Хроноэффекты в токсиколого-гигиенических исследованиях и профилактика вредных воздействий на здоровье Скупневский Сергей Валерьевич

Короткий опис

Скупневский Сергей Валерьевич. Хроноэффекты в токсиколого-гигиенических исследованиях и профилактика вредных воздействий на здоровье: диссертация ... доктора Биологических наук: 14.02.01 / Скупневский Сергей Валерьевич;[Место защиты: ФБУН «Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана»], 2019
Хроноэффекты в токсиколого-гигиенических исследованиях и профилактика вредных воздействий на здоровье Скупневский Сергей Валерьевич
ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
доктор наук Скупневский Сергей Валерьевич
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Современные методы и средства обеспечения химического мониторинга за состоянием окружающей среды

1.2. Токсиколого-гигиенические исследования химических загрязнителей и модулирующая роль биологических ритмов в ответных реакциях биосистем на воздействие ядов

1.3. Профилактические меры по снижению антропотехногенного воздействия на окружающую среду и защите здоровья человека в

условиях негативного влияния

Резюме

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Объекты и объем исследования

2.2. Методики отбора проб твердых, жидких и пылегазовых образцов. Пробоподготовка

2.3. Методы токсикологических исследований

2.4. Методы выделения биологически активных веществ из природных

источников и изучения их профилактических свойств

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИГИЕНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА

3.1. Разработка методов контроля низких содержаний мышьяка в атмосферном воздухе и пылегазовых выбросах предприятий цветной металлургии для мониторинга воздушной среды

3.2. Повышение избирательности электрохимического определения ионов тяжелых металлов (Сг(У1), Cd(П), Мо(У1), Со(11), М(П), Re(VП), Мп(УП), V(V), Те(^), РЬ(11), Т1(1)) и As(Ш) для мониторинга за водной средой

3.3. Повышение селективности и чувствительности полярографического определения сурьмы, свинца и меди при проведении импактного мониторинга почвы

3.4. Биомониторинговые исследования уровней накопления тяжелых металлов в тканях вечнозеленых растений и биологических средах

человека

Резюме

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО И

ГЕНОТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ И ПРОДУКТОВ ИХ ХИМИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ НА ТЕПЛОКРОВНЫХ ЖИВОТНЫХ

4.1. Генотоксические свойства и особенности аккумулирования цианидных комплексов кадмия (II) и цинка (II)

4.2. Реакции системы перекисного окисления липидов на экспозицию цианидными комплексами цинка (II)

4.3. Изучение комбинированного действия солей цинка и кадмия на

организм

Резюме

ГЛАВА 5. РОЛЬ ХРОНОЭФФЕКТОВ В ТОКСИКОДИНАМИКЕ

ХИМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

5.1. Закономерности сезонной и годовой хронореактивности организма в условиях токсических поражений печени

5.2. Роль тестостерона в механизме сезонной вариативности токсических проявлений гепатотропного яда

5.3. Модулирующее действие длиннопериодичных биоритмов при

модельной гипофункции гемопоэза

Резюме

ГЛАВА 6. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ

ПОДХОДОВ И МЕР ПРОФИЛАКТИКИ ПО СНИЖЕНИЮ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ХИМИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ НА СРЕДУ ОБИТАНИЯ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

6.1. Оценка эффективности очистки промышленных сточных вод от техногенных загрязнителей полимерными волокнистыми ионообменными материалами

6.1.1. Исследование сорбционных характеристик катионита КН-1 и анионита АС-1 по отношению к солям тяжелых металлов

6.1.2. Гигиеническая оценка способа очистки промстоков от продуктов химической трансформации солей тяжелых металлов

6.2. Изучение биологически активных веществ естественного происхождения при профилактике вредных химических факторов

6.2.1. Роль хронобиологического статуса и гендерных различий в профилактическом действии экстракта из расторопши пятнистой («Карсил») в модели острого токсического гепатита у крыс

6.2.2. Антиоксидантный, гено- и гепатопротекторный эффекты биологически активных веществ, выделенных из флоры Центрального Кавказа

6.2.3. Изучение гепатозащитных и мембраностабилизирующих свойств экстрактов из печени черноморских катранов

6.2.4. Исследования защитного действия мелатонина («Мелаксен») в

условиях интоксикации тяжелыми металлами

Резюме

Список літератури

Современные методы и средства обеспечения химического мониторинга за состоянием окружающей среды
Анализ развития современного общества показывает, что на протяжении последних десятилетий скорость развития научно-технического прогресса непрерывно возрастает. Становление индустриально-промышленного комплекса, повлекшего за собой небывалую концентрацию людей на ограниченной территории, вывели в список первоочередных проблему химического загрязнения окружающей среды (Physical and Chemical Processes , 2014).
К настоящему времени человечеству известно порядка 90 млн химических соединений (http://www.cas.org/), из числа которых, как отмечается в докладе GAO, восемьдесят три тысячи активно используется в коммерческой деятельности (Chemical Regulation , 2009), а 19 млн содержится в списках поставщиков, реализующих продукцию по всему миру (Health-sector involvement , 2014). Эволюционно закрепленные механизмы детоксикации ксенобиотиков выработаны в первую очередь в отношении тех веществ, с которыми организмы длительно контактировали в процессе своей жизнедеятельности. Включение же новых веществ, синтезированных человеком, в метаболические пути может приводить к различного рода отравлениям, в том числе опосредованно за счет процессов токсификации, крайним выражением которых является летальный синтез (Adrien A., 2013; Environmental Toxicology , 2004; Stewart C. P., 2013). Не менее острой является проблема супертоксикантов (Хаустов А. П.), порог действия для которых может определяться на уровне отдельных молекул, инициирующих процессы канцерогенеза в клетках-мишенях (Полихлорированные бифенилы , 2000; Stenersen J., 2004).
Решение столь сложных задач оценки рисков для здоровья человека со стороны химических токсикантов требует привлечения целого комплекса различных методов детекции в гигиенических исследованиях (Engineering Tools , 2017). Среди наиболее значимых следует отметить физико-химические методы контроля поллютантов (Popek E. P., 2017), выявление рисков путем клинических исследований лиц, контактирующих с вредными факторами, статистические методы, позволяющие выявлять стрессоры, обладающие не только этиологическим действием, но и вероятностным, оценить которое можно лишь на основе популяционного анализа (Clay s Handbook , 2012; Seemayer N. H., 2012).
В практическом использовании в целях осуществления гигиенического пространственно-временного мониторинга для сбора первичной информации о содержании контаминантов наиболее оптимальными являются физико-химические методы контроля, обладающие хорошими метрологическими характеристиками (Liu J., 2017; Novel Methods for Monitoring , 2015). Это важно еще и в том плане, что контролируемые среды имеют сложный химический состав (Environmental Monitoring , 2004), а ПДК определяемых компонентов достаточно низкие.
Наиболее сложным объектом анализа является почва, которая характеризуется целым набором параметров, подлежащих обязательному учету при выполнении процедуры ее химического контроля (Богданов Н. А., 2012; Гигиеническое обоснование , 2013; Эколого-гигиеническая оценка , 2016; Yaron B., 1996). Из числа наиболее значимых можно отметить полихимизм (нахождение одного и того же элемента в составе различных химических соединений как органических, так и неорганических), гетерогенность, буферность, дисперсность и ряд других. Очерченный контур вырисовывает сложность как выбора соответствующих методов анализа, так и использования существующих методик в каждом конкретном случае.
В сравнении с классическими химическими методами анализа, физико-химические обладают высокой чувствительностью, селективностью и, что особенно важно в условиях непрерывного контроля, экспрессностью, в том числе за счет возможности одновременного определения нескольких компонентов пробы. При этом, как отмечается в работе (Рахманин Ю. А., 2012), существующая нормативная отечественная база далеко не полностью обеспечена соответствующим техническим и методическим содержанием: «так, из 656 нормированных показателей в воздухе к обеспеченным методами контроля относится лишь 530, 130 методов определения не отвечают современным требованиям контроля (чувствительность, метрологические характеристики), аналогичные показатели для воды составляют соответственно 1382, 400 и 50, для почвы 81, 81 и 60». Отмеченные факты со всей очевидностью актуализируют необходимость ускоренной разработки и внедрения в практику гигиенического контроля новых методов и средств химического анализа, отвечающих необходимым требованиям стандарта.
Согласно существующей классификации принято выделять спектральные, электрохимические и хроматографические методы анализа. Все они широко используются в современной практике гигиенических исследований. Каждый из них является наиболее оптимальным в решении довольно узкого круга задач (Kim Y., 2007; Laser in Environmental , 2013; Lundanes E., 2013). Так, например, хроматография незаменима при анализе загрязнителей органической природы (Vitha M. F., 2016), но в отношении контроля неорганических соединений значительно уступает спектральным и электрохимическим методам. В свою очередь среди спектральных наибольшее распространение получили атомно-абсорбционные и молекулярно-абсорбционные, а также люминесцентные методы анализа (Fluorescence Spectroscopy , 2002; Lajunen L., 2007; UV-Visible Spectrophotometry , 2017). Их достоинства и недостатки кратко могут быть охарактеризованы следующим. Люминесцентный анализ высокая селективность и чувствительность, но крайне ограниченный спектр определяемых компонентов. Атомно-абсорбционная спектроскопия высокая чувствительность и селективность, но возможности определения представлены набором неорганических элементов, имеющих довольно высокие температуры испарения; при этом полностью исключается возможность определения химической формы, в которой находится аналит. Молекулярная спектроскопия дает возможность определения конкретной химической формы, но метод характеризуется относительно низкой чувствительностью (порядка 10-6 моль/л), а также сложной и длительной пробоподготовкой. Электрохимические методы, в частности, дифференциально-импульсная вольтамперометрия (полярография) сочетает в себе широкий спектр достоинств (Отто М., 2008; Electroanalytical Methods , 2009; Wang J., 2006; Yu T. R., 1993). Она обладает высокой чувствительностью (на уровне порядка 10-12 моль/л) и селективностью определения, дает возможность одновременного анализа нескольких компонентов в одной пробе, при этом длительность операции определения не превышает нескольких секунд. Дополнительным преимуществом метода является возможность определения как разновалентных форм элементов (таких как As(III) и As(V), Cr(III) и Cr(VI), Со(II) и Со(III), Fe(II) и Fe(III) и др.) (Каплан Б. Я., 1978; РД 52.24.428-2009; Thomas F. G., 2001), так и продуктов химической трансформации техногенных загрязнителей, которые в зависимости от структуры могут обладать различающейся между собой токсичностью.
Как отмечается в работах (Assessment of river water , 2014; Henze G., 2008; Naranjo-Rodrguez I.; Somer G., 2006), электрохимические методы анализа, включая в первую очередь различные модификации полярографии, с успехом применяются для анализа объектов окружающей среды: атмосферного воздуха, поверхностных и сточных вод, почвы, биологических образцов, перекрывая спектр определяемых элементов как неорганической, так и органической природы. Причем, как отмечается в монографии (Marine Chemical Monitoring , 2016), при мониторинге следовых количеств загрязнителей в водных объектах электрохимические методы наряду с методом масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) являются наиболее предпочтительными.
Полярография успешно применяется также в решении ряда фундаментальных задач, в частности, при изучении процессов массопереноса веществ в конденсированных средах, что особенно актуально в свете миграции солей тяжелых металлов в различных горизонтах почвы. В работе (Trancoso M. A., 2004) представлен опыт успешного применения вольтамперометрии в изучении сорбции ионов свинца компонентами почвы, что, учитывая особенную загрязненность данным элементом, важно для выявления (предсказания) механизмов транслокации металла в продукты питания.
Биомониторинговые исследования уровней накопления тяжелых металлов в тканях вечнозеленых растений и биологических средах человека
В структуре глобального массообмена тяжелых металлов наибольший их кластер представлен в осадочной оболочке Земли (Добровольский В. В., 1991; 1998; 2004). Однако сложный химический состав почв, обусловливающий вариативность транслокации и биодоступности, определяет необходимость включения в систему оценки рисков со стороны химических загрязнителей биологических маркеров. Задачей настоящей работы являлось исследование возможности использования вечнозеленых растений в качестве чувствительного индикатора техногенного загрязнения промышленных городов на примере г. Владикавказа.
Доводами в пользу нашего выбора вечнозеленых растений в качестве объекта исследований послужило то, что они имеют широкую географию произрастания, а это в свою очередь дает возможность проведения сравнительных оценок между различными регионами. Хвоя живет несколько лет, что является оценочным средством усредненного длительного воздействия ксенобиотиков на ткани растений. И, наконец, для деревьев характерна транслокация экополлютантов из почвенных горизонтов, охватывающих значительные площади и, тем самым, являющих в себе интегральную характеристику воздействия.
Выбор мест для сбора биоматериала определялся как результатами импактных мониторинговых исследований почвы, представленных в п. 3.3, так и наличием стационарных и передвижных источников эмиссии поллютантов.
Для биомониторинга в качестве объектов исследования были выбраны три наиболее представленных на территории города вида вечнозеленых растений: ель обыкновенная или европейская, ель колючая и туя западная.
Характеристика природных условий для произрастания видов в районе исследования
Город Владикавказ расположен у северного подножия Лесистого хребта и разделен на две части протекающей через него рекой Терек. Его высота над уровнем моря составляет 699-732 м, а климато-географические особенности определяются близостью незамерзающих морей (в первую очередь Черного, в меньшей мере - Каспийского) и Главным Кавказским хребтом, преграждающим путь теплым и влажным воздушным потокам с юга. Общая площадь города составляет 277,8 км2.
Расположенный на 4302 северной широты в южной части России, Владикавказ имеет значительную полуденную высоту солнца (22 июня -7025 ; 22 декабря - 2331) и получает большое количество тепла. Возможная продолжительность солнечного сияния составляет 4440 часов в год (Будун А. С, 1975; 1994).
Среднестатистическое количество осадков равно 837 мм, при этом в году они распределены благоприятно. Наибольшее их количество выпадает в весенне-летний период: за четыре месяца (с мая по август) выпадает более 60% (504 мм) из их общегодового количества (Агроклиматический справочник по Северо-Осетинской АССР, 1960).
К благоприятным климатическим условиям в регионе следует отнести постепенный переход от зимы к весне. Последняя довольно продолжительна. Средняя температура воздуха +0,3 С наступает уже в I декаде марта и только к концу месяца переходит через отметку +5 С. Также постепенно снижается среднесуточная температура осенью. Только в конце III декады ноября она опускается ниже +1 С, что позволяет растениям хорошо подготовиться к зиме.
Характеристика объектов исследования
Ель обыкновенная (европейская) (Picea abies) относится к хвойным деревьям рода Picea семейства Pinaceae. Широкое распространение вид получил на северо-востоке Европы, где образует массивные скопления. В России также имеет широкий ареал произрастания, который начинается на юге с черноземной зоны и заканчивается на севере с границей лесов.
В условиях, благоприятствующих произрастанию, средний возраст растений может достигать трехсот лет. Высота деревьев от тридцати пяти до пятидесяти метров, корневая система расположена поверхностно.
Ель колючая (Picea pungens). Относится к семейству Pinaceae. Считается одним из наиболее декоративных видов елей, интродуцированных из Северной Америки, где произрастает на высоте от 2000 до 3000 м над уровнем моря. Деревья достигают в высоту до 30 м. Молодая жесткая поросль имеет желто-коричневый цвет. Затем окраска хвои переходит в зеленый или голубоватый цвета, а длина хвоинок достигает 3 см. Цвет хвоинкам придает восковой налет, который постепенно истончается к зиме, ввиду чего окраска деревьев становится темно-зеленой, а сами хвоинки более жесткими.
Благодаря своим декоративным свойствам и высокой толерантности к городским условиям (задымленность, пыль), вид получил широкое распространение в ландшафтном дизайне.
Туя западная (Thuja occidentalis). Относится к семейству Cupressaceae. Родиной туи западной является Северная Америка. Деревья растут достаточно медленно и достигают до 20 м в высоту. Хвоя имеет с тыльной стороны темно-зеленый, а с нижней светло-зеленый цвета, причем к зиме окрас меняется на коричневый. Корневая система деревьев поверхностная, мощная, разветвленная. Хорошо произрастает во влажных и прохладных условиях, при этом предпочитает солнечную сторону или полутень. Весьма толерантна к холодам и городским условиям, за что широко используется в озеленении городов.
Пробы с деревьев собирались исходя из следующих предпосылок: от одного дерева бралась молодая (М.) и старая (С.) хвоя с целью оценить динамику процесса и сравнить уровни загрязнителей, аккумулированных за различные периоды. Места сбора соответствовали условно чистым районам и районам с повышенной антропогенной нагрузкой: принималось во внимание наличие мощных транспортных магистралей и расположение промышленных предприятий. Результаты химического анализа образцов представлены в таблице 3.3.