Peculiarities of human’s blood elemental composition inhabited in different radiation exposure

Full Text

Введение

Регион, прилегающий к бывшему Семипалатинскому испытательному ядерному полигону, является зоной влияния ядерного техногенеза. С научной точки зрения эта территория представляет интерес для ученых стран, имеющих подобную радиоэкологическую обстановку, для разработки методов оценки радиоэкологической ситуации, а также для изучения медико-биологических эффектов хронического воздействия различных уровней дозовых нагрузок на организм человека [1; 2].

Оценка радиоэкологической ситуации рассматриваемой территории и медико-биологических эффектов дозовых нагрузок на организм человека преимущественно производилась расчетным методом путем обобщения и статистического анализа большого массива информации: о возрастно-половом и профессиональном составе населения, о периоде проживания на рассматриваемой территории, о характере питания, здоровья и других показателей [3]. Подобный метод имеет ряд недостатков: во-первых, это требует расположения достаточно длительным временем и человеческими ресурсами, что не всегда представляется возможным; во-вторых, результаты расчетных методов анализа носят вероятностный характер с определенным уровнем математической ошибки и не могут учитывать специфику биогеохимических провинций исследуемой территории, что является важным для точного определения уровня радиохимического загрязнения территории. В данном контексте изучение элементного состава биосубстратов человека, проживающего на исследуемой территории, с применением современного высокоточного лабораторного оборудования резонно имеет свое преимущество. Это становится особенно ценным при условиях оценки радиоэкологической обстановки территорий по следовым показателям радиационного воздействия по истечении длительного времени.

В последнее время для оценки эколого-геохимического состояния окружающей среды активно применяется кровь человека, где предметом исследования, главным образом, является ее элементный состав [4, с. 24–30; 5; 6]. Исследования покзали, что элементный состав крови человека может отражать геохимическую специфику среды его проживания [7; 8]. Так, известно, что длительное проживание в регионах воздействия ядерного техногенеза способствует накоплению ряда редкоземельных элементов в крови человека [5]. Причинами изменения элементного состава крови человека могут стать характер его питания, возраст, пол, группа крови, уровень гемоглобина и даже простая смена обстановки [9–11]. Исследования ученых разных стран показали, что элементный состав крови человека изменяется при изменении состояния его здоровья [12–14]. Механизмы взаимодействия элементного статуса организма и патологических процессов, происходящих в нем, полностью не изучены. Так, у людей с сахарным диабетом 2 типа наблюдалось снижение уровня меди и цинка в крови, при этом неизвестно, способствует ли дисбаланс микроэлементов возникновению сахарного диабета или заболевание является причиной нарушения элементного состава [15].

Целью наших исследований является изучение особенностей элементного состава крови жителей населенных пунктов, характеризующихся как территории с различной дозовой нагрузкой, в результате деятельности бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона (СИЯП).

Объекты и методы исследования

Территория, прилегающая к бывшему Семипалатинскому испытательному ядерному полигону, характеризуется как регион с неравномерной дозовой нагрузкой на окружающую среду и на организм человека [16].

Особенности радиоактивного загрязнения от испытаний на полигоне объясняются использованными ядерными материалами и спецификой проведения взрывов. По литературным данным, основной вклад в радиоактивное загрязнение территории, прилегающей к СИЯП, внесли наземные испытания, когда высокотемпературный шар взрыва соприкасается с поверхностью земли и активирует огромное количество частиц грунта. Перенос радиактивных облаков с воздушными потоками в различных направлениях и постепенное осаждение способствовали неравномерному радиоактивному загрязнению прилегающей территории и формированию различных дозовых нагрузок на население [16]. На рисунке 1 представлены основные направления выноса радиоактивных загрязнителей за границы территории СИЯП.

 

Рисунок 1 – Основные направления выноса радиоактивных загрязнителей за границы территории СИЯП [3]

 

На основании всех ранее проведенных исследований радиоэкологической ситуации территории в 1992 году Правительство Республики Казахстан приняло Закон «О социальной защите граждан, пострадавших вследствие ядерных испытаний на Семипалатинском испытательном ядерном полигоне». В соответствии с этим законом территории, подвергшиеся влиянию ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне, были отнесены к разным зонам радиационного риска (З.Р.Р.) [17].

На рисунке 2 показаны географические места расположения населенных пунктов, вошедших в наши исследования, в соответствии установленным зонам радиационного риска.

В таблице 1 представлены уровни коллективных дозовых нагрузок населения исследуемых территорий. Фоновой территорией принят населенный пункт Кокпекты, который отнесен к минимальной зоне радиационного риска, с дозовой нагрузкой от 0,1 до 7 сЗв (таблица 1).

Для анализа у каждого респондента отбиралось по 5 мл крови. В каждом исследуемом населенном пункте было отобрано от 5 до 10 проб. Основным критерием при выборе респондентов был факт проживания на исследуемой территории не менее 10 лет. Также было обращено внимание на отсутствие хронических заболеваний у респондентов. В результате было отобрано 60 проб крови. Кровь отбиралась только с информационного согласия респондентов.

 

Рисунок 2 – Расположение исследуемых населенных пунктов в соответствии зонам радиационного риска

 

Таблица 1 – Уровни дозовых нагрузок на население в исследуемых зонах радиационного риска [3]

№	Исследуемый населенный пункт	Зоны радиационного риска	Доза воздействия на население за весь период испытаний
1	Саржал	Чрезвычайная зона Р.Р.	свыше 100 сЗв
2	Бодене
3	Долонь
4	Караул	Максимальная зона Р.Р.	от 35 до 100 сЗв
5	Медеу
6	Канонерка
7	Новопокровка
8	Зенковка	Повышенная зона Р.Р.	от 7 до 35 сЗв
9	Кокпекты	Минимальная зона Р.Р.	от 0,1 до 7 сЗв

 

Для определения элементного состава крови был применен инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА), являющийся одним из самых оптимальных современных методов для анализа крови человека [18; 19]. Анализ проводился на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т в лаборатории ядерно-геохимических методов исследования кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета (аналитик: с.н.с. А.Ф. Судыко). Накопление и обработка аналитических данных проводились на персональных компьютерах в электронных таблицах «Excel» и с использованием программы «Statistika.10».

Результаты и обсуждение

В результате проведенного инструментального нейтронно-активационного анализа в крови жителей исследуемых населенных пунктов, были измерены концентрации 28 химических элементов: Na, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Zn, As, Br, Rb, Sr, Ag, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Та, Au, Th, U. В таблице 2 приведены основные математические параметры концентраций химических элементов в крови населения различных зон радиационного риска.

 

Таблица 2 – Основные математические параметры содержания химических элементов в крови населения, проживающего в различных зонах радиационного риска

н.п Х.э.	Чрезвычайная зона Р.Р. (N = 15)	Максимальная зона Р.Р. (N = 25)	Повышенная зона Р.Р. (N = 10)	Минимальная зона Р.Р. (N = 10)
Na	* 8120±305 6683—10565	* 6664±320 4367—9840	* 5870 ±395 4500—8500	4150±327 2300—5300
Ca	* 243±29 73—418	155±20 20—352	* 502±135 140—1243	134±29 20—310
Sc	0,002±0,001 0,0003—0,01	0,002±0,001 0,0002—0,01	0,001±0,0004 0,0002—0,004	0,002±0,0005 0,0002—0,01
Cr	* 2,0±1,1 0,03—17	0,3±0,06 0,2—1,7	0,2±0,01 0,2—0,3	н.п.о.
Fe	*1840±81 1175—2236	*1942±106 500—3328	2040±67 1700—2300	2190±48 2000—2400
Co	*0,2±0,02 0,03—0,4	0,1±0,05 0,002—1,3	*0,2±0,04 0,1—0,4	0,04±0,01 0,004—0,1
Zn	22±1,5 7,4—28	24±1,9 11—49	25±1,8 15—30	23±2,5 4,1—31
As	0,4±0,1 0,1—0,5	0,3±0,04 0,01—0,5	н.п.о.	0,3±0,07 0,01—0,5
Br	*8,2±0,8 3,6—17	* 6,7±0,6 1,8—14	*5 5,0±0,4 3,8—7,8	3,2±0,2 2,4—4,2
Rb	6,3±0,5 3,5—11	5,7±0,3 2,9—9,3	5,0±0,4 2,1—6,1	6,3±0,4 4,1—9,0
Sr	н.п.о.	0,8±0,2 0,5—6,5	3,3±1,2 0,5—8,3	0,9±0,4 0,5—4,5
Ag	0,03±0,01 0,01—0,1	0,04±0,01 0,02—0,1	0,03±0,005 0,01—0,1	0,05±0,01 0,03—0,1
Sb	0,02±0,01 0,003—0,01	0,01±0,002 0,01—0,06	0,03±0,02 0,01—0,2	0,01±0,003 0,005—0,04
Cs	* 0,01±0,002 0,001—0,03	* 0,01±0,001 0,0004—0,02	0,004±0,001 0,001—0,01	0,003±0,002 0,001—0,02
Ba	1,6±0,3 0,2—4,0	1,7±0,6 0,2—14	2,1±1,1 0,5—12	0,8±0,3 0,1—2,4
La	* 0,4±0,3 0,01—3,9	0,03±0,01 0,02—0,2	0,02±0,002 0,01—0,03	н.п.о.
Ce	* 1,2±0,8 0,03—12	* 0,1±0,02    0,003—0,7	0,02±0,01 0,001—0,1	0,01±0,005 0,003—0,1
Nd	*0,7±0,4     0,1—6,2	0,2±0,02 0,01—0,3	0,1±0,003 0,01—0,04	0,1±0,05 0,05—0,7
Sm	* 0,1±0,06 0,001—0,9	0,001±0,0004 0,0005—0,01	0,001±0,0005 0,001—0,006	0,001±0,0006 0,001—0,007
Eu	0,02±0,01 0,001—0,2	0,003±0,0005 0,0001—0,01	0,001±0,0007 0,001—0,01	0,001±0,0003 0,001—0,003
Tb	0,01±0,006 0,001—0,1	0,01±0,001 0,0002—0,03	0,002±0,0008 0,001—0,008	0,01±0,003 0,001—0,03
Yb	0,01±0,003 0,0004—0,03	0,03±0,01 0,0003—0,3	0,02±0,003 0,0004—0,03	0,01±0,004 0,0003—0,03
Lu	н.п.о.	*0,001±0,0001 0,001—0,003	0,001±0,0001 0,0003—0,002	0,0004±0,0003 0,0002—0,001
Hf	0,003±0,001 0,001—0,02	0,002±0,002 0,001—0,04	0,002±0,001 0,001—0,01	0,004±0,002 0,001—0,02
Ta	*0,004±0,001 0,0001—0,01	*0,004±0,001 0,001—0,01	н.п.о.	0,001±0,0004 0,0001—0,01
Au	0,001±0,0002 0,0002—0,004	0,001±0,0001 0,0003—0,003	* 0,01±0,003    0,0004—0,02	0,0004±0,00004 0,0002—0,001
Th	0,04±0,03 0,001—0,4	0,01±0,001 0,0001—0,02	0,01±0,0002 0,003—0,01	0,006±0,002 0,0003—0,02
U	0,02±0,01 0,001—0,1	0,02±0,02 0,001—0,4	*0,1±0,02 0,01—0,2	0,01±0,007 0,001—0,1

Примечание. Н.п.о. – ниже предела обнаружения; * – элементы со значимыми уровнями различия по сравнению с его содержанием в крови жителей минимальной З.Р.Р., p < 0,05 (по результатам теста Манна-Уитни).

 

Из таблицы видно, что значимые уровни различия по сравнению с содержанием в крови жителей минимальной зоны риска имели: в чрезвычайной зоне радиационного риска: Na, Cr, Fe, Co, Br,La, Ce, Nd, Sm, Ta; в максимальной зоне радиационного риска: Na, Fe, Br, Cs, Ce, Lu, Ta; в повышенной зоне радиационного риска: Na, Ca, Co, Br, Au, U. Общей характерностью для всех рассматриваемых зон Р.Р. по сравнению с минимальной зоной Р.Р. является сравнительно высокая концентрация Na и Br. Следует отметить, что концентрации Cr, Co, Cs, La, Ce, Sm в крови жителей чрезвычайной зоны Р.Р. выше по сравнению с кровью жителей минимальной зоны Р.Р. на несколько порядков.

В дальнейшем сравнение элементного состава крови было проведено по аддитивному показателю – сумме концентраций всех элементов, определяемых методом ИНАА. Применение такого рода показателя позволяет исключить некоторые индивидуальные факторы накопления химических элементов, позволяя тем самым увидеть территориальные особенности накопления химических элементов в организме человека [20]. Так, было установлено, что сумма концентраций 28 химических элементов прямо пропорциональна коллективным дозам облучения населения сравниваемых территорий (рис. 3). Следует отметить, что суммы концентраций химических элементов, накапливаемых в крови населения чрезвычайной зоны, в 1,6 раз превышает этот показатель для населения минимальной зоны радиационного риска.

 

Рисунок 3 – Сравнение элементного состава крови по суммарному показателю накопления

 

При изучении биогеохимических рядов накопления химических элементов, построенных относительно общего среднего по выборке, было установлено, что для элементного состава крови жителей чрезвычайной зоны характерен максимально широкий спектр элементов, накапливаемых ≥1,5, при этом основной вклад в суммарный показатель накопления вносят такие элементы, как Ce, Sm, Eu, La и Th (табл. 3).

Биогеохимические ряды накопления химических элементов в крови жителей максимальный зоны риска не имели общую характерность.

Примечательно, что в крови жителей населенного пункта Зенковка, относящегося к повышенной зоне риска, отмечено аномальное накопление U, что, возможно, связано с индивидуальными эффективными эквивалентными дозами облучения (ЭЭД) отдельных респондентов. Данный вопрос будет рассмотрен в продолжении наших исследований.

 

Таблица 3 – Биогеохимические ряды накопления химических элементов в крови жителей территорий с различной дозовой нагрузкой

Чрезвычайная зона	Бодене	Ce₆₈ˏ₈ Sm₆₄ˏ₅Eu₁₃ˏ₆La₁₂ˏ₁Th₉ˏ₈U₉ˏ₆ Nd₄ˏ₂Cr₃ˏ₇Tb₂ˏ₇Та₂ˏ₃Co₂ˏ₃Hf₁ˏ₉Br₁ˏ₈As₁ˏ₆Cs₁ˏ₆
	Долонь	Ce₁₁ˏ₀ Sm₁₀ˏ₁ Nd₂ˏ₆Cr₂ˏ₅La₂ˏ₀Cs₁ˏ₈ Ta₁ˏ₈ Eu₁ˏ₇
	Саржал	Co₂ˏ₃Та₂ˏ₀Ba₂ˏ₀ Ce₁ˏ₉Sb₁ˏ₈Nd₁ˏ₇
Максимальная зона	Канонерка	Та₂ˏ₉ Nd₂ˏ₀ Cs₁ˏ₇Br₁ˏ₆
	Новопокровка	Lu₂ˏ₂ Ba₁ˏ₇ Sc₁ˏ₅ Eu₁ˏ₅ Yb₁ˏ₅
	Медеу	Tb₃ˏ₈Та₃ˏ₂Nd₂ˏ₀Co₁ˏ₆
	Караул	Co₂ˏ₆Br₁ˏ₇
Повышенная зона	Зенковка	U₁₀ˏ₁Ca₂ˏ₅As₂ˏ₃Sr₂ˏ₃Au₂ˏ₂Co₁ˏ₇Tb₁ˏ₅
Минимальная зона	Кокпекты	Yb₁ˏ₄Ag₁ˏ₃Hf₁ˏ₂Fe₁ˏ₁Rb₁ˏ₁

 

Заключение

Таким образом, были выявлены различия концентраций химических элементов в крови населения, проживающего на территориях с различной дозовой нагрузкой, формировавшейся в результате деятельности бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона. Так, по сравнению с минимальной зоной Р.Р. значимое различие имели концентрации Na, Cr, Fe, Co, Br, La, Ce, Nd, Sm в чрезвычайной зоне Р.Р.; Na, Fe, Br, Cs, Ce, Lu, Ta в максимальной зоне Р.Р.; Na, Ca, Co, Br, Au, U в повышенной зоне радиационного риска.

Суммарные показатели накопления всех химических элементов, определяемых методом ИНАА, имеют прямую корреляцию с уровнями коллективных дозовых нагрузок, что показывает применимость крови человека в оценке радиоэкологической ситуации территории.

При изучении биохимических рядов накопления химических элементов в крови населения исследуемых зон выделяется чрезвычайная зона радиационного риска, где отмечается самый широкий спектр химических элементов. При этом видно, что основной вклад в суммарный показатель накопления вносят Ce, Sm, Eu, La, а также Th и U.

В крови жителей населенного пункта Зенковка, относящегося к повышенной зоне радиационного риска, отмечается максимальная концентрация U, что требует дополнительных исследований.

About the authors

Merey Tleykhanovich Jambayev

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: merei-semei@mail.ru

postgraduate student of Geology Division of Engineering School of Natural Resources

Russian Federation, Tomsk

Natalia Vladimirovna Baranovskaya

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: nata@tpu.ru

doctor of biological sciences, professor of Geology Division of Engineering School of Natural Resources

Russian Federation, Tomsk

Alexandra Viktorovna Lipikhina

Scientific Research Institute for Radiation Medicine and Ecology

Author for correspondence.
Email: a.v.lipikhina@mail.ru

candidate of biological sciences, leading researcher of Scientific Department

Kazakhstan, Semey, East Kazakhstan Region

References

Supplementary files