Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современная проблема загрязнения окружающей среды свинцом и кадмием и поиск средств биопрофилактики для снижения их негативного воздействия на здоровье населения (Обзор литературы)
1.1. Характеристика проблемы свинцового загрязнения окружающей среды в России и влияние свинца на здоровье населения 10
1.1.1. Техногенные источники свинца 11
1.1.2. Пути поступления и распределение свинца в организме человека 12
1.1.3. Лечебно-профилактические мероприятия по снижению поступления свинца в организм человека 18
1.1.4. Свинец и здоровье детей 23
1.2. Загрязнение окружающей среды кадмием и воздействие его на организм человека 30
1.2.1. Поступление, распределение и накопление кадмия в организме человека 30
1.2.2. Механизм токсичности кадмия 34
1.3. Применение биопрофилактики для снижения токсического действия тяжелых металлов на организм человека 37
1.4. Энтеросорбция в биопрофилактике 40
1.5. Пищевые волокна как энтеросорбенты тяжелых металлов 43
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования
2.1. Объект исследования 51
2.1.1. Криопорошки БАД 51
2.1.2. Полисахариды 54
2.2. Определение размера частиц БАД 58
2.3. Выбор метода изучения сорбции свинца и кадмия в условиях in vitro 58
2.4. Методики спектрального анализа 63
2.5.1, Атомно-эмиссионный спектральный анализ 63
2.4.2. Атомно-абсорбционный спектральный анализ 64
2.5. Потенциометрическое определение свинца с применением ионоселективных электродов 65
2.6. Методика исследования физиологических показателей экспериментальных животных 71
ГЛАВА 3. Сорбция свинца и кадмия в условиях in vitro
3.1. Определение свинца с использованием ион селективных электродов
3.1.1. Определение свинца в модельных растворах 75
3.1.2. Определение свинца в фильтратах БАД «Биофит» 79
3.2. Сорбция свинца и кадмия крупнодисперсными БАД 80
3.2. Влияние степени дисперсности БАД на их сорбционную способность 85
3.3. Сорбция свинца и кадмия смесевыми БАД и их компонентами89
3.4. Сорбция свинца и кадмия полисахаридами, входящими в состав БАД 94
ГЛАВА 4. Влияние БАД «Овес» на физиологические показатели и содержание свинца в органах и тканях экспериментальных животных 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111
ВЫВОДЫ 113
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Пути поступления и распределение свинца в организме человека
- Криопорошки БАД
- Определение свинца в модельных растворах
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами признается одной из главных проблем экологии и здоровья населения России. Включение свинца и кадмия в число приоритетных загрязнителей объясняется их высокой токсичностью, способностью накапливаться в организме человека, а также повсеместным присутствием в окружающей среде (Ревич, 2001). Разнообразные проявления хронической свинцовой интоксикации изучены более детально, чем какого-либо другого профессионального отравления, т.к. он оказывает выраженное токсическое действие на систему крови, нервную и сердечно-сосудистую систему, желудочно-кишечный тракт, печень, почки. Хотя кадмий имеет более ограниченную область токсического воздействия, он отнесен Всемирной организацией здравоохранения к числу наиболее опасных для здоровья человека веществ.
Неблагоприятное для здоровья воздействие неорганических соединений свинца и кадмия и стойкость загрязнения ими среды обитания привели к поиску лечебно-профилактических методов, которые способствовали бы уменьшению аккумуляции тяжелых металлов в организме и ослаблению вызываемых ими патологических изменений. Суть направления биопрофилактики заключается в воздействии не на вредные факторы окружающей среды, а на реактивность и резистентность организма по отношению к ним, т.е. на биологические предпосылки к развитию профессиональной или экологически обусловленной патологии (Кацнельсон, 2004). Метод энтеросорбции является неотъемлемой частью биопрофилактики. Энтеросорбенты из растительного сырья не только выводят из организма человека тяжелые металлы, но и оказывают профилактическое действие, поставляя в организм витамины, пищевые волокна и другие полезные вещества. Повышенный интерес вызывают растительные энтеросорбенты, их сорбционные свойства изучаются в последние годы (Дудкин, 1997, Щелкунов, 2004) с возрастающей интенсивностью. Особенно
актуальным является поиск эффективных энтеросорбентов, способных снизить концентрацию тяжелых металлов в организме человека до допустимого уровня и оказывающих «мягкое» воздействие на организм человека. Целесообразно проведение исследований, направленных на определение максимальной сорбционной емкости БАД и пищевых волокон, влияния экспозиции, температуры, рН на эффективность процесса сорбции.
Цель исследований
Изучение закономерности сорбции катионов свинца (Pb ) и кадмия (Cd ) из водных растворов их солей (нитрата свинца и сульфата кадмия) криопорошками «Биофит» из растительного сырья (сельскохозяйственных культур) в опытах in vitro и in vivo.
Задачи исследований
Исследовать сорбцию Pb и Cd криопорошками «Биофит» в условиях in vitro и определить их сорбционную способность и сорбционную емкость.
Исследовать влияние степени дисперсности БАД на закономерности
"74- 94-
сорбции ими Pb и Cd изолированно и совместно.
3. Изучить взаимное влияние компонентов смесевых БАД на их
>>t "74-
способность сорбировать Pb и Cd .
"74- "7+
Исследовать сорбцию Pb и Cd пищевыми волокнами, входящими в состав БАД.
Изучить биопрофилактическое действие сорбента (БАД «Овес») и его способность сорбировать и выводить свинец из организма лабораторных животных (белых крыс).
Научная новизна
Для изучения способности БАД из растительного сырья и пищевых волокон, входящих в их состав, сорбировать Pb и Cd подобрана методика,
воспроизводящая условия (рН, время и интенсивное перемешивание), приближающиеся к перевариванию пищи в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека. Впервые исследовано влияние степени дисперсности БАД на их сорбционную способность, взаимное влияние свинца и кадмия при их совместной сорбции мелкодисперсными БАД и некоторыми полисахаридами, а также взаимное влияние компонентов смесевых БАД на сорбционную способность.
Научно-практическая значимость работы
Работа выполнялась в соответствии с единым заказ - нарядом Минобразования и науки РФ в 2000-2005 г.г., тема ЗМ.321, (ННГУ 1.32.01.) «Создание теоретических основ синтеза полимеров, изучение их строения и физико-химических характеристик; термодинамика полимеров, полисахаридов и элементоорганических соединений»; проектом «Разработка оборудования и технологии получения растворимых напитков и соков на основе криопорошков сверхтонкого измельчения» (шифр: «Фитонапитки») в рамках инновационной программы Миннауки РФ «Наука - технология -производство - рынок» (2000-2001), а также по хоздоговорам с ЗАО «Биофит», ЗАО «Фитоград», ЗАО «Биоцентр».
На ряде предприятий г. Нижнего Новгорода (ЗАО «Биофит», ЗАО «Фитоград» и ЗАО «Биоцентр») на основании полученных экспериментальных данных разработан состав и налажено производство ряда многокомпонентных БАД, способных не только поставлять в организм человека биологически активные вещества, но и эффективно выводить свинец и кадмий.
Материалы диссертации используются в лекционных курсах «Химия окружающей среды», «Физико-химические методы мониторинга окружающей среды» на биологическом факультете, в курсовых и дипломных работах студентов Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.
Объем и структура диссертации
Материалы диссертации изложены на 130 стр. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка цитированной литературы. В работе приведено 16 рисунков, 36 таблиц. Список цитированной литературы включает в себя 140 источников, в том числе 40 - иностранных авторов.
Публикации и апробации результатов исследований
Основные положения диссертации опубликованы в 18 научных работах. Они докладывались на: III Международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек» (Москва, 1999); I Международной НПК по трансферу технологий в свободных экономических зонах «Тенденции. Теории и практика (ТРАНСТЕХ - 2002)» (Гомель, 2002); I НПК «Проблемы регионального экологического мониторинга» (Нижний Новгород, 2002); III Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2002); VIII и IX Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2003, 2004). Материалы диссертации используются в лекционных курсах «Химия окружающей среды», «Физико-химические методы мониторинга окружающей среды» биологического факультета, в курсовых и дипломных работах студентов Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского.
Основные положения, выносимые на защиту
Изучение сорбции РЬ и Cd в опытах in vitro позволяет определить наиболее эффективные энтеросорбенты, а также установить взаимосвязь между сорбционной емкостью и массой твердого остатка БАД.
Увеличение степени дисперсности БАД приводит к увеличению сорбционной способности РЬ и не влияет на сорбционную способность
Сорбция Pb и Cd некоторыми смесевыми БАД характеризуется
отсутствием как аддитивного, так и потенцирующего взаимодействия
компонентов, входящих в их состав.
Сорбция РЬ и Cd пищевыми волокнами, входящими в состав БАД,
выявляет полисахариды, обеспечивающие эффективную сорбционную
способность БАД.
Введение БАД «Овес» в рацион питания белых крыс, подвергшихся
воздействию малых доз свинца, значимо снижает содержание свинца во
внутренних средах организма.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АПК - аминолевулиновая кислота
БАД - биологически активная добавка к пище
ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения
ГН - глутаминат натрия
ЖКТ - желудочно-кишечный тракт
ИСЭ - ионоселективные электроды
МАГАТЭ - международное агентство по атомной энергетике
МАИР - международное агентство по исследованию рака
ПВ - пищевые волокна
СДГ - сукцинат дегидрогеназа
ЭДТА - этилендиаминтетрауксусная кислота
Пути поступления и распределение свинца в организме человека
Основными путями поступления свинца в организм человека из объектов внешней среды является ингаляционный путь, вместе с вдыхаемым воздухом и энтеральный путь, с питьевой водой и продуктами питания. При этом техногенные выбросы металла обычно приводят к его многократному повышению в объектах окружающей среды, что часто обуславливает повышение его содержания в продуктах питания (Jin, 1995, Szymozak, 1993). В табл. 1 представлены возможные пути поступления свинца в организм человека (по данным Снакина В.В. [Доклад..., 1997] и Ревича Б.А.[Ревич, 2001]) и ПДК содержания свинца в различных природных средах.
Более высокие концентрации свинца в атмосферном воздухе обнаружены в городах с крупными промышленными источниками его эмиссии (Белово, Владикавказ, Верхняя Пышма, Гусь-Хрустальный, Екатеринбург, Карабаш, Кировград, Красноуральск, Курск, Новосибирск, Ревда, Усолье-Сибирское), где проживает ориентировочно 2.5 млн. горожан. Концентрации свинца в воздухе этих городов превышают ПДК в несколько раз.
В большинстве европейских стран содержание свинца не превышает 20 мкг/л. В России данные о содержании свинца в питьевой воде крайне немногочисленны. Возможно, что существует проблема загрязнения питьевых вод в районах расположения плавильных заводов или мест складирования промышленных отходов с высоким содержанием свинца. Загрязненная свинцом почва является источником его поступления в продовольственное сырье и непосредственно в организм человека, особенно детей. Наиболее высокие концентрации свинца обнаруживаются в почве городов, где расположены предприятия по выплавке свинца, производству свинецсодержащих аккумуляторов или стекла (Белово, Владикавказ, Дальнегорск, Саранск, Рудная пристань, Свирск и ряд других). В продовольственное сырье и пищевые продукты свинец может поступать из почвы, воды, воздуха, кормов сельскохозяйственных животных по ходу пищевой цепи. Кроме того, определенное значение имеет и возможность прямого загрязнения при производстве готовых изделий. Наиболее высокие уровни содержания свинца отмечаются в консервах в жестяной таре, рыбе свежей и мороженной, пшеничных отрубях, желатине, моллюсках и ракообразных. Высокое содержание свинца наблюдается в корнеплодах и других растительных продуктах, выращенных на землях вблизи промышленных районов и вдоль дорог (Szymozak J., 2003). Исследования по определению особенностей накопления свинца и кадмия в овощных культурах, проведенные Гладких Е.Ю. (Гладких, 2005) показали, что корнеплодные растения (редис, морковь) содержат их значительно больше, чем томат и картофель. Больше всего свинца и кадмия накапливается в корнях овощных растений и меньше всего - в органах, которые используются в еду, что позволяет размещать эти культуры независимо от степени загрязненности почвы.
По данным о потреблении продуктов питания в Российской Федерации, на основании материалов бюджетных обследований семей установлено, что расчетное поступление свинца в среднем на душу населения в год составляет 65.25 мг или 1.25 мг на одного человека в неделю. Среднее содержание свинца в организме взрослого человека в норме составляет около 130 мг, из них около 110 мг содержится в скелете (Войнар, 1960). Количество поступающего свинца зависит от возраста, пола, места проживания, профессии. В некоторых промышленных городах поступление свинца с продуктами питания несколько выше: у 10% обследуемого населения превышает величину 2 мг/чел. в неделю. В суточном рационе детей в возрасте 1-3 года потребление свинца составляет 14 мкг, в возрасте 4-6 лет 64 мкг, 7-14 лет 68 мкг и в возрасте 14-17 лет 87 мкг, т.е. поступление свинца с продуктами питания для детей до 7 лет изменяется в зависимости от возраста в пределах от 14 до 64 мкг/сутки (Ревич, 2001).
Токсикокинетика свинца хорошо изучена (Гигиенические..., 1980). В ЖКТ свинец попадает с питьевой водой и продуктами питания. Значительные количества ингалированных частичек свинца могут задерживаться слизью в верхних дыхательных путях и продвигаться мерцательным эпителием бронхов в носоглотку, где происходит их заглатывание, что обуславливает энтеральный путь поступления этого металла в организм. Количество свинца, задерживаемого в респираторном тракте или проникающего через него, зависит от химической формы соединений, размера частиц и частоты дыхания. Крупные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях и заглатываются, а мелкие достигают легких, где степень поглощения больше. Не обнаружено никаких признаков накопления свинца в легких. Неорганический свинец всасывается организмом при прохождении через респираторный тракт и ЖКТ с помощью эпителиального транспорта. При пероральном поступлении соединений свинца из ЖКТ всасывается в кровь около 10% введенного свинца. Абсорбция свинца при поступлении нерастворимых солей - сульфатов, сульфидов, хроматов - очень низка. Несколько большее количество свинца всасывается при введении в ЖКТ хорошо растворимых ацетата и нитрата. У детей в возрасте до 8 лет всасывание из ЖКТ может достигать 50% от введенного свинца.
Криопорошки БАД
Объектами исследования служили БАД различной степени дисперсности - криопорошки из топинамбура, черники, тыквы, петрушки, сельдерея, малины, свеклы, овса, яблока, моркови, аронии, укропа, клюквы, мяты, и др., смесевые многокомпонентные БАД («Сонет», «Калейдоскоп», «Витасорб»), полученные в ЗАО «Биофит» (г. Н. Новгород) путем криогенного измельчения в шаровой мельнице предварительно высушенного в вакууме растительного сырья (Груздева, 1998), пищевые волокна - полисахариды (древесная аморфная целлюлоза, яблочный пектин, картофельный крахмал, инулин из корней цикория, крабовый и грибной хитин и грибы «Вешенка» (Oister musherum) и белый гриб (Boletus edulis).
Технологический процесс получения порошкообразных растительных концентратов включает низкотемпературную вакуумную сушку и криогенное измельчение. Данный способ получения БАД из натурального сырья включает: специальную первичную обработку сырья, предварительное его измельчение, вакуумную сушку (при давлении 1-Ю кПа), охлаждение высушенной массы хладагентом (в частности жидким азотом), измельчение охлажденной массы и упаковку готового продукта. Вакуумный способ сушки является более био- и ресурсосберегающим, чем тепловая сушка. Применение криогенной технологии на стадии измельчения растительного сырья способствует сохранению не только всего комплекса биологически активных веществ, но и позволяет получать криопорошок - концентрат, более обогащенный продукт с улучшенными по сравнению с исходным сырьем свойствами (Гришатова, 2004). Такие продукты предназначены для лечебно-профилактического питания взрослых и детей.
Все БАД и полисахариды были воздушно-сухие и содержали по нашим данным остаточную воду в количестве от 3 до 8 мас.% (табл. 4). Предварительные исследования методом дифференциального термического анализа (ДТА) показали, что остаточная вода испаряется из БАД в интервале 100-150С.
Определение свинца в модельных растворах
Повышенное внимание к негативному влиянию свинца на человека в настоящее время обусловлено тем, что из узкого раздела профессиональной патологии и медицины труда вопрос отравления свинцом перерос в глобальную экопатологическую проблему. Существует большое количество научных работ, посвященных изучению обнаружения, накопления и оценке нагрузки тяжелых металлов на организм человека (Ревич 1990, 2001, Скальный, 1997, Розанов, 1999, Venugopal, 1978, Graciano, 1993), а также разработке комплексов лечебно-профилактических мероприятий, направленных на снижение свинцовой и кадмиевой интоксикации и их последствий (Трахтенберг, 1996, Кацнельсон, 2004). Известны энтеросорбенты на основе целлюлозы, хитозана, минеральных веществ, которые эффективно производят детоксикацию при воздействии на организм тяжелых металлов. Но в настоящее время также необходимы сорбенты с «мягким» действием для регулярного и длительного профилактического применения. Было сделано предположение, что растительные БАД являются эффективными энтеросорбентами свинца и кадмия и играют существенную роль в биопрофилактике загрязнения среды обитания человека тяжелыми металлами. Нами была подобрана методика изучения сорбционной способности РЬ и Cd криопорошками «Биофит» из растительного сырья разной степени дисперсности и пищевыми волокнами, входящими в их состав, в опытах in vitro. Полученные в ходе исследования результаты показывают, что найдена новая группа энтеросорбентов из растительного сырья, способная с разной эффективностью сорбировать катионы свинца и кадмия. Разработанная технология переработки исходного сырья позволяет практически полностью сохранить весь комплекс биологически активных веществ, необходимых для лечебно-профилактического питания детей и взрослых. БАД «Биофит» не только эффективно сорбируют свинец и кадмий, но и поставляют в организм витамины и микроэлементы, способные оказывать антагонистическое действие на тяжелые металлы и повышать неспецифическую резистентность организма.
Изучение влияния степени дисперсности БАД на их сорбционную способность позволило выявить зависимость эффективности сорбции РЬ2+ от размеров частиц. Показано, что уменьшение размеров частиц БАД приводит к повышению сорбционной способности. Это дало возможность создать не только таблетированные БАД, но и растворимые напитки и соки на основе криопорошков сверхтонкого измельчения. Интересные результаты получены при изучении совместной сорбции РЬ и Cd. Было показано антагонистическое влияние металлов, при котором сорбция РЬ оставалась неизменной, а сорбция Cd значимо снижалась.
В результате экспериментов in vitro была выбрана БАД «Овес» с высокой сорбционной способностью, введение которой в рацион питания белых крыс привело к значительному (в 1.5-2 раза) снижению концентрации свинца в крови и внутренних органах по сравнению с животными, получавшими зерновой овес.
Целесообразно использование методики для определения сорбционной способности растительных сорбентов и составления смесевых продуктов, способных с высокой эффективностью сорбировать и выводить из организма свинец и кадмий.
