Regional aspects of environmental pollution by heavy metals and the health of population

Full Text

В XX веке защита биосферы становится жизненно важной проблемой. Комплексное биогеохимическое обследование на содержание тяжелых металлов (ТМ) в компонентах биосферы и медицинское — по состоянию здоровья у детей и подростков — проведено в нескольких административных районах Восточного Предкамья (Елабужский, Менделеевский) и Восточного Закамья (Нижнекамский, Тукаевский, Актанышсікий), различающихся по природным условиям и находящихся в зоне интенсивного промышленного и сельскохозяйственного освоения и использования.

Задачи исследований были следующими:

• выявить концентрацию и основные закономерности распределения микроэлементов (Сu, Zu, Мu, Pb, Ni, Cd) в геохимической цепи: почвообразующие породы — природные воды — почвы — растительность;
• установить количественную зависимость агрохимических свойств почв от содержания в них валовых и растворимых форм ТМ;
• изучить фактическое питание населения с целью установления влияния алиментарного фактора на характер эндемического процесса и разработать рационы питания с оптимальным содержанием микроэлементов (МЭ) ;
• изучить состояние здоровья детского населения и выявить биологические реакции организма на естественные и техногенные геохимическое факторы внешней среды;
• сопоставить почвенно-геохимические данные с данными о состоянии здоровья детского населения.

В географическом отношении обследуемая территория делится долинами рек Камы, Вятки и Шешмы на Восточное Прикамье и Восточное Закамье. Восточное Предкамье к востоку от Вятки тянется относительно узкой полосой вдоль Камы, входит территориально в южную подзону северной тайги; почвенный покров состоит преимущественно из дерново- подзолистых и лесостепных почв. Восточное Закамье представляет собой лесостепь со сравнительно засушливым климатом и преобладанием черноземных почв.

Поскольку миграционный поток элементов начинается с почв, обследованию почвенного покрова уделялось основное внимание. Микроэлементный состав наследуется почвами от породы. Содержание ТМ в почвообразующих породах неодинаково и связано с их генезисом, петрографическим и химическим составом. Материнские породы — в основном тяжелого механического состава. Элювий пермских пород богаче марганцем, свинцом, никелем по сравнению с лессовидными суглинками и глинами, но в последних больше меди и цинка. Все тяжелые породы почти одинаковы по содержанию никеля. Элювий плотных пород (мергели, известняки, песчаники) отличается от элювиальных и лессовидных глин и суглинков значительно меньшими концентрациями меди и цинка. Плотные породы пермских отложений выделены нами в ранг самостоятельной единицы вследствие либо преобладающих, либо минимальных концентраций отдельных элементов — марганца, свинца, кадмия (табл. 1).

 

Таблица 1

Среднее содержание тяжелых металлов в почвообразующих породах Восточного Предкамья и Восточного Закамья

Почвообразующие породы	Элементы, мг/кг
	Cu	Zn	Мn	Pb	Ni	Cd
Эллювий пермских пород	35,1	66,7	801,4	20,9	74,2	1,29
Плотные породы пермских отложений	29,3	53,2	738,1	21,1	73,0	1,35
Лессовидные делювиальные карбонатные суглинки и глины	37,9	73,2	674,6	17,1	71,9	1,30
Аллювиальные суглинки и глины	31,7	59,4	645,0	14,0	67,1	0,90
Кларки литосферы [3]	47,0	83,0	1000,0	16,0	58,0	0,13

 

Для выявления эффектов пространственного и профильного распределения ТМ в почвах зонально-генетического ряда нами отобраны наиболее типичные хорошо изученные профили, для которых получена полная характеристика химического и гранулометрического составов. Эффекты аккумуляции и миграции микроэлементов в профилях почв представлены в схеме типов их распределения, отражающего генетические особенности почв (табл. 2).

Обобщены данные по содержанию ТМ в отдельных типах почв, совокупности почв Европейской части Союза, Западной Сибири и отдельных регионов; представлены кларки и ИДК элементов в почвах (табл. 3).

Кислоторастворимые соединения тяжелых металлов выявляли в вытяжках IN HNO3. В эту вытяжку кроме ионообменных форм и растворимых солей ТМ (сульфатов, нитритов, хлоридов) переходят углекислые соли и часть необменных соединений металлов (комплексы с фульвокислотами), окислы этих элементов. Вследствие этого количества меди, марганца, никеля и кадмия превосходят концентрации, определенные другими исследователями, и фоновые концентрации.

По результатам обследования почвенного покрова районов Восточного Предкамья и Восточного Закамья нами осуществлена группировка почв по содержанию валовых и кислоторастворимых форм ТМ согласно шкале градаций, разработанной в Почвенном институте имени В. В. Докучаева и Всесоюзной академии сельского хозяйства (табл. 4, 5) [1]. Составлены картограммы общего содержания и содержания кислоторастворимых форм меди, цинка, марганца, свинца, никеля, кадмия в масштабе 1 : 200000 для пахотных почв Восточного Закамья и Восточного Предкамья на площади в 2,5 млн. га, что составляет больше трети всей пашни Республики Татарстан. Созданные картограммы посредством пантографирования генерализованы в карты в масштабе 1 : 400000.

Почвенный покров обследованных районов Восточного Предкамья слабо загрязнен медью, цинком, марганцем, никелем, свинцом и в средней степени — кадмием. К северу от Менделеевска выделен контур с повышенной концентрацией свинца, кадмия, а к северу от Елабуги — с повышенной концентрацией свинца. Обнаружено умеренное загрязнение никелем и среднее — свинцом почв долин рек Восточного Предкамья. В почве обследованных районов Восточного За- камья в целом определяется слабая концентрация марганца и цинка, такое же содержание никеля — в почве Тукаевского и Актанышского районов. Почвы северной части Нижнекамского района, включая окрестности Нижнекамска, загрязнены этими металлами умеренно, сюда же входят почвенные контуры долин рек Восточного Закамья. Слабая концентрация свинца отмечается лишь в почве Актанышского района и северо- западной части Тукаевского района, в почвенном же покрове остальной части Тукаевского района этот элемент распространен умеренно, а в окрестностях Набережных Челнов — даже интенсивно. Весь почвенный покров обследованных районов умеренно загрязнен медью, умеренно и в средней степени — кадмием. По уровням загрязнения кислоторастворимыми формами ТМ почвы районов Восточного Предкамья входят в 1 и 2-ю группы.

 

Таблица 2

Типы распределения микроэлементов в почвах (п>20)

Почвы	Си	Zn	Mn	Pb	Ni	Cd
Дерново-карбонатные	элювиально-иллювиальный	элювиальный	биогенно-аккумулятивный	элювиально-иллювиальный	элювиально-иллювиальный	элювиально-иллювиальный
Серые лесные	элювиально-иллювиальный	не дифференцирован	биогенно- аккумулятивный	не дифференцирован	биогенно- аккумулятивный	не дифференцирован
Черноземы	биогенно- аккумулятивный	не дифференцирован	биогенно- аккумулятивный	не дифференцирован	биогенно- аккумулятивный	не дифференцирован

 

Таблица 3

Сводная таблица среднего содержания тяжелых металлов в почвах 

Почвы	Элементы, мг/кг
	Сu	Zn	Mn	рb	Ni	Cd
Европейской части СССР [18]	20,0	50,0	850,0	—	—	—
Западной Сибири [7]	33,8	85,5	—	16,4	25,9	0,13
Русской равнины [6]	17,9	52,5	810,0	—	—	—
Московской области [15]	15,0	64,0	—	16,0	21,0	1,90
Татарстана [4]	30,0	55,2	1080,0	—	—	—
СССР [2]	20,0	50,0	850,0	20,0	40,0	0,50
Кларк по Виноградову	20,0	50,0	800,0	10,0	40,0	0,50
Фоновые концентрации	20,0	150,0	1500,0	20,0	45,0	_
Данные комитета экспертов Федеральной службы здоровья [14]
в нормальной почве	2—100	10—300		0,1—10	0,01—1	0,01—1
ПДК	100,0	300,0	—	100,0	100,0	5,00
ПДК [14]	40,0	—	1500,0	30,0	—	—
ПДК [19]	100,0	300,0	—	100,0	50,0	3,00
Региональные кларки по данным авторов	40,0	61,0	910,0	22,9	75,0	1,67

 

Таблица 4

Валовое содержание микроэлементов в почвах (мг/кг) и группировка почв по степени загряненности

Элементы	Почвы Русской равнины и мира [2]		Кларк по Виноградову [2]	Почвы Восточного Предкамья и Закамья		Кларк региональный	Количество групп почв
	разброс	среднее		разброс	среднее
Мn	100—1400	800	800	500,5—1325,2	910,0	910,0	1
Zn	25—120	50	50	27,8—130,0	61,0	60,0	2
Ni	10—77	34	40	21,0—137,5	75,4	75,0	3
Сu	4—200	20	20	20,0—100,0	39,95	40,0	4
Pb	3—37	10	10	6,5—55,1	22,9	23,0	4
Cd	сл.—3,0	0,1	0,5	0,2—3,8	1,67	1,7	5

 

Таблица 5

Содержание кислоторастворимых форм тяжелых металлов в пахотном слое почв (мг/кг) и группировка по уровням загрязненности

Элементы	Фон	Почвы Татарстана [5]  (в 1 н НСІ-вытяжке)		Почвы Восточного Предкамья и Восточного Закамья (1 и HNO3-вытяжке)		Кларк региональный	Количество групп почв
		разброс	среднее	разброс	среднее
Мn	100—150	20,0—130,0	55,10	188,7—283,6	252,7	250	3
Zn	5—10	1,2—8,9	0,13	1,1—12,7	6,87	7,0	2
Ni	4—6	—	4,20	4,1—44,7	20,60	20,0	5
Сu		—	—	1,7—12,8	6,88	7,0	2
Pb	2—3	—	—	0,07—10,2	4,00	4,0	3
Cd	<0,1	сл.—0,8	—	0,01 — 1,9	0,29	0,3	5

 

В почве Восточного Закамья определяется небольшое и умеренное содержание меди, марганца, свинца, причем большая часть почвенного покрова Актанышского района по этим элементам входит в 1-ю группу (слабого загрязнения), за исключением почв пониженных участков рельефа и долин, где имеет место умеренная концентрация меди и средняя — марганца. В Тукаевском и Нижнекамском районах выявлены почвенные контуры на юго-западе от Набережных Челнов с высоким содержанием никеля и в окрестностях Нижнекамска — с повышенным. Почвы в восточной части Актанышского района загрязнены этим элементом в средней степени и умеренно в западной части. Все обследованные районы Восточного Закамья по загрязнению кадмием входят во 2 и 3-ю группы.

Содержание металлов определялось также в злаковых, бобовых, овощных культурах, имеющих главенствующее значение в растениеводстве республики. В большинстве растений обнаружены свинец, кадмий и никель, но в пределах нормального их содержания [8, 9].

Подвижность кадмия в системе «почва — растение» выше, чем свинца. Если исходить из нормальной концентрации кадмия в растениях, равной 0,05 — 0,2 мг/кг (ПДК —3,0) [8, 11], то, по нашим данным, он избыточен в гречихе, особенно при выращивании ее на серых лесных почвах. Этого элемента в 2—3 раза больше нормы и в зеленой массе люцерны на черноземах. Концентрация никеля в растениях превышает его нормальный уровень в 3 — 3,5 раза, что коррелирует с содержанием его в почвах. Содержание остальных элементов в растениях — в пределах нормы. Вместе с тем для животных выявляется устойчивый недостаток цинка, меди и марганца, оптимальные дозы которых, по данным большинства исследователей, должны составлять (для крупного рогатого скота) соответственного—30, 8— 10, 40 — 60 мг/кг кормов [13]. По данным А. Г. Лугинина [10], оптимальная доза цинка в кормах дойных коров — 48 мг/кг. Обследованные культуры (зерновые, пропашные, многолетники) не могут обеспечить нормальный уровень этих элементов как в несмешанных, так и в комбинированных кормах. Вместе с тем в некоторых кормах возможно превышение кадмия, поскольку его ПДК в них должна быть не более 0,5—1,0 мг/кг. Допустимое содержание свинца в кормах—10 мг/кг, на практике его оказалось меньше 5 мг/кг. В суточном пищевом рационе человека усредненное фоновое содержание марганца составляет 3—7 мг/кг, цинка — 16,7, кадмия—0,034, свинца—0,31. никеля—0,15, меди—2—2,5 мг/кг [14, 17]. Низкая обеспеченность рационов микроэлементами наблюдается в районах Предкамья: содержание кобальта в рационе питания неорганизованного населения равно в среднем 0,025 мг/кг, меди—3,97, цинка—12,7, марганца—6,2 и йода — 0,083 мг/кг, в Закамье: йода—0,148 мг/кг, меди—- 4,9, цинка—16,23 и марганца—5,6 мг/кг. Рационы питания детей в Предкамье наиболее обеднены кобальтом, медью, цинком и обогащены марганцем. Содержание йода — на нижней границе нормы [18]. Большинство этих элементов в значительных концентрацициях содержится в рыбе и в мясе. Меди и цинка, кроме того, много в хлебных изделиях, картофеле и овощах. Вследствие этого при несбалансированном питании можно допустить недостаток одних и избыток других элементов.

 

Таблица 6

Состояние щитовидной железы у населения основных агропочвенных зон Татарстана

Зоны	n	Степени и формы увеличения щитовидной железы
		I —II степени			III—V степени			Выраженные формы зоба
		всего	диффузные	узловые и смешанные	всего	диффузные	узловые и смешанные
Предкамье в абс. числах на 100 обследованных	18678	11373	11053	320	1220	821	399	1540
		60,9	59,2	1,7	6,5	4,4	2,1	8,2
Закамье в абс. числах (на 100 обследованных	11701	7669	7421	248	627	444	183	875
		65,5	63,4	2,1	5,4	3,8	1,6	7,0

 

В обследуемых районах установлено наличие эндемии различной тяжести. Выраженные формы зоба составляют 8,20 и 7,04 соответственно на 100 человек (табл. 6). Помимо эндемического зоба в республике наблюдается высокая частота кариеса зубов. Общая распространенность кариеса молочных и постоянных зубов у детей 8—11-летнего возраста в Елабуге — 82%, в Менделеевске—87%, в Набережных Челнах—73% и в поселке Пойсево (Актанышский район) —47%. Выявлено значительное распространение железодефицитных анемий, увеличение числа детей с ухудшенным и плохим физическим развитием, нарушением полового созревания, процессов окостенения костей кисти, со сниженной умственной работоспособностью.

Анализ состояния здоровья показал, что среди детей с нормальной щитовидной железой абсолютно здоровые составляют 38,7% (1-я группа здоровья), а среди детей с увеличенной железой—12—16%. Наибольший удельный вес в структуре общей заболеваемости составляют кариес, хронический тонзиллит, гипертрофия миндалин, дисфункции сердечно-сосудистой системы, заболевания желудочно-кишечного тракта.

Наряду с задержкой начала полового созревания происходят задержка развития таза и нарушение гормональных процессов, отражающих степень биологической зрелости яичников. В последующем у женщин с эндемическим увеличением щитовидной железы наблюдается нарушение детородной функции и процесса лактации. Следовательно, под влиянием названных неблагоприятных биогеохимических факторов среды создается значительное адаптационное напряжение нейрогуморальных и эндокринных механизмов регуляции гомеостаза.

Конечным результатов медицинского обследования детей и подростков является их распределение по группам здоровья. Результаты углубленных медицинских осмотров и оценки физического развития детей представлены в табл. 7 и 8. 

 

Таблица 7

Распределение школьников (7-17 лет) по медицинским группам здоровья в районах Восточного Прикамья и Восточного Закамья

Районы	n	Группы здоровья
		1-я		2-я		3-я		4-я
		абс.	%	абс.	%	%	абс.	абс.	%
Менделеевский	665	261	39, 2	258	38, 8	139	20, 9	7	1, 0
Нижнекамский	679	262	38, 6	260	38, 3	161	22, 2	6	0, 9
Тукаевский	1172	344	29, 3	607	51,8	210	17, 9	11	0, 9

 

Таблица 8

Физическое развитие школьников в районах Восточного Предкамья и Восточного Закамья

Районы	Физическое развитие (на 100 обследованных)
	нормальное	ухудшенное	плохое	низкий рост
Менделеевский	85,2	9,8	2,7	4,3
Нижнекамский	73,0	'16,5	4,8	5,7
Тукаевский	73,5	19,0	1 1,7	5,8

 

Сравнительный анализ состояния здоровья детей в различных районах свидетельствует о том, что дети из Менделеевского и Нижнекамского районов отличаются более слабым здоровьем в связи с преобладанием хронических заболеваний.

В структуре заболеваемости во всех возрастных группах преобладают болезни органов дыхания (бронхиты, фарингиты, острые респираторные заболевания), в структуре хронической патологии — болезни ЛОР-органов, желудочно-кишечного тракта, мочевыводящей системы, опорно-двигательного аппарата. Значительно распространены эндемические нарушения в виде кариеса зубов и увеличения щитовидной железы. Высока заболеваемость аллергического характера.

Сравнительный анализ состояния здоровья городских и сельских школьников выявил большую заболеваемость среди последних, особенно в селах, расположенных в радиусе действия промышленных выбросов Нижнекамского территориально-промышленного комплекса (г—0,76—0,92). Выявлены не только возрастание заболеваемости и ухудшение физического развития, но и нарушение функционального состояния ведущих систем организма (ЦНС, сердечно-сосудистая, дыхательная, иммунная) [16].

Поверхностные воды на обследованной территории слабо минерализованы и относятся к гидрокарбонатному типу. По содержанию сухого остатка минерализация изменяется от 0,4 до 1,8 г/л. Подземные воды (скважины, колонки) в качественном отношении имеют самый различный химический состав — от пресных вод с ничтожной долей минерализации (0,2 г/л) до концентрированных рассолов (буровые скважины). Реакция среды в основном слабо щелочная. Микроэлементный состав вод весьма пестрый.

Наибольшие концентрации меди найдены в воде рек (12,3 мкг/л), меньше — в колодцах (8,2 мкг/л) и минимальные — в родниках и колонках. Концентрация цинка в водах неоднородна и варьирует от 9 до 650 мкг/л. Наибольшие его содержания обнаружены в водах рек. Содержание марганца колеблется от 22 до 124 мкг/л (в среднем 0,60 мкг/л), причем его также больше в водах рек. Содержание свинца в воде источников составляет 2,46—17,48 мкг/л, никеля—3,0— 37,0, кадмия—0,1—7,5 мкг/л.

В речных водах отмечается большая концентрация микроэлементов, чем в воде колодцев и родников, однако в некоторых источниках обнаружено минимальное содержание меди, цинка, марганца, значительно уступающее рекомендованным ВОЗ для питьевой воды и воды, которой поят животных [12]. Недостаток этих элементов в питьевой воде усугубляется их дисбалансом в пищевом рационе человека и в рационах сельскохозяйственных животных. Концентрация свинца в воде не превышает норму. Что касается содержания кадмия в воде, то его ПДК, по данным различных публикаций, различается на порядок. Если ориентироваться на ПДК по санитарно-токсикологическому признаку (0,001 мг/л), то вода некоторых источников не годится даже для животных, а по концентрации, рекомендуемой ВОЗ (0,01 мг/л), она вполне допустима как питьевая [12, 14]. Отмечено некоторое превышение концентрации никеля в речных водах по сравнению с контролируемым показателем этого элемента в воде [14].

Получена информация о загрязнении среды с помощью системы относительных показателей — валового содержания TM-загрязнителей и количества их подвижных форм в почве, концентраций в растительности агроценозов, природных водах, рационах питания детей. Выявлены закономерности пространственного распределения элементов в компонентах биосферы, характеризующие их условное фоновое содержание и являющиеся эталонами при изучении загрязнения территории.

Почвенно-геохимическое районирование обследованной территории явится основой биогеохимического районирования для организации научнообоснованной системы мониторинга.

About the authors

B. R. Grigoryan

Institute of Ecology of Natural Systems ANT; Kazan Order of the Red Banner of Labor Medical Institute named after S.V. Kurashov

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

Department of Biogeochemistry, Head - Assoc., Department of Hygiene of Children and Adolescents

Russian Federation, Kazan

S. N. Kalimullina

Institute of Ecology of Natural Systems ANT; Kazan Order of the Red Banner of Labor Medical Institute named after S.V. Kurashov

Email: info@eco-vector.com

Department of Biogeochemistry, Department of Hygiene of Children and Adolescents

Russian Federation, Kazan

A. M. Khakimova

Institute of Ecology of Natural Systems ANT; Kazan Order of the Red Banner of Labor Medical Institute named after S.V. Kurashov

Email: info@eco-vector.com

Department of Biogeochemistry, Department of Hygiene of Children and Adolescents

Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files