BLOOD MINERAL COMPOSITION IN RESIDENTS OF THE ARCTIC REGION WITH LOW WATER MINERALIZATION RATES IN CENTRALIZED TAP WATER SUPPLY SYSTEMS

Full Text

Основным фактором миграции и перераспределения химических элементов на поверхности Земли является вода. Для поверхностных вод северных высокоширотных бореальных ландшафтов характерна их низкая минерализация и наличие относительно высокого содержания растворимых органических соединений, которое связано с замедленными процессами деградации органического вещества в этих 42 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 3, pp. 42-47 Original Articles широтах [2-4]. Особенно это касается территорий, расположенных в Арктической зоне Российской Федерации (АЗ РФ). Химический состав поверхностных вод может оказывать влияние и на их содержание в подземных источниках, используемых в питьевых целях при организации централизованного водоснабжения. Гигиеническое значение питьевой воды с низкой минерализацией является до настоящего времени предметом научной дискуссии. Академик А. П. Авцын с соавт. [ 1] обосновывали основное значение поступления минеральных веществ с пищевыми продуктами, а питьевой воде отводили второстепенное значение. В то же время не вызывает сомнений тот факт, что элементный состав организма человека зависит от содержания химических элементов в питьевой воде, например, до одной трети необходимого кальция и магния организм получает с водой [6, 11, 18]. Показано, что в населенных пунктах, где вода имеет низкую минерализацию, отмечается раннее начало и повышенный уровень заболеваемости сердечно-сосудистой патологией, костно-суставного аппарата, сахарного диабета 2 типа, новообразований и ряда других заболеваний [7, 8, 25]. Кроме того, низкая минерализация питьевой воды создает предпосылки для повышенного накопления в организме тяжелых металлов - химических конкурентов кальция и магния [10, 12]. Важно подчеркнуть, что минеральный состав природных вод является уникальным для определенного территориального образования с точки зрения формирования особенностей элементного статуса населения и потенциальной возможности возникновения заболеваний биогеохимической этиологии [19, 23, 25]. Все это и побудило провести настоящее исследование. Цель работы - выявить особенности минерального состава крови у жителей Арктической зоны Российской Федерации, употребляющих слабоминерализованную воду с высоким водородным показателем и содержанием алюминия. Методы Для выполнения поставленной цели проведено исследование на территории Мурманской области в г. Кировске, расположенном в АЗ РФ (67° 40’ с. ш.) у подножия Хибинских гор на берегу озера Большой Вудьявр. Водоснабжение города организовано из подземных водоисточников, вода из которых по десяти скважинам подается в общий резервуар и далее после соответствующей обработки - потребителям. Анализ воды из общего резервуара выполнен в рамках требований санитарных правил [13]. Отбор проб холодной питьевой воды из водопроводной сети для анализа осуществлялся в чистые полиэтиленовые емкости (Universal Container, Nalge Nunc Int. Corp., NY, USA) в трех районах города (по 10 проб в каждом районе): в центральной части (район 1 - пр. Ленина) и на противоположных окраинах города (район 2 - ул. Ленинградская и район 3 - ул. Олимпийская). Все 30 емкостей были заполнены из-под водопроводного крана одновременно в течение одного часа; каждая емкость заполнялась после десятиминутного пропускания питьевой воды. Исследования минерального состава цельной крови были проведены у 25 практически здоровых юношей и девушек в возрасте от 18 до 22 лет, проживающих в центральной части города Кировска, которые добровольно изъявили желание принять участие в исследовании. Отбор проб крови проводился в стерильные пробирки (lithium-heparin vacutainer) емкостью 5 мл (Venoject 5ml VT-050SHL, Бельгия) с использованием специальных иньекционных игл (Venoject multi-sample 21Gx1S U.T.W 0,8x40 mm, Бельгия). Забор крови осуществлялся в конце марта - начале апреля, то есть до периода таяния снега, что исключало загрязнение поверхностными водами подземных водоисточников. Минеральный состав питьевой воды и крови на 29 элементов определялся методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой (ИСП-АЭ) на спектрометре TRACE Analyzer ICAP61E, фирмы Thermo Jarrell Ash (USA) после перевода точной навески исследуемого образца в раствор азотной кислотой и пероксидом водорода. Результаты Анализ неорганических компонентов показал, что вода подземных водоисточников, поступающая из общего резервуара в распределительную сеть Кировска, может оцениваться как слабоминерализованная (табл. 1). Таблица 1 Содержание веществ и химических элементов в питьевой воде г. Кировска Показатель ПДК [13], мг/л Содержание в питьевой воде, мг/л Общая минерализация (сухой остаток) 1000 65,0 Хлориды 350 9,0 Сульфаты 500 28,0 Железо (суммарно) 0,3 <0,1 Общая жесткость (мг-экв/л) 7,0 0,47 Водородный показатель (рН) 6-9 9,37 Нитриты <0,003 Нитраты 45 2,1 Фториды 0,7 0,1 Мышьяк 0,05 Не обнаруж. Медь 1,0 <0,005 Цинк 5,0 Не обнаруж. Молибден 0,25 <0,0025 Свинец 0,03 <0,005 Марганец 0,10 <0,01 Полифосфаты 3,5 <0,01 Алюминий 0,5 1,20 Стронций 7,0 Не обнаруж. Никель 0,1 <0,055 Селен 0,001 Не обнаруж. Нефтепродукты 0,1 Не обнаруж. Кроме того, качество подземных вод не удовлетворяет СанПин [13] по показателям рН и содержанию алю 43 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 3, с. 42-47 держание некоторых металлов было очень низким и в большинстве случаев оказалось ниже порога чувствительности используемого метода. Анализ крови на содержание микро- и макроэлементов показал, что уровень кальция в крови был несколько ниже средней величины для практически здоровых людей (100 мг/л). Концентрация в крови магния соответствовала средним значениям этого элемента у здоровых людей (27-42 мг/л). Привлекает внимание достаточно высокое содержание бора (2,45 ± 0,11) мг/л (референтные значения: 0,05-0,20 мг/л). Концентрация серебра, мышьяка, бария, кобальта, марганца, сурьмы, стронция, молибдена и ванадия была очень мала (ниже порога чувствительности используемого метода) (см. табл. 2). Обсуждение результатов Получение минеральных элементов человеком непрерывно связано с химическим составом пищи, воды и воздуха [1, 2, 9, 19]. В настоящее время из-за значительной миграции продуктов питания своеобразие территориального минерального фона населения определяется питьевой водой [5, 11]. Обмен минеральных элементов может нарушаться при недостаточном или избыточном поступление их Таблица 2 Результаты физико-химических исследований крови и питьевой воды № п/п Определяемый компонент, мг/л Диапазон измерения ИСП-АЭ Кровь n = 25 Вода питьевая Район 1 Район 2 Район 3 1 Серебро (Ag) 0,005 - 50 - - - - 2 Алюминий (Al) 0,01-50 3,35+0,17 0,82+0,09 0,64+0,06 0,38+0,07 3 Мышьяк (As) 0,005 - 50 - - - - 4 Бор (B) 0,01 - 15,0 2,45+0,11 - - - 5 Барий (Ba) 0,001-5,0 - - - - 6 Бериллий (Be) 0,001 - 10 - - - - 7 Кальций (Ca) 0,01-50 71,7+8,2 0,18+0,04 0,28+0,07 0,39+0,06 8 Кадмий (Cd) 0,001 - 10 0,0275+0,001 - - - 9 Кобальт (Co) 0,001 - 10 - - - - 10 Хром (Cr) общ. 0,001-50 0,429+0,012 - - - 11 Медь (Cu) 0,001-50 1,211+0,082 - - - 12 Железо (Fe) общ. 0,05 - 50 460,74 + 18,35 0,017+0,001 0,012+0,001 0,009+0,003 13 Калий (K) 0,05 - 500 1451,1+64,6 1,50+0,02 1,50+0,02 1,50+0,02 14 Магний (Mg) 0,05 - 50 37,67+2,44 0,018+0,001 0,023+0,001 0,026+0,001 15 Марганец (Mn) 0,001 - 10 - - - - 16 Молибден (Mo) 0,001 - 10 - - - - 17 Натрий (Na) 0,05 - 500 2074,8+58,3 13,0+0,6 13,0+0,6 13,0+0,6 18 Никель (Ni) 0,001 - 10 0,087+0,008 - - - 19 Свинец (Pb) 0,001 - 10 0,234+0,018 - 0,003+0,001 0,015+0,006 20 Сурьма (Sb) 0,005 - 50 - - - - 21 Селен (Se) 0,005 - 10 - - - - 22 Кремний (Si) 0,05 - 5,0 10,26+0,81 1,7+0,1 1,6+0,1 1,6+0,1 23 Олово (Sn) 0,005 - 5,0 - - - - 24 Стронций (Sr) 0,001 - 1,0 - 0,0043+0,001 0,007+0,001 0,009+0,001 25 Титан (Ti) 0,001-50 0,106+0,067 - - - 26 Таллий (Tl) 0,005 - 10 - - - - 27 Ванадий (V) 0,001-50 - - - - 28 Цинк (Zn) 0,005 - 50 4,436+0,066 - 0,002+0,001 0,006+0,001 29 Иттрий (Y) 0,001 - 10 - - - - Примечание. Знаком « - » отмечены результаты ниже порога чувствительности используемого метода. миния. Ухудшение качества воды по этим показателям произошло не за счет промышленного их загрязнения, а в результате подтягивания некондиционных природных вод водоносного комплекса (комплекс щелочных пород). Таким образом, питьевая вода в Кировске может рассматриваться как слабоминерализованная, с несколько повышенным водородным показателем (щелочностью) и повышенным содержанием алюминия. Анализ результатов физико-химических исследований воды из распределительной сети и крови выявил, что из 29 определяемых элементов в воде только 10 (алюминий, кальций, железо, калий, магний, натрий, цинк, свинец, кремний, стронций) и в крови 1 5 (алюминий, бор, кальций, кадмий, хром, медь, железо, калий, магний, натрий, никель, цинк, свинец, кремний, титан) находились в пределах чувствительности метода определения (табл. 2). Концентрация магния в водопроводной воде оказалось ниже рекомендуемого физиологического уровня в 1 000-1 500 раз, а кальция в 150-300 раз. Концентрации алюминия в питьевой воде Кировска превышали ПДК (0,5 мг/л) в 1,3 -1,5 раза в двух из трех районов. По остальным элементам определены концентрации в десятки и сотни раз ниже ПДК. Со 44 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 3, pp. 42-47 Original Articles в организм человека. В то же время обязательным условием нормальной жизнедеятельности человека является стабильность химического состава его организма. Несмотря на исключительную жизненную необходимость, минеральные вещества не синтезируются человеком и должны поступать из окружающей среды. При этом для нормального функционирования всех органов и систем человека крайне необходимо не только регулярное поступление в организм макро- и микроэлементов, но и правильное их соотношение. Так как в продуктах питания и питьевой воде содержание минеральных элементов может существенно различаться, что зависит от места проживания человека, могут возникать состояния, связанные как с избыточным, так и с недостаточным поступлением их в организм. В свою очередь, это отражается на физиологическом состоянии человека [17]. Так, известно, что отклонения в поступлении в организм макро- и микроэлементов, нарушение их соотношений могут снижать сопротивляемость организма, а следовательно, отражаться на способности человека к адаптации [1], что особенно важно для жителей высоких широт. В связи с несоответствием подземных вод на водозаборе Кировска требованиям качества по содержанию алюминия и водородному показателю и была проведена оценка минерального состава крови у населения, употребляющего такую воду. Наиболее высокий уровень алюминия в воде и наименьшие концентрации кальция, магния, стронция, цинка и свинца были отмечены в центре города (район 1), а наименьшее содержание алюминия и несколько большие уровни кальция, магния, стронция и цинка обнаруживались по улице Олимпийской (район 3). В источниках литературы [17, 22] отмечено, что в процессе поступления алюминия в распределительную сеть он может выпадать в осадок и будет наблюдаться постепенное снижение его концентрации на протяжении системы водоснабжения. Известно, что алюминий относится к группе не аккумулирующихся токсичных (приместных) элементов [9, 21], оказывающих отрицательное влияние на организм, которое появляется лишь при достижении пороговой концентрации. Полагают, что основная причина токсического действия алюминия связана с блокированием некоторых функциональных групп протеинов или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, таких как медь и цинк [17]. Установленное снижение в крови содержания кальция у жителей Кировска не является значительным и ранее было нами выявлено у населения города Мончегорска, также находящегося в АЗ РФ, где уровень минерализации воды на порядок выше [12]. Поскольку концентрация магния в крови соответствует нормальным значениям для взрослых людей, это свидетельствует об отсутствии существенного дефицита двухвалентных макроэлементов у населения Кировска, что является чрезвычайно важным. Известно, что кальций регулирует большое число внутриклеточных процессов: от митоза и рождения клеток до апоптоза и их гибели. От кальция зависит появление потенциалов действия и электромеханическое сопряжение клеток. Кальций регулирует скорость многих жизненно важных внеклеточных процессов, например свертывание крови [14]. Следует заметить, что нормальный уровень магния в организме признан важнейшей константой, контролирующей здоровье человека. Только напрямую от магния зависит около 300 биохимических процессов, среди них цикл Кребса, синтез АТФ, обмен лактата, окисление жирных кислот и другие [9, 15]. Физиологический баланс магния является обязательным условием для устойчивого функционирования нервной системы человека, стабилизирует аппарат клеточного скелета нейронов, активизирует ферменты, регулирующие углеводный, белковый, липидный обмены, участвует в передаче генетической информации через продуцирование ДНК и РНК нуклеотидов [15]. Магний рассматривают как антистрессовый минерал, например, 10 минут стресса «сжигают» весь магний в организме [9]. ВОЗ классифицирует патологическое состояние «недостаточность магния» как заболевание, имеющее свой код по МКБ-10 (Е 61.3). Привлекает внимание тот факт, что в крови жителей Кировска был выявлен аномально высокий уровень бора, содержание которого в питьевой воде не было повышено. Информация о содержании бора представляет особый интерес в связи с тем, что при гиповитаминозе D3 бор осуществляет контроль за выработкой паратгормона паращитовидными железами, и повышение его концентрации способствует нормализации содержания магния и в меньшей степени кальция в крови [16, 21]. Можно предположить, что физиологическая концентрация двухвалентных элементов у населения Кировска удерживается за счет адаптационных механизмов (повышение концентрации бора). В такой ситуации оправдано употребление населением пищевых продуктов, богатых бором, например морской капусты, и витамином D. Следует заметить, что самым богатым пищевым источником витамина D является рыбий жир. Небольшие количества этого витамина содержатся в яичных желтках, молоке, масле, сметане, икре и печени животных. В некоторых странах его добавляют в маргарин. Витамин D обязательно входит в состав заменителей грудного молока (детские питательные смеси) и многих продуктов прикорма [9]. Содержание алюминия в крови незначительно превышало уровень этого элемента у жителей Мончегорска (2,54 мг/л). При этом содержание алюминия в питьевой воде Мончегорска почти в 15 раз было ниже [12]. Таким образом, уровень алюминия в питьевой воде оказывает несущественное влияние на концентрацию этого элемента в крови. По данным экспертов ВОЗ, алюминий, присутствующий в питьевой воде, вносит лишь небольшую долю в его оценочное суточное потребление человеком. Основная часть этого потребления связана с пищей, так как общее потребление алюминия оценивается в 88 мг на человека в сутки. Ежесуточное потребление 2 л 45 Оригинальные статьи воды, содержащей в среднем 0,6 мг/л алюминия, может обеспечить только 1,2 мг алюминия на человека в сутки, то есть менее 1 % суточного потребления. Уровень кадмия в крови у жителей Кировска был в 5 раз ниже содержания этого элемента в других регионах [24]. Содержание хрома, меди и железа не отличалось от средних показателей для здоровых людей, приведенных в литературе [24]. Отсутствовали также какие-либо особенности содержания одновалентных макроэлементов (калий и натрий) в крови. Уровень никеля в крови у обследованного контингента находился на нижней границе нормальных значений (0,08-0,12 мг/л). Концентрация свинца в крови у обследованных жителей Кировска была выше рекомендованных значений (0,13 мг/л), однако ниже среднего реального содержания этого токсичного металла у городских жителей центральных районов России [23]. Следует подчеркнуть, что свинец является основным антропогенным поллютантом из группы тяжелых металлов, что можно объяснить высоким индустриальным загрязнением и выбросами автомобильного транспорта, который работает на бензине. Токсическое действие свинца в основном обусловлено способностью образовывать связи с большим числом анионов - лигандов, к которым относятся сульфгидрильная группа, производные цистеина и фосфаты. Результатом присоединения свинца к ферментам является ингибирование их активности, например, ингибирование синтеза гемма, что является классическим примером метаболических эффектов токсического действия свинца [14]. Концентрация цинка определялась на уровне средних нормальных значений (2,5-8,0 мг/л). Таким образом, употребление слабоминерализованной воды жителями Кировска не привело к существенному снижению концентрации кальция в крови при нормальном содержании в ней магния, что, вероятно, обеспечивается за счет стимуляции паращитовидных желез повышенным уровнем бора в крови. Несмотря на употребление слабоминерализованной воды, в крови у обследованных жителей не обнаружены признаки накопления тяжелых металлов. При повышенном содержании алюминия в питьевой воде уровень его в крови остается в пределах нормы. Благодарности Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта № 19-05-50065 Микромир «Комплексная оценка воздействия микрочастиц в выбросах горных и металлургических предприятий Мурманской области на экосистемы и состояние здоровья населения Арктики» Авторство Никанов А. Н. разработал концепцию и дизайн исследования, принял участие в сборе первичных данных и анализе полученных результатов; Гудков А. Б. принял участие в написании первого варианта статьи, формулировании выводов; Попова О. Н. осуществила анализ полученных данных, приняла участие в формулировании выводов; Смолина В. С. участвовала в редактировании текста статьи и написании первого ее варианта; Чащин В. П. принял участие в написании всех разделов статьи, утвердил окончательный ее вариант.

About the authors

A. N. Nikanov

Northwest Scientific Center of Hygiene and Public Health, Rospotrebnadzor

Saint-Petersburg

A. B. Gudkov

Northern State Medical University

Email: gudkovab@nsmu.ru
Arkhangelsk

O. N. Popova

Northern State Medical University

Arkhangelsk

V. S. Smolina

Northern State Medical University

Arkhangelsk

V. P. Chaschin

Northwest Scientific Center of Hygiene and Public Health, Rospotrebnadzor; High School of Economics

Saint-Petersburg

References

Supplementary files