Сравнительный анализ химического состава природных вод Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов

Введение. Вода является наиболее распространенным и важным химическим соединением организма человека: все метаболические процессы происходят именно в водной среде, она является универсальным растворителем продуктов обмена веществ. Посредством водной среды осуществляется базовая миграция и рециклирование химических компонентов биосферы. Важно отметить уникальность природных вод любого территориального образования, а также прямую зависимость элементного статуса населения от химического состава природных вод территории проживания [1–3]. Исследованиями установлено, что все фундаментальные биохимические процессы организма человека находятся в прямой зависимости от присутствия биотических элементов, входящих в состав большого количества биологически активных веществ: их хелатные соединения с протеинами, а также с углеводами формируют ультраструктуру витаминов, гормонов, энзимов и пр. Нарушение баланса химических элементов может привести к дезорганизации обмена веществ и развитию заболеваний, называемых микроэлементозами.

С учетом того что фундаментальные физиолого-биохимические процессы организма человека находятся в непосредственной зависимости от биогенных элементов, нарушение их баланса приводит к нарушению гомеостаза, формированию всевозможных патологических состояний и заболеваний. Поэтому геохимическое своеобразие территориального образования может оказать непосредственное воздействие на элементный статус жителей данного региона и спровоцировать нарушения здоровья [4–6].

В отношении легко всасываемых и биологически доступных жизненно важных химических элементов Ca, Mg, Fe, Mn, роль их поступления с питьевой водой в организм человека является весьма существенной. Многочисленные исследования установили связь между концентрацией химических элементов в питьевой воде и возникновением определенного рода патологических состояний [4–9]. В этой связи изучение химического состава водоисточников, предназначенных для питьевого снабжения населения, принципиально для изучения специфичности элементного статуса населения данной территории и связанных с этим причин формирования соответствующих заболеваний [10][12]. Исследователи и ранее обращали внимание на отсутствие взаимосвязи между содержанием в рационах питания Са и Mg и в биосубстратах человека. Это связано с важностью поступления данных биоэлементов именно с питьевой водой: наличие корреляционных связей между концентрацией Са и Mg в волосах и их содержанием в питьевой воде [13]. Поэтому именно питьевая вода играет важнейшую роль в обеспечении организма человека Ca и Mg [14][15].

Цель работы: сравнительный анализ концентрации железа, марганца, кальция и магния в природных водах Ханты-Мансийского и ЯмалоНенецкого автономных округов.

Материалы и методы. В течение 2017–2020 гг. в весенне-летний период проведены исследования 100 проб поверхностных вод (реки, озера, заводи) севера Тюменской области: 50 – из ХМАО и 50 – из ЯНАО, в которых было определено содержание железа (Fe), марганца (Mn), кальция (Ca) и магния (Mg).

Забор анализов осуществлялся в районах местожительства аборигенного населения ХМАО и ЯНАО в пластиковые пробирки с лодки примерно в 10–15 м от берега после предварительного 5-кратного полоскания пробирки в исследуемой воде. Химический анализ исследуемых проб поверхностных вод севера Тюменской области проводился в аккредитованных испытательных лабораторных центрах: ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в ХМАО-Югре» и ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Ямало-Ненецком автономном округе» методами спектрофотометрии, капиллярного электрофореза и атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием спектрофотометра UNICO 2100, системы капиллярного электрофореза «Капель-105» и спектрометра атомно-абсорбционного «Квант-Z.ЭТА-Т», анализатора вольтамперометрического ТА-4. Анализ результатов лабораторно-инструментальных исследований воды осуществлялся в соответствии нормативными документами: полученные результаты сравнивали с нормативными значениями СанПиН 1.2.3685–21¹.

Результаты исследования были статистически обработаны при помощи программ Statistica 10.0 и Excel. Вычисляли среднее арифметическое значение (М), среднеквадратичное отклонение (σ), медиану (Me), в качестве мер рассеивания параметров с нормальным распределением использовали минимальное (min) и максимальное (max) значения. Достоверность различий определяли с использованием критерия Манна – Уитни: достоверными считали различия при значениях р < 0,05.

Результаты и обсуждение. Сохранение здоровья людей в чрезвычайных по сложности для организма человека условиях Севера – актуальная медико-биологическая задача настоящего времени, приобретающая особенную важность в связи с повышением социально-экономического значения этого региона. Несомненно, важнейшим фактором жизнеобеспечения, который в значимой степени определяет состояние здоровья населения, является обеспечение его качественной питьевой водой. Это доказано многочисленными исследованиями ученых РФ и зарубежных стран [1][3][4][7–10]. Разбалансированность микроэлементного состава питьевых вод является актуальной для большинства регионов нашей страны, в том числе и для северных территорий Тюменской области [2][3][8]. В нашем исследовании выявлено, что средние концентрации Fe оказались выше нормативных значений в пробах поверхностных вод обоих округов севера Тюменской области без статистически значимых различий (табл. 1).

При этом в большей части анализов природных вод тюменского Севера содержание данного элемента оказалось ниже нормативных значений. Однако примерно в 1/5 части проб было отмечено превышение концентрации Fe различной степени выраженности (табл. 2).

Средние величины содержания Mn оказались выше нормативных значений только в пробах природных вод ЯНАО, а в подобных анализах, взятых в ХМАО, находились в диапазоне физиологически оптимальных показателей, но без
достоверных межгрупповых различий (табл. 1). В подавляющем числе проб природных поверхностных вод тюменского Севера концентрация Mn оказалась умеренно или значительно меньше нормативных значений, а в 10 (9,7 %) анализах ЯНАО и 5 (7,8 %) анализах ХМАО было выявлено незначительное превышение концентрации данного химического элемента (табл. 2).

Обращает на себя внимание очень малое содержание Са во всех изучаемых пробах воды из природных источников на территории обоих автономных округов, входящих в состав Тюменской области: более чем в 6 раз ниже нормативных значений в ХМАО и достоверно (р = 0,012) еще меньшие показатели концентрации элемента – в ЯНАО (почти в 7 раз ниже нормативных значений).

Аналогичная картина была установлена нами в отношении второго щелочноземельного металла – Mg: его содержание в природных водах ХМАО была в 6,8 раза ниже нормативных значений и в 7,4 – ниже соответственно в поверхностных водах ЯНАО (р = 0,021) (табл. 1, 2).

Таким образом, поверхностные воды тюменского Севера отличаются превышением средних концентраций Fe и Mn на фоне крайне низкого содержания ионов Са и Mg.

Железо (Fe) является жизненно важным химическим элементом, однако избыточное его накопление в организме человека проявляет свойства иммунодепрессанта и потенцирует образование избыточного количества свободных радикалов. При этом пищевое Fe не проявляет способность негативно влиять на иммунитет и окислительно-восстановительный гомеостаз [2][7][17].

Избыточное накопление биоэлемента Mn может привести к накоплению его в подкорковых ядрах головного мозга и спровоцировать мутагенную активность за счет накапливания биосоединений со значительной окислительной способностью, потенцирующих окислительный стресс [18]. Повышенные концентрации Mn в природных водах Севера, вероятно, вызвано высокой поглощающей способностью таежных растений в отношении этого химического элемента с образованием повышенных концентраций элемента в поверхностном слое почвенного покрова [17] со свободным переходом в природные воды.

Средние показатели концентрации жизненно важного химического элемента Mn были ниже нормативных значений в водопроводной воде обоих исследуемых городов северного региона без статистически значимых различий (табл. 1) с примерно одинаковым распределением его концентрации в воде по отношению к нормативным значениям (табл. 2).

Понятие «физиологическая полноценность» отображает минимум требующихся концентраций биогенных элементов питьевой воды (прежде всего именно Са и Mg), которые способных удовлетворять потребности организма человека в них. Нами выявлены физиологически разбалансированные по минеральному составу показатели обеспеченности обследуемых проб поверхностных вод с малым уровнем концентрации Са (11,62 ± 0,39 мг/л – ХМАО и 10,28 ± 0,23 мг/л ЯНАО – при рекомендуемых нормативах 50–70 мг/л) и Mg (7,38 ± 0,18 мг/л – ХМАО и 6,78 ± 0,15 мг/л ЯНАО – при рекомендуемых 25–35 мг/л) [16]. Однако средние показатели содержания данных биоэлементов в питьевой воде Ямальского региона оказались достоверно ниже подобных показателей Югры: Са – р = 0,012, Mg – р = 0,021 (табл. 1). Важно отметить, что во всех анализах поверхностных вод севера Тюменской области были зарегистрированы крайне низкие концентрации щелочноземельных металлов Са и Mg – значительно ниже нормативных значений в 100 % проб (табл. 2). Итак, природная вода обоих исследуемых округов тюменского Севера является физиологически неполноценной [19].

Кальций играет базовую роль в физиологических процессах всего организма человека и каждой его клетки [14]. Данный элемент тесно связан с обменом витамина D [20–22]. Поведенными ранее исследованиями концентрации витамина D в крови у населения ХМАО и ЯНАО был установлен его дефицит различной степени выраженности. Важно отметить достоверно худшее обеспечение витамином D жителей ЯНАО, что можно объяснить месторасположением исследуемых территорий: ХМАО занимает центральную часть Западно-Сибирской равнины, а ЯНАО – ее северную часть. При этом практически половина Ямальского региона находится за Полярным кругом. Особый фотопериодизм и дефицит УФО являются главными причинами недостаточной обеспеченности организма жителей северных территорий витамином D [23], что еще больше усугубляет недостаточную обеспеченность Са организма человека.

Итак, недостаточная обеспеченность Са еще больше усугубляется в условиях северных регионов с дефицитом ультрафиолетового излучения, необходимого для синтеза витамина D [20–22], и постоянным употреблением ультрапресной воды [3]. Кроме того, учитывая роль Са в поддержании температурного гомеостаза, недостаточный уровень обеспеченности этим жизненно важным химическим элементом населения Севера может усугубляться и температурой окружающей среды [19].

Нарушения уровней Са, важнейшего биоэлемента для сердечно-сосудистой и нервной систем взаимосвязаны прежде всего с нарушениями элементного баланса, Mg.

Заключение. Таким образом, сравнительный анализ химического состава природных вод Тюменского Севера выявил большую распространенность повышенных концентраций железа и марганца в сочетании с достоверно более низким содержанием кальция (р = 0,012) и магния (р = 0,021) в природных водах Ямало-Ненецкого автономного округа по сравнению с Ханты-Мансийским автономным округом. Ультрапресная вода с избытком железа и марганца исследованных округов способна детерминировать раннее начало и быстрое прогрессирование заболеваний, особенно сердечно-сосудистой системы, среди населения данных территорий проживания.