CC BY
80
УДК: 615.916
Т.Б. Калинникова, О.Ю. Тарасов, P.P. Колсанова, М.Х. Гайнутдинов
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань
tbkalinnikova@gmail.com
О НЕЙРОТОКСИЧНОСТИ МАРГАНЦА В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ
Повышение концентрации марганца в питьевой воде из подземных источников может быть нейротоксичным для организма человека. В отдельных случаях высокое содержание марганца в питьевой воде (1 мг/л и выше) индуцирует болезнь Паркинсона у пожилых людей. Умеренное повышение концентрации марганца в питьевой воде (0,05-0,4 мг/л) вызывает снижение умственных способностей (IQ) у детей в возрасте 6-13 лет без ярко выраженных патологических изменений в организме. Чувствительность к нейротоксическому действию марганца из питьевой воды повышена у взрослых с хроническими заболеваниями печени и у новорожденных.
Ключевые слова: марганец, нейротоксичность, питьевая вода, подземные воды.
Введение
Марганец (Mn) является одним из основных природных элементов коры Земли. Он обычно находится в форме оксидов, карбонатов и силикатов (Post, 1999). Марганец является одним из семи основных металлов, входящих в состав организмов человека, животных и растений. Марганец является коферментом многих ферментов, таких как трансферазы, гидролазы, лиазы, аргиназа, глутаминсин-тетаза и супероксиддисмутаза (Baly et al., 1985; Saric, 1986). Несмотря на необходимость марганца для многих функций организма человека, при высоких концентрациях он может быть токсичным, особенно для нервной системы (Kondakis et al., 1989; He et al., 1994; Pal et al., 1999; Myers et al., 2003; Wasserman et al., 2006; Bouchard et al., 2007; Bouchard et al., 2011). В последние годы опубликованы результаты ряда исследований, свидетельствующие о том, что нейротоксичность марганца может проявляться не
только при поступлении его в организм человека при высокой концентрации марганца на производстве (горняки, сталевары, производство пестицидов, содержащих марганец, и использование их в сельском хозяйстве) (Pal et al., 1999; Myers et al., 2003), но и при хроническом поступлении в организм марганца, содержащегося в питьевой воде (Kondakis et al., 1989; He et al., 1994; Wasserman et al., 2006; Bouchard et al., 2007; Bouchard et al., 2011). В настоящей работе рассмотрены результаты этих эпидемиологических исследований в связи с современными представлениями о механизмах нейротоксичности марганца.
Нейротоксичность марганца и ее механизмы
Хорошо известным проявлением нейротоксичности марганца для людей является индукция им одной из форм
Окончание статьи Д.В. Иванова, И.И. Зиганшина, Е.В. Осмелкина «Методика оценки природной и техногенной составляющих тяжелых металлов...»
Никитин О.В., Латыпова В.З., Шагидуллин P.P., Поздняков Ш.Р. Геоэкологический мониторинг излучины р. Казанки как фактора химического загрязнения Куйбышевского водохранилища. Георесурсы. 2011. №2(38). 27-30.
Петров A.M., Степанова Н.Ю., Габайдуллин А.Г., Нестерова Т.П., Макарова М.Я., Шагидуллин P.P. Скрининг экологически опасных производственных сточных вод, сбрасываемых в канализационный коллектор Казани. Вестник ТО РЭА. 1999. №2. 45-51.
Поздняков Ш.Р., Минакова Е.А., Никитин О.В. Комплексный подход к решению проблем восстановления отсеченной излучины р. Казанка. Чистая вода. Казань. Сб. материалов конгресса. Казань. 2010. 275-278.
РД 52.18.191-89. Методика выполнения массовой доли кисло-торастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом. М., 1990. 32.
Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. М.: Недра.1990. 335.
Экогеохимия городских ландшафтов. Под ред. Н.С.Касимова. М.: Изд-во МГУ. 1995. 336.
estimate quantitatively a part of the contaminants which have been entered in a reservoir from technogenic source, taking into account parameters of sedimentation.
Keywords: heavy metals, bottom sediments, urban territories, technogenic sources of pollution.
Ирек Ильгизарович Зиганшин к.г.н., старший научный сотрудник лаборатории биогеохимии. Научные интересы: донные отложения озер и водохранилищ, экологический туризм.
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ. 420087, Казань, Даурская, д.28. Тел.: (843) 275-95-73.
Евгений Витальевич Осмелкин старший преподаватель кафедры природопользования и геоэкологии Чувашского государственного университета. Научные интересы: донные отложения, рациональное природопользование.
428015, г. Чебоксары, Московский пр., д. 15. Тел.: (8352) 45-26-53.
D.V. Ivanov, I.I. Ziganshin, E.V. Osmelkin. The methodical approach to an estimation of natural and technogenic components of heavy metals in reservoirs of the urbanized territories.
The methodical approach to an estimation of natural and technogenic components of heavy metals in reservoirs of the urbanized territories is developed. The method allows to
^научно-технический журнал
5 (41) 2011 Георесурсы
болезни Паркинсона, причиной которой является избирательная гибель дофаминергических нейронов в substancia nigra и других структурах головного мозга. Болезнь Паркинсона развивается при старении (после 50 лет), и индукция этой болезни марганцем происходит, как правило, при поступлении его в организм через дыхательные пути (Pal et al., 1999; Huang, 2007), употреблении кустарных психостимуляторов, изготовленных из лекарств, содержащих эфедрин, с использованием KMnO4 («эфедрон» или «русский коктейль») (De Bie et al., 2007) и при нарушениях выведения марганца, поступающего в организм человека с пищей и водой, при хронических заболеваниях печени (Guilarte, 2010). Во всех этих трех вариантах марганцевого паркинсонизма ионы марганца кумулируются в головном мозге и вызывают глубокие нарушения функция центральной нервной системы, сходные с проявлениями наследственной формы болезни Паркинсона (Pal et al., 1999; De Bie et al., 2007; Huang, 2007; Guilarte, 2010). Паркинсонизм, индуцированный «русским коктейлем», характеризуется тем, что выявляется не у пожилых, а у молодых людей, и его частота повышается в последние годы в России и странах Восточной Европы (De Bie et al., 2007; Varlibas et al., 2009).
В нескольких эпидемиологических исследованиях показана возможность индукции паркинсонизма повышенным содержанием марганца в питьевой воде (Cawte et al., 1989; Kondakis et al., 1989; Goldsmith et al., 1990). Эти работы включают в себя данные эпидемиологических исследований связи высокой концентрации марганца в воде из подземных источников с частотой симптомов болезни Паркинсона у людей старше 50 лет в Греции (Kondakis et al., 1989) и Израиле (Goldsmith et al., 1990) и о высокой частоте болезни Паркинсона в популяции аборигенов одного из островов у побережья Австралии, отличающегося аномально высоким содержанием марганца в почве и питьевой воде (Cawte, 1989). Тем не менее, в настоящее время считается маловероятным, что высокое содержание марганца в воде из подземных источников может быть фактором риска болезни Паркинсона, так как организм человека эффективно регулирует концентрацию марганца в крови (Drinking water health advisory for manganese, 2004). В то же время хроническая недостаточность функций печени нарушает выведение мар-
IQ 110 108 106 104 102 100 98 96
I,
1
i
0 50 100 150 200 250 содержание марганца в питьевой воде, мкг/л
Рис. Зависимость коэффициента умственного развития (IQ) у детей в возрасте 6-13 лет в провинции Квебек (Канада) от концентрации марганца в питьевой воде (Bouchard et al., 2011).
ганца из организма человека, что может вызывать повышение его концентрации в крови и, как следствие, индуцировать марганцевый паркинсонизм (Devenyi et al., 1994). Кроме того, известно, что у новорожденных понижена эффективность гомеостаза марганца в организме и повышена чувствительность нервной системы к ионам Mn2+ (Ljung et al., 2007). Поэтому в США рекомендуется использование питьевой воды с содержанием марганца ниже 0,05 мг/л (Drinking water health advisory for manganese, 2004) при том, что в РФ предельно допустимые концентрации (ПДК) для марганца в питьевой воде составляет 0,1 мг/л.
Высокая чувствительность нервной системы детей к нейротоксическому действию марганца, содержащегося в питьевой воде из подземных источников, показана в ряде исследований.
1. Интоксикация детей питьевой водой с содержанием марганца более 1 мг/мл может вызывать сильное снижение внимания и памяти (Woolf et al., 2002) или неврологические симптомы, такие как повторяющиеся нарушения речи (заикание) и нарушения координации движений ребенка (Sahni et al., 2007).
2. Ряд эпидемиологических исследований показал, что высокое содержание марганца в питьевой воде может быть фактором риска для организмов детей. Исследования, проведенные в одной из провинций Китая, показали, что у детей в возрасте 11-13 лет повышение концентрации марганца до 240-350 мкг/л повышает его концентрацию в волосах, нарушает координацию движений рук, кратковременную память, визуальную идентификацию и снижает скорость бега (He et al., 1994). В Бангладеш высокая концентрация марганца в воде (800 мкг/л) коррелирует у 10-летних детей со снижением IQ (коэффициента умственного развития) (Wasserman et al., 2006). В Квебеке (Канада) повышенное содержание марганца в питьевой воде вызывало повышение его концентрации в волосах у 6-15-летних детей, сопровождающееся гиперактивностью и оппозиционным по отношению к учителю поведением (Bouchard et al., 2007).
В 2007-2009 гг. в семи муниципалитетах Квебека (Канада), в которых сильно различается содержание марганца в подземных водах, было проведено исследование зависимости интеллектуальных способностей детей в возрасте 6-13 лет от концентрации марганца в питьевой воде (Bouchard et al., 2011). Результаты этого исследования (Рис.) показали, что IQ у детей достоверно снижается при повышении концентрации марганца в питьевой воде не только до 220 мкг/л, но и до 115 мкг/л, и это снижение коррелирует с повышением содержания марганца в волосах (Bouchard et al., 2011).
Высокая чувствительность когнитивных функций детей к повышенной концентрации марганца в питьевой воде объясняется двумя причинами:
1. Известно, что организмы новорожденных и детей способны поддерживать относительно постоянную концентрацию марганца в крови в значительно меньшей степени, чем организмы взрослых людей.
2. Традиционно содержанию марганца в питьевой воде не придавалось большого значения, так как основная его часть поступает в организм человека вместе с пищей (EPA, 2004). В то же время при обследовании детей выявляется
^^^^^шгшгъ i— научно-технический журнал
Георесурсы 5 ир 2011
корреляция повышенного содержания марганца в волосах с концентрацией его в питьевой воде, но не с поступлением марганца с пищей. Это показывает качественные различия обмена марганца, содержащегося в питьевой воде, и общего гомеостаза марганца в организмах детей (Bouchard et al., 2011). Эти различия могут быть следствием того, что в питьевой воде и в пище марганец находится в разных формах (ионизированный Mn2+ в питьевой воде, но не в пище).
Если молекулярные механизмы действия высоких концентраций марганца, индуцирующие болезнь Паркин-сона в результате селективной дегенерации дофаминер-гических нейронов, интенсивно исследуются в последние годы в экспериментах с модельными организмами животных (грызуны и свободноживущая почвенная нематода Caenorhabditis elegans) (Betarbet et al., 2002; Benedetto et al., 2010), то вопрос о возможных механизмах нарушения когнитивных функций нервной системы у детей сравнительно небольшим повышением содержания марганца в питьевой воде до настоящего времени в научной литературе не рассматривался по двум причинам. Во-первых, доказательства обратимого нарушения функций нервной системы относительно низкими концентрациями марганца, содержащимися в питьевой воде, появились недавно (Bouchard et al., 2011). Во-вторых, чувствительность грызунов, являющихся основными модельными организмами в медицине и медицинской биологии, к токсическому действию марганца значительно ниже, чем у организмов человека и человекообразных обезьян (Guilarte, 2010).
Очевидно, что негативное влияние относительно низких концентраций марганца на когнитивные функции у детей не является следствием дегенерации нейронов, так как это влияние не проявляется в ярко выраженных патологических процессах в нервной системе. В то же время известно, что марганец может изменять синаптические связи между нейронами и в отсутствие процессов дегенерации нейронов, и эти изменения потенциально могут быть причинами нарушения когнитивных функций нервной системы. Ионы Mn2+ изменяют концентрацию таких нейро-медиаторов как г-аминомасляная кислота (ГАМК) и серо-тонин (Eriksson et al., 1987; Dobson et al., 2004), и действие марганца на нервную систему может быть чрезвычайно продолжительным, так как у взрослых мышей выявляется пониженная активность дофамина в стриатуме, хотя экспозиции к марганцу они подвергались на ювенильной стадии развития (Moreno et al., 2009).
Марганец в питьевой воде из подземных источников РФ
По данным территориальных отделений Центра государственного мониторинга состояния недр, на территории Российской Федерации распространены аномальные гидрогеохимические провинции, где наблюдается природное несоответствие содержания марганца в подземных водах ПДК для марганца в питьевой воде (0,1 мг/л). Повышенное содержание марганца характерно для всех водоносных горизонтов на территории Центрального федерального округа. Природные отклонения качества подземных вод по концентрации марганца характерны и для территорий Северо-Западного, Уральского и Восточного феде-
ральных округов.
По данным ОАО «Томскгеомониторинг», превышение ПДК по марганцу природного характера характерно и для подземных вод ряда территорий Сибирского федерального округа.
Приволжский федеральный округ обычно не рассматривается как регион, для которого характерны гидрогеохимические провинции с высоким содержанием марганца в подземных водах по природным причинам. В то же время наши исследования содержания Mn2+ в подземных водах Республики Татарстан, которые носили выборочный характер (определена концентрация марганца в воде около 75 скважин, используемых в питьевых целях), показали, что в ряде случаев наблюдаются концентрации марганца в воде скважин выше установленной ПДК. В воде четырех скважин концентрация марганца составляла 0,61, 0,64, 0,90 и 1,12 мг/л, в воде десяти скважин эта концентрация находилась в пределах 0,29-0,44 мг/л, и в шести скважинах наблюдалось незначительное превышение ПДК (0,11-0,21 мг/л).
Заключение
В РФ так же, как и во многих других странах мира, значительная часть питьевой воды из подземных источников потребляется без предварительной очистки. В основном это происходит в сельской местности. В современных представлениях о токсичности питьевой воды из подземных источников значительное место занимает повышенное содержание в ней марганца, которое может индуцировать болезнь Паркинсона у пожилых людей и больных с хронической дисфункцией печени и обратимо нарушать функции головного мозга у новорожденных и детей. Особая роль марганца, поступающего в организм человека с питьевой водой, а не с пищей, обусловлена качественными различиями обменных процессов между организмом и средой, выявляющихся при поступлении марганца из этих двух источников.
Практические рекомендации, следующие из содержания этой работы, заключаются в следующем:
1. В связи с резкими колебаниями содержания марганца в отдельных подземных источниках питьевой воды (часто несколько порядков) в пределах ограниченной территории, как в РФ, так и в зарубежных странах, необходим контроль содержания марганца в каждом источнике подземных вод.
2. В связи с тем, что марганец, необходимый для нормального развития и нормальных функций организма человека в основном поступает с пищей, в качестве профилактической меры против возможного токсического действия марганца, содержащегося в питьевой воде, может быть рекомендовано использование в домашних условиях фильтров, снижающих содержания марганца в воде до предельно низких значений.
Литература
Baly D.L., Keen C.L., Hurley L.S. Pyruvate carboxylase ahd phosphoenolpyruvate carboxykinase activity in developing rats: effect of manganese deficiency. J. Nutr. V. 115. 1985. 872-879.
Benedetto A., Au C., Avila D.S., Milatovic D., Aschner M. Extracellular dopamine potentiates Mn-induced oxidative stress, lifespan reduction and dopaminergic neurodegeeration in a BLI-3-dependent manner in Caenorhabditis elegans. PLoS Genet. V. 6 (8).
5 (41) 2011
^научно-техническим журнал
Георесурсы
2010. e1001084.
Betarbet R., Sherer T.B., Greenamyre J.T. Animal models of Parkinson's disease. BioEssays. V. 24. 2002. 308-318.
Bouchard M., Laforest F., Vandelac L., Bellinger D., Mergler D. Hair manganese and hyperactive behaviors: pilot study of school-age children exposed through tap water. Environ. Health Perspect. V. 115. 2007. 122-127.
Bouchard M.F., SauvH S., Barbeau B., Legrand M. et al. Intellectual impairment in school-age children exposed to manganese from drinking water. Environ. Health Perspect. V.119. 2011. 138-143.
Cawte J., Florence M.T. A manganic milieu in North Australia: Ecological manganism: Ecology; diagnosis; individual susceptibility; synergism; therapy; prevention; advice for the community. Int. J. Biosocial Med. Res. V. 11. 1989. 43-56.
De Bie R.M.A., Gladstone R.M., Strafella A.P., Ko J.H. Lang A.E. Manganese-induced parkinsonism associated with methcathinone (Ephedrone) abuse. Arch. Neurology. V. 64. 2007. 886-889.
Devenyi A.G., Barron T.F., Mamourian A.C. Dystonia, hyperintense basal ganglia and high whole blood manganese levels in Alagille's syndrome. Gastroenterol. V. 106. 1994. 1068-1071.
Drinking water health advisory for manganese. EPA (US Environmental Protection Agency Office of Water (4304T) Health and Ecological Criteria Division). 2004.
Dobson A.W., Erikson K.M., Aschner M. Manganese neurotoxicity. Ann. NY Acad. Sci. V. 1012. 2004. 115-128.
Eriksson H., Magiste K., Plantin L.O., Fonnum F., Hedstrom K.G. et al. Effects of manganese oxide on monkeys as revealed by a combined neurochemical, histological and neurophysiological evaluation. Arch. Toxicol. V. 61. 1987. 46-52.
Goldsmith J., Herishanu Y., Abarbanel J., Weinbaum Z. Clustering of Parkinson's disease points to environmental ethiology. Arch. Environ. Health. V. 45. 1990. 88-94.
Guilarte T.R. Manganese and Parkison's disease: a critical review and new findings. Environ. Health Perspect. V. 118. 2010. 10711080.
He P., Liu D.H., Zhang G.O. Effects of high-level-manganese sewage irrigation on children's neurobehavior. Zhonghua Yu Fang Yi Xue Za Zhi. V. 28. 1994. 216-218.
Huang C.C. Parkinsonism induced by chronic manganese intoxication - an experience in Taiwan. Chang Gung Med. J. V. 30. 2007. 385-395.
Kondakis X.G., Makris N., Leotsinidis M., Prinou M., Papapetropoulos T. Possible health effect of high manganese concentration in drinking water. Arch. Environ. Health. V. 44. 1989. 175-178.
Ljung K., Vahter M. Time to re-evaluate the guideline value for manganese in drinking water? Environ. Health Perspect. V. 115. 2007. 1533-1538.
Moreno J.A., Yeomans E.C., Streifel K.M., Brattin B..L, Taylor R.J., Tjalkens R.B.. Age-dependent susceptibility to manganese-induced neurological dysfunction. Toxicol. Sci. V. 112. 2009. 394-404.
Myers J.E., teWaterNaude J., Fourie M., Zogoe H.B., Naik I. et al. Nervous system effects of occupational manganese exposure on South African manganese mineworkers. Neurotoxicology. V. 24. 2003. 649656.
Pal P.K., Samii A., Calne D.B. Manganese neurotoxicity: a review of clinical features, imaging and pathology. Neurotoxicology. V. 20. 1999. 227-238.
Post J.E. Manganese oxide minerals: crystal structure and economic and environmental significance. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. V. 96. 1999. 3447-3454.
Sahni V., Leger Y., Panaro L., Allen M., Giffin S. et al. Case report: a metabolic disorder presenting as pediatric manganism. Environ. Health. Perspect. V. 115. 2007. 1776-1779.
Saric. M. Manganese. In: Handbook on the toxicology of metals. Amsterdam: Elseivier Science Publishers B.V. 1986. 354-386.
Varlibas F., Delipoyraz I., Yuksel J., Filiz G., Tireli H., Gecium N.O. Neurotoxicity following chronic intravenous use of «Russian cocktail». Clin Toxicol. (Phila.) V. 47. 2009. 157-160.
Wasserman G.A., Liu X., Parvez F., Ahsan H., Levy D. et al. Water manganese exposure and children's intellectual function in Araihazar, Bangladesh. Environ. Health Perspect. V. 114. 2006. 124129.
Woolf A., Wright R., Amarasiriwardena C., Bellinger D. A child with chronic manganese exposure from drinking water. Environ. Health. Perspect. V. 110. 2002. 613-616.
T.B. Kalinnikova, O.Yu. Tarasov, R.R. Kolsanova, M.Kh. Gainutdinov. About manganese neurotoxicity in drinking ground water.
Elevation of manganese concentration in drinking ground water may be neurotoxic for human organism. In certain cases high manganese concentration in drinking water (more than 1 mg/l) induced Parkinson disease in aged people. Moderate elevation of manganese concentration (0,05-0,4 mg/l) causes decrease of intelligence quotient (IQ) of children 6-13 years of age without dramatic pathological changes in their organisms. Adults with chronic hepar diseases and newborn children are the most sensitive to neurotoxic action of manganese from drinking water.
Keywords: manganese, neurotoxicity, drinking water, ground waters.
Татьяна Борисовна Калинникова к. биол. н., старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии. Научные интересы: экология человека и животных, нейротоксикология.
Руфина Рифкатовна Колсанова Младший научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии. Научные интересы: экология человека и животных, нейротоксикология.
Марат Хамитович Гайнутдинов д. биол. н., профессор, заведующий лабораторией экспериментальной экологии. Научные интересы: экология человека и животных, нейротоксикология.
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ 420087, Казань, ул. Даурская, 28. Тел.: (843) 298-59-65.
Готовится к изданию
Эколого-аналитический контроль равнинного водохранилища
P.P. Шагидуллин
В монографии обоснована методология и разработаны новые подходы к созданию технологии эколого-анали-тического контроля и мониторинга равнинного водохранилища на основе обобщения данных многолетних исследований Куйбышевского водохранилища в пределах Республики Татарстан в период с 1994 по 2009 гг.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов в области охраны окружающей среды и рационального использования водных ресурсов. Она может быть полезна преподавателям и студентам высших учебных заведений.
|— научно-технический журнал
I еоресурсы 5 ир 2011
