CC BY
17ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЫЛИ КАК СТРЕССОВОГО АГЕНТА НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ
Чергизова Б.Т.1, Ишигов И.А.2, Нарымбетова Т.М.3, Жумабекова Р.Б.4
1 Медицинский университет Караганды, 2Международный казахско-турецкий университет им. Ходжи Ахмеда Ясави2,
г. Туркестан.
INFLUENCE OF POLYMETALLIC DUST AS A STRESS AGENT ON EXPERIMENTAL ANIMALS
Chergizova B.T.1, Ishigov I.A.2, Narymbetova T.M. 3, Zhumabekova R.B.4
Medical University of Karaganda, 2 International Kazakh-Turkish University named after Khoji Ahmed Yasawi 2,
Turkestan.
Аннотация. В статье приводятся данные экспериментального воздействия медьсодержащей полиметаллической пыли в течение 1 месяца на крысах. Сложный химический состав пыли является стрессовым агентом не только для центральной нервной системы, но и для некоторых функциональных систем, в частности, для легких крыс и может вызывать деструктивный эффект. Длительное взаимодействие полиметаллической пыли приводит к дезорганизации функциональных возможностей лабораторных животных, что может проявляться как токсический и мутагенный эффект. При анализе клинико-функциональных данных и морфологического исследования выявлены поражения легочной ткани и дыхательных путей с развитием склероза легочной ткани и хронического бронхита, бронхиальной астмы и их осложненных форм. При попадании тяжелых металлов в легкие возникают поражения не только самой легочной ткани, но и проводящих путей, а также внутренних органов и многих систем. Меняется метаболизм организма, развиваются реакции стрессового характера. Однако, первоначально организм справляется с данными воздействиями и поддерживает функций жизненно важных органов и систем на уровне достаточных энергоресурсов, регуляции регионального кровотока, активации ферментов клеточного метаболизма и других факторов биологической адаптации. В последствии же происходит срыв адаптивной системы.
Химический состав пыли обладает многофакторными воздействиями, начиная от клеточного уровня и заканчивая системными изменениями, тем более в зависимости от дозы и времени воздействия, усиливают свое негативное воздействие и имеют суммарный эффект накопления.
Annotation. The article presents data on experimental exposure of copper-containing polymetallic dust for 1 month in rats. The complex chemical composition of dust is a stress agent not only for the Central nervous system, but also for some functional systems, in particular, for the lungs of rats and can cause a destructive effect. Long-term interaction of polymetallic dust leads to disorganization of the functional capabilities of laboratory animals, which can manifest as a toxic and mutagenic effect. The analysis of clinical and functional data and morphological research revealed lesions of the lung tissue and respiratory tract with the development of sclerosis of the lung tissue and chronic bronchitis, bronchial asthma and their complicated forms. When heavy metals enter the lungs, there are lesions not only of the lung tissue itself, but also of the pathways, as well as internal organs and many systems. The body's metabolism changes, and stressful reactions develop. However, initially the body copes with these impacts and maintains the functions of vital organs and systems at the level of sufficient energy resources, regulation of regional blood flow, activation of cellular metabolism enzymes and other factors of biological adaptation. Later there is a failure of the adaptive system.
The chemical composition of dust has multi-factor effects, starting from the cellular level and ending with systemic changes, especially depending on the dose and time of exposure, increase their negative impact and have a cumulative effect of accumulation.
Ключевые слова: полиметаллическая пыль, токсическое воздействие, мутагенный эффект, легочная система, поведенческая реакция, адаптивное состояние организма.
Key words: polymetallic dust, toxic effects, mutagenic effect, pulmonary system, behavioral reaction, adaptive state of an organism.
Введение. Критерии здоровья населения имеют непосредственную связь со множеством факторов окружающей среды, некоторые из них, являются индикаторами состояния организма на влияние каждого негативного воздействия. Многие региона Казахстана, являясь промышленными центрами и производственными магнатами, являются показателями производственных мощностей и в тоже время самыми первыми факторами, негативно отражающимися на здоровье населения. Согласно многочисленным авторам, при попадании тяжелых металлов в легкие возникают поражения не только самой легочной ткани, но и проводящих путей, а также внутренних органов и многих систем. Меняется метаболизм организма, развиваются реакции стрессового характера. Однако, первоначально организм справляется с данными воздействиями и поддерживает функций жизненно важных органов и систем на уровне достаточных энергоресурсов, регуляции регионального кровотока, активации ферментов
клеточного метаболизма и других факторов биологической адаптации. В последствии же происходит срыв адаптивной системы всего организма в целом. Химический состав пыли обладает многофакторными воздействиями, начиная от клеточного уровня и заканчивая системными изменениями, тем более в зависимости от дозы и времени воздействия, усиливают свое негативное воздействие и имеют суммарный эффект накопления [1].
Рассматривая физико-химические характеристики пыли отмечается, что она представляет сложный химический состав с многофакторными признаками, действует комплексно с патологическими эффектами суммирования или потенциирования на организм. Другим отрицательным недостатком является невозможность определения характеристики «доз» полиметаллов, адсорбированных на пылевых»частицах, т.к. количество металлов зависит от пылевых фракций от их способности аккумулировать микрочастицы [2].
Показано, что раздражающее, токсическое, аллергическое, мутагенное, канцерогенное, фиброгенное и другое действие пыли зависит от ее физико-химических свойств, размеров и поверхности частиц, их содержания в воздухе помещения либо в рабочей зоне, длительности действия и от индивидуальной реактивности человека. Физико-химические свойства и ее химический состав определяют мутагенность полиметаллической пыли. По этой причине количество токсичных веществ на пылевых частицах в их молекулярной структуре значительно превышает их содержание в газовой фазе атмосферного воздуха [3]. По данным исследователей [4] доказано активизирующее влияние меди, цинка на легочную систему, внутренние органы и гормоны гипофиза. Считают, что меди принадлежит специфическая роль в воспроизводительной функции организма [5].
Как известно, микроэлементы участвуют в поддержании гомеостаза организма от деления клетки до стрессовой реакции и активно изменяют функцию всех органов и систем организма. Одной из причин акселерации у животных и человека считают увеличение количества цинка и некоторых других микроэлементов в окружающей среде. При инъекции солей меди в инкубируемые яйца кур можно добиться увеличения веса цыплят до 50%, и они развиваются быстрее, по сравнению с контрольными. Введение одноразовых физиологических концентраций меди в куриное яйцо до инкубации может привести к значительному ускорению роста цыплят в постнатальном периоде. Микродозы меди на 8-й день инкубации в яйца ускоряют рождение цыплят из яиц и повышают их выживаемость. Наоборот, недостаток меди в пищевом рационе вызывает задержку роста у животных. Наилучший суточный прирост в весе у цыплят обнаруживается при добавлении к основному пищевому рациону комплекса микроэлементов кобальт-марганец-медь. Отмечено, что в печени новорожденного в весьма большом количестве имеются запасы меди [6]. Первоначально организм справляется с данными воздействиями и поддерживает функции жизненно важных органов и систем на уровне достаточных энергоресурсов, регуляции регионального кровотока, активации ферментов клеточного метаболизма и других факторов биологической адаптации. В последствии же происходит срыв адаптивной системы [7]. Химический состав пыли обладает многофакторными воздействиями, начиная от клеточного уровня и заканчивая системными изменениями, тем более в зависимости от дозы и времени воздействия, усиливают свое негативное воздействие и имеют суммарный эффект накопления [8, 9]. Основные химические вещества, поступившие через органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, входящие в состав полиметаллической пыли выводятся кроме органов бронхолегочной системы, почками и кишечником, и немаловажным участием печени [10, 11].
Целью исследования явилось изучение влияния полиметаллической медьсодержащей пыли на респираторную систему экспериментальных животных при ингаляционном воздействии в краткосрочный период.
Материал и методы исследования. В нашей работе мы запыляли полиметаллической пылью, содержащей медь и другие тяжелые металлы, 30 беспородных белых крыс, со стандартным весом 180-220 грамм в течение 30 дней (1 месяц). Животные (крысы) в каждой серии экспериментов были распределены на две группы- 1-ю группу (п=15) животных подвергали затравке полиметаллической пылью, 2-ю группу составляли контрольные животные, которым вводили физиологический раствор.
На основании химического и полуколичественного спектрального анализа пыли в лабораториях производственного геологического объединения "Центрказгеология" был осуществлен набор пыли из цехов (дробильного и медеплавильного) Балхашского горно-металлургического комбината. Спектральный анализ проводился на ДФС-8 (метод испарения). На основании дисперсионного анализа методом микроскопии было выявлено, что около 70% пыли содержит частицы размером до 5 мкм [12]. Общетоксическое действие полиметаллической пыли определяли по методической схеме в разработке Р.В. Борисенковой [13].
Длительное вдыхание промышленной пыли приводит к образованию в легких «пылевого депо», содержащего основные компоненты полиметаллической руды. Контакт полиметаллической пыли со слизистыми оболочками верхних дыхательных путей, а затем ее удержание в легочной ткани может вызвать пылевой бронхит и пневмокониоз. Резорбтивное общетоксическое действие металлов является причиной нарушения обмена веществ, развития функциональных изменений в нервной системе, печени и других органах.
В эксперименте эффективной дозой токсиканта были выбраны дозы- 10 мг/м3 и 25 мг/м3, влияние которых в ингаляционном виде действует непосредственно на легкие. Концентрация в дозе 0,05 мг/м3 встречается в реальных условиях города и соответствует предельно допустимой концентрации (ПДК). Основным путем поступления пыли в организм человека является ингаляционный путь, исходя из этого, в эксперименте использовалась ингаляционная камера, где животные получали соответствующую дозу -25 мг/м3 и 0,05 мг/м3 в течение 30 дней.
Кусочки легких фиксировали в 10% нейтральном формалине для получения морфологического анализа, согласно стандартной гистологической методике, микротомные срезы толщиной 5 мкм окрашивались кислыми красителями. 2
Результаты и обсуждение: Исследуемая пыль по данным лаборатории "Центр-казгеология" (г.Караганда) относится к 1-му классу опасности, несмотря на высокий технологический уровень на многих рабочих местах цветной и черной металлургии, а также горнодобывающей промышленности, на здоровье работников по-прежнему оказывает влияние комплекс вредных производственных факторов, ведущим из которых является полиметаллическая пыль сложного химического состава.
Химический анализ пыли показал, что пыль имеет сложный химический состав и в ней содержится более 10 химических элементов в микроколичествах (диаграмма 1 и 2).
Диаграмма 1 - Распределение элементов в полиметаллической пыли.
Диаграмма 2 - Распределение микроэлементов в полиметаллической пыли.
Полученные результаты показывают, что пыль и ее аэрозоли, содержащие все основные компоненты руды, обладающие фиброгенным, общетоксическим и комбинированным действием можно считать главным загрязнителем и по составу в нем превалируют такие металлы как медь, марганец, цинк, хром, свинец, никель, ванадий. Расчет пылевой нагрузки показал, что общая масса выпадения пыли в среднем составила 535 кг/км2 в сутки. Интервал изменения массы пылевых выпадений составлял от 40 до 12240 кг/км2 в сутки.
В таблице 1 представлен сравнительный анализ химического состава пыли, использованной в эксперименте.
Таблица 1
Содержание основных химических элементов в полиметаллической пыли_
Элемент Содержание Элемент Содержание
Скандий 1,2 х10-3 % Хром 11,9 х10-3 %
Марганец 10,7 х10-2 % Никель 3,4 х10-3 %
Свинец 12,9 х10-3 % Бериллий 39,9 х10-5 %
Вольфрам 0,8 х10-3 % Молибден 1,3 х10-4 %
Олово 4,6 х10-4 % Ванадий 6,5 х 10-3 %
Цинк 19,1 х10-3 % Кобальт 0,7 х10-3 %
Таким образом, с учетом суточных валовых выбросов и проведенного наблюдения обоснованы преобладающие вещества пыли, которые необходимо контролировать в воздушной среде города, такие как: медь, марганец, свинец, хром, мышьяк, никель, в связи с их агрессивным действием.
Известно, что нервная система наиболее рано реагирует на все изменения во внешней и внутренней среде. Для оценки функционального состояния мы применяли метод определения способности ЦНС суммировать подпороговые импульсы. Суммарный пороговый показатель у крыс определяли с помощью импульсного электронного стимулятора «ИЭС-01» по классической методике в модификации С.В.Сперанского, предложившего использовать импульсы равномерно нарастающего напряжения, при котором происходит рефлекторное одергивание одной из лап животного, при свободном нефиксированном положении животного на электродах (при равномерном повышении напряжения со скоростью 2 Вт в секунду, частотой 2 Гц. Каждое определение суммарного порогового показателя проводилось три раза подряд (интервалом 20-30 сек.), затем вычислялась средняя величина.
При анализе функциональных возможностей организма выявлена в большей степени зависимость от его метаболического состояния, которое при воздействии анализируемой пыли объясняется снижением показателей функциональной активности клетки, что позволяет оценить действие пыли и адаптационное состояние организма. В таблице 2 представлены изменения психофизиологического поведения крыс под воздействием пыли в течение 1 месяца в минимальной дозе 10 мг/м3.
Таблица 2
Физиологические показатели крыс при воздействии пыли (10 мг/м3)_
Сроки эксперимента 3 дня 1 месяц
Группы животных 1(п=10) 2(п=10) 1(п=10) 2(п=10)
Масса тела (гр.) 232,2±1,7 227,7±1,1 339,2±0,2 218,4±0,3***
Мышечная сила 3,3±0,2 3,2±0,1 5,0±0,2 2,8±0,1***
Локомоции 22,2±0,3 33,6±0,1*** 17,8±0,1 9,0±0,2***
Стойки 3,4±0,10 6,0±0,10*** 0,8±0,01 1,2±0,08
Груминг 6,3±0,08 3,9±0,04*** 2,8±0,08 1,9±0,05**
Центр 0,9±0,04 0,75±0,02 0,6±0,02 0,6±0,04
Болюсы 0,1±0,01 0,6±0,03** 0,5±0,01 0,4±0,01
Примечания: Достоверность -**<0,01; -***<0,001; 1 - до запыления; 2 - опыт
При воздействии пыли в дозе 25 мг/м3 наблюдались поведенческие изменения животных, достоверно значимые и выраженные в конце срока, по сравнению снижение веса и мышечной силы животных, что
ярко было выражено к концу эксперимента (таблица 3).
Таблица 3
_Физиологические показатели крыс при воздействии пыли (25 мг/м3)_
Сроки эксперимента 3 дня 1 месяц
Группы животных 1(п=10) 2(п=10) 1(п=10) 2(п=10)
Масса тела (гр.) 227,8±1,8 220,4±0,3 231,8±0,47 224,0±0,22
Мышечная сила 3,9±0,05 2,8±0,09 4,2±0,04 2,6±0,04
Локомоции 20,8±0,41 24,5±0,11 18,3±0,15 14,2±0,08
Стойки 4,2±0,12 5,3±0,03 5,3±0,03 2,7±0,03
Груминг 7,2±0,18 5,4±0,12 6,3±0,09 4,3±0,13
Центр 0,84±0,01 0,72±0,02 0,7±0,01 0,41±0,01
Болюсы 0,9±0,02 0,7±0,01 0,8±0,03 0,8±0,03
Примечания: Достоверность - *** <0,001; 1 - до запыления; 2 - опыт
Таким образом, воздействие пыли в дозе 0,25мг/м3 вызывает у подопытных животных угнетение поведенческой активности, характеризующейся подавлением двигательной активности и усилением эмоциональной реактивности. Изменения, выявленные при проведении психофизиологических тестов можно интерпретировать как результат интоксикации нервной системы под воздействием полиметаллической пыли на стресс-системы подопытных животных. После ингаляционного запыления полиметаллической пылью выраженных статистически достоверных эффектов не обнаружено при малых дозах, на уровне 0,05мг/м3, более выраженные нарушения выявлены при больших дозах. По-видимому, краткосрочность эксперимента и малая доза оказывается недостаточной для всасывания и достижения в крови и мозге эффективных действующих концентраций полиметаллической пыли.
Высокая специфичность проявления неблагоприятного действия химических веществ на организм человека ярко выражено в условиях высокой степени загрязнения окружающей среды, тем самым свидетельствует об экологозависимости нарушения здоровья населения. Это объясняется тем, что одной из особенностей такого проявления является резкое повышение уровня патологических изменений в органах-мишенях с дальнейшим развитием определенных нозологических форм болезней.
Полиметаллическая пыль в роли стрессового агента может вызывать неспецифические изменения на определенных этапах и носить как обратимый характер, так и составлять первостепенное значение в
развитии патологии. Определяющим при этом является снижение неспецифической устойчивости к действию комплекса вредных факторов, уровень которых зависит от введенной концентрационной дозы. Действие фактора в малых дозах пыли, по-видимому, является пусковым моментом, когда суммарное техногенное воздействие ниже или незначительно выше порогового уровня. Преобладающее значение экологического фактора как повреждающей причины вызывает неблагоприятные изменения на всех уровнях систем организма, тем самым свидетельствуя о негативном влиянии пыли в роли стрессового агента практически на всех уровнях гомеостаза.
Поведенческая активность крыс была изучена после ингаляционного введения через 3 суток приема пыли как «эффект острого введения». Возрастала двигательная активность животных, тенденция к росту наблюдается по второй дозе, но степень статистической значимости (р>0,05) была незначительно достоверна. Отчетливого статистически значимого эффекта на показатели тревожности не обнаружено. Выявлена нелинейная зависимость от дозы-эффект средней дозы в 10 мг/м3, что ярко отличается по направленности от эффектов дозы в 25 мг/м3.
Таким образом, анализируя данные общетоксических показателей при воздействии пыли в максимальной дозе, можно отметить достоверно значимое снижение веса и мышечной силы животных, к концу эксперимента. Изменения, выявленные при проведении теста «открытое поле» можно интерпретировать как результат интоксикации нервной системы подопытных животных, вызванной воздействием пыли сложного химического состава.
В контрольной группе в течение всего эксперимента было отмечено статистически недостоверное увеличение вертикальных и горизонтальных перемещений в «открытом поле». Отсутствие снижения двигательной и поведенческой активности в «открытом поле» у этих животных можно рассматривать как результат реакции со стороны нервной системы под воздействием пылевого фактора.
После ингаляционной затравки в бронхах крыс зарегистрирована картина начальных стадий десквамативного бронхита и выявлена патологическая опухоль в средних долях легких с уплотнениями стромы легких онкологической природы. Иногда в адвентициальной оболочке бронхов отмечалось скопление частиц полиметаллической пыли в виде округлых образований, окруженных фибробластами, фиброцитами и макрофагами (клеточно-пылевые пневмотоксические очаги).
Возрастало количество разрушенных альвеол, субплеврально в легких крыс происходило формирование выраженных эмфизематозных зон. Сохранившиеся альвеолы приобретали различную форму, кровеносные сосуды характеризовались полнокровием и выраженным периваскулярным отеком. На фото 1 и 2 представлены выявленные изменения паренхимы и стромы легких.
Рисунок 1 .Десквамативный бронхит. Рисунок 2.Эмфизематозные зоны. Клеточно-пылевой очаг. Окрашено Увел.200Гематоксилином и эозином. Увел.80
По-видимому, по результатам анализа воздействия полиметаллической пыли можно предположить, что явно прослеживается онкодеструктивное влияние, особенно на ткань легких, образовавшаяся опухоль разрослась до больших размеров и занимала почти 2/3 доли легких.
Выводы. Воздействие пыли в дозе 0,25мг/м3 вызывает у подопытных животных более выраженное угнетение поведенческой активности, характеризующейся подавлением двигательной активности и усилением эмоциональной реакции. Длительное взаимодействие полиметаллической пыли приводит к дезорганизации функциональных возможностей лабораторных животных.
При дозе 0,05мг/м3 по-видимому нарушения оказываются недостоверными, так как время для всасывания и достижения в крови и мозге эффективных действующих концентраций полиметаллической пыли недостаточно. После запыления полиметаллической пыли выраженных статистически достоверных эффектов не обнаружено при малых дозах, на уровне 10 мг/м3, они имеют умеренно выраженный характер. Изменения, выявленные в альвеолярной ткани при запылении дозой в 25 мг/м3 подтверждают более деструктивные влияния как на альвеолы, так и бронхиальную строму, формируются эмфизематозные очаги, нарушения мембраны альвеолоцитов, образуются выраженные клеточно-пылевые очаги пневмосклероза и пылевого бронхита.
Можно предположить, что полиметаллическая пыль попадая в организм деградирует до молекул малой молекулярной массы, выступает как стрессорный агент и может оказывать общетоксический и мутагенный эффект на всех уровнях функционирования организма.
Список литературы/ References
1.Профессиональные болезни: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений, обучающихся по специальности 033300 «Безопасность жизнедеятельности» / авт.Т. Я. Биндюк, О. В. Бессчетнова. -Балашов: Николаев, 2017. - 128 с.
2. Мукашева М.А., Айткулов А.М., Тыкежанова Г.М. Формирование состояния здоровья ^населения крупного промышленного региона // Экология и безопасность жизнедеятельности. - XI Межд. научно-практ. конференция. - Пенза. -2011.-С.129-132.
3.Доклад республики Казахстан по выполнению конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. - Алматы: 2009. - 26 с.
4.Татаева Р. К., Мусина А. А., Бурумбаева М. Б. Морфологическая характеристика ткани печени при ингаляционной конденсации полиметаллического аэрозоля//Известия Национальной академии наук Республики Казахстан, Серия биологическая и медицинская. - 2014.- №4 (302). - С.43-46.
5.Ибраева Л. К., Баттакова Ю. Е., Аманбекова А. У., Чантурия г. р. Характер энергетических изменений активности ферментов в крови крыс под действием тонкодисперсных аэрозолей полиметаллической пыли и алиментарная коррекция//Фундаментальная наука.-2011.- №9 (Часть 2).- С.251-253.
6.Мукашева М.А., Айткулов А.М., Тыкежанова Г.М. Оценка мутагенного действия производственной пыли на репродуктивное здоровье//Качество жизни населения и экология/Под общей ред. Л. Н. Семерковой/МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - глава 2, 4. - С.70 -77.
7.Ливанова Л.М., Айрапетянц М.Г., Германова Э.Л. и др. Долгосрочное влияние однократной острой гипоксии на поведение крыс с различными типологическими особенностями//Журнал высшей нервной деятельности - 2009. - №1.- С.157-163.
8.Kupsha E.I. Morphofunctional characteristic of the nuclei of hepatocytes of mice with lead тЮхюайоп//Межд.научно-исслед.журнал.- 2017.- №11(3).- С.27-32.
9.Садыков М. Н., Отаров Е. Ж., Асенова Л. X., Маканова У. К., и др. Оценка условий труда работников горнорудной промышленности //Медицина труда и пром. Экология.- 2017.- №3.- С.71-73.
10.Серебряков П.В., Карташев О.И., Федина И.Н. Клинико-гигиеническая оценка состояния здоровья работников производства меди в условиях Крайнего Севера //Медицина труда и пром. Экология.- 2016.-№ 1.- С.25-28.
11.Панкова В.Б. Современные проблемы диагностики и экспертизы профессиональных заболеваний верхних дыхательных путей //Вестник оториноларингологии. - 2015.- №5.- С.14-18.
12.Правила проведения работ с использованием экспериментальных животных. №742 от 11.1984. - М., 1984. - 17 с.
13.Камышников В.С. Справочник по клинико-биохимическим исследованиям и лабораторной диагностике. - М.: Медпресс-информ, 2004. - 747 с.
Сведения об авторах:
1.Чергизова Бибигуль Тулегеновна, к.б.н., ассоциированный профессор кафедры «Морфологии и физиологии» Медицинского университета Караганды, г.Караганда, Казахстан,
2. Ишигов Ибрагим Агаевич, д.м.н., профессор кафедры физиологии Международного Казахско-турецкого университета им.Ходжа Ахмеда Ясави, г.Туркестан, Казахстан.
3.Нарымбетова Тохжан Мансуровна, доцент кафедры физиологии Международного Казахско-турецкого университета им.Ходжа Ахмеда Ясави, г.Туркестан, Казахстан.
4. Жумабекова Райшан Басаровна, ст.преподаватель кафедры физиологии Международного Казахско-турецкого университета им.Ходжа Ахмеда Ясави, г.Туркестан, Казахстан.
