BIOLOGICAL MONITORING OF CONTENT OF HEAVY METALS IN HAIR OF CHILDREN IN THE ARCTIC ZONE OF RUSSIA

Full Text

Человек как часть живой природы органически связан с окружающей его средой. Организм детей и подростков наиболее чувствителен к неблагоприятным воздействиям окружающей среды [3, 10]. На севере дети и подростки сталкиваются с экстремальными для выживания условиями: низкими температурами, колебаниями атмосферного воздействия, факторами электромагнитной природы, низкой минерализованностью талых вод, широко используемых в питьевых целях; загрязнением почвы солями тяжелых металлов, используемых в нефтедобыче; недостатком микроэлементов, поступление которых в организм в основном связано с употреблением в пищу свежих фруктов и овощей, и целым рядом других факторов [5, 6]. В условиях антропоэкосистемы значительное воздействие на организм человека оказывает загрязнение тяжелыми металлами. Содержание металлов в воло 16 Экология человека 2018.05 Окружающая среда сах и других биологических средах в первую очередь зависит от фактического содержания их в рационах питания, однако накопление металлов в организме детей может быть обусловлено поступлением их ингаляционным путем, а также химическими свойствами воды водозаборов территорий проживания. Процессы выветривания почвы также приводят к накоплению тяжелых металлов в волосах [9, 12, 21]. В свою очередь, эти изменения могут быть одним из факторов повышения дезадаптации и заболеваемости (неврологическая, гематологическая, иммунологическая патология) [4]. Показано, что уровень определенных микроэлементов в организме человека и состояние минерального обмена определяются биогеохимической средой, т. е. отражают интегральное воздействие природно-экологических факторов. В то же время особенности минерального обмена (усвоение химических элементов и их включение в биохимические реакции) могут быть генетически детерминированы. В этой связи представляет интерес изучение микроэлементного статуса у детского населения Севера [1, 6, 12]. Волосы представляют идеальный объект исследования и являются одной из информативных тканевых структур человека. Человеческий волос является примером ткани, которую легко отбирать, легко хранить и готовить для анализа. Питательным источником растущих волос является кровь, которая содержит следы всего, что попадает в организм человека. Любой ксенобиотик и его метаболиты могут быть включены в матрицу растущих волос, образуя временных профиль [17]. Вещества, единожды включившись в обменный процесс, не вступают в обратную связь с организмом, откладываются в них, оставляя «архив» для ретроспективного анализа жизнедеятельности организма в интересующий исследователя промежуток времени [11]. Именно поэтому химический анализ волос в последние годы получил широкое распространение [6, 18-20, 22]. Отмечено, что в отличие от внутренних (жидких) биосред организма концентрация элементов в волосах менее подвержена жёсткому гомеостатическому контролю, что предопределяет преимущества использования элементного анализа волос в гигиенической диагностике и раннем выявлении патологических изменений в организме и латентных процессов [6]. Целью настоящего исследования явилось изучение содержания цинка (Zn), железа (Fe), меди (Cu), свинца (Pb), мышьяка (As), марганца (Mn), хрома (Cr), кадмия (Cd) и ртути (Hg) в образцах проб волос детей проживающих на территории Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО). Методы Проведено собственное исследование методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) за период 2014-2016 годов. В поперечном исследовании участвовали 48 детей в возрасте от 7 до 17 лет, постоянно проживающих на территории Ямальского района г. Салехарда и в пос. Яр-Сале, географически удаленном от мест добычи и транспортировки нефти и газа. Пробы волос отбирались в ходе экспедиционных исследований с информированного согласия родителей, с соблюдением этических стандартов в соответствии с Хельсинкской декларацией Всемирной ассоциации «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека». Отбор проб волос производился с затылочной части головы. Образцы волос помещали в отдельные конверты с соответствующей маркировкой. Полученные результаты сравнивали с референтными значениями, установленными для жителей Приволжского и Уральского федеральных округов Российской Федерации [15]. В работе использовали двойную атомно-абсорбционную систему с пламенной и электротермической атомизациями Agilent AA DUO 240FS/240Z/UltrAA и анализатор ртути «Юлия-5К». В процессе исследований содержание железа, меди и цинка определяли методом ААС с пламенной атомизацией, свинца, марганца, хрома и кадмия - методом ААС с электротермическим способом атомизации с зеемановской коррекцией фона, мышьяка - пламенной ААС с предварительной генерацией гидридов. Содержание ртути определяли методом холодного пара на анализаторе ртути «Юлия-5К». Пробы волос были очищены и обезжирены ацетоном и оставлены до высыхания. Перед измерением выполняли предварительную автоклавную минерализацию проб смесью концентрированной азотной кислоты с пероксидом водорода. Количественное определение проводили методом абсолютной градуировки по стандартным смесям ионов металлов в 1 М азотной кислоте, приготовленных из Государственных стандартных образцов ионов металлов. Полученные данные подвергали статистическому анализу. Обработку проводили с помощью программы Statistica 10.0 в среде Windows с использованием критерия Манна - Уитни и непарного t-критерия Стьюдента. Проверку нормальности распределения количественных показателей выполняли с использованием критерия Шапиро-Уилка. Различия между сравниваемыми показателями считались статистически значимыми при p < 0,05. Результаты Проведен сравнительный анализ содержания концентраций металлов в волосах детей Салехарда и Яр-Сале в зависимости от возраста обследуемых (таблица). Результаты исследований представлены в виде среднего и ошибки среднего значений (M ± m), минимального и максимального значений (min - max). Сравнительная оценка содержания тяжелых металлов в возрастной группе 7-11 лет по меди и цинку позволила выявить, что средние уровни содержания тяжелых металлов у детей Салехарда 17 Окружающая среда Экология человека 2018.05 Содержание тяжелых металлов в волосах детей, проживающих в Ямало-Ненецком автономном округе, в зависимости от возраста Элемент Число наблюдений Концентрация металлов в волосах M ± m (min-max), мкг/г Рекомендуемые p Салехард Яр-Сале Салехард Яр-Сале уровни, мкг/г [15] 7-11 лет Cu 9 14 25,5 ± 2,5 (15,9-37,3) 18,1 ± 2,4 (9,70-43,90) 10-15 0,012 Pb 9 14 0,13 ± 0,06 (0,03-0,52) 0,87 ± 0,23 (0,10-3,22) <5 0,001 Zn 9 14 426,8 ± 245,5 (66,8-2341,1) 121,3 ± 21,5 (76,1-386,4) 140-200 0,038 Mn 8 14 0,68 ± 0,45 (0,003-3,170) 0,26 ± 0,03 (0,10-0,47) 0,25-1,0 0,056 Fe 9 14 40,4 ± 8,2 (16,5-81,1) 112,5 ± 17,7 (33,9-241,2) 10-25 0,002 Hg 9 14 0,15 ± 0,03 (0,03-0,33) 0,29 ± 0,09 (0,00-1,15) <2,0 0,612 Cd 9 14 0,30 ± 0,06 (0,08-0,71) 0,24 ± 0,03 (0,10-0,46) <0,5 0,414 Cr 9 14 0,11 ± 0,04 (0,01-0,28) 1,47 ± 0,21 (0,2-2,4) 0,25-0,5 <0,001 As 4 11 0,034 ± 0,016 (0,013-0,082) 0,023 ± 0,004 (0,012-0,046) <1,0 0,743 13-17 лет Cu 10 15 23,1 ± 2,7 (15,7-41,4) 15,7 ± 1,1 (9,20-22,20) 10-20 0,008 Pb 10 15 0,15 ± 0,06 (0,03-0,61) 0,53 ± 0,09 (0,05-1,16) <5 0,002 Zn 10 15 481,6 ± 198,7 (76,0-1903,6) 168,6 ± 18,9 (72,1-307,9) 180-230 0,657 Mn 10 15 0,77 ± 0,48 (0,003-4,470) 0,28 ± 0,03 (0,10-0,47) 0,25-1,0 0,096 Fe 10 15 41,7 ± 14,7 (16,3-170,9) 75,5 ± 9,7 (30,4-168,8) 10-20 0,002 Hg 9 15 0,08 ± 0,03 (0-0,24) 0,24 ± 0,06 (0-0,59) <2,0 0,168 Cd 10 15 0,07 ± 0,04 (0,001-0,35) 0,21 ± 0,03 (0,08-0,42) <0,5 0,004 Cr 9 15 0,52 ± 0,2 (0,01-1,65) 1,43 ± 0,19 (0,2-2,4) 0,25-0,6 0,005 As 5 11 0,028 ± 0,009 (0,007-0,063) 0,036 ± 0,016 (0,011-0,190) <1,0 0,609 были статистически значимо выше, чем у детей, проживающих в пос. Яр-Сале. Средние уровни содержания свинца, железа и хрома в волосах детей Яр-Сале были значимо выше, чем у детей Салехарда. По ртути наблюдалась небольшая тенденция к Рис. 1. Доля детей в возрасте 7-11 лет, в волосах которых содержание металлов выше и не превышает допустимого уровня (А - Салехард; Б - Яр-Сале) большему среднему содержанию у детей Яр-Сале по сравнению с детьми Салехарда. В возрастной группе 13-17 лет у детей Салехарда отмечались статистически значимо более высокие средние значения по меди, а у детей Яр-Сале - по свинцу, железу, кадмию и хрому. По концентрации цинка в волосах наблюдалась тенденция к большему содержанию у детей Салехарда по сравнению с детьми из Яр-Сале, а по ртути отмечалась обратная тенденция. У детей Салехарда в возрасте 7-11 лет отмечены превышения рекомендуемых уровней содержания металлов в волосах по меди, железу, марганцу и цинку. Доля таких проб составила 100,0, 66,7, 25,0 и 22,2 % для меди, железа, марганца и цинка соответственно (рис. 1А). А у детей от 13 до 16 лет были установлены превышения рекомендуемых значений содержания тяжелых металлов в волосах по железу, меди, хрому, цинку и марганцу. Доля превышающих проб составила 70,0, 50,0, 44,4, 40,0 и 20,0 % для железа, меди, хрома, цинка и марганца соответственно (рис. 2А). У детей обеих возрастных групп, живущих в Яр-Сале, выявлены превышения рекомендуемых уровней содержания металлов в волосах по железу, хрому, меди и цинку. При этом доля таких проб составила у детей в возрасте от 7 до 11 лет 100,0, 85,7, 57,1 и 7,1 % для железа, хрома, меди и цинка соответственно (рис. 1Б), а у детей от 13 до 17 лет - 100,0, 86,7, 13,3 и 13,3 % для железа, хрома, меди и цинка соответственно (рис. 2Б). 18 Экология человека 2018.05 Окружающая среда А % Fe Cr Cu Zn ■ выше рекомендуемых значеній не превышающие рекомендуемых значеній Рис. 2. Доля детей в возрасте 13 - 17 лет, в волосах которых содержание металлов выше и не превышает допустимого уровня (А - Салехард; Б - Яр-Сале) Обсуждение результатов Железо относится к группе жизненно необходимых элементов, участвует в переносе кислорода, а также играет важную роль в процессах выделения энергии, в ферментативных реакциях, в обеспечении иммунных функций, в метаболизме холестерина [14]. Как дефицит, так и избыток железа отрицательно влияет на состояние здоровья человека. Среди основных проявлений негативного влияния на организм человека омечается: снижение уровня сывороточного железа (в 1,5-3 раза), повышение риска развития атеросклероза, болезней печени и сердца, артритов, диабета и т. д. [13]. Марганец относится к важнейшим биоэлементам (микроэлементам), является компонентом множества ферментов и выполняет в организме многочисленные функции, например препятствует свободно-радикальному окислению, обеспечивает стабильность структуры клеточных мембран, обеспечивает нормальное функционирование мышечной ткани, обеспечивает развитие соединительной ткани, хрящей и костей [14]. Проявлениями избытка марганца являются вялость, утомляемость и нарушения мышечного тонуса [5]. В данном исследовании показано высокое содержание железа (у детей обоих населенных объектов) и марганца (у детей, проживающих в Салехарде) в волосах обследуемых детей, что обусловлено эко-лого-геохимическими особенностями, в частности качеством употребляемой воды, для которой характерны низкая минерализация и высокое содержание железа. Так, по результатам исследований проб воды в водоисточниках и разводящих сетях на территории ЯНАО отмечались высокие содержания железа и марганца [2, 5]. По результатам лабораторных исследований проб воды в разводящей сети зарегистрировано максимальное превышение по железу до 10 ПДК, марганца до 6 ПДК. Неудовлетворительное качество водопроводной питьевой воды по санитарно-химическим показателям обусловлено низкой эффективностью работы систем очистки исходной воды из подземных источников от железа и марганца [2]. Хром, как и железо, относится к группе жизненно необходимых элементов, биомолекулы содержащие хром, участвуют в регуляции синтеза жиров и обмене углеводов, вместе с инсулином действуют как регулятор уровня сахара в крови, обеспечивают нормальную активность инсулина и т. д. [14]. Избыточное содержание хрома в организме может вызывать, например, астматический бронхит, бронхиальную астму, повышать риск онкологических заболеваний [13]. Считается, что повышенное содержание хрома в пробах волос помимо использования воды, богатой хромом, может быть связано с употребление пищи местного производства, например рыбы, одного из главных продуктов питания коренного населения Севера. Результаты исследований показали, что одним из основных источников поступления хрома в организм человека являются продукты питания (овощи, рыба) и вода [14]. Так, например, А. Н. Мартинчиком с соавт. [8] в образцах рыбы, выловленной вблизи пос. Харп, а также в ряде пищевых источников были обнаружены высокие концентрации содержания хрома. Медь - жизненно важный элемент, который входит в состав витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвует в процессах обмена веществ, в тканевом дыхании и т. д. Она повышает невосприимчивость организма к некоторым инфекциям, связывает микробные токсины и усиливает действие антибиотиков, способствует усвоению железа. Цинк является важнейшим эссенциальным микроэлементом, принимающим участие во всех видах обмена. Ему принадлежит важная роль в синтезе белка и нуклеиновых кислот, процессе роста и деления клеток, он нужен для формирования костей. Дефицит цинка у ребенка проявляется снижением кратковременной памяти, пространственного мышления, ослаблением способности к обучению и усвоению социальных навыков. Очень важно его участие в процессах регенерации кожи, роста волос и ногтей, секреции сальных желез. Цинк также способствует поддержанию иммунной защиты организма, обладает детоксицирующим действием - способствует удалению из организма двуокиси углерода [14, 16]. Так, представлены данные о том, что в зонах интенсивного промышленного освоения, несмотря на достаточно высокое содержание цинка в объектах природной среды, отмечена большая частота цинк-дефицитных состояний, особенно в условиях ком 19 Окружающая среда Экология человека 2018.05 плексного воздействия химических факторов и образа жизни, что может быть связано с особенностями не только поступления, но и всасывания цинка в организме детей [7]. Одним из основных источников поступления меди и цинка в организм человека являются продукты питания. Цинк присутствует в основном в мясе, рыбе и морепродуктах, яйцах, сырах, орехах, бобовых, злаковых [14]. Проявлениями избытка меди являются функциональное расстройство центральной нервной системы, нарушение функций печени и почек и аллергодерматозы, а цинка - нарушение иммунной системы, нарушение состояния кожи, волос, ногтей, ослабление функций предстательной и поджелудочной желез и печени [13]. Таким образом, проведенные исследования по изучению содержания тяжелых металлов в волосах обеих возрастных групп детей пос. Яр-Сале и г. Салехарда выявили превышения рекомендуемых значений по цинку, меди, хрому (кроме возрастной группы детей 7-11 лет Салехарда) и железу. У обследованных детей, проживающих в Салехарде, отмечались превышения по марганцу. Результаты исследования содержания металлов в волосах детей являются достаточно информативными как дополнительный метод оценки сложившейся экологической ситуации. Работа выполнена в рамках фундаментальных научных исследований Президиума РАН АЗ РФ-44П «Оценка, моделирование и прогноз состояния здоровья и связанного с ним качества жизни населения Азиатского Севера на территориях освоения углеводородного сырья».

About the authors

O M Zhurba

East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research

Email: zhurba99@gmail.com

N V Efimova

East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research

A V Merinov

East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research

A N Alekseyenko

East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research

References

Supplementary files