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.