О соотношении мышьяка и сурьмы в биогеохимических провинциях как факторов риска здоровью

В биогеохимической провинции живые организмы вынуждены перестраивать свои жизненные процессы. Это приводит к формированию специфического дисбаланса элементов в организме, который необходимо устранять посредством специальных медико-профилактических технологий [1–4].

Поглощение химических элементов из окружающей среды теплокровными организмами зависит как от химических свойств и агрегатного состояния элемента, его количества, сопутствующих элементов, а также свойств тканей организма, контактирующих с ними [5]. Такое множество условий делает поглощение химических элементов организмом ситуационно обусловленным процессом, поэтому в условиях биогеохимических провинций требуется установление характерных для каждой провинции закономерностей поступления, накопления и выведения элементов из организма. В связи с такой множественной зависимостью токсического действия химических веществ И.М. Трахтенберг [6] отмечал необходимость обязательного исследования в биогеохимических провинциях количественного суммарного загрязнения среды обитания человека для разработки эффективных профилактических мероприятий.

Более чем полувековое изучение биогеохимических аномалий природного и техногенного характера позволило определить перечни веществ, причины и условия образования биогеохимических провинций, сформулировать закономерности их возникновения, выработать тактику и стратегию мероприятий по обеспечению профилактики нару-

шений состояния здоровья населения [7]. Увеличение промышленного производства требует нового ресурсного обеспечения на основе новых технологических решений как в области производства, так и разведки новых и рекультивации использованных ранее месторождений полезных ископаемых [8].

Мышьяк относится к числу широко распространенных элементов, содержащихся во многих минералах особенно металлсодержащих. Мышьяк является металлоидом, то есть занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами, и поэтому для поиска закономерностей его рассеивания определенный интерес связан с анализом биогеохимических свойств других металлоидов, например, сурьмы – также веществом, издревле используемым человеком и, что важно, также сопутствующим многим металлам [9]. Сурьма (Sb) и ее соединения на 43-й Сессии Всемирной Ассамблеи здравоохранения, проходившей в Женеве в 1990 г., внесены в перечень токсичных или опасных веществ, требующих первоочередного внимания [10, 11].

Металлы и металлоиды обладают общей способностью взаимодействовать с сульфгидрильными группами биологических молекул, участвующих в проведении нервных импульсов, процессах тканевого дыхания, мышечного сокращения, проницаемости клеточных мембран и т.д. В результате реакции ионов металлов и металлоидов с SH-группами образуются нерастворимые соединения – меркаптиды, что приводит к нарушению течения ряда биохимических процессов, лежащих в основе развития отравления [12].

Цель исследования состояла в сравнительном анализе параметров токсикометрии и токсикокине-тики мышьяка и сурьмы в условиях их биогеохимической аномалии.

Мышьяк уникален тем, что он встречается повсюду: в минералах, в горных породах, в почве и воде, в растениях и животных. Среднее содержание мышьяка в реках – 3 мкг/л, в поверхностных водах – около 10 мкг/л, в воде морей и океанов – всего около 1 мкг/л1. В почвах содержание мышьяка обычно составляет от 0,1 до 40,0 мг/кг. В области залегания мышьяковых руд, а также в вулканических районах в почве может содержаться очень много мышьяка – до 8 г/кг [13].

Повышенные концентрации мышьяка в почве геологической среды могут отрицательно сказаться на сельскохозяйственных культурах, поскольку мышьяк становится частью пищевой цепи [14]. Геохимический фон в компонентах ландшафтов, окружающих хвостохранилища горнодобывающих предприятий, характеризуется высоким уровнем загрязнения мышьяком (As) – 57–300 мг/кг [15]. В растениях, произрастающих на территории природно-техногенного ландшафта, концентрация As варьируется довольно широко: от значений ниже 0,001 до 847,29 мг/кг. Среднее содержание As в растениях этого ландшафта в 2,7 раза превышает таковое в растениях карьерно-отвального ландшафта и почти в 28 раз – в растениях природного ландшафта [15]. Миграция мышьяка в окружающей среде происходит и в виде летучих мышья-корганических соединений [13].

В живом веществе мышьяка в среднем содержится около 6 мкг/кг. Суточное поступление мышьяка в организм человека весьма незначительное – от 50 до 100 мкг, а период полувыведения составляет 30–60 часов2. Попав в организм, мышьяк концентрируется в щитовидной железе, печени, почках, селезенке, легких, костях, волосах, мозговой ткани и в мышцах. Имеются данные о том, что накопление мышьяка в щитовидной железе способствует развитию эндемического зоба [16].

Хронические эффекты мышьяка выражаются в поражении кожи, нейротоксичности, сердечнососудистых заболеваниях, диабете и раке. Международным агентством исследований рака (IARC) мышьяк и его неорганические соединения классифицируется как Carcinogenic to Humans (группа I) (IARC, 1980 [17]). Комитетом по загрязнению пищевых продуктов Европейского агентства (EFSA) установлено, что переносимое еженедельное потребление мышьяка (Provisional tolerable weekly intake) не превышает 15 мкг/кг·сут (EFSA contam PANEL, 20093 [18].

Геометрические средние уровня мышьяка в пуповинной крови рожениц – 0,92 ± 1,01 нг/мл при 0,43 ± 0,88 нг/мл ( n = 296) у здоровых младенцев [19]. При пероральном однократном воздействии мышьяковистого ангидрида в дозе 30 мг/кг установлено торможение процесса элиминации мышьяка из организма, что совпадает с порогом острого действия мышьяковистого ангидрида по изменению содержания SH-групп крови⁴.

В организме кур, получающих мышьяк с кормом в дозе 0,5–5,0 мг/кг, содержание мышьяка в мышечной ткани составляло 0,11–0,20 мг/кг, в печени – 0,09–0,12 мг/кг, в почках – 0,09–0,34 мг/кг и в яйцах – 0,12–0,24 мг/кг5.

При пероральном введении мышьяка оксида (As2O3) в организм овец в дозе 0,5 мг/кг массы животного в течение трех месяцев клинических симптомов интоксикации не наступало. Но в почках, коже, печени и селезенке его накапливалось в количестве 0,2–0,3 мг/кг; в мышечной ткани и легких животного – около 0,12 мг/кг; в сычуге, двенадцатиперстной, тощей и подвздошной кишках животного – около 0,25–0,3 мг/кг [20].

Для эндокринной системы человека токсичными являются высокие концентрации As в питьевой воде – 200–500 мкг/л [21]. У больных сахарным диабетом 2-го типа кумулятивные экспозиции мышьяка с пищей и питьевой водой выше, чем у здоровых лиц [22, 23], что подтверждает необходимость дальнейших исследований роли умеренных и низких доз As в воде (50–200 мкг/л) [24].

На моделях культур клеток животных показано, что мышьяк действует как эндокринный разрушитель. Обнаруживаются нарушения гена экспрессии стероидного рецептора (SR) в клетках, обработанных неорганическим As (арсенит, iAs (+3)). Низкие концентрации iAs (+3) (0,1–0,7 мкМ) стимулируют гормониндуцируемую транскрипцию, а более высокие нецитотоксические уровни мышьяка (1–3 мкМ) ингибируют транскрипцию [25].

Сурьма сравнительно мало – 4·10^–5 % – распространена в земной коре, хотя так же, как и мышьяк, может иметь высокие концентрации в отдельных регионах [26]. В природных условиях сурьма обычно имеет валентность +3, реже +5 [27]. Наиболее часто встречаются соединения трехвалентной положительно заряженной сурьмы (сульфиды, тиосоли, антимониты, триоксид), затем трехвалентной отрицательно заряженной (антимониды). Соединения пятивалентной сурьмы в природе встречаются очень редко. Из минералов, содержащих сурьму, наиболее распространенным является сурьмяный блеск (стибит, антимонит) – Sb 2 S 3 , находится он в гидротермальных месторождениях в виде жил сурьмяных руд и пластообразных тел [28].

Фоновое содержание сурьмы в верхнем слое почв (в мг/кг): дерново-подзолистые – 0,76, черноземы – 0,99, торфяные – 0,28. В водах рек Сибири (Иртыш, Обь, Томь, Амур) содержание сурьмы составляет 0,0007–0,002 мг/дм3 5.

Содержание сурьмы в тканях деревьев и кустарников, которые растут в районах рудной минерализации, достигает 7–50 мг/кг сухой массы, при этом ее среднее содержание в наземных частях растений оценивается в 0,06 мг/кг сухой массы. В съедобных растениях концентрация сурьмы колеблется в пределах 0,02–4,30 мкг/кг сырой массы. Содержание сурьмы в зерне кукурузы и клубнях картофеля не превышает 2 мкг/кг сухой массы, а в травах достигает 29 мкг/кг. Концентрация сурьмы в корневой системе ячменя и льна равняется 122 и 167 мкг/кг сухой массы соответственно, что значительно выше содержания в листьях, где она составляет 10 и 27 мкг/кг сухой массы [28]. По мере увеличения содержания тяжелых металлов в почве до очень высокого уровня концентрация их в различных органах растений увеличивается. Но при этом сохраняется соотношение между содержанием тяжелых металлов в корнях, стеблях, листьях и репродуктивных органах.

Комплексные исследования хранилища сульфидсодержащих отходов Салаирского горно-обогатительного комбината (СГОК) Дюков Лог показали направления миграции дренажных потоков, содержащих повышенные концентрации сурьмы (96 ПДК) и мышьяка (6 ПДК). Установлено, что загрязненные дренажные воды проникают в водоносные горизонты, служащие, в том числе, и для хозяйственнопитьевого водоснабжения населения [29]. Пастбищные и ландшафтные растения в Кадамжайской биогеохимической сурьменной провинции аккумулируют значительные концентрации сурьмы – в 1,2–16,0 раза выше ПДК.

По данным некоторых исследований сурьма содержится и в человеческом организме: кровь – 0,0033 мг/л; костная ткань – (0,01–0,6) 10–4 %; мышечная ткань – (0,42–19,1) 10–6 %, токсическая доза – 100 мг. Среднесуточное поступление сурьмы в организм человека с водой и пищей составляет около 50 мкг. Из организма сурьма выводится достаточно медленно [30, 31].

Костные останки серой крысы Rattus Nor-vegicus из погадок ушастой совы, зимующей на территории Ташкента и в прилегающих областях [32], показали наличие сурьмы в концентрации 0,41–0,55 мг/кг, мышьяка – 0,79–0,82 мг/кг.

Путь элиминации сурьмы равным образом связан с валентностью в данном соединении. Так, при добавлении к корму крыс трехокиси сурьмы с мочой ежедневно выводилось 80–100 мкг, а с калом – до 100 мг этого элемента. Пятивалентная же сурьма выделяется в основном с мочой даже при введении ее в желудок [33].

Сурьма (Sb) по своим свойствам близка к мышьяку, установлено угнетающее влияние сурьмы на ферменты, участвующие в углеводном, жировом и белковом обмене. Как и мышьяк, сурьма реагирует с сульфгидрильными группами, обладает токсичным свойствами, возможно, вызывает иммунодефицит [34], нарушает функции различных органов (сердце, почки, ЦНС, печень, легкие, кишечник, лимфатическую систему и др.) [35, 36].

Соотношения содержания мышьяка и сурьмы в геологической и биологической средах биогеохимических провинций

Наименование объекта среды	Мышьяк, мг/кг мин–макс среднее	Сурьма, мг/кг мин–макс среднее	Отношение средних As/Sb
Почва	0,1–40,0 10,0	0,28– 0,99 0,76	13,1
Вода	0,0007–0,005 0,0029	0,00005– 0,0007 0,00037	7,8
Растения (БГХП мышьяка и сурьмы) Фон	57–300 100 0–6,01 1,4	7–50 20 0,02–4,3 0,7	5,0 2,0
Животные: – дикие крысы (кости)	0,79–0,82 0,80	0,41–0,55 0,47	1,7
– овцы (легкие, почки, мышцы)	0,41–1,54 0,98	6,41–8,08 7,25	0,14
Человек (кровь)	0,43–0,92 0,68	3,3 3,3	0,21
Пороговая токсическая доза, мг/сут	20,0	100,0	0,2
Летальная доза для человека, мг	50–340 180	500–1000 750	0,24

Ингаляционное воздействие аэрозолей сурьмы воздуха рабочей зоны сопровождается увеличением ее концентрации в организме работающих: в крови – с 0,5 до 2,1 мг %; в моче – с 0,86 до 1,86 мг %; в волосах – с 1,6 до 7,8 мг % [37].

Пятикратное внутрибрюшинное введение белым крысам взвеси металлической сурьмы в персиковом масле по 50 мг/кг веса сопровождалось увеличением количества сурьмы в крови у белых крыс (10,46 ± 1,22; 6,58 ± 0,74 мг %). Накопление сурьмы в органах составляло: мышцы – 1,49 ± 0,35 мг %, легкие –1,38 ± 0,2 мг %, кожа – 1,14 ± 0,3 мг % [38].

В организме овец на территории сурьменной биогеохимической провинции содержание сурьмы составляет: сердце – 3,66–12,7 мг/кг, легкие – 4,00–12,16 мг/кг, почки – 2,6–10,2 мг/кг, мышцы 3,6–10,0 мг/кг, при градиенте концентрирования 2,0–2,4 [39]. В Кадамджайской сурьмяной провинции суточное поступление сурьмы в организм человека достигает 8,54 мг, тогда как в фоновом районе – до 1,22 мг в сутки [40], при референтной дозе сурьмы для хронического перорального поступления в организм – 0,0004 мг/кг в сутки. В первую очередь это влияет на содержание глюкозы и холестерина в крови3.

Изучение сурьмяных биогеохимических провинций Ферганской долины показало, что взрослый житель этих провинций с пищевыми продуктами и водой получает за сутки примерно 0,1–0,15 мг сурьмы, что в 10–15 раз выше обычного уровня [41].

Для каждого вида патологии характерна своя специфика элементного состава, уровней концентрирования, в том числе максимальных содержаний и изменение суммарного показателя их накопления [42–44]. Мышьяк и сурьма являются веществами – эндокринными разрушителями [45].

На основании полученных данных о содержании мышьяка и сурьмы в объектах геологиче- ской и биологической сред получены соотношения As/Sb (таблица).

Полученные соотношения показывают, что существует обратная картина преобладания содержания мышьяка над сурьмой в объектах геологической окружающей среды в 2–13 раз и, наоборот, преобладание содержания сурьмы над мышьяком в биологической среде организма – в 5–20 раз. В костной ткани, как и в геологической среде, преобладает содержание мышьяка над сурьмой – в 1,7 раза.

Преобладание содержания сурьмы над мышьяком в организме происходит на фоне того, что сурьма менее токсична, чем мышьяк.

Таким образом, растения характеризуются меньшей избирательностью и в условиях биогеохимической аномалии легко накапливают в своем составе токсичный мышьяк, тогда как животные избирательно ограничивают его накопление в организме, поглощая в большей мере менее токсичную сурьму. Соответственно, на территориях биогеохимических провинций по содержанию мышьяка и сурьмы медико-профилактические мероприятия по минимизации рисков здоровью населения необходимо осуществлять, учитывая особенности накопления этих элементов в организме теплокровных животных и человека. С учетом этих особенностей должны формироваться и программы углубленных исследований в рамках гигиенических расследований, экспертиз. Исследования должны включать: анализ путей и химических форм миграции элементов в окружающей среде, установление молекулярных механизмов проникновения элементов в клетку и условий различных сценариев их метаболизма и биологической эффективности.

Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 17-05-00056).