Бром в компонентах природной среды Томской области и оценка его токсичности

Актуальность. Бром, в противоположность другим, даже менее распространенным
химическим элементам, до сих пор остается одним из наименее изученных (Памяти первых…,
1994). Работы, затрагивающие вопросы его накопления и миграции в окружающей среде,
выполнялись рядом исследователей и показали неоднозначное поведение и высокие
индикаторные свойства элемента (Селиванов, 1939; Виноградов, 1939; Сулин, 1946; Кротова,
1956; Красинцева, 1968; Розен, 1970; Перельман, 1979; Полянский, 1980; Кабата-Пендиас, 1989;
Иванов, 1996; Конарбаева, 2008 и др.). Большая часть имеющихся публикаций посвящены
именно рассмотрению природных особенностей поведения брома в окружающей среде, в то
время как все более пристального внимания требуют исследования по техногеохимии элемента
ввиду его широкого использования в многочисленных сферах человеческой деятельности:
сельское хозяйство, медицина, химическая, пищевая, фармацевтическая промышленности и мн.
др. (Полянский, 1980; Ксензенко, 1995; Гринвуд, 2008; Yoffe et al., 2013).
Бром является одним из важнейших участников формирования пищевой цепочки:
атмосфера – почва – природные воды – растения – животные – человек (Конарбаева, 2008). А
формирующийся «симбиоз» природно – антропогенных источников элемента, обуславливающий
комплексность и многофакторность его поступления в окружающую среду, несомненно,
оказывает влияние на особенности накопления и распределения галогена, как в каждом
отдельном звене вышеописанной пищевой цепи, так и в ее совокупности.
Томская область представляет особой интерес с точки зрения изучения брома ввиду
присутствия на данной территории большого количества потенциальных природных
(месторождения нефти и газа, торфа, угля, подземных вод, в т. ч. йод–бромных и др.) и
антропогенных источников элемента. Последние, сосредоточены, главным образом, в Томском
районе области, а именно в зоне Северного промышленного узла – СПУ (Экология …, 1994).
Поступление элемента в окружающую среду области может быть также связано с выбросами
автотранспорта (Shah et al., 1970; Block et al., 1978; Begak et al., 2001) и авиатранспорта (Zikovsky,
1986) – в пределах Томского района области находится аэропорт «Богашево», являющийся
основным действующим международным аэропортом федерального значения.
Вместе с тем актуальным является вопрос выбора наилучшего способа оценки состояния
окружающей среды, позволяющего оценить токсическое воздействие как для экосистем, так и
для здоровья человека. Связано это с тем фактом, что бром может быть чрезвычайно токсичным
(Groff, 1955; Voss, 1961; Иванов, 1996; Метелев, 1971; Грушко, 1979; Nazer et al., 1982; Филов,
1988; WHO, 1988; IUCLID, 2000; Kabata-Pendias, 2011, Арбузова и др, 2013 и мн.др.), оказывая
отрицательное воздействие на важнейшие физиологические функции живых организмов и
участвуя в развитии и образовании некоторых видов заболеваний (Pehrsson et al.,1983; Lin et al.,
1985; Sarmani et al., 1990; Bumbalova et al., 1991; Ehmann et al., 1996; Pavelka, 2002 и мн.др.).
Бром относится к элементам, который чаще других приводит к повышенному риску для здоровья
человека (Valdes, 2012), с ним связано, как минимум, 11 различных патологий (Авцын, 1991).
Доступность значительного количества современных способов оценки состояния
окружающей среды (Perminova et al., 2016) предоставляет возможным осуществление
комплексного анализа с использованием различных методов, подходов, концепций и моделей,
позволяющих прогнозирование негативных последствий на живые организмы, в том числе на
здоровье человека. С точки зрения изучения токсичности химических элементов, методы
экологического моделирования, приобретают все более широкое распространение ввиду ряда
достоинств и представляют серьезный интерес в рамках геоэкологических исследований
территорий (Rosenbaum et al., 2008).
Среди существующих экологических моделей, позволяющих оценивать токсическое
воздействие на экосистемы и здоровье человека, отдельного внимания заслуживает модель
USEtox, разработанная Обществом экологической токсикологии и химии (SETAC) в 2010 г. и
рекомендованная для использованная мировым научным сообществом: UNEP, EPA, Европейская
комиссия и др. (Rosenbaum et al., 2008, 2011; Henderson et al., 2011; Westh et al., 2015). Одним из
преимуществ модели является учет многофакторности воздействия химических элементов:
принимается во внимание их поступление ингаляционным и пероральным путями. Другим
серьезным достоинством, представляющим уникальность модели и актуальность ее
использования в контексте экологических исследований, является учет специфических
ландшафтно–географических и климатических особенностей территории.
Для расчета токсического воздействия химических элементов на экосистемы и здоровье
человека необходимо знание их характеристических коэффициентов (ХК) и массы в компонентах
природной среды. Если данные по количественному содержанию элемента являются
результатами аналитических исследований, то расчет ХК проводится по методике,
предложенной в модели. ХК основаны на физико-химических свойствах элементов,
особенностях их поведения в окружающей среде (например, скорость деградации в воздухе), а
также на данных токсикологических исследований, полученных в опытах на экспериментальных
животных и экстраполированных на человека, и играют значительную роль в геоэкологической
оценке территории. На сегодняшний день база данных модели USEtox включает информацию по
ХК для более, чем 3000 органических соединений и 25 неорганических элементов (As, Cr, Co и
др.). Однако, ХК по брому отсутствует, что определяет актуальность данных исследований.
Цель работы – установление особенностей накопления и распределения брома в
компонентах природной среды Томской области, и оценка его токсичности для экосистем и
человека, на основе рассчитанных характеристических коэффициентов, согласно модели USEtox.
Для ее решения поставлены следующие задачи:
брома в природно – техногенных ландшафтах;
 Определить количественное содержание элемента в различных компонентах природной среды
на территории Томской области и сравнить полученные данные с другими регионами России
и зарубежья, а также литературными показателями;
 Провести анализ пространственно – временного распределения брома на исследуемой
территории с обозначением локальных участков, характеризующихся повышенными
содержаниями элемента, обусловленными природно – техногенными факторами;
 Провести ранжирование территории Томской области в соответствии с минимально –
максимальным концентрированием элемента в компонентах природной среды;
 Установить индикаторные показатели отношений брома с химическими элементами в районах
расположения промышленных предприятий;
 Выполнить расчет характеристических коэффициентов токсичности брома для компонентов
природной среды в целях последующего их введения и использования в модели USEtox;
 Оценить токсическое воздействие брома для экосистем и человека на примере почв Томской
области, с учетом ее ландшафтно-географических характеристик, и провести сопоставление
с данными по заболеваемости населения Томской области;
 Провести ранжирование территории региона по степени опасности для экосистем и здоровья
населения.
Основные защищаемые положения:
1. В рамках изучения круговорота брома в природно – техногенных системах установлено, что
спецификой Томской области является существенное накопление и крайне неоднородное
распределение элемента в наземных растениях и животных, а также в организме человека. Из
абиотических компонентов, значимо более высокие содержания брома отмечаются в почвах
Бакчарского и Кожевниковского районов относительно среднего по области, что не находит
отражение в других объектах исследования этих территорий.
2. Специфика накопления брома в компонентах природных сред зависит от характера и
комплексности природно-техногенного воздействия и проявляется в ассоциативных
взаимосвязях элемента, неравномерности его концентрирования во времени, а также
снижении содержания по мере удаления от зоны техногенного воздействия.
3. По результатам впервые рассчитанного характеристического коэффициента токсичности
брома установлено, что элемент является более токсичным для экосистем, чем для человека.
Ранжирование административных районов Томской области по степени токсического
воздействия брома, с учетом ее ландшафтно-географических характеристик, показывает, что
наибольшая опасность, обусловленная содержанием брома в почвах, характерна для здоровья
жителей Бакчарского района области и для пресноводных экосистем Томского района, при
минимальном вкладе брома в общий показатель токсичности.
Фактический материал и методы исследований. В основу диссертационной работы
положены результаты исследований, проводимых лично автором, а также совместно с
сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии Института природных ресурсов Национального
исследовательского Томского политехнического университета. В работе также рассмотрен и
использован материал, предоставленный коллегами–сотрудниками университетов и институтов
г. Томска (Томский государственный университет, Сибирский государственный медицинский
университет, Научно-исследовательский институт фармакологии СО РАМН); г. Павлодара
(Павлодарский педагогический институт); г. Новороссийска (Институт геохимии биосферы,
Южный федеральный университет); г. Улан–Удэ (Бурятский государственный университет) и др.
В рамках работы рассмотрено содержание брома в 2709 пробах. Из них 408 проб почвы,
19 проб углей, 36 проб донных отложений, 8 проб питьевых вод, 317 проб солевых отложений
(накипь питьевых вод) и 34 пробы продуктов питания, а также 1887 проб живого вещества,
включая органы и ткани человека, некоторые виды растительности и млекопитающих. Основная
территория пробоотбора – Томская область, для проведения сравнительного анализа
рассматривались данные, полученные по другим регионам России и зарубежья.
Для количественного определения брома в компонентах природной среды использовались
следующие методы: инструментальный нейтронно–активационный анализ (ИНАА), масс-
спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS), рентгенофлуоресцентный анализ
(РФА). Отдельные пробы биоматериалов изучались с использованием сканирующей
электронной микроскопии (СЭМ). Все отобранные материалы анализировались в
аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с использованием стандартных
образцов сравнения. Достоверность анализов подтверждалась контрольными определениями на
разных средах, выполнялся внутренний контроль.
Достоверность защищаемых положений обеспечена статистически значимым
количеством проб, проанализированных современными высокочувствительными
аттестованными аналитическими методами (ИНАА, ICP–MS, рентгенофлуоресцентный анализ,
сканирующая электронная микроскопия) в аккредитованных лабораториях, а также глубиной
проработки фактического материала с использованием современных методов статистической
обработки и литературы по теме исследования.
Научная новизна. Впервые проведен комплексный всесторонний анализ по
особенностям накопления брома в значительном количестве компонентов природной среды.
Рассмотрены особенности пространственно–временного распределения элемента на территории
Томской области в пределах ее различных природно – антропогенных условий.
Впервые рассчитаны характеристические коэффициенты токсичности брома для
компонентов природной среды, в целях последующего их введения и использования в модели
USEtox. Изучено токсическое воздействие брома на экосистемы и здоровье человека на основе
рассчитанных характеристических коэффициентов токсичности и результатов по
концентрированию элемента в почвах, с учетом ландшафтно – географических особенностей
Томской области. Проведено ранжирование территории Томской области по соответствующей
опасности для экосистем и здоровья человека.
Практическая значимость. По результатам исследования построены геохимические
карты распределения брома в различных компонентах природной среды, проведено
дифференцирование районов Томской области по уровням концентрирования брома в
окружающей среде и определены районы области, в природных средах которых отмечаются
повышенные содержания элемента, что может являться полезным при проведении
геоэкологического мониторинга территории.
Получены данные по характеристическому коэффициенту токсичности брома, ранее не
включенного в модель USEtox. Полученные в рамках модели результаты по Томской области,
как отдельной ландшафтно – географической зоны, могут быть использованы в будущем для
проведения геоэкологических исследований, с целью изучения токсичности химических
элементов и связанной с ними опасности для экосистем и здоровья человека.
Материалы, полученные в процессе выполнения работы, были использованы при
проведении лекционных и практических занятий по курсу «Introduction to Environmental Science
and Engineering» в Технологическом Университете Труа (Франция) для подготовки инженеров, а
также могут быть использованы в курсах «Экология», «Геохимия живого вещества» и
«Медицинская геология» для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Экология и
природопользование» на кафедре геоэкологии и геохимии Института природных ресурсов
Томского политехнического университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на
Всероссийских и Международных симпозиумах и конференциях: Международном научном
симпозиуме студентов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и
освоения недр» (г. Томск, 2011–2013; 2015–2017); «Экология Южной Сибири и сопредельных
территорий» (г. Абакан, 2012); Международной научно–практической конференции
«Теоретические и прикладные вопросы науки и образования (г. Тамбов, 2015); II Всероссийской
научной конференции «Малышевские чтения» (г. Старый Оскол, 2015); IX Международной
Биогеохимической школе «Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической
экологии» (г. Барнаул, 2015), Международной конференции «Ecodesign» (г. Токио, Япония,
2015), Международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде
обитания человека (г. Томск, 2016); Международной конференции «The International Society for
Ecological Modelling Global Conference 2016» (г. Тоусон, США, 2016).
Кроме того, результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах
на кафедре ГЭГХ ТПУ (г. Томск, Россия), в центре по изучению окружающей среды и
устойчивому развитию Технологического университета Труа (г. Труа, Франция), а также на
кафедре гидрологии и геохимии университета Страсбурга (г. Страсбург, Франция).
Отдельные результаты работы рассматривались и обсуждались в рамках участия в
научной летней школе “Toxicology and Environmental Health” (г. Утрехт, Нидерланды, 2015), а
также «USEtox summer school» (г. Копенгаген, Дания, 2016).
Публикации. Основное содержание и научные результаты диссертационной работы
опубликованы в 20 статьях и тезисах докладов, в том числе 2 статьи – в рецензируемых журналах,
входящих в перечень ВАК и 1 статья на английском языке в журнале с ИФ 2,9, индексируемом в
базе данных Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения,
списка литературы и приложения, изложенных на 182 страницах машинописного текста. Она
включает 78 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 354 источника, 127 из которых
на иностранном языке.
Во введении указаны актуальность исследований, определены цель и задачи, показаны
основные результаты, представлена их научная новизна и практическая значимость, а также
обозначен личный вклад автора и апробация работы. В первой главе рассмотрены эколого –
геохимические особенности брома, его основные физико–химические свойства, воздействие на
живые организмы, а также гигиенические нормативы по элементу. Во второй главе представлен
расширенный обзор литературы по брому, рассмотрены уровни его накопления в компонентах
природной среды, основные области применения элемента и его соединений. Третья глава
посвящена анализу существующих на сегодняшний день способов оценки экологического
состояния окружающей среды. Четвертая глава содержит сведения о методике проведения
исследований, способах отбора проб, их последующей подготовке, методах анализа, приемах
математической обработки данных, а также методических основах модели USEtox. В пятой
главе рассматривается краткая природно-климатическая и геоэкологическая характеристика
территории Томской области. Шестая глава посвящена особенностям накопления и
распределения брома в биотических и абиотических компонентах природной среды Томской
области. Проведен анализ уровней накопления брома в компонентах природной среды Томской
области в сравнении с другими территориями Российский Федерации и зарубежья. В седьмой
главе представлены особенности распределения брома в условиях техногенеза, на примере
Томского района области. Проведен анализ изменения содержаний элемента с годами. Изучена
геохимическая специфика компонентов природной среды в районах расположения
нефтеперерабатывающих предприятий, рассмотрены индикаторные показатели отношений
брома с другими химическими элементами. В восьмой главе рассматривается оценка
токсического воздействия брома на состояние экосистем и здоровье человека с помощью
экологической модели USEtox. Проведен анализ взаимосвязей между токсичностью брома в
почвенных покровах и уровнем заболеваемости населения Томской области. В заключении
рассматриваются основные результаты и выводы по диссертационной работе.
Личный вклад автора заключается в отборе и подготовке 266 проб. Пробоотбор
осуществлялся на территории Томской области (почвы, питьевая вода, накипь питьевых вод,
волосы детей, кровь жителей, микроорганизмы минеральных источников, растительность,
продукты питания), в регионе Гранд-Эст во Франции (почва, питьевая вода, листья тополя), а
также в Байкальском регионе (микроорганизмы минеральных источников). Кроме того, автором,
также был обобщен дополнительный материал, включающий 2433 образцов.
Автором лично проведена статистическая обработка всех данных, дана интерпретация
полученных результатов и сформулированы защищаемые положения. Автором проводился
расчет характеристических коэффициентов токсичности для брома, а также при совместной
работе с авторами модели (P. Fantke, O. Jolliet), проводилось введение Томской области в модель
USEtox, как отдельно ландшафтно-географической зоны. Доля участия автора в совместных
публикациях пропорциональна долям остальных авторов.
Благодарности. Автор выражает огромную благодарность научному руководителю,
доктору биологических наук, профессору кафедры ГЭГХ ТПУ Барановской Наталье
Владимировне, а также научному консультанту, PhD Бертрану Ларатту за научное
сопровождение, всестороннюю поддержку, понимание, мотивацию и помощь на всех этапах
реализации работы. Особую благодарность автор выражает доктору геолого-минералогических
наук, профессору кафедры ГЭГХ Рихванову Леониду Петровичу за ценные советы,
рекомендации и всестороннюю помощь.
Автор признателен за помощь всем сотрудникам кафедры ГЭГХ ТПУ, а также
сотрудникам Технологического университета Труа, Франция. За ценные советы и/или
предоставление материала, автор выражает отдельную признательность профессору, д.г–м.н. Е.
Г. Язикову, профессору, д.г–м.н. С. И. Арбузову, доценту, к.г.–м.н. А. М. Межибор, доценту, к.г.–
м.н. Л. В. Жорняк, доценту, к.г.–м.н. И. С. Соболеву, старшему преподавателю, к.г.–м.н. Д. В.
Наркович, старшему преподавателю, к.г.–м.н. А. Р. Ялалтдиновой, старшему преподавателю,
к.г.–м.н. Б. Р. Соктоеву, старшему преподавателю, к.г.–м.н. Е. А. Филимоненко, к.г.–м.н. Е. В.
Черненькой, старшему преподавателю А. Ю. Иванову. Автор глубоко благодарен исполнителям
аналитических исследований: с.н.с А. Ф. Судыко, Л. В. Богутской, Г. А. Бабченко, С.С. Ильенку,
Н. В. Федюниной. Автор также благодарит директора института почвоведения и агрохимии СО
РАН, д.б.н. А. И. Сысо и сотрудников института за теплый прием, а также ведущего инженера
В.В. Демина за помощь в осуществлении аналитических исследований. Автор признателен всем
сотрудникам лаборатории гидрологии и геохимии университета Страсбурга за ценные советы.
Отдельно автор хотел бы поблагодарить П. Фантке, Н. Мюллер, О. Жоуле за активную помощь
в работе с моделью USEtox, а также к.г.н. Н.В. Сирину за совместное сотрудничество и Ф.
Братека за терпение, помощь и поддержку.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Технологического университета Труа (г.
Труа, Франция); мобильности молодых ученых, предоставленной Посольством Франции в
России (стипендия им. В.И. Вернадского для аспирантов); академической мобильности ТПУ
«Плюс»; а также гранта президента РФ для обучения за рубежом (2016–2017).