Особенности микроминерального состава зольного остатка организма человека, г. Норильск

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 504.75.05

ОСОБЕННОСТИ МИКРОМИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА

ЗОЛЬНОГО ОСТАТКА ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА, г. НОРИЛЬСК

М. А. Дериглазова, Л. П. Рихванов

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск

Аннотация

Данная работа реализуется в рамках таких направлений, как медицинская геология, биоминералогия, геохимия и экология, важность которых трудно переоценить. Основной ее целью было выявление особенностей минерального (и частично геохимического) состава зольного остатка организма человека жителя г. Норильска с помощью современных и точных методов анализа (рентгеновская дифрактометрия, сканирующая электронная микроскопия, ИНАА, ИСП-МС). Было обнаружено, что ярко выраженными особенностями зольного остатка организма человека г. Норильска является наличие агрегатов гидроксилапатита с пониженным содержанием кальция и присутствие микроминеральных фаз разнообразного состава (Cu, Ni, Pt, Au, Zr, Ce и др.), отражающих воздействие производства по добыче и переработке медно-никелевых руд на организм человека, проживающего в данном городе. Полученные данные раскрывают новые аспекты воздействия описанного типа производства на организм человека.

Ключевые слова:

Норильск, зольный остаток, гидроксилапатит, минеральные фазы, медь, платина, циркон.

FEATURES OF MICROMINERAL COMPOSITION OF

HUMAN ORGANISM ASH RESIDUE, NORILSK

Maria A. Deriglazova, Leonid P. Rikhvanov

Tomsk Polytechnic University, Tomsk

Abstract

This work is realized within medical geology, biomineralogy, geochemistry and ecology, the importance of which is difficult to overestimate. The main objective of the article is to reveal the characteristics of mineral (and partly geochemical) composition of ash residue of Norilsk residents with the help of modern and accurate analytical methods (X-ray diffraction, scanning electron microscopy, INAA, ICP-MS). The following mineral features of the studying material have been indicated: the presence of hydroxyapatite aggregates with a low calcium content and the presence of mineral phases of various composition (Cu, Ni, Pt, Au, Zr, Ce, etc.), reflecting the impact of Cu-Ni ores processing. The findings reveal some new aspects of such kind of impact on human body.

Keywords:

Norilsk, ash residue, hydroxyapatite, mineral phases, copper, platinum, zircon.

Введение

Биоминералогия — современное и сравнительно молодое научное направление, изучающее минералы, созданные при непосредственном участии живых организмов. Начиная с исследования таких известных агрегатов, как раковина моллюска или жемчуг, биоминералогия закономерно обратила свое внимание и на минералы в организме человека (кости, уролиты, зубные, слюнные камни и т. д.) [1]. Со временем в научной

литературе появлялось все больше исследований, которые посвящены патогенному минералообразованию в организме человека и способам борьбы с ним [2], однако не меньше внимания было уделено изучению физиогенных минералов, например, костной ткани как одной из неотъемлемых составляющих человеческого организма.

Как известно, минералы костной ткани представляют собой подвижные системы, меняющие свой состав в зависимости от различных условий (возраста, заболеваний, условий окружающей среды, образа жизни и т. д.) [1]. Кроме того, кость обладает аккумулирующим свойством и накапливает в себе многие радиоактивные элементы [3]. Учитывая эти факты, можно предположить, что она отражает не только физиологические особенности организма человека, но и специфику среды его обитания. В подтверждение данной гипотезы коллективом кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета проводятся исследования зольного остатка организма человека (ЗООЧ) различных городов России (Новокузнецк, Новосибирск, Ростов-на-Дону, Екатеринбург, Санкт-Петербург, Норильск). Особенно интересным для нас было изучение материала из г. Норильска. Уникальные ландшафтно-географические условия в сочетании с мощнейшим производственным комплексом позволяют говорить об исключительности данной территории, которая, вероятно, находит свое отражение в составе организма его жителей.

Материал и методика исследований

Для исследования используется зольный остаток организма человека — крематорный материал, оставшийся после сжигания тела человека при температуре 900-1100 °С. Пробы ЗООЧ были отобраны из невостребованного материала в крематории г. Норильска в 2015 г. по официальному разрешению администрации учреждения. Полученные результаты по элементному и минеральному составу ЗООЧ г. Норильска сравнивались с результатами проб, отобранными ранее в крематориях пяти городов России: Новосибирска, Новокузнецка, Ростова -на-Дону, Санкт-Петербурга и Екатеринбурга. Единые требования, предъявляемые к процессу кремации, дают возможность сравнивать пробы из различных городов.

Отобранный материал из г. Норильска представляет собой зольный остаток организма человека различных половых групп и возрастов, общее количество проб — 22. Соотношение мужчин и женщин в выборке было примерно одинаковое и составило 13:9. Никаких других данных о возрасте, заболеваемости, а также причинах смерти не было известно.

При изучении зольного остатка организма человека были использованы современные методы исследования вещественного состава: электронно-микроскопический (Hitachi S-3400N с энергодисперсионной приставкой для микроанализа фирмы Bruker) и рентгеноструктурный (с использованием порошкового дифрактометра D2 PHASER фирмы Bruker), инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) и масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС). Все анализы были выполнены в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам и характеризовались вполне удовлетворительной сходимостью результатов.

Результаты и их обсуждение

Несмотря на то, что зольный остаток организма человека представляет собой сборный материал органов и тканей всего человеческого организма, тем не менее, более 90 % всего объема представлено костной тканью. В связи с этим основным минералом ЗООЧ, как и ожидалось, оказался гидроксилапатит — основной минерал костной ткани человека. По данным рентгеноструктурной дифрактометрии, гидроксилапатит и его аналоги занимают более 99 % всего объема изученных проб ЗООЧ г. Норильска. Такой же минеральный состав выявлен нами при исследовании с помощью электронного микроскопа: более 99 % всего объема пробы занимает гидроксилапатит, менее 1 % — минеральные фазы различного состава (микроминеральные фазы железа, меди, цинка и др.).

Расчетная формула гидроксилапатита (среднее по 20 измерениям) может быть представлена в виде (K0,9,Mg0,3)(Ca5,0,Na2,2)[P1O5,4]3,5, что соответствует гидроксилапатиту с переменными количествами К, Mg, № и со следовыми количествами О, S, Si, Al. Примечательно, что исследование элементного состава гидроксилапатита выявило несколько различных типов данного минерала. В первую очередь, агрегаты разного типа отличались по внешнему виду и соотношению главных компонентов (Ca/P, Mg + № + К). Гидроксилапатит стандартного состава встречался в пробах наиболее часто, при этом Ca/P-отношение у данной разновидности близко к таковому, определенному для гидроксилапатита костей и эмали зубов человека. Другие разновидности данного минерала отличались пониженным содержанием Ca и повышенным содержанием Mg, № и K при практически постоянном содержании P (табл. 1). Наличие нескольких разновидностей гидроксилапатита может быть обусловлено как процессом сжигания материала, так и физиологическими особенностями. В любом случае, уникальной особенностью ЗООЧ из г. Норильска, по сравнению с другими изученными городами, является наличие агрегатов гидроксилапатита с чрезвычайно низким содержанием кальция.

Таблица 1

Элементный состав гидроксилапатита в ЗООЧ г. Норильска по сравнению с составом кости человека, %

Элемент I типа ЗООЧ II типа ЗООЧ Состав кости человека , % Элемент I типа ЗООЧ II типа ЗООЧ Состав кости человека , %

Ca 36,9 15,7 24 С1 0,04 0,3 0,01

O 41,1 42,2 - K 0,6 7,6 0,2

P 14,5 15,2 11,2 F <0,1 <0,1 0,5

№ 2,0 12,7 0,5 Л!, 8, <0,1 <0,1 -

Mg 0,4 1,5 0,3

Примечание. I типа ЗООЧ — среднее по 11 измерениям; II типа среднее — по 9 измерениям.

* По данным Ф. Бетса [1].

Как было сказано выше, в гидроксилапатитовой матрице неравномерно распределены микрофазы различного состава. Размер этих частиц также неоднороден и колеблется от единиц до сотен микрон. Еще одной отличительной особенностью минерального состава ЗООЧ г. Норильска является разнообразие минеральных фаз, найденных в материале данного города. Среди таковых — минеральные фазы Си, №, Сг, Zr, Sn, Sb, Pt и др. (рис. 1).

_ Элемент Город О ТМа М§ Р К Са А1 5[ Б С1 П Сг Мп Ре Со N1 Си 1п Бг 2г МЬ Де 5п 5Ь Ва и Се Мс) Р1 Ли РЬ ТИ

Норильск • • • • • • Ж А А А А X А А А А А А X А XX  А А АХ А А А

Санкт-Петербург А А А А А А А А X А

Ростов-на-Дону А А А А А А А А А А А

А А А А X А А А

Новосибирск А А А А А А А А А А А А А

Новокузнецк А

Рис. 1. Элементный состав минеральных фаз, найденных в ЗООЧ различных городов. Знаком «•» обозначены матричные элементы; знаком «А» — элементы, минеральные фазы которых встречаются в пробах двух или более городов; знаком «*» — специфичные элементы, установленные

на данный момент в пробах только одного города

Специфичные минеральные фазы, отмеченные выше, в том числе отражают специфику промышленного производства. К таким относятся минеральные фазы меди, никеля, платины и, вероятно, циркония, золота, церия и тория. Элементный состав данных минеральных фаз представлен ниже (табл. 2). Несмотря на то, что медь и никель встречаются в ЗООЧ и других городов (это вполне ожидаемо, исходя из факта, что медь — эссенциальный элемент в организме человека), тем не менее, Си, например, встречается, в пробах г. Норильска, как минимум, в четырех видах соединений (самородная медь, оксиды, соединения с серой, интерметаллические соединения), тогда как в остальных городах установлено 1 -2 вида соединений данного элемента.

Таблица 2

Микроминеральные фазы некоторых изученных элементов в ЗООЧ г. Норильска по данным электронной микроскопии

Элемент Средний размер агрегатов, состав минеральной фазы и ее характеристика

Си Размер — 1x1 мкм Главные элементы

Размер — 6x3 мкм

Главные элементы

Сопутствующие элементы

Примеси (< 1%) — М, Si

Сульфид меди

Размер — 4x2 мкм

Главные элементы

Сопутствующие элементы

Интерметаллическое соединение

Размер — 1,5x1,5 мкм

Главные элементы

Сопутствующие элементы (1-10 %): С1 (2,5 %), А1 (1,5 %);

Примеси (<1 %) — Si, S

Бронза

Zr

Ce Размер — 2x2 мкм Главные элементы

Pt

Характерной особенностью ЗООЧ г. Норильска также является присутствие ярко выраженных кристаллов циркона (рис. 2, а). Принимая во внимание то, что температура плавления циркона составляет 1800 °С, что много выше температуры сжигания материала,

можно предположить, что это терригенная тонкодисперсная примесь, попавшая ингаляционным путем в организм человека и сохранившаяся в зольном остатке. Возможно, что такую же природу имеет микрофаза монацита. Вероятно, наличие данных минеральных фаз отражает особенности технологии добычи и получения меди, никеля и платины, тем более что, по данным ИНАА и ИСП-МС, в ЗООЧ г. Норильска обнаружены повышенные концентрации данных элементов (2г, Се, ТЬ и др.) по сравнению с другими городами.

а б

Рис. 2. Циркон (а) и микроминеральная фаза платины (б) в ЗООЧ г. Норильска

Минеральные фазы монацита, золота и циркона обнаружены одновременно в одной пробе ЗООЧ г. Норильска, платины (рис. 2, б) — в другой, но обе принадлежали мужчинам. Не исключено, что данные минеральные фазы характерны для организма рабочего промышленного предприятия г. Норильска.

При интерпретации полученных данных стоит учитывать, что ЗООЧ не отражает реальный минеральный состав человеческого организма, так как является материалом, преобразованным под воздействием высоких температур. Это касается всех минералов, за возможным исключением гидроксилапатита, хотя, вероятно, и он претерпевает преобразование в процессе сгорания живого вещества. Однако, на наш взгляд, вышеописанный состав минеральных фаз в какой-то мере наследует геохимические особенности первичного озоляемого материала.

Среди геохимических особенностей ЗООЧ г. Норильска, по сравнению с другими ранее изученными городами, следует отметить повышенные концентрации таких элементов, как Mg, А1, Р, Са, Sc, N1, Rb, Sr, ^ Zr, С^ Cs, Се, Рг, N4 Sm, Gd, ТЬ, Dy, Но, Тт, Lu и и. Как было отмечено, повышенные концентрации Mg, А1, N1, Sr, Zr, Се и N4 находят свое отражение в наличии микроминеральных фаз соответствующего состава, с другой стороны, несмотря на присутствие микроминеральных фаз Си, Сг, Zn, Ag, Аи и РЬ, ЗООЧ г. Норильска не выделяется среди других городов по содержанию этих элементов. Слабая выраженность медной специфики зольного остатка организма человека — жителя г. Норильска косвенно соотносится с данными Э. В. Сокол, исследования которой показывают, что уролиты людей, проживающих в городах, специализирующихся на добыче и переработке меди, никеля, свинца и цинка, не выделяются на региональном фоне по содержанию данных элементов [4].

Выводы

Среди известных экологических адаптивных типов человека (арктический, континентальный, тропический, аридный, высокогорный, умеренных широт и др.) коренное население г. Норильска, вероятно, относится к арктическому как основному типу, формирующемуся в условиях Крайнего Севера. Неблагоприятные погодные условия сказываются на строении костной ткани коренных жителей Севера: увеличивается объем костномозговой полости длинных костей при небольшой толщине компактного вещества. Исключительные особенности арктического организма, возможно, будут сказываться на составе организма человека. Однако, анализируя все вышеперечисленные особенности ЗООЧ г. Норильск, мы можем сделать вывод о том, что на элементный и минеральный состав исследуемого материала из данного города в большей степени влияет техногенная нагрузка, оказываемая деятельностью комбината по добыче и переработке медно-никелевых руд. Вероятно, данное влияние выражается в повышенной концентрации Mg, Al, P, Ca, Sc, Ni, Rb, Sr, Y, Zr, Cd, Cs, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm, Lu и U, а также в наличии микроминеральных фаз Cu, Ni, Pt, Zr, редкоземельных и радиоактивных элементов. К сожалению, данных по использованию вышеперечисленных элементов (особенно, Zr, Ce, U, Th, редкоземельных и некоторых других элементов) при производстве меди, никеля и платины, а также их выбросам практически нет. Поэтому особенно важно проводить подобного рода исследования для выявления элементов, оказывающих максимальную нагрузку на организм человека — жителя данного города, и в перспективе проводить мероприятия по их снижению.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кораго А. А. Введение в биоминералогию. СПб.: Недра, 1992. 280 с. 2. Голованова О. А. Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека: автореф. дис. ... докт. геол.-мин. наук. Томск, 2008. 39 с. 3. Скоблин А. П., Белоус А. М. Микроэлементы в костной ткани. М.: Медицина, 1968. 231 с. 4. Микроэлементный состав нефролитов как маркер воздействия окружающей среды на человека / Э. В. Сокол [и др.] // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2007. № 2. С. 151-163.

Сведения об авторах

Дериглазова Мария Александровна — аспирант кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета E-mail: belyakinama@gmail.com

Рихванов Леонид Петрович — доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета E-mail: rikhvanov@tpu.ru

Author Affiliation

Maria A. Deriglazova — Graduate Student of Department Polytechnic University E-mail: belyakinama@gmail.com

Leonid P. Rikhvanov — Doctor of Sciences (Geol. & Mineral.) Geochemistry, Tomsk Polytechnic University E-mail: rikhvanov@tpu.ru

Библиографическое описание статьи

Дериглазова, М. А. Особенности микроминерального состава зольного остатка организма человека, г. Норильск / М. А. Дериглазова, Л. П. Рихванов // Вестник Кольского научного РАН. — 2017. — № 4 (9). — С. 44-49.

Reference

Deriglazova Maria A., Rikhvanov Leonid P. Features of Micromineral Composition of Human Organism Ash Residue, Norilsk. Herald of the Kola Science of the RAS, 2017, vol. 4 (9), pp. 44-49. (In Russ.).

of Geoecology and Geochemistry, Tomsk , Professor at Department of Geoecology and