CHEMICAL COMPOSITION OF DRINKING WATER AND ACCUMULATION OF TOXIC METALS IN A HUMAN BODY

Abstract


Aims: To study associations between drinking water mineral composition and levels of accumulation of metals in a human body. Methods: Studies were conducted in several geochemical regions. Hair samples were taken from healthy 10-11 years old boys aged. Concentrations of toxic metals were determined in hair. Altogether, concentrations of 29 chemical elements in hair and drinking water were determined. Atomic emission spectrometry with inductive-argon plasma methods were used. Results and conclusions: The levels of calcium and magnesium in the hair in the study groups significantly varied between the samples and correlated with hardness of drinking water. Significant correlations were observed between the concentrations of calcium and magnesium in children's hair and in drinking water. An inverse association between accumulated copper, nickel, iron and strontium in hair in children and concentrations of these metals in drinking water was found. The patterns of metal accumulation varied across the geochemical regions and by the quality of drinking water.

Full Text

Токсичные металлы являются важным элементом техногенного загрязнения окружающей среды, что создаёт угрозу попадания их в пищевые цепи [2, 3, 6]. За последние два десятилетия эта угроза возросла в связи с тем, что наряду с традиционными металлами-загрязнителями (хром, марганец, бериллий, кадмий, ртуть, свинец и др.) все чаще отмечается воздействие на человека редкоземельных и редких металлов (индий, галлий, неодим и т. д.). Эти элементы стали широко использоваться при создании солнечных модулей, элементов микроэлектроники, уникальных магнитов и в атомной промышленности. Токсичность этих элементов пока изучена недостаточно, и их нельзя считать безвредными. Например, токсичность индия занимает промежуточное положение между токсичностью ртути и кадмия [9]. Кроме 17 элементов редкоземельной группы в последнее время в технологиях получили распространение галлий, гафний и другие редкие элементы. Одним из наиболее качественно отражающих техногенную 11 Окружающая среда Экология человека 2019.06 геохимическую ситуацию в местах проживания людей способов исследования накопления токсичных металлов является метод определения их концентрации в волосах [7, 8, 10]. Метод получил широкое распространение в последние годы, в частности, при исследовании накопления элементов редкоземельной группы [4, 11]. Цель данного исследования - выявить особенности влияния минерального состава питьевой воды на уровень накопления металлов в организме. Методы Пробы волос были взяты у мальчиков первой группы здоровья в возрасте 10-11 лет, проживающих в пяти контрастных геохимических регионах: 1. Геохимический регион 1 - Мурманская область, г. Мончегорск, расположенный в городе комбинат «Североникель» ежегодно выбрасывает в атмосферу более 1,5 тыс. тонн тяжелых металлов. Питьевая вода из оз. Монча отличается очень низкой минерализацией. 2. Геохимический регион 2 - Мурманская область, г. Кировск, характеризуется незначительным загрязнением атмосферы тяжелыми металлами [7], а также ультрапресной питьевой водой. 3. Геохимический регион 3 - г. Санкт-Петербург, характеризуется основным источником загрязнения атмосферы тяжелыми металлами - автотранспортом, а также мягкой питьевой водой. 4. Геохимический регион 4 - г. Белгород, характеризуется благоприятной экологической ситуацией и высокой минерализацией питьевой воды. 5. Геохимический регион 5 - Мурманская область, пос. Умба, характеризуется как экологически чистое место, содержащее питьевую воду, богатую магнием, при низком уровне других металлов. Исследования микроэлементного состава волос и питьевой воды проводились на базе Центра исследования и контроля воды (Санкт-Петербург) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-аргоновой плазмой (ИСП-АЭ) на спектрометре TRACE Analyzer ICAP61E фирмы Thermo Jarrell Ash (USA) после перевода точной навески исследуемого образца в раствор азотной кислоты пероксидом водорода (33 %). Забор проб осуществлялся в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01. На стадии первичной обработки данных сведения группировались по критерию Стьюдента и заносились в сводные таблицы. Далее были обнаружены и ликвидированы ошибки, совершенные при фиксации данных. Статистическая обработка данных осуществлялась с помощью программы Mathcad 12. При сравнении метрических данных использовался коэффициент корреляции произведений по К. Пирсону. Описанные исследования соответствуют этическим принципам Хельсинкской декларации, принятой в 1975 году. Результаты Сравнение концентрации кальция и магния в волосах детей, проживающих в различных регионах (рис. 1), свидетельствует о том, что наибольший уровень этих металлов наблюдается в волосах детей Белгорода: их концентрация в десятки раз выше, чем в волосах детей Мурманской области. Данные химического анализа проб питьевой воды в рассматриваемых регионах (табл. 1) и данные о накоплении микроэлементов в волосах детей (табл. 2) позволяют сделать вывод о наличии прямой зависимости уровня накопления некоторых двухвалентных металлов (кальция и магния) в волосах у детей от их концентрации в питьевой воде. Анализ данных табл. 2 показывает, что уровень кальция и магния в волосах во всех исследуемых группах был весьма вариабельным и определялся жесткостью питьевой воды. Кроме кальция и магния в волосах детей Белгорода отмечается высокая концентрация кадмия, меди, железа, марганца, никеля, титана, стронция и цинка. Анализ зависимости концентрации микроэлементов в волосах детей от жесткости питьевой воды позволил установить прямую зависимость для кадмия, меди, железа, марганца, никеля, титана, стронция, цинка. Уровень накопления меди, никеля, железа и стронция в волосах детей находился в обратной зависимости от их концентрации в питьевой воде. Содержание меди в волосах детей первой группы здоровья Мон Рис. 1. Сравнение концентрации кальция и магния в волосах детей, проживающих в различных регионах 12 Экология человека 2019.06 Окружающая среда Данные химического анализа проб питьевой воды в различных геохимических регионах Таблица 1 № п/п Химический элемент Концентрация элемента в питьевой воде в регионе, мг/л Регион 1 Регион 2 Регион 3 Регион 4 Регион 5 1 Серебро 5х10-3±6х10-4 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 2 Алюминий 0,046±6х10-4 0,044+6.......10-4 0,25+6.......10-3 0,026+6.10-4 0,05+6.10-3 3 Мышьяк 5х10-3±6*10-4 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 4 Бор 0,01±1.......10-3 0,012+6.......10-4 0,013+6.......10-4 0,1+0,535 ^Ю^.Ю-3 5 Барий 0,0048±6х10-4 0,017+6.......10-4 0,017+6.......10-4 0,0094+6.10-4 ^Ю^.Ю-3 6 Бериллий 1.......10-4±6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1x10-4 + 6x10-5 7 Кальций 3,2+0,022 0,42+7.10-3 10,4+0,008 130+0,629 5,1+0,078 8 Кадмий 1.......10-4±6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1x10-4 + 6x10-5 9 Кобальт 0,0018±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 10 Хром 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 11 Медь 0,0883±6.......10-5 0,0011+6.......10-5 0,0016+6.......10-5 0,0032+7.10-5 0,0012+6.10-5 12 Железо 0,23+0,007 0,14+0,009 0,088 + 0,001 0,081+0,001 ^Ю-^.Ю-3 13 Калий 0,32+0,008 1,8+0,078 1,5+0,078 11+0,607 0,29+7.10-3 14 Магний 0,92+0,006 0,02+0,001 2,9+0,059 17+0,00005 4,7+0,099 15 Марганец 0,0086±6.......10-5 0,0073+7.......10-5 0,0065+0,001 0,0077+0,001 0,004+0,001 16 Молибден 1.......10-3±6.......10-5 0,0015+5.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 17 Натрий 2,7+0,099 9,6+0,059 4,51+8.......10-3 38+0,607 6,4+0,059 18 Никель 0,062±1.......10-3 0,0014+6.......10-5 0,0013 + 6.......10-5 0,0012+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 19 Свинец 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 20 Сурьма 5.......10-3±1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5x10-3+1x10-3 21 Селен 5.......10-3±1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5x10-3+1x10-3 22 Кремний 1,7 + 0,060 1,83+6.......10-3 2,06+6.10-3 12+0,607 0,21+7.10-3 23 Олово 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3+6x10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 24 Стронций 0,018+6.......10-4 0,064+6.......10-4 0,063+6x10-4 2,2+0,060 0,07+6.10-3 25 Титан 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 26 Таллий 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3±6x10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 27 Ванадий 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 28 Иттрий 5.......10-4±6.......10-5 5.......10-4+6.......10-5 5x10-4±6x10-5 5x10-4+6x10-5 5.10-4+6.10-5 29 Цинк 0,011+6.......10-4 0,0044+6.......10-5 0,0065+6.10-5 0,017+6.......10-4 2.10-3+6.10-5 чегорска было в 2 раза ниже, чем у практически здоровых детей Белгорода, но уровень меди в питьевой воде Мончегорска оказался в 27,5 раза выше, чем в Белгороде (рис. 2). Это обусловлено тем, что физиологические закономерности, определяющие элементный гомеостаз организма, доминируют в процессе накопления последних в эктодермальных тканях, в частности в волосах. Особый интерес представляет характер накопления никеля в волосах детей, проживающих в непосредственной близости от комбината «Североникель» в Мончегорске и в 46 км от предприятия в Кировске Рис. 2. Концентрация меди, никеля, стронция в волосах детей, проживающих в различных регионах 13 Окружающая среда Экология человека 2019.06 Содержание металлов в волосах практически здоровых детей Таблица 2 проживающих в различных геохимических регионах № Химический элемент Концентрация минералов в волосах детей, мг/кг п/п Регион 1 (n=54) Регион 2 (n=20) Регион 3 (n=16) Регион 4 (n=19) Регион 5 (n=8) 1 Серебро 0,736+0,018 0,707+0,008 0,497+0,002 0,998+0,001 0,598+0,006 2 Алюминий 9,4±2,1 15,6+3,7 19,1+7,8 68,2+18,8 27,1 + 11,3 3 Мышьяк 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 4 Бор 2,27 + 1,01 1,28+0,52 1,09+0,64 2,75+0,86 2,84+2,00 5 Барий 0,93+0,36 1,23+0,53 3,88+1,98 5,95 + 1,81 3,1 + 1,8 6 Бериллий 0,009+0,001 0,009+0,001 0,009+0,001 0,009+0,001 0,009+0,001 7 Кальций 216+52 319 + 150 1128+598 6421+875 918+210 8 Кадмий 0,16+0,10 0,13+0,05 0,11+0,08 0,39+0,13 0,21+0,14 9 Кобальт 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09 + 0,011 10 Хром 1,23+0,36 1,46+0,49 0,65+0,29 9,35+2,82 5,9+4,1 11 Медь 10,0+1,3 8,7 + 1,0 10,1+2,2 18,9+4,3 13,2+4,4 12 Железо 18,6+3,4 23,8+7,5 44,7+20,7 260,5+71,5 65,0+24,1 13 Калий 184+169 291+282 144 + 164 199+83 189 + 137 14 Магний 25,8+7,1 40,3 + 19,8 135,1+82,4 674,7 + 161,2 204+106 15 Марганец 0,51+0,23 0,60+0,35 2,55 + 1,51 9,84+2,26 4,10+2,70 16 Молибден 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09 + 0,011 17 Натрий 367+285 453+324 449+346 533+91 520+210 18 Никель 1,05+0,44 0,86+0,52 3,62+2,51 7,85+4,03 3,80+1,00 19 Свинец 3,64+2,31 2,18+0,84 1,52+0,93 3,77+1,55 6,70+3,10 20 Сурьма 5,60+3,14 5,71+3,48 0,398+0,001 30,0+28,5 6,4+4,1 21 Селен 0,986+0,006 0,986+0,006 0,398+0,001 0,986+0,006 0,494+0,006 22 Кремний 11,3+7,5 18,1 + 13,3 32,0+21,7 31,3+9,1 22,3+9,7 23 Олово 0,986+0,006 0,986+0,006 0,494+0,006 0,986+0,006 0,986+0,006 24 Стронций 0,60+0,29 3,01+2,31 6,41+4,42 52,47+6,17 5,90+3,00 25 Титан 0,31+0,09 0,57+0,28 0,53+0,48 3,10+0,93 2,61 + 1,20 26 Таллий 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 27 Ванадий 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,22+0,07 0,09 + 0,011 28 Иттрий 0,004+0,006 0,004+0,006 - 0,09+0,011 0,004+0,006 29 Цинк 155+21 148+22 168+49 222+29 159+34 (см. рис. 2). Однако, как и в других случаях, наиболее низкий уровень никеля определяется у детей Мончегорска и Кировска (без существенных различий), а высокий - у детей Белгорода и пос. Умба, употребляющих богатую магнием питьевую воду. Концентрация никеля в волосах более 1,2 мг/кг отмечалась у 27,7 % детей Мончегорска, 20,0 % детей Кировска и 75,0 % детей Санкт-Петербурга (см. рис. 2). Содержание этого элемента у детей Белгорода достоверно превосходило средние значения у других контингентов, хотя изначально содержание никеля в питьевой воде города было минимально и загрязнения воздушной среды этим металлом не определялось. Выявлена положительная корреляция содержания никеля в волосах детей первой группы здоровья Мончегорска и Белгорода с концентрацией кальция (г = 0,3697 и r = 0,6126 соответственно) и магния (г = 0,4236 и г = 0,5399). Содержание стронция в волосах детей Белгорода было значительно выше, чем в других исследуемых группах. Это может быть связано с очень высоким его содержанием в питьевой воде (на два порядка выше, чем в Мончегорске). Низкое содержание стронция в воде Мончегорска отраз илось на его концентрации в волосах детей. У детей Кировска отмечен более высокий уровень стронция в волосах, чем у детей Мончегорска. Так, концентрация этого элемента выше 1,2 мг/кг обнаруживалась у 4 из 54 детей, проживающих в Мончегорске, и у 11 из 20 детей, обследованных в г. Кировске (см. рис. 2). Обсуждение результатов Было установлено, что накопление кадмия, титана, цинка и марганца в волосах у детей не зависит от их концентрации в питьевой воде. Самое высокое содержание алюминия и бария обнаруживалось в пробах волос детей из Белгорода при наиболее низком их содержании в питьевой воде. Концентрация алюминия более 14 мг/кг обнаруживалась в волосах 5,5 % детей Мончегорска и 50,0 % детей Кировска. Уровень бария в волосах более 1,3 мг/кг был выявлен у 16,7 % детей Мончегорска и у половины обследованных детей Кировска. Это свидетельствует о том, что употребление жесткой воды способствует накоплению алюминия и бария в волосах детей, а при употреблении ультрапре-сной воды процесс накопления алюминия и бария в волосах определяется их экспозицией. 14 Экология человека 2019.06 Окружающая среда Анализ полученных материалов, характеризующих микроэлементный состав волос детей первой группы здоровья, употребляющих воду различной жесткости и проживающих в отличающихся климатических условиях, свидетельствует о низком уровне накопления в волосах детей городов Кировск и Мончегорск как важных биогенных элементов, так и токсичных металлов. При этом концентрация кальция, магния, кадмия, меди, железа, марганца, никеля, титана, стронция и цинка в волосах у детей имеет прямую корреляционную зависимость от жесткости питьевой воды, в то время как уровень меди, никеля и стронция находится в обратной зависимости от их концентрации в питьевой воде. Вследствие этого наиболее низкий уровень тяжелых металлов обнаруживается в волосах детей в Кировске и Мончегорске Мурманской области, а наиболее высокий - в Белгороде. Можно предположить, что при наличии в городах Мурманской области (например, в Мончегорске) жесткой питьевой воды можно столкнуться с явлением интоксикации тяжелыми металлами у детей. Выявленный феномен справедлив и при оценке уровня накопления тяжелых металлов в волосах взрослого населения. Это подтвердили исследования, проведенные среди рабочих комбината «Северони-кель» и жителей Санкт-Петербурга, не занятых на вредном производстве, в возрасте от 20 до 52 лет [1]. Уровень накопления в волосах многих металлов у работающих в условиях воздействия высоких концентраций никеля, меди, железа и других существенно не отличается от такового у жителей Санкт-Петербурга, не работающих во вредных условиях. Все вышеизложенное свидетельствует о субто-тальном дефиците многих важных биоэлементов в организме жителей Кольского Севера и в меньшей степени г. Санкт-Петербурга. Выводы: 1. Содержание металлов в волосах человека зависит не только от их поступления в организм, но и от жесткости питьевой воды. Механизм такого явления необходимо изучить подробнее. 2. Субтотальный дефицит металлов - биоэлементов в организме жителей Крайнего Севера связан с употреблением ультрапресной питьевой воды. 3. Использование питьевой воды, обогащенной кальцием и магнием, жителями экологически загрязненных городов Севера (например, Мончегорска) создает угрозу накопления в организме токсичных металлов. Благодарности Авторы выражают благодарность заведующему кафедрой инженерной защиты окружающей среды СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Тарасу Владимировичу Кустову за общую поддержку исследования. Авторство Храмов А. В. внес существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, получение, анализ и интерпретацию данных; Контрош Л. В. внесла существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, получение, анализ и интерпретацию данных; Панкратова М. Ю. подготовила первый вариант статьи; Веженкова И. В. окончательно утвердила присланную в редакцию рукопись.

About the authors

A. V. Hramov

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"


L. V. Kontrosh

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

Email: Lida.Kontrosh@mail.ru

M. Y. Pankratova

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"


I. V. Vezhenkova

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"


References

  1. Алексеев С. В., Янушанец О. И., Храмов А. В., Серпов В. Ю. Элементный дисбаланс у детей Северо-Запада России. СПб.: Мед. пресса, СПбГПМА, 2001. 157 с.
  2. Бобун И. И., Иванов С. И., Унгуряну Т. Н., Гудков А. Б., Лазарева Н. К. К вопросу о региональном нормировании химических веществ в воде на примере Архангельской области // Гигиена и санитария. 2011. № 3. С. 91-95.
  3. Бузинов Р. В., Кику П. Ф., Унгуряну Т. Н., Ярыгина М. В., Гудков А. Б. От Поморья до Приморья: социально-гигиенические и экологические проблемы здоровья населения: монография. Архангельск: Изд-во Северного государственного медицинского университета, 2016. 397 с.
  4. Кривошеев Ю. К. Сравнительная оценка содержания химических элементов в волосах у детей Мончегорска и других регионов России // Бюллетень СГМУ. 2003. № 2. С. 133-134.
  5. О санитарно-эпидемиологической обстановке в Мурманской области в 2016 году / Управление Роспотребнадзора по Мурманской области / под ред. гл. государственного санитарного врача по Мурманской области, заслуженного врача Российской Федерации к.м.н. Л. А. Лукичевой. Мурманск, 2017.
  6. Унгуряну Т. Н., Гудков А. Б., Никанов А. Н. Оценка риска для здоровья населения при воздействии контаминантов почвы // Профилактическая и клиническая медицина. 2012. № 1. С. 101 - 105.
  7. Abdelrazig M. Abdelbagi, Maraim A. Gilani M., Ali E. Sharf Eldeen. Concentrations of trace elements in human hair as a biomarker expose to environmental contamination // International Journal of Scientific Research and Innovative Technology. 2017. Vol. 4, N 2. Р. 1 - 11.
  8. Anatoly V. Skalny, Alexey A. Tinkov, Irina Voronina, Olga Terekhina, Margarita G. Skalnaya, Yulia Kovas. Hair Trace Element and Electrolyte Content in Women with Natural and In Vitro Fertilization-Induced Pregnancy // Biological Trace Element Research. 2018. Vol. 181, Iss. 1, P. 1-9.
  9. Bowen H. J. M. Trace elements in biochemistry. New York: Academic Press, 1966. 241 p.
  10. Skalny A. V., Simashkova N. V., Skalnaya A. A., Klyushnik T. P. Assessment of gender and age effects on serum and hair trace element levels in children with autism spectrum disorder // Metabolic Brain Disease. 2017. Vol. 32, N 5. P. 1675-1684.
  11. Xiaofei Li, Zhibiao Chen, Zhiqiang Chen, Yonghe Zhang. A human health risk assessment of rare earth elements in soil and vegetables from a mining area in Fujian Province, Southeast China // Chemosphere. 2013. Vol. 93, Iss. 6. P. 1240-1246.

Statistics

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 2

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Hramov A.V., Kontrosh L.V., Pankratova M.Y., Vezhenkova I.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies