Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 17
1.1 Селен в окружающей среде 17
1.2 Особенности питания современного человека 22
1.3 Потребность человека в селене 25
1.4 Обеспеченность селеном населения России 31
1.5 Влияние антропогенных факторов на селеновый статус населения России 37
1.6 Эколого-геологическая характеристика Оренбургской области 38
1.7 Обеспеченность селеном в условиях окислительного стресса .42
1.8 Методы оценки обеспеченности селеном 42
1.9 Роль селена в развитии заболеваний человека 45
1.10 Выводы по главе 47
Глава 2. Материал и методы 49
2.1 Характеристика обследованных жителей Оренбургской области 50
2.2 Характеристика исследуемых объектов окружающей среды Оренбургской области .57
2.3 Характеристика пищевых продуктов Оренбургской области 58
2.4 Методы исследования, используемые в работе 60
Глава 3. Результаты экологического исследования содержания селена в объектах окружающей среды и пищевых продуктах из Оренбургской области 67
3.1 Эколого-биогеохимическая характеристика источников централизованного и децентрализованного водоснабжения Оренбургской области.. 68
3.2 Анализ содержания химических элементов в подземных водах Оренбургской области 72
3.3 Экологическая оценка содержания селена в почвах Оренбургской области .. 84
3.4 Оценка концентрации селена в пищевых продуктах, произведенных на территории Оренбургской области.. 89
3.5 Содержание селена в пшенице, произрастающей в различных районах Оренбургской области. 89
3.6 Содержание селена в пшеничном и ржаном хлебе, произведенном в Оренбургской области 95
3.7 Анализ содержания селена в молочных пищевых продуктах, производимых на территории Оренбургской области .98
3.8 Анализ содержания селена в мясе сельскохозяйственных животных, птицы и куриных яйцах, произведенных на территории Оренбургской области 102
3.9 Наглядный анализ содержания селена в исследуемых объектах 109
3.10 Выводы по главе.. 112
Глава 4. Экологическая оценка селенового статуса населения Оренбургской области . 114
4.1 Анализ потребления селена с суточными рационами питания обследованными жителями Оренбургской области 116
4.2 Фрагмент исследований, вошедших в федеральную целевую программу по Оренбургской области 122
4.3 Определение содержания селена в волосах у различных групп населения Оренбургской области... 126
4.4 Определение концентрации селена в сыворотке крови случайной выборки доноров из Оренбургской области 131
4.5 Выводы по главе 132
Глава 5. Содержание селена в объектах окружающей среды в зависимости от геологического строения местности, почвенного покрова и антропогенной нагрузки Оренбургской области 135
5.1 Особенности содержания селена в исследуемых объектах Оренбургской области в зависимости от доминирующего состава почв.. 144
5.2 Выводы по главе .151
Глава 6. Корреляционно-регрессионный анализ связи между содержанием селена в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и уровнем микроэлементов в биосубстратах (волосах) жителей Оренбургской области 153
6.1 Выводы по главе 172
Глава 7. Экологическая оценка риска недостаточного поступления селена с пищевыми продуктами.. 173
7.1 Классификация факторов риска 173
7.2 Алгоритм моделирования рисков по проблеме селеновой недостаточности .176
7.3 Экологическая оценка экспозиции и риска селендефицита населения Оренбургской области 179
7.4 Оценка риска угрозы здоровью при воздействии низких доз поступления селена с рационами питания 183
Заключение.. 189
Выводы 192
Основные понятия и термины 195
Список используемой литературы..
- Влияние антропогенных факторов на селеновый статус населения России
- Характеристика исследуемых объектов окружающей среды Оренбургской области
- Экологическая оценка содержания селена в почвах Оренбургской области
- Фрагмент исследований, вошедших в федеральную целевую программу по Оренбургской области
Введение к работе
Актуальность проблемы. В основе любой жизнедеятельности лежит
непрерывный обмен веществ между организмом и окружающей средой (Ковда
В.А., Тюрюканов А.Н., 1970; Аллен Р.Д., 1981; Никольский А.А., 2014).
Именно пища является одним из главных связующих звеньев организма с
природой. Жизнь, пища и среда образуют единое целое. В этом отражена
глубинная связь между живой и неживой («косной») материей (Вернадский
В.И., 1927). Конкретным отражением этой связи являются, согласно концепции
В.В. Ковальского, «биохимические пищевые цепи», связывающие
окружающую среду через продукты питания с организмом человека
(Ковальский В.В., 1987). Недостаток в пищевой цепочке жизненно важных
макро- и микроэлементов, а в ряде случаев избыток токсичных веществ
способствуют нарушению процессов жизнедеятельности, снижению
адаптационных возможностей организма, ухудшению здоровья как отдельных людей, так и населения целых регионов (Авцын А.П. и др., 1991; Корчина Т.Я., 2008; Рахманин Ю.А., Михайлова Р.И., 2011; Агаджанян Н.А. и др., 2013). Микронутриенты обеспечивают функционирование более 300 ферментов, каталитическая активность которых зависит от адекватного поступления последних в организм человека (Тутельян В.А. и др., 2002, 2012; Оберлис Д., Харланд Б., Скальный А., 2008; Радыш И.В., Скальный А.В., 2015; Schmidt Е., 2004).
В настоящее время сложившуюся ситуацию в питании населения
развитых стран и России в отношении обеспеченности микронутриентами
можно оценить как проблемную (Онищенко Г.Г., 2009; Скальный А.В., 2010;
Anke М., 2004; Tutelyan V.A., 2012). В современной жизни до минимально
возможного уровня снижены энерготраты человека, что соответствует столь же
резким снижением потребности в энергии и в пище как единственном
источнике микронутриентов (Тутельян В.А., 2009; Сетко Н.П. и др., 2011;
Кучма В.Р., Рапопорт И.К., 2011). В то же время в условиях нарастающих
стрессовых воздействий, экологических и негативных профессиональных
факторов на организм человека потребность в ряде микроэлементов даже
повысилась, а пищевая плотность рациона значительно снизилась
(Мартинчик А.Н., 2005; Нотова С.В., 2007; Lee K.H., 2012).
Среди пищевых факторов, имеющих особое значение для поддержания здоровья человека, важнейшая роль принадлежит жизненно важным макро- и микроэлементам (Янин Е.П., 2012). Основные адаптационные возможности человека и поддержание высоких функциональных резервов организма являются следствием постоянства содержания химических элементов в организме и оптимального их поступления (Агири И.А. и др., 2013).
Селен является одним из наиболее дефицитных у современного человека эссенциальных микроэлементов, он играет важную биологическую роль в организме, а именно:
- участвует в формировании и функционировании антиоксидантной
системы организма, которая предотвращает накопление в тканях свободных
радикалов, инициирующих перекисное окисление липидов, белков,
нуклеиновых кислот и других соединений, приводящих к развитию более чем 100 заболеваний (Гмошинский И.В. и др., 2000; Горбачев А.Л. и др., 2001; Кикрпита Н.И., 2009; Гладышев В.Н. и др., 2011; Erbayraktar Z. et al., 2006; Голубкина Н.А. и др., 2013; Kim C.Y., 2014);
- играет исключительно важную роль в гормональном балансе
щитовидной железы (Дубовой Р.М. и др., 2009; Мохорт Е.Г., 2011; Zagrodzki Р.,
2000; Combs G.F., 2006; Kvicala J. et al., 2006; Schweizer U. еt al., 2006; Zhang Y.,
2014);
- дефицит селена способствует высокой восприимчивости к инфекциям, в
том числе к вирусу СПИД (Rayman М.Р., 2000), развитию катаракты,
бесплодию у мужчин, облысению, медленному росту детей, высокому риску
заболевания болезнями сердечно-сосудистой системы и многими формами рака
(Cкальная М.Г., 2001; Голубкина Н.А., Папазян Т.Т., 2006; Василевская Л.С. и
др., 2009; Rayman М.Р., 2000; Roussel A.M., 2006; Sun L., 2014);
- у людей с дефицитом селена отмечается низкая продолжительность
жизни и снижение ее качества из-за преждевременного старения (Голубкина
Н.А., 2002; Тутельян В.А. и др., 2002; Минина Л.А. и др., 2008; Белецкая Э.Н. и
др., 2011; Roussel A.M., 2006; Huag Y., 2014; Skalny A.B., 2014).
Установлено, что на уровень поступления селена в первую очередь влияет
геологическое происхождение местности, а также система земледелия и
особенности ассортимента и технологий пищевой промышленности
(Корчина Т.Я., 2006; Студянникова М.А., 2007; Егорова А.А., 2007; Ермаков В.В., 2008; Аnke М., Muller Р. et al., 2005; Roussel А.М., 2006; Zhao J., 2014). Проведение широкомасштабных исследований особенно актуально в регионах с неблагоприятной экологической обстановкой, к которым относится Оренбургская область (Боев В.М., 2002; Ревич Б.А., 2004; Нотова С.В., 2015; Tinkov A.A. et al., 2014). Заслуживает внимания тот факт, что концентрация йода находится в прямой зависимости от содержания селена в организме человека. Многочисленными исследованиями установлено, что вся территория Оренбургской области является йоддефицитной провинцией (Боев В.М. и др., 2002; Конюхов В.А., 2005; Бурлуцкая О.И. и др., 2007; Барышева Е.С., 2008; Нотова С.В. и др., 2008), однако комплексные исследования по изучению селенового статуса на уровне региона ранее не проводились.
Следовательно, комплексный подход к изучению элементного статуса
территорий, наиболее подверженных антропогенному воздействию, является
актуальной проблемой в элементологии, биологии и медицине
(Березкина Е.С. и др., 2011; Базилевская Е.М. и др., 2013). Это позволит разработать конкретные рекомендации по проведению целенаправленных мероприятий по оптимизации селенового статуса населения Оренбургской области и апробировать методологию оценки селенового статуса населения на региональном уровне в целом для дальнейшего использования в масштабах страны.
Цель исследования: разработать систему экологического мониторинга селенового статуса населения (на примере Оренбургской области) и выявить
факторы риска развития селензависимых заболеваний с целью их профилактики.
Задачи исследования:
1. Исследовать и изучить в объектах окружающей среды (воде, почве,
пищевых продуктах) Оренбургской области содержание селена для
установления причинно-следственных связей факторов, влияющих на
формирование селенового статуса населения, и проведения экологического
картирования исследуемой территории.
2. Провести анализ рационов питания различных групп населения,
проживающего на территории Оренбургской области, а также
проанализировать пищевые продукты, производимые на исследуемой
территории, содержание селена с последующим ранжированием их.
3. Установить факторы экологического риска, непосредственно
влияющие на формирование селенового статуса у различных групп населения,
постоянно проживающего на территории Оренбургской области.
-
Определить факторы экологического риска и оценить их влияние на развитие селензависимых состояний, способствующих развитию селенассоциированных заболеваний.
-
Разработать систему экологического мониторинга селенового статуса населения Оренбургской области, включающую моделирование рисков и возможных причинно-следственных связей, с целью осуществления контроля и предупреждения селензависимых заболеваний.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Составленная картограмма по уровню содержания селена в почвах
Оренбургской области позволила выявить территории экологического риска
развития селензависимых заболеваний у человека и животных. Установлено,
что средний по области уровень подвижных форм селена в образцах почвы
варьирует достаточно широко – от 100 до 743 мкг/кг. Выявлены
административные районы области, в пределах которых концентрация селена в
почве колеблется в наибольшей степени (Новосергиевский, Кувандыкский,
Гайский, Сорочинский, Новоорский).
2. Установлена ведущая роль почвы в аккумулировании селена
продуктами растениеводства и животноводства, что подтверждается
показателями содержания селена в зерновых продуктах (95,8 ± 23 мкг/кг) и
продуктах животного происхождения (например, в мышечной ткани крупного
рогатого скота – 176 ± 28 мкг/кг).
3. Оренбургская область относится к селендефицитным
биогеохимическим провинциям с выраженным дисбалансом антагонистов
ртуть / селен, кадмий / селен и мышьяк / селен.
4. Кадмий влияет на обеспеченность селеном организма человека, так
соотношение пары кадмий / селен – нарушено за счет избыточного накопления
кадмия.
5. Установлены факторы и группы экологического риска,
непосредственно влияющие на формирование селенового статуса у лиц,
постоянно проживающих на территории Оренбургской области: нарушение структуры питания, производственные факторы (промышленные и горнодобывающие предприятия).
6. Система экологического мониторинга обеспеченности населения селеном (Оренбургской области) позволяет моделировать экологические риски развития селенассоциированных заболеваний и возможные причинно-следственные связи с целью осуществления контроля и предупреждения селензависимых заболеваний на изучаемой территории.
Научная новизна работы. Впервые в Российской Федерации на примере региона проведено глубокое экологическое исследование пищевой цепочки человека (почва - растение - животное - человек) у жителей сельских районов, у которых доля потребления пищевых продуктов местного происхождения более высокая, чем у городского населения.
Для оценки селенового статуса впервые применен комплексный подход, заключающийся в составлении районированной картограммы и районировании административных и биогеохимических территорий по степени экологического риска развития селензависимых заболеваний.
Новыми являются данные широкомасштабных популяционных комплексных исследований: установлены факторы экологического риска и причинно-следственные эколого-биогеохимические факторы окружающей среды, влияющие на формирование селенового статуса и обеспеченность селеном фактических рационов питания различных половозрастных групп населения Оренбургской области.
Впервые выявлена зависимость селендефицитных состояний от уровня содержания селена в окружающей среде и пищевых продуктах у лиц, постоянно проживающих на территории Оренбургской области, что позволило определить группы риска развития селензависимых заболеваний среди различных половозрастных групп населения (дети, подростки, взрослые).
Целенаправленными исследованиями впервые было установлено, что биогеохимические факторы являются определяющими в формировании эндогенной и экзогенной селеновой недостаточности в районах Оренбургской области, что подтверждается выраженным дисбалансом антагонистов ртуть / селен, кадмий / селен и мышьяк / селен.
Разработана система экологического мониторинга селенового статуса населения (на примере Оренбургской области), составлен алгоритм моделирования экологического риска развития селензависимых заболеваний, предложена модель причинно-следственной связи с целью осуществления контроля и предупреждения указанных заболеваний на изучаемой территории.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009-2013 годы)» и при финансовой поддержке грантов и правительства Оренбургской области:
В рамках государственного контракта № 64.853.10.6 от «30» июля 2010 г.
Федерального медико-биологического агентства;
б
РГНФ № 08-06-81603 а/У тема «Создание комплексной программы по
оптимизации селенового статуса жителей аграрного региона с учетом эколого-социальных аспектов»;
Муниципальный контракт № 120 от 20.08.2008 г. Проведение
определения нутриентного статуса и мониторинга физического состояния учащихся образовательных учреждений Южного округа г. Оренбурга;
РГНФ № 10-06-81602 а/У тема «Экологическая оценка содержания селена в экосистеме (почва, вода, продукты питания, человек) с целью улучшения качества продуктов питания, производимых на территории Оренбургского региона»;
РГНФ № 11-16-56004 а/У тема «Гигиеническая оценка пищевого статуса
детского и подросткового населения с целью улучшения качества жизни учащейся молодежи Оренбургской области»;
Научно-исследовательская работа проведена в соответствии с планом
научно-исследовательской работы № ГР 0120.0503365 «Анализа пищевого статуса по микронутриентной обеспеченности студентов и учащихся» Оренбургского государственного университета.
Теоретическая и практическая значимость работы. Использованные в проведенном комплексном исследовании методы оценки влияния биогеохимических факторов на селеновый статус населения Оренбургской области позволили разработать научно обоснованные рекомендации для планирования профилактических мероприятий, направленных на предупреждение развития селензависимых заболеваний среди населения, в первую очередь, с помощью использования обогащенных селеном пищевых продуктов.
Результаты настоящего исследования легли в основу разработки рационов питания для образовательных учреждений г. Оренбурга и Оренбургской области. Муниципальный контракт № 120 от 20.08.2008 г.
Результаты работы послужили основой для подготовки научных отчетов по грантам № 08-06-81603 а/У; № 10-06-81602 а/У; № 11-16-56004 а/У.
Результаты исследования вошли в учебные пособия «Функциональные продукты питания животного происхождения» и «Современные методы определения химических элементов» (рекомендованы научно-методическим советом Оренбургского государственного университета, 2010, 2011), «Развитие технологий функциональных и специализированных продуктов питания животного происхождения» (одобрено Советом института торговли и технологий Южно-Уральского государственного университета и научно-методическим советом национального Государственного университета им. Шакарима, 2015).
Материалы диссертации внедрены в работу НИИ Мясного скотоводства (Акт от 25.11.2015).
Материалы диссертационного исследования рекомендуется использовать в работе кафедр и факультетов медицинского направления ведущих вузов
страны; в научных исследованиях и учебном процессе на кафедрах химико-
биологического и естественнонаучного факультетов Оренбургского
государственного университета, а также Южно-Уральского государственного
университета и Государственного университета им. Шакарима города Семей.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на
семинарах кафедры нутрициологии и биоэлементологии ОГУ и Института
биоэлементологии ОГУ (Оренбург, 2006–2011), на I Всероссийском съезде
диетологов и нутрициологов «Диетология: проблемы, горизонты» (Москва,
2007), на ХII Международном симпозиуме «Эколого-физиологические
проблемы адаптации» (Москва, 2007), на Всероссийской научно-практической
конференции «Инновационные технологии обеспечения безопасности питания
и окружающей среды» (Оренбург, 2007), на Всероссийской научно-
практической конференции с международным участием «Водохозяйственные
проблемы и рациональное природопользование» (Оренбург – Пермь, 2008), на
Международном симпозиуме, посвященном 80-летию академика РАМН Н.А.
Агаджаняна, «Адаптационная физиология и качество жизни: проблемы
традиционной и инновационной медицины» (Москва, 2008), на IX
Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и
биотехнологии» (Казань, 2008), 6-й Международной биогеохимической школе
«Биогеохимия в народном хозяйстве: фундаментальные основы ноосферных
технологий» (Астрахань, 2008), на 4th Int. Symp. FESTEM (Russia, St. Petersburg,
2010), на «EUSUHM-2011» «Education and health from childfood to adult life»
(Russia, Moscow, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции
«Культура, здоровье и образование: состояние, проблемы, перспективы»
(Екатеринбург, 2011), на III Международной научно-практической
конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2011), на Всероссийской научно-
практической конференции «Югра – за здоровый образ жизни» (Ханты-
Мансийск, 2012), на XV Всероссийском симпозиуме «Эколого-
физиологические проблемы адаптации» (Москва, 2012), на 5-м
Интернациональном семинаре по селену «Selenium: biology, clinical and
preventive medicine, nutrition» (Ярославль, 2015).
Личный вклад автора составляет более 80 % и заключается в формулировании проблемы, постановке цели и задач работы, выборе методов и объектов исследования, выполнении аналитической работы, обобщении и интерпретации полученных данных, подготовке научных публикаций.
Мы выражаем глубокую благодарность старшему преподавателю
кафедры прикладной математики Оренбургского государственного
университета (ОГУ), к.т.н. Араповой О.А. за помощь в выполнении статистических исследований, а также студентам факультета пищевых производств ОГУ 2007-2008 года обучения за оказанную помощь в отборе проб (объектов окружающей среды, продуктов питания и биосубстратов – волос). Особую благодарность мы выражаем д.с-х.н. Голубкиной Н.А. за проведение лабораторных исследований и систематизацию полученных результатов.
Публикации. По теме диссертации получен один патент РФ № 2539861, опубликовано: одна коллективная монография, три учебных пособия для студентов вузов, 55 научных статей, из которых 23 – в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для соискания ученой степени доктора биологических наук.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 291 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, 5 глав результатов собственных исследований, заключения, выводов и приложения. Список литературы включает 328 источников, в том числе 189 отечественных и 139 зарубежных авторов. Диссертация содержит 93 таблицы, иллюстрирована 36 рисунками.
Влияние антропогенных факторов на селеновый статус населения России
Селен – элемент VI группы главной подгруппы Периодической системы Менделеева, во многом повторяющий химические свойства серы. В природе он, как правило, сопутствует соединениями серы и меди и выделяется в чистом виде при переработке медных руд. Селен используется в промышленности: в производстве полупроводников, цветного стекла и некоторых красок, а также в множительной технике. Получают селен как побочный продукт при электролитической очистке меди и свинца или путем регенерирования из шламов производства серной кислоты [Скальный А. В. и др., 2004].
Селен поступает в организм человека из почвы с продуктами растениеводства и животноводства, что определяет зависимость уровня обеспеченности микроэлементом от геохимических условий проживания.
Кларк селена в земной коре составляет 1-5 10 6% [Robinson M. F., 1976]. Среди природных минералов селена наиболее распространены селениды металлов, имеющие большой порядковый номер (свинец, ртуть, серебро, медь, никель). Эти селениды образуются в основном в гидротермальных условиях (термальные источники, активная вулканическая деятельность). Такие соединения часто встречаются в сульфидных и урановых месторождениях. Предельно допустимая концентрация селена в воздухе составляет 10-5 мг/м3, в питьевой воде – 1 мкг/л. Среднее содержание селена в речной воде – около 0,2 мкг/л. В родниках, скважинах и озерах селена несколько больше. Так, в некоторых районах Земли уровень селена в водах, протекающих через пласты с высокой селеновой минерализацией, достигает 1 мг/л, в США – 9 мг/л. В России выявлены 3 гидрогеохимические провинции с повышенным содержанием селена в грунтовых водах: Уральская, Тувинская и Алтайская [Сидельникова В. Д., 1999; Мантлер Н. Н., 2010; Пруднева Е. Б., 2008; Сусликов В. Л., 2004; Ермаков В. В., Тютиков С. Ф., 2008; Ermakov V. V., 1995; Gladyshev V. N. et al., 1999]. Большая часть природных источников бедна селеном, что определяет их незначительную роль в формировании селенового статуса растений, животных и человека [Ермаков В. В., 1999, 2004, 2008].
В природе селен сопутствует таким сульфидам, как пирит (FeS2), халькопирит (CuFeS2) и сфалерит (ZnFeS2). Кроме того, черные сланцы и вулканические туфы могут содержать значительное количество селена: 22 мг/кг и 32 мг/кг в Китае [Lens I. et al., 2002, 2008]. Распределение селена в земной коре весьма неравномерно, что является причиной существования зон селенового дефицита (содержание в почве менее 100 мкг/кг) и токсикозов (при концентрациях более 500 мкг/кг) [Иванов В. В., 2003], причем эти зоны могут быть расположены на расстоянии всего 20 км друг от друга [Fordyce F. F., 2007]. Даже регионы с низким селеновым статусом могут иметь точечные зоны с концентрацией селена до 100 мг/кг, что было обнаружено в Ирландии, Индии, США [Fordyce F. F., 2005].
Селеновый пул почвы складывается из неорганических соединений микроэлемента и органических форм, попадающих в почву вместе с умершими растениями и животными организмами. Под действием микрофлоры почвы происходит, с одной стороны, образование форм, доступных для растений, а с другой – высвобождение селена в атмосферу в результате реакции метилирования (рис. 1.1). Антропогенное воздействие, связанное со сжиганием ископаемого топлива, резко увеличивает долю атмосферного селена таким образом, что последний, наряду с депонированными в земле формами, становится важным источником селена для растений [Сидельникова В. Д., 1999]. Не весь селен почвы доступен для растений. Так, в кислых, сильно заболоченных почвах биодоступность микроэлемента низкая, хотя общее содержание может быть и значительным. Здесь большое значение имеет образование нерастворимых комплексов четырехвалентного селена с железом. В аэробных щелочных условиях большая часть селена находится в окисленной форме (Se6+) и легкодоступна для растений [Ермаков В. В., 1999].
По способности накапливать селен и противостоять токсическому действию микроэлемента растения подразделяются на аккумуляторы и концентраторы и на неаккумуляторы и неконцентраторы селена. К первым относятся некоторые виды астрагалов, к последним – большая часть зерновых и зеленых культур, используемых человеком в питании [Djujic I. et al., 2003].
Судьба микроэлемента, поступающего из почвы в такие растения, различна. Неаккумуляторы способны синтезировать содержащие селенаминокислоты и из них соответствующие белки, что при высоких концентрациях селена приводит к дезактивации значительной части ферментов и, как следствие, к гибели растения. Аккумуляторы селена также используют селен в биосинтезе аминокислот, однако последние не участвуют в образовании белков, а аккумулируются в вакуолях, делая, таким образом, селен безвредным для растения (рис. 1.2). Естественно, употребление таких видов растений животными или человеком может сопровождаться токсикозами.
Характеристика исследуемых объектов окружающей среды Оренбургской области
Обеспеченность организма селеном принципиально возможно оценивать несколькими способами, базирующимися на известной схеме метаболизма микроэлемента. Каждый из этих путей имеет свои преимущества и недостатки.
Определения уровня селена в крови. Это способ позволяет оценить среднюю величину поступления селена с пищей за период от нескольких дней до нескольких недель. Показатель характеризует общее содержание активных форм селена (ферментов и селенпереносящего белка) и депонированного селена. В целом данный показатель хорошо коррелирует с величиной потребления селена, однако в ряде случаев он оказывается или слишком лабильным, например, вследствие влияния приема фармакологических препаратов, или нечувствительным, например, если источником селена служит рыба или горох [Meltzer H. M., 1991]. Прямая корреляция между уровнем селена в сыворотке крови и потребления микроэлемента отмечена при употреблении продуктов питания из пшеницы, богатой селеном; обогащенных селеном дрожжей. Существенно медленнее изменяются показатели содержания селена в плазме крови и эритроцитах при приеме неорганических соединений селена [Alfthan G. et al., 1984, 1992; Paton N. D. et al., 2000; Dovns K. M. et al., 2000; De Souza M. P. et al., 2000].
Оценка накопления селена в ногтях и волосах. Оценка показателей селена в волосах и ногтях отражает величину потребления микроэлемента в течение более длительного периода, чем уровень селена в сыворотке крови (от нескольких недель до нескольких лет). Так как это неинвазивный метод, Se в волосах и ногтях определяют с помощью методов атомной абсорбционной спектрофотометрией и масс спектрометрией с индуктивно связанной аргоновой плазмой, которые имеют существенные преимущества перед использованием проб плазмы [Скальная М. Г. и др., 2011]. Метод удобен при существенных различиях в обеспеченности населения внутри исследуемого региона. Так, он обеспечивает высокую корреляцию с величиной потребления микроэлемента. Однако показатели сильно зависят от поступления в организм тяжелых металлов [Salbe A. D. et al., 1993] и отражают уровень потребления преимущественно органических форм селена [Alftban G. et al., 1982, 1991].
Накопление селена в ногтях рук и ног зависит от возраста [Alftban G. et al., 1992]. Кроме того, волосы и ногти необратимо адсорбируют селен из шампуней, содержащих селен [Van H. et al., 2004]. С другой стороны, определение содержания селена по длине пряди волос открывает уникальные возможности оценить динамику поступления селена в организм человека за значительный период времени [Голубкина Н. А. и др., 1996; Скальный А. В. и др., 2008]. В ряде случаев этот показатель может быть использован для выявления анаболических стероидов, увеличивающих накопление селена волосами [Голубкина Н. А. и др., 2002].
Оценка экскреции селена с мочой. Экскреция с мочой – основной путь выведения селена из организма, линейно зависящий от количества, потребляемого с пищей селена в относительно большом интервале концентраций. Величина экскреции зависит также от химической формы диетического селена [Hawkes W. C. et al., 2003].
Известны несколько методов определения селена, отличающихся высокой чувствительностью: флюорометрический, атомно-абсорбционный, нейтроноактивационный анализы, метод масс-спектрометрии [Голубкина Н. А., 1995; Alfthan G. et al., 1992]. Однако наиболее простым в использовании и обеспечивающим высокую воспроизводимость результатов и точность анализа является флюорометрический метод, основанный на мокром сжигании образца смесью азотной и хлорной кислот и измерении величины флюоресценции комплекса селенистой кислоты с 2,3 – диаминофталином. Модификация последнего метода [Alfthan G. A., 1984] позволяет проводить массовые анализы, используя для определения не более 0,5 мл плазмы и 0,1 г ткани. Этот метод можно считать универсальным, так как он применим для установления содержания селена во всех природных объектах: почве, продуктах питания, биологических тканях и жидкостях.
Таким образом, при оценке селенового статуса организма всегда необходимо осуществлять комплексный анализ, включающий определения нескольких показателей [Тутельян В. А. и др., 2002].
Экологическая оценка содержания селена в почвах Оренбургской области
Наиболее распространенным и важным соединением в организме человека является вода. В водной среде осуществляются все химические, обменные и транспортные процессы, она служит универсальным растворителем продуктов питания и обмена. На долю жидкости приходится 58–80 % массы тела человека [Безруких М. М., 2002]. Проблема обеспечения населения качественной питьевой водой – проблема экологической безопасности территориального образования. Решение этой проблемы – снижение показателей уровня заболеваемости населения, проживающего на данной территории, и, следовательно, повышение уровня здоровья детского и взрослого населения.
Общеизвестно, что геохимическая среда и живое вещество – это взаимозависимые компоненты биосферы. В биогеохимическом круговороте между содержанием химических элементов во внешней (геохимической) и внутренней среде живых организмов складываются сложные причинно-следственные связи. Человек является одним из звеньев природных биогеохимических цепей. Однако элементный состав организма человека – биосоциального существа – зависит как от геохимического окружения (комплекс природных факторов), так и от социально-экологических факторов, в частности от особенностей водно-пищевых рационов [Хотимченко С. А., 2002; Цыган В. Н. и др., 2013; Агаджанян Н. А. и др., 2013].
Основная миграция и перераспределение химических элементов в биосфере происходит благодаря их переносу водной средой. Химический состав природных вод является уникальным для конкретной местности, а микроэлементный статус человека зависит, соответственно, от содержания минералов в питьевой воде [СанПин 2.1.4.1074–01; Горбачёв А. Л., 2006; Буганов А. А., 2007; Рахманин Ю. А. и др., 2011].
Эпидемиологическими исследованиями показана связь между содержанием ряда химических элементов в питьевой воде и развитием специфических заболеваний [Скальная М. Г., 2004; Серпов В. Ю., 2005; Cowlishaw J. L., 1979; Kurttio P., 1998; Tanne M. S., 1998]. Следовательно, исследование химического состава источников питьевого водоснабжения является принципиальным для понимания специфики элементного статуса населения в целом и причин возникновения эндемических микроэлементозов – заболеваний биогеохимической природы [Авцын А. П., 1991; Бабенко Г. А., 2001; Ермаков В. В. и др., 2008; Medicalgeology, 2012].
На территории Оренбургской области проживает около 2500 тыс. человек, причём часть населения проживает в г. Оренбурге (600 тыс. чел.), г. Орске (250 тыс. чел.), г. Бузулуке (180 тыс. чел.). Остальная часть населения проживает в сельской местности и употребляет для питьевых нужд воду из децентрализованных источников водоснабжения: колодцев и скважин глубиной 15–20 м.
В связи с этим для оценки селенового статуса территории были проведены лабораторные исследования проб питьевой воды из каждого административного района Оренбургской области. Причем наряду с селеном в исследуемых образцах мы посчитали необходимым определить целый ряд показателей, наглядно характеризующих качество питьевой воды и оказывающих непосредственное влияние на обмен селена в окружающей среде и организме человека.
Химический состав природной воды является уникальным для конкретной местности, и минеральный состав питьевой воды может быть определяющим фактором элементного состава организма [Серпов В. Ю., 2005; Горбачёв А. Л., 2006; Макаренкова И. Ю., 2008].
Установлено, что недостаток определённых химических элементов в почве (и, соответственно, в воде) приводит к пониженному уровню этих элементов в организме людей, проживающих в данной местности, и к тем или иным заболеваниям [Ермаков В. В., Тютиков С. Ф., 2008; Белякова Т. М. и др., 2008; Голубкина Н. А. и др., 2012].
Подземные воды Оренбургской области образуются за счет просачивания атмосферных осадков через почву и различные горные породы. Встречая водоупорные горизонты, например, глину, подземные воды начинают накапливаться и по уклонам стекать в понижения. В долинах рек, балках и оврагах эти воды выбиваются в виде ключей (родников) [Чибилёв А. А., 1995].
Распределение подземных вод тесно связано с геологическим составом пород. Так, на площадях развития изверженных и древнекристаллических пород (гранитов, диабазов, кристаллических сланцев, кварцитов и т.п.) подземные воды сосредотачиваются в трещинах. Называются они трещинными. Их приток может колебаться от двух до восьми литров секунду. Насыщение этих вод солями относительно небольшое – меньше 1 г/л. Поэтому трещинные воды пригодны в хозяйстве. Они встречаются в восточной части области. В известняках накапливаются трещинно-карстовые воды, отличающиеся повышенной минерализацией (жесткостью). В местах распространения засоленных горных пород, состоящих из песчано-глинистых толщ (так называемых палеогеновых и неогеновых отложений), образуются подземные воды, имеющие горько-солёный вкус. В них содержание разных солей достигает 3–5 г/л. Для водоснабжения и орошения они совершенно непригодны. Хорошим качеством отличаются подземные воды, приуроченные к песчано-глинистым осадкам палеозоя и мезозоя. Но особенно обильны и доброкачественны подземные воды, накапливающиеся в поверхностных слоях земной коры, в четвертичных отложениях. Воды самого верхнего горизонта называются грунтовыми. Ими богаты речные или аллювиальные наносы, мощность которых в поймах рек Урала, Сакмары, Самары, Большого Кинеля и других превышает 20 м. Подрусловые воды аллювиальных отложений пресные, в основном гидрокарбонатно-кальциевого или натриевого состава, с минерализацией в среднем до 1 г/л. Приход воды достигает 400 л/сек. [Информационный ресурс (1)].
Доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения Оренбургской области за 2009 год составляла 87,4 %, при этом в городах с населением более 100 тыс. человек – 87,2 %, в городах и поселках городского типа численностью менее 100 тыс. человек – 91,1 %, в сельской местности – 84,1 % (Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Оренбургской области в 2009 году»).
В г. Оренбурге действуют 23 хозяйственно-питьевых водозабора. Из них один открытый – Уральский водозабор, остальные – подземные, питающиеся из 308 скважин. Перед подачей в водопроводную сеть на всех водозаборах вода подвергается обеззараживанию хлором [Информационный ресурс (2)].
По данным управления Федеральной службы по надзору в сфере прав потребителей и благополучия человека по Оренбургской области, из проб, взятых на исследование в 2011 году, 2,8 % не соответствовало показателям эпидемиологической безопасности, 13,1 % – санитарно-химическим показателям.
Накипь, образующаяся при кипячении, – свидетель высокой концентрации в воде кальция и магния, что чревато возникновением у потребителей мочекаменной болезни и сердечнососудистых заболеваний.
Современные способы очистки не способны привести воду в соответствие с нормами по содержанию железа и других микроэлементов, важных для человека. Хлорирование воды позволяет получать воду, отвечающую требованиям микробиологической безопасности, но при этом возникает множество вредных для здоровья химических соединений – диоксины, хлороформ и другие, относящиеся к категории особо опасных ядов [Рахманин Ю. А. и др., 2005].
Фрагмент исследований, вошедших в федеральную целевую программу по Оренбургской области
Аналогичную картину мы наблюдали и в другой гендерной группе: выявленное содержание селена в волосах девочек составило 0,37 мкг/кг, а девушек – 0,12 мг/кг (р 0,01) соответственно. Данный факт, несомненно, связан с возрастными особенностями подросткового организма. Исследованиями установлено, что подростки испытывают дисбаланс всех микронутриентов, а особенно селена, в силу повышенных трат их на физиологические процессы в организме юношей и девушек [Тутельян В. А. и др., 2002; Горелова Ж. Ю. и др., 2010; Кучма В. Р., 2011]. Выявленные нами отличия содержания селена в волосах подростков могут отражать повышенные потребности подросткового организма, в том числе на фоне типичного для области дефицита йода – синергиста селена – активатора дейодиназы.
Медиана выборки в группе обследованных мальчиков составила 0,47, что в 1,3 раза выше, чем в группе девочек, тогда как в группе подростков таких значимых отличий не наблюдалось.
Сравнительный анализ концентрации селена внутри гендерных групп обследованного детско-юношеского населения достоверных отличий не выявил. Тем не менее как у мальчиков, так и у юношей уровень селена в волосах был несколько выше по сравнению с группами обследованных девочек и девушек, более нуждающихся в селене на фоне дефицита йода и активации фермента половых желез. Наряду с этим интервал содержания селена в волосах значительно отличался как в группе детей, так и в группе подростков минимум в 3,5 раза, а максимум в 3,3 раза (табл. 4.3). При сопоставлении результатов настоящего исследования и медианы содержания селена в волосах детей, проживающих в ПФО, был показан глубокий дефицит исследуемого элемента в группе подростков. Так, медианы содержания селена в группе девушек и юношей были ниже в 3,1 раза, чем у детей из ПФО. Анализ содержания селена в волосах обследованного взрослого населения Оренбургской области представлен в таблице 4.4.
Сравнение среднего содержания селена в волосах обследованных жителей Оренбургской области и жителей ПФО не показал более высокого достоверного различия в содержании селена в волосах мужчин и женщин из Оренбургской области относительно обследованных жителей ПФО.
При рассмотрении данных содержания селена в волосах обследованного взрослого населения, постоянно проживающего на территории Оренбургской области, было установлено статистически достоверное (р 0,05) отличие между мужчинами и женщинами в возрасте 41–60 лет (0,44 мкг/кг, 0,37 мкг/кг соответственно). Вместе с тем достоверных отличий в первой возрастной группе не установлено. Медиана выборки как в группе мужчин, так и в группе женщин первой возрастной группы (20–40 лет) была выше в 1,1 и 1,4 раза относительно второй возрастной группы лиц.
Кроме того, как минимальный, так и максимальный показатели концентрации селена в волосах младшей возрастной группы были выше относительно старшей возрастной группы взрослого населения Оренбургской области (табл. 4.4).
Оренбуржье относится к так называемым антропобиогеохимическим провинциям с природно- и техногеннообусловленным дисбалансом целого ряда микроэлементов [Чибилев А. А., 1990, 1999; Утенина В. В., 2002; Боев В. М., 2005; Нотова С. В. и др., 2006]. Антропогенное загрязнение окружающей природной среды, во многом связанное с микроэлементами из группы тяжелых металлов, вызывает серьёзную озабоченность своими негативными последствиями для здоровья различных групп населения [Тиньков А. Н. и др., 2004; Быстрых В. В., 2006]. В настоящее время всё большее внимание исследователей привлекают так называемые техногенные микроэлементозы [Авцын А. П. и др., 1991; Павловская Н. А. и др., 2002; Некрасов В. И., Скальный А. В., 2006]. Лица, занятые в производственной сфере, в первую очередь испытывают нагрузку от избыточного поступления токсичных элементов в организм [Лобанова Ю. А. и др., 2002; Пичужкина Н. М. и др., 2002; Дубовой Р. М., 2009; Дунаев В. Н. и др., 2006].
В работе О.О. Фроловой (2007) показано, что работники промышленного (машиностроительного) предприятия существенно отличаются по содержанию селена в волосах от населения, занятого в непроизводственной сфере, в сторону снижения селенового статуса.
С целью оценки вклада производственных факторов в формирование селенового статуса взрослого населения все респонденты были распределены на три группы в зависимости от сферы трудовой деятельности. Результаты оценки содержания селена в волосах обследованных лиц из числа работников различных трудовых коллективов Оренбургской области приведены в таблице 4.5.
Сравнительный анализ содержания селена в волосах респондентов в зависимости от трудовой деятельности позволил установить статистически достоверные (р 0,05) отличия среди групп трудовых коллективов. Так, уровень селена в волосах рабочих промышленных и горнодобывающих предприятий
Оренбургской области достоверно отличался от изучаемого показателя группы офисных служащих. Таблица 4.5 Содержание селена в волосах работников различных трудовых коллективов на территории Оренбургской области (мкг/кг) Показатель Офисныеслужащиеn = 178 Рабочиепромышленныхпредприятийn = 287 Рабочиегорнодобывающихпредприятийn = 163 Медиана (Me) 0,403 0,125 0,265 Минимум (Min) 0,039 0,003 0,110 Максимум (Max) 2,094 2,086 0,509 Me1 0,335 Центильный интервал (25 – 75)1 0,23 - 0,49 Примечание: - достоверное (р 0,05) отличие офисные служащие / рабочие промышленных предприятий; – достоверное (р 0,05) отличие офисные служащие / рабочие горнодобывающих предприятий; 1 – см. табл. 4.4. Медиана выборки при этом в группе офисных служащих составила 0,403, что в 3,2 и 1,5 раза выше, чем в группе рабочих промышленных и горнодобывающих предприятий, где данный показатель составил 0,125 и 0,265 мкг/кг соответственно.
При рассмотрении минимальных и максимальных показателей наименьший уровень селена в волосах отмечен в группе рабочих промышленных предприятий 0,003 мкг/кг, тогда как изучаемый показатель в группе офисных служащих и рабочих горнодобывающих предприятий составил 0,039 мкг/кг и 0,110 мкг/кг соответственно. Максимальное значение отмечено в группе офисных служащих (2,094 мкг/кг), а у рабочих промышленных и горнодобывающих предприятий данный показатель оказался значительно ниже (табл. 4.5).