Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

THE RELATIONSHIP BETWEEN THE CONTENT OF REDOX-ACTIVE SUBSTANCES IN THE ENVIRONMENT AND THE DEGREE OF OXIDATIVE STRESS IN HUMANS AND ANIMALS

Chesnokova L.A. 1 Kuzmicheva N.A. 1 Boev V.M. 1 Krasikov S.I. 1 Mikhaylova I.V. 1 Voronkova I.P. 1
1 Orenburg State Medical University
Изучали зависимость микроэлементного состава биосред организма (волосы) от их количественного содержания в окружающей среде (вода, снег, почва) на территории агропромышленного региона, обусловленного естественными и техногенными причинами. Установили максимальный уровень прооксидантной нагрузки, создаваемый элементами с переменными степенями окисления, в питьевой воде и депонирующих средах на территории Центральной и Восточной зон региона, что создает повышенный риск усиленной генерации свободных радикалов в организме, сопровождающийся снижением уровня витаминов-антиоксидантов и угнетением активности ферментов антиоксидантной защиты. Экспериментальные исследования, проведенные на крысах линии Вистар, по изучению изолированного действия нетоксичных концентраций ионов железа (II) и хрома (VI) в питьевой воде, подтверждают их способность вызывать умеренный окислительный стресс в условиях хронического воздействия.
Studied the dependence of the elemental composition of the body (hair) on their quantitative content in the environment (water, snow, soil) on the territory of the agroindustrial region, due to natural and anthropogenic causes. Set a maximum level of prooxidant load generated by elements with variable degree of oxidation in drinking water and depositing environments in the Central and Eastern zones of the region, creating an increased risk of enhanced generation of free radicals in the body, accompanied by decreased levels of antioxidant vitamins and inhibition of activity of antioxidant enzymes. Experimental study in Wistar rats, to study the isolated action of nontoxic concentrations of ions of iron (II) and chromium (VI) in drinking water, confirm their ability to cause mild oxidative stress in conditions of chronic exposure.
the rats
the experiment
antioxidants
oxidative stress
vitamins
hair
environment
trace elements
Актуальность изучения эффектов металлических загрязнений определяется как их распространенностью, так и различными механизмами воздействия на организм. Исследования последних десятилетий показали способность редокс-активных металлов генерировать реактивные радикалы в биологических системах, что может вызывать окислительный стресс. Известно, что металл-зависимая генерация свободных радикалов вызывает окислительную модификацию ДНК, ведет к усилению процессов липопероксидации. Металлы, не обладающие окислительно-восстановительной активностью,  проявляют токсические эффекты с помощью других механизмов, в частности, за счет связывания тиольных групп белков  и пептидов, в том числе глутатиона, что ведет к его истощению с последующей активацией свободно радикальных процессов [1].

Проведенными ранее исследованиями [2,3] на территории Оренбургской области показано наличие биогеохимической провинции с повышенным содержанием хрома, кобальта, марганца, никеля, и других элементов, определено их природное или антропогенное происхождение. Исходя из сказанного, представляется актуальным изучение взаимосвязи между содержанием металлов в объектах окружающей среды и их накоплением в организме проживающего в данных территориях населения, а также выраженностью окислительного стресса под влиянием тяжелых металлов у животных в эксперименте, что и явилось целью данного исследования.

Объектом исследования является агропромышленный регион (Оренбургская область), разделенный на 3 территориально-экономические зоны - Западную, Центральную и Восточную, характеризующиеся неравнозначным содержанием Ni, Cr, Co, V, Cu, Zn, Mn, Sr, Fe, Pb, Cd  в питьевой воде, в почве и снежном покрове. Для  оценки степени накопления перечисленных выше элементов определяли их содержание в волосах студентов 1-го курса ОрГМУ (17-18 лет), постоянно проживающих в течение последних 3-х лет в различных зонах области. Обследованные разделены на 3 группы, подобранные по принципу «копия-пара» и сопоставимые по полу и возрасту. Исключались больные сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, заболеваниями печени. Содержание 25-и элементов  определяли в АНО «Центр биотической медицины» под руководством А.В. Скального (г. Москва, аккредитация Госстандарта России - Рос. RU0001-513118 от 29.05.2003 г.) с использованием методов атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой и масс-спектрометрии (МУ 4.1.1482-03). Показатели элементограмм сравнивали со средними значениями содержания элементов в волосах, полученными в популяционных исследованиях в регионах России [4]. Прооксидантная нагрузка (Евода, Еснег) оценивалась как произведение концентрации элементов (мкмоль/л) на величину стандартного электродного потенциала (В/моль).

Экспериментальные исследования выполнены на 120-и взрослых крысах-самцах линии Вистар массой 250-300 г. Животные были разделены на группы и содержались на стандартном пищевом рационе. Животные контрольной группы потребляли бутилированную воду, животным экспериментальной группы на протяжении 45-и суток в питьевую воду добавляли Fe2+ из расчета 0,5 ПДК. Животные второй экспериментальной группы с питьевой водой получали Cr6+ из расчёта 1 ПДК [5]. По окончании эксперимента животных под эфирным наркозом декапитировали в соответствии с этическими нормами и рекомендациями по гуманизации работы с лабораторными животными. В лизатах эритроцитов определяли активность супероксиддисмутазы (СОД) по скорости аутоокисления адреналина в адренохром, активность  каталазы  кинетическим  методом прямой регистрации разложения пероксида водорода  на спектрофотометре Genesys 5 (США) [6,7]. Интенсивность процессов липопероксидации определяли по уровню диеновых коньюгатов (ДК) и малонового диальдегида (МДА) в сыворотке крови и тканях печени и селезенки [8,9]. Состояние перекисного окисления липидов (ПОЛ) оценивали по интенсивности спонтанной и Fe2+-индуцированной хемилюминесценции [10]. Результаты статистически обработаны с использованием t-критерия Стьюдента и U-критерия Манна-Уитни.

Результаты: Изучение микроэлементного состава снежного покрова  по среднемноголетним данным показало многократное превышение фоновых значений по большинству элементов в Вoсточной зоне с высоким суммарным показателем (Zc=142,56), с низким (Zc=49,34) в Западной зоне и средним (Zc=115,53) в Центральной зоне. Максимальное превышение относительно кларка почв установлено также в Востoчной зоне, где уровень загрязнения определен как средний (Zc= 19,46), в Западной и Центральной зонах - низкий (Zc соответственно 14,29 и 13,40). 

Однотипный микроэлементный состав депонирующих сред свидетельствует о сформировавшейся техногенной  провинции, приуроченной к промышленным центрам центра и востока региона с высоким содержанием Cu, Zn, Ni, Pb, Co, Mn, Cr. В питьевой воде по химическому составу  превышений уровня ПДК не наблюдалось, однако отмечено повышенное содержание железа, близкое к уровню ПДК (0,3 мг/л),  в Восточной зоне.

Далее проведено сравнение содержания ряда элементов в почве городских и сельских территорий для установления их возможного происхождения. Так, в почве городских территорий достоверно выше содержание Pb, что обусловлено антропогенным загрязнением. Также в почве городов несколько выше содержание Ni, Cr, Co относительно сельских территорий. Следует отметить, что содержание большинства загрязнителей в снеговом покрове и почве имеет определенную сопоставимость.

На востоке регионе высокое содержание Ni, Co, Cr, Pb в почве сопряжено с загрязнением снегового покрова и свидетельствует преимущественно об антропогенном влиянии. В Западной зоне наличие высокого содержания хрома в почве при его фоновом уровне в снеговом покрове говорит о его  природном происхождении, усиленном действием техногенных факторов.

По литературным данным, элементный состав биосред организма соответствует их уровню в окружающей среде [2], вследствие чего исследование биосубстратов достаточно информативно для изучения обмена элементов и их токсического воздействия. Сравнение с референтными значениями (табл. 1) демонстрирует повышенные  концентрации в волосах Cu  и Ni на всей территории, Mn и Zn в Западной и Центральной зонах. Обращает внимание, что содержание селена значительно ниже нормального уровня на всей территории, особенно в Восточной зоне, при этом его выраженный дефицит отмечен у 81% обследуемых, у остальных содержание элемента соответствовало нижней границе нормы. Так же, несмотря на повышенное содержание некоторых элементов в депонирующих средах, в частности хрома, кобальта и цинка, в волосах жителей их уровни не превышают референтный уровень.

Таблица 1

Микроэлементный состав волосяного покрова (мкг/г) и показатели прооксидантной (Е, мкмоль.В/л )  и суммарной (Кмет) нагрузки элементов с переменной степенью окисления

 

Западная зона (n=12)

Центральная зона (n=12)

Восточная зона (n=12)

Референтные значения (А.В.  Скальный, 2003)

Co

0,021±0,004***

0,027±0,006***

0,035±0,006***

0,02-0,11

Cr

0,357±0,058***

0,541±0,114***

0,4015±0,090

0,26-0,70

Cu

13,053±0,913

13,745±1,590

16,515±2,871

8-12

Fe

17,968±1,769

20,345±2,771

12,702±0,997

13-27

I

1,049±0,389

0,826±0,125***

0,603±0,180

0,27-4,2

Mn

0,981±0,201

1,122±0,241***

0,784±0,171***

0,32-0,93

V

0,102±0,039

0,025±0,085

0,071±0,015

-

Zn

191,964±15,894

209,100±18,242

150,905±14,896

94-183

Ni

0,625±0,114

0,666±0,164

0,661±0,139***

0,15-0,55

Se

0,162±0,041

0,196±0,038

0,116±0,026

0,65-2,43

Евода

6,281±0,548**

4,902±0,369***

9,193±0,776***

 

Еснег

339,07±26,14

875,20±45,18

1351,21±98,14**

 

Кмет

34,33

37,48

47,94

 

 

1

2

3

 

Примечание:                                                              Зоны сравнения:

* t > 2,0;     p < 0,05                             1 - Западная зона - Центральная зона

   **  t > 2,6;     p < 0,01                            2 - Центральная зона - Восточная зона

  *** t > 3,2;     p < 0,001                          3 - Восточная зона - Западная зона

Для характеристики возможного прооксидантного влияния  на организм элементов с переменными степенями окисления рассчитаны показатели Евода и Еснег с максимальными значениями на востоке, повышенный суммарный показатель Кмет организма установлен  у жителей Восточной зоны (табл. 2).

Таким образом, проведенные нами исследования показали неравномерное количественное содержание микроэлементов в воде и депонирующих средах (снег, почва) на территории агропромышленного региона с повышенным содержанием в Восточной зоне и минимальным - в Западной зоне, обусловленное естественными и техногенными причинами.  Другим результатом можно считать неравнозначное содержание элементов в биосубстратах (волосы), отражающее как их фоновое содержание в окружающей среде, так и техногенные воздействия. Установлены различные уровни прооксидантной нагрузки в воде и снеге, обусловленной содержанием редокс-элементов, что создает риск возникновения окислительного стресса в организме. Далее оценивали витаминную обеспеченность проживающих на данных территориях детей  [11].

Таблица 2

Содержание витамина С в моче и витаминов А и Е в сыворотке крови детей (М±m)

Показатель

Референтные величины

 

Восточная зона

Центральная зона

Западная зона

Достоверность различий

 

1

2

3

Витамин А, мкг/мл

0,3-0,7 мкг/мл

M±m

0,21±0,01

0,39±0,02

0,38±0,02

р1-2< 0,05

р1-3< 0,05

р2-3> 0,05

N

23%

35%

39%

< N

51%

46%

29%

Витамин Е, мкг/мл

8-12 мкг/мл

 

6,32±0,44

8,11±0,56

8,00±0,56

р1-2< 0,05

р1-3< 0,05

р2-3> 0,05

N

19%

29%

25

< N

48%

40%

37%

Аскорбиновая кислота, мг/час

0,7-1,2 мг/час

 

0,36±0,03

0,50±0,04

0,47±0,03

р1-2< 0,05

р1-3< 0,05

р2-3> 0,05

N

7%

13,5%

16,7%

< N

93%

85%

90,2%

Примечание: N - содержание в пределах нормы; < N - содержание ниже нормы.

Показан максимальный процент детей со сниженным уровнем витаминов - антиоксидантов в Восточной зоне (табл. 2) с более интенсивным уровнем прооксидантной нагрузки. Известно несколько механизмов, посредством которых значительная прооксидантная нагрузка может служить причиной витаминной недостаточности. Во-первых, суперпродукция активированных кислородных метаболитов в таких условиях является причиной избыточного расхода витаминов Е, А, и С с выраженным антиоксидантным действием в отношении алкокси-,  перокси- и NO-радикалов, синглетного кислорода, и т.д. Во-вторых, интенсификация процессов ПОЛ может опосредованно приводить к снижению содержания витаминов за счет нарушения их биорегенерации в результате истощения запасов коантиоксидантов, способствующих восстановлению радикальных форм витаминов в молекулярные. В итоге недостаток основного антиоксиданта - витамина Е, возможно, реализуется через дефицит аскорбиновой кислоты.

Для подтверждения способности металлов с переменными степенями окисления  к прооксидантному воздействию при низко дозированном хроническом поступлении проведена серия модельных экспериментов на животных. Изучение выраженности процессов липопероксидации у крыс  под хроническим воздействием  нетоксичной концентрации железа (П) в питьевой воде (табл. 3) показало повышение на 45% уровня светосуммы медленной вспышки, характеризующей максимальную интенсивность ПОЛ, индуцированного ионами Fe2+, отмечен рост МДА и ДК в сыворотке крови на 14% и 18%, МДА и ДК в печени на 17% и 15% соответственно, сопровождающееся снижением активности ферментов антиоксидантной защиты СОД и каталазы на 37% и 47% соответственно.

Таблица 3

Показатели интенсивности процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в сыворотке и тканях крыс, M ± m

Показатель

1 группа - контроль

n = 24

2 группа - железо (П)

n = 26

Достоверность различий

Группы сравнения

1

2

 

Светосумма, у.е.

0,99±0,147

1,46±0,185

0,01<P1-2<0,05

 

МДА сыв.

мкмоль/л

181,54±35,731

206,75±50,512

P1-2 >0,05

МДА печень

мкмоль/л

0,355±0,057

0,416±0,048

P1-2 >0,05

ДК сыв.

мкмоль/л

456,111±3,011

537,500±57,590

P1-2 >0,05

ДК печень

ед.опт.пл

0,475±0,105

0,545±0,090

P1-2 >0,05

СОД, у.е./гНв

257,0±26,192

157,81±9,031

P1-2 < 0,01

Каталаза, у.е./гНв

200,77±28,489

131,11±9,202

0,01<P1-2<0,05

Воздействие хрома приводило к активации процессов ПОЛ на фоне подавления активности антиокислительных ферментов, что выражалось в падении активности каталазы и СОД эритроцитов крови и двухкратном нарастании концентрации МДА в гомогенатах печени и селезенки экспериментальных животных (табл. 4). Уровень светосуммы при употреблении Cr6+ был  почти в 2,5 раза выше по сравнению с  интактными животными. 

Таблица 4

Влияние хрома на интенсивность образования ДК (ед.опт.пл./мг белка) и МДА (нмоль/мг белка) и активность ферментов СОД и каталазы  (Усл.ед./гHb) у крыс

Группы

Ферменты

Селезенка

Печень

СОД

Каталаза

ДК

МДА

ДК

МДА

1 группа- контроль

226,68±25,58

257,40±8,49

0,39±0,01

 

1,33±0,09

 

0,40±0,02

 

3,73±0,53

 

2 группа- хром

189,01±9,86

218,68±3,75

0,34±0,01

 

2,26±0,40

 

0,36±0,01

 

8,28±1,71

 

Примечание: жирным - от уровня контроля (р < 0,05).

Результаты проведенной работы показали определенную зависимость микроэлементного состава биосред организма (волосы) от их количественного содержания в окружающей среде, обусловленного как естественными, так и техногенными причинами, что особенно выражено на территории Восточной и Центральной зон со сложившейся биогеохимической провинцией. Установленный здесь максимальный уровень прооксидантной нагрузки в воде и снеговом покрове создает риск возникновения окислительного стресса, что может способствовать снижению уровня витаминов-антиоксидантов у жителей.

Рассмотренные в экспериментальных исследованиях эффекты изолированного действия ионов металлов переменной валентности железа и хрома в питьевой воде показали их способность умеренно активировать свободно радикальное окисление в дозах, не превышающих уровень ПДК.

Таким образом, в условиях полиэлементного воздействия  необходимо учитывать не только их концентрации в объектах окружающей среды, но также способность реализовать свое присутствие в организме с помощью различных механизмов, учитывать вероятное потенцирующее действие в условиях совместного поступления, а также возможные эффекты при наличии экотоксикантов другого происхождения.

Рецензенты:

Соловых Г.Н., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой биологии ГБОУ ВПО «Оренбургский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Оренбург;

Рябинина З.Н., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой ботаники и физиологии растений ГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет», г. Оренбург.