Микроэлементы и тяжелые металлы: влияние на здоровье человека

Из 92 встречающихся в природе химических элементов 81 обнаружен в организме человека. Микроэлементы (железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний, литий) признаны эссенциальными, т. е. жизненно необходимыми. Предполагают, что кадмий, свинец, олово и рубидий также жизненно необходимы. Большинство из вышеприведенных элементов относится к так называемым тяжелым металлам (ТМ) — элементам с атомарной массой выше 40, которые в то же время являются сильными токсикантами. Любой из них в зависимости от концентрации, а точнее от поступившей дозы, может положительно или отрицательно влиять на здоровье человека. Даже такой элемент как калий при потреблении его в сутки в количестве 1 г может привести к летальному исходу, а доза 100 мг является нормой. Для нормального развития организма доза кобальта, хрома, селена, серебра равна 0,001 м г/сутки, а доза кобальта 100 мг, хрома 100 мг, селена 10 мг и серебра 10 мг — токсичны для людей.

Распределение химических элементов в объектах биосферы определяется эволюционно сложившимся метаболизмом данного организма и поддерживается биогеохимическими пищевыми, цепями. Изменения в составе одного из звеньев пищевой цепи воздействует на последующие звенья биогенных циклов. Патологические аномалии в элементном составе могут быть вызваны естественными причинами и антропогенной деятельностью. Дисбаланс элементов в окружающей среде и, в частности, загрязнение ТМ прямо влияют на здоровье человека, что обусловливает необходимость разработки надежных методов контроля и регулирования* качества пищи, воды и воздуха. Правильная организация жизни современного общества не может быть осуществлена без знания как основы биогеохимии, агрохимического и медико-географического исследования территорий, создания и наложения соответствующих карт и разработки методов устранения дисбаланса в среде, вызванного нарушением элементного состава.

Согласно классификации А. Л. Авцыной А.А. Жаворонкова (1989) выделяют 4 группы микроэлементозов: 1) природные эндогенные — наследственные, вызываемые патологией хромосом и генов, 2) природные экзогенные — связанные с содержанием микроэлементов в среде обитания (почва, вода и пищевые продукты), 3) техногенные — обусловленные избытком определенных микроэлементов в зоне производственной деятельности, 4) ятрогенные, возникающие под влиянием лечебных препаратов и процедур, способствующих накоплению микроэлементов.

Главным доминирующим процессом в биосфере является круговорот химических элементов. Производственно-бытовая деятельность человека в XX веке приобрела геологический масштаб. На Земле не остается территорий, которые в той или иной степени не подвергались бы антропогенному загрязнению химическими элементами. Из 15 млрд. га земной суши распахано 1,5 млрд. Изменение такой площади должно существенно сказаться на экологии планеты. Пахотные земли, так же как и другие территории, подвергаются общему техногенному загрязнению, кроме того, они загрязняются еще и специфически.

Обзор литературных и экспериментальных данных по содержанию некоторых микроэлементов в зерновых, зернобобовых и масличных сельскохозяйственных культурах показал, что пределы колебаний могут достигать двух порядков в зависимости от условий выращивания (Ягодин и др., 1989, 1990, 1992). При этом выявлено значительное влияние антропогенных факторов на процессы концентрирования ТМ. Около 15% территории России относится к зонам экологического неблагополучия. Наиболее объективным критерием, по которому можно отличить благополучную местность от территории кризиса, является здоровье человека. Там, гдe растет заболеваемость, — зоны экологического неблагополучия, а если увеличивается смертность — это уже зоны бедствия. Национальным позором России является то, что в 1993;1994 гг. средняя продолжительность жизни у нас уменьшилась настолько, что в некоторых регионах стала на полтора-два года ниже пенсионного возраста. По статистике последних лет количество врожденных уродств растет быстрее (на 1−3%), чем других заболеваний.

На процессы усвоения микроэлемента организмом влияет не только концентрация и форма соединения, в которой он поступает, но и весь комплекс минеральных элементов, с которыми данный микроэлемент вступает в антагонистические и синергистические взаимоотношения. Поглощение микроэлемента зависит и от обеспеченности пищи витаминами, от содержания в ней белков, некоторых жирных кислот, фитина и др. Все эти компоненты активно влияют и на выведение ТМ из организма. Обнаружено, что Zn, Мп, Fe, Cu в сульфатной форме оказывают меньшее позитивное действие па сравнению с их хелатными соединениями и с гистидином, метионином, лизином, но самый лучший эффект следует ожидать от обогащения этими элементами растительной пищи. Сильным воздействием на процессы усвоения-выделения ТМ является алкоголь.

Экспериментально доказано, что у здоровых мужчин и женщин однократный прием умеренной дозы алкоголя вызывает усиленное выделение через кишечник Fe, АI и Zn, что создает предпосылки для проявления дефицита этих металлов в организме. По другим данным (опыты с животными) систематическое потребление алкоголя увеличивает выведение из организма Са и Mg. Польскими биохимиками установлено, что сыворотка крови алкоголиков обеднена Se наполовину, а Zn — почти на четверть. По данным исследования, проведенного во Франции, средняя концентрация Рb в крови алкоголика повышена да уровня, наблюдающегося у людей, постоянно работающих со свинцом.

В накоплении ТМ большую роль играет повсеместное ухудшение качества питьевой воды, увеличение количества автотранспорта и ущерб, причиненный катастрофами. Загрязнение почв Cd рассматривается как очень серьезная экологическая проблема, так как процесс его накопления в поверхностном слое наблюдается даже в регионах, достаточно удаленных от промышленных центров. Растения легко извлекают Cd как из почвы, так и из воздуха, и концентрация его в различных органах значительна увеличивается. Накопление Cd растениями изучалось весьма детально. Установлена, что наибольшая его концентрация характерна для листовых овощей (шпинат, салат и т. д.), минимальная — для семян злаковых культур. При избыточном содержании меди в тепличных грунтах применение минеральных удобрений в дозе N90P60K180 позволило снизить ее накопление в корнеплодах редиса с 7,3 до 2,6 мг/кг сухой массы.

Патологии, возникающие при избытке или недостатке ТМ в жизнеобеспечивающих средах, можно достаточно ярко проследить на примере Zn. Он входит в состав более 200 ферментных систем и выполняет каталитическую и структурно-регуляторную функции в организме. Этот микроэлемент участвует в обмене белков, углеводов, жиров и нуклеиновых кислот, а также некоторых гормонов. Избыток и недостаток Zn вызывает функциональные и морфологические изменения в деятельности органов и систем человека. Дефицит Zn в организме вначале проявляется в угнетении реакций иммунного ответа, впоследствии может поражаться костная система, подавляется синтез инсулина, сперматогенез, нарушается обмен стерола. Особенно резко проявляется дефицит Zn у детей и подростков: угнетается рост, развитие интеллекта и половых, признаков. При поступлении токсических количеств Zn в организм человека происходят множественные патологические изменения, связанные с вторичным дефицитом Са и всех эссенциальных микроэлементов. В Российской Федерации значительные территории, как в Нечерноземной зоне, так и в Черноземной относят к дефицитным по содержанию Zn в почвах, водах, растениях. В то же время установлены естественные и антропогенные биогеохимические провинции с избытком этого элемента. Так, в зоне Южного Урала имеется 13 биогеохимических провинций с выраженным дисбалансом 17 микроэлементов (в том числе и Zn), вызывающих множественные нарушения у животных. Лечение болезней, связанных с дисбалансом микроэлементов, обычными фармакотерапевтическими средствами неэффективно, лишь коррекция рационов, направленная на сбалансирование элементного состава, может оказывать положительный эффект.

Установлено, что. недостаток Zn и Со провоцирует некрозы печени, рак. При аномальном поступлении в организм железа, меди, цинка, кобальта, хрома формируется бесплодие, кости становятся хрупкими, происходит болезненное изменение коронарных сосудов, наблюдаются отклонения в росте (Ковальский, 1974, Авцын и др., 1989). Деформация скелета происходит при дефиците марганца. Избыток никеля и кадмия способствует кожным заболеваниям, появлению злокачественных новообразований. Концентрация кадмия 15 ррм в пищевых продуктах достаточна для появления легких признаков интоксикации у человека. Токсичность кадмия снижается при повышенном приеме цинка. Кадмий может вызвать потерю организмом кальция, накапливаясь в почках, а также вызывает все формы раковых заболеваний. Период полувыведения кадмия равен 20−30 годам.

Отмечено, что при многих заболеваниях в организме происходит изменение обмена минеральных веществ. Так, у больных ишемической болезнью замедляется выведение меди, создается дефицит железа и цинка. При атеросклерозе в стенках сосудов снижается содержание цинка, марганца, ванадия, хрома, повышается — кадмия. Корректировка по микроэлементам при водит к снижению содержания бляшек в стенках сосудов. При развитии и течении инфаркта миокарда изменяется концентрация микроэлементов в крови (марганец, кремний), так как они входят в состав антител, количество которых резко возрастает в остром и предостром периоде (Пахомова, 1978). Концентрация натрия, калия, цинка, рубидия, сурьмы у бальных инфарктом миокарда резко отличается от содержания в крови здоровых людей. При хроническом холецистите значительно повышается содержание марганца, меди, титана, хрома в стенках желчного пузыря. У недоношенных детей с выраженной анемией содержание железа, меди, и марганца резко снижено.

Медикаментозное применение препаратов тяжелых металлов в нашей стране незначительно: применяют только соли цинка (одобрено фармкомитетом). Однако, если обратить внимание на зарубежные витаминные препараты, они, как правило, содержат достаточно большое число эссенциальных микроэлементов, что корректирует минеральный состав в продуктах.

Интересы любой нации лежат в обеспечении безопасного питания. Поэтому следует усилить контроль за качеством сельскохозяйственной продукции и расширить показатели необходимого контроля, приведя их в соответствие с современными знаниями. Для целенаправленного управления производством экологически чистой продукции необходим агроэкологический мониторинг, основанный на знании биогеохимического круговорота веществ.

Надежную базу данных для оценки фоновых условий может обеспечить хорошо продуманная скоординированная сеть фоновых станций. Большинство исследователей считают, что такие станции нужно размещать в биосферных заповедниках, которые необходимо создать согласно биогеохимическому районированию в каждом регионе, провинции, а пикеты — в более мелких территориальных единицах.

Чтобы количественно оценить процесс включения загрязняющих веществ в биогеохимические круговороты и возникающие изменения в макрои микроэлементном составе биоты, необходимо знать миграционную способность веществ и элементов, их подвижность в различных компонентах экосистемы, степень накопления в органах и тканях. В общем виде практически для каждого элемента приходится различать четыре уровня концентрации:

• 1) дефицит элемента, когда организм страдает от недостатка,
• 2) оптимальное содержание, способствующее хорошему состоянию организма,
• 3) терпимые концентрации, когда депрессии организма лишь начинают проявляться,
• 4) губительные для данного организма.