Концентрация и баланс микроэлементов в речных водах различных эколого-биогеохимических зон Дагестана

КОНЦЕНТРАЦИЯ И БАЛАНС МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

В РЕЧНЫХ ВОДАХ РАЗЛИЧНЫХ ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЗОН ДАГЕСТАНА

2009 Гиреев Г.И., Луганова С.Г., Салихов Ш.К.*

Дагестанский государственный педагогический университет ^Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН

Определено содержание микроэлементов (J, Со, Se, Си, Mo, Zn, В, Fe, Мп) в речных водах различных экологических зон Дагестана. Выявлены территории с различным содержанием и соотношением концентраций микроэлементов в водах, связанные с наличием на исследованной территории нескольких эколого-биогеохимических зон, для каждой из которых характерны различные климатические условия, гранулометрический и химический состав пород и почв.

The authors of the article have determined the content of microelements (J, Co, Se, Си, Mo, Zn, B, Fe, Mn) in river waters of Daghestan different ecological zones. Identified area with different content and ratio of the microelement concentration in waters associated with the presence in the investigated area of several ecological-biogeochemical zones, each characterized by different climatic conditions, grain size and chemical composition of rocks and soils.

Ключевые слова: микроэлементы, вода, концентрация, баланс,

экологическая зона.

Keywords: microelements, water, concentration, balance, ecological zone.

Экологические факторы - это составная часть развивающейся экосистемы, которая состоит из множества живых организмов, представляющих функциональное единство и находящихся в сложных взаимоотношениях с окружающей средой. Известно, что окружающая среда прямо или косвенно воздействует на живые организмы, вызывая у них необходимость в адаптации к новым условиям [3, 13, 14]. Немаловажную роль в вопросе адаптации организмов к условиям окружающей среды и нормального функционирования органов и систем играет концентрация микроэлементов в компонентах экосистем [2, 6, 9, 15, 17].

Микроэлементы участвуют в построении живой клетки, в сложных

процессах обмена веществ, входят в состав гормонов, витаминов, ферментов, являющихся

биологическими катализаторами и регулирующих все процессы, протекающие в живом организме. Животные и человек получают все химические элементы вместе с водой и пищевыми продуктами. Как избыток, так и недостаток макро- и микроэлементов в пищевой цепи вызывает эндемические заболевания растений, животных и человека [1, 8, 10, 12, 16, 19-22].

Вода представляет собой сложную динамичную систему, находящуюся в тесной связи с окружающей средой. В природных водах содержатся почти все элементы периодической системы Менделеева. Концентрация каждого элемента в воде

определяется его химическими

свойствами, растворимостью его соединений, способностью

образовывать комплексные

соединения и коллоидные растворы. Целью работы, в связи с важной ролью воды, которая участвует в миграции микроэлементов в природной среде и поступлении химических элементов в живые организмы, явилось исследование

содержания и баланса

микроэлементов в речных водах Дагестана.

Актуальность работы обусловлена тем, что для Дагестана, где распространены эндемический зоб, энзоотическая атаксия, борные энтериты, беломышечная болезнь, анемия особое значение приобретают исследования содержания и соотношения концентраций

антагонистов и синергистов в объектах внешний среды

(водоисточниках, почвах, растениях, пищевых продуктах и животных

организмах) [7, 11, 18].

Учитывая сказанное, поставлены следующие задачи исследования:

1. Определение содержания микроэлементов ^, ^, Se, 0|, Mo, Zn, B, Fe, Mn) в водах рек, протекающих через населенные пункты Дагестана, и расположенных в различных экологических зонах республики.

2. Сравнение уровня содержания и

соотношения концентраций

микроэлементов в речной воде, используемой для хозяйственных

нужд жителями административных районов Дагестана.

Материалы и методы

Объектом исследования

послужили речные воды в различных административных районах

Дагестана, относящиеся к четырем эколого-биогеохимичес-ким зонам (высокогорной, горной, предгорной, плоскостной) [4]. Изучение

химического состава речных вод велось путем маршрутных экспедиционных обследований. Пробы воды отбирались в летние месяцы в пластиковые сосуды объемом 2 л. Анализ проб воды был проведен по [5]. Результаты исследований статистически

обработаны в программе Microsoft Exсel 2003.

Результаты исследований

Концентрация йода и соотношение ее с концентрациями других химических элементов в окружающей среде, наряду с иными факторами, имеет большое значение в выработке тиреоидных гормонов, недостаток которых приводит к серьезным нарушениям развития ЦНС у плода и новорожденного с формированием умственной отсталости вплоть до кретинизма, абортам,

мертворождениям, нарушениям

умственного и физического развития, нарушениям репродуктивной

системы. В связи с этим большое значение приобретает установление концентраций йода и его соотношения с антагонистами и синергистами в объектах биосферы в целом и в водах в частности.

Таблица 1

Содержание микроэлементов в водах рек экологических зон Дагестана

Экологическая зона Районы Микроэлементы, мкг/л

J Co Se Cu Mo Zn B Fe Mn

Высокогорная Ахвахский 1,69 2,78 0,28 2,1 3,13 11,87 75,13 290,00 18,00

Шамильский 2,13 3,63 0,24 2,5 4,17 13,70 65,80 300,00 20,00

Цунтинский 1,90 1,35 0,17 2,6 2,40 16,13 64,83 270,00 11,00

Г орная С.-Стальский 1,44 2,33 0,22 1,8 3,40 15,87 67,10 106,67 23,00

Г ергебильский 1,30 1,44 0,42 2,3 4,20 13,20 60,27 223,33 24,67

Гунибский 2,10 1,98 0,14 2,5 1,61 11,53 45,10 183,33 16,67

Предгорная Карабудахкентский 2,46 3,12 0,20 2,0 1,97 13,20 61,60 253,33 20,33

Казбековский 2,32 2,23 0,16 2,1 2,30 15,53 53,40 267,67 19,67

Буйнакский 2,25 2,5 0,26 1,7 2,37 15,33 59,67 303,33 19,67

Тарумовский 3,03 3,14 0,28 1,5 2,00 13,67 64,07 300,00 14,33

Плоскостная Хасавюртовский 2,52 2,76 0,19 1,4 2,43 14,63 63,53 340,00 14,67

Кизил юртовский 3,06 1,16 0,28 1,2 3,37 10,90 92,20 396,67 10,33

В результате проведенных исследований (табл. 1) выявлено, что различные водоисточники Дагестана обладают широким спектром содержания и соотношения

концентраций микроэлементов. Так, например, в водоисточниках высокогорного Ахвахского района содержание йода составило в

среднем по селам (Местерух, Тадмагитль, Карата) - 1,69; кобальта 2,78 мкг/л., соотношение составило 1:1,64. Если сравнить эти данные по содержанию и соотношению

концентраций этих элементов в водоисточниках другого

высокогорного района, например, Шамильского, то видно, что в

Шамильском районе как содержание, так и соотношение их отличается. Например, в водоисточниках с. Урада содержание йода составляло -

2,1 ±0,1; кобальта - 3,8±0,3 мкг/л, а соотношение йода к кобальту

составило 1:1,8 мкг/ л.

При сравнении содержания и соотношения йода с кобальтом в водоисточниках этих двух районов высокогорной экологической зоны Дагестана видно, что содержание и соотношение йода и кобальта в водоисточниках Шамильского района отличается от Ахвахского. Содержание кобальта в

водоисточниках в среднем по трем селам Шамильского района (сс. Урада, Тидиб, Голотль) было выше на 0,53-0,92 мкг/л, чем в селах Ахвахского.

В водоисточниках Цунтинского района содержание йода и кобальта было ниже по сравнению с Шамильским, и в среднем по трем селам (Кидеро, Бежта, Шаури) этого района и составляло: йода - 1,9; кобальта - 1,35, а соотношение составило 1:0,71 мкг/л. Выявлено, что содержание и соотношение йода с кобальтом в водоисточниках горной зоны Дагестана в различных районах также отличается. Так, например в Сулейман-Стальском районе (сс. Касумкент, Ортосталь,

Герейхановское) содержание йода в среднем в трех этих селах составило: 1,44 мкг/л, кобальта - 2,33 мкг/л, а корреляция йода с кобальтом -1:1,62.

В водоисточниках Гергебильского района в среднем (сс. Гергебиль, Кикуни, Хвартихуни) содержание йода 1,3 и кобальта 1,44 мкг/л, а соотношение их - 1:1,11. В соседнем Гунибском районе, содержание йода в водоисточниках совершено отличается по сравнению с Гергебильским районом: с. Кудали -2,1±0,1, с. Салта - 2,2±0,2 и с. Кегер -2,0±0,2 мкг/л. В водоисточниках Гунибского района в среднем по трем селам составило йода - 2,1 мкг/л; а в Гергебильском районе по трем селам

- 1,3 мкг/л. Если сравнить эти

показатели с данными Гергебильского района, то видно, что содержание йода в водоисточниках Гунибского района в среднем было выше на 0,8 мкг/л, содержание кобальта - на 0,54 мкг/л.

Содержание и соотношение этих элементов в предгорной зоне

Дагестана в среднем по трем селам Карабудахкентского района (сс. Какашура, Параул, Гели) составило: йода - 2,46, кобальта - 3,12 мкг/л и соотношение йода к кобальту 1:1,27 мкг/л. В Казбековском районе по сравнению с Карабудахкентским

районом содержание йода и кобальта в водоисточниках было ниже. В среднем по трем селам Казбековского района (сс. Дылым, Буртунай, Калининаул) составило: йода - 2,32; кобальта 2,23 мкг/л. В водоисточниках (сс. Атланаул, Терменлик и В.

Дженгутай) Буйнакского района этой зоны содержание и соотношение йода и кобальта было почти одинаковым с показателями, выявленными в Казбековском районе.

Из плоскостных районов самое высокое содержание йода отмечено в водоисточниках Кизилюртовского района и сравнительно низкое в Хасавюртовском районе. Так, например, в среднем содержание

йода в водоисточниках трех сел Кизилюртовского района составило: йода - 3,06; кобальта - 1,17 мкг/л и соотношение йода к кобальту 1: 0,38 мкг/л.

Эндемический зоб и кретинизм практически невозможно

профилактировать только добавками йода в рацион на фоне недостаточности селена. Селен является необходимым компонентом I типа йодтиронин-5-дейодиназы -фермента, катализирующего

дейодинацию 1_-тироксина в биологически активный тиреоидный гормон 3,5,3-трийод-тиронин.

Недостаток селена уменьшает активность дейодиназы и вызывает симптомы гипотироидизма.

Несбалансированность йода с медью также влияет на многочисленные процессы в организмах живых существ.

Результаты исследований (табл. 1) указывают на различие содержания и соотношения селена и меди с йодом в водоисточниках различных экологических зон Дагестана. Содержание этих элементов в

высокогорном Ахвахском районе, в с. Местерух, составило: селена -

0,28±0,02 и меди - 2,1 ±1,2 мкг/л. Соотношение йода и селена составляло 1:0,16 и к меди 1:1,2. Близкое содержание и соотношение было зарегистрировано и в водоисточниках сс. Тадмагитль и Карата. В другом районе этой зоны -Шамильском, в водоисточниках содержание и соотношение этих элементов отличалось: в с. Голотль содержание селена составило -

0,22±0,01 и меди - 2,3±1,4 мкг/л. Схожее содержание отмечалось и в других селах (Урада, Тидиб) этого района. Соотношение йода и селени составило - 1:1,7.

В водоисточниках Цунтинского района содержание селена было ниже, а меди выше, чем в других районах этой зоны. В частности, в водоисточниках с. Шаури содержание селена составило - 0,18±0,01 и меди 2,6±1,1 мкг/л. Соотношение йода и селена в водах рек Цунтинского района по трем селам составило 1:0,09 и к меди 1:1,3 мкг/л. Близкое содержание этих элементов

зафиксировано и в других селах этого района. Если сравнить эти данные с показателями Ахвахского района, то содержание йода немного выше в водоисточниках Цунтинского района, а селена ниже, почти на 61%, а меди выше на 0,5 мкг/л. Таким образом, в водоисточниках содержание и соотношение йода, селена и меди в различных селах высокогорной зоны Дагестана различное.

Содержание и соотношение йода, селена и меди в различных населенных пунктах горной зоны также неодинаковое. Так, например, в водоисточниках Сулейман-Стальского района содержание составило: селена - 0,22 мкг/л; меди - 1,8 мкг/л, отношение йода составило: к селену

- 1:0,15; к меди - 1:1,25. В

Гергебильском районе: селена - 0,42; меди - 2,3 мкг/л, соотношение йода и селена составило - 1:0,32, а йода к меди - 1:1,8. Причем содержание селена в водоисточниках

Гергебильского района было в 3 раза выше, чем в водоисточниках Гунибского района.

В предгорной зоне Дагестана сравнительно низкое содержание селена зарегистрировано в селах Казбековского района, а меди - в водоисточниках Буйнакского района. В плоскостной зоне Дагестана самое высокое содержание йода и селена и низкое меди установлено в водоисточниках сел Кизилюртовского района.

Выявлено, что между медью, молибденом и цинком существует антагонизм, приводящий к различным нарушениям обмена веществ в организмах живых существ. Если животные получают с пищей мало молибдена, то в печени быстро накапливается медь и возникает

отравление медью. Если

концентрация молибдена выше, чем

пороговая концентрация, а меди меньше, то у животных появляется эндемическая атаксия. Установлено, что уменьшение концентрации цинка в крови сопровождается повышением содержания меди. Так, изучение отношения цинка к меди в водоисточниках имеет большое

значение для установления причин эндемических заболеваний, связанных с нарушением их соотношения. Также при избытке цинка активность медьсодержащего фермента каталазы

падает, а добавление меди в рацион восстанавливает эту активность. Таким образом, цинк является антагонистом меди и от их соотношения зависит заболеваемость животных и людей.

В связи с этим нами было исследовано содержание и соотношение этих элементов в водах рек различных экологических зон Дагестана. Содержание молибдена и цинка в водоисточниках высокогорного Ахвахского района - 3,13 и 11,87 мкг/л. Соотношение меди, молибдена и

цинка соответственно - 1:1,5 и 1:5,7. В Шамильском районе содержание молибдена и цинка равно 4,17 и 13,7 мкг/л. Соотношение составило - 1:1,7 и 1:5,5. Наименьшее содержание молибдена и наибольшее меди и цинка в этой экологической зоне зафиксировано в Цунтинском районе.

В горной зоне самое низкое

соотношение меди и молибдена

отмечено в Сулейман-Стальском районе и составляет 1:1,9. В предгорной зоне по 3 районам и 9 селам в среднем содержание меди колеблется от 1,6 мкг/л (с. Атланаул Буйнакского района) до 2,2 мкг/л (с. Калининаул Казбековского района), по молибдену - от 1,8 мкг/л (с. Гели Карабудахкентского района) до 2,6 мкг/л (с. Манасаул (турбаза Терменлик) Буйнакского района).

Соотношение меди и молибдена составило по 3 селам районов предгорной зоны Дагестана: Карабудахкентского - 1:0,99;

Буйнакского - 1:1,4 и Казбековского -1:1,1. Самое низкое содержание меди в водоисточниках обнаружено в Кизилюртовском районе, что составило в среднем по 3 селам - 1,2. Содержание молибдена в том же районе - 3,37 мкг/л. Соотношение меди и молибдена - 1:2,8. Самое высокое содержание меди

определено в Цунтинском,

Шамильском и Гунибском районах, а высокое содержание молибдена в Гергебильском и Шамильском районах.

Результаты исследований по

содержанию и соотношению меди с антагонистом цинком в различных экологических зонах Дагестана

показывают, что как содержание, так и соотношение меди и цинка в различных экологических зонах различное. Так, в частности,

соотношение меди к цинку составило: в высокогорном Ахвахском районе -1:5,6; в Гергебильском районе горной экологической зоны - 1:5,7; в

Казбековском районе предгорной зоны

- 1:7,4 и в Кизилюртовском районе плоскостной зоны - 1:9,1.

Немаловажную роль в развитии патологий животных имеет

концентрация бора в компонентах среды обитания, поскольку как недостаток, так и избыток вызывают различные реакции растений и животных. Так, при питании

растениями с избыточным

содержанием бора нарушается обмен веществ (в частности, активность протеолитических ферментов), и появляется эндемическое

заболевание желудочно-кишечного тракта - борный энтерит. Поскольку

источниками бора для растений

являются почва и вода, то изучение концентрации бора в водах рек имеет немаловажное значение.

Содержание бора в водах рек различных экологических зон

Дагестана также разное. Так, содержание бора в исследованных водоисточниках колеблется в широких пределах: от 45,1 мкг/л в Гунибском районе (высокогорная зона) до 92,2 мкг/л в Кизилюртовском (плоскостная зона). Исследователи указывают, что заболевания животных энтеритом

наблюдаются на участках, где в

объектах биосферы содержится

большое количество бора и

пониженное меди. Данным условиям соответствует статус микроэлементов бора и меди в водоисточниках Кизилюртовского района, где вода содержит наименьшее количество

меди и наибольшее бора. Вероятно, этим объясняется распространенность борных энтеритов на данной территории Дагестана.

Большое значение имеет содержание марганца и железа и соотношение их концентраций в

компонентах экосистем. Установлено, что значение марганца заключается в том, что он окисляет железо, восстановленное в ходе

окислительных процессов. Избыток марганца обеспечивает переход железа в окисную форму, приводит в растениях, животных организмах и у людей к недостатку железа. С другой стороны, избыток восстановленного железа влияет неблагоприятно на

растения и животные организмы. Поступление больших количеств цинка, меди также ухудшает усвоение железа. При нарушении соотношения железа и меди, цинка и марганца у животных и у людей появляется эндемическое заболевание - анемия.

При определении железа было обнаружено сравнительно высокое его содержание: в водоисточниках Кизилюртовского района,

составившее в среднем по трем исследованным селам - 396,67 мкг/л; в Хасавюртовском - 340 мкг/л.

Наименьшее количество железа содержали водоисточники Сулейман-Стальского и Гунибского районов -106,67 и 183,33 мкг/л. Содержание марганца в поверхностных водах рек Дагестана также имело широкий размах концентраций - от 10,33 в Кизилюртовском до 24,67 мкг/л в Гергебильском районах. Если проанализировать соотношение железа с антагонистом марганцем, то видно, что оно составило в среднем по 3 селам: в высокогорном

Ахвахском - 1:0,062; Шамильском -1:0,067; Цунтинском - 1:0,044. В горной зоне: в Сулейман-Стальском районе - 1:0,021; Гергебильском -1:0,08; Гунибском - 1:0,09. В

предгорной зоне: в

Карабудахкентском районе - 1:0,08;

Казбековском - 1:0,073 и Буйнакском

- 1:0,065 мкг/л. В плоскостной зоне: в Тарумовском -1:0,057;

Хасавюртовском - 1:0,041 и

Кизилюртовском - 1:0,026 мкг/л.

Таким образом, содержание соотношения концентраций железа и марганца в речных водах Дагестана отличается и зависит от многих факторов, которые различаются в административных районах и экологических зонах республики.

Заключение

Различия в содержании микроэлементов в речных водах Дагестана, вероятно, связаны с наличием на изученной территории нескольких эколого-биогеохимических зон, для каждой из которых характерны различные

климатические условия,

гранулометрический и химический состав пород и почв. Изучение

содержания микроэлементов во внешней среде и соотношения

концентраций между ними имеет большое теоретическое значение для выяснения этиологии заболеваний, установления пороговых

концентраций в водоисточниках,

кормах и пищевых продуктах и для разработки практических

мероприятий по предупреждению

эндемий.

Примечания

1. Авцын А.П., Жаваронков A.A., Риш М.А. и др. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология. М.: Медицина, 1991. 496 с. 2. Агаджанян H.A., Скальный A.B. Химические элементы в среде обитания и экологический портрет человека. М. : Изд-во КМК, 2001. 83 с. 3. Агаджанян H.A. Экология, здоровье и перспективы выживания // Зеленый мир. 2004. №13-14. С. 10-14. 4. Акаев Б.А., Атаев З.В., Гаджиева З.Х. и др. Физическая география Дагестана. М. : Школа, 1996. 384 с. 5. Алехин O.A. Руководство по химическому анализу воды. Л. : Метеоиздат, 1973. 272 с. 6. Аникина Л.В., Никитина Л.П. Se. Экология, патология, коррекция. Чита, 2002. 400 с. 7. Гиреев Г.И., Луганова С.Г., Салихов Ш.К. Биологическая реакция животных при различных соотношениях биофильных элементов в почве и растительности пастбищ Дагестана // Матер. Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы науки в России». Кузнецк, 2008. Bbin.V. Т.З. С. 21-24. 8. Ермаков В.В. Биогеохимия селена и его значение в профилактике эндемических заболеваний человека // Вестник отделения наук о Земле РАН. 2004. №1(22). 17 с. // URL: http//www.scgis.ru//russian/scpub-4.pdf. 9. Кашин В.К. Биогеохимия, фитофизиология и агрохимия йода. Л.: Наука, 1987. 261 с. 10. Королев A.A., Моденова ОА. Оценка токсичности марганца и железа при раздельном и совместном поступлении в организм // Гигиена и санитария. 1991. №11. С. 15-17. 11. Луганова С.Г. Влияние соотношения йода к фтору и йода к селену в почве и растительности на активность некоторых металлоферментов // Почвенные и биологические ресурсы южных регионов России. Махачкала : Изд-во ДНЦ РАН, 2004. С. 52-56. 12. Насолодин В.В., Гладких И.П., Дворкин В.А. Причины, диагностика и лечение железодефицитных состояний населения (обзор) // Гигиена и санитария. 1996. №1. С. 18-23. 13. Покатилов Ю.Г. Биогеохимия биосферы и медико-биологические проблемы. Новосибирск, 1993. 168 с. 14. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России: Учебное и справочное пособие. 3-е изд. М. : Финансы и статистика, 2001. 672 с. 15. Протасова НА. Микроэлементы: биологическая

роль, распределение в почвах, влияние на распространение заболеваний человека и животных // СОЖ. 1998. №12. С. 32-37. 16. Савчик С.А., Жукова Г.Ф., Хотимченко С.А. Йоддефицитные заболевания и их распространенность // Микроэлементы в медицине. 2004. №2. С. 1-9. 17. Сусликов В.Л. Геохимическая экология болезней. М.: Гелиос АРВ. 2000. Т.2. 672 с. 18. Яхияев М.А., Салихов Ш.К., Салманов А.Б. и др. Влияние концентрации микроэлементов Zn, Мп, Си, Со в почвах равнинной зоны Дагестана на распространение эндемического зоба // Вестник ДНЦ. №28. 2007. С. 53-56. 19. Aggett P.J. Physiology and metabolism of essential trace elements: An outline // Clin. Endocrinol. Metab. 1985. V.14. №3. P. 513-543. 20. Aiba S. Incidence ofsideropenia and effects of iron repletion treatment in women with subclinical hypothyroidism // Exp. Clin. Endocrinol. Diabetes. Vol. 107. 1999, No.6. P. 356-360. 21. Kvikata J„ Zamzaril L„ Soutorova M„ Tomiska F. Corellations between parameters of body selenium status and peripheral thyroid parameters in the low selenium region // Analist. 1995. Vol. 120, No.3. P. 959-965. 22. Pinchera A., Rago T„ Vitti P. Physiopathology of iodine deficiency // Ann. 1st. Super. Sanita. 1998. Vol.34. No.3. P. 301 -305.

Статья поступила в редакцию 29.06.2009 г.