Биогеохимические методы в изучении влияния города на здоровье населения

Биогеохимические методы в изучении влияния города на здоровье населения

Особенности экологии человека в городе вызваны наличием в городской среде многих новых факторов, с которыми ранее человек или не сталкивался вообще, или интенсивность их воздействия была значительно меньше. Одним из таких мощных специфичных факторов является техногенный геохимический пресс, формирующийся в результате поступления в различные компоненты городского ландшафта (почву, воздух, поверхностные и подземные воды) сотни тысяч тонн вредных веществ ежесуточно.

В окружающую среду практически любого промышленного города интенсивно поступает широкий комплекс токсичных химических элементов с выбросами и стоками промышленных предприятий, с отходами производств и городского хозяйства, а такие со средствами химизации зеленых насаждений и сельского хозяйства.

В промышленных городах проводится большая работа по инвентаризации источников загрязнении, определению предельно допустимых выбросов, по контролю в различных компонентах ландшафта ограниченного числа поллютантов. Однако, имеющаяся информация о содержании химических элементов не позволяет точно зафиксировать источники их выделения и локализовать на местности зоны их воздействия, дифференцированные по степени экологической опасности. Существующая система контроля не показывает взаимосвязи между природными средами и не отражает в едином по месту и времени исследовании уровни воздействия на биогеноценозы и население, и их отклики на это воздействие.

Отмеченные сложности – неизбежное следствие многоведомст-венности служб контроля за окружающей средой. Они обусловлены также традиционной системой организации этого контроля, основанной на динамическом изучении загрязняющих веществ в сравнительно редкой сети стационарных постов и створов с последующим математическим моделированием распространения токсикантов. Такая организационная служба контроля наследует концепции гидрометеорологии, хорошо себя зарекомендовавшие при прогнозе глобальных и региональных ситуаций. В  то же время перенос такой схемы на значительно более крупные по масштабу явления городов с их сложной мозаичной структурой распределения источников вредных воздействий и поражаемых ими территорий, с необходимостью дифференциации по количественным параметрам пространственной структуры зон вредных воздействий требует принципиального согласования временных и пространственных характеристик проявления загрязнения с масштабом контроля. Проведение таких исследований возможно при помощи методов прикладной геохимии.

В методологическом плане это является следствием из оценки воздействия человеческой деятельности как геохимического и биогеохимического явления, данной еще В.И.Вернадским. Применительно к ряду крупных городов нами было показано, что они представляют собой техногенные геохимические провинции, которые по уровню накопления химических элементов и другим параметрам геохимических аномалий превосходят территорию распространения рудных полей и месторождений, то есть наиболее экстремальные известные нам в природе биогеохимических ситуаций. В отличие от природных биогеохимических систем, где, как правило, рассматривается влияние на человека ограниченного круга химических элементов, осуществляемое через пищевую биогеохимическую цепь, в городах проявляется принципиально иная ситуация. Охарактеризовать ее можно как повсеместность распространения токсичных микроэлементов, в том числе тяжелых металлов, преимущественно ингаляционный путь поступления, наличие на городских территориях аномалий во всех компонентах окружающей среды с высоким содержанием химических элементов, формирующих плохо учитываемые, но вполне реальные биохимические потоки.

Основой геохимических исследований города является геохимическое картографирование распределения тяжелых металлов и некоторых других ингредиентов в почве, снежном покрове, донных отложениях, т.е. природных средах, концентрирующих загрязнения. Это позволяет экспрессно и с любой детальностью выявить пространственную структуру состояния среды и установить очаги ее загрязнения. Практическая возможность такого подхода основана на исследовании корреляционных связей в окружающей среде между распределением загрязняющих веществ в динамичных миграционных средах – «воздухе и воде» – и в, фиксирующих эти вещества, депонирующих средах.

Три основные группы источников загрязнения урбанизированных территорий – выбросы, стоки, твердые отходы – различаются по абсолютному уровню поставки химических элементов, по ее относительной интенсивности, по местам проявления воздействия. Абсолютные массы нагрузки на окружающую среду, выраженные в сопоставимых единицах (мг на человека в сутки) в ряду выбросы – стоки – отходы, увеличиваются на три порядка – от 0 до 100 мг/чел/сутки. Интенсивность относительной по сравнению с фоновыми условиями нагрузки наиболее велика для выбросов (в десятки и сотни раз выше фона). Таким образом, атмосферный путь поступления химических элементов является ведущим в окружающей среде городов. При ингаляционном пути поступления в организм человека элементы поглощаются интенсивно. Так, свинца, поступает с воздухом, абсорбируется кровью до 60 %, из воды всасывается лишь 10 %, а из пищи – 5 %.

Средний уровень выпадения пыли на фоновых природных территориях в Европейской части СССР составляет около 10 кг на м ² в сутки. В городах вне зон прямого воздействия источников выбросов уровень выпадений пыли возрастает в 10 – 20 раз. Общи средний уровень выпадений в городах в 30 – 40 раз выше фонового, а вблизи промышленных предприятий наблюдаются аномальные территории с массой выпадений до 600 раз выше фонового. Сходно и распределение химических элементов в выпадениях. Даже в новых микрорайонах крупных городов, достаточно удаленных от промышленных зон, содержание химических элементов в выпадениях в 2 – 3 раза ваше, чем в фоновых условиях. В зонах воздействия промышленности эти содержания возрастают в 10 – 20 раз.

Рекомендуемые материалы

Обобщенная оценка степени загрязнения почв за счет выпадения химических элементов, по данным расчета суммарного показателя загрязнения (СПЗ), показывает, что она наиболее интенсивна около предприятий цветной металлургии (до 450 раз выше фонового), приборостроения (300 раз) и черной металлургии (250 раз). Менее интенсивное загрязнение наблюдается близ машиностроительных и химических предприятий. Спектр химических элементов в техногенных ореолах выпадений довольно широк. Для весьма разных по типу технологических процессов предприятий наблюдается сходная общая ассоциация элементов в ореолах: свинец, цинк, медь, олово, молибден, никель, кобальт, хром, ртуть, серебро. Таким образом, современное производство независимо от его типа сопровождается комплексными полиэлементными аномалиями выпадений.

Механизм формирования аномальных полей связан с закономерностями распространения выбросов в атмосферу. Экспоненциальное убывание концентрации загрязнителей в атмосфере по мере удаления источника, что приводит к формированию ореолов рассеяния в почвах с четко выраженным градиентом концентраций от центра к периферии. Центральные части ореолов, где содержание химических элементов в десятки и сотни раз превосходит фоновые, приурочены к источникам выбросов, но, как правило, в полтора – три раза больше, чем площадь официально фиксируемой промышленной зоны. Это обычно обусловливает интенсивное, загрязнение промышленных площадок, а в городах старой традиционной застройки и рабочих поселках – высокую степень загрязнения примыкающих к предприятиям жилых массивов или сельскохозяйственных угодий.

В городах, насыщенных разнообразным производством, периферийные части ореолов сливаются и образуют значительные по площади (до 100 – 150 км) очаги загрязнения небольшой или средней интенсивности с мозаично рассеянными центрами высоких концентраций.

Геохимическая структура города подтверждается и результатами изучения концентрации химических элементов в воздухе, хотя контрастности аномалий в нем значительно ниже, чем в депонирующих средах.

Геохимическая обстановка в промышленных городах требует соответствующей экологической оценки, основанной на изучении отклика биоты и биологических реакций населения. Следует подчеркнуть, что выявленные при геохимическом картировании зоны загрязнения отражают характер распределения не только металлов, но я таких элементов, как сернистый ангидрид, окислы азота, взвешенные вещества.

Биологические реакции населения изучаются на основе общих методических принципов, разработанных в гигиене окружающей среды, биогеохимии, эпидемиологии. Особенностью таких работ является изучение процессов метаболизма в организме, связей между проявлением выраженного токсического эффекта и уровнем заболеваемости населения. Уровень накопления оценивается сопоставлением с физиологическими, допустимыми и критическими нормами. Если раньше считалось, что некоторые токсичные элементы отсутствуют в организме, то в настоящее время не только определены их нормальные содержания, но и установлена физиологическая роль (например, для ртути). Кроме физиологических, в настоящее время вводится понятие допустимых норм – биологических предельно-допустимых уровней (ПДУ). Это означает такое количество вещества в организме, критическом органе или диагностическом биосубстрате, которое при постоянном его содержании не вызовет изменений в состоянии здоровья человека, обнаруживаемых современными методами исследований. Предполагается учет отдаленных последствий, которые могут проявиться в последующих поколениях. Концепция допустимого накопления токсичных веществ позволяет учитывать все пути их поступления в организм, то есть соответствует реальной нагрузке.

Использование тестов накопления помогает прогнозировать влияние того или иного вещества на здоровье населения вблизи источников загрязнения и дает представление о суммарном уровне воздействия элементов, поступающих с воздухом производственных помещений, атмосферным воздухом, питьевой водой и продуктами питания. В случае выявления зависимостей между содержанием металлов в окружающей среде и биосубстратах эти данные используются как биологические показатели загрязнения окружающей среды.

В ряде стран рекомендованы или утверждены допустимые и критические уровни в биосубстратах свинца, кадмия, фтора.

С целью оценки микроэлементного статуса организма жителей городов с разной промышленной структурой в разных географических зонах страны была разработана система биомониторинга макроэлементов, включающая рекомендуемые индикаторные биосубстраты для различных микроэлементов и комплекс аналитических методов.

Исследования микроэлементного состава биосубстратов населения, проводимые в 8 крупных промышленных городах различных географических зон, позволили выявить основные закономерности изменения микроэлементного состава горожан, приоритетные элементы-загрязнители, установить корреляционные зависимости между биоконцентрациями микроэлементов и их содержанием в различных компонентах окружающей среды.

Максимальные биоконцентрации микроэлементов обнаружены у рабочих, имеющих профессиональный контакт с ними. Следует отметить, что на предприятиях ведется контроль за металлами в воздухе в рабочей зоне (как правило, по одному – двум), в то время как исследования микроэлементного состава биосубстратов показали значительно больший комплекс накапливающихся элементов, в том числе редких и рассеянных. Так, у рабочих медеплавильного производства выявлены повышенные биоконцентрации меди, свинца, мышьяка, кадмия; свинцоплавильного – свинца, кадмия, мышьяка, сурьмы, меди, ртути, кобальта, теллура; производства щелочных аккумуляторов – свинца, кадмия, никеля; минеральных красок – свинца, кадмия, мышьяка, селена, самария, хрома, сурьмы, кобальта, теллура; термометров – ртути; суперфосфатных удобрений – фтора; цветных кинескопов – европия. Биоконцентрации свинца, кадмия, фтора, мышьяка у многих рабочих превышали допустимый, а в ряде случаев и критический уровень.

Высокий уровень загрязнения промышленных площадок, являющихся эпицентром геохимических аномалий, отражается на биоконцентрациях у рабочих и служащих, не имеющих профессионального контакта с химическими элементами, но работающих на этом предприятии. Например, на предприятии с выбросами фтора его содержание в моче сотрудников медсанчасти было ниже, чем у рабочих фторового производства, но в два раза выше, чем у служащих в городе. Это свидетельствует о том, что в условиях города значительное число промышленных рабочих и служащие испытывают не учитываемую дополнительную биогеохимическую техногенную нагрузку.

В организме взрослого и детского населения, проживающего вблизи указанных производств в зонах интенсивных геохимических аномалий, отмечены повышенные накопления токсичных элементов. Они, разумеется, ниже, чем у рабочих, но также зачастую превышают величины, допустимые для этих групп населения. Биоконцентрации в организме жителей резко снижаются по мере удаления от источника загрязнения и уменьшения концентраций химических элементов в атмосферном воздухе, фактически, в окружении крупных металлургических заводов, на расстоянии 2 – 4 км биоконцентрации токсикантов у населения достигает предела физиологического уровня.

В городах, где отсутствуют такие мощные источники выбросов металлов в воздушный бассейн, как металлургические комбинаты, повышенное загрязнение атмосферы металлами создают отработанные газы автотранспорта, использующие этилированный бензин, эмиссия с машиностроительных заводов, предприятий радиоэлектронной промышленности, полиграфии. В таких городах элементом, повсеместно накапливающемся в организме детей, является свинец. Содержание этого металла в волосах детей, проживающих вблизи автомагистралей с интенсивным движением автотранспорта в 50 % случаев, превышает допустимые значения. Кроме свинца в волосах детей несколько повышены биоконцентрации и других элементов – брома, содержащегося в этилированном бензине, ртути, серебра, мышьяка.

Сопоставление данных о концентрации ряда металлов в атмосферном воздухе, почвах, снежном покрове с биоконцентрациями подтвердило наличие количественных зависимостей между ними. Так, достоверно количественные связи получены между концентрациями свинца в волосах, атмосферном воздухе и почве; меди, цинка, серебра и кадмия – в волосах и почве. Важно отметить, что с биогеохимических позиций подтверждается надежность ПДК свинца и кадмия в атмосферном воздухе.

Микроэлементный статус организма жителей в техногенных геохимических аномалиях характеризуется не только повышением концентраций ряда токсичных элементов, но и понижением содержания некоторых биоэлементов. Так, например, при повышенном накоплении в волосах детей свинца постоянно наблюдается снижение биоконцентраций такого важнейшего жизненно необходимого микроэлемента как цинк.

Вопросы связи геохимической ситуации с состоянием здоровья населения до последнего времени наиболее детально разрабатывались для природных биогеохимических провинций. В многочисленных работах для различных регионов страны доказано влияние фтора на распространенность кариеса или флюороза, возникновение анемий при повышенном содержании меди в воде и продуктах питания, возникновение эндемического зоба при недостатке йода, появление уровской болезни при нарушении микроэлементного баланса и т.д. Техногенное загрязнение окружающей среды привело в особо критических ситуациях к появлению новых заболеваний, связанных с микроэлементами – болезнь Миномата (ртуть), Итай-Итай (кадмий), пятна Чизолла (мышьяк), названных микроэлемен-тозами техногенного происхождения. Эти заболевания очень редки и специфичны, поэтому состояние здоровья больших групп населения определяется значительно более низкими, чем при указанных заболеваниях, но более распространенными в городах уровнями загрязнения.

Загрязнение атмосферного воздуха широким комплексом металлов в относительно низких концентрациях, которое регистрируется практически повсеместно в промышленных городах, не может привести к появлению специфической заболеваемости, но может быть причиной увеличения общей заболеваемости населения.

Наличие данных о дифференциации степени загрязнения окружающей среды больших городов по геохимическим данным позволило перейти при оценке влияния загрязненного воздуха на состояние здоровья населения от традиционного подхода «загрязненная зона – чистая зона» к изучению ситуации по всей территории города. Так, с увеличением уровня выпадения пыли и металлов, происходит постепенное изменение показателя суммарного загрязнения почв и показателей состояния здоровья населения – от увеличения общей заболеваемости детского населения на малозагрязненных территориях до повышения частоты распространения хронических заболеваний в очагах небольшого загрязнения. Так, например, в крупном городе с развитой машиностроительной промышленностью лишь у 50 % детского населения регистрируется относительно низкий уровень заболеваемости и нормальные показатели физического развития. У 40% детей, проживающих на более загрязненных территориях, проявляется тенденция к росту общей заболеваемости на 15 – 20 %, заболеваний органов дыхания на 20 – 90 %. В жилых микрорайонах, примыкающих к промышленным зонам и характеризующихся самыми неблагоприятными условиями проживания, находятся 10 % детского населения. Среди этих детей происходит еще больший рост общей заболеваемости (на 30 – 50 %), заболеваемость органов дыхания возрастает почти в 2 раза, на 20 – 30 % увеличивается число часто болеющих детей.

Специфичным проявлением повышенных концентраций ряда токсичных металлов является нарушение детородной функции. В загрязненной части города с повышенным содержанием ряда тяжелых металлов и, прежде всего свинца, обладающих эмбриотоксическим и гонадотропным действием, у женщин статистически достоверно выше число угрожающих выкидышей, стремительных родов, выше и число новорожденных с гипотрофией.

Обобщение результатов изучения состояния здоровья населения в зависимости от уровня загрязнения почв комплексом металлов позволило разработать оценочную шкалу санитарной опасности загрязнения городских почв (см. таблицу), вошедшую в «Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами», утвержденные Минздравом СССР (№ 4266-87).

Таблица 1

Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю загрязнения (СПЗ) металлами

В условиях городов тяжелые металлы, разумеется, не единственный вид массового воздействия на человека. Однако специфика их проявления, кумулятивность, включение в тонкие биохимические процессы, наряду с неизбежностью появления в окружающей среде со всей остротой ставит вопрос: как разработать такие экологические нормы полиэлементного воздействия, чтобы можно было обосновать разумную пространственную структуру организации городов и, прежде всего соотношения селитебных и промышленных территорий.

В ходе решения этих вопросов, безусловно, необходим синхронный многокомпонентный анализ экологии городских поселений, включающий как территориальное изучение средовых параметров, так и достаточно тонких показателей реакций организмов – иммунологических, биохимических, физиологических, генетических и других с учетом фоновых уровней их состояния.