CC BY
146
УДК 613.16:550.47:574.24
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРИРОДНОГО ГЕОХИМИЧЕСКОГО ФАКТОРА НА ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО УРАЛА
© 2010 г. Е. В. Михеева, *Е. А. Байтимирова,
О. А. Медведев
Уральский филиал ВНИИ по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций, Федеральный центр науки и высоких технологий, *Институт экологии растений и животных УрО РАН, г. Екатеринбург
Ввиду широкого распространения горных пород, определяющих избыточные почвенные концентрации тяжелых металлов в Уральском регионе, изучено воздействие естественных никель-кобальт-хромовых геохимических аномалий, не вызывающих эндемических заболеваний, на животных и человека. На примере рыжей полевки исследованы демографические характеристики популяций, проанализированы морфофизиологические индикаторы по методу С. С. Шварца, выполнены гистологические исследования надпочечников и яичников. Проведено ретроспективное изучение причин смертности людей. Установлено, что естественные геохимические аномалии провоцируют увеличение относительной массы почки, надпочечника, семенника, гипертрофию клеток и ядер пучковой зоны коры надпочечника мелких млекопитающих, ускоряют половое созревание животных.
У самок полевок обнаружено снижение доимплантационной смертности, увеличение потенциальной и фактической плодовитости. На аномальной территории возрастают показатели смертности людей от новообразований, врожденных аномалий и болезней мочеполовой системы.
Ключевые слова: естественная геохимическая аномалия, смертность, надпочечник, яичник, плодовитость, новообразования.
Известно, что районы с избыточным содержанием химических элементов в объектах окружающей среды относят к геохимическим аномалиям. Для Уральского региона проблема воздействия геохимических условий на здоровье населения особо актуальна ввиду широкого распространения ультраосновных горных пород, определяющих избыточные почвенные концентрации никеля, хрома, кобальта и других металлов [5, 7, 8]. Однако до сих пор не проводились исследования, касающиеся воздействия на организм человека природного избытка тяжелых металлов, в районах, для которых не характерны эндемические заболевания, но существует вероятность неспецифических адаптивных реакций организма. На данных территориях при отсутствии признаков эндемий, вероятно, следует ожидать снижения устойчивости организмов к действию различных факторов среды, повышения заболеваемости, сокращения продолжительности жизни.
В настоящее время высокие концентрации тяжелых металлов в объектах среды на Урале зачастую ошибочно связывают только с техногенным загрязнением, в то время как даже в «экологически благополучных» районах естественный избыток химических элементов может представлять определенную угрозу для населения.
Цель работы — изучить воздействие естественных никель-кобальт-хромовых геохимических аномалий, не вызывающих эндемических заболеваний, на животных и человека.
Методы
Исследования проводились в два этапа:
1. Оценка влияния естественных геохимических аномалий на животных (на примере рыжей полевки Myodes £1агео1т): оценка демографических характеристик популяций, анализ морфофизиологических индикаторов по методу С. С. Шварца [11], гистологические исследования надпочечников и яичников животных.
2. Ретроспективное исследование причин смертности людей (нозологии по МКБ-Х) за пятилетний период.
Исследования проведены в двух районах с избыточным содержанием никеля, кобальта, хрома, обусловленным ультраосновными горными породами (участок 1 — пос. Уралец, участок 2 — д. Анатольская Свердловской области). В качестве контрольных территорий использовались: для зоологических исследований — геохимически фоновый участок Висимского государственного природного биосферного заповедника, для изучения структуры смертности людей — Свердловская область, г. Екатеринбург, участок с фоновыми концентрациями тяжелых металлов в Шалинском районе Свердловской области. Максимальные концентрации никеля, кобальта, хрома в почве аномальных участков
превышают среднеуральские фоновые значения в 23, 15, 100 раз (участок 1) и в 67, 20, 20 раз (участок 2) соответственно. Концентрации тяжелых металлов в тканях растений и животных на аномальных участках статистически значимо отличаются от показателей контрольной территории. Эндемических заболеваний на данных территориях не отмечено.
При статистической обработке полученных данных использовали пакет прикладных программ Статистика 5.0 (StatSoft). Проверку предположения о нормальности распределения проводили с использованием критериев х2 и Колмогорова — Смирнова. При обработке данных морфофизиологических и гистологических исследований использовали многофакторные, многомерные модели дисперсионного анализа, а также тест Манна — Уитни. В модели были включены следующие факторы и их градации: геохимические условия (геохимические аномалии, контрольная территория), фаза популяционного цикла животных («рост», «пик»), пол (самцы, самки), репродуктивный статус животных (половозрелые, неполовозрелые), тип овариального фолликула (однослойные, вторичные, третичные). При проверке гипотез о значимости факторов выбран
5 % уровень значимости.
Для оценки влияния условий естественных геохимических аномалий на организм человека исследовали причины смертности ретроспективным методом за пятилетний период.
Результаты и обсуждение
Для оценки интенсивности метаболизма животных, обитающих в условиях естественных геохимических аномалий, проведен анализ морфофизиологических индикаторов по методу С. С. Шварца. Метод морфофизиологических индикаторов [9, 11, 12] дает возможность оценить физиологические особенности животных, в том числе и напряженность энергетического баланса, по комплексу косвенных признаков, к которым относятся масса тела и относительная масса внутренних органов животных. В данной работе исследовались: масса тела животных, отношение массы к длине тела (индекс упитанности), индексы (отношение массы органа к массе тела) печени, надпочечника, семенника, гепатосупраренальный коэффициент (отношение массы печени к массе надпочечника) (табл. 1). Установлено, что в районах естественных геохимических аномалий у рыжей полевки возрастает относительная масса почки, что свидетельствует об интенсификации метаболизма. Также обнаружено увеличение индекса надпочечника, снижение индекса упитанности и гепатосупраренального коэффициента, что демонстрирует напряженность энергетического баланса организмов животных при избытке тяжелых металлов в окружающей среде. В экстремальных геохимических условиях у рыжей полевки также происходит увеличение индекса семенника, свидетельствующее о повышении генеративных потенций взрослых самцов и ускорении созревания молодых [4, 10].
Таблица 1
Результаты дисперсионного анализа изменчивости исследуемых показателей рыжей полевки. Частные эффекты «геохимического фактора»*
Параметр Средние невзвешенные участок 1/ участок 2/ контроль F Степень свободы Р
Индекс почки, %0 7,93 / 8,09 / 7,28 8,84 2, 267 <0,01
Индекс надпочечника, % % 0,41 / 0,35 / 0,30 16,45 2, 267 0,02
Индекс упитанности, г/см 2,06 / 2,00 / 2,15 4,31 2, 267 0,01
Гепатосупраренальный коэффициент 214,67 / 239,40 / 268,21 5,77 2, 267 <0,01
Индекс семенника, % % 10,57 / 11,53 / 9,0 5,37 2, 131 0,01
Количество овариальных фолликулов в яичнике 36,7 / 38,3 / 31 12,01 2, 61 <0,01
Максимальный диаметр овариального фолликула, мкм 214 / 219 / 184 17,57 2, 273 <0,01
Площадь пучковосетчатой зоны коры надпочечника, мм2 0,94 / - / 0,83 4,75 1, 106 0,03
Площадь клеток в пучковой зоне коры надпочечника, мкм2 70,7 / - / 66,7 4,46 1, 106 0,03
Площадь ядер в пучковой зоне коры надпочечника, мкм2 17,9 / - / 16,1 18,38 1, 106 <001
Примечания: * — приведены только статистически значимые эффекты; прочерк означает отсутствие данных.
При изучении воздействия геохимических условий на морфофункциональное состояние надпочечника рыжей полевки на территории природной геохимической аномалии выявлена статистически значимая гипертрофия пучковой зоны коры, ее клеток и ядер. Данные изменения, вероятно, связаны с увеличением объема продуктов ядерного синтеза и свидетельствуют
об интенсификации выработки глюкокортикоидов, которые участвуют в адаптивных реакциях и обеспечивают повышение неспецифической резистентности животных в экстремальных геохимических условиях. Активация гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, с одной стороны, обеспечивает приспособление организма к условиям геохимической аномалии, с другой, возможно, сокращает энергетические резервы в качестве платы за адаптацию [1].
Установлено, что в районах естественных геохимических аномалий у самок рыжей полевки увеличивается потенциальная плодовитость (количество желтых тел в яичниках). Обнаружены статистически значимые различия по данному показателю между аномальным участком 2 и контрольным участком: (6,9 ± 0,30) и (5,4 ± 0,22) желтого тела беременности в яичнике
(участок 2 и контроль соответственно, тест Манна
— Уитни). Фактическая плодовитость (количество плодов в матке) также выше у полевок, населяющих аномальные районы: (5,7 ± 0,22); (6,1 ± 0,52); (4,8 ± 0,23) жизнеспособного эмбриона на самку (участки 1; 2 и контроль соответственно, тест Манна
— Уитни). Доимплантационная смертность у самок в районах геохимических аномалий (участки 1 и 2) в 1,8 и 2,4 раза ниже по сравнению с контрольной территорией. Вместе с тем следует отметить, что численность рыжей полевки выше на контрольной территории по сравнению с аномальными участками. Низкие численности при более высоких показателях плодовитости связаны с повышенным уровнем постнатальной смертности животных на территориях естественных геохимических аномалий [3].
Кроме того, на территориях аномалий обнаружено увеличение количества и размеров фолликулов в яичниках неполовозрелых самок рыжей полевки, что свидетельствует об интенсификации процесса фол-ликулогенеза и, следовательно, ускорении полового созревания животных.
Анализ статистически значимых взаимодействий факторов изменчивости исследуемых показателей (дисперсионный анализ) позволил заключить, что экстремальные геохимические условия усиливают действие других факторов. Установлено, что на аномальной территории половой диморфизм в отношении морфофизиологических индикаторов и гистологических особенностей надпочечника выражен в большей степени, чем на контрольной. В районах аномалий наблюдается усиление влияния плотности популяции животных на изучаемые показатели [10]. Эффекты взаимодействия факторов продемонстрированы на примере морфофизиологических характеристик коры надпочечника животных (рисунок).
В результате анализа смертности людей установлено, что ее структура в районе естественной геохимической аномалии отличается от показателей г. Екатеринбурга, Свердловской области и фонового района (табл. 2). Первое место в списке причин смерти (ранг 1) на всех исследуемых территориях
занимают болезни системы кровообращения, что соответствует общемировой ситуации, так как данные заболевания обусловливают значительную часть в структуре человеческой смертности [2, 6]. Второе место в списке причин смерти (ранг 2) на территории естественной геохимической аномалии занимают новообразования, в то время как в г. Екатеринбурге, Свердловской области и в Шалинском районе смертности от онкологических заболеваний принадлежит третье место. Показатель относительной смертности от новообразований на геохимически аномальной территории (330,1 случая на 100 тысяч населения) самый высокий среди всех анализируемых выборок (см. табл. 2). Необходимо отметить, что определенный вклад в повышение относительной смертности от онкологических заболеваний вносит увеличение доли населения старших возрастных классов, так как аномальная территория является поселком с характерной для небольших населенных пунктов возрастной структурой. Однако перечисленными особенностями невозможно объяснить увеличение онкосмертности на аномальной территории по сравнению с геохимически фоновым районом (262,6 случая на 100 тысяч населения). Для этого фонового участка (Шалинский район) по данным Территориального органа федеральной службы государственной статистики по Свердловской области установлена аналогичная аномальному участку возрастная структура населения. Отличительными особенностями выборки геохимического фона по сравнению с геохимической аномалией также является отсутствие смертей от врожденных аномалий и болезней мочеполовой системы. Относительные показатели смертности от врожденных аномалий (12,5 случая на 100 тысяч населения) и болезней мочеполовой системы (12,5) на аномальной территории превышают значения, характерные для г. Екатеринбурга (3,1 и 7,9) и Свердловской области (4,1 и 8,6 врожденной аномалии и болезни мочеполовой системы соответственно). Стоит заметить, что на основании данных пятилетнего периода наблюдений не представляется возможным сформулировать окончательные выводы относительно таких редких причин смерти.
Взаимодействие факторов изменчивости морфофизиологических параметров надпочечника рыжей полевки
Примечания: а — взаимодействие геохимического фактора с фактором «пол», Нао Н(6, 112) = 11,86, р < 0,01; б — взаимодействие геохимического фактора с фактором «фаза популяционного цикла», Нао Н (11, 96) = 2,91, р < 0,01; 1 — участок 1, 2 — контроль.
Средние показатели смертности населения различных территорий Свердловской области за 2002—2006 годы
Таблица 2
Группа нозологий Уралец (геохимическая аномалия) Свердловская область Екатеринбург Шаля (геохимический фон)
На 100 тыс. % Ранг На 100 тыс. % Ранг На 100 тыс. % Ранг На 100 тыс. % Ранг
Инфекционные и паразитарные болезни 25,5 1,05 5 30,3 1,81 7 27,3 1,90 7 43,5 1,67 6
Туберкулез 25,5 1,05 5 24,8 1,48 8 19,0 1,32 8 22,0 0,83 7
Новообразования 330,1 13,68 2 207,2 12,35 3 212,9 14,80 3 262,6 10,00 3
Болезни эндокринной системы 0 0 - 7,3 0,43 11 6,9 0,48 11 0 0 -
Болезни крови и кроветворных органов 0 0 - 0,9 0,05 15 0,7 0,05 16 0 0 -
Психические расстройства 0 0 - 1,6 0,10 13 0,7 0,05 16 0 0 -
Болезни нервной системы и органов чувств 25,0 1,05 5 12,3 0,73 9 12,6 0,88 9 43,4 1,67 6
Болезни системы кровообращения 1664,4 68,42 1 907,2 54,07 1 743,1 51,62 1 1611,0 61,67 1
Болезни органов дыхания 25,7 1,05 5 69,5 4,15 4 54,7 3,80 5 130,1 5,00 4
Болезни органов пищеварения 75,7 3,16 4 63,5 3,78 5 55,6 3,87 4 65,2 2,50 5
Болезни мочеполовой системы 12,5 0,53 6 8,6 0,51 10 7,9 0,55 10 0 0 -
Осложнения беременности, родов 0 0 - 0,4 0,02 16 0,3 0,02 17 0 0 -
Болезни кожи и подкожной клетчатки 0 0 - 1,6 0,09 14 1,8 0,13 14 0 0 -
Болезни костно-мышечной системы 0 0 - 1,5 0,09 14 1,4 0,10 15 0 0 -
Врожденные аномалии 12,5 0,53 6 4,1 0,24 11 3,1 0,21 13 0 0 -
Болезни перинатального периода 0 0 - 4,3 0,26 12 3,1 0,22 12 0 0 -
Неточно обозначенные состояния 12,5 0,53 6 52,4 3,12 6 50,5 3,51 6 64,7 2,50 5
Травмы и отравления 216,8 8,95 3 280,5 16,72 2 237,6 16,50 2 371,7 14,17 2
Вероятно, относительно высокие показатели смертности от новообразований, врожденных аномалий и болезней мочеполовой системы в районе геохимической аномалии объясняются природным избыточным содержанием тяжелых металлов, обусловленным химическим составом подстилающих горных пород территории.
Выводы
В результате проведенных исследований установлено, что естественные никель-кобальт-хромовые геохимические аномалии определяют низкую численность мелких млекопитающих, провоцируют изменения относительной массы некоторых органов, гипертрофию пучковой зоны коры надпочечника и модификации в становлении репродуктивной функции мелких млекопитающих. На аномальной территории возрастают показатели смертности людей от новообразований, врожденных аномалий и болезней мочеполовой системы. Отмеченные особенности выявлены на фоне отсутствия эндемических заболеваний. Природный избыток тяжелых металлов в районах распространения ультраосновных горных пород можно охарактеризовать как опасное природное явление, способное влиять на структуру смертности населения. Данный факт диктует необходимость дальнейших исследований, направленных на поиск общих закономерностей воздействия на организм человека геохимических аномалий, не вызывающих эндемических заболеваний.
Список литературы
1. Адаптация рыжей полевки к условиям природной биогеохимической провинции с избыточным содержанием никеля, кобальта и хрома / Е. В. Михеева, О. А. Жигаль-
ский, В. П. Мамина, Е. А. Байтимирова // Журнал общей биологии. — 2006. — Т. 67, № 3. — С. 212—221.
2. Атлас здоровья в Европе / пер. с англ.; публ. ВОЗ (Серия «Мир в цифрах»). - 2004. - 120 с.
3. Байтимирова Е. А. Плодовитость и морфофизиологические особенности европейской рыжей полевки на территориях природных биогеохимических провинций / Е. А. Байтимирова, В. П. Мамина, О. А. Жигальский // Экология. — 2008. — № 4. — С. 318-320.
4. Байтимирова Е. А. Эколого-физиологические особенности репродуктивной функции самок рыжей полевки на территориях природных биогеохимических провинций: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Байтимирова Е. А. — Пермь, 2008. — 25 с.
5. Башкин В. Н. Биогеохимия / В. Н. Башкин, Н. С. Касимов. — М. : Научный мир, 2004. — 648 с.
6. Воробьева Е. Н. Роль свободнорадикального окисления в патогенезе болезней системы кровообращения / Е. Н. Воробьева // Бюллетень СО РАМН. — 2005. — № 4. — С. 24—30.
7. ГрибовскийГ. П. Биогеохимические провинции Урала и проблемы техногенеза / Г. П. Грибовский, Ю. Г. Грибовский, Н. А. Плохих // Техногенез и биогеохимическая эволюция таксонов биосферы. — М., 2003. — С. 174—187.
8. Ковда В. А. Биогеохимия почвенного покрова / В. А. Ковда. — М. : Наука, 1985. — 264 с.
9. Корнеев Г. А. Опыт изучения индексов печени и надпочечников как показателей энергетического потенциала популяции большой песчанки / Г. А. Корнеев, А. А. Карпов // Грызуны : материалы 5 Всесоюз. совещания. — М. : Наука, 1980. — С. 213—214.
10. Михеева Е. В. Морфофункциональные особенности надпочечника и щитовидной железы рыжей полевки на территории природной биогеохимической провинции : автореф. дис. ... канд. биол. наук / Михеева Е. В. — Екатеринбург, 2006. — 24 с.
11. Шварц С. С. Метод морфофизиологических индикаторов в экологии наземных позвоночных / С. С. Шварц, В. С. Смирнов, Л. Н. Добринский. — Свердловск : УФАН СССР, 1968. - 388 с.
12. Lidicker W. Z. Regulation of numbers in an Island population of California Vole, a problem in Community Dinamics / W Z. Lidicker // Ecologycal Monographs. — 1973. — Vol. 43, N 3. — P. 271—302.
INFLUENCE OF THE NATURAL GEOCHEMICAL FACTOR ON MAN’S HEALTH IN MIDDLE URAL E. V. Mikheeva, *E. A. Baytimirova, O. A. Medvedev
Civil Defense and Disaster Management All Russian Science Research Institute, Federal Center of Science and High Technologies Ural filial *Institute of Plant and Animal Ecology Ural Centre Academy of Sciences
The influence of geochemical conditions on man’s health is urgent problem in the Ural region in view of a wide distribution of the ultrabasic rocks determining superfluous soil concentration of heavy metals. The purposes of the present work - to study influence of the natural nickel-cobalt-chromium geochemical anomalies which are not induce endemic diseases, on animals and person. On the model species - bank vole demographic characteristics
of populations were investigated; morphophysiological indicators (S. S. Schwarz’s method), histological peculiarities of adrenal glands and ovaries were analysed. Retrospective studying the reasons of man’s death rate were carried out. It is established, that natural geochemical anomalies provoke increase in relative weight of a bank vole’s kidney an adrenal gland, testis and also a hypertrophy of adrenal cortex fascicular zone cells and their nuclei. Females of small mammals in areas of geochemical anomalies show a decrease of pre-implantation death rates and increase in potential and actual prolificacy. In the areas of geochemical anomalies puberty acceleration of animals was found. In abnormal territory growth of people’s death rate from neoplasms, congenital anomalies and illnesses of primogenital system was postulated.
Key words: natural geochemical anomaly, death rate, adrenal gland, ovary, prolificacy, neoplasms.
Контактная информация:
Михеева Елена Владимировна — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Уральского филиала Всероссийского научно-исследовательского института по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций
Адрес: 620100, г. Екатеринбург, ул. Большакова, 11а.
Тел.: (343) 262-48-52
E-mail: e_v_mih@mail.ru
Статья поступила 29.10.2008 г.
