CC BY
80
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.
