Influence of the elemental composition of water and soil on the environmental portrait of teenagers in Khabarovsky Kray

Full Text

Многочисленными исследованиями подтверждено, что элементный статус организма отражает геохимический фон среды обитания, в том числе дисбаланс многих микроэлементов (МЭ) в воде, почве данной территории [1; 2]. Химические элементы способны активно включаться в круговорот веществ и мигрировать по пищевым цепям к человеку, что может приводить к возникновению экологозависимых заболеваний [3; 4]. Как известно, Хабаровский край характеризуется повышенным содержанием Fe, Mn, недостатком Se в окружающей среде. Загрязненность соединениями Fe, Cu и Zn характерна практически для всех водных объектов. В 2019 г. по итогам гидрохимических наблюдений выявлено 104 случая высокого и 19 случаев экстремально высокого загрязнения поверхностных вод Хабаровского края[6]. Одним из факторов, повышающих риск нарушения элементного гомеостаза, является поступление радиоактивных элементов, биологическая роль которых до настоящего времени остается открытой [5]. Согласно литературным данным, в Николаевском и Охотском районах Хабаровского края распространены радиоаномалии с высоким содержанием Th и U [6], которые могут оказывать влияние на элементный гомеостаз жителей [1]. Цель исследования - проанализировать степень воздействия элементного состава питьевой воды и почвы на экологический портрет подростков разных этнических групп, проживающих на территории Хабаровского края. Материалы и методы Отбор проб питьевой воды выполнялся в соответствии с требованиями ГОСТа 56237-2014 «Вода питьевая. Отбор проб на станциях водоподготовки и в трубопроводных распределительных системах». Мониторинг элементного состава питьевой воды производился в течение года по сезонам (2019-2020 гг.). Пробы питьевой воды были взяты в п. Арка Охотского района (n = 20), п. Лазарев Николаевского района (n = 20) и г. Хабаровске (n = 20) ежеквартально. Отбор проб производился в водопроводных кранах школ и частных домов. Отбор почвенных образцов производился однократно в осенний период (2019 г.) на земельных участках п. Арка Охотского района (n = 10), п. Лазарев Николаевского района (n = 10) и в г. Хабаровске (n = 10). Отбор выполнялся в соответствии с требованиями ГОСТа 17.4.4.02-2017 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа». Проведено обследование подростков (n = 121), проживающих в Хабаровском крае: нивхов (n = 25) и этнических русских (n = 24) Николаевского района; эвенов (n = 54) и русских (n = 18) Охотского района. Подростки г. Хабаровска являются группой сравнения (n = 33). Средний возраст 15,20±0,62. Разрешение Этического комитета Хабаровского филиала ДНЦ ФПД - НИИ ОМиД получено на основании «информированного согласия» родителей обследованных детей. Определение примесей Fe, Cu, Со, Мо, Se, Zn, Th и U в питьевой воде, почве и волосах проведено методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой в аккредитованной лаборатории на базе Хабаровского инновационно-аналитического центра Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН. Статистический анализ проводился с использованием стандартных методов вариационной статистики: определение достоверности полученных данных в условиях стандартного нормального распределения для независимых выборок с использованием коэффициента Стьюдента, с учетом «ошибки средней» - М±m. Степень связности параметров оценивалась с помощью веса корреляционного графа (G), рассчитываемого как сумма соответствующих коэффициентов парной корреляции: , где rij - коэффициенты корреляции между i-м и j-м показателями, α определяется уровнем достоверности rij. Определялось количество и степень выраженности достоверных корреляционных связей в общем числе рассмотренных коэффициентов корреляции, значения которых больше или равны α [7; 8]. Для математических расчетов использовались статистический пакет Statistica 10.0 и офисный пакет Microsoft Office Excel 2013. Результаты и обсуждение Результаты анализа проб питьевой воды в обследованных районах представлены в табл. 1. Проведенными исследованиями установлено, что в пробах питьевой воды Охотского и Николаевского районов, г. Хабаровска концентрация исследуемых МЭ соответствует ПДК. Повышенное содержание Fe в 40 % случаев зафиксировано в пробах питьевой воды г. Хабаровска, превышающее норматив от 1,3 до 3,4 раза (р < 0,001). Следует отметить достоверно низкое содержание эссенциальных элементов во всех пробах питьевой воды Хабаровского края: Cu, Co, Zn, Se (р < 0,001), более выраженное в северных районах. В пробах питьевой воды обнаружено содержание Th и U. Однако концентрация радиоактивных элементов не превышает установленные нормативы. Таблица 1. Содержание (М±m) эссенциальных и радиоактивных микроэлементов в питьевой воде Хабаровского края, мг/л Концентрация элементов г. Хабаровск (n = 20) п. Лазарев Николаевского района (n = 20) п. Арка Охотского района (n = 20) ПДК по СанПиН 1.2.3685-21 Fe 0,452±0,05* 0,286±0,02** 0,146±0,01*** 0,3 Cu 0,046±0,005* 0,001±0,0001** 0,002±0,0003*** 1,0 Co 0,0038±0,0005* 0,0019±0,0002** 0,0003±0,0001*** 0,1 Zn 0,326±0,04* 0,037±0,004** 0,009±0,0001*** 5,0 Mo 0,002±0,0003 0,002±0,0001** 0,0548±0,00005*** 0,07 Se 0,002±0,0002 0,002±0,0002** 0,0001±0,0002*** 0,01 Th 0,002±0,0003 0,001±0,0005 0,001±0,0001*** 0,031 U 0,002±0,0002* 0,005±0,0005** 0,001±0,0001*** 0,0151 Примечания: Здесь и далее: 1 ПДК по Руководству по обеспечению качества питьевой воды ВОЗ (2017). Превышение ПДК выделено жирным шрифтом; концентрация МЭ, соответствующая верхней границе норматива, выделена курсивом. * - Достоверность различий р < 0,001 в группах г. Хабаровск-п. Лазарев. ** - Достоверность различий р < 0,001 в группах г. Хабаровск-п. Арка. *** - Достоверность различий р < 0,001 в группах п. Лазарев-п. Арка. Table 1. Content (М±m) of essential and radioactive trace elements in drinking water of the Khabarovsky Kray, mg/l Element concentration Khabarovsk (n = 20) Lazarev, Nikolaevsky district (n = 20) Arka, Okhotsk district (n = 20) MPC according to SanPiN 1.2.3685-21 Fe 0.452±0.05* 0.286±0.02** 0.146±0.01*** 0.3 Cu 0.046±0.005* 0.001±0.0001** 0.002±0.0003*** 1.0 Co 0.0038±0.0005* 0.0019±0.0002** 0.0003±0.0001*** 0.1 Zn 0.326±0.04* 0.037±0.004** 0.009±0.0001*** 5.0 Mo 0.002±0.0003 0.002±0.0001** 0.0548±0.00005*** 0.07 Se 0.002±0.0002 0.002±0.0002** 0.0001±0.0002*** 0.01 Th 0.002±0.0003 0.001±0.0005 0.001±0.0001*** 0.031 U 0.002±0.0002* 0.005±0.0005** 0.001±0.0001*** 0.0151 Notes: Нere and below: 1 MPC according to Guidelines for drinking-water quality WHO. Exceeding the MPC is highlighted in bold; the concentration of the trace element at the upper limit of the standard is highlighted in italics. * - Reliability of differences p < 0.001 in the groups of Khabarovsk-v. Lazarev. ** - Reliability of differences p < 0.001 in the groups of Khabarovsk-v. Arka. *** - Reliability of differences p < 0.001 in the groups of Lazarev-v. Arka. В табл. 2 представлены средние концентрации эссенциальных и радиоактивных элементов в почвах обследованных районов. Таблица 2. Содержание (М ± m) эссенциальных и радиоактивных микроэлементов в почве Хабаровского края, мг/кг Концентрация элементов г. Хабаровск (n = 10) п. Лазарев Николаевского района (n = 10) п. Арка Охотского района (n = 10) ПДК по СанПиН 1.2.3685-21 Fe 46712,8±822,0 44852,78±500,12** 11969,18±718,32*** 25000 Cu 15,8±1,67* 76,506±7,02** 40,436±4,33*** 66 (ОДК) Co 6,43±0,60* 16,998±2,49** 3,662±0,25*** 5 Zn 65,99±4,78 66,848±6,27** 181,904±15,3*** 23 Mo 0,83±0,07* 0,534±0,05** 2,066±0,28*** 2531 Se 0,0016±0,0001* 0,001±0,0001** 0,07±0,01*** 0,111 Th 1,356±0,40* 5,856±0,61** 2,036±0,3 32 U 2,85±0,31* 1,324±0,011** 0,422±0,04*** 32 Примечания: 1 Ввиду отсутствия установленных ПДК и ОДК Mo и Se в почве были взяты данные по: Crommentuijn T., Polder M.D., Van de Plassche E.J. [9]. 2Фоновые значения Th и U по: И.Г. Асылбаеву, И.К. Хабирову, И.М. Габбасовой и др. [10]. * - Достоверность различий р < 0,001 в группах г. Хабаровск-п. Лазарев. ** - Достоверность различий р < 0,001 в группах г. Хабаровск-п. Арка. *** - Достоверность различий р < 0,001 в группах п. Лазарев-п. Арка. Table 2. Content (М±m) of essential and radioactive trace elements in the soil of the Khabarovsky Kray, mg/kg Element concentration Khabarovsk (n = 10) Lazarev, Nikolaevsky district (n = 10) Arka, Okhotsk district (n = 10) MPC according to SanPiN 1.2.3685-21; *WHO guidance Fe 46712.8±822.0 44852.78±500.12** 11969.18±718.32*** 25000 Cu 15.8±1.67* 76.506±7.02** 40.436±4.33*** 66 (ОДК) Co 6.43±0.60* 16.998±2.49** 3.662±0.25*** 5 Zn 65.99±4.78 66.848±6.27** 181.904±15.3*** 23 Mo 0.83±0.07* 0.534±0.05** 2.066±0.28*** 2531 Se 0.0016±0.0001* 0.001±0.0001** 0.07±0.01*** 0.111 Th 1.356±0.40* 5.856±0.61** 2.036±0.3 32 U 2.85±0.31* 1.324±0.011** 0.422±0.04*** 32 Notes: 1 Due to the lack of established MPC and APC for Mo and Se in the soil, the data were taken by Crommentuijn T., Polder M.D., Van de Plassche E.J. [9]. 2 Background values of Th and U according to Asylbaev I.G., Khabirov I.K., Gabbasova I.M. et al. [10]. * - Reliability of differences p < 0.001 in the groups of Khabarovsk-v. Lazarev. ** - Reliability of differences p < 0.001 in the groups of Khabarovsk-v. Arka. *** - Reliability of differences p < 0.001 in the groups of Lazarev-v. Arka. Установлено, что за анализируемый период концентрация Fe в образцах почв Охотского района соответствовала ПДК, а в Николаевском районе и г. Хабаровске превышала ПДК в 1,4-1,9 раза (р < 0,001). Концентрация Cu в Охотском районе соответствовала ОДК, в Николаевском районе в 1,2 раза превышала ОДК (в 80% проб содержание превышало ОДК). В почвах г. Хабаровска содержание Cu было снижено в 4,2 раза. Анализ образцов почв выявил избыточное содержание Zn во всех пробах: в Охотском районе превышение ПДК составило 7,9 раза, в Николаевском районе и в г. Хабаровске - 2,8-3,1 и 2,0-4,3 соответственно, р < 0,001. Установлено, что содержание Со в почве Охотского района в пределах ПДК. В Николаевском районе концентрация Со во всех пробах была выше в 3,4 раза по сравнению с ПДК (р < 0,001). В образцах почв г. Хабаровска также выявлено превышение содержания Со в 1,3 раза. Содержание Mo и Se в анализируемых образцах дефицитно, так как биогеохимическая провинция Хабаровского края бедна представленными эссенциальными МЭ [11]. Концентрация Th в почвах Охотского района ниже фоновых значений, а в Николаевском районе и г. Хабаровске превышает их в 1,95 и 1,90 раза соответственно. Причиной высокого содержания Th в образцах почв Николаевского района является активный рудогенез на данной территории [6]. Содержание U в почвенных образцах не превышало фоновых значений по всем исследуемым районам. Таким образом, анализ проб питьевой воды и почв показал дефицитное содержание эссенциальных элементов (Mo, Se) во всех районах Хабаровского края. В питьевой воде также определена низкая концентрация Cu, Co и Zn. Эссенциальные элементы поступают в организм с водой и, как показано нами ранее, с пищей [12]. Суммарное поступление МЭ из атмосферного воздуха, воды и пищевых продуктов отражается их содержанием в волосах (табл. 3). Таблица 3. Концентрация (M±m) микроэлементов в волосах (мкг) подростков разных этнических групп, проживающих на территории Хабаровского края Группа подростков Fe 5,0-25 Co 0,02-0,11 Cu 8-12 Zn 94-183 Se 0,5-1,5 Mo 0,02-2,0 Th < 0,001 U 0,003 Подростки Охотский район (n = 72) 23,55± 2,75 0,043± 0,009 8,32± 0,51 136,3± 10,51 0,2218± 0,003 0,026± 0,0044 0,0017± 0,0009*** 0,0026± 0,0007 Подростки Николаевский район (n = 49) 54,25± 8,38*** 0,19± 0,05*** 5,23± 0,70 246,58± 29,81*** 0,011± 0,001 0,014± 0,002 0,014± 0,001*** 0,027± 0,003 Подростки г. Хабаровск (n = 23) 65,699± 13,30*** 0,229± 0,06*** 13,046± 4,53* 142,031± 21,56 0,281± 0,03 0,045± 0,01 0,017± 0,005*** 0,029± 0,013 Примечание. Норматив Th и U в волосах ─ по Наркович Д.В. [14], нормативы содержания в волосах показаны по Оберлис Д., Харланд Б., Скальному А. [15]. Различие с границей физиологического норматива достоверно: при p ≤ 0,05 (*); при p ≤ 0,01 (**); при p ≤ 0,001 (***). Table 3. Concentration (M±m) of microelements in hair (µg) of teenagers of different ethnic groups living in the Khabarovsky Kray A group of teenagers Fe 5.0-25 Co 0.02-0.11 Cu 8-12 Zn 94-183 Se 0.5-1.5 Mo 0.02-2.0 Th < 0.001 U 0.003 Teenagers, Okhotsky District (n = 72) 23.55± 2.75 0.043± 0.009 8.32± 0.51 136.3± 10.51 0.2218± 0.003 0.026± 0.0044 0.0017± 0.0009 0.0026± 0.0007 Teenagers, Nykolaivsky district (n = 49) 54.25± 8.38 0.19± 0.05 5.23± 0.70 246.58± 29.81 0.011± 0.001 0.014± 0.002 0.014± 0.001 0.027± 0.003 Teenagers, Khabarovsk (n = 23) 65.699± 13.30 0.229± 0.06 13.046± 4.53 142.031± 21.56 0.281± 0.03 0.045± 0.01 0.017± 0.005 0.029± 0.013 Note. Standard Th and U in hair - according to Narkovich D.V. [14], hair content standards are shown according to Oberlis D., Harland B., Skalny A. [15]. The difference with the boundary of the physiological standard is significant: at p ≤ 0.05 (*); at p ≤ 0.01 (**); at p ≤ 0.001 (***). Анализ волос показал, что содержание Fe и Co в группах подростков Охотского района в пределах референтных значений. В группах Николаевского района и г. Хабаровска концентрация Fe превышала норматив в 2,16 и 2,63 раза, концентрация Со - в 1,73 и 2,08 раза соответственно. Содержание Cu в волосах на нижней границе норматива среди подростков Охотского района и дефицитное в Николаевском районе в г. Хабаровске превысило норматив в 1,10 раза. Анализ содержания Zn выявил превышение референтных значений в волосах подростков Николаевского района, в остальных группах содержание соответствовало пределам. Содержание Se дефицитно в волосах всех обследуемых групп (р < 0,001). В группе Николаевского района выявлен дефицит Мо (в 1,43 раза ниже референтных значений), в группах Охотского района и г. Хабаровска - на нижней границе. Установлены высокие концентрации Th в волосах всех групп по сравнению с референтными значениями (р < 0,001). Концентрация U в пределах верхней границы норматива в волосах всех групп. Пограничные показатели факторов среды приводят к дисфункциональным состояниям организма (которые являются обратимыми). Однако при длительном действии стрессора возникают дизадаптации. В результате анализа элементного состава проб питьевой воды, почвы и образцов волос подростков, проживающих в районах Хабаровского края с различными климатическими условиями, были установлены корреляционные связи. Значимые прямые зависимости содержания МЭ в воде и почве выявлены для Zn (r = 0,86, р < 0,05), Fe (r = 0,59, р < 0,05) и U (r = 0,9, р < 0,05). Отрицательные зависимости выявлены между концентрацией Se в воде и почве (r = -0,81, р < 0,05) и Cu в воде и почве (r = 0,39, р < 0,05). Достоверные корреляционные зависимости выявлены между содержанием Fe, Co, Mo, Th в волосах и воде (r = 0,48-0,89, р < 0,05), Fe, Cu, Zn, Se в волосах и почве (r = 0,38-0,71, р < 0,05). В ряде исследований было показано, что при неблагоприятных внешних воздействиях уровень корреляций между различными параметрами организма повышается [13]. Метод корреляционной адаптометрии позволяет количественно оценить степень здоровья групп людей и заблаговременно прогнозировать возможные неблагоприятные изменения здоровья [7]. Анализ корреляционных взаимосвязей содержания МЭ в волосах подростков с использованием данного метода показал, что величина корреляционного графа у детей г. Хабаровска и Николаевского района в 1,5 раза выше, чем у подростков Охотского района (рис. 1), что может свидетельствовать об антропоэкологическом напряжении адаптационных механизмов у подростков, проживающих в данных экологических условиях. Рис. 1. Вес корреляционного графа у подростков, проживающих в различных районах Хабаровского края / Figure 1. The weight of the correlation graph of teenagers living in different regions of the Khabarovsky Kray Таким образом, проведенные исследования показали, что в питьевой воде выявлен дисбаланс МЭ: в ряде случаев имеет место превышение ПДК по содержанию Fe, сопровождающийся дефицитом эссенциальных элементов (Cu, Co, Zn, Mo, Se). Во всех образцах почв установлены низкие концентрации Mo, Se и высокие - Fe. Также в Николаевском районе выявлено повышенное содержание Th в почвах. Элементный дисбаланс отражается на их концентрации в волосах подростков, проживающих на территориях геохимических аномалий, и может являться фактором риска развития экологически обусловленных заболеваний.

About the authors

Alena O. Nesterenko

Pacific National University

Author for correspondence.
Email: alenushka_3@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-7927-5741
SPIN-code: 8474-6563

Senior Lecturer

68 Karl Marx St, Khabarovsk, Khabarovsky Kray, 680000, Russian Federation

Galina P. Evseeva

Khabarovsk Branch of the Far Eastern Scientific Center of Physiology and Pathology of Respiration - Research Institute of Maternity and Childhood Protection

Email: evceewa@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7528-7232
SPIN-code: 8565-3889

MD, PhD, DSc, Deputy Director on Scientific Work, Main staff scientist of Groups of health and environmental problems of mother and child health

49, bldg. 1, Voronezhskaya St, Khabarovsk, Khabarovsky Kray, 680000, Russian Federation

Ekaterina D. Tselikh

Far Eastern State Transport University

Email: celixed@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3935-9195
SPIN-code: 9224-8233

Doctor of Biological Sciences, Professor

47 Serysheva St, Khabarovsk, Khabarovsky Kray, 680000, Russian Federation

References

Supplementary files