CC BY
88
УДК 614.87:550.47
Химическая безопасность населения: природный компонент
© Технологии гражданской безопасности, 2009
Е.В. Михеева Е.А. Байтимирова Е.В. Голдырева
Аннотация
В статье описывается действие естественных геохимических аномалий на организм животных и человека. Природный избыток тяжелых металлов в районах распространения ультраосновных горных пород предложено квалифицировать как опасное природное явление с риском токсического воздействия на организм человека. Факты, изложенные в данной статье, и имеющаяся база данных, могут быть использованы для корректировки фоновых значений содержания химических элементов в целях оперативного (поставарийного) и долгосрочного мониторинга окружающей среды, прогнозных исследований, для поддержки принятия управленческих решений о размещении медицинских и социальных учреждений.
Ключевые слова: химическая опасность, токсическое воздействие, естественная геохимическая аномалия, смертность, заболеваемость, новообразования, ультраосновные горные породы.
Chemical safery of population: natural component
© Civil Securiti Technology, 2009
E. Mikheeva E. Baitimirova E. Goldyreva
Abstract
The article describes the influence of natural geochemical anomalies on animals and humans. It is suggested that the natural excess of heavy metals in the areas of ultrabasic rocks should be classified as a hazardous natural phenomenon associated with a risk of toxic effects on human organism. The facts provided in this article and the available data base can be used to correct the background levels of chemical elements for the purposes of post-accident or long-term monitoring of the environment, predictive research, for support of decision making regarding health care and social institutions.
Key words: chemical hazard, toxic effects, natural geochemical anomaly, mortality, morbidity, neoplasms, ultrabasic rock.
Проблема химической безопасности человека в условиях современной быстро развивающейся техносферы является крайне актуальной [1]. Вопросы химической безопасности обсуждаются в подавляющем большинстве случаев в связи с возможным или произошедшим загрязнением окружающей среды техногенными веществами. При этом в некоторых регионах планеты горные породы, формируя химизм почвы, могут представлять определенную токсическую угрозу для населения. Ультраосновные горные породы обогащают почву и другие компоненты окружающей среды тяжелыми металлами, образуя естественные геохимические аномалии.
Особенно актуальна данная проблема в Уральском регионе, характеризующемся наряду с техногенным загрязнением широким распространением естественных геохимических аномалий. На территории Урала распространены естественные аномалии с избыточным содержанием N1, Сг, Со, Си, приуроченные к ультраосновным горным породам — зональным мафит-ультрамафитовым комплексам урало-аляскинского типа [2, 3]. На отдельных участках максимальные концентрации в почве различных химических элементов превышают предельно допустимые в сотни раз.
Тесная взаимосвязь геохимических условий среды и физиологического состояния живых организмов общеизвестна [4, 5, 6]. Значение геохимической среды для развития растений, животных и человека определяется использованием химических элементов в процессах обмена веществ, вхождением их в состав биологически активных соединений [7], влиянием на метаболизм и регуляторные системы организма [5]. Геохимические условия могут провоцировать как специфические эндемические заболевания, так и осложнять течение неэндемических [5]. Воздействие аномальных геохимических условий способно снизить функциональный резерв организма и вследствие этого модифицировать протекание и продолжительность различных заболеваний, в том числе инфекционных [8, 9, 10]. Таким образом, геохимический фактор может, в ряде случаев, спровоцировать возникновение чрезвычайной ситуации биолого-социального характера или повлиять на характер ее развития.
Исследованию естественных геохимических аномалий и связанных с ними биогеохимических провинций Урала посвящено немало работ. Довольно хорошо изучены никелевые, селеновые, борные, свинцовые, хромовые, ртутные, полиметаллические провинции (аномалии), в которых регистрируются эндемические заболевания [11, 12, 13].
Вместе с тем, недостаточно изученными остаются биогеохимические провинции Свердловской области, приуроченные к естественным геохимическим аномалиям, сформированным в районах распространения ультраосновных горных пород. Особый интерес представляют территории, на которых избыточные концентрации химических элементов не вызывают эндемических заболеваний. В таких районах природный
геохимический фактор может изменять течение неэндемических заболеваний, служить причиной ухудшения медико-демографических показателей, снижать показатели химической безопасности районов проживания человека.
Целью данной работы является исследование опасности для человека естественных геохимических аномалий, не вызывающих эндемических заболеваний.
Исследования проводились в два этапа:
1. оценка влияния естественных геохимических аномалий на животных (на примере рыжей полевки Myodes glareolus): оценка демографических характеристик популяций, анализ морфофизиологических индикаторов по методу С.С. Шварца [11], гистологические исследования надпочечников и яичников животных;
2. ретроспективное исследование смертности и заболеваемости людей (нозологии по Международной классификации болезней 10-го пересмотра).
Исследования проведены в двух районах с избыточным содержанием никеля, кобальта, хрома, обусловленным ультраосновными горными породами (участок 1 — п. Уралец, участок 2 — д. Анатольская Свердловской области). За аномальные принимались концентрации химических элементов, превышающие среднеураль-ские фоновые значения (табл. 2) в 3 и более раз. В качестве контрольных территорий использовались: для зоологических исследований — геохимически фоновый участок Висимского государственного природного биосферного заповедника (Висим), для изучения структуры смертности людей — Свердловская область, г. Екатеринбург, участок с фоновыми концентрациями тяжелых металлов в Шалинском районе Свердловской области (рис. 1, табл. 1). Максимальные концентрации никеля, кобальта, хрома в почве аномальных участков превышают среднеуральские фоновые значения в 23, 15, 100 раз (участок 1) и в 67, 20, 20 раз (участок 2) соответственно. Концентрации тяжелых металлов в тканях растений и животных на аномальных участках статистически значимо отличаются от показателей контрольной территории. Эндемических заболеваний на данных территориях не отмечено.
При статистической обработке полученных данных использовали пакет прикладных программ СТАТИСТИКА 5.0 (StatSoft).
Для оценки влияния условий естественных геохимических аномалий на организм человека исследовали показатели смертности и заболеваемости населения ретроспективным методом.
С целью оценки интенсивности метаболизма животных, обитающих в условиях естественных геохимических аномалий, проведен анализ морфофизиоло-гических индикаторов по методу С.С. Шварца. Метод морфофизиологических индикаторов [15, 16, 17] предоставляет возможность оценить физиологические особенности животных, в том числе и напряженность энергетического баланса, по комплексу косвенных признаков, к которым относятся масса тела и относительная
Рис. 1. Карта-схема расположения исследуемых участков
масса внутренних органов животных. В данной работе исследовались: масса тела животных, отношение массы к длине тела (индекс упитанности), индексы (отношение массы органа к массе тела) печени, надпочечника, семенника, гепатосупраренальный коэффициент (отношение массы печени к массе надпочечника).
Установлено, что в районах естественных геохимических аномалий у рыжей полевки возрастает относительная масса почки, что свидетельствует об интенсификации метаболизма. Также обнаружено увеличение индекса надпочечника, снижение индекса упитанности и гепатосупраренального коэффициента, что де-
Таблица 1
Содержание некоторых химических элементов в почве участков с различными горными породами, мг/кг
Номер участка 1-Уралец* 2-Анатольская* 3-Висим 4-Шалинский р-н
Горные породы пироксениты, дуниты, серпентиниты, пироксениты, дуниты, серпентиниты, габбро, диориты, гранитоиды известняки
Количество точек опробования 20 16 12 27
Максимальная концентрация химического элемента N1 700* 2000* 60 50
Со 150* 200* 20 20
Сг 10000* 2000* 150 180
Си 90* 60* 40 50
Zn 300* 150* 100 100
РЬ 40* 60* 20 20
Минимальная концентрация химического элемента N1 50 70 15 40
Со 10 10 5 10
Сг 100 200 50 50
Си 20 30 10 30
Zn н/о 50 50 50
РЬ 10 7 10 15
Средняя концентрация химического элемента N1 230* 443* 37 42
Со 47* 44* 16 17
Сг 289 606* 98 113
Си 52 47 38 42
Zn 124 76 78 73
РЬ 26 28 15 19
Примечание: "геохимическая аномалия, н/о — элемент не обнаружен.
Таблица 2
Среднеуральские фоновые и предельно допустимые концентрации некоторых химических элементов в почве, мг/кг [14]
Химический э лемент Фоновая концентрация ПДК
№ 30 50
Со 10 50
Сг 100 200
Си 20 100
Zn 50 300
РЬ 10 32
монстрирует напряженность энергетического баланса организмов животных при избытке тяжелых металлов в окружающей среде. В экстремальных геохимических условиях у рыжей полевки также происходит увеличение индекса семенника, свидетельствующее о повышении репродуктивного потенциала популяции животных в условиях аномалии [18, 19].
При изучении воздействия геохимических условий на морфофункциональное состояние надпочечника рыжей полевки на территории природной геохимической
аномалии выявлена статистически значимая гипертрофия пучковой зоны коры, ее клеток и ядер. Данные изменения связаны с увеличением объема продуктов ядерного синтеза и свидетельствуют об интенсификации выработки глюкокортикоидов — гормонов, которые участвуют в адаптивных реакциях и обеспечивают повышение неспецифической резистентности животных в экстремальных геохимических условиях. Активация гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, с одной стороны, обеспечивает приспособление организма к условиям геохимической аномалии, с другой сокращает энергетические резервы в качестве платы за адаптацию (рис. 2).
Установлено, что в районах естественных геохимических аномалий у самок рыжей полевки увеличивается потенциальная плодовитость (количество желтых тел в яичниках). Обнаружены статистически значимые различия по данному показателю между аномальным участком 2 и контрольным участком (Висим). Фактическая плодовитость (количество плодов в матке) также выше у полевок, населяющих аномальные районы. Обнаружены статистически значимые различия по данному показателю между аномальными участками 1, 2 и контрольным участком. Доимплантационная смертность у самок в районах геохимических аномалий (участки 1 и 2) в 1.8
Рис. 2. Схема адаптивных изменений в организме животных, обитающих в районе естественной геохимической аномалии. Примечание: *диссимиляция — совокупность реакций распада органических веществ с выделением энергии
и 2.4 раза ниже по сравнению с контрольной территорией. Вместе с тем, следует отметить, что численность рыжей полевки выше на аномальной территории ниже по сравнению с контрольной. Низкая численность животных при более высоких показателях плодовитости связаны с повышенным уровнем постнатальной смертности животных на территориях естественных геохимических аномалий [18, 19].
Кроме того, в условиях геохимической аномалии обнаружены определенные морфологические изменения органов эндокринной системы, свидетельствующие об увеличении выработки адаптивных гормонов, которые, с одной стороны, позволяют организму приспособиться к своеобразным геохимическим условиям, а с другой — усиливают процессы диссимиляции (распад сложных органических молекул), приводя к сокращению энергетического резерва.
С помощью многомерного дисперсионного анализа показано, что экстремальные геохимические условия способны усиливать действие других факторов на организм: на аномальной территории усиливаются эффекты плотности популяции животных и увеличиваются межполовые различия (рис 3). В связи с этим в районах естественных геохимических аномалий, следует ожидать снижения устойчивости животных к действию различных факторов среды, особенно в тех ситуациях, которые требуют от организма значительных энергозатрат.
Таким образом, условия геохимических аномалий даже при отсутствии признаков эндемических заболеваний могут провоцировать адаптивные изменения регуляторных систем организма животных. Данное
предположение, вероятно, справедливо и в отношении людей, населяющих территории естественных геохимических аномалий. Проживание в районах распространения ультраосновных горных пород может привести к негативным последствиям для здоровья населения: снижению устойчивости к действию факторов окружающей среды, увеличению заболеваемости, осложнению неэндемических заболеваний, увеличению смертности, снижению продолжительности жизни.
В результате анализа смертности людей установлено, что ее структура в районе естественной геохимической аномалии отличается от показателей г. Екатеринбурга, Свердловской области и фонового района. Первое место в списке причин смерти (ранг 1) на всех исследуемых территориях занимают болезни системы кровообращения, что соответствует общемировой ситуации, так как данные заболевания обусловливают значительную часть в структуре человеческой смертности. Второе место в списке причин смерти (ранг 2) на территории естественной геохимической аномалии занимают новообразования, в то время как в г. Екатеринбурге, Шалин-ском районе и Свердловской области в целом смертности от онкологических заболеваний принадлежит третье место. Показатель относительной смертности от новообразований на геохимически аномальной территории (330.1 случаев на 100 тысяч населения) самый высокий среди всех анализируемых выборок (рис. 4). Необходимо отметить, что определенный вклад в повышение относительной смертности от онкологических заболеваний вносит увеличение доли населения старших возрастных классов, так как аномальная территория является по-
Рис. 3. Взаимодействие факторов изменчивости морфофизиологических параметров надпочечника рыжей полевки Примечание: а - взаимодействие геохимического фактора с фактором «пол»; б - взаимодействие геохимического фактора с фактором «фаза популяционного цикла; 1 - участок 1, 2 - контроль (Висим)
селком с характерной для небольших населенных пунктов возрастной структурой. Однако перечисленными особенностями невозможно объяснить увеличение он-космертности на аномальной территории по сравнению с геохимически фоновым районом (262.6 случаев на 100 тысяч населения). Для этого фонового участка (Шалин-ский район) по данным Территориального органа федеральной службы государственной статистики по Свердловской области установлена аналогичная аномальному участку возрастная структура населения.
Отличительными особенностями выборки геохимического фона по сравнению с геохимической аномалией также является отсутствие смертей от врожденных аномалий и болезней мочеполовой системы. Относительные показатели смертности от врожденных аномалий (12.5 случаев на 100 тысяч населения) и болезней мочеполовой системы (12.5) на аномальной территории превышают значения, характерные для г. Екатеринбурга (3.1 и 7.9) и Свердловской области (4.1 и 8.6 врожден-
Рис. 4. Средняя относительная смертность от новообразований за 2002-2006 гг.
Рис. 5. Средняя относительная заболеваемость онкологическими заболеваниями за 2002-2006 гг.
ные аномалии и болезни мочеполовой системы соответственно). Стоит заметить, что на основании данных пятилетнего периода наблюдений не представляется возможным сформулировать окончательные выводы относительно таких редких причин смерти.
Вероятно, относительно высокие показатели смертности от новообразований, врожденных аномалий и болезней мочеполовой системы в районе геохимической аномалии объясняются природным избыточным содержанием тяжелых металлов, обусловленным химическим составом подстилающих горных пород территории.
При изучении заболеваемости населения для геохимически аномального участка (п. Уралец) установлены максимальные среди всех анализируемых выборок значения заболеваемости широко распространенными заболеваниями (болезни органов дыхания, пищеварения, системы кровообращения и костно-мышечной системы). Таким образом, геохимический фактор способен существенно повлиять на показатели заболеваемости населения широко распространенными заболеваниями.
В результате исследования заболеваемости людей онкологическими заболеваниями на геохимически разнородных территориях обнаружено увеличение данного показателя в районе аномалии (20.1 случаев на 1 тысячу населения) по сравнению с фоновым участком (14.7, рис. 5), что указывает на негативное влияние экстремального геохимического фактора на организм человека. Уровни онко-заболеваемости в Екатеринбурге (29.0) и Свердловской области (31.1) в целом превышают значение, установленное для аномального участка ввиду того, что на людей, включенных в данные контрольные выборки, действует помимо прочего и фактор техногенного загрязнения.
Суммируя все выше сказанное можно заключить, что естественный геохимический фактор при отсутствии признаков эндемических заболеваний может, тем не менее, представлять определенную токсическую угрозу для населения территорий распространения ультраосновных горных пород. В результате наших исследований установлено, что естественные геохимические аномалии провоцируют:
• изменения интерьерных показателей, а так же структурных особенностей органов эндокринной и репродуктивной систем животных;
• ускорение полового созревания и снижение численности животных;
• увеличение смертности людей от онкологических заболеваний, заболеваний мочеполовой системы и врожденных аномалий;
• повышение заболеваемости людей широко распространенными типами заболеваний.
Таким образом, естественный геохимический фон может в ряде случаев формировать существенную часть общей химической опасности на территории определенного региона. По нашему мнению, природный избыток тяжелых металлов, по аналогии с высоким природным радиоактивным фоном, также характерным для Урала, может быть отнесен к опасным природным явлениям с риском токсического воздействия на организм человека. Факты, изложенные в данной статье, и имеющаяся база данных, могут быть использованы для корректировки фоновых значений содержания химических элементов в целях оперативного (поставарийного) и долгосрочного мониторинга состояния окружающей среды, прогнозных исследований, а так же для поддержки принятия управленческих решений о размещении медицинских и социальных учреждений.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 07-04-96107.
Литература
1. Владимиров В.А., Измалков В.И., Измалков А.В. Радиационная и
химическая безопасность населения — М.: Деловой экспресс, 2005. — 544 с.
2. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова — М.: Наука, 1985.
— 264 с.
3. Волченко Ю.А., Иванов К.С., Коротеев В.А., Оже Т. Структурно-
вещественная эволюция комплексов платиноносного пояса Урала при формировании хромит-платиновых месторождений уральского типа // Литосфера. — 2007. — № 3. С. — 3-27.
4. Вернадский В.И. Биогеохимические очерки [1922-1932 г.г.]. —
М., Л.: Изд-во АН СССР, 1940. — 250 с.
5. Ковальский В.В. Геохимическая среда, микроэлементы, реакции
организмов // Тр. Биогеохим. лаб. Ин-та геохимии и аналит. химии. — М., 1991. — Т. 22. — С. 5-23.
6. Ермаков В.В. Геохимическая экология как следствие системного
изучения биосферы // Тр. Биогеохим. лаб. Ин-та геохимии и аналит. химии. — 1999. — Т. 23. — С. 152-182.
7. Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и экологии.
— М.: Мир, 2004. — 216 с.
8. Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С.
Микроэлементозы человека (этиология, классификация, орга-нопатология). — М.: Медицина, 1991. — 496 с.
9. Агаджанян Н.А. , Скальный А. В. Химические элементы в среде
человека и экологический портрет человека. М.: КМК, 2001. 83 с.
10. Ротшильд Е.В. Зависимость инфекционных болезней от состава химических элементов в природной среде и периодический закон / Е.В. Ротшильд // Успехи соврем. биологии. — 2001. — Т. 121, № 3. — С. 252-265.
11. Сторожева М.М. Тератологические явления у анемоны (Pulsatilla patens) в условиях никелевого рудного поля // Тр. Биогеохим. лаб. Ин-та геохимии и аналит. химии. — 1954. — Вып. 10. — С. 64-75.
12. Петрунина Н.С. Геохимическая экология растений в провинциях с избыточным содержанием микроэлементов [Ni, Co, Cu, Mo, Pb, Zn] // Тр. Биогеохим. лаб. Ин-та геохимии и аналит. химии.
— 1974. — Вып. 13. — С. 57-117.
13. Грибовский Г.П., Грибовский Ю. Г., Плохих Н.А. Биогеохимические провинции Урала и проблемы техногенеза // Техногенез и биогеохимическая эволюция таксонов биосферы. -М., 2003. — С. 174-187.
14. Вострокнутов Г.А. Временное методическое руководство на проведение геохимических исследований при геоэкологических работах. — Екатеринбург, 1991. — 137 с.
15. Корнеев Г.А, Карпов А.А. Опыт изучения индексов печени и надпочечников как показателей энергетического потенциала популяции большой песчанки // Грызуны: материалы 5 всесоюз. со-вещ. — М.: Наука, 1980. — С. 213-214.
16. Шварц С.С., Смирнов В.С., Добринский Л.Н. Метод морфофизиологических индикаторов в экологии наземных позвоночных.
— Свердловск: УФАН СССР, 1968. — 388 с.
17. Lidicker W.Z. Régulation of numbers in an Island population of California Vole, a problem in Community Dinamics // Ecologycal Monographs. — 1973. — Vol. 43, № 3. — P. 271-302.
18. Михеева Е.В. Морфофункциональные особенности надпочечника и щитовидной железы рыжей полевки на территории природной биогеохимической провинции: Автореф. дис... канд. биол. наук. — Екатеринбург, 2006. — 24 с.
19. Байтимирова Е.А. Эколого-физиологические особенности репродуктивной функции самок рыжей полевки на территориях природных биогеохимических провинций: Автореф. дис. канд. биол. наук — Пермь, 2008. — 25 с.
Сведения об авторах
Михеева Е.В.: Уральский филиал ФГУ ВНИИ ГОЧС, к.б.н. Байтимирова В.А.: Институт экологии растений и животных УРО РАН.
Голдырева Е.В.: Уральский государственный горный университет.
