Научная статья на тему 'Возможные медико-экологические проблемы, обусловленные различным поступлением химических элементов в систему "почва-овощи-человек"'

Возможные медико-экологические проблемы, обусловленные различным поступлением химических элементов в систему "почва-овощи-человек" Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
291
77
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Морковкин Геннадий Геннадьевич, Панова Елена Владимировна

В статье рассматривается возможное негативное влияние на здоровье человека различного уровня поступления химических элементов (Zn, Cu, Ni, Cr) в систему "почва-овощи-человек". Приведены данные по содержанию цинка и меди в почвах и овощных культурах приусадебных участков сельских жителей Алтайского края по природно-почвенным зонам. Проведено изучение суточных рационов питания сельского населения, в том числе у лиц с проявлением различных заболеваний, рассчитаны уровни поступления химических элементов в организм человека.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Морковкин Геннадий Геннадьевич, Панова Елена Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE POSSIBLE MEDICAL-ENVIRONMENTAL PROBLEMS, CAUSED BY VARIOUS RECEIPT OF CHEMICAL ELEMENTS IN THE SYSTEM "SOIL-VEGETABLES-HUMAN"

The possible negative influence on the human health during the receipt of different level chemical elements (Zn, Cu, Ni, Cr) in system "soil-vegetables-human" is considered in the article. The data on the contents of zinc and copper in the soil and vegetable crops from the private farm lands of the Altai Territory countryside are given. The study of daily diets of the rural population has been carried out including the persons with display of various diseases; the levels of receipt of chemical elements in the human organism are designed.

Текст научной работы на тему «Возможные медико-экологические проблемы, обусловленные различным поступлением химических элементов в систему "почва-овощи-человек"»

УДК: 613.26/.29:541.43

Г.Г. Морковкин, Е.В. Панова

Возможные медико-экологические проблемы, обусловленные различным поступлением химических элементов в систему «почва-овощи-человек»

Избыток химических элементов в окружающей среде, как и их недостаток, может привести к нарушению обмена веществ и развитию специфических заболеваний человека [1—4].

Большая часть многих необходимых, либо токсичных веществ поступает в организм человека с пищевыми продуктами. К. Рейли, указывает, что этим путем может поступать до 70% химических элементов [1].

По мнению Б.А Ягодина, практически для каждого элемента необходимо различать четыре уровня концентрации: 1) дефицит элемента, когда организм страдает от недостатка; 2) оптимальное содержание, способствующее хорошему состоянию организма; 3) терпимые концентрации, когда депрессии организма лишь начинают проявляться; 4) губительные для данного организма [2].

Из 92 встречающихся в природе химических элементов 81 обнаружен в организме человека. Микроэлементы (медь, цинк, хром) признаны эс-сенциальными, т.е. жизненно необходимыми; никель - условно эссенциальный [2-3]. Однако по степени опасности цинк относится к первому классу высоко опасных для здоровья людей элементов; медь, никель, хром - ко второму классу умеренно опасных [5].

Цинк наиболее подвижен в виде иона Еп2+ в кислых средах. Основные его соединения в почвах представлены Еп(ОИ)2, ЕпСО3, Еп3(РО4)2. В кислой среде цинк адсорбируется по катионно-обменному механизму, в щелочной среде - в результате хемосорбции. Важными факторами, влияющими на подвижность цинка, является содержание в почвах глинистых минералов и гумуса. С органическим веществом цинк образует устойчивые формы, поэтому в большинстве случаев он накапливается в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и торфа [6].

Цинк в больших количествах (>7х10-3%) токсичен для растений, так как наблюдается угнетение процессов окисления [7]. Предельно допустимая концентрация (ПДК) цинка в растительных кормах составляет 50 мг/кг, в растительных продуктах питания человека - 1050 мг/кг [8]. При избыточной концентрации соединения цинка (особенно, оксид, хлорид, сульфат)

вызывают у людей воспаление кожи и заболевание органов верхних дыхательных путей, поражают кровь и центральную нервную систему [4].

Недостаток цинка (3х10-3%) приводит к задержке или прекращению роста большинства растений [7].

Цинк относится к микроэлементам, необходимым для функционирования человеческого организма, входит в состав инсулина, функционирует как активатор 80 ферментов. Его недостаток в рационе человека представляет серьезную угрозу для здоровья. При отсутствии или недостатке цинка нарушается биосинтез витаминов (аскорбиновой кислоты, витамина В1) и ростовых веществ - ауксинов, что проявляется в замедленном росте и половом инфантилизме подростков, нарушении вкуса (гипогезия), потери аппетита и нарушении обоняния (гипосмия), нарушении заживления ран [9].

Необходимая суточная доза цинка в рационе среднестатистического взрослого человека -5,5-22,0 мг [9].

Медь. В химическом отношении медь является малоактивным металлом. Образует оксиды: Си2О, СиО и Си2О3. Гидроксид меди Си(ОИ)2 - очень слабое основание. В почве катионы меди взаимодействуют с органическими и минеральными соединениями и могут осаждаться в виде сульфидов, карбонатов и гидроксидов. Поэтому медь является малоподвижным элементом в почвах, представленным главным образом валовой формой. Все соли меди достаточно ядовиты. Наибольшее значение в токсикологии имеют ее подвижные соединения. Основное количество меди в почве связано с оксидами железа и марганца, гидроксидами железа и алюминия. Гуминовые и фульвокислоты образуют с медью устойчивые комплексы. В связи с этим вполне объяснима известная медная недостаточность растений на торфяных почвах, т.е. торф обладает способностью прочной фиксацией этого элемента [5].

При недостатке меди (6-15х10-4%) нарушаются процессы метаболизма растений, они заболевают: свертываются и засыхают листья, задержи-

вается развитие корневой системы, проявляется хлороз. Медь необходима для образования гемоглобина у человека, помогает работоспособности желез внутренней секреции, стимулирует белковый обмен. Недостаток Си вызывает анемию, является одной из причин деминерализации костей, развития остеопороза.

В концентрациях свыше 6х10-3% медь токсична для живых организмов. Мутагенные и канцерогенные свойства у Си не установлены. Попадая в организм человека, соединения меди действуют как токсины, вызывая отравления, заболевания крови, почек, кишечного тракта [3; 4; 7; 9; 10].

Поступление меди с пищей должно составлять 2-5 мг в сутки, причем суточное потребление менее 2 мг опасно в связи с возможностью развития медьдефицитных состояний [3; 10].

Никель образует два оксида: оксид никеля

(II) N10 и оксид никеля (III) №203 и соответствующие им основания. В природной среде никель существует в виде сульфидов и арсенидов, часто замещает железо в железомагниевых соединениях, а также ассоциируется с карбонатами, фосфатами и силикатами. С оксидами Мп и Ее связывается в почве до 15-30% общего количества никеля. В верхних горизонтах почв никель присутствует в связанных с органическим веществом формах, часть которых находится в виде легкорастворимых хелатов. 0днако наиболее доступны растениям оксиды металлов Ее, Мп, а также и N1 [6].

Никель относят к биологически активным элементам, которые стимулируют определенные физиологические процессы. Никельдефицитные состояния у человека не зарегистрированы, однако имеются указания, что в контролируемой окружающей среде космического корабля может возникать недостаточность никеля.

Токсичность никеля, как и многих других металлов, зависит от химической формы его соединений и пути их поступления в организм. При попадании в организм человека соединения никеля могут выступать как токсины и канцерогены [8]. Суточная потребность в никеле для взрослого человека 0,6-0,8 мг [3; 9].

Хром образует три оксида: оксид хрома (II) СгО, имеющий основной характер, оксид хрома

(III) Сг203, проявляющий амфотерные свойства и оксид хрома (VI) или хромовый ангидрид Сг03 - кислотный оксид. В почве хром формирует комплексные ионы: Сг(0Н)2+, Сг042-, Сг03-. Большая часть хрома в почве присутствует в виде Сг3+, который образует оксиды вместе с ионами Ее. В кислой среде ион Сг3+ инертен, при рН

5,5 почти полностью выпадает в осадок. Ион Сг6+ крайне не стабилен и легко мобилизуется в кислых и щелочных почвах. При увеличении рН адсорбция Сг6+ уменьшается, а адсорбция Сг3+ повышается. Органическое вещество почвы стимулирует восстановление Сг6+ до Сг3+. Для растений хром токсичен только в окисленной (шестивалентной) форме. Поглощение его происходит преимущественно корневой системой [6].

При недостатке хрома в организме человека нарушается усвоение глюкозы. А это напрямую связано с развитием диабета. Недостаток хрома может спровоцировать развитие сердечных заболеваний, почечной недостаточности. Хром (особенно шестивалентный) обладает наиболее выраженным общетоксическим, нефротоксиче-ским, гепатоксическим, мутагенным и канцерогенным действием. Рекомендуемое потребление

0,02-0,5 мг в сутки [4; 9].

В целом территория Алтайского края характеризуется высоким содержанием тяжелых металлов в почвах. Большое содержание тяжелых металлов в почвах районов, расположенных в предгорной зоне Алтая: Рубцовском, Локтевском, Змеиногорском, Третьяковском - в южной части края; Усть-Калманском, Смоленском, Алтайском, Солонешенском - на востоке; Заринском, Тальменском - на севере. Эти территории характеризуются высокими фоновыми значениями вследствие повышенного содержания в породах металлических руд. Малозагрязнены Троицкий, Зональный, Бийский, Тогульский, Ельцовский районы [11].

Около 460 тыс. семей в крае ведут личные подсобные хозяйства, являются владельцами земельных участков в коллективных садоводствах и огородничествах. В 2003 г. на подворьях было выращено более 90% овощей и картофеля от общего количества в крае, закуплено у населения 10 тыс. т картофеля. В 2003 г. в России был принят закон «О личном подсобном хозяйстве», и с начала 2004 г. закуп продукции в личных подсобных хозяйствах ведется более высокими темпами [12].

Выращиваемая на приусадебных участках овощная продукция используется в основном для личного потребления и является основным растительным продуктом в течение многих лет, в связи с чем возможно значительное влияние химического состава выращиваемых растений на накопление либо дефицит химических элементов в организме человека.

Поступление элементов в растения одного и того же вида, выращенные при одинаковых условиях, в сильной степени зависит от типа почвы. На поглощение того или иного элемента из

почвы влияет и содержание в ней других микроэлементов [13].

Содержание различных химических элементов в почве зависит от химического состава почвообразующих пород, поступлении их в почву в результате техногенеза (ТЭЦ, металлургических комбинатов, предприятий химической промышленности, автотранспорта), поступления с минеральными и органическими удобрениями, пестицидами и др. [14].

Повышенные концентрации тяжелых металлов природного происхождения в почвах встречаются в тех районах, где имеют место выходы полиметаллических руд. На территории Алтайского края к ним относятся предгорья Алтая и Салаирского кряжа. Добыча полиметаллических руд (Локтевский, Змеиногорский районы), их обогащение привели к тому, что в южной части края возникли локальные очаги с повышенными концентрациями таких элементов, как 2п, РЬ, БЬ, С^ N1 и др. Однако в степной части территории региона также установлено некоторое превышение ряда тяжелых металлов над фоном, что не связано с естественными выходами рудных месторождений. Очевидно, что эти металлы и металлоиды, содержание которых превышает фон, имеют антропогенное происхождение [15].

Установлено, что на техногенно загрязненных почвах растения способны накапливать в своих подземных и надземных органах большое количество тяжелых металлов [16-17]. Содержание металла в почве не должно приводить к загрязнению выращенной на ней растениеводческой продукции сверх ПДК.

С целью изучения медико-экологических проблем, связанных с различным поступлением химических элементов в систему «почва-овощи-человек» проводились исследования в следующих природно-почвенных зонах Алтайского края:

1. Зона каштановых почв сухих степей (административные районы Славгородский (с. Знаменка), Михайловский (с. Бастан), Угловский (с. На-умовка), Благовещенский (с. Степное-Озеро)).

2. Зона черноземов засушливой и умеренно засушливой степи (административные районы Хабарский (с. Хабары), Родин ский (п. Шаталов-ка), Рубцовский (с. Зеленая Дубрава, с. Половин-кино), Алейский (с. Боровское)).

3. Зона выщелоченных черноземов и серых лесных почв средней лесостепи (административные районы: Тальменский (р.п. Тальменка), Ко-сихинский (с. Косиха), г. Заринск).

4. Зона черноземов предгорных равнин, предгорий и низкогорий Алтая (административные районы: Третьяковский (с. Староалейское), Ку-рьинский (с. Трусово), Краснощековский (с. Мара-

лиха, с. Усть-Козлуха, с. Карпово), Петропавловский (с. Алексеевка), Смоленский (с. Ново-Тырышкино), Советсткий (с. Красный Яр, с. Половинка)).

В каждом населенном пункте было проведено анкетирование 30 семей, имеющих приусадебные участки и выращивающих овощи. При разработке анкеты принимались во внимание основные эколого-гигиенические нормативные документы, опыт ряда исследователей по опубликованным работам, а также специфика проживания людей. Почвенные пробы отбирались с приусадебных участков в местах выращивания овощной продукции, а также были выбраны образцы основных овощей (свеклы, моркови, лука, капусты) и картофеля. При отборе проб почв, продуктов растениеводства, подготовки проб к анализу, проведении анализа руководствовались «Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства» (1992 г.) [18].

Химическое разложение проб почв при валовом определении металлов проводилось 5М раствором азотной кислоты с последующим кипячением на водяной бане в течение 3 часов. Подвижные формы соединений элементов в почвах извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН = 4,8. Этот экстрагент принят агрохимической службой для извлечения доступных растениям микроэлементов и служит для оценки обеспеченности почв ими. Минерализацию растительных проб проводили методом сухого озоления по ГОСТ 26657-85.

Анализ образцов почвы, овощей и картофеля проводился в НИИ химизации сельского хозяйства государственного образовательного учреждения АГАУ атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре с лампами полого катода С115-1М с пламенной атомизацией.

Оценку загрязнения почв проводили методом сравнения относительно ПДК и сравнением с фоновыми концентрациями элементов в почве данного региона, овощных культур - относительно ПДК.

В данной статье нами приводятся обобщенные данные о поступлении в систему «почва-овощные культуры», меди и цинка по трем природным зонам: сухая степь; зона предгорных равнин, предгорий и низкогорий Алтая; лесостепь. Средние значения валовых цинка и меди в почвах приусадебных участков обследованных районов не превышают ПДК. Отмечено превышение фона по цинку в почве (0-20 см) Петропавловского района (зона предгорных равнин, предгорий и низкогорий Алтая),

по меди - в почве г. Заринска (лесостепь) (0-20 см) - в 1,4 раза.

Во всех образцах столовой свеклы, выращенной на приусадебных участках г. Заринска, отмечалось превышение ПДК по цинку, в среднем в три раза. В Славгородском (сухая степь) и Смоленском (зона предгорных равнин, предгорий и низкогорий Алтая) районах свекла накапливала Еп выше ПДК в 1,3 и 1,4 раза соответственно. В картофеле, луке, моркови и капусте отмечалось содержание цинка ниже ПДК, кроме единичных проб картофеля во всех районах, проб лука в г. Заринске, моркови - в Петропавловском районе и г. Заринске.

Медь преимущественно накапливалась в съедобной части свеклы и была выше норм ПДК во всех районах, кроме свеклы, выращенной в Славгородском районе. 0тмечено превышение содержания Си в 35% проб картофеля Петропавловского района.

Средние данные по содержанию цинка и меди в овощной продукции обследованных районов дают возможность отметить, что наибольшим уровнем их накопления характеризуется столовая свекла, низким - капуста.

По нашим данным, съедобная часть моркови, столовой свеклы меньше накапливает Еп и Си, чем кожура. У картофеля примерно одинаковое содержание цинка и меди, что в мякоти клубней, что в кожуре. Кочерыга накапливает больше химических элементов, чем листья кочана.

Таким образом, зная распределение тяжелых металлов в отдельных зонах и тканях различных органов растений, можно оценить долю участия каждой зоны в общем запасе элемента в продукте, что дает основание для механического удаления части продукта, накапливающей избыточное количество элемента.

Необходимо отметить широкое варьирование содержания цинка и меди в овощной продукции одного и того же населенного пункта. В каждом районе был рассчитан суточный рацион на одного среднестатистического человека в килограммах и в килокалориях по каждому продукту и по сбалансированности продуктов растительного и животного происхождения.

На основании суточного рациона, результатов о содержании элементов в основных пищевых продуктах (по литературным данным [14; 19-21]) и собственным исследованиям были произведены расчеты суточного потребления жителями химических элементов (меди, цинка, никеля, хрома) в каждом районе. В основном жители сельских населенных пунктов потребляют продукты питания, выращенные на приусадебных участках либо на территории района проживания.

Оценка структуры питания (потребления отдельных пищевых продуктов) показала преобладание в рационе сельских жителей Алтайского края хлеба и хлебобулочных изделий, картофеля, яиц и низкое потребление овощей, мяса, рыбы, молока, фруктов, чем рекомендуется Институтом питания РАМН (1999) [22].

Нормой потребления энергии для условного взрослого человека, по данным И.М. Скурихина, МН. Волгарева, является 2775 ккал [21]. По рассчитанным данным энергетическая ценность суточного рациона составила в Славгородском районе 2602,9 ккал; Третьяковском - 2396,8; Советском - 2355,2; Угловском - 2506,4; Рубцовском - 2112,0 ккал, что значительно ниже рекомендуемого уровня. В Смоленском и Красноще-ковском районах отмечены высококалорийные рационы питания, соответственно 3349,4 и 3466,4 ккал, за счет потребления хлеба и хлебобулочных изделий, картофеля, мяса, молока выше рекомендуемого и овощей в пределах рекомендуемой нормы.

Суточный рацион оценивался в целом по району у групп здоровых лиц и населения с проявлением различных заболеваний. Установлено различие в рационах у здоровых жителей и лиц с различными заболеваниями. В большинстве районов суточное потребление продуктов питания у лиц с различными заболеваниями выше как по количеству, так и по калорийности по сравнению со здоровым населением.

Большую часть рациона питания сельских жителей обследованных районов составляют продукты растительного происхождения, что согласуется с литературными данными [19]. Наблюдается различие в сезонном рационе питания. В зимнем рационе преобладают мучные изделия, мясо, сало, супы, домашние заготовки, в летнем - свежие овощи, ягоды.

В ряде районов Алтайского края содержание меди в рационах находится ниже нормы, при рекомендуемом поступлении - 2-5 мг в сутки, в Советском районе жители потребляют 1,532 мг, в Третьяковском - 1,553, в Курьинском - 1,875.

Установлено, что при рекомендуемой норме потребления хрома 0,02-0,5 мг в сутки, в Смоленском районе здоровое население потребляет 0,669 мг, население с заболеваниями - 1,154 мг, что в 2,3 раза выше верхней границы рекомендуемого значения.

На протяжении ряда лет в Алтайском крае в структуре заболеваемости по всем возрастным группам первое место занимают болезни органов дыхания (24%), второе место - болезни системы кровообращения (15,8%), третье место -болезни органов пищеварения (9,3%). Болезни

мочеполовой системы и костно-мышечной системы составляют соответственно, 8 и 7,9% [23].

На основании статистических данных по заболеваемости населения Алтайского края за пять лет (1998-2002 гг.), предоставленных Алтайским краевым информационно-аналитическим центром при Комитете здравоохранения выделены средние показатели по каждому виду болезни в конкретном районе. Была проведена попытка выявления влияния конкретных химических элементов на проявление наиболее распространенных заболеваний сельских жителей Алтайского края с помощью корреляционного анализа.

Содержание меди и цинка в рационах питания положительно коррелирует со всеми основными заболеваниями, причем корреляционная зависимость отражает сильную связь (г > 0,7) содержания Си, 2п, N1 в рационах питания с болезнями системы кровообращения. Средние коэффициенты корреляции имеют место для меди при болезнях органов дыхания, костно-мышечной системы, для цинка - болезни органов

дыхания, никеля - врожденные аномалии. Между содержанием хрома в рационах питания и наиболее распространенными в Алтайском крае заболеваниями корреляционная связь слабая или близка к нулю.

Лечение болезней, связанных с дисбалансом микроэлементов, обычными фармакотерапевти-ческими средствами неэффективно, лишь коррекция рационов, направленная на сбалансирование элементного состава, может оказывать положительный эффект [2].

Оценка содержания химических элементов в почвах и овощах по природно-почвенным зонам Алтайского края и оценка их поступления в организм человека, должна являться предварительным этапом при разработке мероприятий, регулирующих поступление отдельных химических элементов в продукцию растениеводства, снижающих эффект токсичного накопления ряда металлов в продуктах, а также при разработке рекомендаций соответствующих рационов питания для снижения рисков специфических заболеваний человека.

Литература

1. Рейли К. Металлические загрязнения пищевых продуктов / Пер. с англ. М., 1985.

2. Ягодин Б.А. Тяжелые металлы и здоровье человека // Химия в сельском хозяйстве. 1995. №4.

3. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология / А.П. Авцын, А.А. Жаворонков, М.А. Риш, Л.С. Строчкова; АМН СССР. М., 1991.

4. Краткая медицинская энциклопедия / Под ред.

А.Н. Шабанова. М., 1974. Т. 3.

5. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: Справочник Л., 1985.

6. Аристархов А.Н. Оптимизация питания растений и применения удобрений в агроэкосистемах / Под ред. В.Г. Минеева. М., 2000.

7. Безуглова О.С., Орлов Д.С. Биогеохимия. Ростов-на-Дону, 2000.

8. Нормативные данные по предельно допустимым уровням загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды: Справочный материал. СПб., 1993.

9. Микроэлементы в питании человека. Женева, 1975. №532.

10. Альберт А. Избирательная токсичность. Физико-химические основы терапии: Пер. с англ.; В 2-х т. М., 1989. Т. 2.

11. Состояние окружающей природной среды в Алтайском крае в 1996 году: Доклад Гос. комитета по охране окружающей среды Алтайского края / Под ред. О.П. Дорощенкова, Ю.И. Винокурова. Барнаул, 1997.

12. Дмитриенко Т., Блохин Р. Рывок вперед или назад // Свободный курс. 2004. 19 февр.

13. Ковда В.А Биогеохимия почвенного покрова. -М., 1985.

14. Бурлакова Л.М., Антонова О.И., Деев Н.Г., Морковкин Г.Г. и др. Экотоксиканты в системе «почвы-растения-животные» (на примере отдельных зон Алтайского края): Монография. Барнаул, 2001.

15. Медико-экологический атлас Алтайского края: научно-методические основы разработки и составления / И.А. Хлебович, Ю.И. Винокуров, И.Н. Ротано-ва, В.С. Ревякин. Новосибирск, 2000.

16. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л., 1987.

17. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск, 1991.

18. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., 1992.

19. Коломийцева М.Г., Габович Р.Д. Микроэлементы в медицине. М., 1970.

20. Габович Р.Д., Припутина Л.С. Гигиенические основы охраны продуктов питания от вредных химических веществ. Киев, 1987.

21. Химический состав пищевых продуктов. Кн. 1: Справочные таблицы содержания основных пищевых веществ и энергетической ценности пищевых продуктов / Под ред. И.М. Скурихина, М.Н. Волгарева. М., 1987.

22. Поздняковский В.М. Гигиенические основы питания, безопасность и экспертиза продовольственных товаров: Учебник. Новосибирск, 1999.

23. Материалы к Государственному докладу о состоянии окружающей природной среды Алтайского края в 2000 году / Под общ. ред. Я.Н. Ишутина,

В.Н. Горбачева. Барнаул, 2001.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.