Concentrations of heavy metals in animal hair in an urban setting in the Altai Republic

Full Text

Одними из наиболее токсичных веществ, формирующих загрязнение атмосферного воздуха, являются тяжелые металлы. Загрязнители атмосферного воздуха накапливаются в снеговом покрове, почве, ухудшают качество воды; их вторичное поступление через растительную биоту в ткани животных и человека замыкает биогеоценотическую цепь, где человек является начальным и конечным звеном [13, 15, 18]. В Республике Алтай объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух составляет около 34 тыс. т/г, в том числе в административном центре - около 9 тыс. т/г. Загрязнение атмосферного воздуха происходит за счет не только твердотопливных отопительных систем, автомобильного транспорта, но и трансграничного переноса загрязнителей из соседних регионов. В результате даже на фоне низкой промышленной и демографической (63 214 человек) нагрузки может складываться неблагоприятная экологическая ситуация по состоянию атмосферного воздуха [10]. Актуальность комплексного мониторинга экологического состояния Горного Алтая оправдана необходимостью оценки антропогенных трансформаций различных звеньев биогеоценоза в динамике с целью дальнейшей разработки мероприятий, направленных на снижение токсикологической нагрузки на процессы естественной биотической регуляции в биосфере. Накопление тяжелых металлов в снеговом покрове, почве и растениях городской среды Республики Алтай 11 Окружающая среда Экология человека 2020.12 изучено достаточно, тогда как анализ аккумуляции тяжелых металлов тканями животных и человека не проводился. По данным авторов [5], степень антропогенной трансформации для речных вод сравнительно низкая, для грунтовых вод - повышенная и выражается в небольшом увеличении содержания тяжелых металлов и более значительном - азотистых и полиароматических соединений. Биоиндикационный анализ элементного состава лишайника (Caloplaca sp.) в пределах города Горно-Алтайска показал апрок-симацию к типоморфному микроэлементному составу выбросов отопительных систем, работающих на кузнецком угле, что свидетельствует о преобладающем поступлении микроэлементов в растительную биоту из атмосферного воздуха [5]. Для комплексной оценки экологического состояния воздушного бассейна необходимо изучение аккумуляции тяжелых металлов тканями животных. В ранжированном ряду органов и тканей животных по степени накопления тяжелых металлов эктодермальная среда (шерсть) отличается повышенной кумулятивной способностью [7, 18]. Собаки, содержащиеся на придомовых территориях, являются представителями животного звена биоценоза, находящимися в постоянной непосредственной близости с приземной частью биосферы, что позволяет рассматривать их в качестве своеобразного индикатора состояния среды обитания [14], а сбор биологического материала (шерсти) представляется доступным и нетравматичным [17]. Цель исследования - определение концентрации тяжелых металлов (Cd, Pb, Cu, Cr, Mn) в шерсти собак (Canis lupus familiaris), содержащихся на придомовых территориях города Горно-Алтайска. Методы Территория Горно-Алтайска расположена в северной части Алтайской горной области, преимущественно в котловинообразном расширении долины р. Маймы. Рельеф местности варьирует в пределах 250-820 м, при этом средняя высота местности составляет 400-450 м. В геоморфологическом плане район располагается в предгорной и низкогорной зонах Горного Алтая. Масштабы загрязнения приземного слоя атмосферы определяются мощностью выбросов, длительностью нахождения загрязняющих веществ в атмосфере и характером движения воздушных потоков, определяющих процессы их рассеивания, выведения или накопления. Загрязнение атмосферы техногенными выбросами связано со стратификацией атмосферы, величиной слоя перемешивания, скоростью ветра в слое 1,5 км. Сочетание метеорологических факторов, обусловливающих загрязнение атмосферы, представляет собой потенциал загрязнения. Известно, что очищение атмосферы от загрязняющих веществ, поступающих от различных источников, обусловлены мезо- и макромасштабными процессами - турбулентным обменом, высотой слоя перемешивания воздуха, режимом ветра, т. д. Повторяемость и мощность инверсий связана с крупномасштабными атмосферными процессами. Наибольший уровень концентрации примесей в атмосфере отмечается в малоподвижных антициклонах и гребнях, на западной периферии антициклона или гребня, при адвекции тепла в малоподвижном небольшом по площади циклоне, в котором циркулирует одна и та же воздушная масса [10]. При повышенной и высокой загрязненности атмосферы в холодный период года характерным синоптическим положением является господство на исследуемой территории Азиатского антициклона. Концентрация вредных примесей увеличивается при туманах и дымках, которые аккумулируют вещества повышенной токсичности. Рассеиванию вредных примесей способствуют быстро движущиеся циклоны, сильные фронтальные ветры, интенсивные осадки. Очищение атмосферы происходит при вторжении воздушных масс из Арктики, несущих чистый воздух. Для характеристики степени очищения воздушного бассейна Горно-Алтайска от загрязняющих веществ нами был использован комплексный метеорологический показатель, или метеорологический показатель самоочищения атмосферы (КМ), предложенный Т. С. Селегей [6], который рассчитывается по формуле: Км= (РШ + Рт) I (РО+ pв), где РШ - повторяемость скорости ветра, м/с; РТ - повторяемость дней с туманом, %; РО - повторяемость дней с осадками > 0,5 мм, %; РВ - повторяемость скорости ветра > 6 м/с. При КМ меньше единицы преобладают процессы самоочищения над процессами, способствующими накоплению примесей. При КМ больше единицы преобладают процессы накопления примесей над процессами самоочищения. Установлено, что в долине р. Маймы, где расположен Горно-Алтайск, метеорологический показатель самоочищения атмосферы составил для зимнего периода 1,8, для весеннего - 1,2, для летнего - 1,5, для осеннего - 2,1. Таким образом, процессы, способствующие накоплению примесей в атмосфере, преобладают в течение всего года. Это обусловлено особенностями рельефа, котловинообразным расширением долины и незначительными перепадами высот при существенной повторяемости антицикло-нальной погоды. Проводили анализ на содержание микроэлементов в эктодермальной среде (шерсти) собак (Canis lupus familiaris), содержащихся на придомовых территориях Горно-Алтайска. Сбор образцов шерсти собак производился сотрудниками ветеринарной службы во время подворового обхода, а также в условиях клиники при оказании ветеринарных услуг животным. Всего для анализа использовали образцы шерсти, взятые у 61 собаки (33 мужского и 28 женского пола) в возрасте от 1 года до 13 лет (33 собаки 1-5 лет; 28 собак 6-13 лет). Учитывали район обитания животных: центральная (30 собак) и окраинная (31 собака) часть города. 12 Экология человека 2020.12 Окружающая среда Для снижения потерь микроэлементов при пробоподготовке применяли метод мокрого озоления с использованием комплекса ТЭМОС-ЭКСПРЕСС (Томск). Масса навески шерсти составила 0,3-0,5 г. Каждый образец (две повторности) озоляли в следующей последовательности: 1) в тигли с образцами шерсти добавляли 2 мл HNO3 (конц.) и выпаривали до 0,5 мл при температуре 135 0С; 2) добавляли по 0,5 мл HNO3 (конц.) и H2O2 (30 %), выпаривали при температуре 135 0С несколько раз до однородной золы серого цвета; 3) озоляли пробы при температуре 450 0С в течение 30 мин; 4) золу растворяли в 50 мл HNO3 (5 %). Определяли содер жание микроэлементов: кадмия (Cd), свинца (Pb), меди (Cu), хрома (Cr) и марганца (Mn). Применяли метод атомно-абсорбционного спектрального анализа («Квант-2», Москва). По результатам двух измерений каждого образца определяли среднее значение. Проверку нормальности распределения данных выполняли с помощью критерия Шапиро - Уилка (нулевую гипотезу отвергали при p < 0,05). Данные химического анализа представлены как среднее значение, показатели медианы и моды, в качестве мер рассеивания проводили вычисление перцентилей 25-75 % (Qj- Q3). Значимость различий изучаемых параметров анализировали с применением критерия Распределение значений концентрации микроэлементов в шерсти собак, содержащихся на придомовых территориях Горно-Алтайска 13 Окружающая среда Экология человека 2020.12 Манна - Уитни. Пороговое значение уровня значимости принимали равным 0,05. Результаты Показатель биологически допустимого уровня (БДУ) основан на данных о пределе физиологической адаптации к верхней и нижней границе концентрации микроэлемента, за пределами которой проявляются процессы нарушения гомеостаза [13, 18]. В случае отсутствия данных о БДУ для интерпретации результатов исследования и выявления доли животных с высоким содержанием микроэлементов в биоматериалах необходимо определение территориальных референтных значений по каждому элементу. По данным литературы, верхний уровень этих показателей может отличаться в зависимости от района обследования [7]. Распределение значений Cd подчинялось закону нормального распределения (W = 0,97; p = 0,26) (рисунок, А), среднее значение составило 0,13 мг/кг (табл. 1). Относительно данного показателя превышение концентрации Cd отмечалось у 41 % животных. В литературе приводятся данные по содержанию Cd в шерсти животных, обитающих в разных экологических условиях (табл. 2). Так, в шерсти собак провинции Кореи этот показатель составляет 0,11 мг/ кг [17], в шерсти коз, овец, верблюдов южных районов Египта с разной токсикологической нагрузкой в пределах: 0,12-4,33, 0,1 - 6,25, 0,1 1 - 5,75 мг/ кг соответственно [19], диких животных (Cervus elaphus) провинции Польши - 0,12-0,18 мг/кг [11], в шерсти здоровых овец и овец, подвергшихся влиянию тяжелых металлов, в районах Китая - 0,36 и 2,82 мг/кг соответственно [21] (см. табл. 2). Таким образом, референтное значение концентрации Cd домашних собак, содержащихся на придворовых территориях Горно-Алтайска, существенно ниже, чем показатели, полученные авторами в исследованиях на сельскохозяйственных животных, обитающих в экологически загрязненных территориях, но несколько выше нижних границ представленного вариационного диапазона. Из рисунка Б видно, что распределение значений Pb (W = 0,75; p < 0,001) отклонялось от нормального, показатель моды соответствовал уровню 0,1 (27) мг/кг, медианное значение - 0,87 мг/кг (см. табл. 1 ). При определении количества животных с превышением концентрации Pd в шерсти учитывали среднее значение (1,23 мг/кг), относительно данного уровня превышение выявлено у 36,1 % животных. Вариационный размах 0,1-5,71 мг/кг (см. табл. 1) показывает присутствие в шерсти животных высоких концентраций, соответствующих значениям 5,71 мг/ кг. Для человека эти значения превышают верхний порог БДУ (2,5-5,0 мг/кг) [4, 7]. По данным литературы, содержание Pb в шерсти собак составляет 1,47 мг/кг [17], сельскохозяйственных животных - 0,35-13,00 мг/кг [19], диких животных - 7,54 - 10,16 мг/кг [11], в шерсти здоровых и пораженных тяжелыми металлами овец - 1,16 и 3,76 мг/кг соответственно [21] (см. табл. 2). В представленном ряду концентраций Pb разных регионов референтное значение домашних собак Горно-Алтайска приближено к сравнительно низким значениям. Таблица 1 Концентрация микроэлементов в шерсти домашних собак, содержащихся на придомовых территориях Горно-Алтайска Микро элемент Сред нее Меди ана Мода Min-Max Q1 Q3 Cd 0,13 0,14 0,11 0,00-0,23 0,10 0,16 Pb 1,23 0,82 0,10 0,10-5,71 0,10 1,66 Cu 7,80 7,37 - 0,81-18,10 5,97 8,97 Cr 4,00 3,71 3,24 0,51-8,28 2,59 5,40 Mn 12,36 9,12 - 2,82-77,51 6,35 14,20 Распределение показателей Cr статистически не отличалось от нормального (W = 0,97; p = 0,12) (рисунок, В), относительно среднего значения (4,0 мг/ кг) (см. табл. 1) у 32,8 % собак отмечались более высокие концентрации элемента. По данным авторов [17], референтное значение концентрации Cr в шерсти собак составляет 2,41 мг/кг (см. табл. 2), в волосах человека показатель в норме составляет 0,15-1,5 мг/ кг [7]. Выявленные значения концентрации Cr в шерсти собак в данном исследовании существенно выше, чем у других авторов. В распределении значений Cu выявлено статистически значимое отклонение от нормального (W = 0,93; p = 0,001) (рисунок, Г), медиана данного элемента соответствовала уровню 7,37 мг/кг, превышение среднего уровня (7,8 мг/кг) составило 40,9 %. Референтное значение концентрации Cu в шерсти обследованных собак сравнивали с данными литературы. В шерсти овец, обитающих в сравнительно Таблица 2 Значения концентрации микроэлементов в шерсти животных разных регионов Регион Животные Референтные значения, мг/кг Источник Cd Pb Cu Cr Mn Китай Здоровые овцы 0,36 1,16 3,73 - 4,63 [21] Овцы, пораженные тяжелыми металлами 2,82 3,76 9,87 - 4,89 Египет Козы 0,12-4,33 0,35-12 - - 2,71-35 [19] Овцы 0,1-6,25 0,01-8,9 - - 4,33-55 Верблюды 0,11-5,75 0,9-13 - - 5,0-41 Польша Благородный олень О ю 1 о со 7,54-10,16 16,95-17,98 - 13,87-19,29 [11] Корея Домашние собаки 0,11 1,47 - 2,41 - [17] 14 Экология человека 2020.12 Окружающая среда благоприятных экологических условиях Китая, показатель составил 3,73 мг/кг [21], что существенно ниже значения, полученного в данном исследовании (7,8 мг/кг). У овец, обитающих в загрязненном районе китайской провинции, концентрация Cu соответствовала значению 9,87 мг/кг [21]. Таким образом, референтное значение концентрации Cu в шерсти собак Горно-Алтайска по сравнению с данными литературы соответствует среднему уровню. Медианное значение Mn (W = 0,64; p < 0,001) составило 9,12 мг/кг (рисунок, Д). Превышение среднего значения (12,36 мг/кг) среди обследованных животных - 36 %. Исследования других авторов показали, что концентрация Mn у овец загрязненного и сравнительно благополучного регионов Китая не зависела от экологического состояния среды обитания и составила 4,89 и 4,63 мг/кг соответственно [21]. В шерсти сельскохозяйственных животных, содержащихся на пастбищах южных районов Египта с различной экологической обстановкой, концентрация Mn варьировала в пределах 2,71-55 мг/кг [19], в шерсти диких животных, обитающих в провинции Польши - 13,87-19,29 мг/кг [11]. Концентрация Mn в шерсти домашних собак Горно-Алтайска по сравнению с результатами, представленными в литературе, соответствует среднему уровню. В целом среди проанализированных образцов шерсти 33-41 % животных относительно территориальных референтных значений выявлены сравнительно высокие показатели концентрации микроэлементов. Содержание микроэлементов в шерсти собак не зависело от возраста, пола и района обитания животных. Следовательно, превышение территориальных референтных значений концентрации микроэлементов отмечалось примерно у третьей части животных независимо от района обитания во всех возрастнополовых группах. Обсуждение результатов Низкая ожидаемая продолжительность жизни в ряде регионов России, в числе которых и Республика Алтай (68,4 года) [12], свидетельствует о неблагополучном состоянии здоровья населения; при этом среди ведущих причин смертности - болезни системы кровообращения и новообразования [15]. По оценкам ВОЗ, около 58 % случаев преждевременной смерти, связанной с загрязнением атмосферного воздуха, происходит в результате ишемической болезни сердца и инсульта, 6 % - в результате рака легких [3]. Для оценки экологического состояния атмосферного воздуха селитебных территорий в качестве индикатора используют образцы животной ткани. В образцах шерсти домашних собак, содержащихся на придомовых территориях Горно-Алтайска, прогнозировались концентрации микроэлементов, приближенные к показателям экологически благоприятных регионов. Результаты исследования показали, что примерно у 37 % собак содержание микроэлементов превышало референтные значения. При сравнении полученных результатов с показателями других регионов с различной экологической обстановкой установили, что в вариационном диапазоне микроэлементного состава шерсти животных значения Горно-Алтайска соответствуют среднему уровню. Известно, что микроэлементы поступают во внутреннюю среду животных и человека при употреблении пищи и воды, а также при вдыхании аэрозолей или твердых частиц (ТЧ) с атмосферным воздухом [2]. По данным экологических служб Республики Алтай, содержание микроэлементов в питьевой воде и продуктах питания Горно-Алтайска соответствует допустимым концентрациям [1]. Результаты исследования авторов [5] показали, что количественный состав микроэлементов в лишайнике, произрастающем на кровлях в пределах городской среды, ассоциируется с составом кузнецкого угля. По всей видимости, одним из вероятных источников поступления микроэлементов в организм животных могут быть вдыхаемые мелкодисперсные ТЧ выбросов отопительных систем и выхлопов двигателей внутреннего сгорания. По данным литературы [16, 20], биодоступность многих микроэлементов увеличивается с уменьшением размера ТЧ. Мелкодисперсная среда ТЧ, абсорбирующих элементы, обеспечивает всасывание экзотоксикантов через аэрогематический барьер [9]. Известно, что ежегодно в мире сжигается более 10 млрд тонн топлива, при этом опасных веществ в атмосферу поступает больше, чем включается в биологический круговорот [16, 20]. Республика Алтай с ее малочисленными промышленными предприятиями и низкой плотностью населения признается экологически благоприятным регионом. В то же время низкая продолжительность жизни, высокий процент смертности от онкозаболеваний и болезней системы кровообращения среди жителей республики оставляют открытым вопрос о причинах, провоцирующих неблагополучную демографическую обстановку. Результаты настоящего исследования позволяют предположить, что население республики подвергается пролонгированному воздействию металлов в дозах, не позволяющих выявить признаки выраженного отравления, но в количествах, превышающих пороговые концентрации настолько, чтобы вызывать нарушение механизмов гомеостаза, провоцировать развитие заболеваний, этиология которых сложна для анализа. По данным литературы, подобные изменения в организме проявляются в результате эффекта накопления околопороговых доз токсиканта [7, 8]. В Республике Алтай одним из вероятных путей поступления тяжелых металлов в организм является вдыхание мелкодисперсных ТЧ от выбросов твердотопливных отопительных системы и выхлопов двигателей внутреннего сгорания. В условиях слабого самоочищения воздушного бассейна особенно актуально снижение использования каменного угля и жидкого автомобильного топлива. Так, при пылевой нагрузке 129 кг/км2/сут максимальное содержание ТЧ в атмосферном воздухе Горно-Алтайска составляет 15 Окружающая среда Экология человека 2020.12 5,7 мг/м3, что значительно превышает допустимые значения (ПДК = 0,5 мг/м3). Для корреляционного анализа количественного содержания тяжелых металлов в ткани животных с микроэлементами, поступающими из атмосферного воздуха, необходимо провести оценку их концентрации в ТЧ воздушного бассейна территории города. Заключение В вариационном диапазоне микроэлементного состава шерсти животных других регионов с различной экологической обстановкой полученные результаты по Горно-Алтайску соответствуют среднему уровню. Содержание тяжелых металлов в эктодермальной среде животных отражает особенности процессов аккумуляции экзотоксикантов, обусловленные концентрацией, характером аэрозолей и условиями самоочищения воздушного бассейна города. Для апроксимации количественного содержания тяжелых металлов в ткани животных с микроэлементами, поступающими из атмосферного воздуха, необходим анализ их концентрации в ТЧ воздушного бассейна территории города.

About the authors

E. A. Chanchaeva

Gomo-Altaisk State University

Email: chan.73@mail.ru
Gorno-Altaisk

V. S. Lapin

Gomo-Altaisk State University

Gorno-Altaisk

Yu. V. Kuznetsova

Gomo-Altaisk State University

Gorno-Altaisk

T. K. Kurilenko

Gomo-Altaisk State University

Gorno-Altaisk

R. I. Aizman

Novosibirsk State Pedagogical University

Novosibirsk, Russia

References

Supplementary files