ELEMENTAL COMPOSITION OF HUMAN HAIR IN NORTH-WESTERN SIBERIAN CITIES WITH DIFFERENT DRINKING WATER QUALITY

Full Text

Проблема всестороннего изучения и гигиенической оценки различных факторов, оказывающих влияние на здоровье населения, сложна и многогранна. К этим факторам относятся: окружающая среда, образ жизни и поведения, трудовая деятельность и такие важные показатели, как качество жизни, состояние экосистем, медицинское обеспечение. Общеизвестно, что вклад состояния окружающей среды в здоровье населения составляет 25-30 % [24, 29]. Одним из важных факторов окружающей среды, участвующих в формировании здоровья и качества жизни населения, является питьевая вода [1, 13]. Известно, что на одного гражданина Российской Федерации приходится в 10 раз большее количество воды, чем 4 Экология человека 2019.11 Окружающая среда в среднем на одного жителя Земли. Несмотря на то, что Россия является водной державой, проблема обеспечения ее населения доброкачественной питьевой водой вызывает серьезную озабоченность [13, 18]. К сожалению, в стране не проводятся исследования, позволяющие оценить бремя болезней, связанных с питьевой водой. Это обусловлено сложностью вычисления вклада водного фактора в общую химическую нагрузку. Соответственно одним из приоритетных направлений развития профилактической медицины является проведение репрезентативных по выборке эпидемиологических исследований с системным исследованием биомаркеров [13]. Проблема установления связи между воздействием факторов окружающей среды и состоянием здоровья населения является одной из наиболее актуальных и сложных в современной профилактической медицине. Одно из приоритетных направлений в комплексных исследованиях по установлению доказательных причинно-следственных зависимостей, выявлению риска здоровью населения - проведение биологического мониторинга контаминантов и их метаболитов в биосредах населения. Именно прямые методы определения химических соединений в биологических средах являются неоспоримым доказательством неблагоприятного воздействия на здоровье населения [16, 17]. В последнее время все больший интерес представляет исследование волос для выявления состояния обмена микроэлементов в организме и токсического воздействия отдельных тяжелых металлов. Волосы - «минеральный образ», который пропорционален составу всего организма. Определение химических элементов в волосах служит объективным показателем состояния организма. Волосы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими биосубстратами: неинвазивность метода, простота забора материала, возможность хранения при комнатной температуре в течение неограниченного времени, более высокая концентрация микроэлементов по сравнению с другими биообъектами (кровь, моча). Многочисленными авторами установлено, что практическая значимость сведений об особенностях элементного портрета жителей отдельных регионов крайне важна для понимания причин распространения экозависимых заболеваний и демографической ситуации в регионе. Отечественные и зарубежные научные коллективы занимаются изучением функционирования химических элементов, их роли в патогенезе различных заболеваний и поиском путей коррекции патологических состояний. Однако все чаще изучение элементного статуса становится инструментом обширных скрининговых исследований здорового населения [16, 17, 21-23]. Одним из перспективных направлений современной медицинской науки является изучение «элементного портрета» населения как в популяции вообще, так и популяционных выборках. Многочисленными исследованиями установлено наличие прямой корреляции между концентрацией химических элементов в волосах жителей и концентрацией в питьевой воде территории их проживания [7, 17]. Цель исследования - изучить концентрации биоэлементов в волосах жителей городов Ханты-Мансийского автономного округа, расположенного на территории Северо-Западной Сибири, с различной очисткой питьевой воды. Методы Объектом исследования явились 155 жителей Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО), не занятых в производственной сфере: 56 (36,1 %) мужчин и 99 (63,9 %) женщины. Средний возраст (38,3 ± 8,9) года. В городах Сургуте и Ханты-Мансийске, где проводится качественная очистка водопроводной воды (в артезианской воде снижается концентрация железа методом глубокой аэрации и обеззараживается без применения химических реагентов при помощи ультрафиолетового облучения и озонирования), проживали 84 (54,2 %) обследованных лица. Остальные 71 (45,8 %) обследованный были жителями городов Нефтеюганска и Нягани, где для питьевого водоснабжения использовали водопроводную воду из артезианских скважин, прошедшую некачественную очистку (только обеззараживание с использованием гипохлорита кальция) [4]. Настоящее исследование проведено с соблюдением требований биомедицинской этики и сопровождалось добровольно полученным письменным информированным согласием обследуемых лиц. Методами атомной эмиссионной спектрометрии (АЭС-ИСП) и масс-спектрометрии (МС-ИСП) с индуктивно связанной аргоновой плазмой на приборах Optima 2000 DV и ELAN 9000 (ГеЛт Elmer Corp., США) в АНО «Центр биотической медицины» (Москва) в волосах в составе 25 химических элементов определяли концентрацию: железа (Fe), марганца (Mn), кальция (Ca), магния (Mg), меди (Cu), цинка (Zn) и селена (Se). Забор волос производился с затылочной части головы [6]. Правомерность и эффективность использования волос для оценки элементного статуса организма в целом доказана результатами нескольких международных координационных программ, выполненных под эгидой Международного агентства по атомной энергии. В качестве референтных величин концентраций элементов использованы среднероссийские показатели [15]. Полученный цифровой материал обрабатывали с помощью программы MS Exсel и STATISTICA 8.0. Вычисляли среднюю арифметическую (М), среднеквадратичное отклонение (с), в качестве мер рассеивания параметров с ненормальным распределением и наличием ряда экстремальных значений использовали 25 и 75 перцентили. Значимость различий изучаемых параметров анализировали с применением 5 Окружающая среда Экология человека 2019.11 критерия Манна - Уитни для непараметрических величин: за статистически значимые принимали различия при р < 0,05. Результаты В табл. 1 представлены показатели концентрации в волосах Fe, Mn, Ca, Mg, Cu, Zn и Se у обследованных лиц городов Ханты-Мансийского автономного округа с различной очисткой питьевой воды. Средние величины концентрации Fe в волосах жителей Нефтеюганска и Нягани оказались выше верхнего предела физиологически оптимальных значений и более чем в 2,5 раза превышали аналогичный показатель у жителей Сургута и Ханты-Мансийска (p < 0,001). В табл. 2 показана распространенность дефицитов и избытков химических элементов в волосах городов ХМАО с различной очисткой водопроводной воды. Средние величины содержания Mn в волосах обеих групп обследованных лиц северного региона превышали верхнюю границу физиологически оптимальной концентрации элемента в волосах. Однако это превышение имело значительные межгрупповые различия: у жителей городов ХМАО с некачественной очисткой питьевой воды - более чем в 5 раз, а в городах с качественной ее очисткой только в 1,5 раза и статистически значимо различались между собой (p < 0,001) (см. табл. 1). Средние показатели содержания Ca в волосах в обеих группах обследованных лиц ХМАО находились в диапазоне физиологических величин, но ближе к нижней границе нормы. При этом статистически значимых межгрупповых различий не выявлено (см. табл. 1). Примерно одинаково распределились обследованные лица и по степени выраженности дефицита и избытка химических элементов (см. табл. 2). Аналогичная картина наблюдается и в отношении второго щелочноземельного металла - Mg (см. табл. 1, 2). При этом привлекают внимание более низкие величины концентрации как Ca, так и Mg в волосах жителей Сургута и Ханты-Мансийска. Это может быть результатом более жесткой очистки водопроводной воды по сравнению с Няганью и Нефтеюганском. Важно отметить, что избыточное содержание в волосах именно Са и Mg может свидетельствовать об их ускоренном выведении из организма [16]. Концентрация Cu и Zn в волосах обследованных лиц обеих групп находилась в диапазоне оптимальных значений, однако ближе к нижней границе физиологической нормы. Межгрупповых различий выявлено не было. При этом средние величины содержания данных биоэлементов, входящих в состав антиоксидантных ферментов: медь- и цинкзависимая супероксиддисмутаза в волосах жителей Сургута и Таблица 1 Концентрация химических элементов в волосах жителей Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, мкг/г Элемент Диапазон физиологических колебаний Жители Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (n = 155) р Нефтеюганск и Нягань (n = 71) Сургут и Ханты-Мансийск (n = 84) M+o Me 25^75 M+o Me 25^75 Fe 7-70 52,3±8,5 39 35,7^89,0 20,6+1,4 18,7 15,5^48,7 < 0,001 Mn 0,15-2,00 11,3 + 1,9 8,9 2,5^12,9 3,1+0,3 2,5 1,8~5,1 < 0,001 Ca 250-4000 978,0+74,5 562 354^1321 899,0+61,4 489 268^1156 0,410 Mg 25-500 175,0+23,6 98 65^431 152,0+10,3 123 59^398 0,348 Cu 9-50 14,9 + 1,2 12 7,6^22,5 18,4+1,7 13,6 8,2^35,1 0,106 Zn 140-500 204,0 + 11,5 194 147^259 237,0+12,4 214 165^382 0,056 Se 0,2-2,0 0,40+0,01 0,4 0,1~0,8 0,46+0,02 0,42 0,14^0,92 0,012 Таблица 2 Распределение обследованных лиц Ханты-Мансийского автономного округа - Югры по степени обеспеченности биоэлементами Химический элемент Жители Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (n = 155) Неф теюганск и Нягань (n = 71/100) Сургут и Ханты-Мансийск (n = 84/100) Норма Дефицит 1-2 ст. Избыток 1-2 ст. Избыток 3-4 ст. Норма Дефицит 1-2 ст. Избыток 1-2 ст. Избыток 3-4 ст. Fe 37/52,1 2/2,8 15/21,1 17/24 63/75 4/4,8 7/8,3 10/11,9 Mn 34/47,9 - 20/28,1 17/24 62/73,8 2/2,4 9/10,7 11/13,1 Ca 49/69 17/24 5/7 - 56/66,7 21/25 7/8,3 - Mg 53/74,6 7/9,9 11/15,5 - 63/75,0 9/10,7 12/14,3 - Cu 59/83,1 8/11,3 4/5,6 - 71/84,5 10/11,9 3/3,6 - Zn 56/78,9 15/21,1 - - 67/79,8 12/14,3 5/5,9 - Se 57/80,3 14/19,7 - - 75/89,3 9/10,7 - - 6 Экология человека 2019.11 Окружающая среда Ханты-Мансийска превышали в 1,2 раза подобные показатели у жителей Нефтеюганска и Нягани (см. табл. 1). Кроме того, распространенность дефицита Zn среди жителей Нефтеюганска и Нягани встречалась в 1,5 раза чаще, чем среди обследованных лиц Сургута и Ханты-Мансийска (см. табл. 2). Содержание главного микроэлемента антиокси-дантной защиты организма человека - Se [20-28] оказалось статистически значимо выше (р = 0,012) в группе жителей городов с качественной очисткой питьевой воды по сравнению с населением ХМАО, проживающим в городах с некачественной ее очисткой (см. табл. 1), а распространенность дефицита данного биоэлемента наблюдалась почти в 2 раза реже (см. табл. 2). У подавляющего большинства обследованных лиц содержание Cu, Zn и Se в волосах соответствовало оптимальным значениям, дефицит и избыток этих биоэлементов характеризовал элементный статус различного количества обследованных лиц ХМАО (см. табл. 2). Таким образом, средние величины концентрации Fe и Mn в волосах жителей городов с некачественной очисткой питьевой воды были статистически значимо выше аналогичных показателей у жителей городов с качественной очисткой воды. Средние значения содержания Ca, Mg, Cu, Zn и Se в обеих группах обследованных лиц находились в диапазоне референтных величин, но ближе к нижней границе нормы. Установлены более высокие концентрации в волосах биоэлементов, входящих в антиоксидантные ферменты, а именно: Cu, Zn и Se в волосах жителей городов ХМАО с качественной очисткой питьевой воды по сравнению с населением городов, где очистка водопроводной воды проводится некачественно. Обсуждение результатов Расположенный на территории Северо-Западной Сибири Ханты-Мансийский автономный округ вносит весомый вклад в экономику страны мощнейшим топливно-энергетическим комплексом, лесной и рыбной промышленностью и многим другим. При этом по совокупности климатических характеристик территории Севера могут быть отнесены к зоне дискомфортных природно-климатических условий проживания [5]. Известно, что геохимическая среда и живое вещество - это взаимозависимые компоненты биосферы. В биогеохимическом круговороте между содержанием химических элементов во внешней (геохимической) среде и внутренней среде живых организмов складываются сложные причинно-следственные связи. Человек является одним из звеньев природных биогеохимических цепей. Однако элементный состав организма человека как биосоциального существа зависит как от геохимического окружения (комплекса природных факторов), так и от социально-экологических факторов, в частности от особенностей водно-пищевых рационов. Учитывая социально обусловленную миграцию пищевых продуктов и использование населением привозных продуктов из других биогеохимических территорий, определяющей компонентой внешней среды, формирующей своеобразие регионального фона населения, является питьевая вода. Химические элементы, поступающие в организм с питьевой водой, могут составлять существенную часть суточного рациона. Питьевая вода является незаменимым источником эссенциальных макроэлементов и легко всасываемых. Это справедливо прежде всего в отношении Ca, Mg, а также Fe, Mn и некоторых других химических элементов при их избыточных концентрациях в питьевой воде [9, 11]. В связи с этим влияние водного фактора приобретает всё большее значение. Вода и соотношение в ней растворённых макро- и микроэлементов выступают в качестве первичного звена, определяющего адекватность адаптации живых организмов к факторам геохимической среды. Химический состав природной воды является уникальным для конкретной местности, и минеральный состав питьевой воды может быть определяющим фактором элементного состава организма. В настоящее время также установлено, что недостаток определённых химических элементов в почве (а соответственно и в воде) приводит к пониженному уровню этих элементов в организме людей, проживающих в данной местности, и к тем или иным заболеваниям. Оценивая особенности ХМАО в отношении водной среды, следует выделить повсеместное распространение маломинерализованных ультрапресных вод с низким содержанием ионов Ca и Mg, а также значительное повсеместное превышение нормативных показателей по Fe и Mn [8, 10-12]. Для организма человека в отношении каждого макро- и микроэлемента существуют пределы, понижение или повышение которых не проходит бесследно, вызывая определенные физиологические сдвиги или патологические состояния. Результаты наших исследований подтверждают представленные В. Ю. Серповым материалы, которые свидетельствуют о прямой корреляционной зависимости между концентрациями Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn в волосах детей и в питьевой воде [14]. У жителей городов с некачественной очисткой водопроводной воды средние значения концентрации Fe и Mn значительно превышали верхнюю границу физиологически оптимальных величин. В то же время у населения ХМАО, проживающего в городах с качественной очисткой питьевой воды, средние значения Fe находились в диапазоне референтных величин, а Mn - незначительно их превышали. Для человека очень важна оптимальная обеспеченность жизненно важными химическими элементами, к которым относятся в первую очередь Fe, Mn, Ca, Mg, Cu, Zn и Se [17, 26]. Как дефицит, так и избыток данных биоэлементов отрицательно сказывается на здоровье человека. Общеизвестна роль Fe в обеспечении организма человека кислородом, 7 Окружающая среда Экология человека 2019.11 функционировании иммунной и нервной систем и пр. В то же время избыточное поступление неорганического Fe в организм человека может повлечь за собой снижение иммунологической резистентности и выступать в роли прооксиданта. Важно отметить, что органическое Fe, поступающее в организм человека в хелатированном состоянии с пищей, не оказывает отрицательного действия [16, 17]. Марганец является безусловным жизненно важным химическим элементом: необходим для синтеза нуклеотидов, входит в активный центр многих ферментов, в том числе и антиоксидантных, важен для репродуктивной функции, необходим для оптимальной работы иммунной системы и центральной нервной системы, построения костей и хрящей и пр. При этом Mn обладает мощной склонностью к кумуляции, что подтверждается в нашем исследовании превышением референтных значений средних величин в обеих группах обследованных лиц ХМАО. Это обусловлено постоянным поступлением в организм Mn, содержащегося в избыточном количестве в питьевой воде [10]. Наряду с общерезорбтивным действием Mn характеризуется развитием специфических эффектов повреждающего действия со стороны центральной нервной системы, системы крови, желудочно-кишечного тракта, почек, костной системы, иммунной системы, окислительно-антиоксидантных и обменных процессов, что может вызвать рост заболеваемости населения в явных и скрытых формах [10, 17, 19, 25, 27]. Доказано, что физиологический гомеостаз Ca и Mg является обязательным условием здоровья человека. Анализ воды из централизованных источников водоснабжения городов и населенных пунктов ХМАО показал очень низкую концентрацию Са - в 5 раз ниже оптимального значения, а Mg - в 6 раз ниже [4]. В нашем исследовании средние величины концентрации Ca и Mg в волосах обследованных лиц ХМАО находились в диапазоне физиологически оптимальных значений ближе к нижней границе нормы. При этом более чем у четверти жителей обеих групп выявлено нарушение обеспеченности этими жизненно важными химическими элементами (см. табл. 2). Являясь основополагающим биоэлементом костной системы, Ca играет важную роль в проведении нервных импульсов, мышечном сокращении, поддержании тонуса сосудов, активизации ряда ферментов, принимающих участие в свертывании крови, обладает антиаллергическим и антистрессовым эффектом, способствует выведению из организма тяжелых металлов, радионуклидов и пр. Магний необходим всем без исключения системам организма, он «запускает работу» множества ферментов, участвующих в энергетическом, белковом, углеводном и жировом обмене. Только напрямую от Mg зависит 300 биохимических процессов, а косвенно - на несколько порядков больше, среди которых наиболее известные - реакции трикарбоновых кислот, синтез АТФ, обмена лактата, окисления жирных кислот и др. [9, 17]. Недостаточность Mg у человека может способствовать развитию разнообразных патологических состояний. Среди прочего существенно повышается риск сердечно-сосудистых, неврологических и эндокринных заболеваний. Важно, что наличие даже умеренной гипомагнезиемии может повышать риск развития заболеваний в отдаленные периоды жизни [30]. Поэтому употребление очень мягкой воды в течение длительного времени нежелательно, так как мягкая вода, проходя через пищеварительный тракт, вымывает не только минеральные вещества, но и полезные органические вещества, в том числе полезные бактерии. Наименьшие отклонения от показателей физиологически оптимальных величин были обнаружены нами при изучении концентрации Cu и Zn в волосах обследованных лиц северного региона. Стоит отметить, что средние значения вышеназванных биоэлементов по аналогии с Cu и Zn располагались также ближе к нижней границе референтных показателей, а отклонения от их оптимальных концентраций регистрировались чаще у жителей Нефтеюганска и Нягани. Установлено, что Cu и Zn помимо влияния на функционирование практически всех клеток организма [20, 27] входят в активный центр антиоксидантных ферментов: цинк- и медьзависимой супероксиддис-мутазы. Исследованиями И. Ш. Якубовой и соавт. [18] доказано, что недостаточное содержание Zn и Cu при избыточной концентрации Fe и Mn способствует формированию патологических изменений в организме человека: вызывают развитие микроэлементного дисбаланса, снижение иммунитета и возникновение сердечно-сосудистой, эндокринной патологии, заболеваний опорно-двигательного аппарата, зубочелюстной системы, почек и др. Это является весьма актуальным именно для городов ХМАО с некачественной очисткой питьевой воды. В наибольшей степени оказались приближены к нижней границе физиологически оптимальных значений в обеих группах жителей ХМАО показатели обеспеченности главным микроэлементом антиокси-дантной системы защиты организма - Se, входящим с состав глутатионпероксидазы, глицинредуктазы, цитохрома С - ведущих антиоксидантных ферментов [28]. Кроме того, в настоящее время установлено, что Se является неотъемлемой частью по крайней мере 25 селенопротеинов, участвующих в регуляции основных метаболических процессов в организме человека и животных. С недостаточностью обеспеченности организма человека Se связывают серьезные нарушения в деятельности сердца, иммунной, эндокринной, нервной и других систем организма. В нашем исследовании обеспеченность обследованных лиц городов с качественной очисткой питьевой воды была статистически значимо (р = 0,012) выше аналогичного показателя у населения 8 Экология человека 2019.11 Окружающая среда городов ХМАО с некачественной ее очисткой. На первый взгляд, подавляющее число жителей северного региона было адекватно обеспечено Se. Однако, по мнению Н. А. Голубкиной, Т. Г. Папазян [3], оптимальная концентрация Se в волосах составляет 0,7 мкг/г, что почти в 1,75 раза выше показателя концентрации Se в волосах жителей Нефтеюганска и Нягани и более чем в 1,5 раза превышает среднее содержание элемента у жителей Сургута и Ханты-Мансийска. В этой связи показатели содержания данного жизненно важного химического элемента в волосах у 63 (88,7 %) жителей первой группы и у 67 (79,8 %) жителей второй группы оказались ниже оптимальной концентрации. Исследованиями, проведенными на территории ХМАО в 2004 - 2005 гг., установлено пониженное содержание Se в почве, воде и местных продуктах питания [2]. В этой связи округ может быть отнесен к селенодефицитным территориям. Таким образом, полученные результаты указывают на наличие дисбаланса макро- и микроэлементного гомеостаза у населения, употребляющего питьевую воду неблагоприятного минерального состава. Это может свидетельствовать о неполноценности у них ферментных комплексов, обеспечивающих антиоксидантную защиту организма, что может лежать в основе формирования хронических форм патологии. Выявленные характер и степень выраженности микроэлементозов не могут быть полностью скорректированы только за счет упорядочения рациона питания. Для этого необходима разработка и реализация мероприятий по следующим основным направлениям: пополнение рациона продуктами функционального питания и регулярный прием витаминно-минеральных комплексов и индивидуально подобранных биологически активных добавок к пище, способствующих элиминации токсичных элементов и восполнению дефицита жизненно важных химических элементов.

About the authors

L. A. Minyailo

Khanty-Mansiysk State Medical Academy

Email: MinyailoLA@yandex.ru

References

Supplementary files