Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ СОДЕРЖАНИЕМ РЕДОКС-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ВЫРАЖЕННОСТЬЮ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА У ЛЮДЕЙ И ЖИВОТНЫХ

Чеснокова Л.А. 1 Кузьмичева Н.А. 1 Боев В.М. 1 Красиков С.И. 1 Михайлова И.В. 1 Воронкова И.П. 1
1 ГБОУ ВПО «Оренбургский государственный медицинский университет МЗ России»
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.
крысы
эксперимент
антиоксиданты
окислительный стресс
витамины
волосы
окружающая среда
микроэлементы
1. Боев, В.М. Микроэлементы и доказательная медицина.- М.: Медицина, 2005. - 208с.
2. Некоторые показатели витаминного и антиоксидантного статуса жителей региона Л.А. Чеснокова, Н.А. Кузьмичева, С.И. Красиков, И.В. Михайлова // Здоровье населения и среда обитания. №6. 2013. с.9 - 11.
3. Сирота, Т.В. Новый подход к исследованию аутоокисления адреналина и использование его для измерения активности супероксиддисмутазы. // Вопросы медицинской химии. – 1999. - №3. – С.56-58.
4. Скальный, А.В. Референтные значения концентрации химических элементов в волосах, полученные методом ИСП-АЭС (АНО «Центр биотической медицины») // Микроэлементы в медицине. - 2003.- Т.4, вып. 1.- С. 55-56.
5. Чеснокова, Л.А. Экологическая характеристика качественного и количественного микроэлементного состава факторов среды обитания агропромышленного региона: Автореф. дис. канд. биол. наук. - Оренбург, 2004.-24с.
6. Placer Z. Lip. Peroxidation sisteme in biologischen material // Nahrung. – 1968. - P.679.
7. Valko, M. Metal, toxity and oxidative stress / M.Valko, H.Morris, M.T.D.Cronin // Carrent medical chemistry. – 2005. Vol.12. – P.1161-1208.
8. Zuck, H. In Methods of enzymatic analysis. Ed by Bergmeger H., Pergamon Press. – 1963. - P. 885 - 894.
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.


Библиографическая ссылка

Чеснокова Л.А., Кузьмичева Н.А., Боев В.М., Красиков С.И., Михайлова И.В., Воронкова И.П. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ СОДЕРЖАНИЕМ РЕДОКС-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ВЫРАЖЕННОСТЬЮ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА У ЛЮДЕЙ И ЖИВОТНЫХ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=23030 (дата обращения: 22.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074