The influence of technogenesis on the accumulation of chemical elements in the placental barrier of Tomsk Region women

Full Text

Введение

Исследования биосубстратов человека на данный момент являются актуальными при оценке качества окружающей среды. Зарубежные и российские учёные активно исследуют химический состав таких биообъектов, как волосы, кровь, грудное молоко, плазма крови, спинномозговая жидкость, зольный остаток человека и др. [1–3]. Результаты исследований широко используются также для диагностирования ряда заболеваний [4–6]. Репродуктивная система может использоваться в качестве биологического индикатора в связи со способностью реагировать на изменения условий среды обитания. Химический состав данной системы отражает в своём составе избыточное содержание химических элементов в окружающей среде.

В настоящий момент исследования плацентарной ткани в качестве биологического индикатора не получают широкого распространения и лежат в области ветеринарных наук. Существующие ветеринарные исследования рассматривают плаценту как изменчивую структуру, чей состав меняется в зависимости от заболеваний, питания [7–9]. Отражение воздействия окружающей среды на плаценту животных и человека исследуется как пример влияния производственных работ, территориальных условий или различных видов ионизирующего излучения [10–13]. Однако лишь отдельные исследования посвящены непосредственно элементному составу системы «мать – плацента – плод»; определение химического состава тканей проводилось методами атомно-абсорбционного анализа, сканирующей электронной микроскопии, но не методом инструментального нейтронно-активационного анализа [14; 15].

Выбранная для исследования территория характеризуется сложной эколого-геохимической обстановкой, обусловленной природными аномалиями и воздействием объектов промышленности. Основная территория исследования – город Томск – административный центр одноимённых области и района. Она находится в восточной части Западной Сибири на берегу реки Томь, с населением на момент проведения исследования 505194 человек. Томск, ЗАТО Северск и пригороды формируют Томскую городскую агломерацию с населением около 728 тыс. человек. Административно город разделён на 4 внутригородские территории: Кировский, Советский, Ленинский и Октябрьский районы. Особенностью г. Томска является расположение в зонах жилой застройки большей части промышленных производств (Томская ГРЭС-2, компания «Томскэнерго», компания «Манотомь», «Томский завод светотехники», «Сибэлектромотор» и др.), созданных в годы Второй мировой войны. В городе функционируют различные по специфике производств промышленные предприятия: машиностроения и металлообработки («Сибэлектромотор», «Томский завод светотехники», «Манотомь», «Сибкабель»); предприятия топливно-энергетического комплекса (Томская ГРЭС-2, ТЭЦ-3); химические («Томскнефтехим», «Томский завод резиновой обуви»); фармацевтическое (НПО «Вирион»); деревообрабатывающие (спичечная, мебельные фабрики); производства стройматериалов («Континентъ», «Керамзит-Т», «Карьероуправление», «Томский завод строительных материалов и изделий» и др.); пищевой промышленности (мясной, мельничный комбинаты, молочный и др.). Все они являются источниками экологической опасности, так как значительное их количество находится в жилых кварталах города, где отсутствуют условия для соблюдения границ санитарно-защитных зон (СЗЗ). Выделяются два района с сильно загрязнённой атмосферой: промузел «Томскнефтехим» (ТНХК) и центральная часть г. Томска, включающая Кировский и Советский районы. Первый очаг загрязнения ТНХК находится в границах его СЗЗ и не оказывает прямого влияния на атмосферный воздух жилой зоны города.

Негативное воздействие промышленных предприятий, расположенных на территории города и приближённых к нему населённых пунктов оказывает комплексное воздействие на элементный состав природных сред и живых организмов. Техногенное воздействие промышленных предприятий Томской области приводит к активному концентрированию живыми организмами тяжёлых металлов, радиоактивных, редкоземельных элементов, лантаноидов.

Таким образом, цель исследования состоит в изучении элементного состава плацентарного барьера (28 элементов) жительниц природных и антропогенно-преобразованных территорий как индикаторов воздействия окружающей среды.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являются пробы плацентарной ткани жительниц Томской агломерации (г. Томск, с. Моряковский затон, пос. Мирный, г. Асино). Репродуктивная система является чувствительным индикатором, тонко реагирующим на изменения во внешней среде. Плацента, выполняя центральную роль во взаимодействии плода с материнским организмом, представляет собой биогеохимический барьер, отражающий специфику воздействия окружающей среды на организм. Изучение транспорта химических элементов от матери к плоду может играть важную роль при оценке среды обитания, оказывающей значительное влияние на постэмбриональное развитие ребёнка.

В 2009 году было проведено апробирование и последующее исследование методом инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) биологического материала женщин возрастом 25–41 лет, проживающих на территории Томской агломерации. Пробы отбирались Светланой Сергеевной Станкевич, аспиранткой кафедры ФПК и ППС Сибирского государственного медицинского университета, г. Томск [1–2]. Всего было отобрано 13 проб плацентарной ткани. Результатом анализа методом ИНАА стала информация о содержании 28 элементов в 13 пробах биоматериала. Выбор элементов для анализа обуславливается аналитической способностью метода ИНАА.

Статистический анализ полученных результатов проводился в программах Excel, Statistica 8, были рассчитаны такие показатели, как среднее арифметическое, максимум и минимум, стандартная ошибка. Коэффициент концентрации (КК) рассчитывался как отношение содержания элемента в плаценте (С) к среднему содержанию элемента во всей выборке. Нормирование КК к среднему арифметическому содержанию во всей выборке предлагается во избежание искусственного завышения или занижения коэффициентов концентрации. По рассчитанным значениям коэффициента концентрации (при Кк > 1) составлялись геохимические ряды в порядке убывания значений.

Результаты и обсуждение

Анализ среднего содержания химических элементов в золе плацентарной ткани показал, что в их распределении находят отражение геохимические закономерности закона Кларка и правила Оддо-Гаркинса (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Средний элементный состав плаценты жительниц г. Томска и Томской области, мг/кг зольного остатка (p < 0,0005)

 

Разные геоэкологические условия предполагают различное накопление химических элементов живым веществом, в связи с чем для исследования важно проведение сравнительного анализа разных населённых пунктов Томской агломерации (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Элементный состав плацент жительниц Томской области, мг/кг зольного остатка

 

Диаграмма наглядно показывает, что макроэлементный состав плацентарной ткани един для всех населенных пунктов Томской агломерации, что может объясняться высокой физиологической значимостью таких химических элементов, как Na, Ca, Fe, Zn, для живого организма. Можно отметить, что содержания элементов в пробах из города Томска выше для всех химических элементов, кроме Br, Ce, Au (поселок Мирный) и Tb (с. Моряковский затон).

Особенности концентрирования элементов в каждом из населенных пунктов относительно содержания в организме в целом хорошо отражают биогеохимические ряды накопления (табл. 1). Каждый населённый пункт Томской агломерации проявляет свои геохимические особенности, которые выражаются в специфическом накоплении разных химических элементов. В пробах из Томска обнаруживается высокий коэффициент концентрации Au, однако максимальный коэффициент концентрации данного элемента в выборке был выявлен в пробах из с. Моряковский затон. Село Моряковский затон, в свою очередь, отличается максимальным для выборки коэффициентами концентрации La, As, Ca, Sc. Поселок Мирный, как наиболее приближённый к г. Томску территориально, имеет схожую специфику концентрирования химических элементов, преимущественно редкоземельных металлов, Fe, Au. Отличительной чертой пос. Мирный является высокий коэффициент концентрации Hf, который в пробах из остальных пунктов отбора проб не превышает единицы. Город Асино выделяется тем, что в пробах этого населённого пункта обнаруживается повышенный относительно выборки коэффициент концентрации Eu, который не превышает единицы в остальных городах исследования.

 

Таблица 1 – Специфика накопления элементов в плаценте жительниц Томской области (относительно среднего содержания по выборке)

Населенный пункт	Биогеохимический ряд
г. Томск	Au₁₇ – As₁ˏ₃ – La₁ˏ₂ – U₁ˏ₁ = Br – Ce₁ˏ₀ = Fe = Cr = Na = Lu = Rb = Sr = Ta = Sm = Tb
c. Моряковский затон	La₁ˏ₈ = As – Ca₁ˏ₇ – Sc₁ˏ₆ – Co₁ˏ₄ – Tb₁ˏ₃ – Lu₁ˏ₁ = Zn = Fe – Ba₁ˏ₀ = Ce
пос. Мирный	Hf₁ˏ₇ – Sm₁ˏ₆ = Ce = Au – Br₁ˏ₄ – Rb₁ˏ₃ = Na = Ba = U – Cr₁ˏ₂ = Nd – Lu₁ˏ₁ = Zn = Sb = Fe
г. Асино	Eu₁ˏ₂ – Cr = Nd = Au = U – Ce₁ˏ₁ – Lu₁ˏ₀ = Th = Na

Примечание. Жирным выделены элементы с коэффициентом концентрации более 1,5.

 

Таким образом, построение биогеохимических рядов позволило выявить специфические элементы, концентрирующиеся в пробах биоматериала каждого населенного пункта и свойственные только данной области исследования. Общей чертой для всех населённых пунктов Томской агломерации является высокое концентрирование редкоземельных металлов, таких как Ce, Lu, Nd.

При анализе выборки проб из г. Томска стоит учитывать административное и географическое разделение города на четыре района, с разными геоэкологическими условиями каждого из них. Районирование населённого пункта позволяет лучше оценить характер воздействия разных видов промышленности на человеческий организм [16].

Сравнительная диаграмма концентрирования изученных элементов в плацентарной ткани жительниц изученных районов города Томска (рис. 3) демонстрирует, что именно Ленинский район является зоной, в биоматериалах жительниц которой аккумулируется наибольшее содержание химических элементов. Изученный биоматериал из Ленинского района накапливает больше Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Zn, Ba, La, Hf, Th. Пробы из Кировского района отличаются содержаниями Na, Br, Cs, Ce, Nd, Eu, Au, из Октябрьского – Ta и U. Особенностью Ленинского района является большее содержание Rb, Ag, Lu.

 

Рисунок 3 – Диаграмма накопления элементов в плаценте жительниц г. Томска (коэффициент концентрации относительно среднего содержания элемента в выборке)

 

Исходя из результатов других исследований, рассматривающих вероятные источники поступления элементов в живой организм, можно предположить, что именно экологическая напряжённость северной части города (Ленинский и Кировский район) – сосредоточение котельных и частного сектора, которые, в свою очередь, являются источниками поступления шлака и золы, – определяет интенсивное аккумулирование элементов в плацентарной ткани их жительниц [17]. Это предположение подкрепляется результатами изучения состава пылеаэрозолей и почв [17]. Природные среды северных районов города (Ленинский и Кировский) содержат наибольшие количества сажи и шлака.

Построение биогеохимических рядов для выделения специфических элементов в пробах плацентарных тканей каждого городского района (табл. 2) показывает, что, как и разные населённые пункты Томской агломерации, районы г. Томска имеют свои отличительные черты. Общим для каждого района является факт накопления эссенциальных элементов Na, Ca, Zn, Fe, что является нормальным свойством биоматериала, помимо этого наблюдаются высокие коэффициенты концентрации редкоземельных металлов (Ce, La, Lu, Tb), Au, Br. Однако каждый район имеет свои особенности концентрирования химических элементов в плацентарной ткани. В пробах из Советского района достигают своего максимума концентрации Th, Ba, Sm, Cr, Hf, а в Октябрьском районе – Ca, Sb, Ag. Ленинский район отличается высокими концентрациями U, Eu, а Кировский район – Nd, Cs, Au, Cr, Hf, Ce.

 

Таблица 2 – Специфика накопления элементов в плаценте жительниц г. Томска (относительно среднего содержания по выборке)

Районы	Биогеохимический ряд
Советский	Th₂ˏ₈ – Ba₂ˏ₅ – Sm₂ˏ₂ – Sc₂ˏ₁ – Cr₁ˏ₇ – Hf₁ˏ₆ – Ca₁ˏ₅ – Co₁ˏ₄ – Fe₁ˏ₃ – Sr₁ˏ₃ – Cs₁ˏ₂ – Zn₁ˏ₂ – La₁ˏ₁ – Ce₁ˏ₀ – Eu₁ˏ₀ – Lu₁ˏ₀ – Br₁ˏ₀
Октябрьский	Ca₁ˏ₇ – Sb₁ˏ₇ – Ag₁ˏ₆ – Sm₁ˏ₃ – Co₁ˏ₃ – Sc₁ˏ₃ – Zn₁ˏ₁ – Lu₁ˏ₁ – Rb₁ˏ₀ – Br₁ˏ₀ – Cs₁ˏ₀ – La₁ˏ₀ – Tb₁ˏ₀ – Na₁ˏ₀
Ленинский	U₁ˏ₈ – Eu₁ˏ₇ – Tb₁ˏ₃ – Ta₁ˏ₂ – Ag₁ˏ₂ – Fe₁ˏ₂ – Rb₁ˏ₁ – Hf₁ˏ₁ – Na₁ˏ₁ – Cu₁ˏ₀ – Lu₁ˏ₀
Кировский	Nd₄ˏ₇ – Cs₃ˏ₅ – Au₂ˏ₁ – Cr₁ˏ₆ – Hf₁ˏ₆ – Ce₁ˏ₆ – Tb₁ˏ₃ – Br₁ˏ₂ – Na₁ˏ₂ – Zn₁ˏ₁ – Ca₁ˏ₀ – Lu₁ˏ₀ – La₁ˏ₀ – Rb₁ˏ₀

Примечание. Жирным выделены элементы с коэффициентом концентрации более 1,5.

 

Примечательным является факт концентрирования Th, U плацентой жительниц северной части города (Ленинский, Октябрьский районы), что может быть связано с воздействием Северного промышленного узла.

Сравнивая между собой концентрации химических элементов жительниц г. Томска и Томской области (рис. 4), можно отметить, что в плацентах, отобранных на территории г. Томска, концентрируется большее количество элементов (23 из 28), за исключением Cr, Fe, As, La, Au.

 

Рисунок 4 – Диаграмма накопления элементов в плаценте жительниц г. Томска и Томской области (коэффициент концентрации относительно среднего содержания элемента в выборке)

 

Интерес вызывает факт повышенного концентрирования As, La, Au в пробах биоматериала, отобранных в населённых пунктах Томской области, а не на территории Томска. Примечательным является то, что для остальных элементов максимальные содержания обнаруживаются именно в пробах из города Томск. Вероятно, это различие связано с физиологическими особенностями организма, что требует дальнейшего изучения.

Несмотря на то, что плацентарная ткань концентрирует меньшие концентрации элементов при сравнении с классическими объектами исследования биосубстратов человека, её химический состав схож с другими биологическими объектами. Помимо макрокомпонентов, свойственных каждой живой ткани (Ca, Na, Fe), все объекты содержат высокие концентрации редкоземельных элементов (La, Ce, Lu, Nd, Sm), золота, брома, мышьяка, тяжелых металлов (Co, Cr, Hf) и радиоактивных элементов (U, Th) (табл. 3). Авторы предполагают, что именно такой микроэлементный состав является своеобразной «визитной карточкой» Томской области, сформировавшейся в результате комплексного воздействия природных и антропогенных факторов на человеческий организм.

 

Таблица 3 – Специфика накопления элементов в разных биосубстратах жителей г. Томска по данным Н.В. Барановской [18] (относительно общего среднего содержания элемента в выборке)

Биосубстрат	Биогеохимический ряд
Плацента	Au₁ˏ₇ – As₁ˏ₃ – La₁ˏ₂ – U₁ˏ₁ = Br – Ce₁ˏ₀ = Fe = Cr = Na = Lu = Rb = Sr = Ta = Sm = Tb – Zn₀ˏ₉ = Th
Кровь детей	Zn₆₁ – Cr₁₆ – Sc₇ – Br₅ – Na₄ – Co₂ – Au₁ˏ₆ – Rb₁ˏ₂ – Ag₁ˏ₁–Yb₁
Волосы детей ТЭК	Sm₁₃ – La₈ – Fe₅ˏ₃ – Sc₅ – Hf₄ˏ₉ – Lu₃ˏ₇ – U₃ˏ₇ – Cr₃ˏ₃ – Br₃ˏ₂ – Co₃ – Au₂ˏ₂ – Th₁ˏ₈ – Yb₁ˏ₇ – Sb₁ˏ₇ – Ag₁ˏ₇ – Ca₁ˏ₇ – Zn₁ˏ₃ – Ce₁ˏ₁ – Na₀ˏ₈
Волосы детей СХК	Th₂₁ – Lu₁₅ – Fe₉ – Sc₉ – Hf₈ – Co₆ – Cr₅ˏ₈ – U₅ˏ₆ – Br₄ˏ₉ – Sm₄ˏ₅ – La₃ˏ₆ – Ce₃ – Ca₂ – Zn₁ˏ₆ – Au₁ˏ₄ – Rb₁ˏ₂
Кровь человека СХК	Ce₂₁ – Br₉ˏ₅ – La₇ – Hf₃ˏ₆ – Th₃ˏ₅ – Yb₃ˏ₃ – U₂ˏ₅ – Na₂ˏ₄ – Sc₂ˏ₃ – Cr₂ˏ₁ – Sb₂ – Zn₁ˏ₈ – Rb₁ˏ₄ – Co₁ˏ₁ – Se₀ˏ₉ = Fe

 

Выводы

По результатам исследования можно предположить, что плацентарная ткань, как природная барьерная система живого организма, избирательно концентрирует химические элементы из окружающей среды, частично изменяя свой химический состав в зависимости от внешних факторов. Пробы из каждого населённого пункта Томской агломерации, а также из каждого района города концентрируют разные элементы. Этот факт требует дальнейшего изучения.

About the authors

Alexandra Igorevna Belyanovskaya

National Research Tomsk Polytechnic University; Arts et Métiers ParisTech

Author for correspondence.
Email: aib28@tpu.ru

postgraduate student of Geology Division of Engineering School of Natural Resources, PhD student of Engineering and Design Laboratory

Russian Federation, Tomsk; Bordeaux, French Republic

Natalya 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

Svetlana Sergeevna Stankevich

Center of Medical Care

Email: stanlana@yandex.ru

candidate of medical sciences, head of Center for Support of Breast and Rational Feeding

Russian Federation, Tomsk

Bertrand Laratte

Arts et Métiers ParisTech

Email: bertrand.laratte@ensam.eu

PhD, associate professor

France, Bordeaux

Nicolas Perry

Arts et Métiers ParisTech

Email: nicolas.perry@ensam.eu

PhD, professor

France, Bordeaux

References

Supplementary files