Assessment of the adaptive capacity of children and adolescents in environmentally challenging conditions

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

В настоящее время как зарубежные, так и отечественные исследования свидетельствуют об отрицательной тенденции в состоянии здоровья подрастающего поколения [1]. В ряде исследований, проведённых в последние годы, установлено увеличение числа детей и подростков с отклонениями в физическом развитии. Большинство авторов связывают этот рост с действием следующих неблагоприятных факторов: загрязнение природной среды, недостаточно комфортные климатические условия, неудовлетворительная медико-социальная инфраструктура, дисбаланс микро- и макронутриентов в питании [1–3]. Комплексная оценка состояния окружающей среды и её влияния на здоровье населения должна основываться не только на показателях нахождения загрязняющих веществ в природных средах, но и на ответных реакциях живых организмов на воздействие этих загрязняющих веществ. Особую значимость приобретает мониторинг показателей физического развития детей школьного возраста вследствие их высокой экосенситивности, обусловленной пубертатными изменениями в организме (интенсивные прибавки длины и массы тела, нейрогуморальный и вегетативный дисбаланс) [1]. Адаптационные возможности детей и подростков могут выступать индикаторами развития организма в неблагоприятных условиях среды, так как позволяют оперативно реагировать на изменения среды обитания и находить оптимальный режим работы органов и систем [4, 5]. Комплексный показатель, предложенный Б.М. Баевским и соавт. [6], основанный на взаимоотношении показателей возраста, массы и роста тела, частоты сердечных сокращений, систолического и диастолического артериального давления, позволяет оценить адаптационный потенциал (АП) подрастающего поколения.

Результаты проведённых исследований взаимодействия разных факторов среды и здоровья населения показывают, что многие вопросы, связанные с риском нарушения здоровья разных половозрастных групп, уровнем воздействия техногенной нагрузки на организм, недостаточно изучены [7–10].

Цель исследования. Оценка физического развития и АП детей и подростков, проживающих на территориях с различной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Анализ экологической обстановки территорий Ульяновской области за 2009–2023 гг. произведён на основе собственных исследований проб атмосферного воздуха, питьевой воды из водопроводной сети, почв селитебных зон районов области. Состояние атмосферного воздуха оценивали по концентрации взвешенных веществ, серы диоксида, углерода оксида, азота диоксида, фенола, гидрохлорида, формальдегида, бенз(а)пирена, аммиака, сероводорода. Оценку проб питьевой воды проводили по анализу следующих показателей: железа, нитратов, сульфатов, хлоридов, фосфатов, цинка, хрома III, марганца, меди. Состояние почвы оценивали по концентрации металлов: кадмия, меди, свинца, цинка, никеля. Все анализы выполняли на базе химико-аналитической лаборатории НИТИ им. С.П. Капицы Ульяновского государственного университета.

По результатам экологического мониторинга, проведённого в 2009–2023 гг., ранжировали территории региона. Анализ показателей загрязняющих веществ позволил рассчитать для каждой природной среды комплексный показатель загрязнения по следующей формуле:

${\mathrm{К}}_{\mathrm{n}}=\frac{\sum {\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}}{\mathrm{ПДК}\left({\mathrm{ПДК}}_{\mathrm{с}.\mathrm{с}.}\right)}$,                                                                   (1.1)

где К_n — комплексный показатель загрязнения природных сред, рассчитанный по кратности превышения гигиенических нормативов (n — природные среды: атмосферный воздух, питьевая вода, почва);

C_n — среднеарифметические значения концентрации веществ, загрязняющих природную среду, по муниципальным районам региона;

ПДК — предельно допустимая концентрация для вещества, загрязняющего природную среду (питьевую воду, почву);

ПДК_с.с. — предельно допустимая концентрация для загрязняющего атмосферный воздух вещества.

В результате, с использованием комплексных показателей природных сред рассчитали интегральный коэффициент антропогенной нагрузки (КАН) на окружающую среду.

Расчёт интегральных КАН на окружающую среду, производили по следующей формуле:

$\mathrm{КАН}=\frac{{\mathrm{К}}_{\mathrm{воздуха}}+{\mathrm{К}}_{\mathrm{воды}}+{\mathrm{К}}_{\mathrm{почвы}}}{\mathrm{n}}$,                                                             (1.2)

где КАН — интегральный коэффициент антропогенной нагрузки на окружающую среду;

К_{воздуха} — комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха, рассчитанный по средним арифметическим значениям концентраций;

К_воды — комплексный показатель загрязнения питьевой воды, рассчитанный по кратности превышения гигиенических нормативов;

К_почвы — комплексный показатель загрязнения почвы, рассчитанный по кратности превышения гигиенических нормативов;

n — количество анализируемых природных сред.

Величину классового интервала для оценки антропогенной нагрузки рассчитывали по следующей формуле [11]:

$\mathrm{C}=\frac{\left|\left(\mathrm{X}max–\mathrm{X}min\right)· {\lg }^2\right|}{lgN}$,                                                                        (1.3)

где Xmax — максимальное значение индекса антропогенной нагрузки;

Хmin — минимальное значение индекса антропогенной нагрузки;

N — объём выборки, соответствующий числу значений индекса антропогенной нагрузки в границах интервала (min÷max).

На территории области провели обследование школьников в медицинских кабинетах школ со специальным оборудованием по программе, включающей измерение длины тела (ДТ), массы тела (МТ), окружности грудной клетки (ОГК), что позволило расчитать индекс массы тела (ИМТ) [12], функциональных параметров частоты сердечных сокращений (ЧСС), систолического (САД) и диастолического (ДАД) артериального давления. На проведение исследований имеется заключение этической комиссии (акт № 15 от 17.10.2007 г.) Ульяновского государственного университета, все полученные данные обезличены. Обследование проводили в 2008–2023 гг. в 25 образовательных учреждениях, выборка состояла из 5053 учащихся (2663 мальчика и 2390 девочек) в возрасте от 7 до 17 лет, постоянно проживающих в регионе (табл. 1).

Таблица 1. Численность девочек и мальчиков по возрастам и группам сравнения

Table 1. Number of girls and boys across age- and comparison groups

Вычисления АП проводили по формуле Б.М. Баевского и соавт. [6]. Чем выше величины АП, тем более значительны изменения функционального состояния системы кровообращения (2,60 и ниже — удовлетворительная адаптация; 2,61–3,09 — напряжение механизмов адаптации; 3,10–3,49 — неудовлетворительная адаптация; 3,50 и выше — срыв механизмов адаптации).

Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием программ Microsoft Office Excel 2010 и Statistica Soft 10.1. На основе вычисления критериев Колмагорова–Смирнова и Шапиро–Уилка (с поправкой Лиллиефорса) оценивали распределение показателей подчинению закону нормальности [13]. Статистическая значимость принималась на уровне вероятности более 95% (р <0,05). Результаты сравнения показателей АП детей и подростков по возрастным группам оценивали с помощью Т-критерия Стьюдента и дисперсионного анализа (ANOVA).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате собственного многолетнего мониторинга определили среднемноголетние концентрации загрязняющих веществ [14].

Таблица 2. Шкала качественной оценки антропогенной нагрузки на окружающую среду территорий региона

Table 2. Scale for assessing anthropogenic load on the environment

Диапазон значений шкалы качественной оценки антропогенной нагрузки на окружающую среду муниципальных образований вычислили с помощью формулы [11] с величиной классового интервала 1,53. Шкала качественной оценки антропогенной нагрузки на окружающую среду территорий региона представлена в табл. 2. Интегральные коэффициенты и степень антропогенной нагрузки на окружающую среду представлены в табл. 3.

Таблица 3. Интегральные коэффициенты антропогенной нагрузки на окружающую среду

Table 3. Integral coefficients of the anthropogenic load on the environment

В результате анализа выявили высокую степень антропогенной нагрузки на окружающую среду в Димитровграде, Чердаклинском районе, Ульяновске и Сенгилеевском районе.

Для сравнительного анализа физического развития и АП детей и подростков выбрали территории Сенгилеевского и Чердаклинского районов, так как эти муниципальные образования наравне с промышленными городами имеют высокую степень антропогенной нагрузки (см. табл. 3). Для группы контроля выбрали районы, в которых отмечена низкая степень антропогенной нагрузки, — Вешкаймский и Сурский.

Рис. 1. Результаты дисперсионного анализа (ANOVA, p ≤0,05) нормированных отклонений морфометрических показателей мальчиков и девочек, проживающих на территориях с разной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду: ДТ — длина тела; МТ — масса тела; ОГК — окружность грудной клетки; ИМТ — индекс массы тела.

Fig. 1. Results of analysis of variance (ANOVA, p ≤0.05) of normalized deviations of morphometric indicators of boys and girls living in areas with varying degrees of anthropogenic pressure on the environment: Bl — body length, Bm — body mass, Cc — chest circumference, BmI — body mass index.

С помощью процедуры нормирования и дисперсионного анализа сравнили морфометрические показатели школьников, проживающих в районах с разной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду. Из рис. 1 следует, что значения ДТ, МТ, ОГК и ИМТ у мальчиков 1-й группы более выражены в сторону увеличения, чем у мальчиков 2-й группы.

Различия величин ДТ и ОГК имеют высокую степень значимости (p ≤0,01; p ≤0,001). У девочек 1-й группы, как и у мальчиков, показатели ДТ, МТ, ОГК и ИМТ выше, чем у девочек 2-й группы [15].

У мальчиков, проживающих на неблагополучных территориях, САД и ЧСС ниже, чем у проживающих в районах с низкой антропогенной нагрузкой на окружающую среду. Причём различия с высокой степенью значимости отмечены только для САД. У девочек, в отличие от мальчиков, все функциональные показатели значительно выше в экологически неблагополучных районах. Значения функциональных показателей девочек, проживающих на территориях с высокой степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду, гораздо выше значений артериального давления и ЧСС девочек, проживающих на территориях с низкой степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду, причём с высокой степенью значимости p ≤0,01 (рис. 2).

Рис. 2. Результаты дисперсионного анализа нормированных отклонений функциональных показателей мальчиков и девочек, проживающих на территориях с разной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду: САД — систолическое артериальное давление; ДАД — диастолическое артериальное давление; ЧСС — частота сердечных сокращений.

Fig. 2. Results of analysis of variance of normalized deviations of functional indicators of boys and girls living in areas with varying degrees of anthropogenic pressure on the environment: SBP — systolic blood pressure; DBP — diastolic blood pressure; HR — heart rate.

Определение АП системы кровообращения производили по формуле, включающей показатели ЧСС, САД и ДАД, а также возраст, ДТ и МТ. По шкале значений АП у большинства школьников выявили удовлетворительную адаптацию, но также наблюдается у мальчиков и девочек обеих групп напряжение механизмов адаптации. Так, в 1-й группе напряжение адаптационных систем отмечено у 4,5% мальчиков и у 4,1% девочек от числа всех детей 8-летнего возраста. Во 2-й группе выявлены дети и подростки с напряжением механизмов адаптации в возрасте 8 лет — 13,3% мальчиков и 10,0% девочек, в возрасте 17 лет — 12,0% мальчиков и 10,0% девочек (от количества подростков данной возрастной группы). Кроме этого, у подростков 2-й группы в возрасте 17 лет выявлена неудовлетворительная адаптация: у 1,6% мальчиков и 1,0% девочек.

Медианные значения АП мальчиков и девочек, проживающих в районах с разным качеством окружающей среды, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Медианные значения адаптационного потенциала (в баллах) мальчиков и девочек, проживающих в районах с разным качеством окружающей среды: СурР — Сурский район; СенР — Сенгилеевский район; ЧР — Чердаклинский район; ВР — Вешкаймский район.

Fig. 3. Median values of adaptive potential (in points) of boys and girls living in areas with different environmental quality: SurR — Sursky district; SenR — Sengileevsky district; CR — Cherdaklinsky district; VR — Veshkaimsky district.

Медианные значения АП мальчиков и девочек районов 2-й группы (Сенгилеевский и Чердаклинский районы) выше значений АП мальчиков и девочек 1-й группы, что свидетельствует о напряжении адаптационных механизмов в зоне экологического неблагополучия. В Сенгилеевском районе отмечены экстремальные значения, которые показывают наличие детей и подростков с напряжением механизмов адаптации и с неудовлетворительной адаптацией организма. Подростки с такими показателями есть и в Сурском районе. Причинами снижения АП могут быть не только факторы экологического характера [5, 7].

Расчёт оценки АП школьников показал, что среднегрупповые значения АП у мальчиков и девочек выше в районах 2-й группы, где отмечается высокая степень антропогенной нагрузки на окружающую среду. В табл. 4 приведены результаты сравнения среднегрупповых показателей АП школьников, проживающих на территориях, отличающихся степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду.

Таблица 4. Результаты сравнения среднегрупповых показателей адаптационного потенциала школьников, проживающих на территориях с различной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду

Table 4. Adaptive capacity of children and adolescents across groups with different anthropogenic load on the environment

По всем возрастным группам школьников, проживающих в районах с разной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду, сравнили значения АП. Статистически значимые различия отмечены у мальчиков во всех возрастных группах, кроме 8, 10 и 14 лет, у девочек статистически значимые различия отмечаются в возрастных группах 7, 10, 12, 16 и 17 лет. Результаты сравнения показателей АП детей и подростков по возрастным группам представлены в табл. 5.

Таблица 5. Результаты сравнения показателей адаптационного потенциала детей и подростков, проживающих на территориях с разной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду, по возрастным группам

Table 5. Adaptive capacity of children and adolescents s with different anthropogenic load on the environment, stratified by age

У мальчиков различия в показателях АП между группами выявлены на трёх этапах развития: в 7–9 лет, 11–13 лет и 15–17 лет. У девочек различия в показателях АП близки с различиями тех возрастных групп, которые выявлены у мальчиков, но с меньшим их количеством и с некоторым сдвигом возрастов, что может свидетельствовать о более высоких адаптационных резервах последних.

ОБСУЖДЕНИЕ

У школьников обоих полов, проживающих на территориях с низкой степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду, показатели ДТ, МТ, ОГК и ИМТ имеют более высокие значения по сравнению со школьниками, проживающими на территориях с высокой степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду. У девочек 1-й группы, как и у мальчиков, показатели ДТ, МТ, ОГК и ИМТ выше, чем у девочек 2-й группы, но эти различия немного меньше, чем у мальчиков, хотя и имеют высокую степень значимости p ≤0,01. Отмечено, что у мальчиков, проживающих на территориях с разной степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду, разница в показателях ДТ и МТ более выражена, чем у девочек. В связи с этим некоторые исследователи отмечают бóльшую чувствительность к влиянию внешних факторов (экосенситивность) лиц мужского пола [16].

У мальчиков, проживающих на неблагополучных территориях, САД и ЧСС ниже, чем у проживающих в условиях экологического благополучия. У девочек, в отличие от мальчиков, все функциональные показатели значительно выше в экологически неблагополучных районах.

Медианные значения АП мальчиков и девочек районов 2-й группы выше значений АП мальчиков и девочек 1-й группы, что свидетельствует о напряжении адаптационных механизмов в зоне экологического неблагополучия. У мальчиков различия в показателях АП между группами выявлены на трёх этапах развития: в 7–9 лет, 11–13 лет и 15–17 лет. Первый этап — 7–9 лет, так как этот возрастной период входит в период онтогенеза, когда вклад внешних средовых воздействий в развитие детей значительно превышает степень генетической детерминированности [17]. Второй этап — 11–13 лет, поскольку этот возраст некоторыми авторами определяется периодом «спуртового биологического скачка», когда целый ряд показателей достигает максимальных величин и в дальнейшем может подвергаться регрессии [17]. Третий этап — 15–17 лет, именно в этом возрастном периоде наблюдается неустойчивость вегетативной нервной и эндокринной систем, а также отмечается психическое и физическое перенапряжение у подростков, что накладывается на неблагоприятные экологические условия [16].

У девочек различия в показателях АП близки с различиями тех возрастных групп, которые выявлены у мальчиков, но с меньшим их количеством и с некоторым сдвигом возрастов, что может свидетельствовать о более высоких адаптационных резервах последних. Полученные данные согласуются с исследованиями Н.Н. Тятенковой и соавт., которые заключают, что «девушки, независимо от уровня образования и социального статуса, обладали более высокими функциональными и адаптационными резервами кардиореспираторной системы по сравнению с юношами» [18]. Результаты исследований показывают бóльшую устойчивость адаптационных систем у девочек по сравнению с мальчиками [19]. Исследования Н.А. Долгушиной и соавт. по оценке АП детей Магнитогорска показали удовлетворительную адаптацию у большинства детского населения, мальчики, по сравнению с девочками, обладают более низкими возможностями адаптационных систем [20].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённого исследования установлено, что у школьников обоих полов, проживающих на территориях с низкой степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду, морфологические и функциональные показатели имеют более высокие значения по сравнению со школьниками, проживающими на территориях с высокой степенью антропогенной нагрузки на окружающую среду. У большинства школьников выявлена удовлетворительная адаптация, но есть мальчики и девочки в обеих группах с напряжением механизмов адаптации.

Медианные значения АП мальчиков и девочек районов 2-й группы выше значений АП мальчиков и девочек 1-й группы, что свидетельствует о напряжении адаптационных механизмов в зоне экологического неблагополучия. У мальчиков различия в показателях АП между группами выявлены на трёх этапах развития: в 7–9 лет, 11–13 лет и 15–17 лет. У девочек различия в показателях АП близки с различиями тех возрастных групп, которые выявлены у мальчиков, но с меньшим их количеством и с некоторым сдвигом, что может свидетельствовать о более высоких адаптационных резервах последних.

Результаты исследований могут быть использованы для санитарно-гигиенического мониторинга, профилактики детской заболеваемости и планирования экологических мероприятий, направленных на минимизацию негативного воздействия факторов среды на здоровье населения.

Дополнительная информация

Вклад авторов. Автор подтверждает соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, одобрение финальной версии перед публикацией).

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Информированное согласие на участие в исследовании. Все участники до включения в исследование добровольно подписали форму информированного согласия, утверждённую в составе протокола исследования этическим комитетом.

Additional information

Author contribution. The author confirms that her authorship meets the international ICMJE criteria (significant contribution to the development of the concept, research and writing of the article, approval of the final version before publication).

Funding source. No external funding.

Competing interests. The author declares no competing interests.

Patients’ consent. Written consent was obtained from all the participants. The study protocol was approved by the local ethic committee.

About the authors

Svetlana V. Ermolaeva

Author for correspondence.
Email: erm_iv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7791-5001
SPIN-code: 9426-7017

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Biology, Ecology and Nature Management

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Results of analysis of variance (ANOVA, p ≤0.05) of normalized deviations of morphometric indicators of boys and girls living in areas with varying degrees of anthropogenic pressure on the environment: Bl — body length, Bm — body mass, Cc — chest circumference, BmI — body mass index.

Download (171KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Results of analysis of variance of normalized deviations of functional indicators of boys and girls living in areas with varying degrees of anthropogenic pressure on the environment: SBP — systolic blood pressure; DBP — diastolic blood pressure; HR — heart rate.

Download (153KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Median values of adaptive potential (in points) of boys and girls living in areas with different environmental quality: SurR — Sursky district; SenR — Sengileevsky district; CR — Cherdaklinsky district; VR — Veshkaimsky district.

Download (279KB)

Indexing metadata