The isotopic composition of hair among the population in the Vologda Region depending on the conditions of living and nutrition

Full Text

Введение

Изотопный анализ – это современный метод анализа, позволяющий выявлять закономерности миграции различных веществ в экосистемах. С помощью методов изотопной масс-спектрометрии возможно изучение изменения изотопного состава организмов в пищевой цепи – трофического фракционирования [1, p. 92]. Для экологических исследований наибольшее значение имеют процессы фракционирования изотопов углерода при фотосинтезе и процесс накопления тяжелых изотопов азота в трофических цепях [2, с. 476–477]. Содержание тяжелого изотопа δ¹⁵N увеличивается примерно на 2‰ на каждом следующем трофическом уровне [3, p. 595, fig. 2]. Содержание тяжелого изотопа ¹⁵N в организме человека зависит от его пищевых предпочтений, а также и от физического состояния: повышается при беременности [4, p. 2891, fig. 1: b], при недоедании и голодании [5, p. 25; 6, p. 1607]. Соотношение изотопов углерода в живых организмах зависит от типа фотосинтеза растений. С помощью изотопного анализа тканей можно установить, какими растениями питался человек: C3-растениями (пшеница, рис, картофель) или C4-растениями (кукуруза) [7, p. 330–331]. C3-растения при фотосинтезе включают в свои ткани преимущественно легкий изотоп ¹²С, а С4-растения обогащены тяжелым изотопом ¹³С [8, p. 255–256]. Однако трофическое фракционирование изотопов углерода в среднем составляет около 0,5–1‰, поэтому реже используется для определения трофического уровня [9, p. 382]. Изучение соотношений изотопов углерода и азота может использоваться для оценки рациона не только современных людей, но и прошлых цивилизаций [10, p. 172]. Значения δ¹³C δ¹⁵N в волосах людей может значительно различаться от места проживания. Например, жители Юго-Восточной Азии, употребляющие преимущественно рис, отличаются от жителей Латинской Америки, где диета основана на кукурузе [11, p. 11]. Принимая во внимание эти сведения, а также тот факт, что значения изотопов кислорода в питьевой воде определяются географическим положением [12, p. 4, fig. 1], ученые изучают содержание δ¹³C, δ¹⁵N в волосах людей [13, p. 2119; 14, p. 866] для судебной экспертизы [15, p. 86]. Тем не менее необходимы дополнительные исследования для изучения изотопного состава волос внутри географических регионов [11, p. 1].

Цель исследования: определение соотношения изотопов δ¹³C и δ¹⁵N в волосах жителей промышленного города Череповца и удаленного от промышленных источников загрязнения Кирилловского района Вологодской области.

Объектом нашего исследования являются волосы жителей города Череповца и Кирилловского района Вологодской области.

Материалы и методика исследований

Сбор образцов волос для изотопного анализа осуществлялся в 2019 году у жителей города Череповца (59°08′ с.ш., 37°55′ в.д.) и Кирилловского района (59°52′ с.ш., 38°23′ в.д.) Вологодской области. Город Череповец – это промышленный центр Северо-Западного федерального округа РФ, в котором располагаются крупные предприятия металлургической и химической промышленности. Кирилловский район расположен в 100 км северо-восточнее г. Череповца (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Город Череповец и Кирилловский район Вологодской области

 

Значения изотопов углерода (δ¹³C) и азота (δ¹⁵N) в волосах были определены у 174 людей (130 – в г. Череповце; 44 – в Кирилловском районе). Все участники дали письменное согласие на проведение экспериментов с участием человека [16, p. 105]. Для изотопного анализа был взят примерно 1 грамм волос из каждого образца. Перед анализом волосы измельчались. Затем пробы волос были промыты в растворе хлороформ – метанол (2:1) для удаления липидов [17, p. 1249] и помещены в ультразвуковую ванну на 40 минут. Далее осуществлялось центрифугирование минимум 3 раза. После промывки пробы были помещены в лиофильную сушку на 2 суток. После сушки образцы волос взвешивали на весах в оловянных стаканчиках, масса навески составляла от 297 до 363 мкг. Определение изотопного состава проводили в 2-кратной повторности на изотопном масс-спектрометре Thermo-Finnigan Delta V Plus эколого-аналитической лаборатории ЧГУ. Изотопный состав выражается в тысячных долях отклонения от международного стандарта, δ (‰):

δEⁿ = [(Rпроба − Rстандарт) / / Rстандарт)] × 1000,

где Е – элемент (C или N), n – атомарная масса более тяжелого изотопа, R – молярное соотношение тяжелого и легкого изотопов, относительное обилие этого изотопа в анализируемой пробе и в стандарте [2, с. 476–477].

Статистическую обработку данных проводили с помощью программы Statistica. Изучаемая выборка была распределена ненормально, поэтому использовали Mann–Whitney U-test и коэффициент Спирмена при p < 0,05.

Результаты исследований и их обсуждение

В ходе анализа полученных значений изотопов углерода и азота в волосах участников исследования было установлено, что среднее значение δ¹³С составляет −20,86‰ (табл. 1), что сопоставимо с результатами Северной Германии (−20,90‰) [15, p. 76, tabl. 1]; Пакистана (−20,60‰) [18, p. 443, tabl. 1]. Полученные данные меньше результатов Мексики (−15,60‰) [11, p. 11, tabl. 3]; Колумбии (−16,80‰) [19, tabl. 5]. Среднее значение δ¹⁵N в исследуемой выборке – 9,98‰ (табл. 1), что сопоставимо с δ¹⁵N в Монголии (9,60‰) [18, p. 443, tabl. 1] и выше, чем в Китае (8,10‰) [18, p. 443, tabl. 1].

 

Таблица 1 – Изотопный состав углерода δ¹³С и азота δ¹⁵N в волосах участников исследования, ‰

	n	Среднее	Медиана	Min	Max	Стандартное отклонение	Ошибка среднего
δ¹³C, ‰	174	−20,86	−20,78	−22,70	−19,14	0,62	0,047
δ¹⁵N, ‰	174	9,98	9,97	8,97	1,11	0,43	0,033

 

Установлены статистически значимые различия в изотопном составе δ¹³С в волосах жителей г. Череповца и Кирилловского района (табл. 2). Среднее значение изотопов углерода в волосах жителей г. Череповца сопоставимо с данными Пакистана (−20,60‰) [18, p. 443, tabl. 1]. Среднее значение изотопов углерода в волосах жителей Кирилловского района сопоставимо с данными Великобритании (−21,30‰) [15, p. 76, tabl. 1]. Обнаружены статистически значимые различия в δ¹⁵N в волосах жителей г. Череповца и Кирилловского района (табл. 3). Среднее значение изотопов азота в волосах жителей г. Череповца сопоставимо с данными Колумбии (9,90‰) [19, tabl. 5]. В волосах жителей Кирилловского района δ¹⁵N выше, чем в Италии (8,40‰) [15, p. 76, tabl. 1].

 

Таблица 2 – Изотопный состав углерода δ¹³С в волосах жителей г. Череповца и Кирилловского района, ‰

	n	Среднее	Медиана	Min	Max	Стандартное отклонение	Ошибка среднего	MU-тест	p value
г. Череповец	130	−20,67	−20,62	−21,90	−19,14	0,48	0,04	a	0,000
Кирилловский район	44	−21,44	−21,45	−22,70	−20,12	0,63	0,10	b

 

Таблица 3 – Изотопный состав азота δ¹⁵N в волосах жителей г. Череповца и Кирилловского района, ‰

	n	Среднее	Медиана	Min	Max	Стандартное отклонение	Ошибка среднего	MU-тест	p value
г. Череповец	130	9,93	9,91	8,97	11,11	0,42	0,04	a	0,002
Кирилловский район	44	10,14	10,13	9,02	10,91	0,44	0,07	b

 

Не обнаружено статистически значимых различий между δ¹³С, а также δ¹⁵N в волосах женщин и мужчин (табл. 4, 5).

 

Таблица 4 – Изотопный состав углерода δ¹³С в волосах женщин и мужчин, ‰

	n	Среднее	Медиана	Min	Max	Стандартное отклонение	Ошибка среднего	MU-тест	p value
Мужчины	17	−21,12	−21,09	−22,39	−19,14	0,84	0,20	a	0,009
Женщины	157	−20,84	−20,77	−22,70	−19,62	0,59	0,05	a

 

Таблица 5 – Изотопный состав азота δ¹⁵N в волосах женщин и мужчин, ‰

	n	Среднее	Медиана	Min	Max	Стандартное отклонение	Ошибка среднего	MU-тест	p value
Мужчины	17	9,95	9,96	9,27	10,91	0,43	0,12	a	0,670
Женщины	157	9,99	9,98	8,97	11,11	0,43	0,03	a

 

Установлены статистически значимые различия в δ¹⁵N в волосах людей, употреблявших разное количество рыбы (p = 0,002) (табл. 6), что подтверждает тот факт, что при переходе на каждый трофический уровень значение δ¹⁵N в организме увеличивается [3, p. 595, fig. 2].

 

Таблица 6 – Изотопный состав азота δ¹⁵N у людей с разным количеством рыбы в рационе питания, ‰

Потребление рыбы	n	Среднее	Медиана	Min	Max	Стандартное отклонение	Ошибка среднего	MU-тест	p value
Несколько раз в неделю	52	10,146	10,107	9,391	10,995	0,429	0,059	a	0,002
1–2 раза в месяц	122	9,911	9,888	8,967	11,113	0,413	0,037	b

 

Выводы

1. Установлены различия в изотопном составе углерода δ¹³С и азота δ¹⁵N в волосах жителей г. Череповца и Кирилловского района, что обусловлено разным рационом питания людей различного социально-экономического уровня.
2. Статистически значимых различий в δ¹³С и δ¹⁵N в волосах женщин и мужчин не обнаружено.
3. Установлены различия по δ¹⁵N в волосах людей, употребляющих разное количество рыбы (у тех, кто употребляет рыбу чаще, содержание δ¹⁵N выше).

About the authors

Elena Sergeevna Ivanova

Cherepovets State University

Email: stepinaelena@yandex.ru

candidate of biological sciences, leading researcher, head of Ecological and Analytical Laboratory of Biology Department

Russian Federation, Cherepovets, Vologda Region

Olga Yurievna Rumiantseva

Cherepovets State University

Email: olgamaks1995@gmail.com

postgraduate student, researcher of Biology Department

Russian Federation, Cherepovets, Vologda Region

Anastasia Sergeevna Zavertkina

Cherepovets State University

Email: zavertkina02@inbox.ru

student of Biology and Human Health Faculty

Russian Federation, Cherepovets, Vologda Region

Anastasia Evgenievna Bueva

Cherepovets State University

Email: aebueva@chsu.ru

student of Biology and Human Health Faculty

Russian Federation, Cherepovets, Vologda Region

Anna Sergeevna Elizarova

«Vodokanal» Municipal Unitary Enterprise of Cherepovets city

Author for correspondence.
Email: anya.elizarova.98@mail.ru

leading laboratory assistant of Water Research Center

Russian Federation, Cherepovets, Vologda Region

References

Supplementary files