Zdrowotne i metaboliczne konsekwencje nadmiaru lub niedoboru siarki

Tabela IV. Wpływ dodatku do paszy siarki i selenu jak w tab. III przez 5 tygodni na zawartość selenu (µg/100 g) w świeżej tkance wątroby, nerki i mięśnia żwacza

Dość interesująca jest współzależność siarki i selenu (Se), które należą do tej samej grupy okresowego układu pierwiastków i wykazują podobne właściwości chemiczne. Dlatego często ze sobą konkurują i wzajemnie się zastępują (6), ale także mogą ze sobą reagować, tworząc nierozpuszczalne siarczki, i razem wchodzić w skład selenowych pochodnych aminokwasów siarkowych, polipeptydów i białek. Często też obydwa pierwiastki występują razem w dużej ilości w kopalinach, m.in. w węglu i ropie, a w efekcie tego także w środowisku zwierząt. Wspólne występowanie, a zarazem konkurencyjność wobec siebie mogą być korzystne w przypadku równoczesnego ich nadmiaru i wzajemnej neutralizacji, ale także niekorzystne, gdy jest nadmiar S i niedobór Se. Nadmiar S w glebie i następowy wzrost jej kwasowości może ograniczać przyswajalność selenu przez rośliny, a tym samym zmniejszać jego pobór przez zwierzęta roślinożerne. Z kolei następstwem hiposelenozy u tych zwierząt jest zwyrodnienie mięśni i ciężkie objawy kliniczne, określane terminem pokarmowej dystrofii mięśni. Masowe wystąpienie tej choroby obserwowano u źrebiąt na terenach bogatych w S i o kwaśnym odczynie gleb oraz o niskiej zawartości Se w miejscowej roślinności (10). Na możliwość negatywnego wpływu nadmiaru S na przyswajalność i metabolizm Se wskazują też wyniki badań doświadczalnych. Obserwowano zwykle, choć nie zawsze, spadek zawartości Se w surowicy i w wątrobie oraz zwiększone jego wydalanie z moczem (6, 7, 17). Nie potwierdzają tego w pełni wyniki badań Riha (28), których odnośną część przedstawia tab. III i IV.

Dodatek siarki elementarnej nie wpływał na stężenie Se w surowicy, ale dodatek seleninu sodu obok siarki elementarnej nie podwyższał istotnie stężenia Se w surowicy, tak jak dodatek tylko seleninu. Także w porównaniu z kontrolą dodatek samej siarki nie zmieniał zawartości Se w wątrobie, ale istotnie obniżał jego wartość w mięśniach. Powyższe zmiany mogły być następstwem optymalnej zawartości Se w diecie przed doświadczeniem oraz wtórnej redystrybucji wewnątrzustrojowej i zwiększonego wydalania Se z moczem. Świadczy o tym istotnie niższe stężenie Se w mięśniach i nieco podwyższone w nerkach. Na możliwość zwiększonego wydalania Se z moczem przy nadmiarze S zwrócono uwagę jeszcze 50 lat temu (7), a nasilenie diurezy po dodatku siarki obserwowano także w naszym doświadczeniu. Obniżenie zawartości Se w mięśniach jest w jakimś stopniu potwierdzeniem udziału nadmiaru S w powstawaniu zaburzeń w metabolizmie Se i rozwoju objawów pokarmowej dystrofii mięśni.

Tabela V. Wpływ dodatku do paszy siarki elementarnej (S) na zawartość ołowiu (Pb) w wątrobie i nerce krów (n = 4 × 4)

Nadmiar S może też zmniejszać przyswajalność Ca i Mg i modyfikować ich przemianę oraz ograniczać efekty biologiczne również Fe i Zn (32), a także powodować zmiany i objawy charakterystyczne dla polioencefalomalacji – martwicy kory mózgowej, powstającej najczęściej na tle niedoboru witaminy B₁. Polioencefalomalację na tle nadmiaru S obserwowano w warunkach naturalnych podczas żywienia paszą lub pojenia wodą o dużej zawartości związków S (14, 23, 30, 33), a także wywoływano doświadczalnie, stosując dietę bogatą w S (8, 27, 29). Objawy polioencefalomalacji wystąpiły m.in. u cieląt i jagniąt, gdy dla podwyższenia kwasowości diety w celu zapobiegania kamicy moczowej podawano siarczan amonu zamiast dwuwęglanu amonu (14).

Mechanizm niekorzystnego oddziaływania S na korę mózgową nie został dotychczas w pełni wyjaśniony. Objawom klinicznym i charakterystycznym zmianom w mózgu towarzyszyły różne stężenia witaminy B₁ we krwi (8, 9, 27), co jednak nie wyklucza wpływu nadmiaru S na jej syntezę i metabolizm. Wykazano niedobór witaminy B₁ u psów i kotów żywionych mięsem konserwowanym SO₂ (33), ale także podwyższone jej stężenie we krwi u jagniąt z objawami polioencefalomalacji wywołanymi nadmiarem siarki w paszy (8). Być może nadmiar S oddziałuje na mózg zarówno za pośrednictwem witaminy B, jak i bezpośrednio, poprzez swoje toksyczne związki (23). W patogenezie zmian encefalomalatycznych na tle nadmiaru S uwzględnia się udział siarczynowych wolnych rodników, które wzmagając peroksydację lipidów, mogą uszkadzać tkankę nerwową (27). Siarczyny powstają u przeżuwaczy w żwaczu, a także w narządach w procesie oksydacji siarczków (26). Tkanka nerwowa zawiera dużo lipidów i wyjątkowo trudno i wolno ulega regeneracji.

W pewnych okolicznościach nadmiar siarki w środowisku i w pokarmach może oddziaływać także pozytywnie. Jak wiadomo, siarka wchodzi w reakcje i wiąże nie tylko mikro- i makroelementy, ale także metale toksyczne, takie jak Pb, Cd i Hg (31). Powstające w wyniku tych reakcji siarczki i ich pochodne są dość trwałe, metabolicznie obojętne i zwykle wydalane z organizmu bez powodowania niekorzystnych zmian i zaburzeń. Proces wiązania i neutralizacji tych metali może mieć miejsce już w przewodzie pokarmowym, co utrudnia wchłanianie powstałych związków, a także w tkankach, gdzie pozostają, nie czyniąc większych szkód, albo są w mniejszym lub większym stopniu wydalane z moczem. Wydalanie nieorganicznych związków jest ułatwione diuretycznym oddziaływaniem siarki. Możliwość ograniczania gromadzenia się pierwiastków toksycznych w ważnych narządach poprzez dodatki siarki elementarnej do paszy potwierdzają wyniki badań przeprowadzonych na krowach, a dotyczących Pb (19).

Uzyskane wyniki ukazują wyraźną tendencję do zmniejszenia gromadzenia się ołowiu w wątrobie i w nerkach po 4-tygodniowym stosowaniu dodatku siarki elementarnej. Zawartość Pb była znacznie mniejsza u krów otrzymujących S w porównaniu z grupą kontrolną i mniejsza u krów otrzymujących Pb i S w porównaniu z grupą otrzymującą tylko Pb. Wzbogacenie diety w siarkę może podobnie oddziaływać na gromadzenie się Cd i Hg (11, 21) i ograniczać niekorzystne oddziaływanie nadmiernego, najczęściej przypadkowego podawania podstawowych mikroelementów. Z kolei niedobór S działa odwrotnie – zwykle wzmaga gromadzenie się metali toksycznych (31).

Następstwa zdrowotne i metaboliczne niedoboru siarki

Mimo dużej emisji S do środowiska nadal występują jej niedobory w związku z intensyfikacją produkcji roślinnej i zwierzęcej. Szybki wzrost masy ciała zwierząt i wydajności produkcyjnej łączy się ze wzrostem zapotrzebowania na składniki mineralne pożywienia, w tym także na siarkę jako istotny makroelement warunkujący odpowiedni poziom produkcji i zachowanie dobrego stanu zdrowia. Niedobory siarki w roślinności i u zwierząt występują głównie na obszarach o ubogiej w składniki pokarmowe i przepuszczalnej glebie w czasie braku deszczu lub po małych opadach. W okresie suszy stężenie S w osoczu owiec spadało do 10 mg/L, ale nagle wzrastało do 20-40 mg/L w porze deszczowej (39). Spośród zwierząt niedobory S dotyczą przede wszystkim przeżuwaczy, u których zapotrzebowanie waha się w granicach 0,1-0,3% suchej masy paszy, średnio 0,18-0,20% suchej masy, ale może być znacznie wyższe w warunkach intensywnego wzrostu i tuczu oraz dużej produkcji mleka lub wełny (3). Stwierdzono m.in., że optymalne zapotrzebowanie na S elementarną u młodych buhajków wynosi około 0,3% suchej masy, ale znacznie wyższa zawartość siarki nie powodowała niekorzystnych zmian (5).

Wyraźne objawy niedoboru S u przeżuwaczy pojawiają się przy diecie zawierającej poniżej 0,1% S w suchej masie paszy. Zwierzęta na takiej diecie wykazują znaczne ograniczenie apetytu, spadek przyrostów masy ciała, wydajności mlecznej i przyrostu wełny. W zaawansowanej postaci widoczna jest osowiałość, osłabienie, wypadanie włosów i ślinienie, zdarzają się także zejścia śmiertelne (1, 37). Te zmiany wynikają m.in. ze zmniejszonej ilości i aktywności mikroflory żwacza oraz wtórnego niedoboru białka. Zmniejsza się wykorzystanie niebiałkowego N oraz synteza aminokwasów siarkowych i białka, a także biologicznie czynnych związków zapewniających prawidłowe funkcjonowanie organizmu (5). Do prawidłowego wykorzystania azotu niebiałkowego u przeżuwaczy stosunek S do N w paszy powinien być około 1 : 10, a nawet niższy u zwierząt wysoko produkcyjnych, szczególnie u owiec i kóz użytkowanych do produkcji wełny. Włosy i inne wytwory rogowe naskórka są wyjątkowo bogate w S (do 4%) i przy szybkim wzroście znacznie zwiększają zapotrzebowanie na ten pierwiastek. Dlatego wełniste owce i kozy są szczególnie wrażliwe na niedobór S.

Optymalny stosunek S do N dla roślin wynosi w granicach 1 : 20-35, a dla ludzi około 1 : 15 (59). Jak wspomniano, w stanach niedoboru S zmniejsza się przede wszystkim synteza aminokwasów siarkowych, a pośrednio białka, z czego wynikają różne zaburzenia metaboliczne. Istotny jest niedobór metioniny i cystyny, które tworzą strukturę białek. Metionina pełni m.in. rolę transportera grup metylowych, a cystyna jest produktem wyjściowym dla tak ważnych metabolicznie związków jak glutation i tauryna (4). Poza uczestnictwem w syntezie glutationu i w procesie metylacji, aminokwasy siarkowe są odpowiedzialne za syntezę białek ostrej fazy, uczestniczą w procesach oksydacyjno-antyoksydacyjnych i w odporności humoralnej, przez co warunkują wiele podstawowych funkcji komórek (2, 18, 36).

W stanach niedoboru siarki spada stężenie S w osoczu (< 10 mg/L) i metabolicznie czynnych związków zawierających siarkę, m.in. albumin, metioniny, glutationu (37), a także występuje tendencja do zwiększonego gromadzenia się w narządach pierwiastków toksycznych – Pb, Cd, Hg, i ważnych mikroelementów – Se, Cu, Zn – w przypadku nadmiernego ich podawania.

Wyniki naszych badań wskazują na częste występowanie niedoboru S, mimo regionalnie zwiększonej jej emisji do środowiska, a także różnorodność niekorzystnych konsekwencji niedoboru metabolicznie czynnych związków S dla stanu zdrowia zwierząt i ludzi. Dlatego S i jej związki są coraz częściej składnikiem nawozów mineralnych, pasz treściwych dla zwierząt i dodatków dietetycznych dla ludzi (37). Szczególnie cennym dodatkiem dietetycznym, a także uzupełniającym lekiem w niektórych zaburzeniach zdrowia są aminokwasy siarkowe (36).