Минералого-геохимические особенности зольного остатка организма жителей некоторых городов России как индикатор эколого-геохимической обстановки

Актуальность работы. Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) установлено,
что здоровье человека на 20-25% зависит от состояния окружающей среды. Неблагоприятная
экологическая обстановка и природные условия относятся к факторам, напрямую влияющим на
ухудшение здоровья населения и увеличение сердечно-сосудистой и респираторной
заболеваемости. По оценкам ВОЗ более 4 миллионов случаев преждевременной смерти в 2012
году связано с загрязнением атмосферного воздуха (ВОЗ, 2018). Кроме того, неблагоприятная
окружающая среда рассматривается в качестве одной из причин возникновения мочекаменной
болезни (Полиенко, 1986; Кораго, 1992; Севостьянова, Полиенко, 2004; Голованова и др., 2007),
кариеса и зубного камня (Кораго, 1992; Голованова и др., 2007,Берикашвили, 2010; Резниченко
и др., 2015; Бельская, 2009 и др), патологий щитовидной железы (Денисова и др., 2011), органов
дыхания (Денисова и др., 2016), онкологических (Бадман и др., 1988; Pawlikowski, 2011;
Оганесян, 2014; Манжуров, Лежанин, 2015) и множества других заболеваний. Учитывая
ежегодное увеличение темпов урбанизации и развития промышленности, ведущие к
возрастанию загрязнения атмосферного воздуха, почв, поверхностных и подземных вод, фактор
окружающей среды с каждым годом вносит всё больший вклад в заболеваемость населения.
Наряду с антропогенными, природные факторы могут стать причинами возникновения
эндемических заболеваний, которые характерны для определенной местности. К числу таких
заболеваний относится Уровская болезнь (Кашина-Бека), эндемический зоб, флюороз,
мочекаменная болезнь и другие. Важность природного фактора в возникновении
множественных патологий была отмечена В. И. Вернадским, его учениками и последователями
(Вернадский, 1922, 1978; Виноградов, 1939, 1963; Ковальский, 1980; Ермаков, 2017 и др.).
Развивая идеи биогеохимических провинций А. П. Виноградов, В. В. Ковальский и другие
доказали, что для костной ткани людей и животных, проживающих в определённых
биогеохимических провинциях характерно пониженное или повышенное накопление ряда
элементов в организме, отражающее их содержание в окружающей среде. Таким образом, уже
не вызывает сомнения тот факт, что житель конкретной территории является носителем
определённого геохимического статуса или портрета, характеризующего территорию его
проживания (Скальный и др, 2010; Афтанас и др., 2010, 2012, 2013, 2014; Крымова, 2008;
Игнатова, 2010; Рихванов и др., 2017; Дериглазова и др., 2017 и др.). При этом данный статус
зачастую является уникальным для жителей различных территорий, так как отражает
воздействие на человека одновременно природных и антропогенных факторов. Изучение
геохимического статуса населения является, на данный момент, одним из самых
распространенных, доступных и эффективных индикаторов и позволяет оценить комплексное
влияние множества факторов напрямую, чем и объясняется его выбор. В настоящее время
геохимический портрет (статус) населения определяется исходя из элементного анализа крови,
волос, костной ткани, а также других биосубстратов местных жителей (Жук, Кист, 1990;
Афтанас и др., 2010-2015, Барановская, 2011; Наркович, 2012; Скальный, 2018, и др.).
Исследования показывают, что костная ткань человека является долговременной
депонирующей средой, чутко реагирующей на отклонения в составе среды обитания
(Ковальский, 1980; Кораго, 1993; Крымова, Колкутин, 2007; Крымова, 2008, и др.). Все более
очевидной становится связь между процессом физиологического и патогенного
минералообразования в организме человека и геоэкологическими факторами окружающей
среды (Полиенко, 1986; Кораго, 1992; Севостьянова, Полиенко, 2004; Голованова, 2007,
Бельская, 2009 и другие). Значительный интерес вызывает исследование отражения
профессиональной деятельности в геохимических особенностях минеральных образований
человеческого организма (Сокол, 2004). Учитывая тот факт, что на жителей крупных городов
оказывает влияние синергетическое действие большого количества факторов, исследования
подобного рода подчеркивают исключительную индикаторную роль органо-минеральных
агрегатов организма человека для оценки комплексного влияния окружающей среды на неё.
Объектом исследования является зольный остаток организма человека (ЗООЧ) жителей 6
городов России (Норильск, Новокузнецк, Новосибирск, Екатеринбург, Санкт-Петербург,
Ростов-на-Дону). В качестве предмета исследования рассматриваются региональные
геохимические и минералогические особенности исследуемого материала.
Цель исследования состоит в изучении возможности использования зольного остатка
организма человека в качестве индикатора геохимической обстановки среды обитания на
примере некоторых городов России.
Задачи исследования:
1. Установить особенности поведения химических элементов в процессе
высокотемпературного озоления костной ткани и оценить возможность пересчета
концентраций элементов в золе на сухое вещество;
2. Изучить возможность использования зольного остатка для изучения геохимических
особенностей исходного объекта;
3. Оценить среднее содержание и особенности накопления химических элементов в
зольном остатке организма человека жителей некоторых городов России;
4. Изучить минеральный состав зольного остатка организма человека и выявить формы
нахождения элементов в нем;
5. Выявить региональные особенности накопления химических элементов и минерального
состава ЗООЧ и установить их индикаторное значение для исследуемых городов.
Основные защищаемые положения:
Положение 1. При озолении костной ткани при температуре 1000-1100°С в ней
происходит концентрирование Li, Na, Mg, Al, P, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Y, Zr, Nb,
Mo, Cd, Sb, La, Ce, Pr, Sm, Gd, W, Au, Bi, U и улетучивание Br, Hg, Sn. Для некоторых
элементов (Mg, Cr, Mn, Fe, Zn, Ga, As, Zr, Nb, Cd, Sb, Ce, Pr, W, Pb и U) имеется возможность
пересчета концентраций в золе костной ткани на сухое вещество. Микроминеральные фазы,
найденные в составе озолённого материала, могут иметь первичный и вторичный генезис,
однако и те, и другие отражают геохимическую специфику исходного материала.
Положение 2. Элементный состав зольного остатка организма человека отражает
геохимические особенности окружающей среды и может быть использован в качестве
индикатора геоэкологической обстановки изученных территорий. Геохимическая специфика
зольного остатка организма человека в целом, а также жителей впервые изученных городов
заключается в повышенных концентрациях следующих элементов:
ЗООЧ в целом: Au, P, Sb, Bi, Ag, Zn, Ca, Se, Ba, Cr, Cu, Zr, Ni;
Норильск: Er, Tm, Cs, Sm, Be, Zr, Y, Tb, Ho, Lu, Al, Pr, Dy, Gd, Ni;
Санкт-Петербург: Zn, Lu, Ag;
Екатеринбург: Br, Rb, Ni, Sr, Cd, Pb, Ba, Hf.
Положение 3. Главной минеральной фазой зольного остатка организма человека
является гидроксилапатит, среди которого выделяются микроминеральные фазы 30 химических
элементов, отражающие эколого-геохимическую специфику изучаемых территорий, в том
числе
оксиды (Fe, Cu, Zn, Pb);
хлориды (K);
сульфиды и сульфаты (Ba, Fe, Zn);
фосфаты (Ce-La-Nd-Th (Норильск, Новосибирск));
силикаты (Zr (Норильск));
самородные металлы (Au (Новосибирск, Норильск), Pt (Норильск));
интерметаллические соединения (Fe-Ce (Новосибирск), Fe-As-Ni-Cu (Новокузнецк,), Nb-
Ti-Sr (Санкт-Петербург), Pb-Sb-Ti (Санкт-Петербург), Th-Ag (Ростов-на-Дону), Bi-Zn
(Екатеринбург)).
Фактический материал и методы исследования. В качестве фактического материала,
использовавшегося при проведении исследования, выступают пробы зольного остатка
организма человека, отобранные сотрудниками Томского политехнического университета (к.г.-
м.н. Рыбина (Игнатова) Т.Н., профессор, д.б.н. Барановская Н. В.,), а также автором лично.
Всего было отобрано и изучено 127 проб ЗООЧ из 6 городов России (Новосибирск,
Новокузнецк, Екатеринбург, Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, Норильск), а также 7 образцов
костной ткани животных (Свинья Домашняя (Susscrofa domesticus)) и человека из Томского
района и Забайкальского края для проведения экспериментов по озолению.
В процессе исследования пробы ЗООЧ и костной ткани были проанализированы
следующими аналитическими методами: инструментальный нейтронно-активационный анализ
(ИНАА) и масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) для определения
элементного состава исследуемого материала; сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и
рентгенофазовая дифрактометрия для определения минерального состава и элементного
состава микроминеральных фаз. Все исследования элементного состава образцов проведены в
аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам (МКХА НСАМ № 510-ЯФ
«Определение микроэлементов в горных породах, рудах, почвах, донных отложениях, золах
растений, углях и в твердых биологических материалах растительного и животного
происхождения нейтронно-активационным методом», МУК 4.1.1483-03 «Определение
содержания химических элементов в диагностических биосубстратах, препаратах и
биологически активных добавках методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной
плазмой».).
Методом ИНАА, выполненным на базе Томского политехнического университета
(Аттестат аккредитации RA.RU.21АБ27 от 08.04.2015 Аналитики – с.н.с. Судыко А. Ф.,
Богутская Л. Ф), было проанализировано содержание 28 элементов в 170 пробах исследуемого
материала. Данный метод анализа был выбран в качестве основного, так как является
высокоточным, не требующим специфичной пробоподготовки и переведения образца в раствор.
В дальнейшем полученные данные были дополнены результатами ИСП-МС. Определение
массовых концентраций элементов методом ИСП-МС было проведено в Институте геохимии
им. А. П. Виноградова, г. Иркутск (Аттестат аккредитации RA.RU.21ГП12 от 17.11.2015,
аналитики Сандимирова Г.П., Пахомова Н.Н., Смирнова Е.В.), а также в ХАЦ «Плазма», г.
Томск (Аттестат аккредитации RA.RU.516895 от 24.03.2016, аналитик Филипас Т.А.). Всего
данным методом проанализировано 96 проб. С помощью сканирующей электронной
микроскопии изучено 70 проб, рентгенофазовой дифрактометрии – 16. Оба метода выполнены в
лаборатории Отделения Геологии Томского политехнического университета под руководством
к.г.-м.н. Ильенка С. С., к.г.-м.н. Соктоева Б. Р.
Степень достоверности представленных данных обеспечивается значительным
количеством фактического материала, проанализированного точными и
высокочувствительными методами анализа в аккредитованных лабораториях по аттестованным
методикам. Правильность полученных результатов проверялась внешним и внутренним
контролем, а также исследованием сходимости результатов, полученных с помощью различных
методов. Достоверность представленных в работе данных подкреплена глубиной проработки
литературы по исследуемой теме.
Научная новизна.
1. Впервые установлена тенденция поведения химических элементов в процессе
высокотемпературного (1000-1100°С) озоления костной ткани;
2. Изучена геохимическая специфика зольного остатка организма человека жителей
следующих городов: Екатеринбурга, Санкт-Петербурга, Норильска. Уточнен спектр
накапливающихся элементов в организме жителей Новокузнецка, Новосибирска, Ростова-на-
Дону по сравнению с ранее проведенными исследованиями;
3. Выявлен минералогический состав исследуемого материала. Для ЗООЧ каждого
изученного города найдены микроминеральные фазы различных элементов, которые не только
подтверждают геохимические особенности изучаемого материала, но и отражают
геоэкологические и геохимические особенности исследуемой территории.
4. Изучено изменение форм нахождения элементов в процессе озоления костной ткани,
выявлен генезис ряда микроминеральных фаз, обнаруживающихся в озолённых пробах;
5. Показана индикаторная роль геохимической и минералогической специфики ЗООЧ
для определения геоэкологической и ландшафтно-геохимической обстановки исследуемых
территорий.
Практическая значимость. Полученные данные по геохимическому портрету жителей
изученных городов могут быть включены в систему мониторинга состояния окружающей
среды исследуемых территорий для создания благоприятной экологической обстановки.
В рамках развития идеи о биогеохимических провинциях и элементном статусе
населения, полученные результаты могут быть использованы для создания базы данных,
которая будет пополняться информацией об элементном составе различных биосубстратов
местных жителей: крови, волос, ногтей, мочи и прочих.
Результаты исследования могут быть рекомендованы медицинским и исследовательским
организациям для анализа региональной заболеваемости, прогнозирования её уровня, а также
принятия мер для минимизации негативного воздействия окружающей среды на организм
местных жителей.
Данные об элементном и минеральном составе зольного остатка организма человека,
представленные в работе, могут использоваться в судебно-медицинской экспертизе для
идентификации обнаруженных останков;
Материалы представленной работы были использованы для написания монографии
«Очерки геохимии человека», которая на данный момент является наиболее современным и
комплексным изданием по геохимическому исследованию организма человека;
Материалы, представленные в данной работе, частично используются для подготовки
бакалавров и магистров по направлению «Экология и природопользование» при проведении
лекционных и практических занятий по курсам «Медицинская геология» и «Биоминералогия» в
Томском политехническом университете.
Апробация работы и публикации. Результаты, полученные в рамках исследования и
озвученные в диссертационной работе, были представлены на научных мероприятиях
различных уровней – Международных, Всероссийских и региональных симпозиумах,
конференциях, совещаниях, в том числе:«Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2011-
2019 гг.), «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2013-2015 гг.),
«Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах» (г. Санкт-Петербург,
2014 г.), «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2015 гг.),
«Проблемы минерального обмена в организме человека на территориях Арктической зоны» (г.
Апатиты, 2017 г.), «MedGeo-2017» (г. Москва, 2017 г.), «Роль технологической минералогии в
рациональном недропользовании» (г. Москва, 2018), и других.
Основное содержание защищаемых в диссертации положений изложено в 27
публикациях, 4 из которых опубликованы в рецензируемых научных журналах, входящих в
перечень ВАК, 3 – в журналах, индексируемых базами данных Scopus, Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 177 страницах, дополнена 85
рисунками и 31 таблицей. Представленная работа содержит 7 глав, а также введение и
заключение, список литературы содержит 201 источник. Краткое содержание глав
представлено ниже.
области элементного состава организма человека, а также его зольного остатка.
В Главе 2 приводится описание имеющихся исследований в области биоминералогии
органо-минеральных агрегатов человеческого организма.
В главе 3 изложена краткая эколого-геохимическая характеристика исследуемых
территорий (Норильска, Новокузнецка, Новосибирска, Екатеринбурга, Санкт-Петербурга,
Ростова-на-Дону).
Глава 4 описывает материал и аналитические методы, использовавшиеся в ходе
проведения исследования. В главе также представлена методика проведения эксперимента и
обработки полученных данных.
В Главе 5 приводятся результаты экспериментального исследования по анализу
поведения элементов при озолении костной ткани. В главе также представлены данные
минералогических исследований, описывающие изменения, происходящие с материалом и
микроминеральными фазами при озолении.
В Главе 6 приводятся данные исследований элементного состава проб зольного остатка
организма человека. Выявлены основные геохимические особенности ЗООЧ жителей
различных городов, а также показана их индикаторная роль.
В Главе 7 представлены данные рентгенофазовой дифрактометрии и сканирующей
электронной микроскопии. Кроме основных минералогических характеристик исследуемого
материала в главе также представлены региональные минералогические особенности ЗООЧ
жителей каждого города, заключающиеся в наличии микроминеральных фаз различных
элементов.
В заключении представлены основные выводы по работе.
Личный вклад автора заключается в отборе проб зольного остатка организма человека
г. Норильска, пробоподготовке исследуемого материала, а также исследовании
минералогических особенностей материала с помощью порошкового дифрактометра Bruker D2
PHASER и сканирующего электронного микроскопа Hitachi S -3400N. Непосредственно
автором проводилась работа по статистической обработке полученных данных с
использованием программ Excel, Statistica, Eva и других. Формулировка защищаемых
положений и подготовка текста диссертационной работы также выполнена лично автором под
руководством научного руководителя.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю – Рихванову Л.
П. за вовлеченность, а также ценные советы и наставления, полученные во время совместной
работы на протяжении 8 лет. Особую признательность автор выражает научному консультанту,
а также первому научному руководителю – Барановской Н.В. – за первые шаги в освоении
выбранной области исследования. Отдельная благодарность выражается членам научного
коллектива Отделения геологии ТПУ, а также других научных школ за содействие в
проведении исследований – С.С. Ильенку, Б.Р. Соктоеву, Е.Г. Язикову, И.А. Матвеенко, Д.В.
Юсупову, А. Изатулиной, С. Н. Путилину, В. М. Погребенкову, А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, а
также всем преподавателям за формирование научного подхода автора.