CC BY
24
Инновационное направление науки 17
УДК 574.24(599.745.3):616.366-002:577.17.049
Сравнительная характеристика содержания микроэлементов в тканях желудочно-кишечного тракта водных млекопитающих и человека
А. С. Танасова1, Т. С. Ершова1, И.В. Зайцев2, В. Ф. Зайцев
1 ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет»
2 ФГБОУ ВО «Астраханский государственный медицинский университет»
Аннотация. В статье представлены результаты исследования определения содержания хрома, кобальта, никеля, цинка и кадмия в органах желудочно-кишечного тракта человека и каспийского тюленя. Исследования проводились на материале, полученном при секционном исследовании у погибших от несчастных случаев здоровых лиц в возрасте от 40 до 68 лет, где материалом для исследования служили фрагменты тканей желудка и кишечника человека (Homosapiens) и на образцах проб органов и тканей каспийского тюленя (Phoca caspica) в возрасте от 1 до 20 лет, полученных в результате экспедиций в период с 2010 по 2014 гг.
Исследования элементного состава органов и тканей исследуемых объектов проводилось по 5 химическим элементам с помощью метода атомно-абсорбционной спектрографии на атомно-абсорбционном спектрометре МГА-915.
Установлено, что в наибольших количествах среди изученных микроэлементов в желудке и кишечнике как человека (50,58 и 40,41 мг/кг соответственно), так и каспийского тюленя (60,6310,88 мг/кг соответственно) аккумулируется цинк, что объясняется его физиологической ролью в обменных процессах. В наименьшей степени в органах пищеварительного тракта человека накапливался кобальт (содержание в желудке - 0,09 мг/кг, в кишечнике - 0,05 мг/кг), а у тюленя - кадмий (содержание в желудке - 0,39 мг/кг, в кишечнике - 0,31 мг/кг), что, вероятно, связано с качественным составом среды обитания морского млекопитающего. По уровню содержания в желудке и кишечнике человека изученные микроэлементы располагаются в следующем убывающем порядке: желудок - Zn>Ni>Cd>Cr> Co; кишечник - Zn>Ni>Cr>Cd>Co.
Средние концентрации металлов в изученных органах каспийского тюленя можно расположить в следующие убывающие ряды: желудок - Zn>Ni>Cr>Co>Cd; кишечник -Zn>Cr>Ni>Co>Cd.
Ключевые слова: человек, каспийский тюлень, желудочно-кишечный тракт, цинк, никель, кадмий, хром, кобальт.
Введение.
Живой организм в течение своей жизни находится под постоянным воздействием целого спектра факторов окружающей среды, который формируется под влиянием сложного комплекса взаимодействующих природных и антропогенных процессов.
В настоящее время Волго-Каспийский бассейн относится к антропогенно-нагруженным водоёмам. Это объясняет факт рассеивания элементов за счёт различных видов сбросов с урбанизированных и промышленных объектов, расположенных на берегах, в определённых природных гидрохимических условиях [1]. Основным фактором, определяющим экологическую ситуацию в Каспийском море и влияющим на микроэлементный состав его воды, является речной сток, особенно из реки Волга [1, 2]. В связи с этим проблема загрязнения окружающей среды металлами является одной из актуальных. Известно, что целый ряд массовых заболеваний животных и человека связан с техногенными геохимическими аномалиями в окружающей организмы среде [3, 4]. Они развиваются на фоне иммунодефицитного состояния организма. Одной из главных причин этому считается избыточное содержание в организме микроэлементов, которые оказывают канцерогенное действие [5]. К таковым микроэлементам относятся хром, кобальт, никель, цинк, кадмий, вызывающие развитие различных патологий, прежде всего, в органах пищеварения [6].
18
Инновационное направление науки
Цель исследования.
Определение содержания хрома, кобальта, никеля, цинка и кадмия в органах желудочно-кишечного тракта человека и каспийского тюленя.
Материалы и методы исследования.
Объект исследования. Фрагменты ткани желудка и кишечника человека (Homosapiens) в возрасте от 40 до 68 лет и каспийского тюленя (Phocacaspica) в возрасте от 1 до 20 лет.
Обслуживание животных и экспериментальные исследования были выполнены в соответствии с инструкциями Russian Regulations, 1987 (Order No.755 on 12.08.1977 the USSR Ministry of Health) and «The Guide for Care and Use of Laboratory Animals (National Academy Press Washington, D.C. 1966)». При выполнении исследований были приняты усилия, чтобы свести к минимуму страдания животных и уменьшения количества используемых образцов.
Схема эксперимента. Человеческий материал для изучения получен при секционном исследовании у погибших от несчастных случаев здоровых лиц. Образцы проб органов и тканей каспийского тюленя были получены в результате экспедиций в период с 2010 по 2014 гг.
Изучение особенностей кумулятивного распределения элементов проводились методом атомно-абсорбционной спектрографии. Методика подготовки проб для атомно-адсорбционного анализа распространяется на почвы и биологические объекты растительного и животного происхождения: пищевые продукты и сырьё, биосубстанции человека и животных, растения (в т. ч. лекарственное растительное сырьё) [7].
Оборудование и технические средства. При исследовании использовался атомно-абсорбционный спектрометр МГА-915. Микроэлементы определялись по методическим указаниям атомно-абсорбционного анализа на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Hitachi 180-50» (Япония).
Метод основан на количественном анализе по спектрам поглощения (абсорбции), находящихся в определённой функциональной зависимости между концентрацией элемента в поглощающем слое и одним из параметров, характеризующим линию поглощения [7].
Атомно-абсорбционный спектрофотометр готовят к работе согласно рабочей инструкции по эксплуатации спектрофотометра [8].
В качестве источника излучения используют одноэлементные лампы с полым катодом в соответствии с рекомендациями, указанными в инструкции по эксплуатации лампы. Устанавливают параметры спектрометра для измерения концентрации определяемого элемента.
Статистическая обработка. Результаты анализа выражались в мг/кг сухого вещества, и были подвергнуты статистической обработке (критерий Стьюдента (t)), с помощью пакета программ Statistica 10.0 («Stat Soft Inc.», США). Выявленные значения считались достоверными при P<0,05.
Результаты исследования.
В ходе работы получены средние концентрации данных элементов в изучаемых тканях животных и человека, которые распределились следующим образом (рис. 1-5).
человек тюлень желудок
человек тюлень кишечник
человек
тюлень
желудок
человек
тюлень
кншечннк
Рис. 1 — Уровень содержания цинка в органах человека и тюленя (мг/кг сухой массы)
Рис. 2 — Уровень содержания никеля в органах человека и тюленя
Инновационное направление науки
19
человек тюлень желудок
человек тюлень кишечник
3 2 1 О
п
■
человек тюлень желудок человек тюлень кишечник
Рис. 3 — Уровень содержания кадмия в органах человека и тюленя
Рис. 4 — Уровень содержания хрома
в органах человека и тюленя
Рис. 5 — Уровень содержания кобальта в органах человека и тюленя
Уровень аккумуляции 2п тканями желудка человека находился на отметке 50,58 мг/кг сухого веса, и он был в 1,3 раза выше уровня содержания этого металла в кишечнике (40,41 мг/кг) (рис. 1). У каспийского тюленя при этом наблюдалась обратная картина: концентрация цинка в кишечнике каспийского тюленя была в 1,7 раза больше, чем желудке (103,88 и 60,63 мг/кг - в кишечнике и желудке соответственно). Необходимо отметить, что степень аккумуляции этого микроэлемента органами пищеварительной системы каспийского тюленя превосходила таковую человека в 1,2 - в желудке и в 2,6 раза - в кишечнике.
Концентрации никеля в желудке и кишечнике человека составляли 1,99 и 1,69 мг/кг соответственно (рис. 2). У каспийского тюленя в желудке степень накопления никеля была выше более чем в 2 раза (6,5 мг/кг сухого вещества) по сравнению с этим показателем у человека. А в кишечнике животного количество изучаемого микроэлемента (1,66 мг/кг сухого вещества) было сопоставимо с количеством никеля в кишечнике человека.
В тканях исследованных органов человека уровень аккумуляции кадмия составил 1,36 мг/кг и 0,93 мг/кг в желудке и кишечнике человека соответственно (рис. 3). При этом концентрация железа в желудке была в 1,5 раза выше, чем в кишечнике. У морского млекопитающего эти значения были существенно ниже. Исследования показали, что накопление кадмия в изученных органах было приблизительно одинаковым (0,39 и 0,31 мг/кг сухого вещества в желудке и кишечнике соответственно). При этом следует отметить, что обнаруженные концентрации кадмия в желудке и кишечнике тюленя превышали в 2 и 1,6 раза соответственно значения ПДК для морских млекопитающих (0,2 мг/кг) [9]. Вероятно, этот факт можно объяснить тем, что кадмий является трассером техногенного воздействия на окружающую среду [10]: он в виде индустриальной пыли легко переходит с суши в атмосферу, переносится воздушными потоками на значительные расстояния и, в конечном счёте, попадает в воду в составе атмосферных осадков [11]. Кроме того, источником
20 Инновационное направление науки
кадмия в Каспийском море являются зоны нефтяных разработок, где используются буровые растворы, в состав которых входит кадмий [12]. Именно в этих районах Л.С. Хураськин с соавторами зафиксировали его максимальные концентрации [13].
Количество хромав тканях кишечника человека несколько выше, чем в желудке (1,29 мг/кг и 1,49 мг/кг - для желудка и кишечника соответственно) (рис. 4). Тогда как у каспийского тюленя, наоборот, значение аккумуляции хрома желудком незначительно превышало этот показатель в кишечнике. Необходимо обратить внимание на то, что концентрации хрома в изученных органах пищеварительного тракта у морского млекопитающего существенно выше, чем у человека (в 3 и 2,2 раза для желудка и кишечника соответственно) [14].
При изучении кумуляции кобальта в тканях желудка человека установлено значение -0,12 мг/кг сухого вещества, а в тканях кишечника определено -0,07 мг/кг сухого вещества (рис. 5). Содержание кобальта в органах пищеварительной системы тюленя было выше в 17 раз для кишечника и в 8 раз -для желудка и составляло 0,84 и 0,75 мг/кг сухого вещества для кишечника и для желудка соответственно [15].
Сравнительный анализ данных по биоаккумуляции изученных микроэлементов органами человека и животных показал, что концентрации металлов в тканях желудка и кишечника выше у каспийского тюленя, за исключением кадмия, который в большем количестве содержался в этих органах у человека. Возможно, столь высокие показатели кадмия в пищеварительном тракте человека свидетельствуют о потреблении организмом пищи с недостаточным количеством кальция, так как кальций ведёт к усилению абсорбции кадмия в пищеварительном тракте и увеличивает аккумуляцию этого металла [16, 17].
В наибольших количествах среди изученных микроэлементов в желудке и кишечнике как человека, так и каспийского тюленя аккумулируется цинк, что объясняется его физиологической ролью в обменных процессах, так как он входит в состав большого числа ферментов и оказывает своё влияние на функции практически всех органов и систем организма [18]. В наименьшей степени в органах пищеварительного тракта человека накапливался кобальт, а у тюленя - кадмий, что, вероятно, связано качественным составом среды обитания морского млекопитающего.
По уровню содержания в желудке и кишечнике человека изученные микроэлементы располагаются в следующем убывающем порядке:
Желудок - Zn>Ni>Cd>Cr>Co,
Кишечник - Zn>Ni>Cr>Cd>Co.
Средние концентрации металлов в изученных органах каспийского тюленя можно расположить в следующие убывающие ряды:
Желудок - Zn>Ni>Cr>Co>Cd,
Кишечник - Zn>Cr>Ni>Co>Cd.
Корреляционный анализ продемонстрировал положительные зависимости между значениями аккумуляции кадмия желудком и кишечником тюленя (г=0,6) и кобальта (г=0,7). У человека также отмечены сопряжённые связи между значениями аккумуляции кадмия желудком и кишечником (г=0,7). Кроме того, тесные связи были обнаружены между накоплениями никеля и кадмия в желудке каспийского тюленя и человека (г=0,6 и г=0,8 в тканях исследуемых органов каспийского тюленя и человека соответственно). Статистическая зависимость между остальными параметрами как в организме тюленя, так и в организме человека не достоверна.
Обсуждение полученных результатов.
Данная статья направлена на изучение уровней накопления элементов в организме человека и на выявление взаимосвязи с факторами окружающей среды. Так, ещё в 30-х годах XX века академик В.И. Вернадский отмечал, что «химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры и подчёркивал, что изучать биологические вопросы изучением только одного, во многом автономного организма нельзя, так как он нераздельно связан с земной корой и вне связи с ней в природе не существует» [19, 20].
Инновационное направление науки 21
На сегодняшний день для объективной геоэкологической оценки состояния территории и степени её трансформации в результате техногенеза необходимо изучать химический состав различных природных сред [21], в том числе и элементный состав биосубстратов (каспийский тюлень, человек). Комплексное воздействие факторов природной среды на каспийского тюленя изучена более подробно, чем количественная геохимическая характеристика человека с учётом эколого-геохимических особенностей среды его обитания [13, 22]. Организм человека на протяжении всей жизни постоянно подвергается воздействию окружающей среды, имеющей в каждом регионе свои отличия [23, 24], которые обусловлены не только влиянием природно-географических, климато-метеорологических, социальных причин, в том числе образом жизни, к данным факторам человек адаптируется при постоянном проживании в регионе [25, 26], сколько воздействием техногенных факторов, связанных с загрязнением окружающей среды.
Выводы.
Таким образом, полученные данные по накоплению цинка, никеля, кадмия, хрома и кобальта тканями желудка и кишечника человека и каспийского тюленя свидетельствуют об особенностях распределения металлов в организме, характеризуются неравномерностью и зависят от видовой принадлежности, функциональных особенностей органов, их кумулятивной активности и химических свойств самого металла.
Знания о геохимическом составе каспийского тюленя и человека позволят дать прогноз изменения биосферы в целом, скорректировать его дефицит или избыток. Организм каспийского тюленя человека можно считать геоиндикаторами изменения природной среды.
Литература
1. Моисеенко Т.И., Кудрявцева Л.П., Гашкина Н.А. Рассеянные элементы в поверхностных водах суши: технофильность, биоаккумуляция и экотоксикология. М.: Наука, 2006. 261 с.
2. Тяжёлые металлы в организме каспийской нерпы (Phoca caspica, Gmelin, 1788) / Т.С. Ершова, А.С. Танасова, В.Ф. Зайцев, В.В. Володина // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Серия «Естественные и точные науки». 2016. Т. 10. № 2. С. 27-34.
3. Zaitsev V., Ershova T. The content of mercury and cadmium in the bodies of the Caspian seal (Phoca caspica, Gmelin, 1788) // International Scientific Conference onEcological Crisis: Technogenesis and Climate Change, 21-23 April. Beograde, 2016. P. 129-130.
4. Покатилов Ю.Г. Биогеохимия биосферы и медико-биологические проблемы. Новосибирск: Наука, 1993. 168 с.
5. Ермаков В.В., Тютиков С.Ф. Геохимическая экология животных. М.: Наука, 2008. 315 с.
6. Протасова Н.А., Щербаков А.П., Копаева М.Т. Редкие и рассеянные элементы в почвах Центрального Черноземья. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1992. 168 с.
7. Прайс С.В. Аналитическая атомно-абсорбционная спектроскопия. М.: Мир, 1976. 355 с.
8. Брицке М.Э. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ. М.: Химия, 1982. 232 с.
9. Санитарные правила и нормы «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов». СанПиН 2.3.2.1078-01. М.: Госкомэпиднадзор России, 2001.
10. Христофорова Н.К., Цыганков В.Ю., Лукьянова О.Н. Курило-Камчатский регион как биогеохимическая провинция: тяжёлые металлы в лосося // Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической экологии, тр. IX Междунар. биогеохим. шк. Барнаул, 24-28 августа, 2015. Барнаул, 2015. Т. 1. С. 218-221.
11. Патин С.А. Влияние загрязнений на биологические ресурсы и продуктивность Мирового океана. М: Пищ. пром-сть. 1979. 304 с.
12. Захарова И.А., Кузнецов В.В., Валедская О.М. Оценка состояния популяции тюленя в Каспийском море и прогноз его добычи на 2007 год // Рыбохозяйственные исследования на Каспии. Астрахань: Изд-во КаспНИРХа, 2007. C. 389-401.
22 Инновационное направление науки
13. Оценка численности тюленя в Каспийском море / Л.С. Хураськин, Н.А. Захарова, В.В. Кузнецов, В.И. Черноок, А.Ф. Сокольский // Современные проблемы Каспия: материалы Междунар. конф. Астрахань: КаспНИРХ, 2001. С. 358-363.
14. Зайцев И.В., Танасова А.С. Содержание макро- и микроэлементов в желудочно-кишечном тракте жителей Астраханской области // Юг России: экология и развитие. 2015. Т. 10. № 2. С. 171-178.
15. Содержание ряда тяжёлых металлов в организме каспийского тюленя / В.Ф. Зайцев, А.С. Танасова, Т.С. Ершова, В.В. Володина // Современные тенденции развития биогеохимии в условиях техногенеза биосферы: XX Междунар. биогеохим. чтения памяти В.В. Ковальского. Москва, ГЕОХИ РАН, 15-17 июня 2016. М.: ГЕОХИ РАН, 2016. Тр. Биогеохим. лаб. Т. 25. С. 223230.
16. Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. М.: Издат. дом «ОНИКС 21 век»; Мир, 2004. 216 с.
17. Оценка численности тюленя в Каспийском море / Л.С. Хураськин, Н.А. Захарова, В.В. Кузнецов, В.И. Черноок, А.Ф. Сокольский // Современные проблемы Каспия: материалы Междунар. конф. Астрахань: КаспНИРХ, 2001. С. 358-363.
18. Ковальский В.В. Проблемы биогеохимии микроэлементов и геохимической экологии: избр. тр. / отв. ред., авт. вступ. ст. Л.К. Эрнст; сост. Ю.В. Ковальский. М.: Россельхозакадемия, 2009. 357 с.
19. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера / сост. H.A. Костяшкин, Е.М. Гончарова. М.: Айрис-пресс, 2004. С. 31.
20. Перельман А.И. Геохимия биосферы. М.: Наука, 1973. 166 с.
21. Наумов Г.Б. Геохимия биосферы. М.: Academia, 2010. 384 с.
22. Чуйко Е.В., Абдусамадов А.С. Особенности миграции тяжёлых металлов в экосистеме Северного Каспия // Юг России: экология, развитие. 2013. № 8(3). С. 110-116. doi: 10.18470/19921098-2013-3-110-116.
23. Эколого-биогеохимические факторы и здоровье человека / H.A. Агаджанян, B.JI. Сусликов, Н.В. Ермакова, А.Ш. Капланова // Экология человека. 2000. № 1. С. 3-5.
24. Гичев Ю.П. Загрязнение окружающей среды и здоровье человека. Новосибирск: СО РАМН, 2002. 230 с.
25. Виноградов А.П. Геохимия живого вещества. Ленинград: АН СССР, 1932. 67 с.
26. Ильин В.Б. Мониторинг тяжёлых металлов применительно к крупным промышленным городам // Агрохимия. 1997. № 4. С. 81-86.
Танасова Анастасия Сергеевна, аспирант кафедры гидробиологии и общей экологии Института рыбного хозяйства, биологии и природопользования ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, e-mail: Tanasova_A_S @mail.ru
Ершова Татьяна Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры прикладной биологии и микробиологии Института рыбного хозяйства, биологии и природопользования ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, тел.: 8-905-363-07-49, e-mail: [email protected]
Зайцев Игорь Вячеславович, кандидат медицинских наук, доцент кафедры онкологии с курсом лучевой диагностики и лучевой терапии ФГБОУ ВО «Астраханский государственный медицинский университет», 414000, г. Астрахань, ул. Бакинская, 121, e-mail: [email protected]
Зайцев Вячеслав Фёдорович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой гидробиологии и общей экологии Института рыбного хозяйства, биологии и природопользования ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, e-mail: [email protected]
Инновационное направление науки 23
Поступила в редакцию 15 июня 2017 года
UDC 574.24(599.745.3):616.366-002:577.17.049
Tanasova Anastasia Sergeevna1, Ershova Tatyana Sergeevna1, Zaitsev Igor Vyacheslavovich2, Zaitsev Vyacheslav Fedorovich1
1FSBEIHE «Astrakhan State Technical University», e-mail: [email protected]
2 FSBEI HE «Astrakhan State Medical University», e-mail: [email protected] Comparative characteristics of microelements in gastrointestinal tract tissues of aquatic mammals and humans
Summary. The article presents the results of a study of the content of chromium, cobalt, nickel, zinc and cadmium in organs of gastrointestinal tract of a human and the Caspian seal. The studies were carried out on material obtained in the sectional study of victims of accidents of healthy individuals aged 40 to 68 years, where the material for the study was fragments of tissues of stomach and intestines of a human (Homosapiens) and samples of organs and tissues of the Caspian seal (Phocacaspica) in the age from 1 to 20 years, received as a result of expeditions in the period from 2010 to 2014.
Studies of the elemental composition of organs and tissues of the studied objects were carried out according to 5 chemical elements using the method of atomic absorption spectrography using the MGA-915 atomic absorption spectrometer.
It was found that zinc is accumulated in the stomach and intestine of a human (50,58 and 40,41 mg/kg, respectively) and the Caspian seal (60,63-10,88 mg/kg, respectively) most among the studied micronutrients. It is explained by its physiological role in metabolic processes. To a lesser degree, cobalt was accumulated in the organs of human digestive tract (the content in stomach was 0,09 mg/kg, in the intestine - 0,05 mg/kg), and of the seal - cadmium (0,39 mg/kg in the stomach, in the intestine - 0,31 mg/kg), which is probably due to the qualitative composition of the marine mammal's habitat. By the level of content in stomach and intestine of human, the studied microelements are located in the following descending order: stomach - Zn> Ni>Cd> Cr>Co; intestine - Zn> Ni> Cr>Cd>Co. The average metal concentrations in the studied organs of the Caspian seal can be arranged in the following decreasing series: stomach Zn> Ni>Cr>Co>Cd; intestine: Zn> Cr>Ni> Co>Cd. Key words: human, Caspian seal, gastrointestinal tract, zinc, nickel, cadmium, chrome, cobalt.
