Токсичность фтора

Обновлено: 28.04.2024

Функция щитовидной железы была исследована у 165 работников электролизных цехов алюминиевого производства с более или менее выраженными признаками хронической фтористой интоксикации (флюороз) с помощью радиоиммуноанализа гормонов и теста поглощения 131 I щитовидной железой. Выявленные нарушения щитовидной железы характеризовались умеренным снижением йодопоглощающей функции, низким уровнем Т3 при нормальном уровне Т4 и небольшим увеличением концентрации ТТГ. Эти изменения сопровождались прогрессией флюороза и его большей продолжительностью. Следовательно, синдром низкого T3 и пониженной накопления 131 I можно рассматривать как диагностические признаки флюороза. При токсическом поражении печени у больных флюорозом синдром низкого Т3 наблюдалсяся гораздо чаще: в 75,6% случаев. Нарушения функции печени, по-видимому, приводят к нарушениям периферического превращения Т4 в Т3. Нельзя исключать и косвенное влияние фтора на ферментативную систему дейодирования.

Ключевые слова

Для цитирования:

For citation:

Вопрос о специфическом воздействии фтора на щитовидную железу у людей остается спорным.

При экспериментальном флюорозе ' специфическая токсичность фтора для щитовидной железы не вызывает сомнений. Наблюдается картина ослабленной активности тиреоидного эпителия, и по мере увеличения срока интоксикации нарастают деструктивные изменения в фолликулярных клетках [1, 9].

В эндемичной по фтору местности, по мнению ряда авторов [6, 12, 13], специфической токсичности фтора для щитовидной железы не существует. Определяющими для интоксикации фтором считаются доза и время его экспозиции. В условиях промышленного воздействия фтора (в среднем у рабочих электролизных цехов 10 мг/смена) мы имеем дело с его ингаляционным поступлением в организм, в такой форме фтор действует в 30 раз сильнее, чем фтор питьевой воды [10]. Поэтому по сравнению с эндемической ситуацией, когда содержание фтора в питьевой воде колеблется от 1,65 до 3,50 мг/л [2, 6], промышленное воздействие фтора оказалось более мощным — в 10—20 раз. Имеющиеся в литературе данные исследований йодпоглотителыгой функции щитовидной железы непосредственно в условиях производства характеризуют ее гипофункцию, а исследования в клинике — гиперфункцию железы, нарастающую по мере увеличения производственного стажа [3]. Наряду с этим выявлено снижение содержания трийодги- ронина (Т3) уже на ранних стадиях фтористой интоксикации при нормальном уровне тиреотропного гормона (ТТГ), а при длительном контакте — снижение тиреотропной функции гипофиза [7]. Таким образом, представления о функциональном состоянии щитовидной железы при промышленном воздействии фторидов неоднозначны, а наблюдения малочисленны.

Целью настоящей работы явилось изучение особенностей функционирования щитовидной железы у людей в условиях профессиональной хронической фтористой интоксикации

Материалы и методы

Обследованы рабочие электролизных цехов алюминиевого завода: 165 мужчин в возрасте 30—55 лет со стажем работы до 10 лет — 27 человек, 11—15 лет — 41 человек, 16—20 лет — 40 человек, 21—25 лет — 37 человек, более 25 лет — 15 человек. Среди обследованных были лица с хронической фтористой интоксикацией |5]: I стадия флюороза (Ф1) — у 43 человек, II стадия флюороза (ФП) — у 81, "подозрение на флюороз"[1] (ПФ) было отмечено у 41 человека. Группу больных с токсическим поражением печени (ТПП), проявляющимся синдромом умеренного цитолиза, составили 37 человек, в том числе 24 с ФП, 7 с Ф1, 6 с ПФ. Контрольную группу составили 25 мужчин соответствующего возраста, не испытывающих влияния соединений фтора. Проводилось клиническое обследование в стационаре, размеры щитовидной железы определялись пальпаторно; радиоиммунологически в сыворотке определяли уровень ТТГ, Т₃, тироксина (Т₄) наборами ELSA-2-ТБН, CIS (Франция) на основе моноклональных антител, рио-Т₃-ПГ, (Минск, Lеларусь). Исследовали тест поглощения Ш 1 щитовидной железой через 2, 4, 24, 48 ч. Результаты обрабатывали методом вари ационной статистики с использованием 7-критерия Стыодента.

Частота (в %) выявления гипотеста (светлые столбики) и гипертеста (заштрихованные столбики) в зависимости от стажа (а) и стадии заболевания (б).

Результаты и их обсуждение

Диффузного зоба у обследованных лиц не выявлено, однако у 1/3 рабочих со стажем работы до 10 лет отмечалось увеличение щитовидной железы I—II степени, в то время как в группах с большим рабочим стажем оно регистрировалось лишь в единичных случаях. Клинически функциональное состояние щитовидной железы оценивалось как эутиреоидное, что совпадает с данными других авторов [2, 3, 6]. Однако следует отметить, что по внешнему виду большинство обследованных рабочих были на 3—7 лет старше их паспортного возраста.

При исследовании виутритиреоидной фазы йодного обмена отмечалось снижение захвата 131 1 щитовидной железой у 40,7% обследованных (накопление Ш 1 щитовидной железой через 24 ч ниже 26% расценивалось как сниженное, т. е. гипотест, выше 42% — повышенное, т. е. гипертест при норме в эндемичной по йоду местности 36,6 ± 6,0%). Причем у большинства обследованных при удовлетворительной йодпоглотительной функции в 1-е сутки страдает стадия органификации йода во 2-е сутки. По- видимому, имеет место снижение активности пероксидазы.

Что касается рабочих со стажем более 20 лет и лиц с ФП, то гипотест выявляется у половины из них. Напротив, частота гипертеста, составляющая в группе рабочих с малым стажем 30%, отчетливо снижается с увеличением стажа работы и при ФП до единичных случаев (см. рисунок). Таким образом, внутритиреоидная фаза йодного обмена при хроническом воздействии фторидов оценивается как сниженная, а гипотест может служить одним из диагностических признаков хронической фтористой интоксикации.

У рабочих со стажем более 10 лег достоверно снижено содержание Т₃ по сравнению с контрольной группой, причем с увеличением стажа оно продолжало снижаться, достигая у лиц со стажем работы более 20 лет и у больных с ФП низких значений, соответствующих гипотиреозу (см. таблицу). Частота выявления низкого уровня Т₃ у рабочих с большим стажем составила 47%, причем этот показатель отчетливо нарастает с увеличением стажа работы и стадии заболевания,

достигая при стаже более 20 лет 65%, при ФИ — 54.4%. (см. таблицу). Содержание Т4 существенно не изменялось, что дает основание считать биосинтез гормона в щитовидной железе ненарушенным. Снижение концентрации Т₃ на фоне нормального уровня Т4 наблюдали и другие авторы в эндемичных по фтору местностях и в условиях производственного воздействия фторидов [2, 7].

У мужчин основной группы уровень ТТГ достоверно повышен по сравнению с контрольной группой, число лиц с уровнем ТТГ, незначительно превышающим верхнюю границу нормы, среди рабочих предприятий в 1,5 раза больше, чем в контрольной группе, — 21,7 и 14% соответственно. С увеличением стажа работы и стадии флюороза выявляется тенденция к повышению концентрации ТТГ. Различия в содержании ТТГ в крови рабочих со стажем более 10 лет были достоверны по сравнению с таковым показателем в группе рабочих со стажем до 10 лет. У больных с Ф1 и ФИ и у лиц с ПФ концентрация ТТГ в крови достоверно не различалась.

Таким образом, изучение тиреоидного статуса у рабочих электролизных цехов в зависимости от продолжительности контакта с фторидами и стадии заболевания выявило определенные особенности функционального состояния щитовидной железы, не сопровождающиеся клиникой гипо- или гипертиреоза. Снижение йодпоглотитель- ной функции щитовидной железы, нарастающее с увеличением производственного стажа и стадии заболевания, носит умеренный характер и не приводит к нарушению биосинтеза и секреции тиреоидных гормонов щитовидной железой, о чем свидетельствует неизмененный уровень Т4. Снижение концентрации Т₃, усиливающееся с увеличением стажа и стадии флюороза, достаточно выражено и соответствует гипотиреозу. По- видимому, синдром низкого содержания Т₃ обусловлен действием фтора на периферическую конверсию Т4 в Т3 на уровне клетки-мишени, хотя это действие может быть опосредованным вследствие нарушения функциональной активности других желез внутренней секреции. В частности, снижение андрогенного статуса при хронической фтористой интоксикации, достаточно полно изученное в последние годы [8], может привести к сопряженным изменениям тиреоидной функции [4, 14].

Возможно, синдром низкого уровня Т3 сопряжен с поражением печени, которое часто наблюдается при флюорозе. Наибольшая частота (75,6%) выявления синдрома низкого уровня Т₃ наблюдается в группе рабочих с ТПП (см. таблицу). Это подтверждает важную роль печени в периферическом дейодировании Т4, происходящем прежде всего в паренхиме печени [11]. По- видимому, в формировании синдрома низкого уровня Т3 печень играет ведущую роль. Отмечаемый при многих острых или хронических патологических состояниях и в метаболических ситуациях, подобных голоду и недоеданию, синдром низкого уровня Т3, возможно, способствует сниженному метаболизму, направленному на сбережение энергии [11].

Выводы

При хронической фтористой интоксикации у рабочих промышленных предприятий отмечаются нарушения тиреоидной функции, характеризующиеся снижением йодпоглотительной функции щитовидной железы, синдромом низкого уровня Т₃, незначительным увеличением концентрации ТТГ.
Выявленные изменения нарастали с увеличением продолжительности контакта с фторидами и стадии заболевания.
Наибольшая частота выявления синдрома низкого уровня Т₃ отмечалась среди рабочих с хронической фтористой интоксикацией, включающей ТПП.
Снижение йодпоглотительной функции щитовидной железы и/или наличие синдрома низкого уровня Т₃ могут служить диагностическими признаками хронической фтористой интоксикации.
Снижение уровня Т₃, скорее всего, идет за счет нарушения конверсии Т₄ в Т₃ на уровне клетки-мишени. Причинами нарушения конверсии могут быть фтор, действующий на ферментную систему дейодирования, а также вызванное им токсическое поражение печени.

[1] Рабочие, отмечающие полиартралгии и/или оссалгии, но не имеющие на момент обследования клинико-рентгенологических проявлений костного или висцерального флюороза.

Как влияет переизбыток фтора на организм человека

Многие производители воды фторируют воду, чтобы восполнить недостаток этого элемента в нашем организме. А если фтора у нас уже достаточно, то такая добавка может отрицательно сказаться на здоровье человека.

Количество фтора не должно превышать наших естественных потребностей, поскольку избыток этого вещества гораздо более опасен, чем его недостаток. Фтор – это олигоэлемент вулканического происхождения. В организме животных и людей он содержится, в частности, в зубной и костной ткани.

Массовая реклама выдает недостаток фтора как опасность для организма, в частности зубов. Систематическое добавление фтора в питьевую воду для профилактики кариеса стало обычной практикой. Потребовались годы, чтобы уже в наши дни выяснить – добавление в пищу фтора никоим образом не способствует предотвращению кариеса, основной причиной возникновения которого является неправильное питание, пишет Журнал «Cabines». Бесконтрольное употребление фтора не ликвидирует проблемы с кариесом, но представляет опасность для здоровья, поскольку фтор разрушает каталазы. Каталазы – группа ферментов, защищающих организм от агрессивного действия свободных радикалов. Известно, что свободные радикалы разрушают клетки, угрожая целостности ДНК и вызывая мутации в процессе воспроизведения клеток. Цепная реакция клеточных мутаций может спровоцировать серьезные заболевания, в частности, формирование раковых опухолей.

Научные исследования показали, что существует связь между синдромом Дауна и фторированием воды, поскольку некоторые ферменты мозга чувствительны к ингибирующему воздействию избытка фтора. Беременные женщины особенно подвержены подобным воздействиям, поскольку избыток фтора в питьевой воде проникает в кровь матери, а затем, через плаценту, в кровь зародыша. При этом содержание фтора в плаценте прямо пропорционально его содержанию в воде.

Фторирование воды происходит посредством добавления в нее фторида натрия, который является крайне токсичным веществом для организма. Однако эта процедура все еще весьма распространена и очень популярна во всем мире. Поэтому потребитель должен сам позаботиться о своем здоровье и принимать необходимые меры предосторожности при использовании питьевой воды. Избыток фтора в питьевой воде попадает в кровь матери, а затем в кровь плода.

Как избежать опасного воздействия фторида натрия?

Прежде всего, следует узнать, обрабатывается ли фтором вода, поставляемая вашими коммунальными службами. В случае положительного ответа, следует избегать: - Приготовления продуктов в алюминиевой посуде, - поскольку фтор связывается с алюминием и образует с ним опасное соединение.

- Употребления чая, приготовленного на воде из-под крана, поскольку чай уже - содержит высокий уровень фтора.
- Употребления таких напитков как содовая - или кола, поставляемых в банках или даже бутылках, если на них отсутствует надпись: "не содержит фтора".
- Употребления воды из-под крана, особенно - беременными женщинами.
- Использования воды из-под крана для приготовления - детской еды.
- Полива огорода водой из-под крана, поскольку фтор, а в данном случае, фторид натрия, накапливается в почве и, соответственно, в овощах.
- Употребление фторированной воды не рекомендовано при следующих заболеваниях:

диабет;
нарушение функций щитовидной железы;
артрит;
болезни почек,
болезни сердца;
заболевания мочевого пузыря и мочеполовой системы;
хрупкость костей и остеопороз;
аллергия;
гормональные нарушения;
нервные заболевания.

Исключением является наличие письменного разрешения лечащего врача, при условии, что ему известно об уровне фтора в воде, поставляемой вашими коммунальными службами.

Будьте аккуратны со фтором: узнайте содержание фтора в воде вашего региона проживания, обращайте внимание на содержание фторидов в минеральной воде, используйте средства ротовой гигиены со фтором строго по показаниям.

Токсичность фтора

Изучено влияние выбросов алюминиевого завода в атмосферу на изменение химического состава в листьях древесных растений. Установлено, что отношение валового содержания фтора к экстрагируемому широко изменяется в зависимости от вида растения. При этом для устойчивых видов характерно большее увеличение в содержании валового фтора по сравнению с экстрагируемым. Устойчивость растений к поступающему в ткань фтору зависит от способности организма переводить токсикант в нерастворимые, не участвующие в физиологических процессах формы, то есть от наличия в ткани элементов с высокой осаждающей способностью. Разработан экспресс-способ определения устойчивости древесных растений к выбросам промышленных предприятий, содержащих фтористые соединения. Способ основан на определении степени сорбции ионов фтора растертой навеской листьев.

Введение

Из промышленных предприятий заводы по производству алюминия по вредоносности техногенных эмиссий составляют наиболее токсичную группу. Это прежде всего относится к заводам, работающим по старой технологии, а таких у нас большинство. О высокой загрязняющей способности говорят данные, что при производстве одной тонны алюминия выбрасывается 20≈40 кг фтора, обладающего наиболее высокой токсичностью для фотосинтезирующих организмов. Несмотря на высокую химическую активность фтора, его биогенная миграция чрезвычайно мала и значительно ниже, чем у других галогенов. Живое вещество в среднем содержит 5 мг/кг фтора. Рассчитанный коэффициент биофильности (отношение среднего содержания элемента в живом веществе к его среднему содержанию в литосфере составляет 0,007, что значительно ниже чем у хлора (1,1), брома (0,75) и близок к биофильности кремния (0,01) и никеля (0,008) [1].

Несмотря на отсутствие явной необходимости фтора для растительного организма из атмосферного воздуха растения поглощают фтор более эффективно, чем любую другую загрязняющую примесь, что определяется его хорошей растворимостью в воде и высокой реакционной способностью [2]. В случае одновременного загрязнения воздуха и почвы соединениями фтора более активно растениями осуществляется поглощение из воздуха [3].

Аккумуляция фтора зависит от наличия его подвижных соединений в окружающей среде и индивидуальных особенностей организма. В целом, естественное содержание фторидов в растениях, выросших вне зоны техногенного загрязнения, невелико. Среднее содержание его в различных органах растений колеблется от 0,1 до 5 мг/кг сухого вещества, однако может падать до значительно меньшего уровня. При проведении сравнительного анализа различных видов растений, произрастающих в зоне влияния завода и вне ее, обнаружено, что содержание фтора в органах растений может увеличиваться на три порядка. Такое высокое поглощение не может не сказаться на жизненном состоянии растительности. Видимые поражения листьев появляются при концентрации в воздухе менее 0,1 мг/м 3 [4].

Характер и глубина воздействия загрязнителя воздуха на растения зависят от количества загрязнителя, его химических свойств, а также от определяемой генотипом и условиями среды устойчивости растений. Более благоприятные почвенные и климатические условия определяют более высокую безвредную концентрацию фтора в листьях [5]. Наибольшую опасность представляют водорастворимые соединения фтора. Концентрация лабильного водорастворимого фтора в растении зависит от процессов поглощения, распределения, связывания в устойчивые комплексы и выведения. Поступающие в ткань газы могут связываться как органическими соединениями [6], так и минеральными, что выражается в зависимости повреждаемости листьев от суммарного содержания зольных элементов и повышении их количества в процессе накопления фитотоксикантов [5]. Наиболее устойчивыми являются комплексы с элементами, расположенными в больших периодах периодической системы с валентностью от 3 до 5 [7]. Плохой растворимостью в воде и, следовательно подвижностью и токсичностью, характеризуются соединения фтора с кальцием, магнием, медью, железом (в порядке увеличения растворимости). KF, NaF, Na 2 SiF 6 , CuSiF 6 6Н 2 0 отличаются высокой растворимостью [8].

В зоне распространения выбросов алюминиевых заводов в достаточно короткие сроки (в зависимости от буферной емкости отдельных растений и биогеоценоза в целом) наблюдается уменьшение прироста растений, усыхание чувствительных видов, что является следствием нарушения комплекса физиологических процессов. Устойчивость создаваемых санитарно-защитных зон (СЗЗ) зависит от правильно подобранного ассортимента. Для определения устойчивости к фтористым соединениям был рекомендован быстрый тест, основанный на кратковременном погружении срезанных листьев в слабый раствор фторида [9]. Устойчивость устанавливали визуально по оценке некрозов. Однако, с нашей точки зрения, способ позволяет определить эффективность защитных покровных структур листа и не удается исследовать механизмы детоксикации поступающего фтора. В условиях хронического загрязнения более важны процессы детоксикации. Целью настоящей работы явилось изучение поведения фтора в листьях древесных растений, влияние фтора на изменение химического состава растений и разработка экспресс-метода определения устойчивости.

Экспериментальная часть

Полевые работы проводились в зоне распространения выбросов заводов по производству алюминия, расположенных в Сибири (г. Красноярск, г. Братск).

На постоянных пробных площадях определялись биометрические показатели древесных растений (радиальный и линейный прирост, площадь листа), состояние, плодоношение. Для изучения химического состава 29≈30 августа 1988≈1991 гг. были взяты образцы листьев. Исследовались особи расположенные на максимально близком расстоянии от завода в подфакельном пространстве.

В связи с тем, что токсичность фтора определяется растворимостью его соединений, был разработан способ основанный на способности растений связывать поступающий фтор в неподвижные малотоксичные соединения. Растертую навеску свежих листьев, заливали слабым раствором фтористого натрия (0,0221 %). Для исключения стороннего связывания фтора растирание проводилось без добавления стекла или кварцевого песка. Навеска листьев была получена из смешанного образца от 10 экземпляров древесных растений, взятых в относительно чистом от атмосферного загрязнения районе.

Потенциометрическим методом с фторселективным электродом до достижения химического равновесия определяли концентрацию ионов фтора. Разница между исходной концентрацией и остаточной ≈ количество фтора переведенного в недиссоциируемые соединения. Количество ионов фтора, переведенного в неподвижные соединения служит оценочным параметром, характеризующим устойчивость растений к содержащемуся в воздухе фтору.

Были выбраны породы существенно различающиеся по степени газоустойчивости. Выводы об устойчивости были сделаны на основании наших исследований (учитывалось состояние, некроз листьев, радиальный прирост, линейный прирост побегов). Сосна обыкновенная, ель сибирская, пихта сибирская из-за ярко выраженных признаков повреждения, часто приводящих к гибели, были отнесены к неустойчивым видам. В свою очередь тополь бальзамический, ива корзиночная, кизильник черноплодный, вяз приземистый, ива корзиночная характеризуются слабыми повреждениями даже в условиях высокого загрязнения выбросами алюминиевого завода. Береза повислая, тополь дрожащий, жимолость татарская имеют среднюю и сильную степень повреждения.

Наибольшее количество фтора обнаружено в листьях наиболее устойчивых видов √ тополя бальзамического, вяз приземистого (соответственно 4.53 и 4.18 г/кг воздушно сухого веса) (табл. 1). Представленная концентрация фтора в листьях березы, сосны, ели, лиственницы является критической. При более высоком уровне загрязнения указанные растения погибают. Отношение общего содержания фтора к его водорастворимой части выше у устойчивых видов.

Таблица 1

Изменение химического состава листьев (хвои) под влиянием выбросов алюминиевого завода (29≈30.VIII)

Порода Условия произрастания Содержание Содержание фтора, г/кг Отношение F o / F э зола, % кальций, г/кг калий, г/кг фосфор, г/кг валовое, F o экстрагируемое, F э 123456789 Сосна обыкновенная (хвоя 1 года)1
23,2
4,13,3
4,75,1
4,31,2
1,20,5450,411,3 Лиственница сибирская1
23,9
5,28,9
13,77,3
5,82,8
2,60,980,691,4 Ель сибирская (хвоя 1 года)1
23,0
3,94,8
6,47,6
6,31,9
2.00,570,411,4 Кизильник черноплодный1
29,5
10,020,0
20,912,1
11,63,1
2,64,052,201,8 Береза повислая1
24,9
6,38,3
11,29,5
9,71,2
2,23,402,301,5 Карагана древовидная1
210,1
11,9≈
≈11,5
10,62,2
2,13,0052,21,9 Тополь бальзамический1
29,1
13,315,4
28,711,8
9,02,3
2,44,532,651,7 Ива корзиночная1
29,4
10,418,6
23,19,1
8,42,6
2,53,011,81,7 Вяз приземистый1
29,8
13,117,3
25,611,4
10,32,3
2,14,182,1651,9 Ива козья1
29,1
9,719,4
21,312,2
11,32,4
2,02,8651,61,8

Примечание:	1 ≈ вне зоны прямого влияния промышленных предприятий
	2 ≈ под факелом алюминиевого завода (КрАЗ; БрАЗ)

Влияние алюминиевого завода не ограничивается изменением в концентрации фтора. В наших исследованиях обнаружено заметное увеличение содержания кальция в листьях вяза приземистого, ивы корзиночной, тополя бальзамического, караганы древовидной, березы повислой, сосны обыкновенной, лиственницы сибирской, ели сибирской (121≈186 % от контрольных значений) при сопряженном накоплении фтора. В листьях ивы козьей и кизильника черноплодного содержание кальция в условиях высокого атмосферного загрязнения фтором возрастает всего на 5≈10 %.

В силу того, что кальций является антагонистом калия в растительной клетке увеличение в содержании одного из них не может оставить без изменения концентрацию другого. Для всех изученных видов, за исключением березы, характерна тенденция: с увеличением количества кальция снижается содержание калия. При этом максимально обнаруженное уменьшение в содержании калия составляет 24% у тополя. Для него также обнаружено и максимальное увеличение концентрации кальция (на 86%).

В содержании фосфора не обнаружено каких-либо закономерностей. Некоторое уменьшение (16%) было характерно для ивы и кизильника, у которых не отмечалось заметных изменений в содержании кальция и калия.

Более обобщенным показателем изменения катионного обмена является зольность листьев. В целом влияние фторидного загрязнения на зольность аналогично его влиянию на кальций. Более значительное увеличение было характерно для тополя. В целом, закономерности в изменении химического состава были общими для растений, находящихся в зоне распространения выбросов как Красноярского, так и Братского алюминиевых заводов.

Отношение валового содержания фтора к экстрагируемому широко изменяется в зависимости от вида растения. При этом для устойчивых видов характерно большее увеличение в содержании валового фтора по сравнению с экстрагируемым. Так как токсичность вещества для организма определяется скоростью его метаболизации и нейтрализации, то перевод подвижных ионов фтора (экстрагируемый) в неподвижные (разница между концентрацией валового фтора и экстрагируемого) может служить оценочным параметром, определяющим устойчивость растений.

Хорошим параметром, позволяющим оценить способность растительного организма связывать поступающий активный фтор в неподвижные соединения (например, фтористый кальций), может служить отношение общего количества фтора к его экстрагируемой водорастворимой части (Ф 0 / Ф Э ). В целом у устойчивости видов во всех органах растений данное отношение существенно больше. Наиболее тесная связь обнаружена между содержанием валового фтора и концентрацией кальция (r=0,90). Самый низкий коэффициент корреляции между содержанием валового фтора и концентрацией фосфора (r=0,49). Высоки парные коэффициенты корреляции между содержанием валового фтора и количеством калия (r=0,84), а также зольность (r=0,87).

Химический состав растений, произрастающих на одной территории, может существенно отличаться из-за разных потребностей организма в минеральных элементах. Составляющие элементы находятся в строго сбалансированном состоянии. "Поскольку каждый из ионов выполняет некую специфическую для него функцию, то, естественно, ионный гомеостаз должен характеризоваться определенным отношением между отдельными ионами, и отклонения в таком соотношении обычно сопровождаются изменением клеточной функциональной активности" (12, с.151). Нарушение ионного равновесия внутриклеточного раствора создает предпосылку общего расстройства стройной системы ультраструктуры. Физиологическое равновесие ионов в клетке играет первостепенную роль в поддержании структурной целостности и функционирования организма. Первопричиной проявления токсического действия солей является антагонистическое и синергетическое взаимоотношение различных ионов в растении [13]. Из этого следует, что чем эффективнее осуществляется в растении перевод токсичных ионов в неподвижные соединения, те устойчивее оказывается данный вид.

Устойчивость растений к поступающему в ткань фтору будет зависеть от способности организма переводить токсикант в нерастворимые, не участвующие в физиологических процессах формы, то есть от наличия в ткани элементов с высокой осаждающей способностью. Установлено, что с увеличением повреждения возрастает количество вымываемого фтора [14]. Это говорит о том, что гибель организма наступает после полного связывания фтором свободных ионов, то есть заполнения буферных способностей организма, когда количество поступающих фтор-ионов превышает способность данного растения обезвредить их.

Полученные данные по связыванию фторид-ионов в растертой навеске листьев подтверждают все отмеченное выше (табл. 2). С увеличением степени сорбции возрастает устойчивость растений к фторсодержащим эмиссиям.

Таблица 2

Оценка устойчивости древесных растений в СЗЗ алюминиевых заводов по степени сорбции фтора

ВидПоглощение F - , % от исходной концентрацииСостояние в СЗЗ алюминиевого завода (0,5≈1,0 км) Сосна обыкновенная
Лиственница сибирская
Ель сибирская
Черемуха обыкновенная3
10
6
10
гибель

Береза повислая
Тополь дрожащий
Жимолость татарская17
24
20сильный некроз
средняя площадь листа
менее 30% от контроля Карагана древовидная
Кизильник черноплодный
Тополь бальзамический
Ива козья
Ива корзиночная
Вяз приземистый
Сирень венгерская39
30
35
53
41
34
37незначительный некроз листьев
средняя площадь листа 30≈55 % от контроля

Выводы

Одним из основных параметров, определяющих устойчивость растений, является их способность связывать поступающие токсичные вещества в неподвижные, не участвующие в физиологических процессах соединения с последующим удалением во время осеннего опадения листьев.

Установленная повышенная устойчивость растений, имеющих высокие показатели зольности, определяет важность дополнительного внесения питательных веществ. При этом в составе питательной смеси должны доминировать элементы в которых у растений в условиях техногенного загрязнения возрастает потребность.

Разработан экспресс-способ определения устойчивости древесных растений к выбросам промышленных предприятий, содержащих фтористые соединения. Способ основан на определении степени сорбции ионов фтора растертой навеской листьев.

По результатам лабораторных опытов и полевых исследований к устойчивым видам, рекомендуемым для культивирования в СЗЗ алюминиевых заводов следует отнести: карагану древовидную, кизильник черноплодный, тополь бальзамический, иву козью, иву корзиночную, вяз приземистый, сирень венгерскую.

Литература

Перельман А.И. Геохимия биосферы. М., Наука. 1973. 167 с.
Смит У.Х. Поглощение загрязняющих веществ растениями // Загрязнение воздуха и жизнь растений. Л., 1988. С. 461-499.
Кабата-Пендиас А., Пендиас Л. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989. 439 с.
Томас М.Д. Влияние загрязнения атмосферного воздуха на растения // Загрязнение атмосферного воздуха. Женева. 1962. С. 251-306.
Илькун Г.М. Загрязненность атмосферы и растения. Киев, 1978. 247с.
Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск, 1979. 280 с.
Филимонова Л.Г. Геохимия фтора в зоне гипергенеза областей многолетней мерзлоты. М., 1977. 152 с.
Габович Р.Д. Фтор и его гигиеническое значение. М., 1957. 251 с.
Пашова В.Т. Фтор в почвах и растениях // Агрохимия. 1980. ╧10. С. 165-171.
Davison A.W., Marsland A., Betts W.E. A proposed rapid test for suscepility to gaseous fluorides // Environ. Pollut. 1974. Vol. 7. ╧4. p. 269-282.
Временные методические рекомендации по контролю загрязнения почв (под ред. С.Г.Малахова) М., 1983. Ч.1. 128 с.
Спектрографическое определение главных компонентов силикатных, горных пород и минерального сырья. ЦНИИГРИ, СНИИГИМС, ВИМС, 1974. 125 с.
Гродзинский Д.М. Надежность растительных систем. Киев, 1983. 368 с.
Азимов Р.А. Физиологическая роль кальция в солеустойчивости растений. Автор дис. . д-ра биолог.наук. Ташкент. 1974. 51c .
Илькун Г.М., Мотрук В.В. Поглощение растениями фтора из воздуха вблизи алюиминиевых предприятий // Газоустойчивость растений. Учен. записки Пермск. ун-та. Пермь. 1976. C. 103-112.

Экспериментальное исследование действия низких концентраций фтора на уровень белков семейства hsp в тканях

Введение. Соединения фтора в высоких концентрациях оказывают токсическое действие не только на костную ткань, но и на сердце, печень, почки и головной мозг. В реализации ответа на токсические дозы фтора участвуют белки семейства HSP (Heat Shock Proteins), регулирующие внутриклеточный и тканевой гомеостаз при различных стрессорных воздействиях. Токсическое действие высоких концентраций фтора, механизмы которого раскрыты при флюорозе, может реализоваться и на уровне значительно ниже токсического. В литературе имеется мало данных об особенностях действия низких концентраций фтора на тканевом и клеточном уровнях.

Цель исследования — изучить в эксперименте действие низких концентраций фтора на уровень белков семейства HSP в тканях головного мозга и печени лабораторных животных.

Материал и методы. Эксперименты проведены на 60 белых крысах-самцах массой 200–250 г одного возраста. Крысы были разделены на 2 группы: контрольную группу и группу животных с воздействием фторида натрия (NaF) в течение 6 недель (в концентрации 10 мг/л, что соответствовало суточной дозе фтора 1,2 мг/кг массы тела). В тканях головного мозга и печени определяли уровень белков семейства HSP (Heat shock proteins) — индуцибельных HSP72 и HSP32 (гем-оксигеназы-1), активность свободнорадикальных процессов и антиоксидантных ферментов — супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы.

Результаты. Показана важная роль стресс-индуцибельного белка HSP72 в защите мозга от повреждений, вызываемых длительным действием низких концентраций фтора. В печени защитную роль от фтористого воздействия играет белок с антиоксидантными свойствами HSP32. На тканевом уровне установлено удлинение сроков развития хронической фтористой интоксикации при поступлении в организм низких концентраций фтора. Высокочувствительным органом к накоплению фтора является печень, в которой выявлены значительные повреждения.

Ключевые слова

Информация о статье:

Депонировано (дата): 20.10.2020

Об авторах

ФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний»; Новокузнецкий институт (филиал) ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет»
Россия

Доктор биол. наук, зав. лаб. медико-генетических исследований, НИИ комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний, 654041, Новокузнецк, Россия.

Список литературы

1. Агалакова Н.И., Гусев Г.П. Влияние неорганических соединений фтора на живые организмы различного филогенетического уровня. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2011; 47 (5): 337-47

2. Cicek E., Aydin G., Akdogan M., Okutan H. Effects of chronic ingestion of sodium fluoride on myocardium in a second generation of rats. Hum. Exp. Toxicol. 2005; 24 (2): 79-87.

3. Chouhan S., Lomash V., Flora S.J.S. Fluoride-induced changes in haem biosynthesis pathway, neurological variables and tissue histopathology of rats. J. Appl. Toxicol. 2010; 30 (1): 63-73.

5. Шалина Т.И., Васильева Л.С. Общие вопросы токсического действия фтора. Сибирский медицинский журнал. 2009; 88 (5): 5-9

7. Zhou Z., Wang H., Zheng B., Han Zh., Chen Ya., Ma Yan. A rat experimental study of the relationship between fluoride exposure and sensitive biomarkers. Biol. Trace Elem. Res. 2017; 180 (1): 100-9.

8. Panneerselvam L., Raghundth A., Perumal E. Differential expression of myocardial heat shock proteins in rats acutely exposed to fluoride. Cell Stress & Chaperones. 2017; 22 (5): 743-50.

10. Рослая Н.А., Лихачева Е.И., Оранский И.Е., Одинокая В.А., Плотко Э.Г., Жовтяк Е.П. и др. Клинико-патогенетические особенности хронической профессиональной интоксикации соединениями фтора в современных условиях. Медицина труда и промышленная экология. 2012; (11): 17-22.

12. Luck H. Catalase. In: Bergmeyer H.U., ed. Methods of enzymatic analysis. New York: Verlag-Chemie Academic Press; 1963: 885-88.

13. Архипенко Ю.В., Диденко В.В., Сазонтова Т.Г., Меерсон Ф.З. Сравнительная оценка влияния иммобилизационного стресса на динамику устойчивости к индукции перекисного окисления липидов внутренних органов и головного мозга. Доклады АН СССР. 1989; 304 (6): 1500-03.

14. Ланкин В.З., Тихазе А.К., Коновалова Г.Г. и др. Концентрационная инверсия антиоксидантного и прооксидантного действия β-каротина в тканях in vivo. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1999; 128 (9): 314-8.

15. Ohkawa H., Ohishi N., Yagi K. Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction. Anal. Biochem. 1979; 95 (2): 351-8.

16. Kikugava K., Kojima T., Yamaki S. et al. Interpretation of the thiobarbituric acid reactivity of rat liver and brain homogenates in the presence of ferric ion and ethylenediaminetetraacetic acid. Anal. Biochem. 1992; 202: 249-55.

17. Reddy K.P., Sailaja G., Krishnaiah C. Protective effects of selenium on fluoride induced alterations in certain enzymes in brain of mice. J Environ Biol. 2009; 30 (5 Suppl.): 859-64.

18. Chattopadhyay A., Podder S., Agarwal S. Fluoride-induced histopathology and synthesis of stress protein in liver and kidney of mice. Arch Toxicol. 2010; 85 (4): 327-35.

19. Chen Q., Wang Z., Xiong Y., Xue W., Kao X., Gao Y. et al. Selenium increases expression of HSP70 and antioxidant enzymes to lesser oxidative damage in Fincoal-type fluorosis. J. Toxicol. Sci. 2009; 34 (4): 399-405.

20. Basha M.P., Sujitha N.S. Chronic fluoride toxicity and myocardial damage: antioxidant offered protection in second generation rats. Toxicol. Int. 2011; 18 (2): 99-104.

21. Жукова А.Г., Алёхина Д.А., Сазонтова Т.Г. и др. Механизмы внутриклеточной защиты и активность свободнорадикального окисления в миокарде крыс в динамике хронической фтористой интоксикации. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2013; Т.156 (8):190-94.

22. Андреева Л.И., Бойкова А.А., Маргулис Б.А. Особенности внутриклеточного содержания и функциональная роль белков теплового шока семейства 70 кДа при стрессе и адаптации. Технологии живых систем. 2009; Т.6 (3): 11-7.

23. Тараканов И.А., Тихомирова Л.Н., Жукова А.Г., Сафонов В.А. Устойчивость нервной ткани ствола мозга к свободнорадикальному окислению у крыс при периодическом дыхании после введения оксибутирата. Патол. физиол. и экспер. терапия. 2013; 4: 21-5.

25. Tarakanov I.A., Tikhomirova L.N., Zhukova A.G., Safina N.F. Pro- and Antioxidant Systems in the Lower Portion of Rat Brainstem during Hydroxybutyrate-Induced Pathological Periodic Breathing. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2016; 162 (1):14-7.

26. Zhukova A.G., Sazontova T.G. Hemeoxygenase: function, regulation, biological role. Hypoxia Medical Journal. 2004; 12 (3): 30-43.

27. Евдонин А.Л., Медведева Н.В. Внеклеточный белок теплового шока 70 и его функции. Цитология. 2009; Т.51 (2): 130-7

29. Жукова А.Г., Михайлова Н.Н., Ядыкина Т.К., Алехина Д.А., Горохова Л.Г., Романенко Д.В. и др. Экспериментальные исследования внутриклеточных защитных механизмов печени в развитии хронической фтористой интоксикации. Медицина труда и промышленная экология. 2016; (5): 21-4.

30. Алехина Д.А., Жукова А.Г., Сазонтова Т.Г. Влияние малых доз неорганических соединений фтора на уровень свободнорадикального окисления и внутриклеточных защитных систем в сердце, лёгких и печени. Технологии живых систем. 2016; 13 (6): 49-56.

Студенту

Устойчивость растений к поступающему в ткань фтору зависит от способности организма переводить токсикант в нерастворимые, не участвующие в физиологических процессах формы, то есть от наличия в ткани элементов с высокой осаждающей способностью. Установлено, что для газоустойчивых видов характерна высокая способность ограничивать поступление фтора через корни, а также его миграцию по растению (особенно к органам, определяющим дальнейшее развитие организма). Разработан экспресс-способ определения устойчивости древесных растений к выбросам промышленных предприятий, содержащих фтористые соединения. Способ основан на определении степени сорбции ионов фтора растертой навеской листьев.

В настоящее время полная технологическая очистка промышленных выбросов заводов по электролитическому производству алюминия экономически невозможна. Роль живых организмов (растения, микробоценозы и пр.) в удалении токсичных веществ из активного участия в биосфере исключительно важна и незаменима. При этом их эффективность определяется всеми видами газоустойчивости, среди которых особое место занимает биохимическая, во многом определяющая физиологическую, анатомическую, феноритмическую, анабиотическую, популяционную, ценотическую и другие виды устойчивости.
Биохимическая толерантность растений к токсическим веществам складывается из ряда процессов:
- ограничение поступления за счет селективного поглощения ионов и понижения проницаемости мембран [1]. В тоже время установлено что, несмотря на большую сопротивляемость дугласии к поглощению фтора, деревья этой породы оказались более чувствительными к нему, чем ель европейской и сосна обыкновенной [2]. Видимо, в растениях более эффективны другие ниже перечисленные механизмы;
- иммобилизация в неактивных формах (осаждение в виде труднорастворимых неорганических соединений, образование прочных комплексов);
- изменение характера метаболизма, адаптация к замещению физиологического элемента токсичным в энзиме;
- удаление ионов из растения при вымывании и выделении [3, 4, 5].
Накопление щелочных и щелочно-земельных элементов (К, Са, Mg) может увеличивать буферную емкость цитоплазмы и клеточного сока и способствовать нейтрализации поглощаемых анионов (SO22- и NO2- NO3-) и, возможно, тяжелых металлов [6]. Насыщенность клеток свободными минеральными катионами задерживает наступление в них необратимых изменений.
Антогонизмом между ионами железа и марганца, железа и цинка, цинка и меди [5, 7], объясняется явление снижения содержания цинка и марганца в ассимилирующих тканях растений на ближайших к металлургическим комбинатам точках [8].
Характер и глубина воздействия загрязнителя воздуха на растения зависят от количества токсичных веществ, их химических свойств, а также от определяемой генотипом и условиями среды устойчивости растений. Благоприятные почвенные и климатические условия определяют более высокую безвредную концентрацию фтора в листьях [9]. Наибольшую опасность представляют воднорастворимые соединения фтора. Концентрация лабильного воднорастворимого фтора в растении зависит от процессов поглощения, распределения, связывания в устойчивые комплексы и выведения. Поступающие в ткань газы могут связываться как органическими соединениями [10], так и минеральными, что выражается в зависимости повреждаемости листьев от суммарного содержания зольных элементов и повышении их количества в процессе накопления фитотоксикантов [9]. Наиболее устойчивыми являются комплексы с элементами, расположенными в больших периодах периодической системы со степенью окисления от 3 до 5 [11]. Плохой растворимостью в воде и, следовательно, низкой подвижностью и токсичностью, характеризуются соединения фтора с кальцием, магнием, медью, железом (в порядке увеличения растворимости). KF, NaF, Na2SiF6, CuSiF6 6Н20 отличаются высокой растворимостью [12].
Среди методов биологической очистки особое место занимает биофильтрация токсичных элементов в биомассе ткани растений. Установлено эффективное связывание стронция в процессе фильтрации растворов на колонках из измельченной ткани водяного папоротника Azolla с вытеснением ионов калия, натрия, магния и кальция [13]. При этом ионы калия и натрия вытеснялись на ранних, а более прочно связанные ионы кальция и магния - на поздних стадиях фильтрации. Предварительная нагрузка связывающих мест металлов ионами калия способствовала более эффективному удалению тяжелых металлов из растворов при их последующей фильтрации через растительную биомассу.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследованиями было предусмотрено изучение: аккумуляции фторид-иона в органах древесных растений in situ (в зоне распространения выбросов заводов по производству алюминия, расположенных в Сибири (г. Красноярск, г. Братск), а также процессов связывания фтора в неподвижные малотоксичные соединения в лабораторных условиях. Образцы листьев, побегов и корней были взяты в конце вегетационного периода.
Определение фтора проводилось методом, основанным на измерении потенциала ионоселективного электрода в зависимости от активности ионов фтора в растворе. Способ предусматривает возможность определения двух форм фтора - общего и воднорастворимого [14].
В связи с тем, что токсичность фтора определяется растворимостью его соединений, был разработан способ, основанный на способности растений связывать поступающий фтор в неподвижные малотоксичные соединения. Растертую навеску свежих листьев, заливали разбавленным раствором фтористого натрия (0,0221 %). Для исключения стороннего связывания фтора растирание проводилось без добавления стекла или кварцевого песка. Навеска листьев была получена из смешанного образца от 10 экземпляров древесных растений, взятых в относительно чистом от атмосферного загрязнения районе.
Потенциометрическим методом с фторселективным электродом определяли равновесную концентрацию ионов фтора. Разница между исходной концентрацией и остаточной - количество фтора, переведенного в недиссоциируемые соединения. Количество ионов фтора, переведенного в неподвижные соединения, служит оценочным параметром, характеризующим устойчивость растений к содержащемуся в воздухе фтору.
Были выбраны древесные виды, существенно различающиеся по степени газоустойчивости. Выводы об устойчивости были сделаны на основании наших исследований (учитывалось состояние, некроз листьев, радиальный прирост, линейный прирост побегов). Сосна обыкновенная, ель сибирская, пихта сибирская из-за ярко выраженных признаков повреждения, часто приводящих к гибели, были отнесены к неустойчивым видам. В свою очередь тополь бальзамический, ива корзиночная, кизильник черноплодный, вяз приземистый характеризуются слабыми повреждениями даже в условиях высокого загрязнения выбросами алюминиевого завода. Береза повислая, тополь дрожащий, жимолость татарская имеют среднюю и сильную степень повреждения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Химический состав растений, произрастающих на одной территории, может существенно отличаться из-за разных потребностей организма в минеральных элементах. Составляющие элементы находятся в строго сбалансированном состоянии. "Поскольку каждый из ионов выполняет некую специфическую для него функцию, то, естественно, ионный гомеостаз должен характеризоваться определенным отношением между отдельными ионами, и отклонения в таком соотношении обычно сопровождаются изменением клеточной функциональной активности" [ 15, с.151]. Нарушение ионных равновесий во внутриклеточном растворе создает предпосылку общего расстройства стройной системы ультраструктуры. Физиологическое равновесие ионов в клетке играет первостепенную роль в поддержании структурной целостности и функционирования организма. Первопричиной проявления токсического действия солей является антагонистическое и синергетическое взаимоотношение различных ионов в растении [16]. Из этого следует, что чем эффективнее осуществляется в растении перевод токсичных ионов в неподвижные соединения, тем устойчивее оказывается данный вид.
Хорошим параметром, позволяющим оценить способность растительного организма связывать поступающий активный фтор в неподвижные соединения (например, фтористый кальций), может служить отношение общего количества фтора к его экстрагируемой части (Фо/Фэ). В целом у устойчивых видов во всех органах растений данное отношение существенно больше. Увеличение отношения Фо/Фэ наблюдается с уменьшением уровня загрязнения для всех изученных видов. Отношение также выше в коре и в большей степени в древесине. Наблюдается увеличение показателя и с утолщением корней.
Существенное влияние на концентрацию адсорбированного листьями фтора оказывает пространственное местоположение дерева в насаждении и возраст листьев. Так, нами обнаружено, что концентрация фтора в листьях тополя, растущего в групповых посадках на заветренной стороне, составляет 64 % от содержания на наветренной стороне. Листья, взятые с нижней части побега тополя, содержали 2,5 г/кг фтора, в то время как молодые листья - 0,5 г/кг в абсолютно сухом состоянии.
В литературных источниках отмечается, что без каких-либо ограничений, связанных с проблемами различного прироста биомассы, в качестве индикатора может использоваться только древесная кора [17]. С нашей точки зрения данное положение не всегда верно: в то время, как в коре побегов тополя средних по приросту, содержится валового фтора 1,92 г/кг абсолютно сухой массы и экстрагируемого – 0,72 г/кг; в коре побегов, отличающихся в несколько раз большим приростом, содержится соответственно 0,54 и 0,17 г/кг. Полученные данные подчеркивают не только необходимость строгой регламентации при отборе образцов на загрязнение фтором, но и доказывает важность процессов регенерационной устойчивости.
Сеянцы караганы древовидной и жимолости татарской, выращенные под факелом алюминиевого завода (0,5 км), существенно отличаются между собой по газоустойчивости, что хорошо проявляется в ростовых процесcax и степени некрозов листьев. По содержанию фтора в листьях различие между особями невелико (табл. 1). Существенно больше фтора, особенно его экстрагируемой части, у жимолости в коре и древесине. Наибольшая разница в концентрации токсиканта обнаружена при сравнении химического состава корней, особенно тонких. Так, содержание фтора в корнях < 0,5 мм у жимолости в 2,4 раза больше, чем у караганы. Возможно, это объясняется более высокой фторнепропускающей способностью корней караганы.

Таблица 1
Содержание фтора в органах сеянцев, растущих под факелом алюминиевого завода (0,5 км), г\кг

Читайте также: