. https:// doi.org/10.36359/scivp.2021-22-2.24
19. Menz, J., Schneider, M., & Kümmerer, K. (2013). Toxicity testing with luminescent bacteria – characterization of an automated method for the combined assessment of acute and chronic effects. Chemosphere. 93(6). 990–996. https://doi. org/10.1016/j.chemosphere.2013.05.067
20. Fernández-Piñas, F., Rodea-Palomares, I., Leganés, F., González-Pleiter, M., & Angeles Muñoz-Martín, M. (2014). Evaluation of the ecotoxicity of pollutants with bioluminescent microorganisms. Adv Biochem Eng Biotechnol. 145. 65–135. https://doi.org/10.1007/978-3-662-43619-6_3
21. Ma, X. Y., Wang, X. C., Ngo, H. H., Guo, W., Wu, M. N., & Wang, N. (2014). Bioassay based luminescent bacteria: interferences, improvements, and applications. Sci Total Environ. 468–469, 1–11. https://doi.org/10.1016/j. scitotenv.2013.08.028
22. Kutsan, O. T., Orobchenko, O. L., & Kochergin, Yu. A. (2014). Toksiko-biohimichna harakteristika neorganichnih elementiv ta zastosuvannya rentgenofluorestsentnogo analizu u veterinarniy meditsini (navchalnii posybnik), [Toxicbiochemical characteristic of inorganic elements and application of X-ray fluorescence analysis in veterinary medicine (methodical manual)]. Planet Print, Kharkiv, Ukrainе, 300. ISBN 978-966-2046-43-4 (In Ukrainian)
23. Stehnii, B. T., Orobchenko, O. L., & Koreneva, Yu. M. (2021). Diahnostyka ta profilaktyka otruiennia Bromom silskohospodarskoi ptytsi : Metodychni rekomendatsii [Diagnosis and prevention of Bromine poisoning of poultry: Methodical recommendations]. Styl-Yzdat, Kharkiv, Ukrainе, 20. (In Ukrainian)
24. On approval of the List of maximum permissible levels of undesirable substances in feed and feed raw materials for animals of the Ministry of Agrarian Policy of Ukraine; Order, List dated March 19, 2012 No. 131 as amended on October 11, 2017 Order No. 550). (in Ukrainian) https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0503-12#Text
25. Orobchenko, O. L., Kurbatska, O. V., Kutsan O. T., & Kalashnik N. V. (2020). Nutrient medium for the cultivation of photoluminescent microorganisms Photobacterium Phosphoreum. Declaratory patent of Ukraine for a utility model № 143070 IPC (51) C12N 1/20; applicant and patent holder National Research Center «Institute of Experimental and Clinical Veterinary Medicine»; stated 21.01.2020 (u 2020 00341); publ. 10.07.2020, 13/2020. 4. (In Ukrainian) Спеціалізована БД «Винаходи (корисні моделі) в Україні» (uipv.org)
26. Kurbatska, O. V., & Orobchenko, O.L. (2021b). Ekspres-metodyka vyznachennia zahalnoi toksychnosti kormiv z vykorystanniam fotoliuminestsentnykh mikroorhanizmiv Ph. Phosphoreum. Naukovo-metodychni rekomendatsii [Express methodology for determining the general toxicity of feed using photoluminescent microorganisms Ph. Рhosphoreum. Scientific and methodological recommendations]. Styl-Yzdat, Kharkiv, Ukrainе, 24. (In Ukrainian)
27. Burtseva, O., Kublanovskaya, A., Baulina, O., Fedorenko, T., Lobakova, E. & Chekanova, K. (2020). The strains of bioluminescent bacteria isolated from the White Sea finfishes: genera Photobacterium, Aliivibrio, Vibrio, Shewanella, and first luminous Kosakonia. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 208, 111895. https://doi.org/10.1016/j. jphotobiol.2020.111895
28. Makemson, J. C., & Hastings, J. W. (1982). Iron represses bioluminescence and affects catabolite repression of luminescence in Vibrio harveyi. Current Microbiology. 7, 181–186. https://doi.org/10.1007/BF01568972
29. Sorokina, E. V., Yudina, T. P., Bubnov, I. A., & Danilov, V. S. (2013). Assessment of iron toxicity using a luminescent bacterial test with an Escherichia coli recombinant strain. Microbiology. 82(4), 439–444. https://doi.org/10.1134/ s0026261713040115
30. Kahru, A. (1993). In Vitro Toxicity Testing Using Marine Luminescent Bacteria (Photobacterium phosphoreum): the Biotox™ test. Alternatives to Laboratory Animals. 21(2), 210–215. https://doi.org/10.1177/026119299302100216
31. Mohseni, M., Abbaszadeh, J., Maghool, S.-S., & Chaichi, M.-J. (2018). Heavy metals detection using biosensor cells of a novel marine luminescent bacterium Vibrio sp. MM1 isolated from the Caspian Sea. Ecotoxicology and Environmental Safety. 148, 555–560. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.11.002
32. Teodorovic, I., Planojevic, I., Knezevic, P., Radak, S., & Nemet, I. (2009). Sensitivity of bacterial vs. acute Daphnia magna toxicity tests to metals. Open Life Sciences. 4(4), 482–492. https://doi.org/10.2478/s11535-009-0048-7
33. Reimer, P. S. (1999) Environmental effects of manganese and proposed freshwater guidelines to protect aquatic life in British Columbia [MSc thesis]. Vancouver, B.C., University of British Columbia. 56. https://www2.gov.bc.ca/assets/gov/ environment/air-land-water/water/waterquality/water-quality-guidelines/approved-wqgs/manganese-tech.pdf
34. Arias-Barreiro, C. R., Okazaki, K., Koutsaftis, A., Inayat-Hussain, S. H., Tani, A., Katsuhara, M., Kimbara, K., & Mori, I. C. (2010). A Bacterial Biosensor for Oxidative Stress Using the Constitutively Expressed Redox-Sensitive Protein roGFP2. Sensors. 10(7), 6290–6306. https://doi.org/10.3390/s100706290
35. Attar, H., & Afshar, S. (2010). Design of Sensible Biosensor for Rapid Detection of Biocides in Potable Water. Asian Journal of Biotechnology. 2, 120-126. https://doi.org/10.3923/ajbkr.2010.120.126
36. Yang, J., Hu, S., Liao, A., Weng, Y., Liang, S., & Lin, Y. (2022). Preparation of freeze-dried bioluminescent bacteria and their application in the detection of acute toxicity of bisphenol A and heavy metals. Food Sci Nutr. 10(6), 1841–1853. https://doi.org/10.1002/fsn3.2800
37. Lopez-Roldan, R., Kazlauskaite, L., Ribo, J., Riva, M. C., González, S., & Cortina, J. L. (2012). Evaluation of an automated luminescent bacteria assay for in situ aquatic toxicity determination. Science of The Total Environment, 440, 307–313. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.05.043
38. Garcia, M. T., Gathergood, N., & Scammells, P. J. (2005). Biodegradable ionic liquids : Part II. Effect of the anion and toxicology. Green Chemistry. 7(1), 9. https://doi.org/10.1039/b411922c
39. Baran, A., Tarnawski, M., Koniarz, T., & Szara, M. (2019). Content of nutrients, trace elements, and ecotoxicity of sediment cores from Rożnów reservoir (Southern Poland). Environmental Geochemistry and Health. 41, 2929–2948 https:// doi.org/10.1007/s10653-019-00363-x
40. Belz, R. G., & Cedergreen, N. (2010). Parthenin hormesis in plants depends on growth conditions. Environmental and Experimental Botany. 69(3), 293–301. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2010.04.010