Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

CHARACTERISTICS OF THE CONTENT OF TOXIC TRACE ELEMENTS IN THE HAIR AND BLOOD OF CHILDREN FROM VARIOUS DISTRICTS OF ORENBURG OBLAST

Research article
Voronkova I.P.
Mikhaylova I.V.
Boev V.M.
Chesnokova L.A.
Kuzmicheva N.A.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.107.5.036
Issue: № 5 (107), 2021
Published:
2021/05/17
PDF

ОСОБЕННОСТИ СОДЕРЖАНИЯ ТОКСИЧНЫХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ВОЛОСАХ И КРОВИ ДЕТЕЙ, ПРОЖИВАЮЩИХ В РАЗЛИЧНЫХ РАЙОНАХ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ

Научная статья

Воронкова И.П.1, Михайлова И.В.2, Боев В.М.3, Чеснокова Л.А.4, Кузьмичева Н.А.5, *

5 ORCID: 0000-0002-5388-7026;

1-5 Оренбургский государственный медицинский университет Минздрава России, Оренбург, Россия

* Корреспондирующий автор (n.a.kuzmicheva[at]orgma.ru)

Аннотация

В статье продемонстрированы результаты сравнительного микроэлементного анализа биосубстратов (волосы, кровь) детского населения Восточной, Западной и Центральной зон Оренбургской области. Выявлено, что элементный статус детей, проживающих на территории различных зон Оренбургской области значительно отличается. Наиболее высокое содержание токсичных элементов в волосах отмечено у детей, проживающих в Восточной зоне, а в крови у детей Западной зоны. У детей, проживающих в Восточной зоне выше региональных значений содержание Sr, Ni, Co и ниже содержание Cr. В крови детей Западной зоны содержание хрома и свинца выше региональных значений в 1,5 – 2 раза, концентрации остальных элементов на уровне региональных значений. У детей Центральной зоны выявлено повышенное содержание Cr и Sr в волосах и крови и пониженное содержание Co. Отмечено, что общей чертой элементного статуса детей является то, что четко выделяются Co – Ni – Cr и Pb – Sr ассоциации в крови, а особенно в волосах детей. Мы предполагаем, что данные взаимодействия между элементами обусловлены конкурентными взаимоотношениями и синергизмом катионов металлов. Дисбаланс микроэлементов обусловлен не только экологическими и геохимическими особенностями территорий проживания, но и взаимовлиянием элементов.

Ключевые слова: микроэлементы, биосреды, кровь, волосы.

CHARACTERISTICS OF THE CONTENT OF TOXIC TRACE ELEMENTS IN THE HAIR AND BLOOD OF CHILDREN FROM VARIOUS DISTRICTS OF ORENBURG OBLAST

Research article

Voronkova I.P.1, Mikhaylova I.V.2, Boev V.M.3, Chesnokova L.A.4, Kuzmicheva N.A.5, *

5 ORCID: 0000-0002-5388-7026;

1-5 Orenburg State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation, Orenburg, Russia

* Corresponding author (n.a.kuzmicheva[at]orgma.ru)

Abstract

The current article demonstrates the results of a comparative trace element analysis of biosubstrates (hair, blood) of the children population of the Eastern, Western, and Central zones of Orenburg Oblast. The article demonstrates that the elemental status of children in the different zones of Orenburg Oblast differs to a significant degree. The highest content of toxic elements in the hair was observed in children living in the Eastern zone, and in the blood of children in the Western zone. In children living in the Eastern zone, the content of Sr, Ni, and Co is higher than the regional values, while the content of Cr is lower. In the blood of children of the Western zone, the content of chromium and lead is 1.5 – 2 times higher than regional values, while the concentration of other elements is at the level of regional values. In the hair and blood of the children living in the Central zone, the study observes an increased content of Cr and Sr with a reduced content of Co. It is noted that a common feature of the elemental status of children is that Co – Ni – Cr and Pb – Sr associations are clearly distinguished in the blood, and especially in the hair of children. The authors of the study assume that these interactions between the elements are due to competitive relationships and synergism of metal cations. The imbalance of trace elements is caused not only by the ecological and geochemical features of the territories but also by the mutual influence of the elements.

Keywords: trace elements, biological media, blood, hair.

Введение

Содержание микроэлементов (МЭ) в организме человека, их изменение может служить индикатором как избытка или недостатка конкретных питательных веществ в рационе, так и индикатором воздействия элементов – токсикантов за счет неблагополучного состояния окружающей среды. В настоящее время в качестве биологических индикаторов содержания МЭ в организме используются кровь, слюна и др. [1]. Однако в связи с тем, что элементный состав этих биосред подвержен значительным колебаниям как под действием различных внешних факторов, так и внутренних процессов, прямое использование результатов их анализа для выявления ассоциативной связи «окружающая среда – объект исследования», как правило, затруднено. Концентрация всех химических веществ в таком диагностическом биосубстрате как волосы намного выше, чем в биологических жидкостях, применяемых обычно для анализа [6], [9]. Организм человека представляет собой единое целое, изменение содержания одного из компонентов, несомненно, приводит к повышению или понижению другого. Не являются исключением и микроэлементы. Поскольку волосы относительно крови являются более стабильной, аккумулирующей средой, предполагается, что изменение содержания МЭ в волосах является следствием изменения их уровня, прежде всего в крови. Вопросу влияния биогеохимических факторов среды на детский организм через элементный состав их биосубстратов, который отражает особенности питания, уровень загрязнения окружающей среды, геохимические особенности территорий проживания посвящено достаточно много исследований [2], [4], [7]. C другой стороны, не достаточно освящен вопрос сопоставительного анализа содержания токсичных МЭ в волосах и крови детей, проживающих на территориях с разным уровнем антропогенной и биогеохимической нагрузки. В целях скрининга представлялось важным провести микроэлементный анализ волос и крови детей, позволяющий оценить не только содержание химических элементов в биосредах как отражение их обмена в организме, но и увидеть межэлементные взаимоотношения, антагонизм и синергизм элементов [1], [9], что и явилось целью настоящего исследования.

Материалы и методы

Содержание токсичных МЭ (Pb, Cr, Sr, Co, Ni) определялось в волосах (220 исследований) и крови (280 исследований) детей, проживающих в различных территориально – экономических зонах Оренбургской области (Восточная зона, Западная зона, Центральная зона). Данные МЭ были выбраны для исследования поскольку в наибольшей степени загрязняют атмосферу Оренбургской области ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности, и в результате накопления во внешней среде представляют значительную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. Концентрации МЭ в волосах и крови сравнивались с региональными уровнями [3], а также МЭ в крови сравнивались с нормативами Дж. Эмсли [10]. Исследования осуществлялись атомно-адсорбционным методом согласно МУК 4.1.463 - 4.1.779 – 99 [8] в лаборатории ЦГСЭН Оренбургской области. Методами вариационной статистики рассчитывали: среднее значение (M), ошибку средней величины (m). Достоверность различий средних сравниваемых величин (р) определяли по коэффициенту Стьюдента (t). Статистически значимыми считались различия между показателями при уровне р < 0,05. Обработка цифрового материала проводилась с использованием пакета программ Excel – Statistica 6,0.

Результаты и их обсуждение

Содержание микроэлементов в волосах детей, отражающих суммарное поступление загрязняющих веществ из атмосферного воздуха, воды и почвы, представлено в табл. 1. Как видно из табл. 1. концентрации микроэлементов в волосах детей, проживающих в различных зонах области, различаются следующим образом: у детей восточного региона содержание Sr, Co, Ni выше, чем в других исследуемых зонах и выше регионального фонового уровня, все различия достоверны.

 

Таблица 1 – Содержание токсичных микроэлементов в волосах детей

Элемент Региональные значения Восточная зона Западная зона Центральная зона
Свинец, М±m, мкг/г 1,44±0,05 1,50±0,04 2,822±0,072* 1,83±0,106***
Стронций, М±m, мкг/г 0,870±0,08 5,553±0,112*** 1,136±0,061*** 0,395±0,137***
Никель, М±m, мкг/г 2,5±0,79 5,86±0,13*** 1,45±0,12*** 2,9±0,42
Хром, М±m, мкг/г 1,62±0,06 0,80±0,016*** 1,76±0,082 2,83±0,21***
Кобаль М±m, мкг/г т 0,09±0,02 0,18±0,004*** 0,065±0,005 0,005±0,001***
Примечание: t>2,0 р<0,05*; t>2,6 р<0,01**; t>3,2 р<0,001***

Напротив, содержание хрома в 3,5 раза (р<0,001) ниже, чем в Центральной и в 1,6 раза (р<0,001) ниже, чем в Западной зоне. Относительно регионального фонового уровня содержание хрома понижено в два раза (р < 0,001). Содержание свинца в Восточной зоне на уровне региональных значений, с Центральной зоной отличия статистически незначимы (р> 0,05), но его концентрация почти 2 раза ниже (р<0,001), чем в Западной зоне. В Западной зоне установлено превышение уровня стронция: почти в три раза (р<0,001) больше, чем в Центральной и выше региональных значений в 1,3 раза (р<0,01). По сравнению с Восточной и Центральной зонами установлено достоверное превышение уровня свинца в 2 и 1,5 раза соответственно, региональный фон превышен в два раза. По содержанию хрома отличия с региональным уровнем незначительные. Следует отметить низкое содержание никеля: в 2 (р<0,001) и 4 (р<0,001) раза ниже, чем Центральной и Восточной зонах соответственно, а также в 1,7 (р > 0,05) раза ниже региональных значений. Для элементного состава волос детей, проживающих в Центральной зоне характерно пониженное содержание стронция и особенно кобальта. Концентрация кобальта в Центральной зоне в 2,7 (р<0,001) раза ниже, чем в Западной, в 36 раз (р<0,001) ниже, чем в Восточной и в 18 раз ниже региональных показателей. В то же время отмечено достоверно повышенное содержание хрома, относительно других зон и региональных значений.

Анализ данных о содержании МЭ в крови (рис. 1.) показал, что в крови детей Восточного региона повышено содержание Co и Ni, понижено содержание свинца и стронция, содержание хрома соответствует региональному уровню.

Содержание Pb в крови детей, проживающих в Западной зоне достоверно выше (р< 0,05), чем в Восточной и Центральной зоне и в 2,2 раза превышает региональные значения.

24-05-2021 16-59-12

Рис. 1 – Коэффициенты концентраций элементов в крови относительно региональных значений [2]

 

По содержанию кобальта отличия незначительные, повышено содержание хрома по сравнению с другими зонами и региональным уровнем, содержание никеля на уровне региональных показателей. В Центральной зоне содержание исследуемых МЭ ниже региональных значений, кроме Sr. По сравнению с другими зонами содержания стронция также выше, а содержание никеля, кобальта и хрома ниже. На следующем этапе проводилось сравнение содержания микроэлементов в крови детей, проживающих в различных зонах области с нормативными данными (по Дж. Эмсли, 1993). В результате наших исследований установлено (табл. 2), что содержание свинца, стронция в отличие от других изучаемых элементов наиболее подвержено отклонению от нормы. Содержание свинца в Восточной зоне ниже нормы в 42 раза (р<0,05), в Западной зоне ниже нормы в 2,3 раза, в Центральной зоне в 11,6 раза (р<0,05).

 

Таблица 2 – Сравнительная характеристика содержания металлов в крови детей, проживающих в различных зонах области с нормативами содержания МЭ

Элемент Нормативы Дж. Эмсли Восточная зона Западная зона Центральная зона
Свинец, мг/л 0,21 0,005±0,003* 0,091±0,032 0,018±0,005*
Стронций, мг/л 0,03 0,478±0,123*** 1,21±0,025*** 1,336±0,203***
Никель, мг/л 0,03 0,058±0,002*** 0,047±0,002 0,027±0,003***
Хром, мг/л 0,058 0,118±0,003*** 0,209±0,016** 0,075±0,012**
Кобальт, мг/л 0,02 0,01±0,001 0,009±0,002 0,007±0,002
Примечание: * - р<0,05; ** - р<0,01; *** - р<0,001; составлено по [10]

Концентрация стронция во всех исследуемых зонах напротив, значительно выше нормативных показателей: в Восточной зоне в 15,6 раза (р< 0,001), Западной в 40,3 раза (р< 0,001), Центральной в 44,3 раза (р< 0,001). Обращает на себя внимание то, что только содержание кобальта и свинца в крови детей исследуемых зон не превышает нормативные показатели. Концентрация никеля в Восточной и Западной зонах в 2 и 1,6 раза выше, а в Центральной в 1,1 раза ниже нормы, все различия достоверны (р < 0,001). Содержание хрома выше нормы в Восточной зоне в 2,03 раза, в Западной в 3,6 раза, в Центральной в 1,3 раза.

Таким образом, проведенные исследования выявили целый ряд различий и особенностей в элементном статусе детей, проживающих на территории различных зон Оренбургской области. Наиболее высокое содержание токсичных элементов в волосах отмечено у детей, проживающих в Восточной зоне, а в крови у детей Западной зоны. В восточном регионе сосредоточены предприятия черной и цветной металлургии, по объему суммарных выбросов загрязняющих веществ Восточная зона стоит на первом месте в области [2]. Приоритетными металлами – загрязнителями атмосферы Восточной зоны являются хром, никель, свинец, кобальт. Более высокое содержание токсичных элементов в крови детей Западной зоны, возможно ассоциировано с более высоким содержанием элементов – токсикантов в питьевой воде Западного региона [5]. Общей чертой элементного статуса детей является то, что четко выделяются Co – Ni – Cr и Pb – Sr ассоциации в крови, а особенно в волосах детей. В целом складывается впечатление, что чем выше содержание Cr в волосах детей Западной зоны, тем ниже концентрации Сo и Ni, и напротив при увеличении содержания Co и Ni, понижается содержание Cr у детей Восточной зоны. У детей Центральной зоны отмечено, что Ni и Cr видимо вступают в конкурентные взаимоотношения с Co, снижая его содержание в волосах. Элементный анализ биосред детей показал, что свинец и стронций чаще проявляют себя как элементы – физиологические синергисты, т.к. при увеличении содержания Pb увеличивается содержание Sr и наоборот. Согласно литературным данным [1], [9], важнейшей особенностью химических элементов в организме является их взаимодействие друг с другом, часто это взаимодействие проявляется в виде синергических и антогонистических эффектов. В основе этих взаимодействий лежит физико - химическая аналогия элементов. Ионы d – элементов, имеющие одинаковые степени окисления (Co+2 - Ni+2) имеют сходные физико – химические характеристики (электронную структуру внешнего электронного уровня, близкие ионные радиусы, близкие значения констант устойчивости с биолигандами и др.). Хром по сравнению с Со и Ni также имеет близкие значения ковалентного, атомного и ионных радиусов. Ионы Pb2+ и Sr2+ имеют одинаковую степень окисления, близкие значения ионных радиусов. Сходство физико – химических характеристик этих ионов определяет близость их биологического действия, что чаще проявляется в виде синергических эффектов. В целом можно отметить, что дисбаланс МЭ в большей степени выражен в условиях антропогенного воздействия ксенобиотиков. Уменьшение содержания хрома (Восточная зона), кобальта (Центральная, Западная зоны) в волосах, несмотря на повышенное содержание этих элементов в окружающей среде вероятно объясняется влиянием комплекса веществ на метаболизм этих токсичных элементов, а также физиологическим антогонизмом МЭ в организме. В крови исследуемых детей, напротив, содержание хрома выше нормативных показателей. Возможно, это объясняется тем, что микроэлементный состав крови в первую очередь реагирует на повышенные концентрации МЭ в объектах среды обитания.

Заключение

Таким образом, в результате выполненных исследований были установлены особенности элементного дисбаланса детей, проживающих на территориях с различным уровнем и структурой антропогенной и геохимической нагрузки. Результаты работы показали определенную зависимость микроэлементного состава биосред детского организма от их количественного содержания в окружающей среде, что особенно выражено у детей Восточной зоны. Кроме того, в условиях полиэлементного воздействия необходимо учитывать не только количественное содержание элементов, но и их способность вступать в антагонистические и синергические взаимодействия.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Авцын А. П. Микроэлементозы человека: монография / А. П. Авцын, А. А. Жаворонков, М. А. Риш и др. — М.: Медицина. 1991. — 495 с.
  2. Боев, В. М. Микроэлементы и доказательная медицина / В. М. Боев. – М. : Медицина, 2005. – 208 с.
  3. Экология человека на урбанизированных и сельских территориях / В.М. Боев, Н.Н.Верещагин, М.А. Скачкова [и др.] под ред. Н.Н. Верещагина, В.М. Боева.- Оренбург, 2003.- С.392.
  4. Бурцева, Т.И. Элементный статус детей как отражение эколого-геохимических особенностей территории Оренбургского региона / Т.И. Бурцева, С.В. Нотова, О.О. Фролова и др // Микроэлементы в медицине. — 2009. — Т. 10, вып. 3-4. — С. 49-54.
  5. Воронкова И.П. Межсредовое распределение токсичных микроэлементов в окружающей среде сельских и урбанизированных территорий / И.П. Воронкова. Автореф. … дис. канд. биол. наук. - Оренбург, 2004. - 25 с.
  6. Грабеклис, А.Р. Изменения в элементном составе волос при производственном контакте с токсичными металлами / А.Р. Грабеклис и др. // Акт. пробл. трансп. медицины. – 2010. – № 4. С. 124–131.
  7. Джаугашева К.К. Содержание химических элементов в волосах, цельной крови и моче детей, проживающих на территории Западного Казахстана / К.К. Джаугашева // Микроэлементы в медицине. 2004. Т.5. Вып. 4. С.52 – 55.
  8. Определение химических соединений в биологических средах: сборник методических указаний МУК 4.1.763 - 4.1.779 – 99. М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000. -152 с.
  9. Скальный, А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека / А.В. Скальный. – М.: Мир, 2004. - 216 с.
  10. Эмсли.Дж. Элементы / Дж. Эмсли. – М.: Мир, 1993. - 256 с

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Avtsyn A. P. Mikroehlementozy cheloveka: monografija [Human Trace Elements: A Monograph] / A. A. Zhavoronkov, M. A. Rish, L. S. Strochkova — M.: Meditsina. 1991 — 495 p. [in Russian]
  2. Boev, V. M. Mikroehlementy i dokazatel'naja medicina [Microelements and Evidence-Based Medicine] / V. M. Boev. - M.: Meditsina, 2005. - 208 p. [in Russian]
  3. Ehkologija cheloveka na urbanizirovannykh i sel'skikh territorijakh [Human Ecology in Urbanized and Rural Areas] / V. M. Boev, N. N. Vereshchagin, M. A. Skachkova et al., edited by N. N. Vereshchagin, V. M. Boev.- Orenburg, 2003. - p. 392 [in Russian]
  4. Burtseva, T. I. The elemental status of children as a reflection of the ecological and geochemical features of the territory of the Orenburg region / I. Burtseva, S. V. Notova, O. O. Frolova et al. // Microelements in medicine. - 2009. - Vol. 10, issue 3-4, pp. 49-54 [in Russian]
  5. Voronkova I. P. Mezhsredovoe raspredelenie toksichnykh mikroehlementov v okruzhajushhejj srede sel'skikh i urbanizirovannykh territorijj [Inter-Environmental Distribution of Toxic Trace Elements in the Environment of Rural and Urbanized Territories], extended abstract of Candidate's thesis. Biological Sciences / I. P. Voronkova. - Orenburg, 2004. - 25 p. [in Russian]
  6. Grabeklis, A. R. Izmenenija v ehlementnom sostave volos pri proizvodstvennom kontakte s toksichnymi metallami [Changes in the Elemental Composition of Hair During Industrial Contact With Toxic Metals] / A. R. Grabeklis et al. // Akt. probl. transp. mediciny [Topical Problems of Transport Medicine]. – 2010. – № 4, pp. 124-131 [in Russian]
  7. Dzhaugasheva K. K. Soderzhanie khimicheskikh ehlementov v volosakh, cel'nojj krovi i moche detejj, prozhivajushhikh na territorii Zapadnogo Kazakhstana [The Content Of Chemical Elements in the Hair, Whole Blood and Urine of Children Living in the Territory of Western Kazakhstan] / K. K. Dzaugasheva // Mikroehlementy v medicine [Trace Elements in Medicine]. 2004. Vol. 5. Issue 4, pp. 52-55 [in Russian]
  8. Opredelenie khimicheskikh soedinenijj v biologicheskikh sredakh: sbornik metodicheskikh ukazanijj MUK1.763 - 4.1.779 – 99. [Determination of Chemical Compounds in Biological Media: A Collection of Methodological Guidelines of the Methodological Instructive Regulations (Muk) 4.1.763 - 4.1.779 – 99]. Moscow: Federal Center of Gossanepidnadzor of the Ministry of Health of Russia, 2000. -152 p. [in Russian]
  9. Skalny, A.V. Khimicheskie ehlementy v fiziologii i ehkologii cheloveka [Chemical Elements in Human Physiology and Ecology] / A. V. Skalny. - M.: Mir, 2004. - 216 p. [in Russian]
  10. Emsley, J. Elementy [The Elements] / J. Emsley. - Moscow: Mir, 1993. - 256 p. [in Russian]