CC BY
9
УДК 613.32; 628.19
13И.Г. Григорьева, 13Ю.А. Тунакова, 2Р.А. Шагидуллина, 3В.С. Валиев
1 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, juliaprof@mail.ru 2 Министерство экологии и природных ресурсов РТ, raisa.shagidullina@tatar.ru 3 Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, ipen-anrt@mail.ru
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНДИКАТОРНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Приводится методология и результаты апробации возможностей использования биологических субстратов организма человека для оценки воздействия комплексного полиметаллического загрязнения в урбоэкосистеме на организм чувствительных ее представителей и основных защищаемых объектов.
Ключевые слова: биологические субстраты; волосы; металлы; экспозиция; пороговые концентрации.
Введение
Согласно требованиям руководства Р 2.1.10.1920-04, для учета воздействия комплекса факторов окружающей среды на население исследуемой территории необходимо проводить интегрированную оценку экспозиции действующих факторов. Данный нормативный документ, на сегодняшний день, является единственным методическим руководством по методологии оценки риска здоровью населения при воздействии химических факторов и гармонизированным с аналогичными зарубежными изданиями, например ЕРА600^-06/096^ ЕРА/600^-09/052Е Оценка экспозиции (воздействия)химическихфакторовустанавливает количественное поступление загрязняющих веществ в организм разными путями. Оценка экспозиции должна включать специфические, региональные особенности воздействия химических факторов на сверхчувствительные группы популяций, к которым относятся дети, отличающиеся физиологическими параметрами. На сегодняшний день, необходимо совершенствование методических подходов изучения комплексного воздействия химических факторов на состояние чувствительных представителей популяций для конкретных урбоэкосистем (Новиков и др., 2007; Рахманин и
др., 2012).
Чувствительность детей к химическому загрязнению компонентов урбоэкосистемы имеет свои особенности:
— дети находятся ближе к поверхности земли, в условиях более высокого уровня загрязнения;
— дети отличаются от взрослых высокой
скоростью метаболических процессов (основной обмен у детей 1-го года жизни почти в 2 раза выше взрослого);
— дети потребляют больше воды, пищи и воздуха на единицу массы тела по сравнению с взрослыми;
— у детей выше проницаемость кожных покровов и всасываемость, менее развит гематоэнцефалический барьер. Всасываемость веществ в желудочно-кишечном тракте выше;
— метаболические пути выведения химических загрязняющих веществ у детей менее развиты, поэтому, при поступлении одной и той же дозы химического загрязнения, аккумуляция в организме детей происходит в значительно большей степени по сравнению с подростками и взрослыми (Тунакова и др., 2016а,б).
Оценка экспозиции проводится для ограниченного числа приоритетных веществ, повсеместно распространенных на территории урбоэкосистемы и представляющих
потенциальный риск для здоровья населения.
В качестве приоритетных загрязняющих веществ нами выбраны металлы, которые обладают токсичностью для живых организмов в относительно низких концентрациях, имеют разнообразные антропогенные источники поступления в окружающую среду, обладают большой устойчивостью в среде, характеризуются способностью к активной биогенной миграции и межфазовым переходам, обладают невозможностью самостоятельной деструкции и элиминации из организма человека (Тунакова и др., 2016в; Dongarra, 2012).
Оценка экспозиции базируется на прямых и
4/2017
29
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНДИКАТОРНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
непрямых (косвенных) методах исследования, включающих непосредственное измерение образцов проб и использование биологических маркеров. Согласно п.6.4.4.20. руководства Р 2.1.10.1920-04, биологические маркеры позволяют в большей степени прояснить характер зависимостей «причина-следствие» и «доза-ответ» в процессе оценки риска для здоровья и при контроле качества объектов окружающей среды.
Такие внутренние среды как кровь, моча, волосы, ногти достаточно давно используются в качестве биосубстратов для выявления и измерения содержания металлов в организме человека с целью диагностики нарушений микроэлементного обмена, особенно экообусловленного. Выбор того или иного диагностического биосубстрата часто обусловливается аналитическими возможностями лаборатории и простотой отбора того или иного биологического образца. Однако, выбор биосубстрата должен определяться требованиями оценки экспозиции, поскольку различные биологические материалы отражают экспозицию на протяжении различных периодов времени (Тунакова и др., 2016а).
Пробы волос используются для идентификации долговременной экспозиции полиметаллического загрязнения. Кровь - это предпочтительный биосубстрат для оценки кратковременной экспозиции, так как она находится не только в условиях постоянной гомеостатической регуляции, но и в контакте со всеми тканями организма, в которых откладываются химические вещества. Однако существуют ограничения использования данного биосубстрата, ввиду специальных условий получения проб, их транспортировки и доставки (Биомониторинг ..., 2015; МУК 4.1.763-4.1.77999).
Моча является легко собираемым и высоко доступным в больших объемах биологическим субстратом и используется для оценки экскретируемой фракции химических веществ, однако имеет ограничения ввиду высокой изменчивости состава во времени у одного и того же человека и отражения только уровня кратковременной недавней экспозиции. Использование ногтей в качестве биосубстратов обладает возможностью оценки относительно длительного периода экспозиции, но небольшая масса образцов и их высокая кератинизированность ограничивает использование данного биосубстрата в массовых популяционных исследованиях (Ревич, 2005).
Таким образом, для исследования воздействия длительных экспозиций полиметаллического загрязнения компонентов урбоэкосистемы на организм человека целесообразна аналитическая оценка биосубстратов - волос детей. Исследование волос позволяет оценить интенсивность процессов накопления загрязняющих веществ в различных условиях, с охватом длительных циркануальных экспозиций. Вместе с этим, исследование детских волос обосновано большей чувствительностью к различным факторам воздействия, в том числе и к загрязняющим веществам, именно этой популяционной группы. Дети характеризуются также отсутствием вредных привычек, профессиональных заболеваний, которые могут исказить результаты исследования. Для детей возможно проводить исследования территориально дифференцированно, ввиду локального местонахождения детей в течение длительного времени. Следует отметить, что содержание металлов в волосах характеризуются исследователями как интегральная
характеристика, обобщающая многосредовое воздействие и учитывающая все пути поступления металлов в организм (Environmental ..., 1993; Coelho et al., 2012).
Материалы и методы исследования
При выборе метода анализа необходимо учитывать концентрацию металлов в пробах биосубстратов и их сложный состав. Применение современных аналитических методов с крайне низкими пределами количественного определения привело к расширению имеющихся возможностей использования биосубстратов. К таким методам относится масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, которая используется для определения следов металлов в биосубстратах (Методика ..., 2003). Но для популяционных исследований, основной задачей которых является скрининг большого количества образцов с достаточной массой пробы, целесообразно применение рутинных методов анализа. С этой целью в качестве аналитического метода определения металлов в волосах использовался метод атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС), показавший себя как точный, воспроизводимый, отличающийся высокой избирательностью и быстротой исполнения анализа содержания металлов в индикаторных биосубстратах (Тунакова и др., 2016г).
В Руководстве Р 2.1.10.1920-04 приведены референтные и максимально допустимые концентрации содержания в биосубстратах работающего населения 27 металлов и их
30
российский журннл ИМ! экологии
соединений, однако данные концентрации не могут быть рекомендованы для использования на территориях, обладающих высоким уровнем антропогенной, в том числе и полиметаллической нагрузки. Для таких территорий должны разрабатываться региональные пороговые концентрации в индикаторных биосубстратах, что и является целью данной работы.
В качестве территории исследования нами выбран город Нижнекамск, характеризующийся высоким уровнем антропогенной нагрузки и, как показано нами ранее, содержанием металлов в приземном слое атмосферного воздуха (Шагидуллин и др., 2015, 2017). Репрезентативную группу обследуемых составили 70 детей в возрасте от 6 до 10 лет (9.16±0.13 лет). Места жительства детей были приурочены к 7 участкам расположения стационарных постов Министерства экологии и природных ресурсов РТ (ул. Ямьле, Молодежная, Спортивная, Юности, Южная, Гагарина, Сююмбике). Оценивалось содержание в волосах 9 металлов (Zn, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Cr, Fe, Sr), поступающих в атмосферный воздух с выбросами предприятий города в различных формах.
Предварительно смоченные концентрированной азотной кислотой навески волос озоляли в муфельной печи в фарфоровом тигле при постепенном подъеме температуры до 450° С. Золу растворяли в 15 мл 1н HNO3 (х.ч.), раствор отфильтровывали через беззольный фильтр «синяя лента». Определение металлов проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе Analyst 400.
Таблица. Содержание металлов в
Пределы обнаружения металлов составили: Cd - 0.0008; 2п, Си - 0.0015, Сг - 0.003, № -0.006, Fe - 0.005, РЬ - 0.015, Sг - 0.003 мкг/мл.
Статистическая обработка полученных результатов проведена с помощью статистического пакета «^ТАТКТЮА у.6.0». Достоверность различий средних сравниваемых величин определялась по стандартному ^критерию Стьюдента с поправкой Кейлса для малых выборок, а для выборок с ярко выраженной асимметрией с помощью и-критерия Манна-Уитни. За достоверное принимали различие на 95% уровне значимости (р<0.05). Массив аналитических данных был подвергнут статистической обработке, которая заключалась в установлении распределения металлов в волосах детей по зонам исследования, включающему детальную информацию по каждому металлу.
Результаты и их обсуждение
Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице. При сопоставлении средних значений содержания различных металлов по участкам исследования статистиче ски значимо (уровень значимости р<0.05) выделяются: по Cd - район улиц Сююмбике и Гагарина (достоверно отличаются от ул. Ямьле и Молодежная); по РЬ - ул. Молодежная, Южная (достоверно отличаются от ул. Ямьле); по Сг - ул. Молодежная и Гагарина (достоверно отличаются от ул. Ямьле и Спортивная). По остальным металлам статистически значимых различий не отмечено, хотя и присутствует значительный размах средних значений.
осах детей по зонам исследования
Содержание металлов (M±m, мкг/г), зоны исследования
Ямьле, n=7 Молодежная, n=7 Спортивная, n=11 Юности, n=10 Южная, n=10 Гагарина, n=14 Сююмбике, n=11
Zn 92.4±7.8 110.7±7.1 105.6±6.34 114.5±7.1 104.5±7.5 123.5±12.7 113.5±6.8
Cd 0.64±0.11 0.61±0.14 0.67±0.11 0.72±0.16 0.71±0.13 0.87±0.14 0.94±0.08
Cu 9.23±1.21 10.6±0.89 11. 8± 1.33 11.4±0.92 11.3±1.25 11.3±0.99 10.2±0.41
Mn 1.05±0.28 1.00±0.16 1.53±0.29 1.09±0.06 1.12±0.18 0.97±0.12 1.34±0.21
Ni 0.82±0.17 1.24±0.27 1.22±0.28 1.42±0.26 1.13±0.16 1.25±0.22 1.21±0.26
Pb 4.27±0.30 10.47±1.72 3.76±0.55 7.69±1.07 8.35±0.81 6.60±1.79 5.23±1.69
Cr 0.42±0.11 1.43±0.35 0.65±0.13 0.87±0.09 1.03±0.15 1.32±0.16 0.82±0.07
Fe 22.2±4.3 22.6±1.52 21.5±2.1 20.6±1.8 17.7±1.1 28.2±3.8 22.1±2.8
Sr 11.9±3.7 6.8±1.0 11.2±2.0 9.6±1.3 6.5±0.8 8.6±1.1 11.4±1.5
от
31
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНДИКАТОРНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Статистический анализ данных по содержанию различных металлов в волосах обследованных детей позволил также рассчитать пороговые значения концентраций, величины которых соответствуют нижнему квартилю ранжированного ряда всех значений концентраций того или иного металла: 2п - 93.6, Cd - 0.44, Си -8.76, Мп - 0.76, № - 0.73, РЬ - 4.13, Сг - 0.57, Fe -16.0, Sг - 5.7 мкг/г.
Следует отметить, что накопление металлов в волосах детей является не только комплексным показателем, охватывающим все пути поступления металлов в организм, но и долгосрочным прогностическим критерием, обладающим значительной инерцией и агрегирующим информацию за длительный период времени.
Заключение
Пороговые концентрации металлов, определяемые с помощью индикаторного биосубстрата, характеризующего длительную экспозицию на территории с высоким уровнем антропогенной нагрузки, могут использоваться для разработки региональных нормативов содержания металлов в компонентах урбоэкосистемы.
Список литературы
1. Биомониторинг человека: факты и цифры. Копенгаген: Европейское региональное бюро ВОЗ, 2015.
2. Методика определения микроэлементов в диагностируемых биосубстратах методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС): Методические рекомендации. М., 2003. 24 с.
3. МУК 4.1.763-4.1.779-99. Определение химических соединений в биологических средах. Методы контроля. Химические факторы. Сборник методических указаний. М., 2000. 152 с.
4. Новиков С.М., Ревазова Ю.А., Розенталь В.М., Кор-сунская И.М., Зыкова И.Е., Хрипач Л.В., Скворцова Н.С., Князева Т.Д. Методологическая схема обследования городского населения с многоуровневыми оценками экспозиции загрязнителями атмосферного воздуха // Гигиена и санитария. 2007. №5. С. 65-67.
5. Р 2.1.10.1920-04. Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004. 143 с.
6. Рахманин Ю.А., Шашина Т. А., Унгуряну Т.Н., Новиков С.М., Скворцова Н.С., Мацюк А.В., Легостаева Т.Б., Антипанова Н.А. Характеристика количественных значений региональных факторов экспозиции на исследуемых территориях // Гигиена и санитария. 2012. №6. С. 30-33.
7. Ревич Б.А. Биомониторинг металлов в организме человека // Микроэлементы в медицине. 2005. №6 (4) С. 11-16.
8. Тунакова Ю.А., Шагидуллина Р.А., Валиев В.С., Григорьева И.Г. Биообъекты при экологическом мониторинге территорий с высоким уровнем антропогенной нагрузки // Хартия Земли - практический инструмент решения фундаментальных проблем устойчивого развития / Сб. материалов
Междунар. научно-практ. конф. Казань: Татарское кн. изд-во, 2016в. С. 212-216.
9. Тунакова Ю.А., Шагидуллина Р.А., Валиев В.С., Григорьева И.Г. Оценка вклада метеопараметров в формирование поля концентраций примесей в приземном слое атмосферного воздуха на примере территории г. Нижнекамска // Хартия Земли - практический инструмент решения фундаментальных проблем устойчивого развития / Сб. материалов Междунар. научно-практ. конф. Казань: Татарское кн. изд-во, 2016б. С. 388-392.
10. Тунакова Ю.А., Шагидуллина Р.А., Валиев В.С., Григорьева И.Г., Кузнецова О.Н. Возможности использования биологических объектов и теории риска для прогноза уровня экологического риска на урбанизированной территории (сообщение 1) // Вестник технологического университета. 2016а. Т. 19, №17. С. 181-184.
11. Тунакова Ю.А., Шагидуллина Р.А., Григорьева И.Г., Валиев В.С. Использование внутренних сред организма детей для экологического мониторинга уровня полиметаллического загрязнения антропогенно-нагруженных территорий // Сб. тр. XVI Междунар. конф. «Химия и инженерная экология». Казань: Изд-во «Фолиант», 2016. С. 353-358.
12. Шагидуллин А.Р., Тунакова Ю.А., Шагидуллин Р.Р. Аспекты практического применения нормативного метода расчета распространения примесей в атмосфере для оценки приземных концентраций в условиях города // Дифференциальные уравнения и их приложения в математическом моделировании / XIII Междунар. научная конф. Саранск, 2017. С. 462-468.
13. Шагидуллин А.Р., Шагидуллина Р.А., Тунакова Ю.А. Выявление зон сверхнормативного загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха на территории г. Нижнекамска при залповых выбросах стационарных источников // Вестник технологического университета. 2015. Т.18, № 1. 383386.
14. Coelho P., Costa S., Silva S., Walter A. Metal(loid) levels in biological matrices from human populations exposed to mining contamination-Panasqueira Mine (Portugal) // J. Toxicol. Environ. Health. A. 2012. 75 (13-15). P. 893-908.
15. Dongarra G., Varrica D., Tamburo E., D>Andrea D. Trace elements in scalp hair of children living in differing environmental contexts in Sicily (Italy) // Environ Toxicol. Pharmacol. 2012. 34(2). Р. 160-169.
16. Environmental Health Criteria 155: Biomarkers and Risk Assessment: Concepts and Principles. World Health Organisation, International Programme on Chemical Safety. Geneva, 1993.
17. EPA/600/R-06/096F. Child-Specific Exposure Factors Handbook. U.S. Environmental Protection Agency, 2008.
18. EPA/600/R-09/052F. Exposure Factors Handbook. U.S. Environmental Protection Agency, 2011.
I.G. Grigorieva, Y.A. Tunakova, R.A Shagidul-lina, VS. Valiev. Possibilities of using indicative biological substrates of the human organism for the estimation of polymetallic pollution impacts.
The methodology and approbation results of possibilities of using biological substrates of the human organism for impact estimation of the complex poly-metallic pollution in the urban ecosystem on the organism of sensitive representatives and the main protected objects are given.
Keywords: biological substrates; hair; metals; exposure; threshold concentrations.
32
российский журнал прикладной экологии
