Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
Глава 2. Объект, объем и методы исследования 27
Глава 3. Экологическая оценка содержания микроэлементов в депонирующих средах
3.1. Экологическая оценка снегового покрова 35
3.2. Сравнительный анализ микроэлементов в почве 41
Глава 4. Оценка качества воды в источниках централизованного водоснабжения и в поверхностных водоемах
4.1. Экологическая характеристика качества питьевой воды, подаваемой из источников централизованноговодоснабжения 56
4.2. Содержание микроэлементов в жидкой и твердой фазе поверхностного водостока 65
Глава 5. Характеристика содержания микроэлементов в волосах детей
5.1. Микроэлементный статус волос детей различных регионов области 80
5.2. Особенности микроэлементных взаимодействий в организме в условиях дисбаланса на основе химико-биологических свойств 97
Заключение 106
Выводы 116
Практические рекомендации 119
Список использованной литературы 122
Приложения 140
Список сокращений
МЭ - микроэлементы
ПОЛ - перекисное окисление липидов
ПДК - предельно допустимая концентрация
Си - медь
Zn - цинк
Со - кобальт
Ni - никель
Li - литий
F - фтор
Fe - железо
Мп - марганец
Мо - молибден
Сг - хром
V - ванадий
Sr - стронций
РЬ - свинец
Cd - кадмий
- Экологическая оценка снегового покрова
- Экологическая характеристика качества питьевой воды, подаваемой из источников централизованноговодоснабжения
- Микроэлементный статус волос детей различных регионов области
Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что избыток или дефицит микроэлементов в окружающей среде оказывает влияние на химический гомеостаз организма и может привести к возникновению различных патологий, в том числе эндемических (Авцын А.П., 1964-1995, Рахманин Ю.А, 1965-2000, Гильденскиольд Р.С., 1968-2000, 1987-2000, Скальный А.В., 1987-2000). Ранее проведенными исследованиями на урбанизированных и сельских территориях области обоснована биогеохимическая провинция, характеризующаяся различным качественным и количественным составом микроэлементов в снеге,- почве, питьевой воде и продуктах питания с недостаточным количеством I, Mn, F, Fe, Со, Zn, Си, и с повышенным содержанием в среде обитания Cr, Pb, Ni и других токсичных микроэлементов (Боев В.М., 2002). Вместе с тем доказана роль дефицита природных микроэлементов в развитии патологических состояний, имеются данные о значении в патологии микроэлементов антропогенного происхождения, рассматриваются микроэлементы как маркеры в донозологической диагностике заболеваний. Индикатором их поступления в организм из внешней среды могут служить биосреды (кровь, волосы, ногти и др.). Характерно, что проведенные ранее исследования выявили дисбаланс между содержанием токсичных и эссенциальных элементов как в среде обитания, так и в биосубстратах детского населения на территориях с высоким уровнем антропогенного загрязнения (Боев В.М., 1998, 2002).
Учитывая, что объектами экологических исследований являются депонирующие среды — снеговой покров, отражающий степень аэрогенной нагрузки за период снегостава, и почва, состав которой отражает многолетнее поступление загрязняющих веществ, из которой далее идет их миграция в подземные водоисточники и поверхностные водоемы, представляется важным оценить миграцию микроэлементов в системе «среда обитания - человек» (Авцын А.П., Жаворонков АА, Риш М.А, Строчкова Л.С, 1991).
Недостаточно сведений о миграции микроэлементов в системе «среда обитания - человек» и их роли в качестве маркеров природного или антропогенного происхождения. Остается нерешенной проблема синергических и антагонистических взаимодействий между биоэлементами в организме человека, основанных на химических закономерностях, и их содержанием в среде обитания при избыточном или недостаточном поступлении в организм в условиях воздействия природных и антропогенных факторов среды обитания. Сходство и различие в физико-химическом действии элементов позволяет провести прогнозирование накопления в организме человека с учетом предполагаемых ,дефиііП№а-или-і«бьц:каліостушіения мик-
I 'С НАЦИОНАЛЬНА»*
1 I «НБЛНОТЕКА 1
I СПтрЛпг ?у/ і
роэлементов, что создает возможность разработки медико-профилактических и реабилитационных мероприятий для населения.
Обозначенный перечень нерешенных вопросов, а также необходимость разработки практических рекомендаций определяет актуальность и своевременность проведенных исследований.
Цель исследования: Количественная и качественная оценка содержания и миграции микроэлементов в системе «среда обитания — человек» и определение приоритетных микроэлементов для целей диагностики экологического состояния среды и здоровья населения.
Задачи исследования:
1. Провести сравнительный качественный и количественный анализ
элементов Zn, Си, Со, Mo, Mn, Fe, Ni, Sr, Cr, Li, Vb питьевой воде, воде из
открытых источников и донных отложениях, почве, снежном покрове.
-
Провести ранжирование территории агропромышленного региона с учетом природного и антропогенного происхождения микроэлементов.
-
Провести сравнительный анализ биоаккумуляции микроэлементов у детей с. их количественным содержанием в факторах среды обитания.
-
Выделить приоритетные элементы для целей экологической диагностики среды и здоровья, обосновать профилактические мероприятия по предупреждению микроэлементозов у населения.
Научная новизна. В результате исследования впервые дана, комплексная экологическая оценка количественного и качественного микроэлементного состава воды, почвы, донного осадка и снегового покрова с учетом их природного и техногенного происхождения по территориально-экономическим регионам области. Обозначены аномальные провинции по изучаемым микроэлементам. Впервые проведен анализ миграции химических элементов из внешней среды в организм человека по их накоплению в биосредах. Обоснованы возможные синергические и антагонистические взаимодействия, основанные на химических свойствах микроэлементов. Определены маркеры биологической экспозиции, дисбаланс которых установлен в окружающей среде и в организме. Обоснованы практические рекомендации по снижению риска возникновения микроэлементозов, вызываемых избытком или дефицитом микроэлементов в условиях биогеохимической провинции.
Практическая значимость работы. По результатам работы проведено ранжирование территории региона по приоритетным микроэлементам, содержащимся в объектах окружающей среды (питьевая вода и вода
поверхностных водоемов, донный осадок в водоемах, почва, снежный покров). Доказано происхождение возможных источников загрязнения, обозначены зоны с повышенными концентрациями. Определено содержание элементов в организме по их аккумуляции в организме детей. На основе качественного и количественного микроэлементного состава в среде обитания и в биосредах детей (волосы) обоснованы профилактические мероприятия с целью снижения риска возникновения микроэлементозных состояний. Для мониторинга в среде обитания и биосредах человека выделена приоритетная группа микроэлементов: Си, Zn, Ni, Со, Mn, Cr, Fe, Sr, Pb.
По результатам исследования составлены практические рекомендации, (акт внедрения от 16 апреля 2004г.), материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре медицинской и фармацевтической химии (акт внедрения от 14 апреля 2004 г.).
Полученные результаты расширяют знания в области экологии человека, способствуют более полному представлению о влиянии окружающей среды на микроэлементный состав биосред организма, источниках поступления, а также их взаимном влиянии.
Положения, выносимые на защиту:
-
Микроэлементный состав среды обитания в агропромышленном регионе определяется природными и техногенными условиями.
-
Антропогенным воздействием сформирован микроэлементный профиль среды в восточном и центральном агропромышленных регионах области.
-
Дисбаланс микроэлементов в биосредах населения определяется их содержанием в окружающей среде, а также синергическими и антагонистическими взаимодействиями микроэлементов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Региональных конференциях молодых ученых и специалистов (Оренбург, 2000, 2004), на П Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2000), на V Международной научной конференции «Биосфера и человек - проблемы взаимодействия» (Пенза, 2001), на IV Международной научной конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2002), на Межрегиональной конференции биохимиков Урала, Западной Сибири и Поволжья (Оренбург, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на №страницах машинописного текста и состоит из введенияДглав собственных исследований, обзора литературы, заключения, выводов и практических рекомен-
даций. Диссертация иллюстрирована 32 таблицами, 13 рисунками. Указатель литературы содержит 177 источников, из них 153 работы отечественных и 24 работы зарубежных авторов.
Экологическая оценка снегового покрова
Снеговой покров, являясь депонирующей средой, отражает уровень загрязнения атмосферы в период снегостава, составляющий 140-150 дней для Оренбургской области. Несмотря на снижение в течение 1990-2001 годов объема выбросов загрязняющих компонентов в атмосферу на 615,347 тыс.т (почти 60%), он по-прежнему остается значительным, особенно в Восточном Оренбуржье (гг. Орск, Кувандык, Новотроицк), а также в центральной зоне за счет предприятий газоперерабатывающей промышленности. Так, суммарный выброс в атмосферу городов западной зоны составил 35 тыс.т, центральной зоны 164,8 тыс.т, восточной зоны 261,1 тыс.т. Валовые выбросы в атмосферу по области снизились в период с 1990 по 2001 гг., но эти данные не учитывают долю мелких предприятий и транспорта [15]. Поэтому, с учетом трансграничных переносов загрязняющих веществ, уровень аэрогенной нагрузки на отдельные регионы остается высоким.
Анализ снеговой воды за 1991-2000 гг. проводился в соответствии с методическими принципами геохимического картирования: территории (Ревич Б.А., Сает Ю.Е., Смирнова Р.С., 1990) в спектральной лаборатории Оренбургского геологического управления и на кафедре медицинской и фармацевтической химии ОрГМА.
Проанализировано содержание микроэлементов в снеговой воде по различным зонам области, выявлены локализованные участки, характеризующиеся повышенным содержанием микроэлементов. Рассчитывались коэффициенты концентраций данных элементов в снеговом покрове, отражающие превышение их содержания относительно фонового уровня, а также суммарные показатели загрязнения, с помощью которых определялась степень загрязнения снегового покрова.
Как видно из таблицы 3.1.1, содержание меди выше в восточной зоне по сравнению с западной в 8,94 раза, с центральной в 3,88 раза. Концентрация цинка также выше в восточной зоне по сравнению с западной в 3,62 раза, с центральной - в 1,55 раза. Содержание никеля на востоке сравнимо с его содержанием в центральной части области, и выше в 2,46 раза относительно западной зоны. Содержание марганца также наиболее высокое в восточной части, оно в 1,53 раза выше, чем в центральной зоне и в 4,1 раза, чем в западной зоне. Концентрация молибдена в снеговом покрове незначительно на территории всей области, в ее центральной части в 1,645 раза выше, чем в восточной, в западной и центральной зонах концентрации почти равны. Наибольшее содержание кобальта отмечено в центральном регионе, в 1,49 раза выше по сравнению с восточным и в 7,13 по сравнению с западным регионами. Также центр области характеризуется повышенным содержанием ванадия, в 4,46 раза относительно западной зоны и в 2,43 раза относительно восточной зоны. Такая же тенденция наблюдается по содержанию хрома, которое в 6,14 раза в центральной зоне выше, чем в западной ив 1,47 - чем в восточной. Более высокая концентрация лития отмечается в снеговом покрове восточной зоны, что в 3,77 раза выше относительно западной и в 6,67 раза относительно центральной зон.
Таким образом, восточная зона области характеризуется повышенным содержанием меди, цинка, марганца, лития, являющихся эссенциальными или условно эссенциальными элементами. Следовательно, аэрогенная составляющая МЭ однозначно связана в восточной зоне с выбросами промышленных предприятий, таких как Орско-Халиловский металлургический комбинат «Носта», медногорский медно-серный комбинат, промышленные предприятия городов Орск, Кывандык и Гай. Полученные данные подтверждаются результатами космической съемки (материалы Росгидромета), с помощью которой получены схемы загрязнения Орско-Новотроицкого и Гайского промышленных узлов, где источником загрязнения являются промышленные предприятия со значительными, валовыми выбросами пыли. На долю этих участков проходится почти 73% всей площади загрязнения области. [ 15 ]
Далее. в таблице 3-1.2 приведены суммарные показатели загрязнения снегового покрова по результатам спектрального анализа, который выявил 28-30 элементов (в том числе токсичных).
Экологическая характеристика качества питьевой воды, подаваемой из источников централизованноговодоснабжения
В естественных условиях в организм человека химические элементы поступают с пищей и питьевой водой. Результаты большого количества исследований говорят о несомненном влиянии избытка или недостатка микроэлементов в питьевой воде на химический гомеостаз организма. Недостаток эссенциальных микроэлементов в воде приводит к возникновению эндемических заболеваний, тогда как продолжающееся длительное время поступление с водой в организм небольших количеств металлов может оказать токсическое действие [47,110].
Почти 90% населения Оренбургской области в качестве питьевой воды использует грунтовые воды, подающиеся без очистки, причем основная масса таких источников не защищена от загрязнения. На территории области выявлено более 120 месторождений подземных вод, причем к защищенным от загрязнений относится лишь примерно одна десятая часть из них.
К важнейшим показателям качества питьевой воды, регламентированным СанПиНом (№ 2.1.4.1074-01), относятся биогенные элементы, микроэлементы, жесткость, минерализация.
На первом этапе исследований, проводимых на кафедре общей и биоорганической химии ОГМА и в спектральной лаборатории Оренбургского Геологического управления, изучался химический состав питьевой воды по различным зонам Оренбургской области и проводилось сравнение с предельно допустимыми концентрациями. Как видно из приведенных данных, наибольшая жесткость воды отмечена в восточном регионе, в 1,4 раза выше по сравнению с западным и в 1,3 раза выше по сравнению с центральным регионами. Окисляемость также несколько выше на востоке области, по сравнению с западом в 1,9 раза, с центром - в 1,3 раза. Уровень содержания хлоридов в воде восточной зоны выше в 1,2 раза по сравнению с западной зоной ив 1,22 раза по сравнению с центральной зоной. Средние показатели содержания нитратов также выше в восточной зоне по сравнению с западной зоной в 2,1 раза, с центральной - в 4 раза.
Западная зона характеризуется повышенным содержанием фосфатов в воде по сравнению с другими зонами - с центральной в 31,5 раза, с восточной в 52,5 раза.
Концентрация сульфатов в питьевой воде центрального региона выше относительно западного в 1,15 раза, относительно восточного в 1,5 раза. Также центральный регион отличается повышенным содержанием нитратов, по сравнению с западным их содержание выше в 4 раза, с восточным — в 3,2 раза; нитритов больше, чем в западной зоне в 2,5 раза, чем в восточной — в 4,3 раза. Уровень общей минерализации также наивысший в центральной зоне, относительно западной в 1,06 раза, относительно восточной - выше в 1,18 раза.
Отмечено превышение уровня ПДК по жесткости воды в восточной зоне в 1,03 раза. Остальные показатели не превысили предельно допустимой концентрации.
Так как окисляемость и общая минерализация (сумма растворенных солей) являются важнейшими характеристиками качества воды, данные показатели представлены на следующих диаграммах, отражающих средние значение по регионам области.
Микроэлементный статус волос детей различных регионов области
В этом разделе представлен анализ содержания микроэлементов в волосах детской популяции в различных зонах агропромышленного региона. Установлено, что волосы наряду с другими биосубстратами (кровь, моча, ногти) аккумулируют микроэлементы, поступающие в организм с питьевой водой, пищей, воздухом. В продукты питания химические элементы поступают из почвы [116,126,128,153]. Проживание на территории, характеризующейся определенным уровнем содержания микроэлементов в. объектах окружающей среды, приводит к определенному микроэлементному составу биосред организма. Известно, что химический гомеостаз является необходимым компонентом сохранения здоровья. Избыточный или недостаточный уровень содержания микроэлементов в организме может являться показателем как состояния здоровья, а также может служить характеристикой экологического неблагополучия окружающей среды. Поэтому представляется важным сопоставить качественный и количественный микроэлементный состав волос и источников их поступления, а также установить возможные пути миграции микроэлементов в организм и вероятную связь между повышением концентраций токсичных микроэлементов и понижением концентраций эссенциальных микроэлементов, основываясь на их химических свойствах.
Из приведенных данных видно, что содержание меди незначительно выше в центральной зоне, относительно западной в 1,1 раза, относительно восточной в 1,07 раза. Содержание цинка значительно выше в западной зоне, по сравнению с центральной в 1,73 раза, с восточной в 3,98 раза.
В волосах детей, проживающих в центральном регионе области, содержание хрома выше, чем в западном регионе в 1,5 раза, чем в восточном - в 3,38 раза, также выше содержание молибдена по сравнению с западной зоной в 1,35 раза, с восточной - в 2,7 раза. В восточном регионе в волосах обнаружена повышенная концентрация кобальта, по сравнению с западным регионом в 2,89 раза, с центральным в 36,4 раза; никеля по сравнению с западным регионом выше в 3,94 раза, с центральным в 1,97 раза; железа выше по сравнению с западом и центром области в 2,37 раза; стронция выше относительно западной зоны в 4,84 раза, относительно центральной зоны в 13, 85 раза; марганца выше по сравнению с западной зоной в 2,9 раза, с центральной в 7,75 раза. По меди, ванадию и литию достоверных различий не обнаружено.
Итак, восточная зона характеризуется минимальным содержанием Zn, Mo, Сг, максимальным содержанием Со, Mn, Ni, Fe, Sr относительно других зон. В центральной зоне по сравнению с западной более низкое содержание Zn, по сравнению с западной и восточной зонами более низкое содержание Со Mn, Sr. В западной зоне повышено содержание Сг и понижено содержание Ni относительно других зон.
Далее было проведено сравнение содержания микроэлементов в волосах детей, проживающих в различных зонах области, с фоновым уровнем по Российской Федерации (по Ревичу Б.А., 1990). Итак, в западной зоне отмечено превышение содержания элементов в волосах по сравнению с фоном по марганцу в 11,48 раза (р 0,001), по хрому в 2,98 раза (р 0,001) и по железу в 1,47 раза (р 0,001).
В центральной зоне фон превышают марганец в 4,3 раза (р 0,001), хром в 4,47 раза (р 0,001) и железо в 1,46 раза (р 0,01).
В восточной зоне выше фонового уровня концентрации кобальта в 2,6 раза (р 0,001), марганца в 33,3 раза (р 0,001), хрома в 1,32 раза и железа в 3,47 раза (р 0,001).. Концентрации остальных элементов не превышают фоновый уровень. Отмечено достоверное понижение содержания цинка на всей территории области, понижение содержания кобальта в центральной зоне, снижение содержания ванадия в центральной и восточной зонах.
Затем средние показатели содержания микроэлементов в волосах сравнивались с фоновыми значениями для данного региона по В.М.Боеву (2002).
