Тема 8. Влияние естественных геохимических факторов среды на человека

1. Биогеохимические свойства среды

Имеется определенная связь между содержанием в почве и воде ряда микроэлементов и самочувствием человека. В ряде случаев недо­статок или избыток химических элементов в окружающей среде мо­жет вызвать даже некоторые заболевания.

В организме человека и животных с помощью современных анали­тических методов обнаружено около 70 химических элементов, кото­рые поступают с пищей и водой. Химические элементы делятся на группы:

Макроэлементы, которые присутствуют в продуктах в значитель­ных количествах — десятки и сотни мг %. К ним относятся: фосфор (Р), кальций (Са), калий (К), натрий (Na), магний (Mg).

Микроэлементы, которые присутствуют в пищевых продуктах в количествах не более нескольких мг %: фтор (F), кобальт (Со), железо (Fe), марганец (Мп), медь (Си), цинк (Zn) и др.

Ультрамикроэлементы — их присутствие в продуктах, как пра­вило, в мкг %: селен (Se), золото (Аи), свинец (РЬ), ртуть (Hg), радий (Ra) и др.

Микроэлементы являются экзогенными химическими факторами, играющидШ"5начйтельную роль в таких жизненно важных процессах, как рост, размножение, кроветворение, клеточное дыхание, обмен ве­ществ и др. Входя в состав ферментов, гормонов и витаминов, микро­элементы выполняют роль катализаторов биохимических процессов. В случае аномального содержания или нарушенного соотношения мик­роэлементов в окружающей среде ( в воде, пищевых продуктах) в орга­низме человека могут развиваться нарушения в состоянии здоровья.

Изучение связи здоровья человека с геохимическими особенностя­ми среды получило целое направление в науке — геохимическая экология. Само это направление опирается на учение В. И. Вернадс­кого о миграции химических элементов в биосфере. Вернадский уста­новил, что химический состав организмов связан с химическим соста­вом земной коры, и организмы каждого вида имеют определенный химический состав, являющийся таким же видовым признаком, как его морфологические и физиологические признаки.

Химический состав видов организмов связан с их эволюцией, в процессе которой организмы вырабатывают способность к избиратель­ному поглощению определенных химических элементов, их избира­тельной концентрации в определенных органах и тканях. Такие спо­собности организмов реализуются в процессе обмена веществ с окру­жающей средой.

Продолжателями идей В. И. Вернадского были А. П. Виноградов и

В. В. Ковальский, которые установили геохимическую неоднородность биосферы, что приводит к различиям биологического обмена в разных регионах.

Ими установлено, что в процессе эволюции земной поверхности выработался некий природный геохимический фон, к которому адап­тировалась биосфера также в процессе своей эволюции, в соответ­ствии со всем комплексом природной геосистемы. Этот фон будет раз­личным в разных природных регионах, в частности в разных ланд- шафтно-географических поясах и зонах Земли. Нарушения фоновых концентраций (избыток или недостаток того или иного элемента в среде) создают те или иные биогеохимические провинции и техноген­ные аномалии.

Биогеохимические зоны отличаются друг от друга по содержанию химических элементов в почвах и растениях, а также по преобладаю­щим биологическим реакциям организмов на изменчивость геохими­ческой среды жизни. Существуют различия между зонами по балансу химических элементов и энергии, круговороту веществ, геохимичес­кой энергии организмов и др.

Выделяемые биогеохимические провинции относятся к двум ка­тегориям. Одни из них — зональные, в них комбинируются признаки юн по концентрациям, соотношениям элементов и биологическим ре­акциям, другие — азональные, которые, как правило, образуются над рудными телами при рассеянии элементов, в районах вулканизма, в бессточных местностях.

В. В. Ковальским и его сотрудниками разработана детальная схе­ма биогеохимического районирования нашей страны, в основу кото­рой положена биогеохимическая экология (1974). Основу райониро­вания составляют биогеохомические зоны — арктических пустынь, тундры и лесотундры; таежно-лесная нечерноземная; лесостепная и степная черноземная; сухостепная; полупустынная и пустынная; гор­ные зоны.

Геохимическая ситуация в пределах географических зон детально рассмотрены А. И. Перельманом, М. А. Глазовской и др.

Зона арктических пустынь, тундры, лесотундры:

Недостаток тепла, распространение сплошной вечной мерзлоты — основной фактор, лимитирующий геохимические процессы. Значитель­ная масса живого вещества представлена лишайниками. Их зола со­стоит из кремнекислоты, оксидов железа, алюминия. Бедность расте­ний, почв и вод минеральными веществами — характерная особен­ность этих ландшафтов. Микробиологические процессы подавлены, разложение растительных остатков ослаблено. Количество минераль­ных солей не превышает 100-150 мг/л.

Ландшафты тундры и лесотундры — кислого глеевого класса, переувлажненные, Fe и А1 являются подвижными элементами, по­глощаются растениями. Отмечается недостаток многих химических элементов: О, Ni, Р, Са, К, Mg, N; в избытке Н, Fe, А1. Распростране­ны такие геохимические эндемии как кариес зубов, врожденный вывих бедра и др.

Таежно-лесной регион нечерноземной зоны характеризуется рас­пространением ландшафтов кислого глеевого класса (переувлажне­ние), они беднее микроэлементами, чем породы, на которых они фор­мируются. Энергично выносятся Си, Zn, Ni, Со, накапливается Мп. В недостатке: Са, Р, К, Со, Си, I, Md, В, Zn; в избытке: Sr, накапливается Мп. Ландшафты верховых болот, являющиеся неотъемлемой частью таежной зоны, близки по геохимическим условиям к тундрам. Биоло­гические реакции организмов определяются недостатком кальция, фос­фора, калия, кобальта, меди, йода, бора, молибдена, цинка, достатком, а в некоторых случаях избытком марганца, относительно повышен­ным содержанием стронция, особенно в поймах рек

Со-недостаток вызывает снижение содержания Со в тканях, сни­жение содержания витамина B_i2 и ослабление его синтеза, понижение основного обмена. У животных бывает понижение мясной и шерстной продуктивности и воспроизводства. Ослаблены иммунобиологические свойства, отмечаются акобальтозы, гипо- и авитаминозы В₁₂, чаще у овец, реже у крупного рогатого скота, еще реже у лошадей и свиней.

Со+1-недостаток: отмечается нарушение обмена йода, усиливаемое недостатком кобальта — эндемическое увеличение щитовидной желе­зы и эндемический зоб, чаще у человека, реже у животных.

Sr-избыток: отмечается нарушение обмена кальция, фосфора, серы; нарушается рост и образование костной ткани (уровская болезнь жи­вотных и человека).

Cu-недостаток: отмечается снижение содержания меди в крови втрое, а в печени — в 30-40 раз; повышение содержания железа в печени в десятки раз; ослабляется синтез окислительных ферментов; анемии у овец и крупного рогатого скота, реже у других животных.

I-недостаток: отмечается нарушение обмена йода и синтеза тирок­сина щитовидной железой, уменьшение синтеза белков, снижение воспроизводства. Нарушение обмена йода усиливается избытком мар­ганца (эндемическое увеличение щитовидной железы и эндемический зоб — наблюдаются у человека и животных).

Са+Р-недостаток: отмечается нарушение обмена кальция и фосфо­ра, в частности в костной ткани, заболевание костно-суставной систе­мы, истощение и др.

Лесостепной и степной регион черноземной зоны. Увлажне­ние близко к нейтральному с некоторым дефицитом влаги. Биологи­ческие реакции определяются достатком, реже избытком кальция, до­статком кобальта, меди, йода, иногда недостатком калия, марганца, часто недостатком форфора; содержание химических элементов близ­ко к оптимальному. Эндемическое увеличение щитовидной железы и зоб встречаются только на серых лесных почвах и в поймах рек в связи с недостатком йода.

В лесостепи Западной Сибири, где много депрессий рельефа с зам­кнутым поверхностным стоком, своеобразно складывается миграция водорастворимых солей (они накапливаются в понижениях рельефа и в озерах). Растительность отличается повышенной зольностью в це­лом, а растительность солончаково-солонцовых комплексов, приуро­ченных к замкнутым западинам — высокой зольностью (повышенное содержание Cl, S, Mg, Na, часто В). Отмечается повышенное распро­странение заболеваний желудочно-кишечного тракта, дерматитов. Сухостепной, полупустынный, пустынный регион. Биологичес­кие реакции определяются повышенным содержанием натрия, каль­ция, хлора, серы, часто бора, иногда молибдена, недостатком меди, йода, марганца, иногда избытком нитратов. Характерны желче- и мо­чекаменная болезни, нарушения сердечно-сосудистой системы.

В-избыток определяет нарушение борвыделительной функции по­чек, сопровождаемое эндемичными борными энтеритами, поражение деятельности центральной нервной системы с нарушением координа­ции движений. Избыток нитратов вызывает проявление метагемогло- бинемии.

Горные районы. Биогеохимическая обстановка меняется, с одной стороны, в соответствии с высотной поясностью, а с другой — харак­теризуется пестротой согласно разнообразию литологического состава слагающих пород. Реакции живого разнообразны и определяются из­менчивой концентрацией и соотношением многих химических эле­ментов. В районах, богатых кобальтом, возможна задержка синтеза витаминов, в богатых марганцем и бедных йодом — возможно усиле­ние эндемического йода; в богатых свинцом — эндемические заболе­вания нервной системы; в обогащенных молибденом — молибденовая подагра, молибденовый токсикоз. С избытком стронция и калия связа­ны рахит, хондриодистрофия; с избытком селена — селеновые токси­козы; с избытком фтора — эндемичные флюорозы; с избытком меди — эндемичная анемия, гепатиты; с избытком никеля — никелевая экзе­ма,, дерматиты и т. д.

Знание геохимических особенностей того или иного региона по­зволяет регулировать состав пищевой цепи с учетом ее основных эле­ментов: растение, животное, человек.