Определение примесных и биогенных элементов в костной ткани человека при эколого-эпидемиологическом обследовании промышленных районов СНГ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

московский государственный заочный институт пищевои

промышленности

РГ6 ОД На правах рукописи

УДК 612.015.31:616.92:577.118

Чупятова Татьяна Сергеевна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСНЫХ И БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КОСТНОЙ ТКАНИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЭКОЛОГО-ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОМ ОБСЛЕДОВАНИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РАЙОНОВ СНГ

02.00.02 - аналитическая химия 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА-

1994

Работа i шолнена в Московской Медицинской Академии им. И.М. 'еченова

Научные уководители -

до; *р химических наук, профессор Ершов Ю.А. док ор химических наук, доцент Плетенева Т.В.

Официаль ¡ые оппоненты -

док1 ор химических наук, профессор Шер A.A. кандидат химических наук, с.н.с. Ширяева O.A.

Ведущая рганизация -

Мог овская государственная академия прикладной

бИОТСХН 'ТОГИИ

Защита . 'стоится " Л б " Лл/гЛиСг,? __1994 г.

в ¿У 1асов на заседании специализированного Совета К 063.45.1' 2 Московского государственного заочного института пищевой промышленности по адресу г.Москва, ул.Земляной ва 73

С диссе| гацией можно ознакомиться в библиотеке МГЗИПП.

Отзывы ! замечания по работе просим направлять по адресу г.Моске , ул.Земляной вал, 73, ученому секретарю

Автореф рат разослан " ¿1 5 "___1994 г.

Ученый екретарь совета кандида • химических наук, доцент

Г.Р.Касьяне

■ OHi

Общая характеристика работы

Актуальность. Увеличение антропогенного воздействия на среду обитания человека требует получения новых данных по оценке техногенных нагрузок на организм. Это вызывает необходимость расширения работ по мониторингу и, в частности, биологическому мониторингу - контролю за состоянием окружающей среды во времени и в пространстве с использованием биобъектов. Проведение биомониторинга требует разработки специальных методик подготовки проб для анализа, поиска адекватных методов определения различных примесных элементов, а также решения проблем оценки статистической достоверности количественных показателей анализа. Такие разработки, базирующиеся на современных достижениях аналитической химии, расширяют поток информации о гигиеническом состоянии окружающей среды.

Цель настоящей работы - разработка и усовершенствование методик анализа костной ткани человека для выявления зависимости элементного состава от возраста, пола, места проживания, а также для биомониторинга неорганических соединений при массовых эколого-эпидемиологических обследованиях.

Научная новизна. Разработаны и внедрены в практику новые методики: минерализации биоматериала в открытых системах (способ защищен авторским свидетельством №1027617) и минерализации в химических автоклавах1.

На основании многоэлементного анализа костной ткани методами атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС), атомно-

1Совместно с сотрудниками аналитического отдела Государственного научно-исследовательского и проектного института редко-металлической промышленности; зав. отделом чл.-коррр. РАН Карпов Ю.А., руководитель работ с.н.с. Орлова В.А.

эмиссионной спектрометрии с индукционной плазмой (АЭС-И П) и рентгено-флуоресцентной спектрометрии (РФС) выявлены закономерности накопления примесных и биогенных элементов в зависимости от пола, возраста и региона.

Проведены анализы 3 тыс. образцов костной ткани. Результаты анализов использованы для оценки экологического состояни различных регионов СНГ.

Создан банк данных по элементному содержанию и банк образцов для сравнительного анализа при определении биогенных и примесных элементов.

На защиту выносятся следующие положения:

- способ минерализации костной ткани в открытой системе;

- аналитические методики, включающие стадию автоклавной минерализации биоматериала с последующим многоэлементным анализом малого объема аналитического концентрата методом АЭС-И П;

- данные по накоплению примесных и биогенных элементов в костной ткани человека в зависимости от пола, возраста и места проживания;

- методы метрологической оценки результатов анализа большого массива образцов с учетом специфики биологического материала;

- обоснование выбора костной ткани человека как объекта биологического мониторинга неорганических соединений при массовых эколого-эпидемиологических обследованиях;

- рекомендации по использованию созданных банка данных по элементному содержанию и банка образцов костного материала

для ретроспективного и сравнительного анализов при эколого-эпидемиологических обследованиях.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: XIV Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, Ташкент, 1989; Всесоюзном совещании "Среда и продолжительность жизни", Звенигород, 1990; Всесоюзной научно-практической конференции "Химические и биологические методы в охране окружающей средь/'

Усть-Каменогорск, 1990; Межкафедральной конференции Московской медицинской Академии, 1992.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работа/(авторское свидетельство, статья, отчет по НИР, тезисы - доклада-) .

Практическая Значимость работы:

- разработанный способ минерализации костной ткани (авторское свидетельство №1027617) может быть использован при биологическом мониторинге техногенных регионов;

- методика многоэлементного анализа (АЭС-И П) в сочетании с автоклавной минерализацией (внедрена в ГИРЕДМЕТЕ - акт внедрения прилагается) имеет особое значение в связи с

^ комбинированными воздействиями токсических агентов на биологические объекты;

- впервые осуществлен анализ большого массива образцов костного материала и метрологическая оценка результатов проведена с учетом специфики биоматериала;

- анализ образцов костной ткани людей разного возраста, пола, места проживания позволил рекомендовать костную ткань для биологического мониторинга различных регионов;

- использование разработанных методик подготовки проб для анализа и современных методов анализа позволило: а) выявить различия в содержаниях примесных элементов (РЬ, Сс1, Ва, Бг, А:., АЭ, Сг, Ш, Zn, Си, Мп) у жителей техногенных и экологически чистых районов; б) оценить способность к накоплению элементов в зависимости от пола и возраста; в) выявить корреляцию при накоплении некоторых примесных и необходимых элементов;

- созданы банк данных образцов и содержаний костного материал (3 тыс. образцов), отдельные составляющие которых могут бьи рекомендованы для сравнительного анализа при биомониторинге регионов СНГ и других стран.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы и приложения. Изложена на /23 страницах машинописного текста, включает ЛР рисунков, <25"таблиц. Список цитируемой литературы составляет, наименований, из них 98 на иностранных языках.

В главе I обсуждаются особенности отдельных'стадий анализа биологических материалов, инструментальных методов анализа, а также биологическая роль элементов в организме.

В главе II описаны объекты и методы исследования. Дана характеристика разработанного способа минерализации костной ткани в открытой системе. Описаны условия применяемого в работе метода автоклавной минерализации с последующим анализе методом АЭС-И :п. Описаны условия подготовки пробы для анализа методом рентгено-флуоресцентной спектрометрии. Описаны особенности методов статистической обработки результатов анализа большого массива образцов костного материала.

Глава III содержит результаты анализа костной ткани и обсуждение их в плане метрологических оценок. Проводится сравнительная оценка результатов в зависимости от возраста, пола, региона, а также взаимного влияния элементов.

Материалы и методы исследования. В качестве материала для изучения элементного состава использовались костные биопсии, полученные при вскрытии трупов в судебно-медицинских экспертизах и патолого-анатомических отделениях больниц. При выполнении работы применяли современные методики и методы анализа - различные способы разрушения органической матрицы, атомно-абсорбционную спектрометрию, атомно-эмиссионную спектрометрию с индукционной плазмой, рентгено-флуоресцентную спектрометрию. Для контроля качества химического анализа применяли методы метрологической оценки с использованием большого массива образцов, учитывая специфику биологического материала.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ представленных литературных данных свидетельствует о том, что все определяемые элементы (РЬ, Ва, СсЗ, Эг, 7,п, Си, Мп, Сг, N1, АЭ, А1, Р, Б, Са) в той или иной мере являются остеотропными. Таким образом, механизмы их токсического действия включают и участие в процессах образования костной ткани. Не только усредненные по разным работам результаты но и результаты отдельных работ демонстрируют значительные вариации по каждому элементу. Это может быть связано как с особенностями биообъектов (зависимость содержания элемента от

пола, возраста, региона проживания, природы костного материала), так и с особенностями отдельных стадий анализа образцов (способом отбора проб, минерализации органической матрицы, выбранным методом анализа, метрологической оценкой результатов). Поэтому важной задачей настоящего исследования являлось выяснение причин вариаций содержаний каждого исследуемого элемента в изучаемом биологическом материале.

Для исследования использовался дистальный эпифиз бедренной кости. Условиями взятия биопсии являлись длительность проживания человека в данной местности не менее 10 лет и отсутствие злокачественных и инфекционных заболеваний или заболеваний крови.

Отбор биопсии осуществлялся с использованием единого методического приема, описанного в диссертации. Масса образц; была не менее 100 граммов.

Все экспериментальные данные получены для костного материала из трех зон: 1- населенные пункты, имеющие добывающую или перерабатывающую промышленность; 2 -промышленные районы, но без предприятий, добывающих или перерабатывающих данный элемент; 3 - населенные пункты, расположенные в сельских районах и не имеющие какой-либо промышленности. Было выбрано 23 населенных пункта в центральных областях Европейской части России, Средней Азии, Казахстана, Урала, Сибири и Дальнего Востока.

Анализ полученных результатов проведен с учетом возрасте и пола. Весь массив данных был разделен на 5 возрастных груп: А- до 20 лет; Б - от 21 до 30 лет; В- от 31 до 40 лет; Г - о1 41 до 50 лет; Д - свыше 50 лет.

Для разрушения органической матрицы нами предложен новый способ. Способ включает две стадии: "сухое" и "мокрое" озо-ление. Полученный после биопсии образец кости высушивали на чашке Петри в сушильном шкафу при температуре 105°С до постоянной массы. Полученный образец подвергали "сухому" озолению. Для этого точную навеску образца (2 г) помещали в фарфоровый тигль. Тигль с образцом переносили в муфельную печь и проводили озоление при 400°С в течение б часов. Длительность озо-ления определяли на основании специально проведенного эксперимента. Выбор температуры не случаен, так как при более высоких температурах возможны потери свинца. По завершении озо-ления муфельную печь охлаждали до 100-150°С, тигль вынимали из печи, охлаждали до комнатной температуры в эксикаторе над СаС12. Прокаленный образец имел белесо-сероватую окраску и внешне напоминал золу, образующуюся после сжигания древесных материалов. Далее осуществляли "мокрое" озоление. Для этого золу из тигля переносили в колбу Кьельдаля с 5 мл концентрированной азотной кислоты. Смесь подвергали нагреванию (слабое кипение). Нагревание продолжали до обесцвечивания раствора. Если проба не осветлялась,добавляли еще 3 мл концентрированной азотной кислоты и проводили дальнейшее озоление. Необходимо помнить, что повторное добавление азотной кислоты можно проводить только после охлаждения колбы до 40-50°С.

Полученный после упаривания в колбе Кьельдаля осадок белого цвета растворяли в 5 мл концентрированной НСС (35-38%). При необходимости можно облегчить растворение, слегка подогрев колбу.Бели в этом случае не происходит полного растворения

осадка, можно добавить порцию 10 мл бидистиллированной воды и снова нагреть раствор.

Полученный таким образом прозрачный раствор переносили в мерную колбу на 50 мл,доводили до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивали.

Для проверки адекватности разработанного метода озоления традиционному методу озоления смесью хлорной и азотной кислот по Кьельдалю было проведено параллельное озоление ряда образцов обоими методами. Ниже приведены результаты определения микроэлементов в образцах, озоленных двумя различными методами. Таблица 1

Результаты определения содержания кадмия (ААС) после минерализации костной ткани по разработанной (Ср) и традиционной (Ст) методикам

№ Ср*10, мкг/г Ст*10, мкг/г Ст-Ср * 100%

1 а 3 А

1 1,18 1,28 +8,47

2 1,14 1,55 +35,97

3 1,28 1,30 +1,56

4 1,11 1,39 +25,22

5 1, 13 1,00 -11,50

6 1,17 1,55 +32,48

7 1, 01 1,17 +15,84

8 1, 05 1,04 -0,95

Х±5 (Р=0,95) 1,13±0,07 1,28±0,17 ±13,39

После сравнения результатов по критерию Фишера (Гтабл.(99%;7;7) = 7,01, Грассч<= 6,45) они были оценены по 1-критерию. Найденные значения 1,82; tтaбЛí= 2,13 (95%),

2,95(99%)) свидетельствует о том, что разница средних не существенна .

В то же время разработанный способ характеризуется следующими преимуществами по сравнению с аналогами: прост и не требует громоздкой аппаратуры; безопасен; позволяет озолять в короткие сроки большие массивы образцов; позволяет избежать потерь легколетучих компонентов за счет снижения температуры процесса; не требует предварительной экстракции жира; позволяет снизить расход используемых реактивов.

Анализ проб после минерализации проводили на атомно-аб-сорбционном спектрофотометре фирмы Перкен-Эльмер модели 603 в графитовой трубчатой печи НСА-7 6. Для корректировки матричных помех применяли метод добавок.

Нами разработана и внедрена новая аналитическая методика определения содержания биогенных и примесных элементов в костной ткани человека, включающая стадию автоклавной минерализации биоматериала с последующим многоэлементным анализом методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индукционной плазмой (АЭС-И :п).

Для выполнения автоклавной пробоподготовки пробу (1 г) помещали в емкость-вкладыш, выполненный из кварца или тефлона, и размещали в реакционной камере, содержащей растворяющий агент. В качестве растворяющего агента использовали

концентрированные соляную и азотную кислоты в оптимальном соотношении (1:1) . При других объемных соотношениях реагентов после минерализации на поверхности раствора обнаружили капли жира, что сивдетельствовало о неполном озолении костного материала. Камеру с содержимым закрывали тефлоновой крышкой, герметизировали в корпусе автоклава, помещали в электронагреватель на 3 часа и выдерживали в выбранном температурном режиме (225-230°С) .

После проведения операции нагрева автоклав помещали на теплообменник. По окончании процесса автоклавной пробоподго-товки емкость-вкладыш вынимали из камеры. Аналитический концентрат переводили в объем 10 мл и подвергали анализу.

В условиях автоклавной минерализации при выбранном температурном режиме и соотношении реагентов удавалось обеспечить полноту окисления органической матрицы. Этому способствовала постоянная (в течение всего периода минерализации) плотность паров кислот, а также реакционно активных продуктов их взаимодействия - CI2, NOCI, NOx и продуктов разложения органической матрицы.

Для сравнения костную ткань минерализовали традиционным способом в открытой системе. Как и следовало ожидать, те же количества реагентов не позволяли осуществлять полную минерализацию биоматериала. Наблюдали образование смолообразных продуктов или остатков жира,для дальнейшего окисления которых требовалось многократное.увеличение количеств кислот-окислителей . В некоторых опытах после минерализации были обнаружены высокодисперсные черные частицы, нерастворимые в

кислотах-окислителях даже при нагревании. Результаты сравнительного анализа приведены в табл.2

Таблица 2

Результаты (мкг/т) анализа костной чкани по методикам 1-4*) на

содержание меди, цинка, хрома и марганца _(навеска - 1г, п=10, р=0,95)_

Определяемый элемент 1 2 3 4

Медь 7,7+0,3 4,9±1,7 7,8+0,7 3,7±2,4

Цинк 69+2,0 31±22 67±8 28±2 6

Хром 1,5±0,1 0,6±0,5 1,8±0,4 0,9±0,8

Марганец 4,2±0,3 1,9+2,1 3,8+0,5 2,3+1,4

*) 1 - автоклавное концентрирование с АЭС-И П, 2 - концентрирование в открытой системф АЭС-И ГГ, 3 — автоклавное концентрирование с АЭС (дуга постоянного тока), 4 - концентрирование в открытой системе с АЭС (дуга постоянного тока).

Таким образом, разработанная методика позволила обеспечить полноту минерализации органической матрицы аналитической пробы костной ткани, достигнуть количественного переведения пробы в раствор с получением концентрата в форме,оптимальной для анализа атомно-эмиссионным методом.

Кроме того, пробоподготовка костной ткани в замкнутом объеме аналитического автоклава при повышенных давлении и температуре позволила существенно сократить работу с токсичными веществами в открытой системе, повысить правильность анализа.

Определение кальция, фосфора и серы осуществляли методом рентгено-флуоресцентной спектрометрии на приборе VRA-2 (Carl-Ceis) .

В таблицах^—представлены результаты определения содержания свинца в костной ткани человека для разных регионов, возрастных групп, полов, а также усредненные данные по всем возрастным группам.

Судя по полученным результатам, мощность промышленных источников загрязнения в 1-й и 2-й зонах значительна и существенно влияет на накопление свинца по сравнению с условиями сельской местности (t1.3=4,43, t2_3=9,84, Р<0,001).

Подтверждением этого является повышенное накопление свинца в костях жителей старшей возрастной группы (рис. 1 и табл.,?.)- Статистическая оценка различий средних значений по t-критерию для возрастных групп А и Б с одной стороны, и Д - с другой, демонстрирует их достоверность (tA_fl=4,03, Р<0,001, tB_B=2,85, Р<0,01). Таким образом, содержание свинца у жителей промышленных регионов в возрасте выше 50 лет превышает уровень этого элемента у молодого населения.

Внутр.! 3-ей зоны не выявлено закономерностей преимущественного накопления свинца в костной ткани ни по возрасту ни по полу (табл.£, рис.1,2).

Оценка степени варьирования результатов и границ доверительных интервалов средних величин проведена также при исключении "выскакивающих" вариант (табл.£) . Значительное различие средних для первой зоны (9,7 и 7,8 мкг/г) объясняется большим числом "выскакивающих" вариант - 9 из 447 (2% от всегс массива данных). Во 2-ой зоне число "выскакивающих" вариант

Таблица В

Зависимость содержания свинца от пола и возраста в первой зоне (). г.жг/г)

Возрастные л группы ' Ойцее кол-ве образцов Содержание Кол-во образ- Содержание Кол-во образ-■ цов (жещи-ны) Содержание

в сухой кости в золе цов 'мужчи ны) в сухой кости в золе в сухой кости в золе

"А" II 4,23-0,92 13,77*1,31 8 5,22±1,П 16,79*3,71 3 1,79-0,44 5,72*1,98

"Б" 62 5,01±1,79 17,03±5,87 53 5,11-2,02 17,61*6,63 9 4,38*1,71 16,34*5,42

"В" X G,66±ü,58 21,64*1,81 87 6,79*0,62 2-2,01*1,94 9 5,47*1,80 18,08*6,01

IÍJ4I 100 II,95±4,54 25,22±12,6 81 13,58*5,23 40,00*14,5 19 5,03*1,18 14,96*4,20

"Дм. 187 I2,0I±I,68 35,4I¿[,90 116 13,09*2,18 37,59*2,46 71 10,23*0,79 31,84*2,48

Среднее по "А"-' ^456 9f73±I,76 29,45*4,88 345 10,21*2,11 30,68*2,50 III 8,25-0,56 25,64*1,78

к)- "А" - до 20 лет; "Б" - 21-30; "В" - 31-40; "Г" - 41-50; "Д" - 51 и старше

Таблица^

Зависимость содержания свинца'от пола и возраста во второй зоне((сит/з)

Возрастные у> группы

Ойцее кол-во образ гов

Содержание

в сухой кости

в золе

Кол-во образцов (мужчин)

Содержание,

в сухои кости

в золе

:\ОЛ-ВО

образ цов

Сдан-щин)

Содержание,

в сухой кости

в золе

"А" 60 6,68*0,85 22,92*2,71 48 6,13*0,51 21,07-2,67 12 8,96*2,6£ 30,33*8,56

"Б" 214 8,61*0,48 28,19*1,62 187 8,76-0,54 28,67*1,83 27 7,61¿0,80 24,91-2,56

"В" 276 5,78*0,24 18,85*0,96 233 5,86*0,26 19,12*1,05 43 5,40± 0,49 17,40*1,55

при 442 8,77*0,30 29,87*0,92 369 8,55*0,27 29,50*1,01 73 9,88*1,40 31,75*2,86

"Д"' 889 9,76*1,01 31,30*1,73 522 10,20*1,41 31,03^2,31 367 9,13+0,48 31,69*2,69

11 1 1,1 ■ ч-

П?881 8,71*1,58 28,52±0,96 1359 8,67^58 27,96*0,96 522 8,84*2,15 30,14*0,84

я) "Л" - до 20 лет; "Б" - 21-30; "В" - 31-40; "Г" - 41-50; "Д" - 51 и старше

Тайшща.э

Зависимость содержания свинца от пола и возраста в третьей зоне ( , :.~:г/г)

Возрастные N группы" Общее кол-во Содержание! КОЛ—Б< образ- Содержание, Сол-во збраз- Содержание;

образцов в сухой кости в золе цов (мужчины) ■ в сухой кости в золе цов I жен-чины) в сухой кости в золе

"А" 2 4,31*3,27 22,06*18,38 I 1,11 4,05 I 7,51 40,07

"Б" 10 1,83*0,50 7,25*2,53 10 1,83*0,50 7,25*2,53 - - -

"В" . 14 2,44*0,60 8,бб±г,бб 10 2,50*0,60 9,97*2,64 4 2,28*0,50 5, 43*1,00

"Г"' 27 2,44*0,23 8,30*0,76 26 2,49*0,23 8,49*0,76 I 1,12 3,39

"Д" . 60 1,93*0,26 7,16-0,87 39 2,02*0,24 '6,98*0,84 21 1,76*0,18 7,50*0,80

Среднее по ттд "А"—"Д" 2,15*0,18 7,89*0,75 86 2,18*0,17 7,78*0,64 27 2,03*0,13 8,24*0,55

к _ "А" - до 20 лет; "Б" - 21-30; "В" - 31-40; "Г" - 41-50; "Д" - 51 и старше

Таблицаi

Статистические характеристики результатов исследования содержания свинца в сухой кости э разных зонах

Статистические показатели

ЗОНЫ

к cd <и к К & й и

(xis-),i.xr/r п

Педианэ

Мода

Разброс

Р1-2 <С,001 Pj^ <0,001

р2-3 ^

7,81 ± 0,21

447

5,5

1,5

0,14 - 49,5

8,55 ± ОДС I8SI п к

I ,э

С ,5

0,22 - 49,Е

2,26 ± 0,18

ИЗ

1,5

0,5

0,11 - S,2?

,ш:г/г 9,73 ± 1,76

п 456

Медиана 6,5

Мода 1,5

Рг_? - не достоверно Pj_2< С,00f

Р9 о <0,007.

а,71 ± 1,56 1883

7,5

б,5

2,15 ± ода из

1.5

0,5

до 20 21-30 31-40 41-50 более

лет лет лет лет 50

лет

Рис. 1 Гистограммы накопления свинца в костной ткани для разных возрастных групп и зон с различной техногенной нагрузкой

со

Возраст, лет

Возраст, лет

Рис. ^ :шисимость содержания свинца в костной ткани мужчш (а) и женщин (б) от возраста

равно 12 из 1861 (0,6%). В 3-ей зоне "выскакивающие" варианты вообще отсутствовали. Это является одним из показателей, позволяющих характеризовать 3-ю зону как экологически чистую, с естественным содержанием свинца в костной ткани.

Средние значения содержания бария в костном материале для мужчин, женщин для исследованных зон, для пяти возрастных групп представлены в диссертации так же подробно, как это показано в автореферате на примере свинца. Статистическая оценка полученных результатов позволяет сделать следующие заключения. Средние значения по обоим полам и всем возрастным группам достоверно отличаются для 1-ой или 2-ой зон с одной стороны, и 3-ей зоны с другой: ^_3=4,36 (Р<0,001) и 12_з=3,11 (Р<0,01). Средневзвешенные значения (по всему массиву образцов ; без исключения "выскакивающих") еще больше различаются для !

разных зон: ^.3=6,26; t2.з=3,92 (Р<0,001). Таким образом, как и } в случае свинца, содержание бария в костях людей, проживающих ¡'

в экологически безопасных регионах, заметно ниже по сравнению 1-

с промышленными зонами (рис.3) . При накоплении бария не *

ь

обнаружено изменений, связанных с возрастом или полом. |

Сравнение средних, полученных без исключения и с исключе'нием "выскакивающих" вариант, указывает на существенное | различие для промышленных зон (табл.7). Число "выскакивающих" вариант составляет 41 от всего массива данных как для 1-ой, так и для 2-ой зоны. В 3-ей зоне "выскакивающие" варианты отсутствуют. Р

I:

По литературным данным содержание бария в костях ^

"стандартного" человека равно 2 мкг/г.

до 20 21-30 31-40 41-50 более

лет лет лет лет 50

лет

Рис.3 Гистограммы накопления бария в костной ткани для разных возрастных групп и зон с различной техногенной нагрузкой

Го

Таблица? .

Статистические характеристики результатов исследования содеркания бария в сухой коста в разних зонах

Статистагчесие 3 0 II И

показатели

I 2 3

Э (Х-3—), икг/г л 2,52 1 1348' 0,04 2.Ы 1050 + 0,04 1,65 ИЗ + 0,11

1—1 о Медиана 2,25 2,25 1,25

я Мода 1,75 2125 1,25

о § Разброс 0,28 - 9,99 0,55 - 9,75 0,42 - 5,58

а р, О) й Р и Р1-2 ^ 0,001

о Ы к д о Р1_3 <0,001

Р2-3 < °'С01

(Х-З^), мт/г 3,43 ± 0,40 3,84 + 0,70 1,65 А. 0,10

/I 1412 1222 из

& го ей # О Медиана 2,25 2,25 1.25

Мода . I,75 Рт_о - не достоверно 2,25 1,25

05 О РЧ ?1_3 * °»05

р2_з < о,о:

Обнаружена зависимость накопления кадмия от района проживания (рис.4), наибольшее содержание кадмия - в костях жителей 1-ой зоны, наименьшее - у жителей зоны 3. Разница достоверна как для 1-й и 2-й зон (11_2=2,47;Р<0,02), так для 1-й и 3-й (^.3=3, 98; Р<0, 001) и 2-й и 3-й (1:2_3=3,13, Р<0, 01) . Зависимость накопления кадмия от возраста обнаружена для жителей 1-ой зоны. Особенно заметно увеличение накопления в старших возрастных группах: 1:А_Г=2,08, Р<0,05, ^.д=3,92, Р<0,001.

Исключение "выскакивающих" вариант несколько понижает среднее значение кадмия, в костной ткани жителей 1-й и 2-й зон (табл.8). Но перечисленные выше статистические закономерности сохраняются и в некоторых группах проявляются даже более четко из-за сужения доверительных интервалов.

Различия средних, полученных без исключения и с исключением "выскакивающих" вариант (табл.8) обусловлено большим числом "выскакивающих" для 1-ой зоны (1,6%) и 2-ой зоны (1,2%). В зоне 3 "выскакивающие" варианты отсутствовали.

Средние значения содержания стронция, полученные без исключения "выскакивающих" вариант, не имеют существенных различий для разных зон. При исключении "выскакивающих" вариант различия между промышленными регионами (зоны 1 и 2) и экологически чистой зоной становятся достоверными: {:1_3=2,2 9 (Р<0,05) и 12_3=2,26 (Р<0,05) (табл.9).

Из полученных результатов следует, что в зоне 1 наблюдается достоверное снижение стронция в костном материале в зависимости от возраста (рис.5). Наименьшее содержание стронция обнаружено в старшей возрастной группе (Р<0,001).

до 20 21-30 31-40 41-50 более

лет лет лет лет 50

лет

Рис. 4 Гистограммы накопления кадмия в костной ткани для разных . возрастных групп и зон с различной техногенной нагрузкой

ТЗсе образца

h-f "г

СчЭ н'

•л <ч

(3 -J

п

УЧ 1-1 V-I

b

о о

M

о Î?

го

»-4

s

PJ

JS

й ч

V I M I -t til

05

Cl

го H

О

I—I CT

to i *

oí M

Нг*

14

О

о CT)

!—1 M ы

« •ш

СП со 8

H

о

—

о

со

С исключением "вкскакива-кщих" вариант

■-Г) *т1 TJ

M M M

¿o ¿0 1 ÎO

л А /s

о О CD

о f'j С )

О ô Ô

t~l Ы

m р

ш СХ

V О О

о

0 I-со

1

О

-о

о

0

t I

1

со

V?

К')

из

1

t.!'

о о

г; (D

а

№

? И

i- t

i -i

i-t en

ГО еР*

M

I-i

СО Со 1—1

и "on

1-1

M

со

о о í=) ф

» I

Í4 И О

я

о S:

О >-ä Р нЭ

Л

СО

о

s

-g

t-î

CD 'Й О 1-3

о

О

1-3 ÍD

« да

ш

ш о к

в

ы

tr1

в р

ьЭ

о

ы

s о о ti <0 Ъ| о

W

1-3 р

в»

1ч.

Все образш

*р

го ы м

¿у' ¿>

1 Я а 1

ГО СО го

1=1 й ы

о о о

о о о

« >-3 ►3

о о о

м ы ы

го го со

*Й •п

к к к

о о о

о

ь

¡В

то

I

р

ГО со

<*

-0 го ш

сп сл сл

|

|+

м

Н1 »—'

Г

4

Сл> 1 +

О м

{О ш

<3 СГ)

сл сл

о

го ел

-о

м го м

- м

ГО <1 СО

СЛ сл

о

Ъ <1

С исключением "выскакивающих" .вариант

у

Т) Ч)

рз

«ь

/ч Л

о . о

о to

о

Q

Ш

Ol

о о

о 3=1 Р5

§ О

§ р

ta о

CD СП

Ч .

° M

го tfs»

I

1-4

со Ol

M

"-о

CD Ö

со со M

к> £

СЛ СЛ CD

•sJ Ol

{О Ol

X I

й-Kl

IR Й

\ Ч

со

СО

IT

о

ГО со

-3

сл

го го

-о сл

С£>

со

to

M M

со

о

СП

со 1о

и 1+

О «•

0

01

со

л* от

н-

о

50

40 -

С, мкг/г 30 20 10

1 "ЧЧЯ

'"Шша

€М¥&

/'' Г <

\'г!:-% «

/Г

ДО

!/ / * % /

/ /

* //

ш

г

/

/1-

11

ЩШ-

Шш.

31-40 лет

41-50 лет

□ Зона 1

□ Зона 2

□ Зона 3

более 50 лет

20 лет 21-30 лет

Рис.5 Гистограммы накопления стронция в костной ткани для разных возрастных групп и зон с различной техногенной нагрузкой

го ев

а э

Наблюдается преобладание накопления стронция в костном материале мужчин по сравнению с женщинами ^м_ж=4,24, Р<0,001).

Никаких статистически значимых различий между отдельными группами зоны 3 не выявлено. Тем не менее, наибольшее содержание, как и у жителей 1 и 2 зон, приходится на возрастную группу А (до 20 лет). Содержание стронция в скелете "стандартного" человека колеблется от 17 до 66 мкг/г.

Для оценки содержания макроэлементов (Са,Р и Б) в костной ткани человека при накоплении примесных элементов были проанализированы (прибор УЯА-10, Саг1-Се1з)* костные материалы 330 образцов жителей Москвы (зона 2) и Подмосковья (зона 3).

Уровень содержания кальция в костной ткани человека занимает определенный "коридор" значений (рис.6). При этом у мужчин наблюдается снижение уровня кальция с возрастом. У женщин такая зависимость не обнаружена. Не выявлены возрастные, половые, региональные различия в уровнях содержания фосфора, серы в костях.

В качестве примера в таблице 10 представлены результаты определения кальция, фосфора и серы для трех образцов.

щ

■Л.'.'

I

I

I,

5«:

Таблица 10

Содержание макроэлементов в костной ткани человека

а»

Номер образца, число образцов Содер> кание, % (сухая I (за§) сость)

£ Кальций Фосфор Сера

309 38,3±0,4 14,5 ±0,1 0,2710,01

ш

1

ш

Совместно с снс Фертиковым Б.И.

К.

В-

Рз

СССа>.1.08

отн.ед.

0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70

0 10 20 30 40 50 80 70 80

Возраст, лет

Рис. б . Изменение содержаний кальция в костаой ткани 'муотин с возрастом для различных регионов -

Проло.п'-кс-нп« тчолпиы iü

321 3 8,5±0,4 14,2 ,±0,2 0,22±0,01

324 38,8±0,2 15,0 ±0,5 0, 24±0,03

£п=330 38,5±0,2 14,6±0,2 0,24±0,01

Для изучения корреляции при накоплении необходимых и примесных элементов нами было отобрано 11 образцов, для которых содержание хотя бы одного из примесных остеотропных элементов (РЬ, Ва, Сс1, Зг) превышало среднее значение по региону для данного пола и возрастной группы.

После автоклавной минерализации образца определение А1, СсЗ, Сг, Си, Мп, Ыз., Эг, РЬ, Zn проводили из одной пробы аналитического концентрата методом АЭС-ИСП (табл^). Мышьяк определяли ААС с эффектом Зеемана*.

Ранжирование результатов анализа по свинцу (рис.7) показало, что для различных зон проживания содержание свинца в эпифизе бедренной кости человека колеблется от 0,0 до 74 мкг/г. Данные по другим примесным элементам не ранжируются по схеме свинца. Например, корреляция в накоплении таких токсичных элементов как алюминий, кадмий и свинец отсутствует.

Было также показано, что зависимость содержания биогенных элементов (цинка, меди, марганца и хрома) от содержания свинца отсутствует. В то же время при накоплении кадмия в костной ткани растет и содержание цинка. Корреляционная зависимость подчиняется уравнению прямой у=12,2х+70,2 с коэффициентом корреляции 0,81. Полученные данные находятся в соответствии с защитным действием цинка при ингибировании кадмием щелочной

* Определение проводили совместно с аспирантом Избаш O.A. в аналитическом отделе ГИРЕДМЕТа.

ТаблицаЯ.

Результаты определения необходимых и токсичных элементов в эпифизе бедренной кости человека

Характеристика образца Содержание элемента, мкг/г

№ Зона Пол Возраст А1 А5 са Сг Си Мп N1 РЪ 5г гп

I 2 м 45 87±5 2.7+0.3 5,4+1.1 4,7±0,7 3.0+0.2 74±3,2

2 2 м 42 480±9 1,5±0.2 6.7±0.8 2.1+0.5 23±1.0 28+1.5 92+45

3 1 м 50 48±1 0.19±0,01 1.8 ±0.3 4.0+0.3 2.4+0.6 104+4.3 66±3,2

4 ^ м 44 34+1 0.16±0.02 2.3 ±0.5 1,7+0.2 2.5±0.5 31 + 1.2 47±3.1

5 2 м 47 170+8 0.9+0,3 4,1±0.3 8.8+1.5 2.2 ±0.5 3±0.2 13+0.8 76±5.5

6 2 м 48 170+8 2.8±0.3 5.2+0.6 4.5±0.7 3.1 ±0.2 4+0.1 71±1,2

7 2 м 44 550+10 3.1±0.5 24±1,0 6.9±0.3 16+0.5 77±13

8 2 ж 40 69±5 0.02+0.00 2.5±0.3 4.6+0.5 1.0±0.2 7.3±0.6 7+0.4 г>з±15

9 2 ж 41 150+2 0.73+0.01 2,5±0,3 7.3+0.6 2,4±0.5 9.1±1.2 16+0.6

10 2 \! 45 43±1 1.3±0.01 2,0±0.3 0.9±0.8 2.6±0,5 9.3±0,9 25±0.4 86±3,0

и 1 м 45 72±2 0.16±0.01 2,8±0.8 6.1*0.5 74 ±5.5 82+1.6 61 ±0.9

tl

i II

1

1

1

1

d

CZ

С

1 с 1

S

05 ts <û

<N v.

Ê?

W о

IJ

r¡

SS О

с., со

It

cj

о

H II H

^ I

t;¡

ü

Си

Í4 OJ 0> ° f¡4

W \A о

s s

fi

<N

s

фосфатазы - фермента, участвующего в формировании остеобластов. Кроме того, установлено, что изменение содержания меди, цинка, марганца и хрома сопровождается закономерным накоплением алюминия в костной ткани (рис.8). Пр этом медь выступает в роли элемента-антагониста, а для цинка, марганца и хрома наблюдаются синергические эффекты накопления

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о конкурирующем действии токсичных кадмия и алюминия и необходимых микроэлементов при накоплении в костной ткани. Выявить аналогичную взаимосвязь с макроэлементами не представлялось возможным вследствие различия рассматриваемых содержаний на несколько порядков. ВЫВОДЫ

1. Определено содержание примесных (РЬ, Ва, Сс1, Бг, Сг, N1, Аэ) и биогенных (Са, Мд, Р, Э, Мп, йп) в большом массиве образцов (до 3 тыс.) костной ткани человека с учетом пола, возраста для оценки экологического состояния регионов СНГ.

2. Разработан способ минерализации костной ткани, включающи методику комбинированного ("сухого" и "мокрого") озоления биологического материала в открытой системе.

3. Разработана новая аналитическая методика определения содержания биогенных и примесных элементов в костной ткани человека, включающая стадию автоклавной минерализации биоматериала с последующим многоэлементным анализом методом АЭС-И' П.

ââr

4. Проведена метрологическая оценка результатов анализа большого массива образцов при эпидемиологичеком обследовании промышленности регионов.

5. Установлено, что содержание свинца в костной ткани жителей промышленных зон не зависит от пола и значительно выше, чем в сельской зоне - (2,15±0,18) мкг/г.

6. Получена зависимость накопления бария в костной ткани человека от зоны проживания: в костях жителей промышленных 30J содержания бария существенно выше (8,8±1,5) мкг/г, чем жителе£ сельской зоны (2,0±0,2) мкг/г. Закономерности накопления бария, связанные с полом и возрастом людей, не обнаружены.

7. Установлено, что содержание кадмия в костном материале зависит от района проживания : (1,39±0,01)* 10"1 мкг/г -промышленная зона и (1,0210,04)* Ю-1 мкг/г - сельская зона. В сельской зоне возрастные изменения в накоплении кадмия отсутствуют.

8. Установлено, что содержание стронция в костной ткани жителей промышленных зон (41,3114) мкг/г выше, чем в сельской местности (37,716,7) мкг/г. У мужчин промышленных зон накопление стронция больше (4 5,012,0) мкг/г.

9. Обнаружено снижение кальция с возрастом у мужчин в промышленной и сельской зонах.

10. Методом корреляционного анализа установлено влияние элементов в костной ткани человека; выявлены синергические (Zn-Cd; Zn, Cr, Mn-Al) и антагонистические (Cu-Al) эффекты накопления необходимых и примесных элементов в условиях комбинированных воздействий неорганических соединений в промышленных зонах.

11. Научно обоснован выбор костной ткани человека как объекта биологического мониторинга в регионах с загрязнениями неорганическими соединениями.

12. Разработаны рекомендации по использованию созданного банка содержаний элементов и банка образцов костного материала для ретроспективного и сравнительного анализов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих

публикациях:

1. Ершов Ю.А., Рощина Н.А, Чупятова Т.С. Способ минерализации костной ткани // A.C. №1027617. Бюллетень.-№25,-1983г.

2. Чупятова Т.е., Ершов Ю.А., Пихлак Э.Г. и др. Сравнительный анализ накопления свинца, бария, кадмия и стронция в костной ткани населения, проживающего в различных районах СССР. // Отчет по заданию ГКНТ - » гос.per. 78056422.-1980 г.

3. Чупятова Т.е., Пихлак Э.Г., Ершов Ю.А. Содержание свинца, бария, кадмия и стронция в костной ткани жителей сельской местности. // Ж.Вопросы мед.химии.-1986 г., т.36. №4.с.144.

4. Ершов Ю.А., Плетенева Т.В., Чупятова Т.е. Термодинамические и кинетические аспекты токсичности неорганических соединений. Тезисы докладов XIV Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, Ташкент, 1989, т.2, сс.525-526.

Заказ 255

Объём 1,35 п.л

Издательство "Русский язык1