Медична екологія та ...

 5.1 Загальні уявлення

Літосфера - складова частина біосфери, що представляє собою тверду оболонку Землі. Ґрунт - це поверхневий шар літосфери, сформований під дією клімату і живих організмів (рослинних і тваринних) і обробляється людиною.

Як вже зазначалося, біосфера сформувалася більш 4 млрд років тому. Складова її частина - літосфера - включає в себе мантію, що складається з геологічних пластів, які рухаються за рахунок енергії, одержуваної з надр Землі. Верхній шар ґрунту безпосередньо пов'язаний з мантією. Основні елементи літосфери, особливо метали, нерівномірно у ній розподілені і знаходяться в різних хімічних формах. Вони присутні в навколишньому середовищі в певних, досить низьких концентраціях. Іноді їх концентрація аномально підвищена, що формує родовища корисних копалин, які придатні для розробки. Тим часом саме дифузний характер розподілу металів у літосфері, ґрунті, рослинах і тваринах має велике значення для функціонування біосфери. Метали і інші елементи літосфери безперервно мігрують в гідросферу, атмосферу та біоту.

Розуміння характеру і способів розподілу компонентів в літосфері - важлива передумова для оцінки ризику, що викликається надлишком або нестачею різних елементів у навколишньому середовищі, і, отже, тієї патології людини, яку вони можуть викликати. Важливо розрізняти внесок природного та антропогенного дисбалансу у ці процеси.

5.2 Хімічна характеристика літосфери

Існують два механізми перерозподілу елементів в літосфері:

• вертикальний (з глибини надр назовні);
• горизонтальний - міграція в поверхневому шарі.

Перший з них веде до негомогенного розподілу металів у навколишньому середовищі. При цьому їх концентрації в різних породах може відрізнятися на порядок і вище. Одним з основних джерел цього процесу є вулканічна діяльність. Так, наприклад, в червні 1991 р. відбулося одне з найбільш потужних вивержень вулкана Пінатубо. Тільки за два дні в навколишнє середовище було викинуто 10 млрд тон магми, 20 млн тон діоксиду сірки, що вплинуло на глобальний клімат протягом трьох років. Крім цього, з надр Землі було викинуто 2 млн тон цинку, 1 млн тон міді і більш 5 тисяч тон кадмію. Мільйони тонн золи, що містить майже всі елементи періодичної системи, забруднили тисячі квадратних кілометрів поверхні ґрунту. Не менш важливу функцію відіграє вулканічна діяльність на дні Світового океану, де за підрахунком фахівців нараховується близько 3 тис. діючих вулканів.

Вміст деяких елементів в материнських породах (частини на мільйон, ppm)

Другий механізм, який перерозподіляє елементи, - це вивітрювання. Фізичні процеси, пов'язані з цим явищем, ведуть до подрібнення порід, що сприяє їх подальшому поступовому розчиненню або переходу в аерозольний стан. Обидва ці процеси за участю органічної матриці ведуть до формування ґрунтового шару. Таким чином, вивітрювання є ключовим процесом в міграції елементів від материнських порід до інших складових частин навколишнього середовища.

У навколишньому середовищі присутні всі відомі елементи. Есенціальними, тобто необхідними для процесів життєдіяльності, є макроелементи: кальцій, хлор, магній, фосфор, калій, сірка. До цієї групи належить і частина мікроелементів, які присутні в організмі тварин і людини в невеликій концентраціях: хром, кобальт, мідь, фтор, йод, залізо, марганець, молібден, селен, цинк. Наступна група - неесенціальні елементи, тобто елементи, які не мають відомих біологічних функцій. До них відносяться: кадмій, миш'як, ртуть, свинець.

Відносно дії елементів на біоту значну роль відіграють їх концентрації в навколишньому середовищі. Ще Парацельс (1493- 1541) визначив основні принципи токсикології: «Все речовини є отрутами. Немає жодного з'єднання, яке не є отрутою. І тільки доза визначає отруйні або лікарські властивості» . Як для необхідних, так і для неесенціальних елементів є оптимальне значення концентрацій, які відповідають нормальному функціонуванню організму. Збільшення концентрації пов'язано з токсичним ефектом, що може закінчитися смертю. Зниження концентрації неесенціальних компонентів не так фатально, як необхідних елементів, для яких зменшене надходження пов'язано з виникненням дефіцитного стану, і, відповідно, патології .

Захворювання, що викликаються дефіцитом або надлишком елементів

Біодоступность, міграція і токсичність елементів залежать не тільки від фізичних і хімічних властивостей самого хімічного елемента, а й від чинників навколишнього середовища, з якими він взаємодіє. Найважливіший фактор - кислотність грунту (pH). Рухливість більшості з елементів зі зменшенням pH зростає, в той час як збільшення цього показника зменшує їх біодоступність. Суттєве значення також має тип ґрунту.

Так, наприклад, ґрунт з високим вмістом органічних компонентів (гумусу) чинить на метали хелатуючу (комплексоутворювальну) дію, що зменшує швидкість їх міграції. Токсичність металів залежить від атомного та іонного радіусу, буферної ємності, здатності до хімічних реакцій. Наприклад, токсичність свинцю і ртуті більше виражена у їх органічних сполук, ніж у неорганічних. Велике значення має також ступінь окислення. Хром більш токсичний при валентності, що дорівнює шести, і значно менше - у трьохвалентній формі.

Найважливіші з факторів зовнішнього середовища, які впливають на біодоступність металів наступні:

• pH;
• окислювально-відновний (редокс) потенціал (Eh);
• органічний вуглець;
• температура;
• неорганічні ліганди (F, Cl);
• сульфіди;
• комплексоутворювачі (гумус, органічні сполуки);
• сольовий склад середовища;
• здатність до катіонного або аніоного обміну;
• іонна сила середовища;
• жорсткість води.

Наступним важливим фактором в біодоступності є взаємодія елементів. Іноді їх вплив один на одного виглядає дуже просто, як у випадку калію і натрію. В інших випадках мають місце численні взаємозв'язки на рівні коферментів, ензимів та ін.

Мідь входить до складу багатьох ферментів, які беруть участь в окисно-відновних реакціях, наприклад до складу Zn-Cu -залежної супероксиддисмутази. Біологічне окислення відбувається за участю цитохромів, інших ферментів, до складу молекули яких також входить мідь. Поперечні зшивки в колагені та еластині, що забезпечують їх міцність і еластичність, відбуваються за допомогою лізілоксідази, що відноситься до групи ферментів, що містять мідь. Мідь бере участь в утворенні сигнальних молекул нервової системи, сприяє включенню заліза до складу гемоглобіну. Вона є компонентом, необхідним для функціонування імунної системи людини.

Між міддю, молібденом і сіркою наявний тісний контакт. Сульфіди, що утворюються з сульфатів, можуть включати замість атома кисню негативно заряджений молібден, що веде до утворення тіомолібдатів.

Взаємодія хімічних елементів один з одним

Останні мають високу спорідненість до міді, зв'язування якої сприяє виключення її з метаболізму і призводить до дефіциту в організмі цього елемента. Описаний феномен використовується в сільському господарстві деяких скандинавських країн, ґрунт яких характеризується підвищеним вмістом міді. Додавання в корм тварин молібдену призводить до зменшення вмісту міді в печінці, що запобігає розвитку у них хронічної інтоксикації міддю.

Іншим прикладом можуть бути взаємини між фосфором, цинком і кадмієм. Відомо, що рослини, вирощені в умовах надлишку фосфатів, характеризуються дефіцитом цинку. Фосфати - головний компонент добрив. Навпаки, підвищена кількість цинку запобігає поглинання рослинами такого токсичного елемента, як кадмій. Тому на ґрунтах, що характеризуються підвищеним вмістом кадмію, необхідно строго контролювати кількість внесених фосфорних добрив. Запобігання їх надлишковому вмісту сприятиме накопиченню цинку, що дозволяє отримати екологічно чисту продукцію.

Селен є абсолютним антагоністом миш'яку. Отже, для запобігання токсичних ефектів миш'яку необхідно піклуватися про достатньому надходженні в організм селену.

5.3 Медична геологія (геомедицина)

Відомо, що деякі захворювання людини і тварин можна пов'язати з певними географічними областями. У китайських медичних рукописах, написаних 3000 років до н. е., є вказівки на подібні причини деяких захворювань домашньої худоби. Гіппократ більш ніж 2400 років тому приводив подібні приклади, пов'язані з патологією людини. В даний час узагальнення подібних фактів дає нова галузь екології - медична геологія.

Медична геологія, або геомедицина, - частина екологічної медицини, яка розглядає вплив геологічних чинників на здоров'я людини і тварин.

Марко Поло (1254-1324) один з перших навів приклади з галузі медичної геології. У 1271 г . він здійснив подорож до Китаю. У 1275 г . експедиція досягла китайської області Кублай Кхан. Однак через деякий час коні, вивезені ним з Європи, загинули. Марко Поло описав симптоми захворювання тварин, яке, як з'ясували набагато пізніше, було обумовлено високим вмістом в ґрунті даної області селену, що викликає хронічну інтоксикацію і загибель тварин.

На початку XX ст. новий тип захворювань був зареєстрований на північному сході Китаю в області Кешан і пізніше отримав назву хвороби Кеша (ендемічна кардіоміопатія), яка пов'язана з ураженням серцевого м'яза і розвитком серцевої недостатності. Як було визначено, ця хвороба зустрічається в зонах, які відрізняються низькою концентрацією селену в ґрунті і ґрунтових водах. Компенсація в організмі дефіциту селену повністю ліквідувала симптоми захворювання і чинила профілактичну дію.

Іншим прикладом патології, що має геомедичне походження, є хвороба Кашина-Бека, яка також була давно знайома китайським медикам (ендемічний остеоартрит). Захворювання зустрічалося в Китаї ще в XVI ст. Вперше описав цю хворобу російський лікар М. І. Кашин (1825-1872). Початковими симптомами цієї патології були набряки і болі в суглобах, атрофія м'язів. Надалі відбувалося потовщення проксимальних міжфалангових суглобів кистей, ліктьових і гомілковостопних суглобів при повному збереженні функцій або незначному їх обмеження. У хворих з важким ступенем хвороби відзначалися помітна деформація багатьох суглобів з розвитком контрактур, поперекового лордозу і «качиної» ходи внаслідок ураження тазостегнових суглобів, а також короткопалість і низькорослість. Хворіли в основному діти 6-13 років. Хвороба Кашина-Бека зустрічалася виключно серед сільських жителів, хоча мали місце випадки захворювань і серед іншого населення, яка вживала продукти харчування з ендемічних областей. Кількість хворих не була точно відомою, але приблизно оцінювалося в 1-3 млн. Причиною патології є низький вміст селену в ґрунті.

На планеті відомі регіони, які відрізняються природним підвищеним вмістом деяких елементів, в тому числі токсичних, наприклад миш'яку. У воді колодязів Західної Бенгалії (Індія) вміст миш'яку досягає 2000 мкг / л (рекомендований ВООЗ рівень миш'яку у воді - 10 мкг / л). Місцеві жителі використовували колодязну воду для зрошення, що дозволяло їм отримувати до трьох врожаїв рису в рік. Мінералом, що містить миш'як, є залізний пірит, який входить до складу ґрунту. У звичайних умовах він в незначній мірі звільняє цей токсичний елемент в воду. Однак інтенсивне землеробство і зрошення знизило рівень води в колодязях. У цих умовах кисень повітря став виконувати роль окислювача, що призвело до звільнення миш'яку з його сірчистих сполук, і він став розчинятися у воді колодязів. Отже, жителі Бенгалії вживали для пиття, а також використовували для вирощування рису воду, вміст миш'яку в якій був надзвичайно великим. Постраждалими виявилися близько 400 тисяч осіб. Всього в Індії споживають воду з підвищеним вмістом миш'яку близько 30 млн осіб.

Існують і інші регіони з підвищеним, як в Індії, вмістом миш'яку. Це Антофагаста в Чилі, Кордоба в Аргентині, Обуаші в Гані, Лагунера в Мексиці, Корнвелл в Великобританії, Тайвань, континентальна Монголія, США.

Є дані про те, що фактори навколишнього середовища можуть вносити вклад в етіологію цукрового діабету першого типу серед дітей. Ця форма захворювання має аутоімунне походження і є інсулінозалежною. Показано, що низькі рівні споживання цинку пов'язані з високим ризиком виникнення цієї патології.

Є чимало доказів того, що достатній вміст основних макроелементів в навколишньому середовищі (кальцію, магнію) є чинником, що знижує частоту серцево-судинної патології. Магнієва недостатність проявляється у тварин в конвульсивному синдромі, так званої гіпомагніевої тетанії. Ця патологія зустрічається в весняний період, коли тварини переводяться на пасовищне утримання і вживають в їжу траву, бідну на вміст магнію.

Отже очевидно, склад природного навколишнього середовища дуже важливий для здоров'я людини. Міграція і взаємодія елементів - дуже складний процес, але антропогенна діяльність порушує його природний баланс і рівновагу. Одна з найсерйозніших екологічних проблем - закислення ґрунту, яке несе потенційну загрозу для здоров'я людей. Ця проблема поділяється на дві складові:

• прямий ефект через сорбцію кислих аерозолів, що утворилися за участю оксидів сірки та азоту;
• непрямий ефект, пов'язаний зі збільшенням поглинання деяких токсичних металів.

Як вже згадувалось, літосферні елементи звільняються і перерозподіляються в інших частинах біосфери через вивітрювання. Цей процес може модифікуватися при попаданні в ґрунт оксидів сірки та азоту. За рахунок ефекту підкислення метали, що знаходяться у верхньому шарі ґрунту, можуть ставати більш розчинними, що збільшує їх рухливість і біодоступність для рослин. До таких компонентів належать кальцій, магній, марганець, алюміній, нікель, цинк, кадмій і в меншій мірі ртуть, свинець і мідь. Такі ж елементи, як селен, молібден стають менш розчинними в кислому середовищі і в силу цього в меншій мірі можуть мігрувати в рослини. Подібне порушення балансу здатне змінювати нормальне співвідношення макро- і мікроелементів в тканинах тварин і, отже, по харчовому ланцюжку - баланс в організмі людини.

Подібний ефект стосується не тільки металів. Фосфор, який є головною поживною речовиною для рослин, в кислому середовищі стає менш доступним для них, що призводить до гальмування процесів їх росту і розвитку.

Вапнування ґрунтів, яке використовується в деяких країнах для боротьби з їх закисленням, також небажано, так як чинить негативний вплив на рослини і тварин.

Незважаючи на описані ефекти, ґрунт певною мірою може протистояти процесам, що відбуваються. Від геохімічного статусу залежить буферна ємність ґрунту. Якщо ґрунт містить в достатній кількості карбонати, які формують карбонатну буферну систему, то кисла дощова або тала вода при фільтрації нейтралізується. Критична ситуація виникає тільки в тому випадку, коли кислотність ґрунту знижується нижче 4,5. У цьому випадку вступає в дію інша буферна система, в результаті дії якої починають розчинятися малорозчинні солі алюмінію, що призводить до мобілізації цього хімічного елемента. Цей процес протікає досить швидко, і, отже, високі концентрації алюмінію з'являються в ґрунтовій воді. Крім того, зниження pH призводить до збільшення рухливості інших металів, наприклад кадмію - найбільш рухомого елемента, потрапляння якого до ґрунту має в основному антропогенне походження.

У цілому проблема забруднення ґрунту має свої відмінності від механізмів забруднення атмосфери та гідросфери, яки обумовлені тим, що:

• ґрунт - малорухливе середовище;
• в ґрунті повільніше відбувається процес міграції забруднювачів;
• в ґрунті добре накопичуються ксенобіотики.

5.4 Основні джерела забруднення ґрунту

Практично будь-який вид антропогенної діяльності є джерелом забруднення ґрунту ксенобіотиками.

Сільське господарство - добрива, пестициди, стічні води і тверді покидьки тваринництва. Пестициди діляться на наступні основні групи:

• гербіциди:
• інсектициди;
• фунгіциди.

Промисловість, транспорт.

Побутова діяльність - стічні води, тверді побутові відходи.

Наслідки забруднення ґрунту ксенобіотиками:

• гальмування процесу ґрунтоутворення;
• зниження врожайності і споживчих якостей сільськогосподарської продукції;
• гальмування процесів самоочищення ґрунту;
• накопичення ксенобіотиків і подальша їх міграція по трофічних ланцюгах в продукти харчування.