CHEMICAL COMPOSITION OF DRINKING WATER AND ACCUMULATION OF TOXIC METALS IN A HUMAN BODY

Full Text

Токсичные металлы являются важным элементом техногенного загрязнения окружающей среды, что создаёт угрозу попадания их в пищевые цепи [2, 3, 6]. За последние два десятилетия эта угроза возросла в связи с тем, что наряду с традиционными металлами-загрязнителями (хром, марганец, бериллий, кадмий, ртуть, свинец и др.) все чаще отмечается воздействие на человека редкоземельных и редких металлов (индий, галлий, неодим и т. д.). Эти элементы стали широко использоваться при создании солнечных модулей, элементов микроэлектроники, уникальных магнитов и в атомной промышленности. Токсичность этих элементов пока изучена недостаточно, и их нельзя считать безвредными. Например, токсичность индия занимает промежуточное положение между токсичностью ртути и кадмия [9]. Кроме 17 элементов редкоземельной группы в последнее время в технологиях получили распространение галлий, гафний и другие редкие элементы. Одним из наиболее качественно отражающих техногенную 11 Окружающая среда Экология человека 2019.06 геохимическую ситуацию в местах проживания людей способов исследования накопления токсичных металлов является метод определения их концентрации в волосах [7, 8, 10]. Метод получил широкое распространение в последние годы, в частности, при исследовании накопления элементов редкоземельной группы [4, 11]. Цель данного исследования - выявить особенности влияния минерального состава питьевой воды на уровень накопления металлов в организме. Методы Пробы волос были взяты у мальчиков первой группы здоровья в возрасте 10-11 лет, проживающих в пяти контрастных геохимических регионах: 1. Геохимический регион 1 - Мурманская область, г. Мончегорск, расположенный в городе комбинат «Североникель» ежегодно выбрасывает в атмосферу более 1,5 тыс. тонн тяжелых металлов. Питьевая вода из оз. Монча отличается очень низкой минерализацией. 2. Геохимический регион 2 - Мурманская область, г. Кировск, характеризуется незначительным загрязнением атмосферы тяжелыми металлами [7], а также ультрапресной питьевой водой. 3. Геохимический регион 3 - г. Санкт-Петербург, характеризуется основным источником загрязнения атмосферы тяжелыми металлами - автотранспортом, а также мягкой питьевой водой. 4. Геохимический регион 4 - г. Белгород, характеризуется благоприятной экологической ситуацией и высокой минерализацией питьевой воды. 5. Геохимический регион 5 - Мурманская область, пос. Умба, характеризуется как экологически чистое место, содержащее питьевую воду, богатую магнием, при низком уровне других металлов. Исследования микроэлементного состава волос и питьевой воды проводились на базе Центра исследования и контроля воды (Санкт-Петербург) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-аргоновой плазмой (ИСП-АЭ) на спектрометре TRACE Analyzer ICAP61E фирмы Thermo Jarrell Ash (USA) после перевода точной навески исследуемого образца в раствор азотной кислоты пероксидом водорода (33 %). Забор проб осуществлялся в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01. На стадии первичной обработки данных сведения группировались по критерию Стьюдента и заносились в сводные таблицы. Далее были обнаружены и ликвидированы ошибки, совершенные при фиксации данных. Статистическая обработка данных осуществлялась с помощью программы Mathcad 12. При сравнении метрических данных использовался коэффициент корреляции произведений по К. Пирсону. Описанные исследования соответствуют этическим принципам Хельсинкской декларации, принятой в 1975 году. Результаты Сравнение концентрации кальция и магния в волосах детей, проживающих в различных регионах (рис. 1), свидетельствует о том, что наибольший уровень этих металлов наблюдается в волосах детей Белгорода: их концентрация в десятки раз выше, чем в волосах детей Мурманской области. Данные химического анализа проб питьевой воды в рассматриваемых регионах (табл. 1) и данные о накоплении микроэлементов в волосах детей (табл. 2) позволяют сделать вывод о наличии прямой зависимости уровня накопления некоторых двухвалентных металлов (кальция и магния) в волосах у детей от их концентрации в питьевой воде. Анализ данных табл. 2 показывает, что уровень кальция и магния в волосах во всех исследуемых группах был весьма вариабельным и определялся жесткостью питьевой воды. Кроме кальция и магния в волосах детей Белгорода отмечается высокая концентрация кадмия, меди, железа, марганца, никеля, титана, стронция и цинка. Анализ зависимости концентрации микроэлементов в волосах детей от жесткости питьевой воды позволил установить прямую зависимость для кадмия, меди, железа, марганца, никеля, титана, стронция, цинка. Уровень накопления меди, никеля, железа и стронция в волосах детей находился в обратной зависимости от их концентрации в питьевой воде. Содержание меди в волосах детей первой группы здоровья Мон Рис. 1. Сравнение концентрации кальция и магния в волосах детей, проживающих в различных регионах 12 Экология человека 2019.06 Окружающая среда Данные химического анализа проб питьевой воды в различных геохимических регионах Таблица 1 № п/п Химический элемент Концентрация элемента в питьевой воде в регионе, мг/л Регион 1 Регион 2 Регион 3 Регион 4 Регион 5 1 Серебро 5х10-3±6х10-4 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 2 Алюминий 0,046±6х10-4 0,044+6.......10-4 0,25+6.......10-3 0,026+6.10-4 0,05+6.10-3 3 Мышьяк 5х10-3±6*10-4 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 4 Бор 0,01±1.......10-3 0,012+6.......10-4 0,013+6.......10-4 0,1+0,535 ^Ю^.Ю-3 5 Барий 0,0048±6х10-4 0,017+6.......10-4 0,017+6.......10-4 0,0094+6.10-4 ^Ю^.Ю-3 6 Бериллий 1.......10-4±6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1x10-4 + 6x10-5 7 Кальций 3,2+0,022 0,42+7.10-3 10,4+0,008 130+0,629 5,1+0,078 8 Кадмий 1.......10-4±6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1.......10-4+6.......10-5 1x10-4 + 6x10-5 9 Кобальт 0,0018±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 10 Хром 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 11 Медь 0,0883±6.......10-5 0,0011+6.......10-5 0,0016+6.......10-5 0,0032+7.10-5 0,0012+6.10-5 12 Железо 0,23+0,007 0,14+0,009 0,088 + 0,001 0,081+0,001 ^Ю-^.Ю-3 13 Калий 0,32+0,008 1,8+0,078 1,5+0,078 11+0,607 0,29+7.10-3 14 Магний 0,92+0,006 0,02+0,001 2,9+0,059 17+0,00005 4,7+0,099 15 Марганец 0,0086±6.......10-5 0,0073+7.......10-5 0,0065+0,001 0,0077+0,001 0,004+0,001 16 Молибден 1.......10-3±6.......10-5 0,0015+5.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 17 Натрий 2,7+0,099 9,6+0,059 4,51+8.......10-3 38+0,607 6,4+0,059 18 Никель 0,062±1.......10-3 0,0014+6.......10-5 0,0013 + 6.......10-5 0,0012+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 19 Свинец 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 20 Сурьма 5.......10-3±1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5x10-3+1x10-3 21 Селен 5.......10-3±1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5.......10-3+1.......10-3 5x10-3+1x10-3 22 Кремний 1,7 + 0,060 1,83+6.......10-3 2,06+6.10-3 12+0,607 0,21+7.10-3 23 Олово 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3+6x10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 24 Стронций 0,018+6.......10-4 0,064+6.......10-4 0,063+6x10-4 2,2+0,060 0,07+6.10-3 25 Титан 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 26 Таллий 5.......10-3±6.......10-4 5.......10-3+6.......10-4 5x10-3±6x10-4 5x10-3+6x10-4 5.10-3+6.10-4 27 Ванадий 1.......10-3±6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1.......10-3+6.......10-5 1x10-3 + 6x10-5 28 Иттрий 5.......10-4±6.......10-5 5.......10-4+6.......10-5 5x10-4±6x10-5 5x10-4+6x10-5 5.10-4+6.10-5 29 Цинк 0,011+6.......10-4 0,0044+6.......10-5 0,0065+6.10-5 0,017+6.......10-4 2.10-3+6.10-5 чегорска было в 2 раза ниже, чем у практически здоровых детей Белгорода, но уровень меди в питьевой воде Мончегорска оказался в 27,5 раза выше, чем в Белгороде (рис. 2). Это обусловлено тем, что физиологические закономерности, определяющие элементный гомеостаз организма, доминируют в процессе накопления последних в эктодермальных тканях, в частности в волосах. Особый интерес представляет характер накопления никеля в волосах детей, проживающих в непосредственной близости от комбината «Североникель» в Мончегорске и в 46 км от предприятия в Кировске Рис. 2. Концентрация меди, никеля, стронция в волосах детей, проживающих в различных регионах 13 Окружающая среда Экология человека 2019.06 Содержание металлов в волосах практически здоровых детей Таблица 2 проживающих в различных геохимических регионах № Химический элемент Концентрация минералов в волосах детей, мг/кг п/п Регион 1 (n=54) Регион 2 (n=20) Регион 3 (n=16) Регион 4 (n=19) Регион 5 (n=8) 1 Серебро 0,736+0,018 0,707+0,008 0,497+0,002 0,998+0,001 0,598+0,006 2 Алюминий 9,4±2,1 15,6+3,7 19,1+7,8 68,2+18,8 27,1 + 11,3 3 Мышьяк 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 4 Бор 2,27 + 1,01 1,28+0,52 1,09+0,64 2,75+0,86 2,84+2,00 5 Барий 0,93+0,36 1,23+0,53 3,88+1,98 5,95 + 1,81 3,1 + 1,8 6 Бериллий 0,009+0,001 0,009+0,001 0,009+0,001 0,009+0,001 0,009+0,001 7 Кальций 216+52 319 + 150 1128+598 6421+875 918+210 8 Кадмий 0,16+0,10 0,13+0,05 0,11+0,08 0,39+0,13 0,21+0,14 9 Кобальт 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09 + 0,011 10 Хром 1,23+0,36 1,46+0,49 0,65+0,29 9,35+2,82 5,9+4,1 11 Медь 10,0+1,3 8,7 + 1,0 10,1+2,2 18,9+4,3 13,2+4,4 12 Железо 18,6+3,4 23,8+7,5 44,7+20,7 260,5+71,5 65,0+24,1 13 Калий 184+169 291+282 144 + 164 199+83 189 + 137 14 Магний 25,8+7,1 40,3 + 19,8 135,1+82,4 674,7 + 161,2 204+106 15 Марганец 0,51+0,23 0,60+0,35 2,55 + 1,51 9,84+2,26 4,10+2,70 16 Молибден 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09 + 0,011 17 Натрий 367+285 453+324 449+346 533+91 520+210 18 Никель 1,05+0,44 0,86+0,52 3,62+2,51 7,85+4,03 3,80+1,00 19 Свинец 3,64+2,31 2,18+0,84 1,52+0,93 3,77+1,55 6,70+3,10 20 Сурьма 5,60+3,14 5,71+3,48 0,398+0,001 30,0+28,5 6,4+4,1 21 Селен 0,986+0,006 0,986+0,006 0,398+0,001 0,986+0,006 0,494+0,006 22 Кремний 11,3+7,5 18,1 + 13,3 32,0+21,7 31,3+9,1 22,3+9,7 23 Олово 0,986+0,006 0,986+0,006 0,494+0,006 0,986+0,006 0,986+0,006 24 Стронций 0,60+0,29 3,01+2,31 6,41+4,42 52,47+6,17 5,90+3,00 25 Титан 0,31+0,09 0,57+0,28 0,53+0,48 3,10+0,93 2,61 + 1,20 26 Таллий 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 0,494+0,006 27 Ванадий 0,09+0,011 0,09+0,011 0,09+0,011 0,22+0,07 0,09 + 0,011 28 Иттрий 0,004+0,006 0,004+0,006 - 0,09+0,011 0,004+0,006 29 Цинк 155+21 148+22 168+49 222+29 159+34 (см. рис. 2). Однако, как и в других случаях, наиболее низкий уровень никеля определяется у детей Мончегорска и Кировска (без существенных различий), а высокий - у детей Белгорода и пос. Умба, употребляющих богатую магнием питьевую воду. Концентрация никеля в волосах более 1,2 мг/кг отмечалась у 27,7 % детей Мончегорска, 20,0 % детей Кировска и 75,0 % детей Санкт-Петербурга (см. рис. 2). Содержание этого элемента у детей Белгорода достоверно превосходило средние значения у других контингентов, хотя изначально содержание никеля в питьевой воде города было минимально и загрязнения воздушной среды этим металлом не определялось. Выявлена положительная корреляция содержания никеля в волосах детей первой группы здоровья Мончегорска и Белгорода с концентрацией кальция (г = 0,3697 и r = 0,6126 соответственно) и магния (г = 0,4236 и г = 0,5399). Содержание стронция в волосах детей Белгорода было значительно выше, чем в других исследуемых группах. Это может быть связано с очень высоким его содержанием в питьевой воде (на два порядка выше, чем в Мончегорске). Низкое содержание стронция в воде Мончегорска отраз илось на его концентрации в волосах детей. У детей Кировска отмечен более высокий уровень стронция в волосах, чем у детей Мончегорска. Так, концентрация этого элемента выше 1,2 мг/кг обнаруживалась у 4 из 54 детей, проживающих в Мончегорске, и у 11 из 20 детей, обследованных в г. Кировске (см. рис. 2). Обсуждение результатов Было установлено, что накопление кадмия, титана, цинка и марганца в волосах у детей не зависит от их концентрации в питьевой воде. Самое высокое содержание алюминия и бария обнаруживалось в пробах волос детей из Белгорода при наиболее низком их содержании в питьевой воде. Концентрация алюминия более 14 мг/кг обнаруживалась в волосах 5,5 % детей Мончегорска и 50,0 % детей Кировска. Уровень бария в волосах более 1,3 мг/кг был выявлен у 16,7 % детей Мончегорска и у половины обследованных детей Кировска. Это свидетельствует о том, что употребление жесткой воды способствует накоплению алюминия и бария в волосах детей, а при употреблении ультрапре-сной воды процесс накопления алюминия и бария в волосах определяется их экспозицией. 14 Экология человека 2019.06 Окружающая среда Анализ полученных материалов, характеризующих микроэлементный состав волос детей первой группы здоровья, употребляющих воду различной жесткости и проживающих в отличающихся климатических условиях, свидетельствует о низком уровне накопления в волосах детей городов Кировск и Мончегорск как важных биогенных элементов, так и токсичных металлов. При этом концентрация кальция, магния, кадмия, меди, железа, марганца, никеля, титана, стронция и цинка в волосах у детей имеет прямую корреляционную зависимость от жесткости питьевой воды, в то время как уровень меди, никеля и стронция находится в обратной зависимости от их концентрации в питьевой воде. Вследствие этого наиболее низкий уровень тяжелых металлов обнаруживается в волосах детей в Кировске и Мончегорске Мурманской области, а наиболее высокий - в Белгороде. Можно предположить, что при наличии в городах Мурманской области (например, в Мончегорске) жесткой питьевой воды можно столкнуться с явлением интоксикации тяжелыми металлами у детей. Выявленный феномен справедлив и при оценке уровня накопления тяжелых металлов в волосах взрослого населения. Это подтвердили исследования, проведенные среди рабочих комбината «Северони-кель» и жителей Санкт-Петербурга, не занятых на вредном производстве, в возрасте от 20 до 52 лет [1]. Уровень накопления в волосах многих металлов у работающих в условиях воздействия высоких концентраций никеля, меди, железа и других существенно не отличается от такового у жителей Санкт-Петербурга, не работающих во вредных условиях. Все вышеизложенное свидетельствует о субто-тальном дефиците многих важных биоэлементов в организме жителей Кольского Севера и в меньшей степени г. Санкт-Петербурга. Выводы: 1. Содержание металлов в волосах человека зависит не только от их поступления в организм, но и от жесткости питьевой воды. Механизм такого явления необходимо изучить подробнее. 2. Субтотальный дефицит металлов - биоэлементов в организме жителей Крайнего Севера связан с употреблением ультрапресной питьевой воды. 3. Использование питьевой воды, обогащенной кальцием и магнием, жителями экологически загрязненных городов Севера (например, Мончегорска) создает угрозу накопления в организме токсичных металлов. Благодарности Авторы выражают благодарность заведующему кафедрой инженерной защиты окружающей среды СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Тарасу Владимировичу Кустову за общую поддержку исследования. Авторство Храмов А. В. внес существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, получение, анализ и интерпретацию данных; Контрош Л. В. внесла существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, получение, анализ и интерпретацию данных; Панкратова М. Ю. подготовила первый вариант статьи; Веженкова И. В. окончательно утвердила присланную в редакцию рукопись.

About the authors

A. V. Hramov

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

L. V. Kontrosh

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

Email: Lida.Kontrosh@mail.ru

M. Y. Pankratova

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

I. V. Vezhenkova

The Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

References

Supplementary files