Ekologiya cheloveka (Human Ecology)Ekologiya cheloveka (Human Ecology)Экология человека1728-08692949-1444Eco-Vector60181210.17816/humeco601812ORIGINAL STUDY ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticleForecasting health risks for the residents of Southern Russia through satellite and climate-based aridity indicatorsПрогнозирование риска здоровью населения юга России с применением спутниковых и климатических показателей засушливостиhttps://orcid.org/0000-0002-2886-54314583-6672NovikovDenis S.НовиковДенис Сергеевич
Russian Federation
dennov89@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8367-745X7299-4690LatyshevskayaNatalia I.ЛатышевскаяНаталья Ивановна
Russian Federation

MD, Dr. Sci. (Medicine), professor

д-р мед. наук, профессор

latyshnata@mail.ruVolgograd State Medical UniversityВолгоградский государственный медицинский университет19012024231220233097077200110202311012024Copyright ©; 2023, Eco-VectorCopyright ©; 2023, Эко-Вектор2023Eco-VectorЭко-Векторhttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://hum-ecol.ru/1728-0869/article/view/601812

BACKGROUND: The aridification of the Southern region of Russia will lead to a significant rise in the concentration of hazardous substances in groundwater over the long term. This phenomenon poses a serious threat to the environment and public health.

AIM: To assess the potential of the multi-regression climate model in predicting the long-term health risks associated with the ingestion of toxic substances released from groundwater sources.

METHODS: An assessment of non-carcinogenic health risks (HI) was conducted for the period 2017–2022, focusing on three groundwater basins in the Volgograd Trans-Volga region. The study involved the analysis of toxicant concentrations in 1149 water samples at the 95th percentile. NDMI and De Martonne Index (DMI) values were calculated based on modified data obtained through Land Surface Temperature (LST) satellite analysis. These indices were then employed as predictors in our models, with the HI serving as the dependent variable.

RESULTS: A significant contribution of chloroform to the overall risk pattern for groundwater in the Volgograd Trans-Volga region was observed. The maximum values were recorded in the Nizhnevolzhskiy groundwater basin (HQchildren/chloroform=3.20, HQadults/chloroform=1.37) in 2017. The satellite aridity index NDMI makes the greatest contribution to the reliability of the predictive model of long-term health risk dynamics that shape the oral intake of pollutants from groundwater in the Volgograd Trans-Volga region. The lowest multiple regression value was noted for the health risk for adults (ry,x1,x2=–0.909, p=0.012) in the Severo-Prikaspiyskiy basin, the maximum was recorded in Ryn-Peskovsky basin for children (ry,x1,x2=–0.992, p=0.002). The DMI provides insignificant reliability in predicting long-term dynamics of non-carcinogenic health risks associated with toxicants circulating in arid ecosystems of the South of Russia. The greatest contribution of this predictor was observed for the health risk of children in the Ryn-Peskovsky basin (rx2/x1=–0.554, p=0.105).

CONCLUSION: Our findings suggest a significant potential for integrating NDMI in monitoring the social and hygienic quality of underground water in arid zones of Southern Russia. The NDMI indicator has demonstrated high resolution and sensitivity to water quantity in steppe vegetation, reflecting its accuracy for arid topography. This integration holds promise for enhancing the monitoring and management of underground water resources in Southern Russia.

Обоснование. Аридизация территорий юга России способствует росту концентраций токсичных веществ в подземных водах в многолетней перспективе.

Цель. Проанализировать потенциал мультирегрессионной климатической модели в прогнозировании долгосрочной динамики рисков здоровью, связанных с пероральным поступлением токсикантов из подземных вод.

Материал и методы. Проведена оценка неканцерогенного риска здоровью (HI) в период 2017–2022 гг. в зоне залегания трёх бассейнов подземных вод волгоградского Заволжья. Концентрации токсикантов проанализированы в 1149 пробах воды на уровне 95-го процентиля. Рассчитаны значения NDMI и индекса де Мартонна (DMI), входные данные DMI модифицированы при помощи спутникового анализа LST (Land Surface Temperature). В модели HI выступил в качестве зависимой переменной, значения NDMI и DMI использовались как предикторы.

Результаты. Обнаружен значительный вклад хлороформа в общую картину риска для подземных вод в волгоградском Заволжье. Максимальные значения были зарегистрированы в Нижневолжском бассейне залегания подземных вод (HQдет/хлороформ=3,20, HQвзр/хлороформ=1,37) в 2017 г. Спутниковый показатель засушливости NDMI вносит наибольший вклад в валидность прогностической модели многолетней динамики рисков здоровью, формируемых пероральным поступлением загрязнителей из подземных вод волгоградского Заволжья. Наименьшее из значений множественной регрессии отмечено для рисков здоровью взрослых (ry,x1,x2=–0,909, p=0,012) в Северо-Прикаспийском бассейне, максимальные величины зарегистрированы в Рын-Песковском для детей (ry,x1,x2=–0,992, p=0,002). Климатический индекс де Мартонна демонстрировал незначительную надёжность в прогнозировании многолетней динамики неканцерогенного риска здоровью, ассоциированного с токсикантами, циркулирующими в аридных экосистемах юга России — наибольший вклад данного предиктора отмечен для риска здоровью детей в Рын-Песковском бассейне (rx2/x1=–0,554, p=0,105).

Заключение. Выявлен потенциал внедрения показателя NDMI в процедуру социально-гигиенического мониторинга качества подземных вод аридных зон юга России. Высокое разрешение и чувствительность к количеству воды в степной растительности валидизирует показатель NDMI для топографии аридных зон.

groundwaterNDMIDe Martonne indexchloroformnon-carcinogenic riskTrans-Volga regionподземные водыNDMIиндекс де Мартоннахлороформнеканцерогенный рискЗаволжьеRakhmanin YuA, Mel’tser AV, Kiselev AV, Erastova NV. Hygienic substantiation of management decisions with the use of the integral assessment of drinking water on indices of chemical harmlessness and epidemiological safety. Hygiene and Sanitation. 2017;96(4):302–305. DOI: 10.18821/0016-9900-2017-96-4-302-305Рахманин Ю.А., Мельцер А.В., Киселев А.В. Ерастова Н.В. Гигиеническое обоснование управленческих решений с использованием интегральной оценки питьевой воды по показателям химической безвредности и эпидемиологической безопасности // Гигиена и санитария. 2017. Т. 96, № 4. С. 302–305. DOI: 10.18821/0016-9900-2017-96-4-302-305Kosarev AV, Ivanov DE, Mikerov AN, Savina KA. Evaluation of a carcinogenic and non-carcinogenic health risks due to the quality of drinking water by springs in the arid zone. Hygiene and Sanitation. 2020;99(11):1294–1300. EDN: HVDGPU DOI: 10.47470/0016-9900-2020-99-11-1294-1300Косарев А.В., Иванов Д.Е., Микеров А.Н., Савина К.А. Оценка канцерогенного и неканцерогенного рисков здоровью, обусловленных качеством питьевой воды родников аридной зоны // Гигиена и санитария. 2020. Т. 99, № 11. С. 1294–1300. EDN: HVDGPU doi: 10.47470/0016-9900-2020-99-11-1294-1300Feng S, Wu X, Hao Z, et al. A database for characteristics and variations of global compound dry and hot events. Weather and Climate Extremes. 2020;30:100299. DOI: 10.1016/j.wace.2020.100299Feng S., Wu X., Hao Z., et al. A database for characteristics and variations of global compound dry and hot events // Weather and Climate Extremes. 2020. Vol. 30. P. 100299. DOI: 10.1016/j.wace.2020.100299Zalibekov ZG, Mamaev SA, Biarslanov AB, et al. On the use of fresh groundwater in arid regions of the world in the fight against desertification. Arid ecosystems. 2019;25(2):3–12. EDN: PJYQLZЗалибеков З.Г., Мамаев С.А., Биарсланов А.Б., и др. Об использовании пресных подземных вод засушливых регионов мира в борьбе с опустыниванием земель // Аридные экосистемы. 2019. Т. 25, № 2. С. 3–12. EDN: PJYQLZGibbs RJ. Mechanisms controlling world water chemistry. Science. 1970;170(3962):1088–1090. DOI: 10.1126/science.170.3962.1088Gibbs R.J. Mechanisms controlling world water chemistry // Science. 1970. Vol. 170, N 3962. P. 1088–1090. DOI: 10.1126/science.170.3962.1088Komitet prirodnyh resursov, lesnogo hozyajstva i ekologii Volgogradskoj oblasti. Doklad "O sostoyanii okruzhayushchej sredy v Volgogradskoj oblasti v 2022 godu". Volgograd; 2023. 300 p. (In Russ).Комитет природных ресурсов, лесного хозяйства и экологии Волгоградской области. Доклад «О состоянии окружающей среды в Волгоградской области в 2022 году». Волгоград. 2023. 300 с.Upravlenie Federal'noj sluzhby po nadzoru v sfere zashchity prav potrebitelej i blagopoluchiya cheloveka po Volgogradskoj oblasti. Gosudarstvennyj doklad "O sostoyanii sanitarno-epidemiologicheskogo blagopoluchiya naseleniya v Volgogradskoj oblasti v 2022 godu". Volgograd. 2023. 258 p. (In Russ).Управление Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Волгоградской области. Государственный доклад «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Волгоградской области в 2022 году». Волгоград. 2023. 258 с.Adamovich TA, Ashikhmina TYa. Aerospace methods in the system of geo-ecological monitoring of natural and anthropogenic areas. Theoretical and Applied Ecology. 2017;(3):15–24. EDN: YMAJITАдамович Т.А., Ашихмина Т.Я. Аэрокосмические методы в системе геоэкологического мониторинга природно-техногенных территорий // Теоретическая и прикладная экология. 2017. № 3. С. 15–24. EDN: YMAJITStudenikina EM, Stepkin YuI, Klepikov OV, et al. Problematic issues of the geographic information systems use in socio-hygienic monitoring and risk-based supervision. Public Health and Life Environment. 2019;(6):31–36. EDN: OEJXHN doi: 10.35627/2219-5238/2019-315-6-31-36Студеникина Е.М., Степкин Ю.И., Клепиков О.В., и др. Проблемные вопросы использования географических информационных систем в социально-гигиеническом мониторинге и риск-ориентированном надзоре // Здоровье населения и среда обитания. 2019. № 6. C. 31–36. EDN: OEJXHN DOI: 10.35627/2219-5238/2019-315-6-31-36World Meteorological Organization (WMO) and Global Water Partnership (GWP). Svoboda М, Fuchs BA. Handbook of Drought Indicators and Indices. Integrated Drought Management Programme (IDMP), Integrated Drought Management Tools and Guidelines Series 2. Geneva. 2016. 60 p.World Meteorological Organization (WMO) and Global Water Partnership (GWP). Svoboda М., Fuchs B.A. Handbook of Drought Indicators and Indices. Integrated Drought Management Programme (IDMP), Integrated Drought Management Tools and Guidelines Series 2. Geneva. 2016. 60 p.Zelikhina SV, Shartova NV, Mironova VA, Varentsov MI. Ecological and geographical prerequisites for the spread of West Nile fever in Russia. Ecosystems: ecology and dynamics. 2021;5(1):132–150. EDN: DSIXBK DOI: 10.24411/2542-2006-2021-10081Зелихина С.В., Шартова Н.В., Миронова В.А., Варенцов М.И. Эколого-географические предпосылки распространения лихорадки Западного Нила в России // Экосистемы: экология и динамика. 2021. Т. 5, № 1. С. 132–150. EDN: DSIXBK doi: 10.24411/2542-2006-2021-10081Human Health Risk Assessment from Environmental Chemicals. Moscow: Federal Center of Gossanepidnadzor of the Ministry of Health of Russia. 2004. 143 р.Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Москва : Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004. 143 с.Pellicone G, Caloiero T, Guagliardi I. The De Martonne aridity index in Calabria (Southern Italy). Journal of Maps. 2019;15(2):788–796. doi: 10.1080/17445647.2019.1673840Pellicone G., Caloiero T., Guagliardi I. The De Martonne aridity index in Calabria (Southern Italy) // Journal of Maps. 2019. Vol. 15, N 2. P. 788–796. doi: 10.1080/17445647.2019.1673840Gao B. Normalized Difference Water Index for Remote Sensing of Vegetation Liquid Water from Space. Imaging Spectrometry. 1995;2480:225–236. doi: 10.1117/12.210877Gao B. Normalized Difference Water Index for Remote Sensing of Vegetation Liquid Water from Space // Imaging Spectrometry. 1995. Vol. 2480. P. 225–236. doi: 10.1117/12.210877Agalakova NI, Gusev GP. The influence of inorganic fluorine on living organisms of various phylogenetic levels. Journal of evolutionary biochemistry and physiology. 2011;47(5):337–347. EDN: MSISRJАгалакова Н.И., Гусев Г.П. Влияние неорганического фтора на живые организмы различного филогенетического уровня // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2011. Т. 47, № 5. С. 337–347. EDN: MSISRJMarchenko BI, Zhuravlev PV, Plugotarenko NK, Yuhno AI. Assessment of carcinogenic risk from exposure to organochlorine compounds in water of centralized water supply systems. Hygiene and Sanitation. 2021;100(2):99-110. DOI: 10.47470/0016-9900-2021-100-2-99-110Марченко Б.И., Журавлев П.В., Плуготаренко Н.К., Юхно А.И. Оценка канцерогенного риска от воздействия хлорорганических соединений в воде систем централизованного водоснабжения // Гигиена и санитария. 2021. Т. 100, № 2. С. 99-110. doi: 10.47470/0016-9900-2021-100-2-99-110Hunkeler D, Laier T, Breider F, Jacobsen OS. Demonstrating a natural origin of chloroform in groundwater using stable carbon isotopes. Environmental science and technology. 2012;46(11):6096–6101. doi: 10.1021/es204585dHunkeler D., Laier T., Breider F. Jacobsen O.S. Demonstrating a natural origin of chloroform in groundwater using stable carbon isotopes // Environmental science and technology. 2012. Vol. 46, N 11. P. 6096–6101. doi: 10.1021/es204585dBreider F, Albers CN, Hunkeler D. Assessing the role of trichloroacetyl-containing compounds in the natural formation of chloroform using stable carbon isotopes analysis. Chemosphere. 2013;90(2):441–448. doi: 10.1016/j.chemosphere.2012.07.058Breider F., Albers C.N., Hunkeler D. Assessing the role of trichloroacetyl-containing compounds in the natural formation of chloroform using stable carbon isotopes analysis // Chemosphere. 2013. Vol. 90, N 2. P. 441–448. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2012.07.058Field JA. Natural Production of Organohalide Compounds in the Environment. In: Adrian L, Löffler F, editors. Organohalide- Respiring. Bacteria. Springer, Berlin, Heidelberg. 2016:7–29. DOI: 10.1007/978-3-662-49875-0_2Field J.A. Natural Production of Organohalide Compounds in the Environment. In: Adrian L., Löffler F., editors. Organohalide- Respiring Bacteria. Springer, Berlin, Heidelberg. 2016. P. 7–29. doi: 10.1007/978-3-662-49875-0_2Peng P, Lu Y, Bosma TNP, et al. Metagenomic- and Cultivation- Based Exploration of Anaerobic Chloroform Biotransformation in Hypersaline Sediments as Natural Source of Chloromethanes. Microorganisms. 2020;8(5):665. DOI: 10.3390/microorganisms8050665Peng P., Lu Y., Bosma T.N.P., et al. Metagenomic- and Cultivation- Based Exploration of Anaerobic Chloroform Biotransformation in Hypersaline Sediments as Natural Source of Chloromethanes // Microorganisms. 2020. Vol. 8, N 5. P. 665. DOI: 10.3390/microorganisms8050665Pankova EI, Gorokhova IN, Konyushkova MV, et al. Modern trends in the development of soils of solonetz complexes in the south of the steppe and semi-desert zones under natural conditions and under anthropogenic influences. Ecosystems: ecology and dynamics. 2019;3(2):44-88. DOI: 10.24411/2542-2006-2019-10032Панкова Е.И., Горохова И.Н., Конюшкова М.В., и др. Современные тренды развития почв солонцовых комплексов на юге степной и в полупустынной зонах в природных условиях и при антропогенных воздействиях // Экосистемы: экология и динамика. 2019. Т. 3, № 2. С. 44-88. DOI: 10.24411/2542-2006-2019-10032Malakhov DV, Tsychuyeva NYu. Calculation of the biophysical parameters of vegetation in an arid area of south-eastern Kazakhstan using the normalized difference moisture index (NDMI). Central Asian Journal of Environmental Science and Technology Innovation. 2020;1(4):189-198. DOI: 10.22034/CAJESTI.2020.04.01Malakhov D.V., Tsychuyeva N.Yu. Calculation of the biophysical parameters of vegetation in an arid area of south-eastern Kazakhstan using the normalized difference moisture index (NDMI) // Central Asian Journal of Environmental Science and Technology Innovation. 2020. Vol. 1, N 4. P. 189-198. DOI: 10.22034/CAJESTI.2020.04.012Kosarev AV, Ivanov DE, Mikerov AN, et al. Application of geoinformation technologies and remote sensing of the Earth to assess the impact of aridity of the territory on the water quality of small rivers. Hygiene and Sanitation. 2021;100(10):1052–1059. EDN: DZJUBF doi: 10.47470/0016-9900-2021-100-10-1052-1059Косарев А.В., Иванов Д.Е., Микеров А.Н., и др. Применение геоинформационных технологий и дистанционного зондирования Земли для оценки влияния аридности территории на качество воды малых рек // Гигиена и санитария. 2021. Т. 100, № 10. С. 1052–1059. EDN: DZJUBF DOI: 10.47470/0016-9900-2021-100-10-1052-1059Balamurugan P, Kumar PS, Shankar K, et al. Non Carcinogenic Risk Assessment of Groundwater in southern part of Salem District in Tamil Nadu, India. Journal of the Chilean Chemical Society. 2020;65(1):4697–4707. DOI: 10.4067/S0717-97072020000104697Balamurugan P., Kumar P.S., Shankar K., et al. Non Carcinogenic Risk Assessment of Groundwater in southern part of Salem District in Tamil Nadu, India // Journal of the Chilean Chemical Society. 2020. Vol. 65, N 1. P. 4697–4707. DOI: 10.4067/S0717-97072020000104697Iksanova TI, Malysheva AG, Rastyannikov EG, et al. Hygienic assessment of the complex effect of chloroform in drinking water. Hygiene and Sanitation. 2006.2:10-14.Иксанова Т.И., Малышева А.Г., Растянников Е.Г., и др. Гигиеническая оценка комплексного действия хлороформа питьевой воды // Гигиена и санитария. 2006. №. 2. С. 10-14.Jamali Z, Heidarizadi Z. Future changes in dry conditions using statistical downscaling model (SDSM) in the western region of Gorgan plain, Iran. Arid Ecosystems. 2022;28(4):4–12. EDN: YSNQNJ doi: 10.24412/1993-3916-2022-4-4-12Джамали З., Хейдаризади З. Прогнозирование изменений на засушливых территориях с использованием статистической модели масштабирования (SDSM) в западной части Горганской равнины, Иран // Аридные экосистемы. 2022. Т. 28, № 4. С. 4–12. EDN: YSNQNJ DOI: 10.24412/1993-3916-2022-4-4-12Yamilova OY, Koval’chuk VK. Peculiarities of low-mineralized drinking water chemical contamination influence on health of the population of the Russian Far East. Russian Bulletin of Hygiene. 2021;(3):36–41. EDN: TPVWJE doi: 10.24075/rbh.2021.022Ямилова О.Ю., Ковальчук В.К. Особенности влияния химических загрязнителей маломинерализованной питьевой воды на здоровье населения Дальнего Востока // Российский вестник гигиены. 2021. № 3. С. 36–41. EDN: TPVWJE DOI: 10.24075/rbh.2021.022