MICROELEMENT STATUS OF THE ADULT POPULATION IN WESTERN KAZAKHSTAN

Full Text

Введение Смена климата, растущий дефицит качественной питьевой воды, развитие добывающей, энергетической промышленности, транспорта, строительства, систем связи, повсеместное использование пестицидов и гербицидов, развитие информационных технологий и исследований в области наночастиц и нанотехнологий привели к изменениям в состоянии здоровья населения [6, 9, 28]. Изменение привычной среды обитания предъявляет повышенные требования к приспособительным возможностям человека и вызывает перестройку организма с целью сохранения постоянства внутренней среды [2]. Микроэлементы относятся к числу незаменимых пищевых факторов, нормальное поступление которых в организм является необходимым условием для обеспечения здоровья и трудоспособности. Увеличение содержания в биосубстратах токсичных химических элементов (ХЭ) и дефицит жизненно важных эссенциальных ХЭ приводит к широкому спектру нарушений в состоянии здоровья, объединённых понятием микроэлементозы [1]. Заболеваемость, связанная с микроэлементозами, зависит от региона проживания, профессиональных вредностей, особенностей питания и водоснабжения [8]. К известным микроэлементозам относят дефицит железа (Fe) и возникновение анемии [42], дефицит йода (I), селена (Se) и заболевания щитовидной железы [35]. Примерами природных микроэлементозов являются алиментарный дефицит селена, или эндемическая кардиомиопатия, в регионе Кешан в Китае [41], развитие молибденовой подагры (болезнь В. В. Ковальского) у жителей Анкаванского района Армении. Техногенные микроэлементозы развиваются у лиц, работающих на вредном производстве, у населения, проживающего как в непосредственной близости, так и на значительном расстоянии от вредного производства вследствие водного или воздушного переноса [13, 30, 38]. Для техногенных микроэлементозов достоверно установлено канцерогенное, тератогенное и мутагенное действие [ 10].Климатические условия Актюбинской и Западно-Казахстанской областей являются резко континентальными с засушливым летом и суровой зимой, ландшафт представлен степной, пустынно-степной зоной. Постоянным источником токсичных ХЭ являются предприятия металлургической, химической, нефтяной промышленности, построенные вблизи крупнейших в мире месторождений нефти, газа, в регионе разведаны запасы горючих сланцев, калийно-магниевых солей, известковых пород, цементного сырья, мела, керамзитовых глин, строительного песка, территория имеет статус борной и хромовой биогеохимической провинции [3, 5]. Эпидемиологические исследования свидетельствуют, что изменение экосистемы влияет на здоровье человека и в ряде случаев болезни могут быть вы явлены на этапе предболезни путем анализа микро-элементного статуса. Волосы многими исследователями рассматриваются как идеальный биосубстрат для определения биоэлементного статуса организма. Волосы по сравнению с биологическими жидкостями организма меньше подвержены гомеостатическому контролю, отбор проб является неинвазивным, пробы удобно хранить и транспортировать [33]. Исследования, проведенные в различных регионах мира, позволили определить референтные интервалы содержания ХЭ в волосах у представителей различных половозрастных групп населения [27]. Референтные интервалы, полученные в конкретной биогеохимиче-ской провинции, нельзя экстраполировать на другие географические территории, необходимо обязательно учитывать и оценивать региональные особенности элементного гомеостаза [14]. На большей части территории Казахстана исследования, направленные на определение особенностей элементного статуса населения, не проводились. Цель исследования - изучить микроэлементный статус жителей, проживающих в индустриально развитом регионе Западного Казахстана, на примере Актюбинской и Западно-Казахстанской областей. Задачи: охарактеризовать микроэлементный состав волос жителей Актюбинской и Западно-Казахстанской областей с учетом пола; сравнить показатели содержания микроэлементов в волосах жителей обеих областей с общероссийскими показателями. Методы Проведено обсервационное поперечное аналитическое исследование на территории Западно-Казахстанской области (города Уральск, Аксай, поселки Жымпиты, Каратобе, Переметное, Таскала, Чапаево, Федоровка, Чингирлау) и Актюбинской области (города Актобе, Алга, Хромтау, Кандыагаш, Шалкар, Темир, поселки Айтекеби, Батамша, Мартук, Иргиз, Караулкельды, Мугалжар, Уил, Шубаркудук, Хобда). Работа одобрена локальным этическим комитетом Западно-Казахстанского медицинского университета имени Марата Оспанова (заседание № 5 от 13.05.2020), выполнена в соответствии с принципами Хельсинкской декларации и последующих поправок. Группа обследования сформирована методом случайной выборки из лиц в возрасте 18-60 лет, постоянно проживающих на изучаемой территории. Всего в исследование было включено 609 человек. Для формирования выборки применяли следующие критерии исключения: острые инфекционные, хирургические и травматические заболевания, хронические соматические заболевания в стадии декомпенсации, металлические имплантаты (включая пломбы из амальгамы), вегетарианское питание, потребление витаминно-минеральных добавок, беременность, роды менее одного года назад, лактация. 43 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 11, с. 42-49 Образцы волос были получены путем сострига-ния чистыми ножницами из нержавеющей стали с 3-5 участков затылочной части головы. Если образец был длинным, то собиралась только проксимальная часть волоса. Пробы в количестве не менее 0,1 г помещались в конверты с идентификационными записями и отправлялись в лабораторию АНО «Центр биотической медицины» (г. Москва) (Сведения о регистрации: ОГРН 1027700072157 от 29.07.2002). В образцах волос оценивалось содержание двадцати ХЭ: алюминия (Al), мышьяка (As), бора (В), бериллия (Ве), кадмия (Cd), кобальта (Co), хрома (Cr), меди (Cu), железа (Fe), йода (I), лития (Li), марганца (Mn), никеля (Ni), свинца (Pb), селена (S e), кремния (Si), олова (Sn), ванадия (V), ртути (Hg), цинка (Zn). Исследование микроэлементного состава волос проводилось методом масс-спектрометрии с ицдуктивно-связанной плазмой (МС-ИСП) на квадри-упольном масс-спектрометре NexION 300D (Perkin Elmer, США), оснащенном автоматическим дозатором ESISC-2 DX4 (Elemental Scientific Inc., NE, США). Пробы волос подвергали пробоподготовке посредством отмывания и микроволнового разложения. Пряди волос промывали ацетоном, затем троекратно ополаскивали деионизированной водой, высушивали на воздухе при температуре 60 °С. После предварительной подготовки и взятия навески образцы биосубстратов переносили в химически устойчивые тефлоновые пробирки с концентрированной азотной кислотой. Микроволновое разложение осуществляли в течение 20 мин при температуре 170-180 °С в системе Berghof Speedwave 4 (Berghof Products&Instruments, Германия). После остывания и выравнивания давления в системе полученные в ходе разложения растворы переносили в пробирки, объем доводился до 15 мл дистиллированной деионизированной водой. Финальный раствор использовали для химического анализа. Калибровка системы проведена с использованием набора стандартов Universal Data Acquisition Standards Kit (PerkinElmer Inc., США). Внутренняя онлайн стандартизация выполнялась с использованием раствора изотопа Иттрий-89, полученного из Yttrium (Y) Pure Single-Element Standard (PerkinElmer Inc., США). Сертифицированный стандартный образец волос человека GBW09101 «Human hair» (Shanghai Institute of Nuclear Research, PR China) использовался для проведения контроля качества. Статистические методы При оценке нормальности распределения переменных по критерию Колмогорова - Смирнова выявили негауссов характер распределения, поэтому описательная статистика представлена в виде медианы (Me), квартилей (Q25; Q75) и процентилей (Р2,5; Р97,5). Качественные переменные представлены в виде абсолютного значения и процентного показателя. Выбросы референтных значений микроэлементов визуализировались построением скатерограммы и исключались из анализа согласно правилу Turkey, доработанному Horn [18, 20]. Содержание ХЭ в волосах представлено в соответствии с рекомендациями International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (IFCC) и International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) [31, 32]. Наличие элементного дисбаланса устанавливали путём сравнения с общероссийскими референтными значениями содержания микроэлементов в волосах, степень выраженности микроэлементного дисбаланса устанавливали по частоте проявления дефицита или избытка микроэлементов у 25 % и более обследованных [12, 39, 40]. Статистическую обработку данных проводили с использованием прикладных программ Statistica v. 10 и Medcalc. Результаты В результате проведенного исследования составлена база данных содержания ХЭ в волосах жителей Актюбинской и Западно-Казахстанской областей. Результаты представлены в виде медианы, а также процентилей 25-75 % (Me (Q25; Q75) (табл. 1). При сравнении концентрации ХЭ в волосах у мужчин и женщин выявили достоверно более высокие значения у мужской части населения: Al на 72,8 %, As на 59 %, В на 38 %, Ве на 98 %, Cd на 63 %, Cr на 12,8 %, Fe на 22 %, Li на 41 %, Mn на 30,4 %, Ni на 28,5 %, Pb на 62,3 %, Se на 15,7 %, Si на 17,5 %, V на 67 %. Таким образом, из 20 анализируемых микроэлементов по 14 металлам отмечается сравнительно большее их накопление в волосах мужчин. В табл. 1 представлено содержание микроэлементов в волосах 50 % исследуемой популяции, тогда как стандарты IFCC и IUPAC рекомендуют отражать 95 % центральный диапазон содержания ХЭ. В табл. 2 представлено содержание изучаемых ХЭ в процентилях (Р2,5; Р97,5), мкг/г в подгруппах мужчин и женщин, что более полно отражает изученную популяцию жителей Актюбинской и Западно-Казахстанской областей и соответствует представлению данных в аналогичных исследованиях, выполненных в других странах [27]. В табл. 3 представлено содержание микроэлементов в волосах населения обеих областей и аналогичные показатели общероссийской популяции. На рисунке представлены отклонения содержания ХЭ в волосах жителей Актюбинской и ЗападноКазахстанской областей по сравнению с общероссийской популяцией (дефицит, норма, избыток). В сравниваемых популяциях практически по всем представленным микроэлементам наблюдались отклонения по содержанию. В обследованной популяции по сравнению с общероссийской наблюдался дефицит эссенциальных микроэлементов: Zn 28,6 %, Cr 33 %, Se 93,9 %, I 33 % и условно-эссенциальных: Ni 39,9 %, V 99,5 %. Депонирование эссенциальных микроэлементов: Fe 39,4 %, Mn 32,5 %, Zn 36,4 %, условно-эссенциальных: Li 79,8 %, токсичных: Sn 2,6 %, Al 5,4 %, Pb 6,7 %, Cd 3,8 %. 44 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 11, pp. 42-49 Original Articles Таблица 1 Описательная статистика содержания химических элементов в волосах участников исследования, Me (Q25; Q75), мкг/г Переменная Общая выборка, n=609 Мужчины, n=218 Женщины, n=391 P Возраст, лет 44 (32; 55) 35 (26,0; 54,0) 45 (35; 55) <0,001 ИМТ 25,3 (22,3; 28,5) 25,4 (22,3; 28,7) 25,3 (22,5; 28,5) 0,845 Al 3,56 (2,08; 6,30) 6,302 (3,80; 10,63) 1,71 (1,71;4,42) <0,001 As 0,029 (0,015 0,047) 0,049 (0,035; 0,069) 0,020 (0,010; 0,032) <0,001 B 1,44 (0,992 2,10) 2,00 (1,38; 3,05) 1,24 (0,834; 1,67) <0,001 Be 0,000 (0,000 0,001) 0,001 (0,000; 0,001) 0,000 (0,000; 0,001) <0,001 Cd 0,011 (0,006 ; 0,024) 0,022 (0,011; 0,050) 0,008 (0,005; 0,014) <0,001 Co 0,015 (0,008 0,030) 0,016 (0,010; 0,025) 0,013 (0,007; 0,034) 0,213 Cr 0,404 (0,280 0,583) 0,436 (0,330; 0,617) 0,380 (0,257; 0,571) <0,001 Cu 11,03 (9,56; 12,79) 11,29 (10,03; 12,72) 10,91 (9,26; 12,83) 0,050 Fe 20,61 (14,99; 29,89) 24,61 (18,00; 35,66) 19,09 (13,89; 26,99) <0,001 Hg 0,144 (0,081; 0,260) 0,158 (0,083; 0,311) 0,141 (0,078; 0,237) 0,078 I 0,382 (0,230; 0,702) 0,388 (0,237; 0,973) 0,381 (0,223; 0,638) 0,070 Li 0,036 (0,022; 0,065) 0,051 (0,030; 0,095) 0,030 (0,019; 0,052) <0,001 Mn 0,661 (0,325; 1,50) 0,877 (0,478; 1,655) 0,573 (0,270; 1,368) <0,001 Ni 0,173 (0,102; 0,293) 0,207 (0,132; 0,332) 0,148 (0,091; 0,266) <0,001 Pb 0,203 (0,102; 0,462) 0,404 (0,190; 1,050) 0,152 (0,072; 0,274) <0,001 Se 0,488 (0,409; 0,568) 0,547 (0,475; 0,613) 0,461 (0,381; 0,542) <0,001 Si 19,81 (13,05; 26,70) 22,256 (15,431; 31,480) 18,35 (12,05; 25,04) <0,001 Sn 0,063 (0,036; 0,150) 0,060 (0,038; 0,107) 0,069 (0,034; 0,207) 0,059 V 0,032 (0,016; 0,066) 0,067 (0,042; 0,088) 0,022 (0,010; 0,039) <0,001 Zn 182,87 (150,14; 233,49) 179,69 (152,18; 214,87) 186,51 (145,93; 239,31) 0,113 Таблица 2 Содержание микроэлементов в волосах жителей Актюбинской и Западно-Казахстанской областей в процентилях (P2,5; P97,5), мкг/г Перемен ная Мужчины, n=218 Женщины, n=391 Общая выборка, n=609 Al 1,77; 31,18 0,855; 10,42 0,907; 21,98 As 0,016; 0,126 0,002; 0,070 0,003; 0,112 B 0,812; 7,51 0,241; 2,85 0,294; 5,04 Be 0,000; 0,003 0,000; 0,002 0,000; 0,002 Cd 0,004; 0,239 0,001; 0,113 0,001; 0,175 Co 0,003; 0,166 0,002; 0,644 0,003; 0,434 Cr 0,175; 1,60 0,121; 1,52 0,138; 1,54 Cu 7,67; 17,36 4,97; 25,31 5,65; 21,25 Fe 9,46; 138,16 9,00; 61,81 9,07; 80,71 Hg 0,029; 1,20 0,025; 0,764 0,027; 0,922 I 0,123; 18,79 0,120; 4,80 0,123; 7,14 Li 0,016; 0,607 0,004; 0,173 0,005; 0,283 Mn 0,193; 7,47 0,125; 16,90 0,132; 13,24 Ni 0,062; 1,23 0,046; 1,09 0,047; 1,10 Pb 0,080; 5,49 0,032; 1,05 0,039; 3,26 Se 0,301; 0,797 0,183; 0,768 0,185; 0,779 Si 7,82; 64,68 6,20; 52,28 6,54; 54,95 Sn 0,013; 0,393 0,010; 1,73 0,010; 1,17 V 0,006; 0,111 0,006; 0,092 0,006; 0,097 Zn 88,25; 363,02 79,41; 639,07 83,63; 562,37 Обсуждение результатов В исследовании сформирована информационная база, включающая данные по содержанию 20 микроэлементов в волосах жителей Актюбинской и ЗападноКазахстанской областей в группах мужчин и женщин. Проведен сравнительный анализ содержания ХЭ по половому признаку и с РИ, полученными в исследованиях на общероссийской популяции [12, 39, 40]. В результате исследования установили, что в волосах мужчин содержание ХЭ (Al, As, Ве, Cd, Pb, Li, Mn, V) выше, чем в волосах женщин. В ряде исследований установлено, что гендерные различия содержания ХЭ могут быть вызваны профессиональной деятельностью мужчин, их образом жизни, условиями проживания и тесным контактом с источниками загрязнения атмосферного воздуха [13, 23, 33]. При сравнении с российской популяцией наиболее значимые различия получены по содержанию в волосах V и Se, их дефицит имели 99,5 и 93,9 % обследованных соответственно, у 65,1 % отмечался дисбаланс Zn. Основная причина дефицита Se в организме - это усиленный расход и пониженное содержание в пище и питьевой воде. В организме Se участвует в анти-оксидантной защите, усиливает иммунную систему, способствует увеличению продолжительности жизни. Недостаток Se был связан с повышенным риском смертности, сниженной иммунной функцией и ухудшением когнитивных функций [36]. Антиоксиданты с содержанием Se снижают смертность от сердечно-сосудистых заболеваний ОР 0,77 (95 % ДИ: 0,62, 0,97) и смертность от всех причин ОР 0,90 (95 % ДИ: 0,82, 0,98), тогда как в отсутствие Se риск смерти увеличивался ОР 1,09 (95 % ДИ: 1,04, 1,13) [21]. Ванадий поступает в организм с пищей, физиологическая роль этого микроэлемента изучена недостаточно, однако его антивирусные, антибактериальные, антипаразитарные, противогрибковые свойства, 45 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 11, с. 42-49 Таблица 3 Содержание микроэлементов в волосах жителей Актюбинской, Западно-Казахстанской областей и общероссийской популяции, мкг/г Переменная статистика Актюбинская и Западно-Казахстанская области N = 609 Россия A.V Scalny [10] N=2838 A.V Scalny [30] N=7256 A.V Scalny [31] N=5908 Р2,5; Р97,5 P25; P75 Р2,5; Р97,5 Р2,5; Р97,5 Al 0,907; 21,98 6,0; 18,0 2,913; 11,627 As 0,003; 0,112 0,00; 0,56 0,010; 0,078 B 0,294; 5,04 - - - Be 0,0001; 0,0023 0,00 0,01 0,000; 0,005 Cd 0,001; 0,175 0,02 0,12 0,006; 0,056 Co 0,003; 0,434 0,04 0,16 0,007; 0,045 Cr 0,137; 1,54 0,32 0,96 0,11; 0,67 Cu 5,65; 21,25 9,00; 14,00 10,4; 22,6 Fe 9,07; 80,71 11,00 24,00 11,1; 40,5 Hg 0,027; 0,922 0,05 2,01 0,168; 1,189 I 0,123; 7,13 0,27 4,20 Li 0,005; 0,283 0,00 0,02 0,009; 0,040 Mn 0,132; 13,24 0,32 1,13 0,24; 1,05 Ni 0,047; 1,102 0,14 0,53 0,159; 0,704 Pb 0,039; 3,26 0,38 1,40 0,187; 1,389 Se 0,185; 0,779 0,69 2,20 0,089; 0,480 Si 6,541; 54,95 11,00 37,00 Sn 0,010; 1,17 0,076; 1,009 V 0,006; 0,097 0,014; 0,083 Zn 83,63; 562,37 155,00; 206,00 125,7; 262,8 Распространенность отклонений содержания химических элементов в волосах жителей Актюбинской и Западно-Казахстанской областей по сравнению с общероссийскими референтными значениями нейропротекторная и кардиопротекторная активность, участие в регуляции углеводного обмена вызывают интерес исследователей во всем мире [37]. Повышенное содержание Zn в волосах обычно отражает его дефицит в организме и связанное с ним перераспределение. В разных странах неоптимальное содержание Zn могут иметь от 3 до 73 % жителей [34]. Известно, что Zn оказывает антиоксидантное и противовоспалительное действие. Связь между дефицитом цинка и развитием сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний доказана многочисленными исследованиями [26, 43]. Из 20 оцениваемых в данной работе ХЭ избыточная концентрация относительно общероссийских значений у значительной части населения отмечена только по Li (у 79,8 % обследованных). Существенное депонирование эссенциальных микроэлементов (Fe, Mn, Zn), а также токсичных веществ (Sn, Al, Pb, Cd) выявлено менее чем у 40 % населения. Результаты нашего исследования согласуются с данными по Оренбургской области Российской Федерации, граничащей с Западно-Казахстанской и Актюбинской областями, по которым избыток Li определен у 60 % обследованных жителей Оренбургской области [11]. По данным анализа волос у взрослого населения, проживающего в условиях чрезвычайной экологической ситуации, также было установлено повышение абсолютного содержания в волосах Li, Al, Pb, B и Sr [7]. Как известно, Актюбинская и Западно-Казах 46 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 11, pp. 42-49 Original Articles станская области являются регионом с развитой нефтегазодобывающей промышленностью, черной и цветной металлургией [16]. Загрязнение воздуха Западного Казахстана обусловлено активной добычей и переработкой полезных ископаемых, нефти и газа, производством автомобильного бензина и дизельного топлива, работой промышленных предприятий. Недопустимые уровни канцерогенного риска были определены для профессиональных групп и всего населения в отношении Cd, Pb, As, Cr в воздухе [22]. Действительно в Актобе, по данным за 2000-2010 годы, основными загрязнителями воздуха в городе были диоксид серы, оксид углерода, оксид азота и пыль, содержащая трехвалентный и шестивалентный хром, а также соединения Mg, Mn и Fe. В городе Актобе находятся предприятия по переработке Cr, которые являются стационарными источниками загрязнения воздуха [15]. Воздух Западно-Казахстанской области загрязняется выбросами сероводорода Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения [23]. Водные источники региона также подвергнуты негативному антропотехногенному воздействию. В результате исследования реки Илек экологическая ситуация в городах Актобе и Алга оценивалась как «зона бедствия» и «чрезвычайная». Анализ воды и отложений в реке свидетельствовал, что приоритетными загрязнителями являются B и Cr [17]. В источниках изучаемого региона отмечалось повышенное содержание Mn, Fe, Cr, нефтяных продуктов [19]. Ранее проведённые исследования в Западном Казахстане подтверждают негативное влияние неблагоприятных экологических факторов, включая дисбаланс элементов, на здоровье детского и взрослого населения [4]. Дети с тиреомегалией характеризовались повышенным содержанием в волосах B и Si, а также пониженным уровнем Cd, Mn, Pb, V [24, 25]. Наиболее изучено содержание в волосах токсичных микроэлементов, из которых большую угрозу здоровью человека представляют Hg, Pb и Cd, они способны накапливаться в организме, снижая адаптационные иммунные функции организма, и вызывать болезни, развивающиеся постепенно, без ярко выраженных симптомов. В нашем исследовании значимых различий в содержании Hg, Pb и Cd по сравнению с общероссийскими выявлено не было. Оценка микроэлементного статуса населения с созданием постоянно обновляющейся базы может стать ресурсом для мониторинга экологического благополучия и состояния здоровья населения в данном регионе, инструментом для прогнозирования риска развития гипо- и гиперэлементозов с целью проведения профилактических мероприятий [29]. Ограничения исследования В исследовании не отражено влияние факторов, связанных как с окружающей средой (состояние воздуха, почвы, качество воды), так и с изучаемой популяцией (возраст, этническая принадлежность, образ жизни, особенности питания). Выводы Изучено содержание микроэлементов в волосах мужчин и женщин, проживающих на территории индустриально развитых Актюбинской и Западно-Казахстанской областей. Наиболее значимые различия обнаружены у мужчин по содержанию токсичных и потенциально-токсичных элементов с превышением содержания Al на 72,8 %, As на 59 %, Ве на 98 %, Cd на 63 %, Pb на 62,3 % и эссенциальных и условно-эссенциальных: Li на 41 %, Mn на 30,4 %, V на 67 %. При сравнении с российской популяцией наиболее значимые различия получены по содержанию в волосах V и Se, их дефицит имели 99,5 и 93,9 % обследованных соответственно; у 79,8 % участников документирован избыток Li, у 65,1 % отмечался дисбаланс Zn.

About the authors

G. Arystangalievna Batyrova

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

Email: batyrovagulnara77@gmail.com

Zh. Shimbulatovna Tlegenova

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

G. Arystangalievna Umarova

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

V. Ivanovna Kononets

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

Ye. Arystangalievich Umarov

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

Kh. Il'yasovna Kudabayeva

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

P. Zhaksybaevna Aitmaganbet

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

A. Amanzholkyzy

West Kazakhstan Marat Ospanov Medical University

References

Supplementary files