Оценка воздействия на здоровье населения Мурманской области тяжелых металлов, содержащихся в ягодах дикорастущих кустарничков

Введение. Дикорастущие ягодные кустарнички – доминанты нижних ярусов бореальных лесных экосистем. Они характеризуются высокой экологической пластичностью и способностью сохранять свои жизненные свойства, включая плодоношение, в непосредственной близости от промышленных предприятий¹. Для жителей районов Крайнего Севера плоды дикорастущих кустарничков являются традиционным фактором питания [1] и пользуются большой популярностью.

На территории Мурманской области одним из наиболее мощных источников негативного антропогенного воздействия на окружающую среду и на среду обитания человека является дочернее предприятие ПАО «ГМК Норильский никель» АО «Кольская горно-металлургическая компания» (АО КГМК) – ведущий производственный комплекс региона, занимающийся горно-металлургическим производством по добыче и переработке сульфидных медно-никелевых руд и выплавке цветных металлов². Начиная с 30–40-х годов прошлого века АО КГМК является источником выбросов, содержащих сернистый ангидрид, мелкодисперсные смеси сульфидов металлов, оксиды никеля и меди³ [2–4]. Промплощадка ведущего предприятия АО КГМК – медно-никелевого комбината «Североникель» – находится в центральной части региона и является градообразующим для г. Мончегорска. Непосредственно после своей постройки комбинат перерабатывал местные сульфидные медно-никелевые руды со средним содержанием серы менее 1,2 %. С 1946 года в переработку, помимо местных, были вовлечены руды Печенгского месторождения со средним содержанием серы 6,5 %, с 1969 года – норильские руды с очень высоким содержанием серы до 30 % и с большим содержанием тяжелых металлов, чем местное сырье, вследствие чего уровень выбросов в атмосферный воздух существенно увеличился [5]. В результате интенсивного аэротехногенного загрязнения в окрестностях комбината образовались обширные зоны деградации почвенно-растительного покрова: от угнетения лишайников до полного разрушения почв и образования техногенных пустошей [6–8].

Проведенные в конце 80-х годов прошлого века исследования ягод дикорастущих кустарничков [9] показали повышенное накопление ряда тяжелых металлов, преимущественно вблизи комбината «Североникель». Сокращение производства и модернизация технологического оборудования, произошедшие в течение последних десятилетий, способствовали снижению объемов поступления в окружающую среду загрязняющих веществ [10]. Однако, несмотря на улучшение экологической обстановки в районе расположения комбината, многими исследователями в период с 2004 по 2013 г. отмечалось существенное накопление поллютантов в наземных компонентах, в том числе и таких доминирующих на территории региона ягод, как черника обыкновенная (или черника миртолистная), брусника и вороника [10–16], что делает их малопригодными для использования в качестве продовольственного и лекарственного сырья. Однако сведений, связанных с оценкой воздействия на здоровье населения региона содержащихся в ягодах дикорастущих кустарничков тяжелых металлов при возможном употреблении их в пищу, крайне мало [17].

Цель настоящего исследования заключалась в оценке воздействия на здоровье населения Мурманской области содержащихся в ягодах дикорастущих кустарничков никеля и меди.

Материалы и методы. Объектом исследований послужили ягоды кустарничков родов Vaccinium и Empetrum – черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus L.), брусники (Vaccinium vitis-idaea L.) и вороники (Empetrum hermaphroditum Lange ex Hagerup). Для оценки воздействия на здоровье населения никеля и меди, содержащихся в ягодах данных видов растений, использовалась методология оценки риска для здоровья населения в соответствии с действующим Руководством⁴.

В рамках настоящего исследования рассматривался приближенный к реалистичному сценарий, при котором среднестатистический житель Мурманской области предположительно съедает около 100 г ягод 1 раз в 3 дня в течение года, или 12,2 кг в год.

Общая формула для расчета величины поступления химического вещества в организм человека имеет следующий вид:

(1)

где: LADD – среднесуточное пожизненное поступление вещества, мг/кг массы тела в день;

С – концентрация химического вещества, мг/кг продукта;

CR – количество продукта, поступающего в сутки в организм человека, кг;

EF – частота воздействий, число дней/год;

ED – продолжительность воздействия, число лет;

BW – масса тела: средняя масса тела в период экспозиции, кг;

AT – время осреднения; период осреднения экспозиции, число дней.

Вышеприведенные коэффициенты в данном исследовании были приняты равными следующим числовым величинам: СR – 0,1 кг; EF – 122 дня в году; ED – 70 лет; BW – 70 кг; AT – 365 дней.

При оценке риска моделировались два сценария воздействия: канцерогенное (никель) и неканцерогенное (никель, медь).

Для расчета значений канцерогенного риска CR использовалась формула (2):

(2)

где: LADD – среднесуточное пожизненное поступление вещества, мг/кг массы тела в день;

SFo – фактор наклона (фактор канцерогенного потенциала) при пероральном поступлении, (мг/(кг × день))^–1.

Для расчета значений неканцерогенного риска (коэффициента опасности HQ) использовалась формула (3):

(3)

где: LADD – среднесуточное пожизненное поступление вещества, мг/кг массы тела в день;

RfD – референтная доза, мг/кг массы тела.

В соответствии с Руководством⁴ значение SFo для никеля было принято равным 0,84 (мг/(кг × сут.))^–1, значения RfD для никеля – 0,02 мг/кг, меди – 0,019 мг/кг.

В качестве критериев приемлемости риска рассматривались диапазоны значений:

• для канцерогенного риска – не более 1,0Е-04;
• для неканцерогенного риска (коэффициенты опасности HQ и индекса опасности HI при однонаправленном действии 2 и более веществ на отдельные органы и системы) – не более 1,0.

Исходными данными для расчета риска здоровью населения послужили результаты собственных исследований, полученные на основании сбора растительного материала (ягод) в течение осенних периодов (август – сентябрь) 2016–2018 годов.

Отбор растительных образцов проводился на 10 стационарных мониторинговых площадках, расположенных вдоль градиента промышленного загрязнения по розе ветров в меридиональном (южном) направлении от комбината «Североникель».

Географические координаты площадок и расстояние от источника промышленных выбросов приведены в табл. 1.

Растительный покров на площадках соответствовал различным стадиям состояния по степени нарушенности экосистем⁵: от сильно нарушенных (расположенных на расстоянии от 1 до 7 км от источника выбросов – площадки № 1–3) до средне- (от 12 до 20 км – площадки № 4–6) и слабонарушенных (от 25 до 48 км – площадки № 7–9), а также условно фоновых (более 60 км – площадка № 10) биогеоценозов. Травяно-кустарничковый покров на точках мониторинга включал в себя дикорастущие кустарнички черники, брусники и вороники в количестве, достаточном для сбора их плодов с целью последующего химического анализа.

Отбор растительных образцов и пробоподготовка для определения содержания металлов в ягодах дикорастущих кустарничков проводились в соответствии с общепринятыми требованиями [18]. В лаборатории ягоды высушивали до воздушно-сухого состояния и хранили в закрытых полиэтиленовых емкостях до начала анализа. Измерение концентраций тяжелых металлов (никеля и меди) в растительных образцах определяли методом атомной абсорбции в Геологическом институте Кольского научного центра РАН. Для обработки результатов исследований использовалось программное обеспечение Microsoft Excel 2016 и программа ArcGIS.

Результаты. Результаты количественного химического анализа образцов ягод дикорастущих кустарничков приведены в табл. 2–3. Расчеты риска выполнялись от употребления ягод с каждой мониторинговой площадки отдельно, что позволило охарактеризовать их с позиции приемлемого риска для здоровья населения региона.

В табл. 2 и 3 представлены расчетные значения суточных доз поступления никеля и меди при рассматриваемом сценарии употребления ягод в пищу, а также значения канцерогенного (от воздействия никеля) и неканцерогенного (от воздействия меди и никеля) рисков. Как можно видеть из табл. 2, значения канцерогенного риска, обусловленного поступлением никеля из исследованных ягод, характеризуются как неприемлемо высокие – более 1,0Е-03 – применительно ко всем мониторинговым площадкам. В соответствии с Руководством3 и рекомендациями Всемирной организации здравоохранения данный уровень риска характеризуется как неприемлемо высокий как для населения, так и для отдельных профессиональных групп. Наблюдаемые неприемлемо высокие уровни риска характерны для всех исследуемых образцов ягод, отобранных на всех мониторинговых площадках (в том числе наиболее удаленной от источника промышленных выбросов, условно фоновой площадке № 10), что свидетельствует о ярко выраженном загрязнении растительного покрова соединениями никеля. Применительно к рассматриваемой ситуации можно рекомендовать ограничение уровня потребления ягод населением в пределах изучаемой территории Мурманской области на уровне не более 0,5 кг в год.

Расчетные значения хронического неканцерогенного риска от воздействия никеля (табл. 2) характеризуются неприемлемо высокими значениями применительно к употреблению ягод, собранных с площадок № 1–5. При этом значения хронического неканцерогенного риска при употреблении вороники характеризуются как неприемлемо высокие лишь от воздействия меди, в том числе применительно к площадкам № 1–8. Наблюдаемое явление, по всей видимости, обусловлено большим содержанием меди в пробах вороники в сравнении с другими рассматриваемыми ягодами дикорастущих кустарничков (табл. 3).

Учитывая имеющиеся сведения об однонаправленном действии никеля и меди на органы пищеварительной системы и печень, была проведена суммация ожидающихся значений риска (коэффициентов опасности HQ) от воздействия указанных веществ с получением величин индексов опасности HI. Расчетные значения индексов опасности HI приведены в табл. 4.

Как можно видеть из табл. 4, значения индекса неканцерогенной опасности при однонаправленном действии меди и никеля на органы пищеварительной системы и печень характеризуются как неприемлемо высокие (более 1,0) применительно ко всем мониторинговым площадкам для ягод всех изучаемых растений, за исключением площадок № 9 и 10 (условно фоновая территория).

Полученные в настоящем исследовании результаты позволяют констатировать наличие значительной зоны влияния комбината «Североникель», которая распространяется в южном направлении не менее чем на 20 км от границ предприятия. Об этом свидетельствуют повышенные концентрации меди и никеля, регистрируемые в образцах, отобранных на мониторинговых площадках 1–6.

Различие в уровнях риска от воздействия никеля и меди в зависимости от употребления изученных ягод с учетом каждой из мониторинговых площадок наглядно представлено на рис. 1–6.

Как можно видеть из рис. 1–6, для всех рассматриваемых сценариев поступления никеля и меди неприемлемо высокий неканцерогенный риск прогнозируется на площадках № 2–4. При этом в мониторинговых точках № 5–7 ожидается приемлемый уровень риска (за исключением сценария с воздействием меди при ее поступлении с ягодами вороники), что можно условно характеризовать как границу достижения приемлемого риска.

Обсуждение. Несмотря на значительное количество публикаций по изучаемой тематике, подобное исследование, сопряженное с оценкой риска для здоровья населения, проводится впервые. В исследованиях, посвященных проблеме накопления в растительных тканях техногенных загрязнителей, в частности тяжелых металлов, воздействие на здоровье человека, как правило, либо не рассматривается [9–13], либо требует проведения дополнительных исследований [17]. При этом в ряде работ отечественных [6][7][10–12][14] и зарубежных [4][12] исследователей показано существенное снижение содержания меди и никеля в компонентах лесных растений с почвенной (ель сибирская, сосна обыкновенная, береза пушистая, черника, брусника, вороника, луговик извилистый) и с атмосферной (лишайники и мохообразные) стратегиями питания по мере увеличения расстояния от источников воздушных промышленных выбросов медно-никелевого производства. Полученные в настоящем исследовании результаты накопления тяжелых металлов в ягодах рассматриваемых дикорастущих кустарничков в целом подтверждают обнаруженные ранее тенденции.

Отсутствие результатов для ягод растений черники и брусники с площадки № 1 и растений вороники для площадки № 2 объясняется значительным повреждением растительного покрова на стадии сильно нарушенных экосистем (от 1 до 5 км) вблизи комбината «Североникель», в связи с чем наблюдалось отсутствие достаточного количества биологического материала, необходимого для осуществления химического анализа.

Неприемлемо высокие значения риска для здоровья населения, формируемые при употреблении в пищу ягод черники, брусники и вороники, произрастающих на расстоянии до 20 км от предприятия, диктуют необходимость разработки гигиенических рекомендаций по митигации риска. В качестве таковых можно рекомендовать ограничение потребления указанных ягод на уровне не более 6 кг в год. Также следует полностью отказаться от сбора ягод, произрастающих на расстоянии менее 15 км от комбината «Североникель».

Следует также обратить внимание на ряд неопределенностей, которые могут повлиять на корректность результатов оценки риска.

1. В рамках настоящего исследования рассматривался сценарий перорального потребления дикорастущих ягод черники, брусники и вороники общей массой 12,2 кг/год. При этом фактический уровень потребления может существенно отличаться от выбранной оценочной величины как в большую, так и в меньшую сторону. Кроме того, рассматриваемая на основе рекомендаций ВОЗ масса тела 70 кг может также значительно отличаться в большую или меньшую сторону у отдельных индивидуумов. Перечисленные особенности способны значительно повлиять на результаты оценки экспозиции и, как следствие, на значения рассчитываемого риска.

2. Для никеля в настоящее время нет убедительных доказательств канцерогенной опасности при пероральном поступлении. Имеющиеся значения фактора канцерогенного потенциала [18–20] относятся к ингаляционному пути его поступления. Тем не менее полностью исключить канцерогенные эффекты, обусловленные никелем при пероральном поступлении в организм человека, было бы ошибочным.

Выводы. Проведенный анализ полученных значений риска от воздействия никеля и меди, содержащихся в дикорастущих ягодах черники, брусники, вороники, отобранных в непосредственной зоне влияния предприятия АО КГМК – комбината «Североникель», позволил сделать ряд выводов.

1. Впервые проведена оценка риска для здоровья населения от систематического употребления в пищу дикорастущих ягод черники, брусники и вороники, произрастающих в зоне влияния крупного металлургического предприятия, на примере комбината «Североникель».

2. Прогнозируемые уровни канцерогенного риска от воздействия никеля при употреблении населением дикорастущих ягод оцениваются как неприемлемо высокие во всех рассматриваемых сценариях.

3. Уровни хронического неканцерогенного риска от воздействия меди и никеля оцениваются как неприемлемо высокие применительно к мониторинговым площадкам на расстоянии до 15–20 км от границ предприятия.

4. Протяженность зоны влияния комбината «Североникель» с позиции риска для здоровья населения может оцениваться в южном направлении более чем на 20 км от границы промышленной площадки предприятия.

5. Необходима разработка гигиенических рекомендаций для населения, употребляющего в пищу дикорастущие ягоды черники, брусники и вороники, собираемые в зоне влияния комбината «Североникель».

6. Проблема накопления загрязняющих веществ в ягодах дикорастущих кустарничков, используемых в качестве пищевых ресурсов, предполагает проведение расширенных дополнительных исследований на всей территории региона.