Оценка территории томского района по биогеохимическим данным и расчет среднего содержания элементов в организме человека

Цель работы – изучение закономерностей взаимодействия живых организмов и факторов окружающей среды, углубленное изучение эколого-геохимических методов проведения мониторинга различных территорий, с использованием биогеохимической информации, выход на прогнозирование влияния на здоровье человека.

В задачу исследований входит обработка биогеохимической информации; построение схем распределения элементов по органам и тканям человека, а также расчет средневзвешанных показателей.

Таблица 1

Номера контрольных работ для студентов

Вариант	Элементы
1	Na, Co, B, Ag, Hg
2	Ca, Cr, Li, Sb, Lu
3	P, Cu, Ge, Zr, U
4	S, V, Br, Yb, Th
5	Mn, Mo, Cs, Ce, Hf
6	Fe, W, Ga, Cd, Pb
7	Ni, Sc, Nb, Ba, Sm
8	Zn, Rb, Sn, Nd, Gd
9	Be, Ti, Eu, Er, Bi
10	Al, Sr, La, Tb, Au

Материал для выполнения данной работы предлагается в виде реальных данных полученных в ходе научно-исследовательских работ проводимых на территории Томского района. Все данные показаны в таблицах 2-6.

Содержание и порядок выполнения работы

В ходе выполнения лабораторной работы проводится последовательная обработка материала с последующим получением реальных выводов.

На первом этапе необходимо разрешить следующие задачи:

1.Рассчитать коэффициент озоления, данные необходимо выбрать согласно варианту (табл. 2) по формуле (1)

, (1)

где Р_з – вес золы, г.;

Р_с.м. – вес сырой массы, г.

2. Рассчитать содержание элементов в сырой массе органов по формуле (2):

, (2)

где С_з –содержание элемента в золе органа (табл. 3, 4, 5, 6), мг/кг;

Все имеющиеся элементы разделены согласно классификации:

• Второстепенные (сопутствующие структурообразующие) элементы: Na, P, S, Са

• Эссенциальные элементы: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, W

• Следовые элементы (неструктурообразующие химические элементы): Li, Be, B, Al, Sc, Ti, Ga, Ge, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ag, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, (группа редкоземельных элементов: La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), Hf, Au, Hg, Pb, Bi, Th, U

Таблица 2

Исходные данные для расчета коэффициента озоления

Системы	Органы	Пол	Вес до озоления, г. (Рс.м.)	Вес после озоления, г (Рз)
Пищеварительная система	Язык	м	15,2	0,25
		ж	19,5	0,3
	Пищевод	м	17,3	0,15
		ж	11,15	0,1
	Желудок	м	32,35	0,75
		ж	28,65	0,6
	Двенадцатиперстная кишка	м	20,15	0,55
		ж	10,3	0,55
	Тонкий кишечник	м	14,45	0,25
		ж	28,55	0,55
	Печень	м	24,25	0,5
		ж	22,3	0,6
	Поджелудочная железа	м	11,8	0,3
		ж	11	0,15
	Толстый кишечник	м	18,55	0,55
		ж	11,8	0,3
Дыхательная система	Трахея	м	7,5	0,35
		ж	8,1	0,1
	Бронхи	м	16,45	0,4
		ж	8,25	0,75
	Легкие	м	17,0	0,25
		ж	19,5	1,4
Система крово- и лимфообращения	Аорта	м	11,25	0,3
		ж	31,3	0,7
	Полая вена	м	8,4	0,15
		ж	13,1	0,4
	Сердце	м	13,55	0,15
		ж	12	0,3
	Селезенка	м	19,6	0,9
		ж	15,1	0,1
Эндокринная система	Щитовидная железа	м	13,05	0,8
		ж	9,5	0,6
	Поджелудочная железа	м	11,8	0,3
		ж	11	0,15
	Надпочечники	м	5,2	0,1
		ж	7,4	0,05

Продолжение таблицы 4

Вариант	Элементы	Пол	Трахея	Бронхи	Легкие
6	Hf	м	0,14	0,06	0,08
		ж	0,10	0,009	0,02
	Au	м	0,018	0,2	0,005
		ж	0,004	0,2	0,011
	Hg	м	0,4	0,003	0,2
		ж	0,2	0,003	0,23
	Pb	м	2,29	3,6	1,51
		ж	12,4	0,63	0,33
	Bi	м	0,24	0,02	0,009
		ж	0,5	0,004	0,0007
	Th	м	0,15	0,17	0,23
		ж	0,04	0,0185	0,01
	U	м	0,05	0,07	0,09
		ж	0,30	0,034	0,03

Таблица 5

Система крово- и лимфообращения (зола, мг/кг)

Вариант	Элементы	Пол	Аорта	Полая вена	Сердце	Селезенка
1	Na	м	15800			15400
		ж	33200	16000	24400	96100
	P	м	31486,8			47847,2
		ж	32587,3	9431	19881,8	164159,7
	S	м	2478,1			876,4
		ж	5363,1	2388,6	1007,3	754,5
	Ca	м	18800			3100
		ж	31200	7900	8600	34500
2	V	м	0,03			0,11
		ж	1,07	0,2	0,32	4,7
	Cr	м	2,9			2,5
		ж	1,9	1,05	124,7	41,0
	Mn	м	27,9			18,1
		ж	34,7	16,1	24,4	189,4
	Fe	м	1125,0			10784,2
		ж	1613,0	643,7	2512,9	66246,6
	Co	м	0,53			0,22
		ж	1,4	0,5	1,96	5,5
	Ni	м	9,2			0,8
		ж	1,5	0,7	7,4	8,6
	Cu	м	30,2			38,8
		ж	36,8	21,2	78,7	151,4
	Zn	м	595,1			431,0
		ж	794,5	372,7	666,7	2914,0
	Mo	м	0,42			0,45
		ж	1,32	0,4	0,87	2,7
	W	м	0,003			0,003
		ж	0,23	0,25	0,003	1,7

Вариант	Элементы	Пол	Аорта	Полая вена	Сердце	Селезенка
3	Li	м	4,7			1,4
		ж	2,7	5,8	2,9	7,6
	Be	м	0,012			0,004
		ж	0,012	0,005	0,007	0,09
	B	м	3			9,02
		ж	7,3	4,4	15,9	16,9
	Al	м	211,9			271,7
		ж	212,6	128,2	56,5	1025,0
	Sc	м	0,0002			0,02
		ж	0,015	0,05	0,026	0,11
	Ti	м	43,6			69,7
		ж	53,6	28,1	22,6	534,1
	Ga	м	0,84			1,1
		ж	0,82	0,3	0,5	6,6
	Ge	м	0,003			0,03
		ж	0,019	0,015	0,014	0,25
	Br	м	239,1			33
		ж	369	143,2	69,9	33,8
	Rb	м	32,1			28,3
		ж	53,6	29,4	35,6	159,4
4	Sr	м	102,2			34,5
		ж	90,6	29,7	36,3	177,8
	Y	м	0,09			0,06
		ж	0,15	0,1	0,1	0,4
	Zr	м	0,1			1,55
		ж	0,8	0,6	2,23	7,8
	Nb	м	0,03			0,03
		ж	0,03	0,03	0,04	1,2
	Ag	м	0,02			0,007
		ж	5,5	0,18	0,8	0,5
	Cd	м	23,7			12,5
		ж	14,6	8,05	10,9	38,4
	Sn	м	0,05			0,52
		ж	0,30	0,37	0,6	2,4
	Sb	м	0,01			0,016
		ж	0,04	0,03	0,04	0,13
	Cs	м	0,05			0,11
		ж	0,17	0,08	0,09	0,88
	Ba	м	52,1			13,9
		ж	26,2	7,9	64,6	51,6

Продолжение таблицы 5

Продолжение таблицы 5

Вариант	Элементы	Пол	Аорта	Полая вена	Сердце	Селезенка
5	La	м	0,08			0,17
		ж	0,17	0,09	0,13	1,4
	Ce	м	0,20			0,3
		ж	0,21	0,18	0,09	2,3
	Pr	м	0,01			0,03
		ж	0,03	0,02	0,01	0,27
	Nd	м	0,02			0,11
		ж	0,14	0,09	0,05	0,9
	Sm	м	0,004			0,02
		ж	0,02	0,01	0,01	0,15
	Eu	м	0,02			0,007
		ж	0,013	0,005	0,02	0,045
	Gd	м	0,02			0,02
		ж	0,04	0,02	0,003	0,18
	Tb	м	0,001			0,004
		ж	0,005	0,003	0,003	0,03
	Dy	м	0,017			0,015
		ж	0,03	0,014	0,015	0,15
	Ho	м	0,0009			0,003
		ж	0,005	0,004	0,004	0,02
	Er	м	0,026			0,01
		ж	0,015	0,008	0,009	0,05
	Tm	м	0,0003			0,0009
		ж	0,002	0,001	0,0008	0,009
	Yb	м	0,006			0,011
		ж	0,012	0,009	0,007	0,05
	Lu	м	0,0002			0,0015
		ж	0,0017	0,002	0,0006	0,008
6	Hf	м	0,001			0,016
		ж	0,009	0,008	0,015	0,24
	Au	м	0,004			0,01
		ж	0,02	0,01	0,06	0,004
	Hg	м	0,2			0,22
		ж	0,2	0,5	0,2	0,2
	Pb	м	7,2			2,1
		ж	3,4	0,6	0,88	9,7
	Bi	м	0,005			0,01
		ж	0,04	0,004	0,15	0,31
	Th	м	0,02			0,08
		ж	0,003	0,02	0,003	0,24
	U	м	0,03			0,03
		ж	0,08	0,05	0,075	0,3

Таблица 6

Эндокринная система (зола, мг/кг)

Вариант	Элементы	Пол	Щитовидная железа	Поджелудочная железа	Надпочечники
1	Na	м	9500	17900
		ж	9700	37400
	P	м	87659	6521,0
		ж	8103,9	31345,4	116571,1
	S	м	1223,3	2258,3
		ж	3524,3	2699,4	10623,3
	Ca	м	2400	3000
		ж	4700	16000
2	V	м	0,1	0,1
		ж	0,2	1,85	9,2
	Cr	м	0,1	1,87
		ж	7,9	372,1	76,8
	Mn	м	37,0	8,9
		ж	12,5	57,1	143,9
	Fe	м	2090,3	821,5
		ж	607,1	6547,4	7711,4
	Co	м	0,09	0,1
		ж	0,2	1,5	7,01
	Ni	м	0,4	0,8
		ж	0,6	13,9	10,7
	Cu	м	147,8	10,7
		ж	11,3	142,1	192,4
	Zn	м	510,1	300,1
		ж	355,8	2761,0	1655,4
	Mo	м	0,77	0,09
		ж	0,27	1,8	10,5
	W	м	0,003	0,003
		ж	0,25	5,6	23,8

Продолжение таблицы 6

Вариант	Элементы	Пол	Щитовидная железа	Поджелудочная железа	Надпочечники
3	Li	м	1,46	0,5
		ж	0,29	7,7	57,4
	Be	м	0,013	0,012
		ж	0,003	0,03	0,09
	B	м	3	3
		ж	5,8	70,1	230,2
	Al	м	67,7	174,3
		ж	136,7	1300,5	10484,2
	Sc	м	0,02	0,009
		ж	0,04	0,02
	Ti	м	110,9	14,6
		ж	54,3	170,8	904,8
	Ga	м	2,14	0,20
		ж	0,23	1,26	5,6
	Ge	м	0,004	0,004
		ж	0,01	0,09	0,36
	Br	м	15,4	6,1
		ж	21,4	64,5
	Rb	м	41,9	13,0
		ж	15,8	55,8	229,5
4	Sr	м	60,5	14,9
		ж	20,9	63,9	282,6
	Y	м	0,04	0,02
		ж	0,03	0,4	2,3
	Zr	м	0,1	0,1
		ж	0,6	12,9	35,2
	Nb	м	0,03	0,03
		ж	0,03	0,17	2,5
	Ag	м	0,19	0,015
		ж	0,16	1,03	3,3
	Cd	м	20,1	10,3
		ж	8,8	39,7	65,7
	Sn	м	0,01	0,01
		ж	0,04	1,5	9,07
	Sb	м	0,01	0,06
		ж	0,06	0,11	0,14
	Cs	м	0,09	0,0004
		ж	0,05	0,26	0,99
	Ba	м	20,7	5,7
		ж	5,04	51,3	130,0

Продолжение таблицы 6

Вариант	Элементы	Пол	Щитовидная железа	Поджелудочная железа	Надпочечники
5	La	м	0,01	0,01
		ж	0,037	0,72	3,06
	Ce	м	0,01	0,09
		ж	0,09	1,3	5,6
	Pr	м	0,005	0,009
		ж	0,013	0,15	0,8
	Nd	м	0,01	0,18
		ж	0,46	0,56	3,2
	Sm	м	0,003	0,003
		ж	0,003	0,16	0,6
	Eu	м	0,004	0,011
		ж	0,002	0,032	0,17
	Gd	м	0,001	0,004
		ж	0,008	0,15	1,09
	Tb	м	0,001	0,001
		ж	0,002	0,026	0,17
	Dy	м	0,003	0,005
		ж	0,008	0,10	0,7
	Ho	м	0,0005	0,0005
		ж	0,002	0,015	0,10
	Er	м	0,03	0,04
		ж	0,006	0,04	0,26
	Tm	м	0,0003	0,0003
		ж	0,0002	0,007	0,04
	Yb	м	0,0003	0,00002
		ж	0,006	0,051	0,28
	Lu	м	0,0002	0,0002
		ж	0,001	0,008	0,05
6	Hf	м	0,001	0,001
		ж	0,014	0,36	1,12
	Au	м	0,005	0,007
		ж	0,005	0,008
	Hg	м	0,42	0,2
		ж	0,2	0,2
	Pb	м	0,20	1,13
		ж	0,21	7,8	20,9
	Bi	м	0,006	0,012
		ж	0,062	0,35	0,28
	Th	м	0,003	0,013
		ж	0,020	0,29	1,15
	U	м	0,020	0,02
		ж	0,02	0,23	0,92

3. Для выборки по исследуемой территории подсчитываются основные параметры распределения химических элементов: максимальные, минимальные, средние значения (С), мода, медиана и стандартное отклонение (S), а также коэффициент вариации (V), который отражает меру неоднородности выборки. Все полученные значения представляются в виде таблиц (приложение 6). Основные параметры распределения химических элементов вычисляются в программе Excel. В итоговой таблице будут приведены следующие статистические параметры: среднее (С), стандартное отклонение (S), дисперсия выборки (σ²) мода (Мо), медиана (Ме), максимальное (мах), минимальное (min) значения. Коэффициент вариации рассчитывается вручную. Коэффициент вариации является наиболее распространенным показателем колебания, используемым для оценки типичности средних величин. В статистике совокупности, имеющие коэффициент вариации больше 30–35 %, принято считать неоднородными. Коэффициент вариации рассчитывается следующим способом формула (3):

(3)

где V – коэффициент вариации,

σ –среднее квадратическое отклонение

С – среднее содержание элемента

В отчете необходимо привести анализ данных по выборке, отметить изменение минимальных и максимальных значений, проанализировать коэффициент вариации.

4. Расчет коэффициентов концентрации по формуле (4).

, (4)

С – содержание элемента в пробе (сырая масса), мг/кг;

С_у.з. – содержание элемента в организме условно-здорового человека, мг/кг (табл.7) или кларк живого вещества (табл. 8).

Группа элементов, для которых неизвестны средние содержания, необходимо построить графики в программе Excel, где будут показаны исследуемая группа органов и элементы. Сравнить между собой органы мужского и женского организма.

Таблица 7

Среднее содержание в организме условно-здорового человека (по данным справочника «Человек медико-биологические данные», 1977)

Элемент	Содержание, мг/кг	Элемент	Содержание, мг/кг
Н	9,99*104	Ni	0,14
Ве	0,5*10-3	Сu	1,03
В	0,28	Zn	32,8
С	2,28*105	As	0,25
N	2,57*104	Br	2,8
О	0,61	Rb	9,7
F	37,13	Sr	4,5
Na	1,43*103	Мо	0,13
Mg	0,27*103	Cd	0,71
Al	0,87	Sn	0,24
Р	1,1*104	Sb	0,113
S	1,9*103	I	0,18
Cl	1,35*103	Cs	21,4*10-3
К	1,9*103	Ba	0,31
Ca	1,43*104	Au	0,14
Cr	9,4*10-2	Pb	1,7
Mn	0,17	Ra	4,4*10-10
Fe	59,9	U	1,28*10-3
Co	21,4*10-3

Таблица 8

Кларки живого вещества (по А.П. Виноградову (1954, 1970) с дополнениями Н. Боуэна (1966) и В.В. Добровольского (1983)

Элемент	Содержание, %	Элемент	Содержание, %
Н	10	Zn	2*10-3
Li	6*10-5	Ga	10-6
Ве	4*10-5	Ge	10-4
В	1*10-3	As	10-5
С	18	Br	1,5*10-4
N	0,3	Rb	2*10-4
О	70	Sr	2*10-3
F	1*10-4	Y	3*10-5
Na	0,02	Zr	3*10-4
Mg	0,07	Мо	10-5
Al	0,02	Ag	10-6
Р	0,07	Cd	10-7
S	0,05	Sn	10-5
Cl	0,02	Sb	10-7
К	0,3	Cs	10-5
Ca	0,5	Ba	10-3
Ti	10-4	РЗЭ	10-3
V	10-4	Hf	10-7
Cr	10-5	W	10-6
Mn	10-3	Au	10-8
Fe	0,02	Hg	5*10-7
Co	2*10-5	Pb	10-4
Ni	5*10-5	U	8*10-7
Сu	2*10-4

5. Построить биогеохимический ряд ассоциации элементов с коэффициентами­ концентрации в порядке убывания.

Проведите анализ имеющейся информации и сравните с литературными данными. Сделайте выводы по тому, какие органы можно считать концентраторами химических элементов. По коэффициентам концентрации можно сделать вывод об аккумуляции и рассеивании элементов в органах и по системе в целом.

При геохимических исследованиях окружающей среды наряду с отдельными химическими элементами проводится анализ распределения ассоциаций химических элементов.

Ассоциация химических элементов – группа элементов, обнаруживаемая в изучаемом объекте в количестве, отличном от критериального уровня. Таким уровнем может быть либо геохимический фон, либо норматив, задаваемый условиями задачи. Количественной мерой ассоциации является суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентрации (рассеяния) над единичным (фоновым) уровнем.

Построение геохимического ряда ассоциации элементов проводится по убыванию коэффициентов концентрации (пример: Pb₁-Cr_0,9-Zn_0,7), что позволяет определить тип природно-техногенного влияния и специфические способности организма органы-концентраторы.