Негативные эффекты марганца при хроническом поступлении в организм с питьевой водой

Полный текст

В промышленно развитых регионах Российской Федерации (РФ) особую значимость приобретает качество питьевой воды источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, оказывающее влияние на состояние здоровья населения, особенно детского как наиболее чувствительной субпопуляции. По данным Федерального информационного фонда социально-гигиенического мониторинга, в РФ за последние три года (2010-2012) доля проб воды из водопроводной сети, не соответствующая гигиеническим нормативам по санитарно-химическим показателям, составляет до 17 %, по микробиологическим - 4,6 % от общего числа проанализированных проб [21]. К числу загрязняющих веществ воды водных объектов относится марганец. Данный металл входит в список основных показателей качества воды по требованиям санитарных норм РФ, Всемирной организации здравоохранения, Соединенных Штатов Америки, Европейского союза, включен в приоритетный список загрязняющих веществ воды водных объектов, рекомендуемых для систематического контроля (Решение Европарламента и Совета ЕС № 2455/2001/ЕС) [2]. Марганец стабильно присутствует в подземных водах и воде открытых водоемов в виде взвешенных и коллоидных частиц [8]. Основными источниками поступления марганца в воду открытых водоемов являются сбросы предприятий черной и цветной 25 Медицинская экология Экология человека 2015.03 металлургии, машиностроения и металлообработки, вклад которых в Валовой внутренний продукт России составляет порядка 20-30 % [22, 23]. Значительные количества марганца поступают в результате выщелачивания железомарганцевых руд и других минералов, содержащих марганец (пиролюзит, псиломелан, браунит, манганит, черная охра), в процессе разложения водных животных и растительных организмов, особенно сине-зеленых, диатомовых водорослей и высших водных растений [8, 28]. В настоящее время в научной литературе представлена разрозненная информация о возможных негативных эффектах, обусловленных хроническим воздействием марганца при поступлении в организм с питьевой водой. Систематизация имеющихся научных данных позволит получить наиболее полное представление о негативных эффектах марганца и механизмах их развития. Марганец является эссенциальным микроэлементом, необходимым для осуществления многих функций в организме, таких как регуляция различных видов метаболизма, в том числе костной и соединительной тканей, свертывание крови, является кофактором для таких ферментов, как трансферазы, гидролазы, лиазы, супероксиддисмутазы, аргиназы, глутаминсинтетазы, участвует в синтезе и обмене нейромедиаторов [8]. По данным ряда авторов референтный уровень содержания марганца в крови составляет 0,0095- 0,0115 мг/дм3 [8, 38, 49], 0,0016-0,0750 мг/дм3 [25, 26], в моче 0,0005-0,0098 мг/дм3 [25, 26], 0,0001-0,0200 мг/дм3 [8, 38, 49], в волосах 0,5- 12,2 мг/кг [8, 49]. В соответствии с Руководством по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, поступающих в окружающую среду 2.1.10.1920-04, референтная доза марганца при хроническом пероральном поступлении с питьевой водой составляет 0,14 мг/кг [26]. При повышенном экзогенном поступлении в организм марганец оказывает токсическое действие, что выражается в развитии негативных эффектов [1, 6-8, 10]. По своему воздействию на организм марганец при поступлении с питьевой водой относится к умеренно опасным веществам (3 класс опасности) [27]. Наряду с общерезорбтивным действием марганец характеризуется развитием специфических эффектов повреждающего действия со стороны ЦНС, системы крови, желудочно-кишечного тракта (желудок и кишечник), почек, костной системы, иммунной системы, окислительно-антиоксидантных и обменных процессов (токсикологические профайлы Агентства по регистрации токсичных веществ и заболеваний США - ATSDR, 2008), что может вызвать рост заболеваемости населения в явных и скрытых формах [18, 26, 38, 42, 49]. По мнению ряда исследователей [5, 34], первичным механизмом проявления негативных эффектов воздействия данного металла на организм при хро ническом поступлении с питьевой водой является повреждение клеточных мембран. Марганец, обладая высокой комплексообразующей способностью, связывает сульфгидрильные группы глутатиона и белков плазмы крови и тканей и тем самым запускает процесс активации перекисного окисления липидов (ПОЛ) клеточных мембран [23]. Усиление процессов ПОЛ, инициированных образованием активных свободнорадикальных форм (гидроксильный радикал, супероксидный анион, пероксид водорода и др.) и, как результат, нарушение антиоксидантной защиты организма могут привести к развитию состояния ок-сидативного стресса, являющегося одним из пусковых механизмов в нарушении функционального состояния органов и систем мишеней [15, 36]. Первичным продуктом ПОЛ, образующимся на уровне клеточной мембраны, являются гидроперекиси липидов, которые при накоплении в избыточном количестве оказывают, в свою очередь, также повреждающее действие на мембрану клетки, что приводит к нарушению функций мембран и внутриклеточного метаболизма [4, 5]. К конечным продуктам ПОЛ относится малоновый диальдегид, дестабилизирующий клеточные мембраны. Измерение и оценка уровня данного показателя является методом раннего выявления метаболического дисбаланса в системе «окислительные процессы - антиоксидантная защита» [48]. Показателем окислительных процессов на уровне клеточного ядра является 8-гидрокси-2-деоксигуанозин. Повышенное содержание данного белка в биосредах (моча) может свидетельствовать о развитии окислительного стресса на молекулярном уровне при хроническом поступлении марганца в организм [29]. Избыточное поступление марганца снижает активность антиоксидантной системы, действие которой направлено на поддержание гомеостаза [41]. При этом ослабляется ферментативное звено антиоксидантной защиты организма, представленное супероксиддис-мутазой, глутатионпероксидазой, обеспечивающими антиоксидантную защиту на клеточно-субклеточном уровне [10]. В конечном итоге данный процесс способствует снижению уровня интегрального показателя активности антиоксидантных процессов - общего антиоксидантного статуса, что свидетельствует о развитии реакций декомпенсации в результате истощения антиокислительных резервов [16, 17]. По мнению ряда авторов, основной негативный эффект при избыточном поступлении марганца с питьевой водой проявляется в поражении ЦНС, что позволяет отнести его к числу нейротропных металлоэлементов. Показано, что марганец легко проникает через гема-тоэнцефалический барьер, кумулирует в митохондриях и лизосомах [33, 35, 47]. Угнетая активность митохондриальных ферментов, данный металл вызывает нарушения в митохондриальной дыхательной цепи переноса электронов, инициирует усиление ПОЛ [31, 49]. В результате интенсивного образования активных форм кислорода происходит необратимая модификация нуклеиновых кислот и белков, нарушение целостности 26 Экология человека 2015.03 Медицинская экология мембран нейронов, высвобождение эксайтотоксических медиаторов (например, возбуждающей аминокислоты - глутамата) [3, 40]. В нервных клетках декарбокси-лирование глутамата (отщепление а-карбоксильной группы) приводит к образованию у-аминомасляной кислоты (ГАМК), которая служит основным тормозным медиатором высших отделов мозга [14]. В результате избыточного поступления марганца в организм первично повреждаются астроциты (клетки нейроглии), развивается глиальная дисфункция, следствием чего является поражение нейронов и нарушение процесса декарбоксилирования глутамата, что способствует эксайтотоксическому эффекту [39]. Именно астроциты контролируют концентрацию марганца в мозге. Поврежденные астроциты могут утрачивать способность захватывать и обезвреживать избыточные количества глутамата. В наибольшей степени страдают проекционные ГАМК-ергические нейроны. В результате повышается уровень глутамата в крови, а уровень ГАМК снижается [43]. Кроме того, доказано, что марганец значительно ускоряет окисление такого катехоламина, как дофамин, играющего роль естественного тормозного нейромедиатора, в 6-оксидофамин, который обладает нейротоксическим действием, заключающимся в необратимом разрушении катехоламинергических нервных окончаний (рецепторов) ЦНС и провоцировании дополнительного окислительного стресса [47, 50]. Уровень дофамина при этом снижается. Избирательность поражения базальных ганглиев объясняют высоким содержанием в них окислительных ферментов [38, 44]. В ЦНС наблюдается особая опасность развития окислительного стресса, что определяется интенсивностью окислительного метаболизма мозга, утилизирующего до 50 % всего кислорода, при значительно более низкой активности антиоксидантных систем в сравнении с другими органами. Развитие окислительного стресса стимулирует высвобождение и предотвращает обратный захват катехоламинов, а также угнетает активность моноаминоксидазы [29]. Исследованиями установлено, что марганец, являясь ингибитором кальциевых каналов в клетке, вмешивается в метаболизм ионизированного Ca2+ (конкурент марганца), который принимает участие в большинстве внутриклеточных процессов (автоматизм клеток синусового узла, сокращение и расслабление миокарда, инкреция, деление и рост клеток, передача нервного импульса, нервно-мышечная возбудимость) [10]. При избыточном поступлении марганца в организм нарушается функция кальциевых каналов, ионизированный Ca2+ устремляется внутрь клетки, что является признаком ее гибели (апоптоза). Уровень ионизированного Ca2+ в крови при этом увеличивается и может рассматриваться как компенсаторная реакция, направленная на поддержание гомеостаза ионизированного Ca2+ [4, 35]. Согласно данным многочисленных исследований, хроническое воздействие марганца может обусловить уменьшение абсорбции и метаболизма железа (антагониста марганца) и, как следствие, развитие железодефицитного состояния [12, 46]. Признаком дефицита железа является повышение уровня трансферрина (основного переносчика железа) и связанных с ним общей и ненасыщенной железосвязывающей способности [11]. Следствием нарушения метаболизма железа является снижение уровня гемоглобина и усиление раздражения красного ростка костно-мозгового кроветворения, что может проявляться уменьшением размера эритроцитов (микроцитозом) [6]. При исследовании воздействия марганца на состояние структуры костной ткани отмечено, что в результате избыточного поступления марганца с питьевой водой нарушаются процессы биосинтеза и минерализации кости вследствие активирующего действия на щелочную фосфатазу и угнетения процессов резорбции в костной ткани [21]. Происходит избыточная оссификация метафизарных отделов, увеличение размеров костных трабекул [7]. Нарушение процессов костного ремоделирования характеризуется изменением уровня N-остеокальцина, костного изофермента щелочной фосфатазы [21]. Изменение костной плотности отражает содержание С-концевых телопептидов, тартратрезистентной кислой фосфатазы в сыворотке крови [30, 32, 33]. По некоторым данным [9, 13], при избыточном поступлении марганца с питьевой водой повышается кислотопродуцирующая функция желудка, о чем свидетельствует повышение содержания уровня пепсиногена 1 (PG1) и пепсиногена 2 (PG2) и их соотношения. Уменьшение величины соотношения PG 1 и PG 2 отражает степень изменения слизистой желудка от гипотрофического до атрофического состояния [10]. Кроме этого, нарушается всасывающая способность эпителиоцитов кишечника в результате понижения активности щеточно-каемочного фермента - ß-галактозидазы [6]. Обобщая данные о воздействии марганца на выделительную систему (почки), важно отметить, что марганец транспортируется в почки в виде побочного продукта метаболизма. Происходит изменение клеток проксимальных извитых канальцев, появляются капельные гиалиновые включения и вакуолизация цитоплазмы с последующей канальцевой дегенерацией (пикноз ядер и клеточный лизис), нарушение канальцевой реабсорбции воды и электролитов, нарушение канальцевой секреции [7]. Для оценки функции почек, в частности почечной недостаточности, целесообразным является исследование концентрации мочевины, креатинина, В2-микроглобулина, скорости клубочковой фильтрации [25]. Имеются данные о негативном воздействии повышенного содержания марганца в организме на липидный и углеводный обмены [12]. Об этом свидетельствует изменение показателей липидного спектра (общий холестерин, липопротеиды низкой и высокой плотности, триглицериды) [25], развитие гипогликемизирующего эффекта (повышается уровень глюкозы, а-амилазы в крови) [12]. 27 Медицинская экология Экология человека 2015.03 В последнее время в научных исследованиях значительное внимание уделяется изучению иммуно-токсического действия марганца [19]. В литературе описаны примеры влияния марганца на показатели клеточного иммунитета и неспецифической резистентности организма, что характеризуется изменением уровня лимфоцитов, моноцитов, эозинофилов, эозинофильно-лимфоцитарного индекса. В многочисленных работах подчеркивается, что при одновременном воздействии марганца и ряда других металлов с питьевой водой возрастает опасность негативного воздействия на критические органы и системы [28, 45]. При комбинированном поступлении марганца и свинца усиливается опасность развития негативных эффектов со стороны ЦНС, системы крови; при поступлении марганца и никеля - со стороны системы крови, желудка и кишечника; поступлении марганца и хрома - со стороны почек, желудка [26, 35]. Таким образом, в ходе анализа результатов опубликованных в научных изданиях исследований отечественных и зарубежных авторов установлена несомненная значимость проблемы выявления спектра негативных эффектов и детализации механизмов токсического действия марганца, поступающего с питьевой водой, на состояние здоровья населения. Установление данных негативных эффектов и их маркеров на ранней стадии позволит значительно повысить направленность и эффективность диагностических и профилактических мероприятий.

Об авторах

Дарья Леонидовна Мазунина

Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения; Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: mix.darja2011@yandex.ru
аспирант кафедры Экологии человека и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» Министерства образования и науки Российской Федерации, лаборант-исследователь лаборатории биохимической и наносенсорной диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»

Список литературы

Дополнительные файлы