CC BY
50
УДК 616.155.1-02:546.48;576.314.7
РОЛЬ ВЫСОКОГО СОДЕРЖАНИЯ КАДМИЯ В ПРИРОДНОЙ СРЕДЕ В ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЯХ ЭРИТРОЦИТОВ КРОВИ ЖИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ
Н.Н. Ильинских, С.А. Козлова, Е.Н. Ильинских, И.Н. Ильинских, А.Ю. Юркин
Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск E-mail: ilyinskikh@yandex.ru
Изучены уровни содержания патологических форм эритроцитов и концентрация кадмия в периферической крови жителей с. Ча-ган-Узун Республики Алтай с учётом продолжительности их проживания в зоне с аномально высоким природным содержанием кадмия в окружающей среде. Показана прямая корреляционная зависимость между концентрацией в крови кадмия и уровнем эритроцитов с морфологическими изменениями поверхности: наиболее значимые изменения наблюдались у лиц, недавно приехавших в эту местность. Сделан вывод о том, что полученные результаты могут быть связаны с недостаточной адаптацией мигрантов к местным условиям по сравнению с коренным населением.
Ключевые слова:
Геохимическая провинция, кадмий, патологические формы эритроцитов, Республика Алтай. Key words:
Geochemical area, cadmium, pathologically aberrant erythrocyte forms, Altay Republic.
Республика Алтай географически расположена в центре Азии. Здесь практически отсутствуют крупные промышленные предприятия и, в связи с этим, антропогенный прессинг на природу минимален. В то же время, этот регион отличается высоким содержанием месторождений полиметаллов. Особое внимание привлекает район с. Чаган-Узун, расположенный в зоне локализации месторождений ртути, содержащих высокие концентрации Сё. Содержание Сё в почве в этом месте превышает фоновые значения более чем в 400 раз, достигая в растениях 1,6 мг/кг [1]. Установлено, что при поступлении в кровь Сё концентрируется в эритроцитах крови [2]. Имеются исследования, свидетельствующие о том, что Сё вызывает деформацию эритроцитов [3]. Появление необычных форм эритроцитов в крови у людей, связанных с производством Сё, и у экспериментальных животных, по-видимому, обусловлено нарушениями процессов эритропоэза и изменениями в генетическом аппарате эритробластов, поскольку известно, что Сё ингибирует активность ДНК-полимераз и влияет на процессы деконденсации ДНК, нарушая синтез темидилата и тимидинкиназы и, соответственно, репарации и репликации молекул ДНК [2, 4-6].
По данным медицинской статистики Министерства здравоохранения Республики Алтай в районе, где расположено с. Чаган-Узун, среди населения повышена частота гематологических патологий, что может быть обусловлено высоким содержанием в окружающей среде этой местности Сё [7].
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы явилось изучение состояния эритроцитов периферической крови у жителей с. Чаган-Узун Республики Алтай, расположенного в районе повышенного содержания в почве и геологических породах Сё, в сравнении с другим поселением (с. Турочак) этого региона, где в окружающей среде содержание Сё находится на уровне фона.
Материал и методы исследования
Всего обследовано 79 человек, жителей с. Ча-ган-Узун, расположенном в зоне кадмиевой геологической аномалии, и 74 жителя с. Турочак (контроль), находящегося в экологически благоприятном регионе Республики Алтай с фоновым содержанием в окружающей среде Сё. Проведено обследование только тех лиц, которые подписали добровольное информированное согласие относительно взятия у них из локтевой вены 20 мл крови, с последующим определением содержания в крови Сё и уровня патологически измененных эритроцитов. Анализ был проведен методом «случай-контроль» (жители, проживающие в с. Чаган-Узун и популя-ционный контроль - жители с. Турочак). В связи с тем, что Сё аккумулируется в организме человека [3], то в настоящей работе всех обследованных мы подразделили на 4 группы: коренные жители, приезжие, прожившие в данной местности менее 5 лет, а также приезжие, прожившие от 5 до 10 или более 10 лет. Анализ эритроцитов проводили на стандартных гематологических мазках, окрашенных по методу Романовского-Гимзы. Учитывали следующие патологические формы эритроцитов: акантоциты, эхиноциты, стоматоциты, дакриоци-ты, дрепаноциты и прочие аномальные формы мембраны, а также размерные изменения эритроцитов (микроциты, макроциты, макроовалоциты, мегалоциты), согласно критериев, изложенных в [8]. Изменение размеров эритроцитов регистрировали при помощи эритроцитометрии с использованием окулярного микрометра. Кроме того, проведена оценка цитогенетических изменений путем регистрации числа эритроцитов с микроядрами [9]. У каждого обследованного изучено не менее 104 эритроцитов.
Содержание Сё в крови определяли колориметрическим методом с использованием спектрофотометра СФ-46 при длине волны 508 нм [10]. Все
пробы высушивались в муфельной печи при температуре 50 °С до твердого состояния и истирались в порошок. Аликвотную часть пробы, содержащую ионы Сё, обрабатывали аммиаком и подвергали экстракции хлороформом, содержащим 0,004 % дитизона.
Все данные обрабатывали статистически с применением /-критерия Стьюдента для независимых выборок и корреляционного анализа по Спирмену, используя пакет статистических компьютерных программ [11]. Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез в исследовании принималась равным 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные данные свидетельствуют о том (табл. 1), что в периферической крови коренных и пришлых лиц, проживающих в с. Турочак, практически нет различий по уровню патологически измененных эритроцитов. В то же время, в с. Чаган-Узун у пришлых жителей отмечается достоверное повышение числа такого рода клеток. При сравнении числа дефектных эритроцитов, наблюдаемых в
крови у коренных жителей с. Чаган-Узун и Туро-чак, по большинству изученных показателей достоверные различия отсутствовали, за исключением числа дрепаноцитов, микро- и макроцитов и эритроцитов с микроядрами.
Высокий уровень патологически измененных эритроцитов наблюдался у приезжих жителей, особенно в группах проживших в с. Чаган-Узун менее 5 лет и от 5 до 10 лет. Наиболее существенно было повышение числа эритроцитов с патологией морфологии оболочки клетки. Число акантоцитов, эхиноцитов, стоматоцитов и дакриоцитов увеличивалось почти в 7 раз, а дрепаноцитов в 12 раз, по сравнению с аналогичными показателями в соответствующих группах у жителей с. Турочак (Р<0,01 во всех случаях). Изменения в крови приезжих жителей с. Чанан-Узун коснулись и размерных показателей эритроцитов. Установлено, что число микро- и макроцитов возрастает по сравнению с контролем практически в 1,5...2 раза (табл. 1).
У лиц, проживших в данной местности более 10 лет (в среднем 15,6±3,6 года), наблюдаемые изменения морфологических деформаций оболочки
Таблица 1. Число патологических форм эритроцитов в крови (М±т) у жителей населенных пунктов Чаган-Узун и Турочак (контроль) Республики Алтай
Патологические формы эритроцитов с. Турочак (контроль) с. Чаган-Узун
Коренные жители п=34 Приезжие Коренные жители п=29 Приезжие
Прожившие менее 5 лет п=17 Прожившие 5...10 лет п=12 Прожившие более 10 лет п=16 Прожившие менее 5 лет п=16 Прожившие 5.10 лет п=14 Прожившие более 10 лет п=15
Акантоцит 0,51 ±0,13 0,63±0,12 0,57±0,11 0,48±0,10 0,51 ±0,12 3,54±0,43* 4,32±0,45* 0,51 ±0,52
Эхиноцит 0,72±0,06 0,88±0,05 0,76±0,04 0,69±0,08 0,70±0,03 4,72±0,56* 5,86±0,67* 0,72±0,39
Стоматоцит О 0,53±0,08 0,49±0,09 0,56±0,11 0,44±0,09 0,57±0,07 3,56±0,34* 5,12±0,45* 0,53±0,54
Дакриоцит 0,01±0,01 - 0,02±0,02 - 0,02±0,01 2,12±0,12* 2,37±0,18* 1.30±0,12
Дрепаноцит 0,01 ±0,01 0,01 ±0,01 - 0,03±0,02 0,08±0,03 0,12±0,03* 0,19±0,04 0,17±0,02*
Дегенеративные патологии 0,01 ±0,01 0,02±0,01 0,03±0,02 - 0,12±0,01* 0,28±0,09* 0,32±0,07* 0,30±0,05*
Микроовалоцит 3,22±0,62 3,48±0,66 3,64±0,54 2,82±0,61 3,32±0,54 6,28±0,82** 8,45±0,92* 7,93±1,22*
Макроовалоцит 0 3,56±0,25 4,61 ±0,14 4,12±0,34 3,86±0,35 3,55±0,25 7,12±0,65** 8,41 ±0,75* 7,36±0,85*
Микроцит о© 12,10±1,20 12,34± 1,33 13,15±1,42 12,45±1,35 19,10±2,02** 22,20±3,20* 24,33±3,44* 28,18±4,18*
Макроцит О 10,12±1,87 11,18±1,54 11,32±1,62 12,08±2,43 15,23±2,28** 18,52±3,87* 17,22±2,87* 16,42±2,87*
Мегалоцит 0 0,08±0,02 0,09±0,03 0,14±0,02 0,11 ±0,06 0,10±0,04 0,18±0,09* 0,23±0,09* 0,24±0,08*
Эритроцит с микроядром * 0,01 ±0,01 0,02±0,02 0,01 ±0,01 0,03±0,02 0,08±0,02* 0,15±0,04* 0,18±0,06* 0,16±0,05*
Всего 30,80±4,2 33,75± 3,8 34,32±4,5 32,99±4,1 43,38±5,4 68,79±6,6 77,00±8,4 63,82±5,9
Примечание: Достоверные отличия от контроля (жители с. Турочак) отмечены: **Р<0,05; *Р<0,01; п - численность группы. Данные представлены как М±т, где М - выборочное среднее арифметическое, т - ошибка выборочного среднего.
эритроцитов (аканто- эхино-, стомато-, дакрио- и дрепаноциты) были сопоставимыми с аналогичными показателями у коренных жителей этого поселения. В то же время, число клеток с размерными аномалиями у приезжих было достоверно выше, чем соответствующие изменения в крови у коренных жителей с. Чаган-Узун (табл. 1).
Влияние Cd, как возможной первопричины повышения числа патологически измененных эритроцитов в крови жителей с. Чаган-Узун видно из данных, приведенных в табл. 2. Особенно существенные изменения в числе эритроцитов с патологиями зарегистрированы у лиц с содержанием Cd в крови в концентрации более 1 мкг/л. Корреляционный анализ свидетельствует о том, что имеется достоверная прямая зависимость между числом эритроцитов с акантоцитами, эхиноцитами, стома-тоцитами и концентрацией Cd в крови у донора (соответственно г=0,89; 0,78 и 0,66; Р<0,01 во всех случаях). В отношении уровня дакриоцитов такой закономерности не отмечено (г=0,08; Р>0,05). Корреляционный анализ числа клеток с измененным размером эритроцитов и концентрации в кро-
ви Cd свидетельствует о том, что прямая зависимость имеется в отношении числа регистрируемых макроцитов, макроовалоцитов и мегалоцитов (соответственно г=0,58; 0,62 и 0,54; Р<0,05 во всех случаях). В отношении микроцитов таких закономерностей не наблюдалось (Р>0,05). В то же время, имеется достоверная прямая связь между числом эритроцитов с микроядрами и содержанием в крови Cd (г=0,88; Р<0,01).
Нами проведен анкетный опрос жителей с. Ча-ган-Узун. Анализ частоты патологий эритроцитов и данных анкеты не позволил выявить связи между высоким уровнем цитогенетических нарушений в крови донора и наличием неблагоприятных бытовых и производственных условий, отягощенностью анамнеза по онкозаболеваниям, мертворождениям и рождению детей с патологиями.
Таким образом, полученные данные позволяют говорить о существовании в окружающей среде с. Чаган-Узун фактора, способного вызвать у жителей существенные патологические изменения эритроцитов периферической крови. Известно, что дрепаноциты или серповидные эритроциты могут
Таблица 2. Число эритроцитов с патологическими изменениями (М±т) у жителей с. Чаган-Узун в зависимости от содержания в крови кадмия
Концентрация (Д мкг/л
Патологические формы эритроцитов С>0,5 С=0,5...1,0 С<1,0
п=20 п=26 п=26
Акантоцит 0,54±0,11 3,65±0,41* 4,89±0,40*
Эхиноцит Ш 0,74±0,06 4,88±0,50* 5,89±0,64*
Стоматоцит О 0,51 ±0,08 3,57±0,32* 5,48±0,46*
Дакриоцит т 0,01±0,01 2,09±0,13* 2,48±0,16*
Дрепаноцит 0,01±0,01 0,14±0,02* 0,44±0,05
Дегенеративные патологии Зйэ 0,01±0,01 0,29±0,09* 0,36±0,07*
Микроовалоцит о 3,27±0,62 6,33±0,81** 8,09±0,90*
Макроовалоцит о 3,48±0,25 7,22±0,63** 8,09±0,72*
Микроцит о о 12,00±1,20 22,04±3,20* 24,12±3,43*
Макроцит О 10,12±1,87 18,11 ±3,77* 17,03±2,86*
Мегалоцит О 0,08±0,02 0,17±0,09* 0,26±0,08*
Эритроцит с микроядром ■ 0,01±0,01 0,12±0,04* 0,22±0,05*
Всего 30,78±4,6 68,6± 6,8 68,79±6,6
Примечание: Обозначения см. в табл. 1.
являться результатом изменения молекулы гемоглобина в результате нарушения ее конформацион-ной структуры [12]. Показано, что Сё проявляет сродство к этой молекуле, влияя на сульфгидриль-ные (8Н-) группы, что может вызвать изменение в процессах конформации и, как следствие, повлиять на фенотип эритроцита [2, 13]. При нарушении эритропоэза и различных видах анемии происходит сдвиг кривой Прайс-Джонса вправо (макро-цитоз) или влево (микроцитоз). Более пологая ее форма, появляющаяся в результате увеличения числа как макро-, так и микроцитов, характерна для анизоцитоза [3]. На изученные показатели крови, помимо Сё, может оказывать влияние и ртуть, концентрация которой в окружающей среде этого региона также избыточна, но этот вопрос требует дополнительного изучения.
Известна стимуляция перекисного окисления липидов Сё, что связано с его ингибирующим воздействием на некоторые ферменты-антиоксидан-ты. Активность эритроцитарной супероксид-дис-мутазы и каталазы под воздействием Сё уменьшается [14, 15].
Еще одна причина усиления окислительного повреждения клеток кроется в истощении содержания глутатиона в эритроцитах при кадмиевой обработке [16-18].
Глутатион принимает участие во всех основных процессах, связанных с сохранением структуры эритроцита. Способный легко окисляться, он защищает от окисления и инактивации ряд ферментов, содержащихся в эритроцитах и имеющих сульфгидрильные группы.
Одним из гипотетических механизмов, приводящих к появлению клеток с патологиями при интоксикации Сё является его способность лабили-зировать мембраны лизосом, что может сопровождаться выходом ферментов, разрушающих структурные компоненты клетки [4, 15, 19]. Нельзя исключить и непосредственное влияние Сё на структуру клеток, за счет влияния на процессы биосинтеза ДНК [3, 4].
Полученные данные свидетельствуют о наличии резистентности к повышенной концентрации в
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ельчининова О.А. Микроэлементы в наземных экосистемах Алтайской горной области: автореф. дис. ... докт. с.-хоз. наук. -Барнаул, 2009. - 35 с.
2. Воробьева Р.С. Кадмий. - М.: Наука,1984. - 148 с.
3. Тугарев А.А. Влияние кадмия на морфофункциональные характеристики эритроцитов: автореф. дис. ... канд. биол. наук. -М., 2008. - 22 с.
4. Михалева Л.М. Кадмийзависимая патология человека // Архив патологии. - 1988. - Т. 50. - № 9. - С. 81-85.
5. Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. - М.: Наука, 1989. - 270 с.
6. Hartwig А., Asmuss М., Ehleben I. Interference by Toxic Metal Ions with DNA Repair Processes and Cell Cycle Control: Molecular Mechanisms // Environ. Health Perspect. - 2002. - V. 110. -№ 5. - P. 797-799.
окружающей среде у коренных жителей обследованного поселения. Известно, что Сё связывается в клетках с металлотионеинами [20, 21]. В экспериментах на животных исследователи вырабатывали у них толерантность к Сё. Повторные дозы Сё вызывают активацию генов, определяющих биосинтез металлотионеинов, с которыми связывается Сё и это, по мнению авторов, существенно снижает его токсический эффект [22]. В отношении патологических изменений клеток крови у жителей с. Чаган-Узун определенную роль могло сыграть и то, что, помимо Сё, в этой местности повышено содержание ртути, несомненно играющей определенную роль в токсических поражениях человека [7].
Не исключено, что устойчивость коренных жителей к интоксикации соединениями Сё может быть связана с рационом питания алтайцев-кижи, который практически на 80...90 % состоит из мясной пищи. Установлено, что детоксикация Сё и ртути наблюдается при большом содержании в рационе животного белков и цинка [23]. В связи с этим, возможно, что устойчивость к токсинам коренных жителей, испытывающих постоянное поступление в организм их в высоких дозах, обусловлена как образом жизни, так и процессами адаптации, что, по-видимому, наблюдается и у мигрантов, проживших в этой местности свыше 10 лет. Для коренных жителей не исключен также и генетический механизм защиты, связанный с естественным отбором и возможными микроэволюционными процессами.
Вывод
Показана прямая корреляционная зависимость между концентрацией в крови Сё и уровнем эритроцитов с морфологическими изменениями поверхности. На примере одного из регионов Республики Алтай установлено, что наиболее существенное повышение числа патологически измененных форм эритроцитов наблюдается у мигрантов, что может быть связано с их недостаточной адаптацией к повышенному содержанию в окружающей среде Сё, а также с отличиями в рационе питания по сравнению с коренным населением.
7. Ильинских Е.Н., Огородова Л.М., Ильинских Н.Н. Эпидемиологическая генотоксикология тяжелых металлов и здоровье человека. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1998. - 290 с.
8. Bessis M. La formé et la deformabilite des érythrocytes normaux et dans anemies hemolytiques congenitales // Nouv. Rev. Franc. He-matol. - 1977. - V. 18. - № l. - P. 75-94.
9. Ильинских Н.Н., Новицкий В.В., Ильинских И.Н. Микроядерный анализ и цитогенетическая нестабильность. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1992. - 268 с.
10. Сендел Е. Колориметрические методы определения следов металлов. - М.: Наука, 1964. - 672 с.
11. SAS Institute Inc., SAS/STAT TM User's Guide, Version 6, 1989. -Cary NC. N.Y.: SAS Institute Inc., 1989. - 24 р.
12. Харрисон Дж., Уайнер Дж., Тэннер Дж. Биология человека. -М.: Наука, 1979. - 342 с.
13. Зигель Х., Зигель А. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. - М.: Наука, 1993. - 152 с.
14. Braeckman B., Brys K., Rzeznik U., et al. Cadmium pathology in an insect cell line: ultrastructural and biochemical effects // Tissue and Cell. - 1999. - V. 31. - № 1. - P. 45-52.
15. Hamada T., Tanimoto A., Sasaguri Y. Apoptosis induced by cadmium // Apoptosis. - 1997. - V. 2. - № 4. - P. 359-367.
16. Bhattachryya M.H. Bioavailability of orally administered cadmium and lead tothe mother, fetus and neonate during pregnancy and lactation: an overiew // Sci. Total. Environ. - 1983. - V. 28. -P. 327-342.
17. Frame M.D., Milanick M.A. Mn and Cd transport by the Na-Ca exchanger of ferret red blood cells // Am. J. Physiol. - 1991. -V. 261. - № 3 (Pt. 1). - P. 467-475.
18. Lou M., Garay R., Alda J.O. Cadmium uptake through the anion exchanger in human red blood cells // J. Physiol. - 1991. - V. 443. -№ 11. - P. 123-136.
19. Al-Nasser Ibrahim A. Cadmium hepatotoxity and alteration of the mitochondrial function // J. Toxicol. Clin. Toxicol. - 2000. - V. 38. - № 4. - P. 407-413.
20. Foulkes E.C. On the mechanism of cellular cadmium uptake // Biol. Trace. Elem. Res. - 1989. - V. 21. - № 4. - P. 195-200.
21. Min K.S., Ohyanagi N., Ohta M., et al. Effect of erythropoiesis on splenic cadmium-metallothionein level following an injection of CdC12 in mice // Toxicol. Appl. Pharmacol. - 1995. - V. 134. -№ 2. - P. 235-240.
22. Tanaka K., Min K. S., Onosaka S., et al. The origin of metallothion-ein in red blood cells // Toxicol. Appl. Pharmacol. - 1985. - V. 78. -№ 1. - P. 63-68.
23. Левина Э.Н. Общая токсикология металлов. - Л.: Наука, 1982.- 168 с.
Поступила 15.03.2010 г.
УДК 621.039.75.16
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ НАГНЕТАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В ПЛАСТ-КОЛЛЕКТОР
Т.Ю. Заведий
ОАО «Сибирский химический комбинат», г. Северск E-mail: taras_zavedy@mail333.com
Приведен модельный расчет температурного поля и показан пример определения коэффициента межфазного распределения для изотопа 137Cs по результатам решения обратной задачи теплофизики. Особенностью расчета является то, что для решения не требуется информации о первоначальной активности удаленных в пласт-коллектор растворов жидких радиоактивных отходов. Входными параметрами решения обратной задачи являются только эффективная мощность пласта-коллектора, время наступления максимума температурного разогрева геологической средыi в контрольной скважине и расстояние от нагнетательной скважиныI.
Ключевые слова:
Коэффициент межфазного распределения, скважинная термометрия, радиогенный разогрев пласта-коллектора, сорбция радионуклидов на породе. Key words:
Interfacial distribution coefficient, well temperature logging, radiogenic heating of aquifer, sorption of radionuclides at rocks.
Впервые задача, связанная с тепловыделением при захоронении в геологическую среду жидких радиоактивных отходов (ЖРО), была сформулирована в [1]. Физико-химические условия захоронения ЖРО, взаимодействие отходов с пластовыми водами, условия сорбции на вмещающих породах, изложены в работе [2]. Аналитические решения для температурного поля в сферической системе координат были рассмотрены в [3, 4]. Наиболее адекватными, в свое время, являлись аналитические решения в цилиндрической системе координат, предложенные научным коллективом ВНИ-ПИПТ, г. Москва, 1975 г. Недостатками большинства предложенных ранее решений являются пренебрежение рядом физических процессов, таких как: конвективный перенос дополнительного тепла пластовой жидкостью и нагнетаемыми растворами, зависимость теплофизических параметров пород от температуры, анизотропия теплопроводности в вертикальном и латеральном направлениях. При моделировании процессов подземного
захоронения ЖРО особое внимание должно уделяться именно учету сорбции на минеральном скелете породы. Эти процессы, наряду с удельной активностью ЖРО, являются определяющими факторами величины теплового разогрева вмещающей геологической среды. В работе [5] выполнен наиболее полный учет физико-химических, радиационных и тепловых процессов при нагнетании технологических ЖРО в радиально изотропный пласт-коллектор.
С 1963 г. на полигоне подземного захоронения Сибирского химического комбината (СХК, г. Северск, Томская обл.) выполняется промышленное нагнетание щелочных технологических ЖРО. Фоновые значения естественного температурного поля 7фон на участке захоронения в интервале эксплуатационного горизонта 16... 17 °С (глубины 310...340 м). С учетом технологических ограничений значения удельной активности захораниваемых ЖРО, для моделирования принимается диапазон изменения расчетной температуры пласта в ин-
