Влияние хрома на микроэлементный гомеостаз биосубстратов лабораторных животных

ком процентном отношении лиц с нормальной массой тела. Полученные данные составляют основу для разработки региональных центильных таблиц для ИМТ, что позволит проводить целенаправленный отбор среди студентов групп повышенного риска с целью проведения профилактических и лечебных мероприятий.

Литер атура

1. Блинова Е. Г. Научные основы социально-гигиенического мониторинга условий обучения студентов в образовательных учреждениях высшего профессионального образования: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. - М., 2010.

2. Галкина Т. Н. Антропометрические и соматотипологические особенности лиц юношеского возраста в Пензенском регионе: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. - Волгоград, 2008.

3. Кузнецова М. В. Особенности физического развития студенческой молодежи Оренбуржья: Автореф. дис. . канд. мед. наук. - Оренбург, 2005.

4. Лакшин А. М., Кожевникова Н. Г. // Вопр. пит. - 2008. - № 1. - С. 43-45.

5. Методы исследования физического развития детей и подростков в популяционном мониторинге / Под ред. А. А. Баранова, В. Р. Кучмы. - М., 1999.

6. Мишкова Т. А. Морфофункциональные особенности и адаптационные возможности современной студенческой молодежи в связи с оценкой физического развития: Автореф. дис. . канд. биол. наук. - М., 2010.

7. Мухина Н. В. Гендерные особенности формирования качества жизни студентов в динамике обучения в педагогическом вузе: Автореф. дис. . канд. биол. наук. - М., 2008.

8. Онищенко Г. Г., Тутельян В. А. Политика здорового питания. Федеральный и региональный уровни. - Новосибирск, 2002.

9. Сахарова О. Б. Влияние гигиенических факторов на состояние здоровья студентов крупного гуманитарного вуза: Авто-реф. дис. ... канд. мед. наук. - Владивосток, 2011.

Поступила 10.10.11

Профилактическая токсикология и гигиеническое нормирование

О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2012 УДК 614.7:546.76]-092.9

Л. А. Чеснокова, И. В. Михайлова, С. И. Красиков, В. М. Боев, А. И. Смолягин

влияние хрома на микроэлементный гомеостаз биосубстратов лабораторных животных

ГОУ ВПО Оренбургская государственная медицинская академия Минздравсоцразвития России

Изучали содержание хрома в питьевой воде, снеге, почве и волосах жителей трех территориальноэкономических зон Оренбургской области, прооксидантную нагрузку в воде и снеге, влияние избыточного поступления бихромата калия на дисбаланс некоторых элементов в крови и селезенке лабораторных животных. Установили неоднородность распределения элемента между средами в зависимости от территории, выраженный дисбаланс микроэлементов в биосубстратах экспериментальных животных.

Ключевые слова: хром, окружающая среда, люди, биосубстраты, микроэлементы, эксперимент

L. A. Chesnokova, I. V. Mikhailova, S. I. Krasikov, V. M. Boev, A. I. Smolaygin — EFFECT OF CHROMIUM ON THE TRACE ELEMENT HOMEOSTASIS OF BIOSUBSTRATES IN LABORATORY ANIMALS

Orenburg State Medical Academy, Ministry of Health and Social Development of Russia

The authors studied the levels of chromium in potable water, snow, soil, and the hair of inhabitants in 3 territorial economic zones of the Orenburg region, water and snow prooxidant loads, and the impact of excessive potassium bichromate intake on the imbalance of some elements in the blood and spleen of laboratory animals. There was dissimilar distribution between the media in relation to the area, as well as a pronounced imbalance of trace elements in the biosubstrates of experimental animals.

Key words: chromium, environment, people, bisubstrates, trace elements, experiment

Чеснокова Л. А. - канд. биол. наук, доц. каф. химии и фарм. химии (chesnokovalarisa@mail.ru); Михайлова И. В. - канд. биол. наук, доц. каф. химии и фарм. химии (michaylova74@yan-dex.ru); Красиков С. И. - д-р мед. наук, проф., зав. каф. химии и фарм. химии (ks_oren@mail.ru); Боев В. М. - д-р мед. наук, проф., зав. каф. общей и коммунальной гигиены с экологией человека (orgma@esco.ru); Смолягин А.И. - д-р мед. наук, проф., зав. проблемной лаб. по изучению механизмов естественного иммунитета (probllab.orenburg@mail.ru).

Из многочисленных публикаций следует, что содержание химических элементов в окружающей среде закономерно влияет на их концентрации в живых организмах [3, 5, 8]. Основными причинами загрязнения водоемов, атмосферного воздуха, почвы являются отходы промышленных предприятий, транспортные потоки, химизация сельского хозяйства. Многочисленные заболевания населения, проживающего в экологически неблагополучных территориях, во многом обусловлены негативными

65

[гиена и санитария 4/2012

Таблица 1

Содержание хрома в объектах окружающей среды и в волосяном покрове жителей различных территорий оренбургской области

Изучаемый объект Запад Центр Восток

Снег, мг/л 0,35 ± 0,028 2,15 ± 0,574 1,46 ± 0,49

Е(Сг)снег, мкмоль В/л 2,75 ± 0,203*** 16,9 ± 1,320* 11,4 ± 0,992***

Вода, мг/л 0,018 ± 0,002*** 0,008 ± 0,002 0,013 ± 0,002

Е(Сг)вода, мкмоль  В/л 0,140 ± 0,021*** 0,063 ± 0,010** 0,100 ± 0,012***

Почва, мг/кг 395,61 ± 10,4*** 344,67 ± 9,71*** 483,19 ± 12,43***

Волосы, мкг/г 0,357 ± 0,058*** 0,541 ± 0,114*** 0,402 ± 0,090

Зоны сравнения 1 2 3

Примечание. 1: Запад-Центр; 2: Центр-Восток; 3: Восток-Запад; * -t > 2,0; p < 0,05; ** - t > 2,6; p < 0,01; *** - t > 3,2; p < 0,001.

факторами среды обитания. Все больше данных о недостатке в рационе питания жителей витаминов, макро- и микроэлементов, следствием чего может являться угнетение иммунного и антиоксидантного статусов, снижение устойчивости к воздействию среды. Не менее актуальна проблема нарушения баланса химических элементов, вызванная недостатком многих жизненно важных и избытком токсичных микроэлементов [2, 4].

Целью данного исследования является оценка содержания хрома в объектах окружающей среды (вода, воздух, почва) и его влияния на микроэлементный состав биосубстратов людей и экспериментальных животных.

Объектом исследования выбраны 3 территориально-экономические зоны Оренбургской области - Западная, Центральная и Восточная, характеризующиеся различным уровнем химических элементов в объектах окружающей среды - питьевой воде, почве и атмосферном воздухе по аккумуляции в снеговом покрове. Концентрацию хрома в организме-определяли по его накоплению в волосяном покрове жителей изучаемых территорий. Качество питьевой воды изучали по 29 показателям в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01. Для установления степени аэрогенной нагрузки определяли содержание микроэлементов в депонирующей среде - снеговом покрове, а также в почве в соответствии с «Методическими рекомендациями по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве» № 5174-90 и Гн 2.1.7.020-94. Содержание элементов в волосяном покрове жителей региона определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой и масс-спектрометрии по стандартной методике (МУ 4.1.1482-03) в АНО «Центр биотической медицины», Москва. Окислительную нагрузку, создаваемую хромом, содержащимся в снеге и воде, рассчитывали по формуле:

Е = [Мп+]  Е0,

где [М+] - молярная концентрация ионов (в мкмоль/л); Е0 - стандартный электродный потенциал (в В).

Экспериментальные исследования проведены на 94 здоровых, половозрелых крысах-самцах Вистар массой 250-300 г. Все животные были разделены на 2 группы и содержались на стандартном пищевом рационе. 1-я группа являлась контролем и получала воду. На протяжении 45 и 90 сут животные 2-й группы вместе с питьевой водой получали бихромат калия из расчета 20 мг/кг. Выбор дозы, способа введения и длительности эксперимента обоснован выполненными ранее исследованиями [7]. Через 45 и 90 дней животных выводили из эксперимента под эфирным наркозом в соответствии с этическими нормами и рекомендациями по гуманизации работы с лабораторными животными, отраженными в «Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других целей» (Страсбург, 1985). Содержание микроэлементов в крови и селезенке крыс определяли в спектральной лаборатории Областного ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Оренбургской области» атомно-адсорбционным методом.

Результаты обрабатывались методами вариационной статистики с использованием пакета программ для ПК Microsoft Excel. Для сравнения показателей в группах использовали критерий Манна-Уитни.

Представленные в табл. 1 данные свидетельствуют о превышении содержания хрома в снеговом покрове Центральной зоны в 6,14 раза по сравнению с Западной и в 1,47 раза по сравнению с Восточной зоной. Содержание хрома в почве Западного региона было выше относительно Центрального в 1,2 раза, но ниже относительно Восточного также в 1,2 раза. Концентрация элемента в питьевой воде Западной зоны достоверно выше, чем в Центральной зоне, - в 2,25 раза, по сравнению с Восточной зоной различий не обнаружено. Более высокое содержание металла установлено в волосяном покрове жителей Центральной зоны, в 1,5 раза относительно Западной и в 1,35 раза относительно Восточной зоны. Прооксидантная нагрузка, зависящая от концентрации элемента и его стандартного электродного потенциала, по алгебраической величине которого судят об окислительной способности его ионов, также имеет неоднородный характер в изучаемых зонах. Так, более высокое относительно других территорий значение Е определено в снежном покрове Центральной зоны относительно Западной в 6,14 раза, относительно Восточной в 1,5 раза. В питьевой воде Центральной зоны, напротив, минимальное значение Е в 2,2 раза ниже, чем в Западной зоне, и в 1,6 раза ниже, чем в Восточной.

Представляет интерес проследить возможные источники происхождения повышенного содержания данного элемента в окружающей среде, а также в организме жителей изучаемых территорий. Так, было установлено содержание элемента в снеге в пределах фонового уровня в Западной зоне, в Восточной зоне наблюдалось превышение фона в 4,31 раза, в Центральной - в 5,4 раза. По величине коэффициента концентраций - Кс, демонстрирующего кратность превышения фонового уровня, возможно судить о техногенном происхождении повышенного уровня хрома в атмосферном воздухе (по аккумуляции в снеговом покрове) в Центральной и Восточной зонах, а также об отсутствии такового в Западной зоне. При сравнении с ПДК в почве наблюдается превышение предельно допустимого уровня на всей территории региона - на западе в 3,4 раза, в центре в 4 раза и на востоке в 4,8 раза. Кратность превышения кларка почв составила на западе 6,59 раза, в центре 5,73 раза, на востоке 8 раз по сравнению с фоновыми значениями превышение было соответственно в 5,28, 4,59 и 6,45 раза (р < 0,001). В питьевой воде сельских населенных пунктов концентрация хрома (0,022 ± 0,002 мг/л) в 2 раза выше по сравнению с городскими (0,011 ± 0,001 мг/л).

66

Таблица 2

Влияние бихромата калия на содержание микроэлементов в периферической крови крыс Вистар

Группа Cu Zn Fe Ni Cr

1-я (п = 24) (контроль) 0,93 ± 0,05 4,82 ± 0,27 400 ± 32 0,18 ± 0,06 0,02 ± 0,01

2-я: 45 дней (п = 20) 90 дней (п = 17) 0,89 ± 0,04 0,67 ± 0,03*, ** 6,30 ± 0,66* 5,86 ± 0,36* 326± 16 * 394 ± 21 0,04 ± 0,004* 0,08 ± 0,02 0,33 ± 0,03* 0,20 ± 0,03*, **

Примечание. Здесь и в табл. 3: * - показатели, достоверно (р < 0,05) отличающиеся от уровня контроля; ** - достоверные различия (р < 0,05) показателей опытных групп на протяжении 45 и 90 дней.

Таблица 3

влияние бихромата калия на содержание микроэлементов в селезенке крыс вистар

Группа Cu Zn Fe Ni Cr

1-я (п = 17) (контроль) 2,76 ± 0,44 19,31 ± 1,44 303,49 ± 44,15 0,73 ± 0,19 0,52 ± 0,14

2-я: 45 дней (п = 10) 90 дней (п = 6) 2,43 ± 0,39 3,71 ± 0,49** 21,94 ± 2,26 14,86 ± 3,15** 172,89 ± 35,59 133,67 ± 23,26* 0,46 ± 0,14 1,17 ± 0,26** 4,63 ± 1,05* 3,87 ± 1,25

В сельской местности вода подается преимущественно без предварительной очистки, т. е. ее состав отражает природный уровень содержания элементов.

Таким образом, анализ возможных источников происхождения повышенного содержания хрома в окружающей среде показал значительный вклад антропогенных источников в Восточной и особенно Центральной зонах, что отражается в накоплении элемента в биосубстратах местных жителей. Так, по данным корреляционного анализа установлена прямая сильная связь между содержанием хрома в почве и волосах жителей Центральной зоны, а также средняя связь по воде и волосам. В Восточной зоне определена прямая средняя связь между содержанием элемента в биосубстрате и почве, а также в снеге и воде.

Проведенное исследование демонстрирует воздействие окружающей среды на микроэлементный гомеостаз организма, на который также оказывает влияние дисбаланс других элементов, вызванный неполноценным питанием и неблагоприятной экологической обстановкой, способный привести к усилению или угнетению процессов всасывания или выведения, что является весьма сложной для интерпретации задачей. Установлено, что хром относится к группе элементов с минимальной гомеостатической емкостью наряду с цинком, медью, железом, селеном, что является наиболее опасным для здоровья, так как элементы данной группы способны вызывать дисбаланс других элементов.

Далее в модельном эксперименте было изучено воздействие хрома на микроэлементный состав крови и селезенки лабораторных животных (табл. 2).

Как видно из данных табл. 2, в крови подопытных крыс из пяти изученных микроэлементов на сроке 45 и 90 дней наблюдается общая тенденция к снижению концентрации меди, железа, никеля и, напротив, к увеличению содержания хрома и цинка. Необходимо отметить, что данная зависимость наиболее выражена через 90 дней после начала эксперимента. Так, по сравнению с контрольной группой животных установлено увеличение уровня хрома в опытной группе на 94% (45-е сутки) и 10-кратное увеличение на 90-е сутки; понижение концентрации меди на 28% (90-е сутки); увеличение в оба срока эксперимента (45 и 90 дней) содержания цинка на 23,5 и 20,7% соответственно; снижение уровня железа на 18,5% (45-е сутки эксперимента) и концентрации никеля в оба срока на 77,8 и 38,9% соответственно.

В селезенке подопытных крыс из пяти изученных микроэлементов на сроке 45 и 90 дней наблюдалась зависимость к снижению концентрации железа и, напротив, к увеличению содержания меди, цинка и хрома (табл. 3). Так, по отношению к контрольной группе животных установлено повышение содержания хрома на 88,7% (45-е сутки) и 86,6% (90-е сутки), снижение содержания железа на 43% (45-е сутки) и 55,8% (90-е сутки). Вместе с тем, сравнивая микроэлементный состав селезенки на

45-е и 90-е сутки, установлено, что на 90-е сутки эксперимента уровень меди и никеля был увеличен, в то время как содержание цинка по сравнению с 45-суточным уровнем было снижено. Таким образом, изучив динамику микроэлементного состава крови и селезенки крыс Вистар, подвергшихся воздействию бихромата калия в течение 45 и 90 дней, был выявлен дисбаланс изученных микроэлементов в опытной группе животных, что выражалось в общей тенденции к снижению концентрации железа и, напротив, в увеличении содержания цинка и хрома. Следует отметить, что селезенка была выбрана для определения микроэлементного состава с целью возможности дальнейшего изучения параметров иммунного ответа, которые также отражают реакцию организма на неблагоприятные факторы внешней среды.

Таким образом, выявленный дисбаланс микроэлементов в биосубстрате жителей Оренбургской области, проживающих на территориях с различной антропогенной нагрузкой, является следствием нарушения баланса химических элементов в окружающей среде. Попыткой подтвердить данное положение явилось экспериментальное моделирование поступления хрома с водой как одного из источников его попадания в организм. Изучение микроэлементного состава крови и селезенки крыс продемонстрировало выраженный дисбаланс изучаемых микроэлементов. Известно, что для организма является негативным как дефицит, так и избыток элемента, способные привести к усилению процессов свободнорадикального окисления важнейших биомолекул. Так, при хромовой интоксикации ионы Сг6+ восстанавливаются до трехвалентного состояния под действием редуцирующих веществ, в частности восстановленного глутатиона, аскорбиновой кислоты, НАДН и др. [9, 11]. Далее Cr3+ и Cr+ индуцируют формирование свободных радикалов и способствуют истощению внутриклеточного пула антиоксидантов (глутатиона, аскорбиновой кислоты, селена и др.) [10]. При длительной интоксикации на фоне истощения антиокислительных систем организма происходит генерализованная активация ПОЛ, следствием которой является запуск апоптотического каскада с участием его

67

[гиена и санитария 4/2012

«митохондриального» механизма, который реализуется под действием глюкокортикоидов и может быть одной из причин выявляемых патологических процессов в организме [6]. Вместе с тем, учитывая, что на всасывание хрома оказывает влияние уровень железа [1], а также взаимодействие хрома с другими микроэлементами, предполагается существование его конкуренции с железом за связывание с общим носителем (трансферрином), при этом установленное в эксперименте снижение концентрации железа в крови крыс приводит к увеличению содержания хрома [1].

В целом можно предположить, что влияние хрома как одного из антропогенных факторов реализуется через дисбаланс микроэлементов, активацию процессов свободнорадикального окисления, что в свою очередь приводит к возникновению патологических изменений в организме. При этом дисбаланс микроэлементов в большей степени проявляется в условиях наиболее выраженного антропогенного воздействия химических ксенобиотиков.

Выводы

1. Экологический мониторинг содержания хрома в объектах окружающей среды различных территорий агропромышленного региона Оренбургской области продемонстрировал неоднородность его распределения, обусловленную как природными, так и техногенными причинами, с преобладанием техногенных источников происхождения в Центральной зоне, техногенных и природных в Восточной зоне и в основном природных источников в Западной зоне.

2. Прооксидантная нагрузка, создаваемая хромом, максимальна в атмосферном воздухе Центральной зоны области, выражена в меньшей степени в Восточной зоне, в минимальной степени в Западной. Напротив, в воде Центральной зоны установлена минимальная степень прооксидантной нагрузки относительно других территорий, что также подтверждает антропогенный характер загрязнений хромом данной территории.

3. Более высокий уровень концентрации элемента определен в биосубстрате лиц, проживающих на

территории Центральной зоны, несмотря на пониженное содержание элемента в питьевой воде. Вероятно, приоритетным является по ступление хрома с продуктами питания и атмосферным воздухом.

4. В модельном эксперименте установлено, что пероральное поступление бихромата калия в организм крыс Вистар в течение 45 и 90 дней вызывало дисбаланс изученных микроэлементов, который выражался в снижении содержания меди, железа, никеля (кровь) и железа (селезенка) и в увеличении концентрации цинка и хрома в обоих биосубстратах.

Литер атура:

1. Авцын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементозы человека. - М., 1991.

2. Агаджанян Н. А., Скальный А. В. Химические элементы в среде обитания и экологический портрет человека. - 2-е изд. - М., 2000.

3. Боев В. М., Воляник М. Н. Антропогенное загрязнение окружающей среды и состояние здоровья населения Восточного Оренбуржья. - Екатеринбург, 1995. - С. 115-126.

4. Боев В. М. Микроэлементы и доказательная медицина. - М., 2005.

5. БретшнайдерБ., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: Пер. с англ. - Л., 1989. - С. 10-16.

6. Владимирская Е. Б. // Вопр. гематол., онкол. и иммунол. в педиат. - 2003. - Т 2, № 7. - С. 5-11.

7. Утенин В. В. Гигиеническая характеристика хрома и бензола и морфофункциональные аспекты их взаимодействия на организм в условиях эксперимента: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. - Оренбург, 2002.

8. Экология человека на урбанизированных и сельских территориях/ Боев В. М., Верещагин Н. Н., Скачкова М. А. и др. - Оренбург, 2003. - С. 4-11.

9. De Flora S., Serra D., Camoirano A., Zanacchi P. // Biol. Trace Elem. Res. - 1989. - Vol. 21. - P. 179-187.

10. O’Brien P., Kortenkamp A. // Environ. Hlth Perspect. - 1994. -Vol. 102, N 3. - P 3-10.

11. Tsou T. C., Chen C. L., Liu T. Y., Yang J. L. // Carcinogenesis. -1996. - Vol. 17, N 1. - P. 103-108.

Поступила 23.05.11

68