CADMIUM AND LEAD CONCENTRATIONS IN HUMAN HAIR IN THE TRANS-URALS REGION OF BASHKORTOSTAN REPUBLIC

Full Text

Химические элементы, входящие в состав тканей и органов живых организмов, во многом определяют физиологическое состояние организма, процессы его роста и развития. Некоторые из них оказывают на организм человека токсическое воздействие. К ним относятся так называемые тяжелые металлы (кадмий, свинец, ртуть и др.), а также мышьяк [1, 15, 16, 24]. Аккумуляция токсичных элементов в организме человека во многом определяется экологическими условиями жизни и часто коррелирует с содержанием их в объектах окружающей среды [6, 13]. Элементный портрет населения различных территорий имеет свои региональные особенности, в значительной степени они специфичны в аномальных геохимических провинциях с избытком или дефицитом различных химических элементов в среде обитания. Население Республики Башкортостан (РБ) подвергается комплексному воздействию вредных факторов, обусловленных геохимическими особенностями регионов, интенсивным загрязнением объектов окру 17 Окружающая среда Экология человека 2020.01 жающей среды, выбросами и сбросами крупнейших предприятий горнодобывающего и транспортного комплексов. Ведущее гигиеническое значение в этом комплексе вредных природно-антропогенных факторов имеет высокое содержание в воде, почве, местных пищевых продуктах и продовольственном сырье высокотоксичных металлов, в частности хрома, мышьяка, кадмия, никеля, свинца и ртути, а также повышенные дозы облучения отдельных групп населения за счет природных источников [9]. Показано, что элементный состав волос взрослого населения РБ в целом характеризуется повышенным содержанием кадмия, свинца, олова, ванадия, меди и дефицитом железа, марганца, кремния, иода, цинка. Отмечено, что на население РБ существенное влияние оказывают неблагоприятные экологические факторы, что приводит к формированию специфического спектра гипер- и гипоэлементозов, которые в первую очередь могут повышать риск онкозаболеваемости, развития анемий, психоневрологических и нейроэндокринных расстройств, патологии репродуктивной системы [14]. Зауральская зона расположена в восточной и юго-восточной частях РБ на территории геохимической провинции общей площадью 31 901 км2. Здесь находится ряд административных районов с общей численностью населения 261,9 тыс. человек. В силу своего географического положения территория Зауралья имеет свою специфику по содержанию химических элементов в окружающей среде, обусловленную наличием многочисленных полиметаллических, медноколчеданных, марганцевых, медно-кобальтовых и золотосульфидных залежей, к числу которых относятся Сибайское, Юбилейное, Учалинское и другие месторождения. На базе полиметаллических руд построены и функционируют крупнейшие горнодобывающие предприятия цветной металлургии. Показано, что почвы вблизи крупных объектов горнорудного производства в значительной степени загрязнены медью, цинком, кадмием, свинцом и другими тяжелыми металлами [8, 12]. В небольших сельских поселениях в местах размещения отработанных и заброшенных карьеров (Баймакский район), а также в районах с отсутствием крупных промышленных предприятий (Абзелиловский, Бурзянский, Зилаирский, Зианчурин-ский) в объектах окружающей среды также выявлен повышенный уровень ряда химических элементов, прежде всего меди, цинка, железа, кадмия [26, 27]. Концентрации таких металлов, как кадмий, мышьяк, ртуть и свинец, в волосах имеют тенденцию коррелировать с количеством этих же металлов во внутренних органах [22]. Это одна из причин, почему волосы рассматриваются в качестве диагностического инструмента, в частности, при изучении воздействия тяжелых металлов и других поллютантов на организм. Особенности аккумуляции токсичных металлов в волосах населения геохимической провинции РБ с повышенным уровнем тяжелых металлов в объектах окружающей среды были изучены на примере отдель ных сельских поселений с использованием выборок детского населения [11, 26]. Однако исследований половых и возрастных различий в содержании токсичных химических элементов среди всего населения региона не проводилось. В этой связи целью данной работы явилось изучение содержания токсичных металлов кадмия и свинца в волосах населения зауральской зоны РБ в зависимости от пола и возраста. Методы В период с 2013 по 2018 год проведено аналитическое поперечное неконтролируемое исследование, в котором приняли участие 279 клинически здоровых жителей Зауралья РБ - 102 мужчины (36,6 %) и 177 женщин (63,4 %), разделенных на 8 групп в зависимости от пола и возраста (табл. 1). В исследование включались лица, постоянно проживающие на исследуемой территории в течение практически всей своей жизни независимо от их национальности (в основном башкиры и русские). Объем выборки составил 0,1 % от всего населения территории. Таблица 1 Характеристика исследуемой выборки Показатель Всего Ново рож денные Дети 1 - 14 лет Дети 151 7 лет Взрослые Количество обследуемых 279 12 143 41 83 мужчин 102 7 63 15 17 женщин 177 5 80 26 66 Средний возраст (M±SD) 0 8,6 ± 4,0 15,7 ± 0,6 41,5 ± 15,1 В работе был использован пакет методических документов по обследованию населения, включающий бланк добровольного информированного согласия, анкету для заполнения, подробное описание процедуры отбора биоматериала, условия хранения и транспортировки проб. Все обследованные лица в возрасте старше 18 лет в обязательном порядке подписывали добровольное информированное согласие с включением права узнать результаты собственного обследования. Забор образцов волос детей производили в присутствии родителей также с их письменного информированного согласия. Образцы волос отбирались с затылочной зоны (МУК 4.1.1482-03, МУК 4.1.1483-03) в бумажные конверты и хранились до анализа в сухом месте при комнатной температуре. Элементный анализ волос проводили в аккредитованной испытательной лаборатории АНО «Центр биотической медицины», Москва, Россия (ISO 9001:2008 сертификат 54Q10077 от 21.05.2010) с применением комбинации методов атомно-эмиссионной спектрометрии и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС и ИСП-МС) (МУК 4.1.1482-03, МУК 4.1.1483-03). Перед минерализацией образцы волос обрабатывали в ацетоне (осч, Химмед, Россия) 10-15 мин, затем промывали трижды деионизированной водой 18 Экология человека 2020.01 Окружающая среда (18 МОм*см); полученной в электрическом дистилляторе с комбинированной мембранной установкой типа ДВС-М/1НА-1(2)-Ь (Медиана-Фильтр, Россия). После этого их выдерживали при температуре 60 °С до воздушно-сухого состояния. Навески образцов массой 0,05 г минерализовались в тефлоновых вкладышах с 5 мл азотной кислоты (осч, Химмед, Россия) в системе микроволнового разложения Multiwave 3000 (PerkinElmer - A. Paar, Австрия) с использованием следующего режима: 5 мин повышение температуры до 200 °C, 5 мин выдерживание при 200 °C, затем охлаждение до 45 °C. Полученные растворы переносили в полипропиленовые пробирки, тефлоновые вкладыши и крышки промывали трижды деионизированной водой с перенесением смыва в соответствующие пробирки. Затем растворы доводили до объема 15 мл деионизированной водой и тщательно перемешивали путем встряхивания в закрытых пробирках. Определение содержания химических элементов проводили с использованием спектрометров Optima 2000 DV (PerkinElmer, США) и ELAN 9000 (PerkinElmer - SCIEX, Канада). Градуировку инструментов проводили с использованием моноэлемент-ных растворов PerkinElmer. Качество определения контролировали с помощью референсного образца GBW09101 (Шанхайский институт ядерных исследований, Китай). Результаты собственных исследований по содержанию химических элементов в волосах сравнивали с центильными интервалами (q25-q75) ряда популяционных исследований, рассматривая их в качестве референсных значений: для взрослых - в РБ и на территории Приволжского федерального округа (ПФО) Российской Федерации ^Ф), в состав которого входит изучаемый регион [14], для детей - на территории РФ [4] в связи с отсутствием подобных исследований на территории РБ. Математическую обработку полученных данных проводили при помощи пакета прикладных программ Statistica 6.0 (StatSoft Inc., США) с использованием методов непараметрической статистики. Тип распределения для выборок определяли с помощью критерия Шапиро - Уилка. Параметры с распределением, отличным от нормального, и наличием ряда экстремальных значений представляли как медиану (Me), а в качестве мер рассеивания проводили вычисление перцентилей 25-75 % (q25-q75). Значимость различий изучаемых параметров анализировали с применением критерия Манна - Уитни. Пороговое значение уровня значимости принимали равным 0,05. Для определения тесноты и значимости связи между параметрами применяли критерий ранговой корреляции Спирмена (rs), который является непараметрическим аналогом коэффициента Пирсона для интервальных и порядковых переменных, не подчиняющихся нормальному распределению. Результаты Тип распределения содержания кадмия и свинца в волосах обследованных лиц, выявленный с помощью критерия Шапиро - Уилка, не соответствовал нормальному. Поэтому сравнение полученных результатов со среднероссийскими и региональными показателями проводили с использованием медианы и 25-75 перцентилей (табл. 2 и 3). Сравнение содержания кадмия и свинца в волосах взрослых мужчин и женщин с применением критерия Манна - Уитни выявило их значимые различия (р = 0,001) (см. табл. 2 и 3). Проведенные исследования накопления токсичных металлов в волосах детей зауральской зоны РБ показали, что медиана содержания свинца и кадмия не превышала среднероссийских показателей. Вместе с тем ряд обследованных детей имеет повышенный по сравнению со среднероссийским уровень этого металла, а именно: 12,7 % мальчиков и 10,0 % девочек в возрасте до 14 лет и 19,2 % девочек-под-ростков (табл. 4). Среди взрослого населения было выявлено, что медиана концентрации кадмия в волосах мужчин зауральской зоны (0,089 мкг/г) выше соответствующего показателя этого химического элемента для мужского населения РБ (0,075 мкг/г) и ПФО (0,052 мкг/г) (см. табл. 2). Повышенный по сравнению с РБ уровень кадмия в волосах был выявлен у 58,8 % взрослых мужчин и у 45,5 % женщин (см. табл. 4). Таблица 2 Содержание кадмия в волосах населения Башкирского Зауралья, мкг/г Показатель Мужчины Женщины р n q25 Me q75 n q25 Me q75 Новорожденные 7 0,003 0,006 0,013 5 0,004 0,005 0,005 0,37 Дети 1 - 14 лет 63 0,027 0,035 0,065 80 0,023 0,040 0,071 0,46 Подростки 15-17 лет 15 0,013 0,019 0,052 26 0,014 0,021 0,052 0,55 Взрослые 18 - 76 лет 17 0,024 0,089 0,171 66 0,011 0,020 0,047 0,001* Зауралье РБ 102 0,019 0,035 0,070 177 0,015 0,030 0,056 0,042* РБ [11] 514 0,033 0,075 0,193 624 0,012 0,027 0,053 - ПФО [11] 3275 0,022 0,052 0,135 7453 0,011 0,021 0,043 - РФ [4] 2427 0,044 0,140 0,287 2921 0,026 0,108 0,236 - Примечания для табл. 2 и 3: р - уровень значимости различий между лицами мужского и женского пола в соответствующей возрастной группе; статистически значимое различие выделено знаком *. 19 Окружающая среда Экология человека 2020.01 Содержание свинца в волосах населения Башкирского Зауралья, мкг/г Таблица 3 Показатель Мужчины Женщины n q25 Me q75 n q25 Me q75 р Новорожденные 7 0,048 0,056 0,153 5 0,058 0,066 0,073 0,94 Дети 1-14 лет 63 0,472 0,897 1,440 80 0,369 0,764 1,670 0,22 Подростки 15-17 лет 15 0,189 0,272 0,488 26 0,207 0,375 0,639 0,18 Взрослые 18-76 лет 17 0,337 0,788 1,650 66 0,160 0,320 0,540 0,001* Зауралье РБ 102 0,278 0,643 1,290 177 0,210 0,463 0,914 0,020* РБ [11] 514 0,500 1,090 2,510 624 0,230 0,410 0,770 - ПФО [11] 3275 0,410 0,860 2,020 7453 0,170 0,320 0,620 - РФ [4] 2427 0,580 1,490 3,000 2921 0,250 0,727 1,500 - Таблица 4 Распространенность превышения верхнего референсного уровня кадмия и свинца в волосах населения Башкирского Зауралья, % Возрастная группа Кадмий Свинец Муж. Жен. Муж. Жен. Новорожденные (от 1 до 10 дней) 0 0 0 0 Дети 1-14 лет 12,7 10,0 20,6 53,8 Подростки 15-17 лет 0 19,2 0 19,2 Взрослые 58,8 45,5 41,2 33,3 Диаграммы размаха содержания кадмия (А) и свинца (Б) в волосах населения зауральской зоны Республики Башкортостан Анализ содержания токсичных элементов в волосах лиц разного возраста показал, что для кадмия наибольшие значения были зарегистрированы в волосах детей в возрасте 1-14 лет. Максимальные показатели в этом случае превышали 1,4 мкг/г. Также высокие значения уровня этого химического элемента были зарегистрированы в группе взрослых (около 0,9 мкг/г) (рисунок А). С применением критерия Манна - Уитни выявлены статистически значимые различия в содержании кадмия в волосах между следующими группами: новорожденных и детей в возрасте 1-14 лет (р < 0,001), детей 1-14 лет и подростков (р = 0,001), мальчиков-подростков и взрослых мужчин (р = 0,003), девочек в возрасте 1-14 лет и взрослых женщин (р = 0,002). В волосах некоторых взрослых обнаружено очень высокое содержание свинца, превышающее 14 мкг/г. В волосах детей в возрасте от 1 года до 14 лет содержание свинца в ряде случаев достигало 11 мкг/г (рисунок Б). Значимые различия в содержании свинца в волосах выявлены, как и в случае кадмия, между группами новорожденных и детей в возрасте 1-14 лет (р < 0,001), детей 1-14 лет и подростков (р < 0,001), а также между группами подростков и взрослых (р = 0,003), девочек в возрасте 1-14 лет и взрослых женщин (р < 0,001). Сравнение относительных показателей - встречаемости отклонений от референсных значений для РБ и ПФО выявило, что повышенные уровни свинца обнаружены у 20,6 % мальчиков и 53,8 % девочек в возрасте от 1 до 14 лет, у 19,2 % девочек-подростков, у 41,2 % мужчин и у 33,3 % женщин (см. табл. 4). Между содержанием в волосах кадмия и содержанием свинца выявлена положительная корреляция высокой степени (табл. 5). Таблица 5 Коэффициент корреляции между уровнями кадмия и свинца в волосах населения Башкирского Зауралья, мкг/г Возрастная группа rs Новорожденные (от 1 до 1 0 дней) 0,82 Дети 1-14 лет 0,76 Подростки 15-17 лет 0,77 Взрослые 0,78 20 Экология человека 2020.01 Окружающая среда Обсуждение результатов В данной статье мы приводим результаты изучения региональных особенностей накопления кадмия и свинца в волосах женщин и мужчин разного возраста, проживающих на территории зауральской зоны РБ, известной ее многочисленными месторождениями руд цветных металлов и развитой горнорудной промышленностью. Волосы имеют преимущество перед другими биологическими тканями, рассматриваемыми в качестве биомаркеров химического воздействия, прежде всего как аккумуляторы химических элементов, анализ содержания которых дает возможность ретроспективно восстановить воздействие поллю-тантов за определенный промежуток времени [20]. Оценивая половые различия в содержании кадмия и свинца в волосах жителей Зауралья Башкортостана, можно констатировать, что уровень этих элементов в волосах мужчин выше по сравнению с их содержанием в волосах женщин (см. рис. 2). Полученный результат согласуется с данными, представленными в ряде работ [2, 14, 18]. По нашему мнению, существует несколько причин такого различия. Во-первых, известно, что организм женщин обладает большей устойчивостью к накоплению кадмия, поскольку эстрогены усиливают его выведение из организма и тем самым снижают его уровень [16]. Во-вторых, кадмий в большом количестве накапливается в листьях табака, что определяет его высокое содержание в табачном дыме и содействует повышению содержания элемента в среде обитания человека [23]. Вероятно, с табакокурением связано выявленное в наших исследованиях различие в содержании кадмия в волосах взрослых мужчин и женщин; более распространено оно среди лиц мужского пола. Однако не всегда содержание кадмия в волосах курящих лиц превышает его концентрацию у некурящих. Например, исследование содержания кадмия в волосах 16 курящих и 133 некурящих жителей штата Северная Каролина (США) не выявило между ними статистически значимых различий [21]. Авторы объясняют полученный результат наличием помимо сигаретного дыма дополнительных факторов, оказывающих влияние на накопление кадмия в волосах (пол, возраст, раса и др.). Еще одной причиной гендерных различий в содержании кадмия в волосах, по нашему мнению, является тот факт, что мужчины чаще, чем женщины, водят автомобиль и, следовательно, в большей степени подвергаются воздействию дорожной пыли, получающейся при истирании шин и тормозных колодок, в состав которых входит кадмий. Влияние объема дорожной пыли на аккумуляцию кадмия в волосах подтверждает тот факт, что у городских некурящих регулировщиков дорожного движения содержание этого химического элемента в организме в полтора раза больше, чем у некурящих дорожных рабочих из сельской местности [19]. Кроме того, такое различие между мужчинами и женщинами в накоплении токсичных элементов может быть связано с их профессиональной деятельностью. Как известно, на предприятиях цветной металлургии, являющихся источником антропогенного кадмия в окружающей среде, рабочими как в Зауралье Башкортостана, так и в целом по стране в основном трудятся мужчины. Так, показано, что у работников Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината содержание кадмия в волосах в два раза превышало этот показатель для лиц мужского пола, профессионально не связанных с горнорудным производством и цветной металлургией [10]. Накопление свинца в организме человека связано с высоким индустриальным загрязнением и выбросами автомобильного транспорта, работающего на этилированном бензине и выбрасывающего с выхлопными газами значительные объемы свинца в виде твердых частиц [15]. Возможно, как и в случае с кадмием, мужчины чаще, чем женщины, контактируют с «вредными факторами» по месту проживания или работы, в большей степени способствующих накоплению свинца в организме. Еще одной возможной причиной более высокого содержания токсичных микроэлементов в волосах мужчин является их повышенная физическая активность по сравнению с женщинами. Так, установлено, что студенты с более высокой физической активностью характеризуются увеличением в волосах уровня свинца, кадмия и ряда других тяжелых металлов [28]. Авторы предполагают, что повышенный уровень токсичных микроэлементов в волосах спортсменов может быть результатом усиленного обмена веществ. В частности, расход энергии при выполнении упражнений требует повышенного потребления пищи. Последнее может привести к увеличению поступления микроэлементов в организм. Наряду с этим имеются сообщения о том, что уровень кадмия и свинца в волосах мужчин и женщин не всегда имеет статистически значимые различия [21]. В наших исследованиях половые различия в содержании кадмия и свинца имели место только среди взрослых жителей, но не среди детей разного возраста (см. табл. 2 и 3). Результаты исследований половых различий в содержании кадмия и свинца в волосах детей, приводимые в литературе, носят противоречивый характер. Так, имеются данные в пользу более высокой концентрации кадмия и свинца в волосах мальчиков по сравнению с девочками [2, 4, 20]. В то же время в других публикациях у детей не обнаружено половых различий в содержании этих элементов в волосах [5, 17]. В литературе приводятся данные о том, что содержание кадмия в волосах повышается с возрастом [16]. Согласно результатам других исследователей между возрастом и накоплением кадмия и свинца в волосах нет однозначной связи. Например, изучение содержания этих химических элементов в волосах взрослых мужчин и женщин выявило, что наибольшие показатели имели лица в возрасте 25-44 лет, 21 Окружающая среда Экология человека 2020.01 наименьшие - в возрасте 45-65 или старше 65 лет [21]. В наших исследованиях также не было выявлено однозначной связи между содержанием кадмия и свинца в волосах обследуемых лиц и их возрастом. По содержанию кадмия наибольшие значения были выявлены в волосах детей, по содержанию свинца - в волосах взрослых. Наименьшее содержание изученных металлов было зарегистрировано в волосах новорожденных детей. Это согласуется с результатами исследований Г. Г. Горбатко, свидетельствующими о том, что постоянное проживание в медно-цинковой геохимической провинции формирует повышенное накопление в волосах беременных женщин кадмия, хрома, цинка, меди и никеля, но не обусловливает существенного повышения среднего содержания этих металлов в волосах новорожденных [3]. В то же время недостаточный объем выборки новорожденных в нашем исследовании не позволяет сделать однозначные выводы. Учитывая особую опасность кадмия и свинца для здоровья человека, высокое содержание этих металлов у отдельных лиц следует считать настораживающим фактором, требующим мероприятий по снижению нагрузки этими поллютантами. Повышенный уровень токсичных элементов кадмия и свинца в волосах детей и подростков женского пола может в определенной степени свидетельствовать о риске развития заболеваний репродуктивной системы, как было выявлено в работе С. В. Нотовой с соавт., показавших, что у девочек и девушек с признаками нарушений репродуктивного здоровья имеются в наличии практически все токсичные элементы с преобладанием кадмия и свинца [7]. Сравнительный анализ распространенности превышения верхнего референсного уровня токсичных элементов выявил факт увеличения с возрастом числа лиц с повышенным содержанием кадмия и свинца в волосах, что может быть вызвано интенсивным поступлением этих элементов извне. Выявленная тесная связь между уровнями изученных металлов в волосах может свидетельствовать о наличии общих источников поступления их в организм. Возможно, также существуют сходные механизмы взаимодействия этих металлов с кератином волос. Волосы человека состоят преимущественно из белков (65-95 %), воды (до 32 %), липидов, пигмента и микроэлементов, которые скоординированы с функциональными группами аминокислот белка или жирных кислот [25]. Таким образом, сильная корреляция между уровнем свинца и уровнем кадмия может быть результатом сходного химического взаимодействия этих двух металлов с кератином волос. Заключение Проживание в геохимической провинции на территории башкирского Зауралья накладывает отпечаток на элементный профиль населения. В частности, содержание в волосах токсичных микроэлементов кадмия и свинца, уровень которых в окружающей среде данной территории нередко повышен, у ряда лиц превышает средние значения РБ и ПФО. Особенно часто повышенное содержание кадмия встречается у взрослых мужчин, свинца - у девочек в возрасте от 1 года до 14 лет. Содержание кадмия и свинца в волосах мужчин зауральской зоны РБ выше по сравнению с содержанием этих химических элементов в волосах женщин. Распространенность превышения референсных значений в содержании токсичных элементов в волосах повышается с возрастом. Таким образом, выявленные в результате проведенного исследования повышенные концентрации токсичных металлов в волосах ряда жителей зауральской зоны Башкортостана вызывают тревогу и диктуют необходимость усиления контроля над их концентрацией в атмосферном воздухе, почве, воде, продуктах питания и проведения мероприятий по снижению риска для здоровья населения.

About the authors

Yu. S. Rafikova

Institute of Strategic researches of the Republic of Bashkortostan

I. N. Semenova

Bashkir State University; Institute of Strategic researches of the Republic of Bashkortostan

Email: alexa-94@mail.ru

R. F. Khasanova

Bashkir State University; Institute of Strategic researches of the Republic of Bashkortostan

Ya. T. Suyundukov

Bashkir State University; Institute of Strategic researches of the Republic of Bashkortostan

References

Supplementary files