Determining people's element status to assess the ecological safety of regions.pdf При увеличении антропогенных факторов техногенный поток загрязняющих веществ и их воздействие на компоненты биосферы усиливаются. Распределение химического состава в биосфере имеет гетерогенный характер. Это связано с неодинаковым уровнем выбросов предприятий в разных регионах. Поступление тяжелых металлов в окружающую среду городов существенно ухудшает экологическое состояние территории и оказывает отрицательное влияние на здоровье человека. Организм человека на протяжении всей жизни постоянно подвергается воздействию окружающей среды, что обусловлено факторами не только природно-географи-ческими, но и связанными с загрязнением среды. Город Усть-Каменогорск является административным центром Восточно-Казахстанской области. Он известен как крупный промышленный центр и занесен в Книгу рекордов Гиннесса как населенный пункт с самым большим токсичным облаком в мире. Усть-Каменогорск характеризуется неблагоприятными условиями среды обитания, что вызвано как интенсивным процессом урбанизации, так и наличием промышленных предприятий. По городу насчитывается около 170 наименований загрязняющих веществ, из них 22% относится к I классу опасности [1. С. 121]. На данной территории размещены объекты цветной металлургии (ОАО «Казцинк», ОАО «Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат», ОАО «Ульбин-ский металлургический завод»), теплоэнергетики (ТОО «AES Усть-Каменогорская ТЭЦ»), пищевой и перерабатывающей промышленности. Промышленный профиль Томской области определяют нефтегазохи-мический, лесозаготовительный и агропромышленный комплексы. Река Томь, на берегу которой расположены населенные пункты, достаточно сильно загрязнена в результате сбросов сточных вод. Отсюда следует достаточно высокая степень загрязнения поверхностных вод с превышением предельно-допустимой концентрации (ПДК) ряда тяжелых металлов (более подробно информация представлена в Государственном докладе [2. С. 20]), поэтому источником водоснабжения города являются подземные воды. Главные экологические проблемы сосредоточены в Томске. Здесь находится основная доля промышленных предприятий, которые входят в так называемый Северный промышленный узел. К ним можно отнести нефтеперерабатывающие (Томский нефтехимический комбинат), ядерно-топливные (Сибирский химический комбинат), энергетические (ГРЭС, ТЭЦ), агропромышленные и другие предприятия. Целью данной статьи является исследование особенностей элементного статуса населения, проживающего в Усть-Каменогорске и Томске. Экспериментальная часть Исследование проводили на реальных образцах, предоставленных женщинами и мужчинами в возрасте от 18 до 70 лет. В соответствии с правилами пробоотбора [3. С. 12], волосы длиной 3-4 см от корня срезали на затылке, в области шеи или на других частях головы. Именно в этой длине содержится самая важная информация о состоянии организма за последние несколько месяцев. Срезанные волосы помещали в специальные пакеты с идентификационными записями. Химический состав волос на содержание 23 элементов определяли методом дуговой атомно-эмиссионной спектроскопии с многоканальным анализатором эмиссионных спектров (ДАЭС с МАЭС) с использованием спектрального комплекса «Гранд», включающего генератор «Везувий-3», полихроматор «Роуланд» (НПО «Оптоэлектро-ника», Россия). Взвешенные порции сухих волос (1,0000-5,0000 г) подвергали обжигу в муфельной печи при температуре 500°C в течение 2-3 ч до постоянной массы. После взвешивания зольные остатки гомогенизировали в агатовой ступке, а затем разбавляли графитовым порошком высокой чистоты в 20 и 200 раз. Сухая минерализация позволяет удалить органическую основу образцов без дополнительного использования реактивов и получить концентрат. Навеску 0,015 г разбавленной пробы помещали в кратер анодного угольного электрода (глубина кратера 4 мм, диаметр 3 мм, толщина стенок 1 мм). Противоэлектродом служил угольный электрод, заточенный на конус. В качестве стабилизирующей добавки использовали 5%-ный спиртовой раствор NaCl, который добавлялся к пробе с помощью дозатора в объеме 40-50 мкл. Условия регистрации спектров: постоянный ток 13 А; расстояние между электродами 0,003 м; время экспозиции 20 с. Для того чтобы достоверно провести спектральный анализ зольного остатка волос на содержание примесей, необходимо было сначала определить в них содержание основных компонентов. Скрининг на содержание преобладающих элементов в зольном остатке волос в смеси с графитовым порошком (1:200) определялся методом ДАЭС с МАЭС. В результате проведенных исследований установлено, что зольный остаток волос преимущественно состоит из следующих элементов (в порядке убывания): Ca > Mg > Zn > K > Na > P. Причем содержание кальция превосходит содержание других элементов на порядок и более. Рентгенофазовый анализ (рис. 1) показал, что зольный остаток волос представлен преимущественно двумя кристаллическими фазами: CaSO4 (75%) и CaCO3 (25%). * 2000я 1500н А о * 3 1000 я К * 500 - * А -г~ 40 -г~ 60 А JJ и -г~ 20 -г~ 30 -Г- 70 50 2®, град. Рис. 1. Рентгенофазовый анализ зольного остатка волос: *- сульфат кальция (CaSO4); Д - карбонат кальция (CaCO3) Основные компоненты зольного остатка волос (CaCO3:CaSO4 = 1:3) могут влиять на процессы испарения и возбуждения микроэлементов в дуговом разряде, искажая результаты их количественного определения методом ДАЭС с МАЭС (матричный эффект). Указанный эффект можно существенно уменьшить разбавлением зольного остатка волос графитовым порошком. Но более чем 10-кратное разбавление нецелесообразно, поскольку содержание ряда микроэлементов оказывается ниже пределов их обнаружения указанным методом. Однако при таком разбавлении не обеспечивается полное устранение влияния макрокомпонентов пробы. Учет влияния солей кальция на результаты анализа элементов реализован с помощью поправочных коэффициентов, рассчитанных для каждого элемента, с учетом их возможных концентраций в золе волос. Поправочные коэффициенты k рассчитаны как отношение аттестованного содержания элемента к найденному. Коэффициенты корректируют аналитические сигналы. Данная корректировка выражается как в усилении (k < 1), так и в ослаблении (k > 1) аналитических сигналов примесей, что обусловлено индивидуальными свойствами элементов. Для получения достоверных результатов необходимо учитывать поправочный коэффициент k, используя для расчета формулу (с - с ) q изм хол 7 J т с =л-k, х Q где сх - массовая доля определяемого элемента в анализируемой пробе, мкг/г; сизм - массовая доля определяемого элемента в концентрате анализируемой пробы, измеренная на приборе, мкг/г; схол - массовая доля определяемого элемента в концентрате холостой пробы, измеренная на приборе, мкг/г; Q - масса исходной пробы волос, г; q - масса золы волос, г; п -степень разбавления золы волос графитовым порошком; k - поправочный коэффициент, учитывающий влияние основы. С учетом предлагаемого способа пробоподготовки и учета матричных влияний на основе метрологических подходов [4. С. 16] создана методика количественного определения макро- и микроэлементов волос. Методика прошла метрологическую аттестацию (Свидетельство об аттестации методики (метода) измерений № 08-47/380.01.00143-2013.2016 от 02.02.2016 г.) [5]. Результаты и их обсуждение Результаты эксперимента представлены в табл. 1. В связи с тем что нормативные показатели содержания большинства химических элементов в волосах не установлены, в качестве ориентировочных значений использованы рекомендуемые в настоящее время референтные значения, предложенные А.В. Скальным [6. С. 79-208]. Результаты исследования показали, что содержание таких элементов, как К, Zn, Cr, Si, Sn, As, находятся в пределах допустимого уровня нормы в обоих городах. При сравнении химического состава образцов волос у жителей г. Усть-Каменогорска и Томска выявлены различия, которые представлены в табл. 2. В данной таблице приведены зависимости процента отклонения от референтного значения. Процент отклонения рассчитывался как отношение величины перекрывания к величине интерквартильного размаха. Т а б л и ц а 1 Содержание макро- и микроэлементов в волосах жителей Усть-Каменогорска и Томска (P = 0,95, n = 20), мкг/г Элемент Референтные значения Усть-Каменогорск Томск Интерквар-тильный размах Медиана Интерквар-тильный размах Медиана Ag 0,005-0,2 0,05-0,25 0,14 0,06-0,44 0,17 Al 1-40 82-459 249 17,5-64,7 41,95 As 0,005-1 0,06-0,25 0,1 0,0006-0,16 0,04 Ba 0,2-1 0,55-1,87 1,1 0,75-3,6 1,4 Ca 200-3000 1990-7941 3400 744-5421 2128 Cd 0,05-0,25 0,06-0,14 0,1 0,03-0,1 0,07 Co 0,01-0,5 0,018-0,08 0,04 0-0,04 0,007 Cr 0,1-4 0,102-0,521 0,23 0,09-0,25 0,15 Cu 7,5-20 3,33-4,71 3,8 2,7-9 4,3 Fe 10-50 21,6-51,4 23 2,8-24 9,6 K 25-660 22,5-731,3 290 55-608 188 Li 0,01-0,25 0,198-0,895 0,4 0,1-0,3 0,18 Mg 20-200 108,5-282,1 207 47-245,5 123 Mn 0,1-2 2,3-9,1 5,8 0,58-3,23 1,6 Ni 0,1-2 0,05-0,2 0,1 0,002-0,16 0,06 P 75-200 81-109 88,9 108-759,5 442,32 Pb 0,1-5 1,6-4,3 2,9 0,2-0,9 0,545 Si 10-2000 47-577 177,8 28-118 64,12 Sn 0,05-2,5 0,1-1,1 0,45 0,07-0,45 0,2 Ti 0,5-8 2,2-13 6,1 1,2-7,8 3 V 0,005-0,5 0,006-0,06 0,02 0-0,015 0,002 W 0,01-0,1 0,027-0,1 0,057 0,015-0,8 0,19 Zn 100-250 111,15-249,93 145,49 90-262,5 115 Таблица 2 Отклонения в содержании химических элементов от нормы в волосах жителей Усть-Каменогорска и Томска, % Отклонение Отклонение Элемент от референтных значений, % Элемент от референтных значений, % Томск Усть-Каменогорск Томск Усть-Каменогорск Ag 63,2%t 25% Mg 32,9%| 47%| Al 52,3%| 100%т Mn 46,4%| 100%| As 2,8%| Не обнаружено Ni 62%4 43,3%4 Ba 91,2%| 65,9%| P 85,8%| Не обнаружено Ca 51,8%| 83%| Pb Не обнаружено 48,2% t Cd 28,6%4 Не обнаружено Si Не обнаружено Не обнаружено Co 25%4 Не обнаружено Sn Не обнаружено Не обнаружено Cr 6%4 Не обнаружено Ti Не обнаружено 46,3%t Cu 76,2%4 100%4 V 32,3%4 Не обнаружено Fe 33%4 5%| W 88,8%| Не обнаружено K Не обнаружено 10%т Zn Не обнаружено Не обнаружено Li 25%| 92,6%Т - - - Примечание. t - превышение максимальной границы допустимого уровня содержания; 4 - ниже минимальной границы допустимого уровня содержания. Полученные данные для наиболее токсичных элементов обобщены и представлены в виде диаграмм (рис. 2-3). Рис. 2. Распределение химических элементов в волосах у жителей г. Томска, % Рис. 3. Распределение химических элементов в волосах у жителей г. Усть-Каменогорска, % При изучении графического материала распределения элементов в волосах установлено превышение верхней границы допустимого уровня содержания в г. Усть-Каменогорске таких элементов, как Т1, Al, Pb, Mn, Li, Mg, Са, Ва. По всей видимости, установленное превышение связано с предприятиями цветной металлургии. Избыток Pb сопровождается, как правило, выраженными повреждениями во многих тканях и органах [6. С. 189]. Повышенное содержание Mn может приводить к снижению усвоения Cu организмом, а дефицит Ni зависит от содержания Ca, Zn и Fe, которые являются антагонистами [6. С. 100, 141]. При исследовании образцов волос жителей г. Томска получены данные о дефиците Fe. Вероятно, это может быть связано с формой нахождения данного элемента (Fe2+) в питьевой воде, которая не усваивается организмом [8. С. 8]. Повышенное содержание W, Ba, Mn, Al может быть связано с ОАО «Томский электроламповый завод», который не имеет санитарно-защитной зоны: площадка расположена рядом с жилыми домами. Предприятие выбрасывает в атмосферу около 45 наименований загрязняющих веществ, в том числе W, Ba, Mn, Al и др. Также повышенное содержание Al, W, Mn может быть связано с деятельностью ОАО «Манотомь». Кроме этого, на накопление W может влиять деятельность ОАО «Томский инструмент», а на накопление Mn - эмальобмоточное производство ЗАО «Сибкабель» [Там же. С. 114]. Избыток фосфора свидетельствует о его усиленном выведении из организма и может присутствовать при нарушении кальций-фосфорного обмена [6. С. 54]. Деятельность томской ГРЭС-2 также оказывает влияние, повышая допустимый уровень содержания фосфора [9. С. 119]. Источником повышенного содержания серебра может служить питьевая вода. Общим отклонением в элементном статусе изученных групп является распространенность избыточного накопления в волосах Al, Ba, Ca, Mn, а также недостаток Ni, Cu. Однако имеются индивидуальные отличия каждого населенного пункта. Коэффициенты превышения содержания в г. Усть-Каменогорске по отношению к содержанию в г. Томске составляют: k(Al) = 10; k(Mn) = 4-3,5; k(Ca) = 1,5. Особенности микроэлементного обмена (Са, Р, Fe, Mn) носят адаптивный характер и обеспечивают устойчивость организма к патологиям [6. С. 46-85]. Заключение Данные обследования свидетельствуют о существенном элементном дисбалансе у жителей г. Усть-Каменогорска. Установлена региональная специфика накопления таких элементов, как Т^ Pb, Li, Mg; выявлены особенности, несмотря на общность накопления элементов Al, Ba, Ca, Mn. Практически всем жителям, живущим в Усть-Каменогорске, необходимо употреблять продукты, содержащие Zn, Se, которые способствуют выведению тяжелых металлов и участвуют в антиоксидантной защите [6. С. 92, 120]. При интоксикации используют хелатирующую терапию [7. С. 189]. В г. Томске наблюдается высокий риск развития гиперэлементозов таких техногенных элементов, как W, Ag. Выявлено избыточное содержание Al, Ba, Ca, Mn, Р и недостаток Fe, Ni, Cu. Проведенные исследования выявили существенные различия в элементном статусе в зависимости от места проживания и экологической обстановки рассмотренных в работе территорий.

Скачать электронную версию публикации