CC BY
95
Hygiene & Sanitation (Russian Journal). 2016; 95(3)
_DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-3-233-241
Original article
О ЗАЦЕПИНА О.В,, ИНГЕЛЬ Ф.И., 2016 УДК 613.31:575.113]-07
Зацепина О.В.12, Ингель Ф.И.1
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕКОНТАКТНО (ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ) АКТИВИРОВАННЫХ ПИТЬЕВЫХ ВОД АССОЦИИРОВАНО С ИНДУКЦИЕЙ ЭФФЕКТОВ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ГЕНОМА ЛИМФОЦИТОВ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА IN VITRO
'ФГБУ «НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» Минздрава РФ, 119121, Москва; 2ЗАО «Чистая вода», 443072, Самара
В статье представлен фрагмент большого многопланового исследования генетической безопасности неконтактно (электрохимически) активированных вод (НАВ), целью которого является анализ связи эффектов нестабильности генома (микроядерный тест с цитохалазином В), определенных в клетках крови человека, культивированных в средах, приготовленных на основе НАВ, с физико-химическими свойствами этих НАВ. В экспериментах использовали католиты и анолиты, полученные неконтактной (электрохимической) активацией осмотической, водопроводной и столовой бутиллированной воды. Показано, что в результате такой активации все изученные воды приобретали способность к индукции эффектов нестабильности генома, причем в культурах клеток на католитах и анолитах эти эффекты различались между собой и по-разному были связаны с физико-химическими свойствами НАВ.
Ключевые слова: неконтактно электрохимически активированные воды; лимфоциты крови человека; нестабильность генома; микроядерный тест с цитохалазином В; физико-химические свойства НАВ (окислительно-восстановительный потенциал, хемилюминесценция, структурированность).
Для цитирования: Зацепина О.В., Ингель Ф.И. Изменение физико-химических параметров неконтактно (электрохимически) активированных питьевых вод ассоциировано с индукцией эффектов нестабильности генома лимфоцитов крови человека in vitro. Гигиена и санитария. 2016; 95 (3): 233-241. DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-3-233-241
Zatsepina O.V.12, Ingel F.I.1
CHANGING OF PHYSICO-CHEMICAL PARAMETERS OF NON-CONTACT (ELECTROCHEMICAL) ACTIVATED DRINKING WATER IS ASSOCIATED WITH INDUCTION OF GENOMIC INSTABILITY OF CULTIVATED HUMAN BLOOD LYMPHOCYTES
1A.N.Sysin Research Institute for Human Ecology and Environmental Hygiene, Moscow, 119121, Russian Federation; 2Closed Joint-Stock Company "Clean water", Samara, 443072, Russian Federation
In the article there are presented data which are the fragment of large multidisciplinary study of genetic safety of non-contact electrochemically activated water (NAW). The aim of this study was the analysis of the relation of impacts of genomic instability (micronucleus test with cytochalasin B) detected in human blood cells, cultured in medias prepared on the base of these NAWs, with physical and chemical properties of these NaWs. In experiments there were used catholytes and anolytes obtained by activation of osmotic, tap and dining bottled water. As a result of such activation, all waters were shown to acquire the ability to induce genomic instability in cellular cultures. Notably in cell cultures on catholytes and anolytes these effects differed between themselves and have been associated with different physical and chemical properties of the NAWs.
Keywords: non-contact electrochemically activated waters; human blood lymphocytes; genomic instability; micronucleus test with cytochalasin B; physical and chemical properties of NAWs (redox potential, chemiluminescence, structureness).
For citation: Zatsepina O.V., Ingel F.I. Changing of physico-chemical parameters of non-contact (electrochemical) activated drinking water is associated with induction of genomic instability of cultivated human blood lymphocytes. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal) 2016; 95(3): 233-241. (In Russ.). DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-3-233-241
For correspondence: Faina I. Ingel, MD., PhD., DSci., leading researcher of the Laboratory of genetic monitoring, E-mail: [email protected]
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Funding. The study had no sponsorship. Received 17.11.2014 Accepted 04.06.2015
Известно, что качество питьевой воды определяется не только ее химическим составом, содержанием микрофлоры, но и физико-химическими свойствами [1, 2]. Поэтому все более широкое распространение получают технологии водоподготовки, направленные на изменение физико-химических свойств питьевой воды. Анализ литературы показал, что примерно в 80% случаев для изменения физико-химических параметров используют
Для корреспонденции: Ингель Фаина Исааковна, д-р биол. наук, вед. науч. сотр. лаб. генетического мониторинга ФГБУ «НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» Минздрава РФ, E-mail: [email protected].
приборы для электрохимической активации, которые широко рекламируются и рекомендуются изготовителями для бесконтрольного применения населением, в частности для лечения широкого спектра серьезных заболеваний [3-7]. Однако описания проведенных исследований и их результатов в этих публикациях, с нашей точки зрения, недостаточно подробны и доказательны, а результатов экспериментальных исследований биологических эффектов электрохимически активированных питьевых вод явно недостаточно [2, 8].
Для улучшения качества питьевой воды предложено использовать неконтактную активацию (НА),
Оригинальная статья
Физико-химические свойства изученных образцов НАВ
НАВ Режим неконтактной активации Окислительно-восстановительный потенциал, мВ Водородный показатель рН, усл. ед. Электропроводность, мкСм/см Светосумма хемилюминес-ценции, • 103, усл. ед. Структурированность, %
Контроль нет 205,9 . .3 56,0 6,7 .. 7,79 23,0 0,11 .. 58,2 0,088-0,269
Католиты 20-60 мА, -62,0 . . 275,0 6,81 .. 7,63 22,0 ... 25,1 0,012 . 71,0 0,124-0,326
5 мин-24 часа
Анолиты 60 мА, 224,4 . . 360,8 6,19 .. 7,35 22,2 . 26,2 0,09 . 57,9 0,11-0,429
30 мин-24 часа
когда вода в тонкостенном полиэтиленовом пакете погружается в емкость с электрохимически активированной водой, полученной ранее в контактном электролизере. При такой активации у воды в пакете изменяются физические параметры воды без изменения ее химического состава [9].
Установлено, что изменение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), степени структурированности и других физико-химических свойств воды оказывает влияние на процессы формирования, стабилизации и функционирования клеточных мембран, белков и ДНК [10, 11]. Эти данные позволяют предположить у неконтактно активированных вод
Таблица 1 (НАВ) наличие генотоксиче-ской активности, что выводит на передний план гигиенических исследований экспериментальную оценку их безопасности и, в особенности, анализ отдаленных (геноток-сических) эффектов. Бесконтрольная продажа и пропаганда использования в быту приборов для неконтактной и контактной электрохимической активации питьевых вод делает проблему оценки безопасности этих вод, в особенности генотоксиче-ских эффектов, особенно актуальной. Оптимальным с точки зрения спектра выявляемых изменений, продолжительности эксперимента и его анализа является микроядерный тест на клетках крови человека, для культивирования которых можно использовать реконструированные среды на основе воды разного происхождения и способов обработки.
В данной публикации представлены результаты оценки генетической безопасности НАВ с различными физико-химическими свойствами, приготовленными на основе трех питьевых вод. Эксперименты
100 и
80-
60-
40-
20-
100-, 806040 20-| о
-62
~~I-
-40
Католиты
10
114
149
ОВП (мВ)
206
326 Контроль
346 361
Анолиты
ТЖ
105 169 Католиты
275 224 356
Анолит Контроль
100
90-
80-
70-
60-
50-
40-
30-
20-
10-
0-
227 Контроль
41
ОВП (мВ)
Многоядерные
' 74 ' Католиты ОВП (мВ)
174
260 Анолит
4-ядерные Щ 3-ядерные Ц 2-ядерные Ц 1-ядерные
Рис. 1. Спектр клеточных популяций в клетках крови человека, культивированных в средах на осмотической воде (верхний ряд), московской водопроводной воде (средний ряд) и воде «Пилигрим» (нижний ряд). *) значимо по сравнению с контролем, р < 0,05
£ 2 5 ?
3 S
к О-
14-1 12108642-
Original article
-61,7 "-39,9 9,9 113,7 149,2 206 325,9 346,4 360,8 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Q Делящиеся клетки с повреждениями
-61,7 "-39,9 9,9 113,7 149,2 206 325,9 346,4 360,8 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Щ Митоз Ц Апоптоз
0)
s ?
9080-
70-
£ В 50 i 5- с
S " 40 Ü 00
» s ЗОН
s Ê
К CU
ГС
ё Cl
20 100
"-61,7 "-39,9 9,9 113,7 149,2 206 325,9 346,4 360,8 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Делящиеся клетки в спектре Ускоренно делящиеся
клетки в спектре
-61,7"-39,9 9,9 113,7 149,2 206 325,9 346,4 360,8 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
О- Соотношение %3/%4
Ускоренно делящиеся клетки в спектре
Рис. 2. Основные эффекты нестабильности генома лимфоцитов крови человека в зависимости от ОВП неконтактно активированной осмотической воды: а - частота клеток с МЯ и НПМ; б - митотическая активность и частота апоптоза; в - частота делящихся и ускоренно делящихся клеток в спектре клеточных популяций культуры; г - частота ускоренно делящихся клеток и степень симметрии распределения генетического материала во втором митозе, рассчитанная как соотношение частот клеток с 3 и 4 ядрами (%3/%4).
проводили на лимфоцитах крови человека, культивированных в средах на основе этих НАВ.
Материал и методы
В работе использовали московскую водопроводную воду (минерализация 234,0 мг/л); осмотическую артезианскую воду из скважины № 1199 (ЗАО «Чистая вода» Самара; бутилированная питьевая вода «Кристальная» (минерализация 18,7 мг/л, выпускается в соответствии с ТУ 0131-002-43869381-11 «Вода питьевая «Кристальная» и СанПиН 2.1.4.111602 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества»); минеральную столовую негазированную бутилированную воду «Пилигрим» (минерализа-
ция 155,37 мг/л, ООО «Меркурий». ТУ 9185-00802701706-05 «Вода минеральная питьевая столовая «Пилигрим» и ГОСТ Р 54316-2011 «Воды минеральные природные питьевые. Общие технические условия»).
Артезианскую воду перед активацией очищали на установке обратного осмоса, стерилизовали кипячением и отстаивали; воду «Пилигрим» стерилизовали пропусканием через мембранные фильтры «GE Infrastructure Water & Process Technologies Life Science Microseparations PES с диаметром пор 0,22 мкм; московскую водопроводную воду пропускали через систему фильтров грубой и тонкой предварительной очистки, кипятили и отстаивали.
Контактно-активированные воды готовили на
чО 12-,
S ^
É S 10-
£ s
5 1 8-
и; i
0 аз 6-
ï S 4-
0: S-
m О 2-
Cl C
О 0-
10
20
30
É зГ
» 2
5 1
S ш
IS
« I
с; m m О Cl c и
6-| 54321 -0-
20
40
60
80
Пролиферативный пул, % Пролиферативный пул, %
Рис. 3. Зависимость частоты делящихся клеток с повреждениями от пролиферативного пула при культивировании крови человека в реконструированных средах на НАВ: а - анолиты, б - католиты.
Оригинальная статья 12
i * ю
И 8 § | 8
к Ж
О О С.
ш а °
S ¥
к О- 4 2 0
=1 с
о
УуУЛ т «
40,7 74 173,7 226,7 260 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
О Делящиеся клетки с повреждениями
51 * 4,5« 48 3,5-
I-
32,52410,50-
40,7 74 173,7 226,7 260 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
ИЛ Митоз Q Апоптоз
6 8.
i Ё аз ш о. с о и g ш
= £ К £ 2 § is
Ii Ä ^
аз ч:
9080706050403020100-
40,7 74 173,7 226,7 260 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Делящиеся клетки в спектре Ц Ускоренно делящиеся
клетки в спектре
40,7 74 173,7 226,7 260 Окислительно-восстановительный потенциал,
мВ
Ускоренно делящиеся клетки в спектре
Соотношение %3/%4
Рис. 4. Основные эффекты нестабильности генома лимфоцитов крови человека в культурах на неконтактно активированной московской водопроводной воде в зависимости от ОВП НАВ: а - частота клеток с МЯ и НПМ; б - митотическая активность и частота апоптоза; в - частоты делящихся и ускоренно-делящихся клеток в спектре клеточных популяций; г - частота ускоренно-делящихся клеток и степень симметрии распределения генетического материала во втором митозе.
модифицированном электрохимическом активаторе «Изумруд» (СЭЗ № 77.99.34.485.Д.010314.06.10 от 29.06.2010) или активаторе АП-2 при силе тока 20-60 мА.
Для неконтактной активации все предварительно подготовленные воды в стерильных условиях переливали в стерильные полиэтиленовые герметично закрывающиеся пакеты объемом 500 мл (Nasco WHIRL-PAK, USA, толщина стенок 120 мкм). Пакеты на разное время помещали в емкости, в каждой из которых находились полученные контактной электрохимической активацией католит или анолит. Параллельно у всех исходных вод (контроль) и НАВ определяли физико-химические параметры (табл. 1).
Клетки цельной венозной крови практически здоровых некурящих молодых доноров культивировали в условиях цитокинетического блока [12] на реконструированных средах, которые готовили ex tempore разведением сухой стерильной среды RPMI-1640 (ПанЭко, РФ) в стерильных образцах НАВ. Цитоха-лазин В (ПанЭко, РФ) вводили в культуры на 44 часу, клетки фиксировали на 72 часу. Препараты окрашивали азур-эозином по Гимзе-Романовскому. Цитоге-нетический анализ проводили в микроядерном тесте [12, 13], учитывая клетки с 2, 3, 4 и более ядрами, микроядра (МЯ) и нуклеоплазменные мосты (НПМ) в них. Дополнительно определяли частоту генетиче-
ских повреждений во всех делящихся клетках, проли-феративный пул, асимметрию деления клеток во втором митотическом цикле (соотношение частот клеток с 3 и 4 ядрами), частоты митоза и апоптоза [14, 15]. Для сравнения эффектов НАВ в реконструированных средах использовали стандартную жидкую среду RPMI-1640 (ПанЭко, РФ).
Статистическую обработку результатов проводили с использованием стандартного пакета компьютерных программ Statistica 6.1 STATSOFT. Для сравнения опытных и контрольных серий применяли критерий X2. Корреляционный анализ по критерию Спирмена использовали для анализа связи генотоксических эффектов с физико-химическими свойствами НАВ.
Результаты
До сих пор было принято считать, что основным физико-химическим параметром воды, ответственным за ее биологическую активность, является окислительно-восстановительный потенциал [4, 16]. Поэтому анализ мы начали именно с этого показателя.
Осмотическая вода. Культивирование клеток в средах на всех НАВ приводило к торможению пролиферации клеток по сравнению с контролем (рис. 1), что преимущественно выражалось в изменении спектра клеточных популяций: увеличении доли не-делящихся одноядерных клеток и снижении доли
о Ф
s
к ç
ш
et
10 9 8 76 5 4 3 2 1 0
105 168,9 224,4 275,25 356,02 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
О Делящиеся клетки с повреждениями
i* I g
12-1
10-
8-
6-
2-
0
Original article
Г*1
105 168,9 224,4 275,25 356,02 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Щ Митоз Q Апоптоз
3
0
1
Б □
О
105 168,9 224,4 275,3 356 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Делящиеся клетки в спектре Ц Ускоренно делящиеся
клетки в спектре
105 168,9 224,4 275,3 356 Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Соотношение %3/%4
Щ Ускоренно делящиеся клетки в спектре
Рис. 5. Влияние ОВП неконтактно активированных вод на основе минеральной воды «Пилигрим», на которых были приготовлены среды для культивирования лимфоцитов крови человека, на показатели нестабильности генома этих клеток: а - частоту клеток с МЯ и НПМ; б - мито-тическую активность и частоту апоптоза; в - частоту делящихся и ускоренно делящихся клеток в спектре; г - частоту ускоренно делящихся клеток и степень симметрии распределения генетического материала во втором митозе.
материала во втором митозе (рис. 2, г). Качественные различия между анолитами и католитами проявились не только в том, что эти два типа НАВ вызвали противоположно направленные изменения частот митоза и апоптоза, суммы частот клеток с МЯ или НПМ, но противоположными для них оказались и корреляции между основными цитогенетическими показателями пролиферации и повреждения клеток (рис. 3).
Московская водопроводная вода. Анализ спектра клеточных популяций (рис. 4) показал, что в культурах, выращенных на католитах НАВ, при снижении ОВП наблюдалось либо торможение (ОВП = 275 мВ), либо ускорение пролиферации по сравнению с контролем (ОВП 169 и 106 мВ), а на анолите было от-
Таблица 2
Связь между показателями пролиферации культивированных клеток крови человека в реконструированных средах на католитах, приготовленных на основе осмотической, московской водопроводной и бутилированной воды «Пилигрим»
ускоренно делящихся (содержавших более 2 ядер). Особенно ярко торможение пролиферации было выражено в культурах на анолитах. Суммарная частота клеток с микроядрами (МЯ) и нуклеоплазменными мостами (НПМ) была значимо выше контроля (ОВП 325,9 мВ) только для культур на анолите с ОВП 360,8 мВ, а в средах на католитах, наоборот, в некоторых вариантах опыта наблюдалось снижение частоты клеток с цитогенетическими повреждениями (рис. 2). Со снижением ОВП частота апоптоза снижалась в средах на католитах и увеличивалась в средах на анолитах (рис. 2, б). При этом во всех католитах наблюдалось повышение частоты клеток, образовавшихся в результате асимметричного распределения генетического
Спектр делящихся клеток (%) Иролифера-тивный пул Асимметрия 2-го митоза Индекс репликации Индекс пролиферации
1-ядерные 2-ядерные 3-ядерные 4-ядерные многоядерные ускоренно делящиеся
Светосумма -0,76 0,67 0,62 0,75 0,53 0,73 0,77 -0,31 0,71 0,75
хемилюминесценции
OBП 0,07 -0,31 0,18 -0,29 -0,29 -0,18 -0,12 0,69 -0,31 -0,29
рН -0,02 -0,16 0,05 -0,23 0,00 -0,18 -0,12 0,38 -0,26 -0,20
Примечание. В табл. 2-6 шрифтом выделены коэффициенты значимых корреляций (р < 0,05).
Оригинальная статья
Таблица 3
Связь между показателями генетических повреждений в культивированных клетках крови человека в реконструированных средах на католитах, приготовленных на основе осмотической, московской водопроводной и бутилированной воды «Пилигрим»
Клетки с повреждениями (%)
1-ядерные 2-ядерные 4-ядерные делящиеся клетки с МЯ делящиеся клетки с НПМ ускоренно делящиеся
Светосумма хеми- -0,50 -0,35 0,86 -0,13 0,62 -0,31
люминесценции
ОВП 0,40 0,42 -0,06 0,39 0,16 -0,13
рН 0,26 0,42 -0,10 0,32 -0,06 -0,36
мечено некоторое ускорение пролиферации, при котором однако происходило увеличение численности фракции 3-ядерных клеток.
Анализ интегральных показателей частот генетических повреждений обнаружил снижение частот 2-ядерных клеток с повреждениями (МЯ и НПМ) в культурах, приготовленных на католитах (ОВП = 74 и 41 мВ). Повышение частот ускоренно делящихся клеток с повреждениями было отмечено только для культур на католитах с ОВП = 174 мВ и на анолите.
Минеральная вода «Пилигрим». В культурах НАВ на основе минеральной воды «Пилигрим» большинство эффектов, связанных с пролиферацией клеток, были ярче всего выражены в культурах на католите с ОВП 275,3 мВ (рис. 5). Так, относительно контроля (ОВП 356 мВ) в этой среде значительно снижалась митотическая активность клеток, а степень асимметрии расхождения хромосом в митозе, наоборот, в 6,8 раз превышала уровень контроля. Католиты, полученные при более продолжительной активации (ОВП= 169 и 105 мВ), так же, как и анолит (ОВП 224 мВ), стимулировали клетки к делению активнее, чем неактивированная вода, что, однако, сопровождалось повышением частоты поврежденных клеток. Например, в среде на католите с ОВП 169 мВ наблюдалось более чем 4-кратное повышение уровня контроля по частоте 2-ядерных клеток с множественными микроядрами, что свидетельствует о более глубоком повреждении генетических структур клеток. Частота 2-ядерных клеток с НПМ в 3 раза превышала уровень контроля, указывая на индукцию преимущественно долгоживущих генетических повреждений, а степень асимметрии деления клеток во втором митозе
превышала уровень контроля в 1,5 раза. В среде на католите с ОВП 105 мВ было отмечено 5-кратное по сравнению с контролем повышение частоты апоптоза, что является результатом увеличения числа клеток с нерепарируемыми повреждениями. В культуре на анолите также было отмечено значительное торможение пролифератив-ной активности, причем частоты 2-ядерных клеток с НПМ в 5 раз превышали уровень контроля.
Таким образом, результаты серии экспериментов на клетках крови человека, продемонстрировали, что феномен индукции эффектов нестабильности генома под действием неконтактно (электрохимически) активированных вод реально существует, четких закономерностей связи этих эффектов с ОВП НАВ выявить не удалось. К аналогичному выводу привели нас и ранее опубликованные результаты 30-суточного эксперимента на мышах in vivo и опытов по индукции доминантных летальных мутаций в половых клетках дрозофилы [8].
Для понимания связей между физико-химическими свойствами НАВ и эффектами нестабильности генома, обнаруженными в культурах клеток крови человека, выращенных в средах на этих водах, мы провели корреляционный анализ, результаты которого приведены ниже.
1. При сведении всех изученных вод в единую матрицу закономерности во взаимосвязи эффектов нестабильности генома с ОВП обнаружены не были. Однако корреляционный анализ, проведенный раздельно для анолитов и католитов, показал, что эффекты нестабильности генома в анолитах были ассоциированы с ОВП и с рН воды, а в католитах - со светосуммой люминол-геминовой хемилюминес-ценции (СХЛ, табл. 2-5). Это означает не только то, что и анолиты и католиты индуцировали эффекты нестабильности генома с использованием разных механизмов, но и обеспечивали ввод в круг физико-химических параметров, ответственных за НАВ-индуцированные эффекты нестабильности генома, новый показатель, связанный с активностью свобод-норадикальных реакций1.
2. Помимо ОВП, рН и СХЛ на индукцию эффектов нестабильности генома могла оказывать влияние степень структурированности НАВ и, более того, из-
Таблица 4
Связь между показателями пролиферации культивированных клеток крови человека в реконструированных средах на анолитах, приготовленных на основе осмотической, московской водопроводной и бутилированной воды «Пилигрим»
Частота апоптоза Спектр делящихся клеток (%) Асимметрия 2-го митоза Индекс репликации Индекс пролиферации
4-ядерные многоядерные делящиеся пролиферативный пул ускоренно делящиеся
Светосумма хеми-люминесценции
ОВП
рН
-0,40
0,80 -0,80
0,40
-0,80 0,80
0,32
-0,77 0,77
0,40
-0,80 0,80
0,40
-0,80 0,80
0,40
-0,80 0,80
-0,32
-0,95 0,95
0,40
-0,80 0,80
0,40
-0,80 0,80
1 Следует особо отметить, что в культурах клеток крови, выращенных на НАВ на основе минеральной воды«Пилигрим» с минимальным из всех изученных вод значениями СХЛ и, следовательно, уровнем свободнорадикальных реакций, наблюдалось наибольшее подавление пролиферации клеток и максимальная частота клеток с генетическими повреждениями (вплоть до 10-кратного превышения уровня контроля). То есть, для нормального функционирования живого организма необходимо присутствие некоторого количества свободных радикалов. Возможно, поэтому во многих странах мира норматив на содержание перекиси водорода в питьевой воде очень высок и достигает, как в РФ, 100 мкг/л [26-28].
менение структурированности воды могло происходить при активации воды. Поэтому мы провели анализ связи показателей ОВП, рН и СХЛ со степенью структурированности НАВ раздельно для католитов и аноли-тов (табл. 6). Оказалось, что для католитов и анолитов показатели структурированности воды и их связь с другими физико-химическими свойствами НАВ существенно различались. Неожиданно, максимальное количество связей было обнаружено с рН НАВ.
Результаты анализа связи структурированности воды с показателями нестабильности генома (табл. 7) показали, что последние, зафиксированные в реконструированных средах на католитах и анолитах, не только качественно различались между собой, но и изменяли знак корреляции при изменении степени структурированности (например, в средах на католитах степень структурированности 0,1-0,2 была ассоциирована со снижением частоты апопто-за, а более высокая степень структурированности - с ее повышением). О справедливости выявленных закономерностей говорит согласованность эффектов между собой. Так, для анолитов с минимальной степенью структурированности было характерно снижение митотической активности и повышение частоты 1-ядерных (неделящихся) клеток в спектре клеточных популяций. Поэтому неудивительно, что в таких средах наблюдалось снижение частоты ускоренно делящихся клеток с генетическими повреждениями: чем меньше пролиферативный пул, тем меньше численность фракции ускоренно делящихся клеток в нем и, следовательно, тем меньше среди них поврежденных клеток. Аналогичное рассуждение справедливо и для степени симметрии расхождения генетического материала в клетках 2-го митоза, частота которой увеличивалась с уменьшением пролиферативного пула культуры.
Обобщая приведенные данные, следует сказать, что при неконтактной активации воды происходит не только изменение ОВП, рН и светосуммы хемилю-минесценции, но и изменение характера образования кластеров (супрамолекул) воды (степени структурированности). Этот феномен можно считать еще одним новым механизмом индукции нестабильности генома под действием НАВ. Чтобы понять механизм влияния активированной воды на живую клетку необходимо проводить специальные исследования. В то же время современные представления о транспорте воды в клетку предполагают существование двух основных механизмов. Первый основан на диффузном проникновении отдельных молекул воды через мембрану клетки за счет осмотического давления [18-21]. Количество энергии, которое затрачивается на данный процесс, составляет 58-70 кДж/моль. Согласно второму механизму, вода проникает в клетку через специальные каналы, «организованные» белками аквапоринами (у человека их насчитывают 10 видов) [18]. Аквапорины пропускают только отдельные молекулы воды, препятствуя прохождению супрамолекулярных кластеров любых размеров. Количество энергии, затрачиваемое на этот процесс, составляет около 30 кДж/моль. То
Original article
Таблица 5
Связь между показателями генетических повреждений в культивированных клетках крови человека в реконструированных средах на анолитах, приготовленных на основе осмотической, московской водопроводной и бутилированной воды «Пилигрим»
Делящиеся клетки с повреждениями
2-ядерные с НПМ 2-ядерные с МЯ 4-ядерные многоядерные делящиеся с МЯ ускоренно делящиеся
Светосумма хеми-люминесценции -0,40 -0,80 -0,32 -0,32 -0,20 -0,32
ОВП 0,80 -0,40 -0,95 -0,95 -0,98 -0,95
рН -0,80 0,40 0,95 0,95 0,98 0,95
есть транспорт воды через канал в 2 раза энергетически более выгоден, чем диффузный осмос, что говорит о высокой значимости этого механизма для жизнедеятельности клетки. Поэтому можно предположить, что увеличение степени структурированности воды при активации может негативно сказываться на процессе обмена воды между клеткой и той средой, в которой она находится.
Все собственные экспериментальные данные, приведенные в этой публикации, позволяют предположить, что при неконтактной (электрохимической) активации воды может реализовываться не один, а несколько механизмов индукции нестабильности генома:
а) в католитах в условиях повышенного содержания электронов может происходить активация свободных радикалов, повреждающих мембраны клеток по механизму индукции перекисного окисления липидов;
б) поскольку наружная клеточная мембрана заряжена положительно, в католитах электроны, делока-лизованные на структурированных кластерах воды, могут взаимодействовать с клеточной мембраной, в результате чего фрагменты клеточных мембран могут разрушаться;
Таблица 6
Связь между физико-химическими показателями НАВ
Католиты Анолиты
светосумма хемилюми- ОВП рН светосумма хемилюми- ОВП рН
несценции несценции
Структурированность (средний уровень, %) -0,43 0,38 0,81 -0,80 - 0,40 0,40
Доля структурированной фазы
0,00-0,1 -0,05 -0,04 -0,13 0,40 0,80 -0,80
0,101-0,2 0,61 -0,29 -0,78 0,95 0,32 -0,32
0,201-0,3 0,01 0,10 0,76 0,80 0,40 -0,40
0,301-0,4 -0,70 0,17 0,56 -0,32 - 0,95 0,95
0,401-0,5 -0,57 0,53 0,57 -0,77 -0,77 0,77
0,501-0,6 -0,58 0,49 0,56 -0,77 -0,77 0,77
0,601-0,7
0,701-0,8 -0,77 -0,77 0,77
0,801-0,9
0,901-1,0 -0,41 0,52 0,41
более 1,0
Оригинальная статья
Таблица 7
Связь интегральных показателей нестабильности генома в клетках крови человека со степенью структурированности НАВ, использованных для приготовления реконструированных сред (раздельный учет католитов и анолитов, показаны только значимые корреляции)
Диапазон варьирования степени структурированности НАВ (%) Частота митоза Частота апоптоза % одноядерных клеток в спектре клеточных популяций % одноядерных клеток % делящихся клеток с МЯ % делящихся клеток с генетическими повреждениями % делящихся клеток в спектре клеточных популяций Проли-фератив-ный пул % ускоренно делящихся клеток с генетическими повреждениями Симметрия расхождения генетического материала в клетках 2-го митоза
0,0-0,1 А (-) А (+) А (-) А (-)
0,101-0,2 Кат (-) К (+)
0,201-0,3
0,301-0,4 Кат (+) А (+)
0,401-0,5 Кат (+) Кат (+) Кат (+)
0,501-0,6 Кат (+) Кат (+) Кат (+) Кат (+)
0,901-1,0 Кат (+) Кат (-) Кат (-)
Структурированность, %
Кат (+) К (-)
Кат (-)
Кат (+) Кат (+)
Примечание. (-) - обратная корреляция; (+) - прямая корреляция; А - анолит; Кат - Католит; К - Контроль.
в) поскольку неконтактная активация воды проводится в пластмассовой таре, возможен выход небольшого количества мономера и/или пластификатора в воду, где под действием электронов, ионов, радикалов и ион-радикалов, возникающих в процессе активации, могут образовываться генотоксичные соединения.
Таким образом, в данном исследовании впервые проведено сравнительное изучение эффектов нестабильности генома, индуцированных НАВ, приготовленных на основе трех разных питьевых вод. В результате проведенного исследования показано, что:
1. Питьевая вода при неконтактной (электрохимической) активации может приобретать генотоксиче-скую активность, которая проявляется как индукция эффектов нестабильности генома (изменение проли-феративной и митотической активности, повышение частоты клеток с МЯ и НПМ, повышение частоты апоптоза, и/или частоты клеток второго митотическо-го цикла с асимметричным распределением генетического материала).
2. Генотоксические эффекты католитов и анолитов различались качественно. В частности, частоты делящихся клеток с повреждениями для анолитов уменьшались с увеличением пролиферативного пула (что характерно для действия мутагенов), в то время как для католитов наблюдалась обратная зависимость, описанная для канцерогенов.
3. Для анолитов была выявлена связь индуцированных эффектов нестабильности генома (митоти-ческой активности культуры, частот ускоренно делящихся клеток с генетическими повреждениями и апоптоза) с ОВП и рН, а для католитов эти показатели были связаны со светосуммой люминол-геминовой хемилюминесценции. То есть, в механизмах возникновения эффектов нестабильности генома, индуцированных католитами и анолитами, играют роль разные физико-химические свойства НАВ.
4. Изменение структуры воды при неконтактной активации может являться новым механизмом индукции генотоксических эффектов в живом организме, а структура воды может стать новым фактором генетического риска неконтактно электрохимически активированных вод.
Благодарности. Авторы благодарят канд. техн. наук А.А. Стехина
и канд. техн. наук Г В. Яковлеву за измерение ОВП, рН и СХЛ вод, Н.А.
Юрцеву за помощь в постановке культур клеток крови человека и к.м.н.
В.В. Юрченко за полезные обсуждения и ценные замечания.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта
интересов.
Литер ату р а
(пп. 5-8, 12-13, 16-20, 22-29 см. References)
1. Рахманин Ю.А., Кондратов В.К., ред. Вода - космическое явление. М.; 2002.
2. Савостикова О.Н. Гигиеническая оценка влияния структурных изменений в воде на ее физико-химические и биологические свойства кандидат медицинских наук: Дисс. ... канд. биол. наук. М.; 2008.
3. Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И. Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов. М.: ВНИИИМТ; 2001.
4. Широносов В.Г. Физические основы резонансной активации воды. В кн.: Сборник докладов 1-й Международного симпозиума «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности». М.: ВНИИМТ АО НПО «Экран»; 1997: 220-1.
9. Казанкин Д.С., Широносов В.Г. Феномен неконтактного действия электрохимически активированных водных растворов на динамику оседания эритроцитов. Available at: http://ikar. udm.ru/os-resul.hlm (дата обращения: 14 мая 2014).
10. Лобышев В.И. Вода как сенсор слабых воздействий физической и химической природы. Российский химический журнал. 2007; LI (1): 107-14.
11. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований; 2004.
14. Ингель Ф.И. Перспективы использования микроядерного теста на лимфоцитах крови человека, культивируемых в условиях цитокинетического блока. Часть 1. Пролиферация клеток. Экологическая генетика. 2006; IV (3): 7-19.
15. Ингель Ф.И. Перспективы использования микроядерного теста на лимфоцитах крови человека, культивируемых в условиях цитокинетического блока. Часть 2. Факторы среды и индивидуальные особенности в системе нестабильности генома человека. Дополнительные возможности теста. Методика проведения экспериментов и цитогенетического анализа. Экологическая генетика. 2006; IV (4): 38-54.
16. Стехин А.А., Яковлева Г.В. Методологические проблемы изучения электронного состояния системы «Окружающая среда - человек». Гигиена и санитария. 2009; (5): 79-82.
21. Шапигузов А.Ю. Аквапорины: строение, систематика и особенности регуляции. Физиология растений. 2004; 51 (1): 1-11.
References
1. Rakhmanin Yu.A., Kondratov V.K., eds. Water - Space Phenomenon [Voda - kosmicheskoeyavlenie]. Moscow; 2002. (in Russian)
2. Savostikova O.N. Hygienic Assessment of the Impact of Structural Changes in the Water on its Physico-Chemical and Biological Properties of the Candidate of Medical Sciences: Diss. Moscow; 2008. (in Russian)
3. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutskiy V.I. Electrochemical Activation: Water Purification and Production of Useful Solutions [Elektrokhimicheskaya akti-vatsiya: ochistka vody i poluchenie poleznykh rastvorov]. Moscow: VNIIIMT; 2001. (in Russian)
4. Shironosov V.G. Physical basis of the resonant activation of water. In: Proceedings of the 1st International Symposium "Electrochemical Activation in Medicine, Agriculture and Industry" [Sbornik dokladov 1-go Mezhdunarodnogo simpoziuma "Elektrokhimicheskaya aktivatsiya v meditsine, sel 'skom khozyaystve, promyshlennosti"]. Moscow: VNIIMT AO NPO "Ekran"; 1997: 220-1. (in Russian)
5. Shirahata S., Nishimura T., Kabayama S., Aki D., Teruya K., Ot-subo K. et al. Anti-oxidative water improves diabetes. In: Lind-ner-Olsson E., Chatzissavidou N., Lüllau E., eds. Animal Cell Technology: From Target to Market. Proceedings of the 17th ES-ACTMeeting June 10-14. Tylösand, Sweden; 2001: 574-7.
6. Abol-Enein H., Gheith O.A., Barakat N., Nour E., Sharaf A.E. Ionized alkaline water: new strategy for management of metabolic acidosis in experimental animals. Ther. Apher. Dial. 2009; 13 (3): 220-4.
7. Osada K., Li Y.P., Hamasaki T., Abe M., Nakamichi N., Teruya K. et al. Anti-diabetes effects of Hita Tenryosui water, a natural reduced water. In: Sanetaka Shirahata, Koji Ikura, Masaya Nagao, Akira Ichikawa, eds. Animal Cell Technology: Basic & Applied Aspects. Dordrecht: Springer; 2010; 15: 307-13.
8. Ingel F., Zatsepina O., Stekhin A., Yakovleva G., Savostikova O., Alekseeva A. et al. Electrochemically Activated Tap Water Induced Effects of Genomic Instability in Various Living Objects In Vitro and In Vivo. Occup. Med. Health. Af. 2013; 2: 143. Available at: http://dx.doi.org/10.4172/2329-6879.1000143.
9. Kazankin D.S., Shironosov VG. The phenomenon of non-contact action of electrochemically activated aqueous solutions of the
Hygiene & Sanitation (Russian Journal). 2016; 95(3)
_DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-3-241-246
Original article
dynamics of the erythrocyte sedimentation. Available at: http:// ikar.udm.ru/os-resul.htm (accessed: 14 May 2014). (in Russian)
10. Lobyshev V.I. Water as a sensor weak influences the physical and chemical nature. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal. 2007; LI (1): 107-14. (in Russian)
11. Aksenov S.I. Water and its Role in the Regulation of Biological Processes [Voda i ee rol' v regulyatsii biologicheskikh protsess-ov]. Moscow-Izhevsk: Institut komp'yuternykh issledovaniy; 2004. (in Russian)
12. Fenech M. Cytokinesis-block micronucleus cytome assay. Nat. Protoc. 2007; 2 (5): 1084-104.
13. Fenech M. The in vitro micronuclei test technique. Mutat. Res. 2000; 455: 81-95.
14. Ingel' F.I. Prospects for use of micronucleus test on human lymphocytes cultured with cytokinetic block. Part 1: Cell proliferation. Ekologicheskaya genetika. 2006; IV (3): 7-19. (in Russian)
15. Ingel' F.I. Prospects for the use of micronucleus test on human lymphocytes cultured with cytokinetic block. Part 2: Environmental factors and individual characteristics of human genome instability. Additional features of the test. Methodology for conducting of the experiments and cytogenetic analysis. Ekologicheskaya genetika. 2006; IV (4): 38-54. (in Russian)
16. Stekhin A.A., Yakovleva G.V. Methodological problems in the study of the electronic state of the "Environment - man". Gigi-ena i sanitariya. 2009; (5): 79-82. (in Russian)
17. WHO. Guidelines for Drinking-water Quality. 4th ed. 2014. Available at: http://whqlibdoc.who.int/publications/2011/9789241548151_eng. pdf?ua=1.
18. Agre P., Kozono D. Aquaporin water channels: molecular mechanisms for human diseases. FEBSLett. 2003; 555 (1): 72-8.
19. Saito Y., Furukawa T., Obata T., Saga T. Molecular imaging of aquaglycero-aquaporins: its potential for cancer characterization. Biol. Pharm. Bull. 2013; 36 (8): 1292-8.
20. Karlsson T., Bolshakova A., Magalhaes M.A., Loitto V.M., Magnusson K.E. Fluxes of water through aquaporin 9 weaken membrane-cytoskeleton anchorage and promote formation of membrane protrusions. PLoS One. 2013; 8 (4): e59901.
21. Shapiguzov A.Yu. Aquaporins: structure, taxonomy and especially regulation. Fiziologiya rasteniy. 2004; 51 (1): 1-11. (in Russian)
Поступила 17.11.14 Принята к печати 04.06.15
О ЛУГОВАЯ Е.А., СТЕПАНОВА Е.М., 2016 УДК 613.31-074
Луговая Е.А., Степанова Е.М.
ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ МАГАДАНА И ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ
ФГБУН Научно-исследовательский центр «Арктика» Дальневосточного отделения Российской академии наук (НИЦ «Арктика» ДВО РАН), 685000, Магадан
Методами атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой определяли содержание 25 макро- и микроэлементов в питьевой холодной воде, используемой жителями Магадана для пищевых целей и взятой из-под крана. Эти же макро- и микроэлементы исследовали и в волосах 30 юношей 17-23 лет, постоянных жителей Магадана из числа уроженцев-европеоидов. По нашим данным, содержание химических элементов в питьевой воде соответствует нормативам, однако содержание таких эссенциаль-ных (жизненно важных) элементов, как Со, Сг, Си, I, Мп, Se, 2п, значительно ниже референтных величин. После кипячения этой же воды концентрация элементов в ней изменяется. Достоверно снижается уровень Cd, Си, К, Р, РЬ, 2п, Ж. У здоровых юношей 17-23 лет из числа уроженцев-европеоидов постоянных жителей севера обнаружен дефицит Со и I (86 и 62% соответственно), сниженные значения концентраций Са, Mg, ^Зе, 2п (76, 69, 24 и 24% соответственно). Постоянное употребление в пищевых целях жителями Магадана слабоминерализованной ультрапресной питьевой воды может являться одной из основных причин дисбаланса макро- и микроэлементов в организме, характеризующегося чертами так называемого «северного» типа с выраженным дефицитом основных эссенциальных элементов.
Ключевые слова: макро- и микроэлементы; север; питьевая вода; здоровье населения.
Для цитирования: Луговая Е.А., Степанова Е.М. Особенности состава питьевой воды Магадана и здоровья населения. Гигиена и санитария. 2016; 95 (3): 241-246. БОТ: 10.18821/0016-9900-2016-95-3-241-246
Для корреспонденции: Луговая Елена Александровна, канд. биол. наук, доц., ученый секретарь НИЦ «Арктика» ДВО РАН, 685000, Магадан, E-mail: [email protected].
