ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМА МЛЕКОПИТАЮЩИХ ПРИРОДНО- ТЕХНОГЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ И ИХ РАНЖИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ USETOX

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ КАК ИНДИКАТОРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ ОБСТАНОВОК 11
1.1 Элементный состав органов Свиньи домашней, как индикатора состояния окружающей среды 14
2.1 Изучение природной среды биогеохимическими методами исследований 18
2.2 Исследование воздействия на здоровья населения методом оценки жизненного цикла 19
ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ РОССИИ И КАЗАХСТАНА 24
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОТБОРА ПРОБ И ПРОБОПОДГОТОВКА БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА 38
4.1 Исходный материал и методика пробоотбора 38
4.2 Пробоподготовка биологического материала 41
4.3 Методика оценки токсичности элементов с помощью модели USEtox 46
ГЛАВА 5. ОБЩИЕ СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ МЛЕКОПИТАЮЩЕГО (SUS SCROFUS DOMESTICUS) 49
ГЛАВА 6. ИНДИКАТОРЫ ТЕХНОГЕНЕЗА ТОМСКОЙ И ПАВЛОДАРСКОЙ
ОБЛАСТЕЙ НА ПРИМЕРЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ОРГАНИЗМА МЛЕКОПИТАЮЩЕГО 60
6.1 Региональная специфика элементного состава организма млекопитающего на
территории Томской области 60
6.2 Изменение содержания и соотношения элементов в тканях и органах Свиньи домашней
(Sus scrofus domesticus) на урбанизированных территориях Томской и Павлодарской областей78 ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕНЕЗА НА ФОРМИРОВАНИЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ В ОРГАНИЗМЕ МЛЕКОПИТАЮЩЕГО 91
7.1 Содержание и соотношение элементов в желудочно-кишечном тракте Свиньи
домашней в условиях антропогенного воздействия 97
7.2 Региональный аспект в функционировании барьерных систем желудочно-кишечного тракта 111
7.3 Функционирование барьерных систем организма в условиях техногенеза 115
7.4 Индикаторная роль центральной нервной системы при оценке техногенного воздействия на
живой организм 118
7.5 Особенности элементного состава костей и крови как индикаторы техногенного воздействия 123
ГЛАВА 8. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ USETOX ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ И ВОЗДУХЕ НА ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДУЕМЫХ
РЕГИОНОВ 130
8.1 Модификация модели USEtox с использованием результатов геоэкологических
исследований 130
8.2 Применение модифицированных расчетов характеристического фактора токсичности для
сравнения рисков для здоровья населения на региональном уровне 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
Купить

Геохимическая мозаичность биосферы, обусловленная различными природнотехногенными условиями, значимо меняется в связи с развитием человека и общества. Добыча полезных ископаемых, их переработка использование и утилизация, строительство и эксплуатация промышленных объектов ведет к значительной смене геоэкологических условий существования живых организмов, включая человека. Повышенное поступление определенных химических элементов в природную среду ярко отражается в элементном составе биоты. Живые организмы становятся геоиндикаторами антропогенной преобразованности локальных территорий. Основные результаты исследования химического состава биологических объектов: растений, животных и человека, как геоэкологических индикаторов были представлены в работах Виноградова А.П., Виноградовой Л.Д., Ковальского В.В., Добровольского В.В., Перельмана А.И., Ковалевского А.Л., Киста А.А., Кабаты-Пендиас А. и Пендиас Х., Ткалича С.М., Саенко Г.Н., Авцына А.П., Малюги Д.П., Bowen H.J.M., Fortescue J.A.C., Kalani D.K., Жаворонкова А.А., Риша М.А., Ермаковa В. В., Моисеенко Т.И., Сусликова В.Л., Агаджанявд Н.А., С.Ф. Тютиковл, В.А. Алексеенко, М.С. Панинл, Мальгина М.А., Ильина В.Б., Христофоровой Н.К., Пузанова А.В. и многих других авторов.
Современные геоэкологические исследования различных территорий (Белан Л.Н., В.Н. Удачин, В.С. Безель, Паничев А.М., А.М. Сысо, В.Д. Страховенко, Ю.В. Робертус, Леонова Г.А., Коробова Е.М., Курамшина Н.Г., Шаймарданова Б.Х., Корогод Н.П. и многие другие) доказывают факт тесной взаимосвязи живых организмов со средой, о которой говорил еще В.И. Вернадский (1960). Однако, во многих исследованиях отсутствуют данные о взаимодействиях химических элементов в рамках разных локальных эколого-геохимических условий, редко рассматривается их широкий спектр, мало внимания уделяется комплексному подходу с применением модели оценки воздействия на живые организмы. Однако, сложная экологическая обстановка локальных территорий, обусловленная техногенным воздействием промышленности, создает необходимость такой оценки потенциального негативного воздействия на здоровье населения.
Метод Оценки жизненного цикла (ОЖЦ), один из ведущих инструментов экологического менеджмента в Европейском союзе, позволяет отслеживать величину и значимость воздействия на окружающую среду, и человеческий организм. В Российской Федерации данный метод в связи с принятием международных стандартов - ГОСТы РИСО 14040-14043 (Притужалова, 2007) все больше входит в практику оценки рисков для населения и экосистем (Сидоренко, Михеев, 2017; Перминова, 2017; Ялалтдинова, 2015; Старостина, Уланова, 2013; Мамаджанов, Сидоренко, Латушкина 2011,). Модель широко применяется в работах иностранных исследователей (Pena, 2018; Ortiz de Garcia, 2017; Rosenbaum, 2011) и признана мировым научным сообществом. Показатель негативного воздействия - характеристический коэффициент (CF) является табличным значением, предлагаемым моделью для 25 неорганических и 3000 органических соединений в зависимости от территориального расположения региона. В данной работе, однако предлагается модификация данного коэффициента с помощью внедрения результатов биогеохимического анализа территории с различной эколого-геохимической ситуацией, с целью их дальнейшего ранжирования, что определяет и актуальность исследования.
Цель работы. Оценка геоэкологического состояния локальных территорий Сибири, Забайкалья и Казахстана с использованием показателей элементного состава органов и тканей млекопитающих и их ранжирование по степени токсичности отдельных элементов.
Для её решения были поставлены следующие задачи:
1. Провести отбор проб биологического материала млекопитающего Sus scrofus domesticus на локальных территориях с различными геоэкологическими условиями функционирования природно-техногенных систем;
2. Установить индикаторные показатели содержания концентрирования и соотношения химических элементов в органах и тканях, а также биологической жидкости организма млекопитающего для локальных территорий России и Казахстана;
3. Выявить биоегохимическую специфику формирования барьерных свойств систем органов и её изменение в условиях урбанизации и хозяйственной деятельности человека
4. Модифицировать метод расчета характеристического фактора токсичности для здоровья населения с использованием модели USEtox с внедрением результатов химического анализа отобранного биоматериала;
5. Ранжировать территории по величине характеристического фактора токсичности для здоровья населения.
Основные защищаемые положения:
1. В различных эколого-геохимических условиях среды обитания в организме млекопитающего (Sus scrofa domesticus) формируются специфичные корреляционные взаимосвязи химических элементов с Cr (Eu-Cr-Yb Павлодарская область г. Экибастуз; Cr--Ca, Газимуромский завод, Тайна, Калга, Уровские ключи Забайкальский край ; Cr-Sb пос. Кижирово, Верхнее Сеченово Томский район), изменяются абсолютные содержания и коэффициенты концентрации химических элементов, изменяются отношения элементов (Th/U, Rb/Cs), что может служить индикатором этих условий.
2. Элементный состав органов и тканей млекопитающих отражает специфику техногенеза территорий их обитания в виде концентрирования определенного спектра элементов на барьерных органах. В эмбрионах мелких млекопитающих в условиях воздействия Среднеуральского медеплавильного комбината накапливаются Sb, Cr, РЗЭ (Sm, Ce, La, Lu), Zn, Br, и.На плацентарном барьере женщин-жительниц приближенных к Северному промышленному узлу районов концентрируются Th, Br, Zn, Sm, Hf. В зоне воздействия Северного промышленного узла Томского района также нарушается работа гематоэнцефалического барьера с аккумулированием в тканях головного и спинного мозга Rb, Ba, Au, Fe, Cs. В зоне действия добывающей и энергетической промышленности города Экибастуз максимальное накопление элементов приходится на барьер толстого кишечника.
3. Рассчитанный индекс токсичности увеличивается под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека. Расчет индекса токсичности элементов для здоровья населения согласно их содержанию в мышечной ткани млекопитающего при нормализации к почвам позволяет ранжировать территории по снижению показателя в следующем порядке:
1. Для Cr Забайкальский край> Павлодарская область> Республика Тыва> Томская область> Восточно-Казахстанская область
2. Для Zn, As, Sb, Ba Забайкальский край> Павлодарская область> ВосточноКазахстанская область> Томская область> Республика Тыва.
Фактический материал и методы исследований.
В основу диссертационной работы положены результаты исследований, проводимых лично автором, а также совместно с сотрудниками отделения Геологии Инженерной школы Природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета. В работе также рассмотрен и использован материал, предоставленный коллегами-сотрудниками института г. Екатеринбурга (Институт Экологии Растений и Животных УрО РАН) и материал, отобранный в городе Томск к. м. н. Станкевич С.С., руководитель Центра поддержки грудного и рационального вскармливания г. Томска.
В рамках работы было рассмотрено 186 проб органов и тканей Свиньи домашней (Sus scrofa domesticus), представляющих все системы органов животного. Для открома животных, выбранных для исследования, использовались 2 сорта комбикормов, отвечающие требованиям ГОСТ, возраст животных составлял от 3-6 месяцев. Основные территории отбора проб: населенные пункты Кижирово и Верхнее Сеченово Томского района Томской области (Россия) и город Экибастуз Павлодарской области (Республика Казахстан), для проведения сравнительного анализа рассматривались данные, полученные по другим регионам России и Казахстана, а именно поселки Уровские ключи, Газимурский завод, Тайна, Калга Забайкальского края, поселок Хову-Аксы Республики Тыва а также поселок Путинцево Восточно-Казахстанской области Казахстана.
Для количественного определения химических элементов в компонентах природной среды использовались следующие методы: инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА), масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС). Анализ образцов методом ИНАА проводился на базе исследовательского ядерного реактора ИРТ-Т в ядерно-геохимической лаборатории (ЯГЛ) кафедры геоэкологии и геохимии Национального исследовательского Томского политехнического университета (аттестат аккредитации КА.Яи.21АБ27 от 08.04.2015); аналитики - с. н. с. А.Ф. Судыко и Л.Ф. Богутская) согласно инструкции НСАМ ВИМС № 410-ЯФ. Анализ образцов методом ИСП-МС проводился в аналитическом центре ООО «Химико-аналитический центр «Плазма» (руководитель - Федюнина Н.В.). Вода биологическая анализировалась в аккредитованном научнообразовательном центре «Вода» Национального исследовательского Томского политехнического университета (руководитель центра к.г-м.н. Копылова Ю. Г.).
Достоверность защищаемых положений обеспечена статистически значимым количеством проб, проанализированных современными высокочувствительными аттестованными аналитическими методами (ИНАА, ИСП-МС) в аккредитованных лабораториях, а также глубиной проработки фактического материала с использованием современных методов статистической обработки и литературы по теме исследования.
Научная новизна. Впервые при изучении элементного состава 176 проб органов и тканей Свиньи домашней (Sus scrofa domesticus) методами ИНАА и ИСП-МС установлены индикаторные показатели соотношения химических элементов в органах и тканях млекопитающих, обитающих в условиях функционирования локальных природно-техногенных систем на территории России и Казахстана. Установлена специфика функционирования биогеохимических барьеров внутри организмов млекопитающих (плацентарный барьер, гематоэнцефалический барьер, барьер пищеварительной системы) и её изменение в условиях техногенеза. Модифицирован расчет характеристического коэффициента токсичности для 5 химических элементов для 4 локальных территорий Сибири, Забайкалья и Казахстана. Впервые представлено ранжирование локальных территорий Сибири, Забайкалья и Казахстана по величине характеристического коэффициента токсичности для здоровья насления.
Практическая значимость. Выявленные особенности концентрирования и распределения химических элементов в органах и тканях Свиньи домашней на территориях с разными геоэкологическими условиями позволяет дифференцировать их по степени экологической нагрузки, что может являться полезным дополнением к проведению геоэкологического мониторинга территорий.
Метод модификации модели оценки воздействия USEtox с использованием результатов химического анализа может использоваться в качестве локального дополнения в оценке токсического воздействия на население. Данный метод позволяет расширить модель с использованием локальных данных о химическом составе пищевого продукта - свинины, и в дальнейшем может применяться в оценке рисков для здоровья населения изучаемых территорий.
Материалы, полученные в процессе выполнения работы, были использованы при подготовке практических занятий по курсу: «Оценка экологических рисков» в Отделении Геологии Инженерной школы Природных ресурсов Томского политехнического университета для подготовки бакалавров по специальности «Экология и природопользование», а также могут быть использованы в курсах «Экология», «Геохимия живого вещества» и «Медицинская геология» для подготовки магистров по направлению «Экология и природопользование». Полученные данные могут быть использованы органами здравоохранения и природоохраны.
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, 2015-2019); «Medgeo 2016» (г. Москва 2016); Международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека (г. Томск, 2016); Международной конференции «Ecodesign» (г. Токио, Япония, 2018); Международной конференции CEST 2019 (о. Родос, Греция 2019). Кроме того, результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах в отделении Геологии ТПУ (г. Томск, Россия), и лаборатории I2M Национальной высшей школы искусств и ремесел (г. Бордо, Франция).
Публикации. Основное содержание и научные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 статьях и тезисах докладов, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК и 2 индексируемые в базах данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы и приложения, изложенных на 157 страницах машинописного текста. Она включает 93 рисунка и 28 таблиц. Список литературы содержит 166 источников, 74 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 рассматриваются особенности функционирования биогеохимических барьеров живого организма, и исключительная роль элементного состава органов Свиньи домашней (Sus scrofa domesticus) как индикатора геоэкологических обстановок. Во второй главе рассматриваются способы анализа экологического состояния окружающей среды, изучение природной среды биогеохимическими методами исследований и методом оценки жизненного цикла. В третьей главе приводится краткое геотектоническое литологическое и металлогеническое описание и геоэкологическая характеристика районов исследования. В четвертой главе описываются методика проведения исследований, способы отбора проб, их последующей подготовке, методах анализа, приемах математической обработки данных, а также методических основах модели USEtox. Пятая глава посвящена статистическим параметрам накопления элементов в организме Свиньи домашней, рассчитаны средние содержания, рассчитаны коэффициенты корреляции и вариации элементов во всей изученной выборке. В шестой главе рассматриваются основные индикаторы техногенеза. Проведен сравнительный анализ содержания химических элементов в пробах органов и тканей млекопитающих, отобранных на территории Томского района, Забайкальского края и Павлодарской области. В седьмой главе описываются особенности распределения и концентрирования элементов в барьерных системах органов. Восьмая глава посвящена применению модели USEtox при оценке токсичности элементов для здоровья населения, а также методике расчетов характеристического коэффициента токсичности с использованием локальных данных, как на уровне регионов (исследованные в работе области), так и на уровне стран (собственные расчеты и литературные данные. В заключении рассматриваются основные результаты и выводы по диссертационной работе.
Личный вклад автора заключается в отборе 33 проб биологического материала Свиньи домашней на территории города Экибастуз Павлодарской области. В подготовке проб к химическим анализам ИНАА, ИСП-МС, и к выделению воды биологической из организма млекопитающего методом Дина Старка. Автор принимал участие в отборе проб биоматериала мелких млекопитающих совместно с сотрудниками Института экологии растений и животных Уральского отделения Академии наук. Автором лично проведена статистическая обработка всех данных, дана интерпретация полученных результатов и сформулированы защищаемые положения. Автором проводился расчет характеристических коэффициентов токсичности для Cr, Zn, As, Ba, Sb, а также при совместной работе с научными руководителями (Belyanovskaya et al., 2019) была разработана методика расчета характеристического коэффициента токсичности в модели USEtox.
Благодарности. Автор выражает огромную благодарность научному руководителю, доктору биологических наук, профессору кафедры Отделения Геологии Барановской Наталье Владимировне, а также научным консультантам, PhD Бертрану Ларатту, PhD, профессору Национальной высшей школы искусств и ремесел, Бордо Николя Перри за научное сопровождение, всестороннюю поддержку, понимание, мотивацию и помощь на всех этапах реализации работы. Особую благодарность автор выражает доктору геолого-минералогических наук, профессору Отделения Геологии Рихванову Леониду Петровичу за ценные советы, рекомендации и всестороннюю помощь. Автор признателен за помощь всем сотрудникам и студентам отделения Геологии ИШПР ТПУ, сотрудникам Национальной высшей школы искусств и ремесел, Бордо Франция. За ценные советы и/или предоставление материала, автор выражает отдельную признательность профессору, к.б.н. Н.П. Корогод, д.б.н. В.С. Безеля, С. В, к.б.н. Мухачевой, д.г-м.н. Е. Г. Язикову, профессору, д.г-м.н. С. И. Арбузову, к.г.-м.н. А. Р. Ялалтдиновой, к.г-м.н. PhD Т.А. Братек, аспирантам М.А. Дериглазовой, А. Н. Злобиной. Автор глубоко благодарен исполнителям аналитических исследований: с.н.с А. Ф. Судыко, Л. В. Богутской, А.А. Хвощевской, Ю.Г. Копыловой, Н.В. Федюниной. Автор выражает особую благодарность за всестороннюю поддержку А.И. Беляновскому. Работа выполнялась при финансовой поддержке спонсора партнерской исследовательской деятельности Национальной высшей школы искусств и ремесел, г. Бордо Франция - компании
Купить