CC BY
53
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
© ТРОФИМОВИЧ Е . М. , АЙЗМАН Р. И . , 2019
Трофимович Е.М.1, Айзман Р.И.1,2
СИСТЕМА МЕТАБОЛИЗМА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ КАК МЕТОДИЧЕСКАЯ ОСНОВА ОЦЕНКИ ЕЁ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА
'ФБУН «Новосибирский НИИ гигиены» Роспотребнадзора, 630108, Новосибирск;
2ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный педагогический университет», 6301026, Новосибирск
Физиолого-гигиенический анализ метаболизма питьевой воды является методологической основой для изучения обмена микроэлементов и обоснования гигиенических норм водопотребления и определения её микроэлементного состава. На основе литературных данных представлена физиологическая система метаболизма питьевой воды как научная основа для гигиенического нормирования её микроэлементного состава. Показано, что питьевая вода в качестве основных неотъемлемых компонентов содержит семь витальных ионов и восемь основных органотропно-облигатных химических элементов. Витальные ионы и молекулы воды являются главными минеральными компонентами водно-солевого обмена, участвуют во всех обменных процессах, включая энергетический обмен и терморегуляцию организма. Витальные и органотропно-облигатные химические элементы могут входить в состав ферментов, биосубстратов, активировать/ингибировать ферменты или избирательно катализировать реакции обмена веществ. Циркуляция воды в организме осуществляется по транскорпоральному и интракорпоральному циклам, сбалансированными нейро-гормональными механизмами регуляции водно-солевого обмена. Транскорпоральный цикл имеет прямую связь с внешней средой, а интра-корпоральный представляет собой внутреннюю среду организма. Описаны водно-солевые нагрузочные пробы для оценки водно-электролитного гомеостаза организма и физиолого-гигиенического обоснования потребления ионов. Заключение. Витальные ионы и органотропно-облигатные химические элементы в питьевой воде должны иметь диапазон гигиенических норм, границы которых устанавливаются в хроническом гигиеническом эксперименте, а выбор концентраций (доз) обосновывается в субхроническом опыте с использованием нагрузочных проб на систему регуляции метаболизма питьевой воды, что показано на примере магния.
Ключевые слова: метаболизм питьевой воды; химический состав воды; регуляция водно-солевого баланса; транскорпоральный и интракорпоральный циклы; магний.
Для цитирования: Трофимович Е. М. , Айзман Р. И. Система метаболизма питьевой воды как методическая основа оценки её минерального состава. Гигиена и санитария. 2019; 98(5): 555-562 . DOI: http://dx.doi. org/10 .18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
Для корреспонденции: Трофимович Евгений Михайлович, доктор мед . наук, гл. науч . сотр . ФБУН «Новосибирский НИИ гигиены» Роспотребнадзора, 630108, Новосибирск. E-mail: ngi@niig. su
Айзман Роман Иделевич, доктор биол. наук, проф . , засл. деятель науки РФ, зав . каф . анатомии, физиологии и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВО Новосибирского государственного педагогического университета, гл . науч. сотр . ФБУН Новосибирского НИИ гигиены Роспотребнадзора, 6301026, Новосибирск. E-mail: aizman.roman@yandex.ru
Финансирование. Статья не имела финансовой поддержки .
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Поступила 30 . 01. 2018 Принята к печати 06. 02 . 2019 Опубликована 06. 2019
Trofimovich E.M.1, Aizman R.I.12
SYSTEM OF METABOLISM OF DRINKING WATER AS A METHODOLOGICAL BASIS FOR THE ESTIMATION OF ITS MINERAL COMPOSITION
Novosibirsk Research Institute of Hygiene, Novosibirsk, 630108, Russian Federation; 2Novosibirsk State Pedagogical University, Novosibirsk, 6301026, Russian Federation
The physiological-hygienic system of drinking water metabolism is presented. Drinking water was shown to contain seven vital ions and eight organotrophic-obligate chemical elements as major integral components. Vital ions and water molecules are the main components of water-salt metabolism, are involved in all metabolic processes, including energy metabolism and thermoregulation of the body. Organotropic-obligate chemical elements can enter the composition of enzymes and selectively catalyze enzymatic processes. Circulation of water in the body is carried out both via transcorporal and intracorporal cycles, the adjustable by mechanisms of water-salt metabolism regulation. Transcorporal cycle has a direct relationship with the environment, and the intracorporal cycle is an internal medium. Vital ions and organotrophic-obligate chemical elements in drinking water have a range of hygienic norms that is demonstrated on the example of magnesium.
Keywords: drinking water metabolism; the chemical composition of water; regulation of water-salt balance; transcorporal and intracorporal cycles; magnesium
For citation: Trofimovich E . M . , Aizman R. I. System of metabolism of drinking water as a methodological basis for the estimation of its mineral composition. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal) 2019; 98(5): 555-562 . (In Russ . ). DOI: http://dx. doi. org/10 .18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
For correspondence: Evgeny M. Trofimovich, MD, Ph. D. , DSci. , chief researcher of the Novosibirsk Research Institute of Hygiene,
Novosibirsk, 630108, Russian Federation. E-mail: ngi@niig . su
Information about the author: Aizman R. I . , http://orcid . org/0000-0002-7776-4768
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Acknowledgments. The study had no sponsorship . Received: 30 January 2018 Accepted: 06 February 2019 Published 06. 2019
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
Метаболизм питьевой воды как гигиеническая система был впервые представлен автором этой работы в статье [20] . Было показано, что оценка гигиенических свойств полезной для организма питьевой воды должна учитывать молекулярные механизмы регуляции обмена внеклеточной и внутриклеточной жидкостей, концентрации в ней основных ионов водно-солевого обмена и выделения из организма водных растворов всех конечных продуктов метаболизма . Взаимосвязь процессов поступления питьевой воды в организм по рефлексу жажды, поддержание постоянства объёма и состава водных секторов организма, баланса витальных ионов питьевой воды между внеклеточной средой и цитоплазмой, а также экскреция воды во внешнюю среду регулируется нейро-гормональными механизмами [8, 11, 13] . Эти процессы представлены в виде физиолого-гигиенической схемы метаболизма питьевой воды (рис . 1), состоящей из гигиенически значимых интракорпорального цикла, относительно стабильно регулирующего баланс воды и ионов в организме, и транскорпорального цикла, обеспечивающего связь внутренней и внешней среды организма за счёт активного потребления и экскреции жидкости, а также блока центральной регуляции всей системы метаболизма воды и витальных ионов [20]. Эти теоретические положения являются актуальными в установлении диапазона допустимых гигиенических норм (ДГН) содержания ионов и химических элементов в питьевой воде
На основе литературных данных и собственных исследований авторов представлен теоретический анализ метаболизма питьевой воды и нейрогуморальных факторов регуляции водного баланса в системе осмо- и волюморегуляции . Этот анализ представлен на схемах в рис 1 и 2 На их основе теоретически обоснованы и экспериментально с помощью разработанных авторами водно-солевых нагрузочных проб [15] доказаны возможности определения гигиенических нормативов допустимых концентраций макро- и микроэлементов в питьевой воде
Питьевая вода служит основой всех метаболических процессов в организме и базисным субстратом водно-солевого обмена Она является гигиенически полезным раствором необходимых организму природных химических веществ (ионов), названных нами витальными и органотропно-облигатными (табл 1)
Витальные ионы участвуют в обеспечении возбудимости тканей, генерации электрического потенциала в клеточных мембранах, во всех метаболических реакциях организма, а органотропно-облигатные ионы могут входить в состав ряда ферментов, выступать как активаторы, ингибиторы или катализаторы отдельных биохимических реакций [23]. Например, Си2+ активирует цитохромоксидазу, тирозиназу, церулоплаз-мин; ^е2+(3+) - цитохромы, пероксидазу, каталазу, ферродоксин; 1пг* активирует алькогольдегидрогеназу, карбоангидразу, орги-назу; Со2+ выступает как кофермент в составе глицилглицин-дипептидазы и 5-дезоксиаденозилкобаломина (метил-КоА-кар-бонилмутаза), производного витамина В12; К входит в состав ткани зубов; ^ участвует в синтезе и секреции тироксина и трийодтиронина [6, 7, 9, 10]. Следовательно, физиолого-гигиенически полезная питьевая вода должна содержать семь витальных и восемь основных органоптропно-облигатных ионов, незаменимых в жизненных процессах человека [19]. Активация, ингибирование ферментов или катализ реакций зависит от концентрации ионов в жидкостях организма Например, при оптимальном содержании М^2+ в плазме скорость зависимых от него ферментативных реакций протекает в гомеостатическом режиме, а при повышении его концентрации - снижается [6]. Это приводит к необходимости обоснования диапазона допустимых гигиенических норм витальных и органотропно-облигатных ионов в питьевой воде
Вода как растворитель природных химических веществ электрически полярна вследствие характерного расположения электронов в молекуле Н2О Кислород притягивает к себе электроны водорода, частично «обнажая» их положительно заряженные ядра, в результате чего атомы водорода придают молекуле Н2О положительный заряд, а атомы кислорода, за счёт полученных от водорода электронов, - отрицательный заряд . Так, Н2О, не обладая суммарным зарядом, становится электрическим диполем Полярность молекул воды способствует их взаимному притяжению с образованием ассоциаций, поддерживаемых непрочными межмолекулярными водородными связями Электронные орбиты кислорода обусловливают тетраэдрический порядок направленности водородных связей между молекулами
Рис . 1. Схема регуляции метаболизма воды . Антидиуретический гормон (АДГ) - предсердный натрийуретический гормон (ПНУФ) .
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
III I II
Рис . 2 . Физиолого-гигиеническая схема регуляции метаболизма питьевой воды: I - блок центральной регуляции «почки - ССС - ЦНС»; II - транскорпоральный цикл метаболизма питьевой воды; III - интракорпоральный цикл метаболизма питьевой воды .
АКТГ - адренокортикотропный гормон; АДГ - антидиуретический гормон; ПНУГ - предсердный натрийуретический гормон .
Н2О с образованием из них компактных упорядоченных пространственных кластеров . Некоторое количество молекул Н2О, не ориентированных между собой на образование водородных связей, остаётся в состоянии свободных мономеров, не объединенных в кластеры . В совокупности это придаёт воде уникальные физические и химические свойства по сравнению с другими жидкостями [17] .
Степень ионизации молекул воды незначительна . При температуре 22 оС из каждых 55,51 г-моль, содержащихся в 1 дм3 воды, образуется лишь по 10-7 г-моль ионов Н+ и ОН- . Это позволяет считать, что количество молекул Н2О в любом объёме питьевой воды является величиной преобладающей и практически постоянной . При равенстве ионов Н+ и ОН- вода имеет нейтральную реакцию, выражаемую отрицательным логарифмом концентрации Н+ = 10-7 (рН = 7) .В биосредах организма рН < 7 свидетельствует о наличии ацидоза, а рН >7 - алкалоза . От величины рН зависит активность метаболических реакций обмена веществ В организме человека внутриклеточные ферменты активны при рН = 7, а внеклеточные ферменты имеют различный диапазон рН-активности Например, пепсин активен при рН < 7, а панкреатические ферменты - при рН > 7 [6, 9].
В природе полярные молекулы воды растворяют и постоянно удерживают в ионизированном виде соли витальных или ор-ганотропно-облигатных ионов . Например, соль NaCl, имеющая очень стабильную кристаллическую решетку, поддерживается в питьевой воде в виде физиологически активных ионов N0?+ и С1 за счёт разности энергии водородных ионных Н-Н и кова-
лентных Н-О связей в молекулах воды В организме вода диспергирует и превращает органические молекулы в химически активные мицеллы Вода является химическим веществом, активирующим реакционные свойства белков, нуклеиновых кислот, липидов и других биологических субстратов организма
Суточное потребление питьевой воды взрослым человеком массой 70 кг при комфортной температуре воздуха в покое составляет 1 000-2 400 мл, а при увеличении температуры воздуха до 32°С - 2 840 мл . При умеренной физической нагрузке и комфортной температуре воздуха суточная норма потребления питьевой воды взрослым человеком увеличивается до 3 000 мл . Норма потребления питьевой воды для детей 5-14 лет при комфортной температуре окружающей среды находится на уровне от 1 000-1 200 до 1 310-1 670 мл исходя из индивидуальных особенностей [24]. Количество воды в организме человека в зависимости от возраста составляет 60-85% от массы тела (табл . 2) .
Таблица 1
Ионный состав питьевой воды
Питьевая Н2О Катионы и анионы
вода [H+][OH-] витальные органотропно-облигатные
K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO-3, SO42- Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, Co2+, Mo2-, F-, J-
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
Таблица 2
Таблица 4
Общее количество воды в организме человека [24]
Водный баланс взрослого человека [24]
Возраст
Вода, мл на 1 кг массы тела
Новорождённые 6-12 месяцев 5-10 лет 17-20 лет 20-32 года 35-54 года: мужчины женщины 60 лет и старше
757(703-811) 604(579-638) 615(565-665) 602 (502-702) 519(456-599)
554 (447-641) 482 (405-543) 541 (478-628)
В организме к объёму потреблённой питьевой воды добавляется около 300 мл метаболической воды как продукта катаболизма: при метаболизме одного грамма гликогена образуется 1,5 мл воды, 1 г белка - 3 мл воды, 1 г жира - 1,07 мл воды [9].
Весь объём жидкости тела человека распределяется в органах и тканях неравномерно (табл . 3) . Жидкость занимает внутриклеточный и внеклеточный секторы организма. Если принять объём всей жидкости тела за 100%, то к внутриклеточному сектору относится 65-70%, к внеклеточному сектору - 25-30% интерстициальной (межклеточной) и 5% внутрисосудистой жидкости [8, 29]
Метаболизм питьевой воды с позиции гигиенической антро-попатологии мы разделили на два функционально связанных цикла: транскорпоральный и интракорпоральный (см рис 2) [19, 20].
Транскорпоральный цикл представляет собой совокупность процессов, связанных с поступлением питьевой воды в организм и выделением жидкости в окружающую среду через почки, кишечный тракт, лёгкие, кожу и железы внешней секреции (орально-гастро-интестинальное пространство) (табл . 4) .
Интракорпоральный цикл включает процессы обмена жидкости между водными секторами тела, которые не имеют прямой анатомической связи с внешней средой В интракорпоральный цикл входят также тканевые водные депо (скелетные мышцы,
Масса органов, тканей и объём жидкостей массой 70 кг [24]
Таблица 3 тела человека
Орган, ткань Суммарная масса, г Суммарный объём жидкости, мл/см3
Тело стандартного мужчины 70 000 60 000
Мышцы 30 000 23 000
Кожа 2 000 1 800
Жир тела 13 500 2 300
Подкожные ткани 4 100 3 700
Скелет 10 000 3 300
Желудочно-кишечный тракт 2 000 1 800
Кровеносные сосуды 1 800 1 700
Кровь 5 600 5 400
Печень 1 650 1 470
Мозг 1 400 1 350
Лёгкие (2) 825 775
Сердце 330 300
Почки (2) 300 270
Мочевой пузырь 150 140
Поджелудочная железа 110 100
Слюнные железы (6) 50 48
Глаза (2) 30 27
Параметр
Количество воды, мл
Поступление воды в организм, в том числе с пищей:
питьевая вода
пища твёрдая
пища жидкая
метаболическая вода
общее потребление
Выделение воды из организма, мл:
моча
пот
водяные пары при дыхании интестинальный гидроэкскрет общее выведение
1 000-1 700 600-650 600-650 300-100
2 500-3 000
1 400-1 700 450-550 350-650 300-100
2 500-3 000
селезёнка, соединительная ткань, жировая ткань) и жидкости, инкапсулированные в анатомически замкнутых макропространствах (серозные жидкости плеврального, перикардиального, абдоминального пространств, синовиальная жидкость суставов и сухожильных влагалищ, жидкости внутренних камер глаза, ликвор, амниотическая жидкость) (табл 5)
Плевральная, перикардиальная и перитонеальная серозные жидкости полностью обновляются 40-60 раз в сутки, ликвор - 6-8 раз, а синовиальная жидкость в коленных суставах практически каждый час . При этом объёмы и качественный состав каждой жидкости остаются стабильными В органах и тканях, входящих в интракорпоральный метаболический цикл, содержание воды в 5,6 раза больше, чем в транскорпоральном . Транскорпоральный и интракорпоральный циклы связаны между собой и сохраняют в организме динамический гомеостаз благодаря общему нейро-гормональному механизму регуляции поступления жидкости, её метаболического обмена и экскреции
Все жидкости организма содержат ионы В организме человека общее содержание витальных химических элементов преобладает над содержанием органотропно-облигатных элементов . Распределение их в органах и тканях неравномерно . Так, в крови, коже и жировой ткани они распределены в такой соразмерности: Ма > К > Са > М^ в скелетных мышцах -К > Са > Ма > М%; в мягких тканях, в желудочно-кишечном тракте и в головном мозге - К > Ма > Са > [18] . Среди ор-ганотропно-облигатных химических элементов во всех основных органах, тканях и жидкостях преобладает ион железа: ¥е > 1п > Си > Мп > Мо > Со (табл . 6) .
Суточное количественное поступление витальных и орга-нотропно-облигатных ионов в организм находится в соотношении 370:1. Выделение витальных ионов из организма в покое происходит преимущественно с мочой в количественном соотношении моча : фекалии = 7,4 : 1. Органотропно-облигатные химические элементы Ке, Мп, Си, 1п выделяются из организма преимущественно с фекалиями, а Со, Мо, К, J - с мочой .
Внеклеточная и внутриклеточная жидкости значительно отличаются по концентрации витальных ионов (табл 7)
Поступление питьевой воды в организм регулируется механизмом жажды, которая возникает при уменьшении объёмов внутри- и/или внеклеточных пространств в результате потери воды организмом (абсолютная дегидратация, обезвоживание) или при увеличении поступления натрия в организм без потери воды (относительная дегидратация) [29, 30] . В обоих случаях основной причиной перераспределения воды между внутриклеточным и внеклеточным пространствами является увеличение осмолярности среды, что, наряду с уменьшением объёма жидкости в организме, активирует нейро-гуморальные механизмы благодаря возбуждению рецепторов, реагирующих на уменьшение объёма притекающей к сердцу крови (волюморецепторы), или на увеличение осмолярности (осморецепторы) [11, 12, 22, 27] Последние расположены в периферических органах, тканях
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
Таблица 5
Содержание воды в органах, тканях и структурах интракорпорального и транскорпорального циклов метаболизма питьевой воды у стандартного человека* [20, 24]
Метаболизм питьевой воды
интракорпоральный цикл транскорпоральный цикл
орган, ткань, жидкость масса, г содержание воды, г орган, ткань, жидкость масса, г содержание воды, г
Мышцы скелетные 28 000 22 000 Слюнные железы 85 64
Кости скелета 10 000 3 300 Пищевод 40 30
Хрящ 1100 860 Желудок 150 110
Жировая ткань 13 500 2 300 Кишечник 1 000 790
Лимфатическая ткань 700 672 Печень 1 800 1300
Соединительная ткань 3 400 2 100 Желчный пузырь 10 7,3
Центральная нервная система 1 400 1 100 Поджелудочная железа 100 71
Головной мозг 1 400 1 100 Лёгкие(2) 1 000 780
Спинной мозг 30 23 Почки (2) 310 240
Щитовидная железа 20 15 Мочевой пузырь 45 29
Ликвор 120 120 Простата 16 13
Синовиальная жидкость 50 50 Кожа 2 000 1 800
Амниотическая жидкость 800 800 Молоко грудное 850 850
Всего... 34 440 Всего.. . 6 084,3
Примечание . * - стандартный человек - здесь совокупность средних величин антропометрических, анатомических и физиологических показателей .
и в гипоталамусе . Импульсы от рецепторов поступают в центр жажды гипоталамуса и интегрируются, в результате чего формируется мотивация жажды и стимуляция питьевого поведения . Одновременно с этим происходит ограничение экскреции воды почками вследствие выделения из нейрогипофиза в кровь антидиуретического гормона (АДГ), усиливающего реабсорбцию воды в почечных канальцах (см . рис . 1) [22, 25-27] . Почка в ответ
Таблица 6
Содержание органотропно-облигатных химических элементов и витальных ионов (в мг) в органах и тканях стандартного человека [18, 24]
Орган, ткань
Содержание химических элементов и ионов, мг
органотропно-облигатные химические элементы
Fe Mn Cu Zn Mo Co
Всё тело 4200 12 72 2300 9,5 1,5
Все мягкие ткани 3300 7,2 65 1800 4,5 1,2
Кровь 2500 0,12 5,6 34 0,083 0,0017
Мышцы скелетные 1100 2,5 25 1500 1,3 0,2
Головной мозг 74 0,25 7,1 17 0,078 0,039
Печень 320 0,28 12 85 1,8 0,11
витальные ионы
Na+ K+ Ca2+ Mg2+
Всё тело 100 000 140 000 1 000 000 19 000
Все мягкие ткани 68 000 120 000 14 000 7 800
Скелет 32 000 15 000 960 000 8 400
Желудочно- 1 300 1 500 120 150
кишечный тракт
Жировая ткань 7 600 4 800 340 300
Кожа, эпидермис 4 700 2 200 390 150
Кровь 10 000 8 800 310 130
Мышцы скелетные 440 84 000 870 310
Сердце 76 140 120 190
Головной мозг 2500 3700 110 180
на уменьшение объёма циркулирующей жидкости в сосудистом русле и/или на понижение кровяного давления продуцирует гормон ренин, который участвует в реакции превращения пептида крови ангиотензиногена в гормон ангиотензин-! и последующий его переход в ангиотензин-П, стимулирующий центр жажды в гипоталамусе и вызывающий сосудосуживающий эффект, что обеспечивает баланс между объёмом сосудистого русла и количеством циркулирующей крови, стимулирует секрецию АДГ и гормона альдостерона. Совокупность этих процессов приводит к задержке воды и в организме, что способствует восстановлению относительного объёма жидкости [22, 28].
При избыточном поступлении питьевой воды в организм развиваются противоположные процессы - гипоосмия и гипер-волемия, что приводит к активации транскорпорального цикла метаболизма питьевой воды с усилением выведения воды через почки, кожу и кишечник . В этой реакции развиваются противоположно направленные дефициту питьевой воды в организме гормональные сдвиги: снижение секреции АДГ, торможение активности ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС), а также выделение предсердного натрийуретического гормона (ПНУГ), который секретируется при растяжении правого предсердия вследствие увеличенного объёма жидкости . ПНУГ обладает мощным натрийуретическим и диуретическим действием и ингибирует выделение АДГ[12].
Витальные ионы питьевой воды физиологически активны и в зависимости от концентраций всасываются из желудочно-
Таблица 7
Ионный состав жидкостей внутриклеточного, межклеточного и сосудистого секторов организма [8, 13]
Ион Концентрация ионов, ммоль/л
внутриклеточная межклеточная сосудистая
Na+ 10 140 142
K+ 110 4 4
Ca2+ <1 5 2,5
Mg2+ 50 2 1,5
Cl- 4 109 102
Бикарбонаты 10 26 24
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
Таблица 8
Диуретическая и ионоуретическая функция почек крыс при действии Mg 20,0 мг/дм3 (опыт) в питьевой воде на организм через месяц от начала опыта
Показатель (в моче)
Параметр до водной пробы после водной пробы
контроль опыт контроль опыт
Диуретическая функция:
диурез, мл/100г/ч 0,29 ± 0,04 0,16 ± 0,02^ 1,35 ± 0,06 1,34 ± 0,07
скорость клубочковой фильтрации, мл/100г/ч 28,57 ± 1,51 24,21 ± 2,32 35,99 ± 2,33 34,93 ± 3,39
реабсобция жидкости, % 98,99 ± 0,08 99,33 ± 0,05 96,19 ± 0,17 96,00 ± 0,25
осмотическое очищение, мл/100г/ч 0,84 ± 0,12 0,87 ± 0,07 31,01 ± 4,29 0,99 ± 0,14
осмотическая концентрация мочи, Мосм/л 982 ± 89,5 1652,11 ± 81,51 • 162,80 ± 20,51 217,10 ± 27,04
Ионоуретическая функция:
экскреция Са2+, мМ/100г/ч 1,22 ± 0,15 0,86 ± 0,15 0,82 ± 0,17 1,40 ± 0,32
экскретируемая фракция Са2+, % 1,96 ± 0,24 1,61 ± 0,22 0,94 ± 0,35 1,95 ± 0,51
экскреция Mg2+, мМ/100г/ч 0,94 ± 0,10 0,54 ± 0,06^ 3,84 ± 0,27 4,01 ± 0,21
экскретируемая фракция Mg2+, % 4,72 ± 0,36 3,32 ± 0,27^ 15,47 ± 1,00 17,06 ± 0,89
экскреция Ка+, мМ/100г/ч 12,28 ± 1,14 7,78 ± 1,18^ 5,05 ± 0,88 9,09 ± 1,77
экскретируемая фракция Ка+, % 0,30 ± 0,02 22,49 ± 2,60^ 0,10 ± 0,02 0,19 ± 0,04
экскреция К+, мМ/100г/ч 15,87 ± 1,62 8,68 ± 1,42^ 36,78 ± 2,97 42,27 ± 4,90
экскретируемая фракция К+, % 8,09 ± 1,18 5,01 ± 0,72 14,40 ± 1,02 17,08 ± 1,33
Примечание. • - статистически значимые отличия от контроля .
кишечного тракта в кровь (6) Всасывание солей, содержащихся в химусе, происходит после растворения в воде и последующей их диссоциации на витальные и органотропно-облигатные ионы . Этот процесс контролируется нейро-гормонально в зависимости от состояния гомеостаза ионов в транскорпоральном и интракорпоральном циклах метаболизма питьевой воды . Следовательно, диапазоны допустимой гигиенической нормы концентраций каждого из витальных ионов и органотропно-обли-гатных элементов в питьевой воде являются важным условием устойчивости водно-солевого обмена в организме человека Избыток или дефицит ионов в питьевой воде может привести к напряжению механизмов регуляции их гомеостаза, мобилизации резервных ресурсов организма и даже к срыву адаптационных процессов
Гигиеническое обоснование границ ДГН иона (элемента) в питьевой воде решается путём моделирования ионного состава воды и применения специфических нагрузочных проб на организм: пероральной водной пробы (1-2% питьевой воды однократно от массы тела человека, 3-5% для животных) и ионных нагрузочных проб витальными катионами Ма+, К+, М?2+, Са2+ [1, 2, 4, 5, 15, 21] В хроническом эксперименте водная проба проводится однократным введением контрольной питьевой воды через зонд в желудок в объёме 5% от массы тела животного При всасывании воды из желудочно-кишечного тракта в портальном участке системы кровообращения возникает гипоосмия, которая вызывает возбуждение осморецепторов печени . Это приводит к ингибированию секреции АДГ из задней доли гипофиза, что вызывает торможение факультативной реабсорбции воды в почечных канальцах, показателем которого служит экскреция осмотически свободной воды и развитие водного диуреза При этом сопутствующим процессом, способствующим сохранению осмотического гомеостаза, как правило, является уменьшение экскреции Ма+за счёт увеличения его реабсорбции в дистальном сегменте нефрона вследствие повышения концентрации альдостерона, уменьшения АДГ и окситоцина в крови. В этом процессе принимают участие также кортизол и другие специфические для исследуемого иона гормоны [2, 22]. Водная проба уменьшает напряжение осморегулирующей функции почек и способствует нормализации объёмного, осмотического и ионного гомеостаза Нор-
мализация гомеостатических показателей после водной пробы свидетельствует о благоприятной динамике процесса адаптации почек к заданному объёму жидкостей и концентрации ионов или органотропно-облигатных элементов в питьевой воде .
Ионные нагрузочные пробы применяются в двух вариантах:
1) путём дробного повышения концентрации исследуемого химического вещества в питьевой воде в отдельные периоды хронического эксперимента;
2) путём однократных введений солей натрия, калия, кальция или магния в желудок в виде растворов в контрольной питьевой воде
Натриевая нагрузочная проба (3%-м раствором МаС1 в объеме 5 мл/100 г массы тела животного или 100 мг/кг в объёме 10 мл/кг для человека) вызывает в организме гипернатриемию в воротной вене и стимулирует активацию осмо- и натрийре-цепторов печени [4, 5, 15,] . Это приводит к выделению АДГ, окситоцина и уменьшению концентрации альдостерона в плазме крови Одновременно происходит подавление симпатической импульсации в почечных нервах, уменьшение количества катехоламинов в крови и торможение секреции ренина В итоге формируется специфическая натрийрегулирующая почечная реакция, проявляющаяся торможением диуреза и повышением натрийуреза
Калиевая ионная нагрузочная проба (1%-м раствором КС1 в объёме 5 мл/100 г массы тела животного или 50 мг/кг в объёме 10 мл/кг для человека) вызывает возбуждение калиевых рецепторов печени и включение калийрегулирующего рефлекса, выражающегося калийурезом и уменьшением экскреции осмотически свободной воды, обусловленных повышением секреции АДГ и альдостерона [1, 21]
Магниевая проба (1%-м раствором Ы^С1г в том же объёме воды для животных или 10 мг/кг в объёме 10 мл/кг для человека) вызывает магнийрегулирующий рефлекс, выражающийся снижением диуреза и повышением экскреции магния с мочой [14, 16] . Реакция развивается под влиянием вазопрессина, парати-реоидина и тиреокальцитонина с эффектом снижения скорости клубочковой фильтрации и увеличения реабсорбции жидкости в канальцах нефронов Одновременное повышение экскретиру-емой фракции М^+в моче свидетельствует о преобладании ка-нальцевого механизма магнийуретической реакции
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
Кальциевая нагрузочная проба испытана нами только на крысах путём повышения концентрации иона в питьевой воде в процессе хронического 6-месячного эксперимента [3]. Концентрация Са2+ в крови находится под постоянным специфическим гормональным контролем тиреокальцитонина и паратгормона (ПТГ) при участии гормоноподобного пептида кальцийтрио-ла (витамин П). При гиперкальциемии ПТГ ограничивает всасывание Са2+ из тонкого кишечника в кровь, его реабсорбцию в почках и стимулирует кальцийурез Паратгормон стимулирует гиперкальциемию за счёт выхода Са2+ в кровь из депо (костной ткани), повышения его всасывания в желудочно-кишечном тракте и торможения реабсорбции иона в почках при участии каль-цийтриола [10].
Методической основой для использования ионных нагрузочных проб с целью обоснования ДГН витальных ионов или ор-ганотропно-облигатных химических элементов в питьевой воде являются следующие физиологические закономерности, выявленные при использовании водной пробы и ионных нагрузок, описанных выше, на организм:
• при длительном потреблении питьевой воды с дефицитом иона экскреция его почками в ответ на ионную нагрузочную пробу снижается, а с избыточным содержанием иона развивается адаптационная почечная реакция с гиперионурией При этом метаболизм иона переходит на новый гомеостати-ческий уровень с возможным последующим напряжением механизмов регуляции водно-солевого гомеостаза и адаптационных ресурсов вплоть до их истощения;
• для обоснования ДГН витальных ионов питьевой воды выбор их концентраций целесообразно проводить в предварительном субхроническом 1-2-месячном эксперименте с водной пробой и ионными нагрузками для оценки уровня функционирования регуляторных механизмов водно-солевого гомеостаза, учёт которых необходим в последующем хроническом физиолого-гигиеническом эксперименте Примером такого методического подхода может быть выбор
минимальных концентраций (доз) магния для обоснования его ДГН в питьевой воде, выполненный нами в субхроническом эксперименте
На взрослых крысах самцах линии Vistar, содержащихся на свободном питьевом режиме и стандартном корме, в субхроническом одномесячном эксперименте проверялась функция почек при заданных концентрациях магния в питьевой воде Для контрольной группы крыс концентрация Mg2+ в питьевой воде составляла 6,0 мг/дм3, а для опытной группы была увеличена до 20,0 мг/дм3 . У опытных крыс в первый месяц наблюдалось напряжение диуретической и осморегулирующей функций почек Это выразилось снижением диуреза за счёт повышения относительной реабсорбции жидкости, а также увеличением осмоляр-ности мочи при парадоксальном снижении экскреции ионов, что свидетельствовало о наступлении первой фазы адаптивной реакции (табл 8) После водной пробы процесс регуляции водно-солевого гомеостаза у подопытных крыс нормализовался вследствие уменьшения напряжения осморегулирующих механизмов и нормализации функции почек к действию Mg2+ питьевой воды в концентрации 20,0 мг/дм3 . Это показало, что концентрации М^+ 6,0 и 20,0 мг/дм3 могут быть испытаны в хроническом эксперименте по обоснованию ДГН магния в питьевой воде .
Заключение
На основе учёта фундаментальных механизмов регуляции водно-солевого обмена впервые представлена физиолого-ги-гиеническая модель метаболизма питьевой воды, состоящая из транскорпорального и интракорпорального циклов регуляции жидкости и ионов в организме Выделены семь витальных ионов питьевой воды, обеспечивающих гомеостаз внутриклеточной и внеклеточной жидкостей организма Показано, что витальные ионы и органотропно-облигатные химические элементы должны иметь диапазон допустимой гигиенической нормы в питьевой воде для поддержания водно-солевого гомеостаза в организме Установление ДГН минеральных элементов питьевой воды целесообразно проводить в хроническом гигиеническом эксперименте с применением физиологических нагрузочных проб на систему регуляции водно-солевого обмена
Литература (пп . 25-30 см . References)
1 Айзман Р И Влияние водно-калиевой нагрузочной пробы на функцию почек. Физиология человека. 1981; 7 (4): 687-692.
2. Айзман Р. И. , Великанова Л . К. Оценка водно-солевого обмена и функции почек с помощью нагрузочных проб . В кн . : Новые методы научных исследований в клинической и экспериментальной медицине. Новосибирск, 1980: 5-13
3 Айзман Р И , Недовесова С А , Трофимович Е М , Турбинский В В Функциональное состояние почек у животных при потреблении питьевой воды с повышенным содержанием кальция. Медицина труда и экология человека. 2016; (4): 38-44.
4. Айзман Р. И. , Петрова О. Н. Реакция почек подростков на водную и солевую нагрузку. В кн . : Возрастные особенности морфологии и физиологии человека Новосибирск, 1981: 81-94
5 . Айзман Р. И . , Тернер А. Я . Возрастные особенности ионорегулирую-щей функции почек. Физиология человека. 1989; 4: 78-86.
6. Диксон М .Д. , Уэбб Э. Ферменты. М . : «Мир»; 1966. .
7. Зайчик А. Ш. , Чурилов Л . П. Основы патохимии. «ЭЛБИ-СПб»; Санкт-Петербург; 2001
8. Керпель-Фрониус Э. Патология и клиника водно-солевого обмена. Будапешт: Изд-во Академии наук Венгрии; 1964
9. Ленинджер А. Биохимия. М. :Мир; 1985.
10 . Марри Р. , Греннер Д . , Мейес П . , Родуэлл В . Биохимия человека: В 2-х томах Т 2 Пер с англ : М : Мир, 1993 415 с
11. Наточин Ю . В . Водно-солевой гомеостаз - роль рефлексов, гормонов, инкретинов, аутакоидов . Научные труды III физиологов СНГ. Ялта; 2011; 7-9 .
12 Наточин Ю В Физиология человека: почка Физиология человека. 2010; 36(5): 9-18 .
13 Наточин Ю В , Шахматова Е И Соотношение катионов в жидкостях внутренней среды у водных и наземных организмов Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2013;99 (3): 383- 91.
14 Недовесова С А , Трофимович Е М , Турбинский В В , Айзман Р И Влияние длительного потребления питьевой воды с повышенным содержанием магния на функции почек у животных Вестник Новосибирского государственного педагогического университета. 2017; (1): 216-29 .
15 Орехов К В Айзман Р И , Великанова Л К , Тернер А Я , Финкин-штейн Я Д , Трофимович Е М Возрастные аспекты исследования водно-солевого обмена и функций почек у человека с помощью водной и водно-солевых функциональных проб Методические рекомендации. Утверждены МЗ СССР,28. 12 . 83 г. , № 11-14/22-6 .
16 Пантюхин И В , Финкинштейн Я Д Рефлекторные механизмы поддержания магниевого гомеостаза. Бюл. эксперим. биол. и мед. 1977; 84 (7): 7-11.
17 . Саркисов Г. Н . Структурные модели воды . Успехи физических наук.
2006; 176 (8): 833-945.
18 Скальный А В , Рудаков И А Биоэлементы в медицине. М : Издательство «Мир»; 2004
19 Трофимович Е М Гигиеническая антропопатология Гигиена и санитария. 2003; (6): 43-7.
20 Трофимович Е М Метаболизм питьевой воды Гигиенический аспект Сборник. Материалы Пленума Научного Совета РФ по экологии человека и гигиене окружающей среды. М . МЗ РФ, ОМН РАН . 2016: 428-31.
21 Трофимович Е М , Айзман Р И , Крашенинина Г И , Герасев А Д Обмен калия и его гигиеническое значение. Новосибирск, Изд-во НГПУ, 2004, 40 с
22 . Финкинштейн Я . Д . Осморегулирующая система организма высших
животных Новосибирск: Наука; 1983
23. Хуго Ф . Нейрохимия. Основы и принципы. (перевод с англ.). М . : Издательство «Мир»; 1990
24. Человек. Медико-биологические данные. Международная комиссия по радиологической защите. М : Медицина; 1977
References
1. Aizman R. I . Vliyanie vodno-kalievoj nagruzochnoj proby na funkciyu pochek. Fiziologiya cheloveka. 1981; 7 (4): 687-692.
2 . Aizman R. I . , Velikanova L. K . Ocenka vodno-solevogo obmena i funkcii
pochek s pomoshch'yu nagruzochnyh prob . In. : Novye metody nauchnyh issledovanij v klinicheskoj i eksperimental'noj medicine, Novosibirsk, 1980:5-13 .
3 Aizman R I , Nedovesova S A , Trofimovich Е M , Turbinskij V V Funkcional'noe sostoyanie pochek u zhivotnyh pri potreblenii pit'evoj vody s povyshennym soderzhaniem kal'ciya. Medicina truda i ekologiya cheloveka. 2016; (4): 38-44.
4 Aizman R I , Petrova O N Reakciya pochek podrostkov na vodnuyu i solevuyu nagruzku . In . : Vozrastnye osobennosti morfologii i fiziologii cheloveka. Novosibirsk, 1981: 81-94
5 . Aizman R. I . , Terner A. YA . Vozrastnye osobennosti ionoreguliruyushchej
funkcii pochek Fiziologiya cheloveka 1989; 4: 78-86
6 . Dikson M . D . , UebbE . Fermenty. Moscow: «Mir»; 1966.
7. Zajchik A. SH , CHurilov L. P. Osnovy patohimii. «ELBI-SPb»; Sankt-Peterburg; 2001
JSnieHa h camrrapmi. 2019; 98(5)
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-5-555-562
8 . Kerpel'-Fronius E . Patologiya i klinika vodno-solevogo obmena. Buda-
pesht: Izd-vo Akademii nauk Vengrii; 1964.
9 . Lenindzher A. Biohimiya. Moscow: Mir; 1985 .
10 . Marri R. , Grenner D . , Mejes P. , Roduell V. Biohimiya cheloveka: 2 . Mos-
cow: Mir, 1993. 415 p . 11. Natochin Yu. V. Vodno-solevoj gomeostaz - rol' refleksov, gormonov, inkreti-nov, autakoidov. Nauchnye trudy III fiziologov SNG. YAlta; 2011; 7-9 .
12 . NatochinYU . V. Fiziologiya cheloveka: pochka. Fiziologiya cheloveka.
2010; 36 (5): 9-18 .
13 . Natochin Yu. V. , Shahmatova E . I. Sootnoshenie kationov v zhidkostyah
vnutrennej sredy u vodnyh i nazemnyh organizmov. Rossijskij fizio-logicheskij zhurnal im. I.M. Sechenova. 2013;99 (3): 383- 91. 14. Nedovesova S . A. , Trofimovich E . M . , Turbinskij V. V , Aizman R. I . Vliya-nie dlitel'nogo potrebleniya pit'evoj vody s povyshennym soderzhaniem magniya na funkcii pochek u zhivotnyh . Vestnik Novosibirskogo gosu-darstvennogo pedagogicheskogo universiteta. 2017; (1): 216-29.
15 . Orekhov K . V. Aizman R. I . , Velikanova L. K . , Terner A. YA. , Finkinshtejn
Ya. D. , Trofimovich E. M. Vozrastnye aspekty issledovaniya vodno-solevogo obmena i funkcij pochek u cheloveka s pomoshch'yu vodnoj i vodno-solevyh funkcional'nyh prob Metodicheskie rekomendacii Ut-verzhdeny MZ SSSR,28 .12 . 83 g. , № 11-14/22-6.
16 Pantyuhin I V , Finkinshtejn YA D Reflektornye mekhanizmy podder-zhaniya magnievogo gomeostaza Byul. eksperim. biol. i med 1977; 84 (7): 7-11.
17. Sarkisov G. N . Strukturnye modeli vody. Uspekhi fizicheskih nauk. 2006; 176 (8): 833-945.
18 Skal'nyj A V , Rudakov I A Bioelementy v medicine Moscow: Izdatel'stvo «Mir»; 2004.
19 Trofimovich E M Gigienicheskaya antropopatologiya Gigiena i sani-tariya [Hygiene and Sanitation, Russian journal], 2003; (6): 43-7.
20 Trofimovich E M Metabolizm pit'evoj vody Gigienicheskij aspekt
Sbornik. Materialy Plenuma Nauchnogo Soveta RF po ekologii che-loveka i gigiene okruzhayushchej sredy. M MZ RF, OMN RAN 2016: 428-31.
21. Trofimovich E . M . , Aizman R. I. , Krasheninina G. I. , Gerasev A. D. Obmen kaliya i ego gigienicheskoe znachenie Novosibirsk, Izd-vo NGPU, 2004, 40 p
22 Finkinshtejn YA D Osmoreguliruyushchaya sistema organizma vysshih
zhivotnyh. Novosibirsk: Nauka; 1983 23. Hugo F. Nejrohimiya. Osnovy i principy. Transl . from engl. Moscow: Izdatel'stvo «Mir»; 1990
24 . Chelovek. Mediko-biologicheskie dannye . Mezhdunarodnaya komissiya
po radiologicheskoj zashchite M : Medicina; 1977
25 Bankir L , Bichet D G , Morgenthaler N G Vasopressin: physiology, assessment and osmosensation . J. Intern. Med. 2017; 282 (4): 284-97.
26 Knepper M A Molecular physiologyof urinary concentrating mecha-nismA regulation of aquaporin water channels by vasopressin. Am. J. Physiol., 1997; 272: F3-F12.
27 Mai T N , Garland E M , Diedrich A , Robertson D Hepatic and renal mechanisms underlying the osmopressor response Auton Neuroscience, 2017; 203:58-66 .
28 . Orth D. N. , Kovacs W. J. The adrenal cortex. Eds . Wilson J. D. , Foster
D . W. , Kronenberg H . M . , Larsen P. R. In: Williams Textbook of Endocrinology. W. B . Sanders, Philadelphia, 1998: 517-664.
29 . Verbalis J. G. Disorders of Water Metabolism. Chapter 2 . In: Contempo-
rary Endocrinology: Handbook of Diagnostic Endocrinology. Ed . J. E . Hall and L. K . Nieman . Humana Press Inc . , Totowa, NJ:. 23-51.
30 . Zimmerman C . A. , Lin Y. C . , Leib D. E. , Guo L. , Huey E. L. , Daly G. E. ,
Chen Y , Knight Z A Thirst neurons anticipate the homeostatic conce-quences of eating and drinking. Nature. 2016. 537 (7622): 680-4.
