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

Cover Page

Cite item

Abstract

Isotope mass spectrometry methods are used to study changes in the isotopic composition of organisms in the food chain called trophic fractionation. In particular, with the help of isotope analysis of tissues, it is possible to determine the type of nutrition and possible place of residence of a person, which helps in solving the tasks of forensic examination. In this study, the isotopic composition δ¹³C and δ¹⁵N in the hair of residents of the industrial city of Cherepovets and the Kirillovsky District of the Vologda Region, remote from industrial sources of pollution, was determined. The determination of the isotopic composition of hair was carried out on an isotope mass spectrometer Thermo-Finnigan Delta V Plus in the Ecological and Analytical Laboratory of Cherepovets State University. The average values of isotopes in the hair of the study participants are −20,86‰ (δ¹³C) and 9,98‰ (δ¹⁵N). There are differences in the ratio of carbon and nitrogen isotopes in the hair of residents of Cherepovets and Kirillovsky District. There are not statistically significant differences in the isotopic composition of δ¹³C and δ¹⁵N in the hair of female and male. There are differences of δ¹⁵N in the hair of people who consume different amounts of fish (people who consume fish more often have a higher ratio of δ¹⁵N).

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

  1. Martínez del Rio C., Wolf N., Carleton S.A., Gannes L.Z. Isotopic ecology ten years after a call for more laboratory experiments // Biological Reviews. 2009. Vol. 84, iss. 1. P. 91–111. doi: 10.1111/j.1469-185X.2008.00064.x.
  2. Тиунов А.В. Стабильные изотопы углерода и азота в почвенно-экологических исследованиях // Известия РАН. Серия биологическая. 2007. № 4. С. 475–489.
  3. Reitsema L.J. Laboratory and field methods for stable isotope analysis in human biology // American Journal of Human Biology. 2015. Vol. 27, iss. 5. P. 593–604. doi: 10.1002/ajhb.22754.
  4. Fuller B.T., Fuller J.L., Sage N.E., Harris D.A., O'Connell T.C., Hedges R.E.M. Nitrogen balance and δ¹⁵N: why you’re not what you eat during pregnancy // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2004. Vol. 18, iss. 23. P. 2889–2896. doi: 10.1002/rcm.1708.
  5. Neuberger F.M., Jopp E., Graw M., Püschel K., Grupe G. Signs of malnutrition and starvation – reconstruction of nutritional life histories by serial isotopic analyses of hair // Forensic Science International. 2013. Vol. 226 (1–3). P. 22–32. doi: 10.1016/j.forsciint.2012.10.037.
  6. Mekota A.M., Grupe G., Ufer S., Cuntz U. Serial analysis of stable nitrogen and carbon isotopes in hair: monitoring starvation and recovery phases of patients suffering from anorexia nervosa // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2006. Vol. 20, iss. 10. P. 1604–1610. doi: 10.1002/rcm.2477.
  7. O’Leary M.H. Carbon Isotopes in Photosynthesis: Fractionation techniques may reveal new aspects of carbon dynamics in plants // BioScience. 1988. Vol. 38, iss. 5. P. 328–336. doi: 10.2307/1310735.
  8. Schoeninger M.J., Moore K. Bone stable isotope studies in archaeology // Journal of World Prehistory. 1992. Vol. 6, iss. 2. P. 247–296. doi: 10.1007/BF00975551.
  9. McCutchan J.H., Lewis W.M., Kendall C., McGrath C.C. Variation in trophic shift for stable isotope ratios of carbon, nitrogen, and sulfur // Oikos. 2003. Vol. 102, iss. 2. P. 378–390. doi: 10.1034/j.1600-0706.2003.12098.x.
  10. Drucker D., Bocherens H. Carbon and nitrogen stable istopes as tracers of change in diet breadth during middle and upper palaeolithic in Europe // International Journal of Osteoarchaeology. 2004. Vol. 14, iss. 3–4. P. 162–177. doi: 10.1002/oa.753.
  11. Ammer S., Bartelink E., Vollner J., Anderson B., Cunha E. Socioeconomic and geographic implications from carbon, nitrogen, and sulfur isotope ratios in human hair from Mexico // Forensic Science International. 2020. Vol. 316 (3–4). doi: 10.1016/j.forsciint.2020.110455.
  12. Bowen G.J., Ehleringer J.R., Chesson L.A., Stange E., Cerling T.E. Stable isotope ratios of tap water in the contiguous United States // Water Resources Research. 2007. Vol. 43, iss. 3. doi: 10.1029/2006WR005186.
  13. Hülsemann F., Lehn C., Schneiders S., Jackson G., Hill S., Rossmann A., Scheid N., Dunn P.J.H., Flenker U., Schänzer W. Global spatial distributions of nitrogen and carbon stable isotope ratios of modern human hair // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2015. Vol. 29, iss. 22. P. 2111–2121. doi: 10.1002/rcm.7370.
  14. Valenzuela L.O., Chesson L.A., O’Grady S.P., Cerling T.E., Ehleringer J.R. Spatial distributions of carbon, nitrogen and sulfur isotope ratios in human hair across the Central United States // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2011. Vol. 25, iss. 7. P. 861–868. doi: 10.1002/rcm.4934.
  15. Lehn C., Rossmann A., Graw M. Provenancing of unidentified corpses by stable isotope techniques – presentation of case studies // Science & Justice. 2015. Vol. 55, iss. 1. P. 72–88. doi: 10.1016/j.scijus.2014.10.006.
  16. Williams J.R. Medical ethics manual. Ferney-Voltaire: World Medical Association, 2015. 134 p.
  17. O’Connell T.C., Hedges R.E.M., Healey M.A., Simpson A.H.R.W. Isotopic comparison of hair, nail and bone: modern analyses // Journal of Archaeological Science. 2001. Vol. 28, iss. 11. P. 1247–1255. doi: 10.1006/jasc.2001.0698.
  18. Thompson A.H., Chesson L.A., Podlesak D.W., Bowen G.J., Cerling T.E., Ehleringer J.R. Stable isotope analysis of modern human hair collected from Asia (China, India, Mongolia, and Pakistan) // American Journal of Biological Anthropology. 2010. Vol. 141, iss. 3. P. 440–451. doi: 10.1002/ajpa.21162.
  19. Bender R.L., Dufour D.L., Valenzuela L.O., Cerling T.E., Sponheimer M., Reina J.C., Ehleringer J.R. Stable isotopes (carbon, nitrogen, sulfur), diet, and anthropometry in urban Colombian women: investigating socioeconomic differences // American Journal of Human Biology. 2015. Vol. 27, iss. 2. P. 207–218 doi: 10.1002/ajhb.22640.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Figure 1 - The city of Cherepovets and the Kirillovsky district of the Vologda region

Download (467KB)

Copyright (c) 2021 Ivanova E.S., Rumiantseva O.Y., Zavertkina A.S., Bueva A.E., Elizarova A.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies