Контрольная работа: Воздействие элементов на окружающую среду и человека

Корректность интерпретации данных, получаемых при микроэлементном анализе волос, тесно связана с механизмом и условиями их роста, строением, валовым химическим составом, временем роста волосяного покрова. Волосы являются сложной тканью эпидермального происхождения, состоящей из нескольких разновидностей клеток и множества химических компонентов [45]. Видимая часть волоса, выступающая на поверхности кожи, называется стержнем, корень волоса с луковицей и окружающими его тканями находится в фолликуле. В основании луковицы располагается волосяной сосочек -- соединительно-тканное образование, содержащее нервные волокна и кровеносные сосуды и обеспечивающее ее веществами, необходимыми для размножения клеток и роста волос. К фолликулу подходят протоки сальной и потовой желез и мышца, поднимающая волос (рис. 1).

Волосы растут путем размножения клеток луковицы и продвижения образовавшегося участка к поверхности кожи. Жизненный цикл волоса состоит из трех стадий, причем каждый волосяной фолликул является независимым образованием со своим собственным ростовым циклом. Во время активного роста - анагена, который длится 2 - 6 лет для нормальных волос, - происходит непрерывное деление клеток луковицы. В следующей стадии - катагене деление клеток замедляется и прекращается, волосяная луковица постепенно отсоединяется от волосяного сосочка. Это продолжается в течение 2 - 3 недель. На последней стадии - телогене, продолжающейся 3 - 4 месяца, полностью отделившаяся луковица начинает двигаться к поверхности кожи, и затем происходит выпадение волоса. В период телогена начинает формироваться новая луковица, и новый волос входит в фазу анагена [46]. При постепенном продвижении волоса к поверхности кожи происходит кератинизация его клеток и формирование компонентов стержня волоса (рис.2). В среднем, 85 -90 % волос на голове человека находятся в стадии анагена, до 14 % - в стадии катагена и не более 1 % - в стадии телогена [47].

Рис.1. Схема строения волоса.

Волосы содержат 2,3 % липидов, 4 - 13 % воды (в зависимости от влажности воздуха), 4,1 % серы и 0,2 - 0,8 % золы; основную часть волоса - 85 - 93 % - составляют аминокислоты протеинов [47]. Сердцевина стержня - медулла, наименее кератизированная часть волоса, имеет диаметр 5 - 10 мкм и обогащена липидами и протеинами, содержащими цитруллин, лизин и глутаминовую кислоту [45]. Кортекс, окружающий медуллу и являющийся основной составляющей частью волоса, содержит нитевидные протеины, сгруппированные в волокна и направленные вдоль оси волоса. Эта существенно пересеченная, ориентированная полимерная сеть состоит из протеинов с относительно низким содержанием серы и находится в аморфном «матриксе» - белке с высоким содержанием серы. В кортексе содержится также пигмент меланин, являющийся продуктом полимеризации дигидроксииндолкарбоновой кислоты с валовой формулой С₇₇Н₉₈О₃₃N₁₄S и содержащий функциональные группы хинона, а также карбоксильные и гидроксильные группировки. Внешний слой стержня волоса - кутикула - представляет собой частично перекрывающуюся пластинчатую структуру толщиной примерно 5 мкм. Ее внешняя часть наиболее устойчива к протеолитическому разложению и обогащена цистином и цистеином. Аминокислотный состав различных частей волоса и функциональные группы соответствующих аминокислот приведены в таблице 7.

Рис.2. Схема строения стержня волоса

Из таблицы видно, что волокнистые протеины кортекса по сравнению с кутикулой обогащены карбоксильными группами аспарагиновой и глутаминовой кислоты. Протеины матрикса и кутикулы содержат повышенное количество серы, причем в матриксе это цистеиновые группы со свободной сульфгидрильной группой, а в кутикуле, в основном, - мостиковые S-S связи цистина.

Таблица 7 Аминокислотный состав различных частей волоса, (%)

Таким образом, в волосах металлы могут находиться в виде комплексов с атомами серы цистина и метионина, а также с доступными сульфгидрильными, карбоксильными, гидроксильными и амино- группами аминокислот, которые содержатся в полипептидах и меланине. Большинство микроэлементов находится в кортексе, окружающем центральный канал [50]. Исследование сечения волоса при помощи электронного микроскопа с рентгенофлуоресцентным детектором микроскопа показывает приуроченность содержания общей серы преимущественно к области кутикулы и кортекса, свинца - к области кутикулы [51]. Содержание кальция незначительно уменьшается от кутикулы к кортексу и затем незначительно повышается к медулле [51].

В эколого-эпидемиологических и медико-биологических исследованиях волосы используются вот уже более сорока лет. Часть работ посвящена исследованию связи концентрации микроэлементов в волосах с уровнем и временем антропогенного воздействия этих элементов на человека, в т.ч. для оценки негативного влияния производства на здоровье рабочих [52-56]. В медицинских целях волосы пытались использовать в качестве инструмента диагностики [57-60]. На основе микроэлементного состава волос оценивали микроэлементный статус питания [61], а также элементный статус популяции в целом [62-64]. Практически во всех исследованиях использовались усредненные оценки содержаний элементов в волосах, причем выборки, по которым происходило усреднение, составляли сотни человек.

Вместе с тем, существуют веские причины методического и аналитического характера, в силу которых результаты микроэлементного анализа волос невозможно использовать в качестве однозначного индикатора экологического воздействия на организм или медицинского диагностического критерия [43, 47, 48, 65, 66]. Об этом свидетельствуют и мировые сводки по микроэлементному составу волос, которые показывают, что интервалы концентраций для одного и того же элемента в волосах здоровых людей достигают двух порядков [43].

Трудность использования данных по микроэлементному составу волос обуславливается отсутствием единой системы отбора, подготовки и анализа образцов волос, которой придерживались бы разные авторы, хотя их общие принципы были рекомендованы еще в семидесятых годах Международной организацией по атомной энергии (МАГАТЭ) [47, 48, 65]. До настоящего времени протокол МАГАТЭ остается единственной рекомендацией в области отбора и подготовки волос к анализу. Согласно ему необходимо отбирать прядь волос с затылочной части головы в непосредственной близости к коже (не далее 1 - 2 мм). Для анализа от пряди следует отрезать проксимальный участок длиной не менее 10 см. Если длина отбираемых волос менее 10 см, анализируется проксимальный участок длиной 5 см. При этом образцы волос длиной 10 см разрезаются пополам, и полученные участки по 5 см анализируются как отдельные образцы. Не менее 100 отдельных волосков должно быть отобрано с головы одного человека. Навеска образца длиной 5 см должна быть не менее 10 мг (как правило, 100 мг). Между тем, литературные данные по микроэлементному составу волос относятся к сегментам волос разной длины - от 1 до 10 см, расположенным на разном расстоянии от корня [67-69], к целой пряди [70]. Современные методики микроэлементного анализа волос в разделе «отбор проб и подготовка к анализу» рекомендуют отбирать и анализировать целую прядь независимо от ее длины [71].

Многолетними исследованиями установлено, что содержание микроэлементов в волосах зависит от целого ряда факторов: возраста человека, его веса, цвета, пола, питания, географических и геохимических особенностей места проживания, наличия профессионального воздействия, особенностей состояния здоровья человека, применяемых средств по уходу за волосами и т.д. [48, 66, 72, 73]. При интерпретации микроэлементного состава волос следует учитывать также неравномерное распределение микроэлементов по длине волоса. Это связано с тем, что общее содержание микроэлементов в волосах складывается из элементов эндогенного и экзогенного происхождения [48]. Эндогенные элементы проникают в волос на стадии его роста в результате обменных процессов между кровью капилляров, питающих волосяной сосочек, и клетками луковицы, а также из липидов и пота, которые вырабатываются сальной и потовой железами, связанными с волосяным мешочком [74]. В результате происходит «фиксирование» элементов, свидетельствующее о микроэлементном статусе организма во время формирования данного участка. По мере дальнейшего роста волоса происходит продвижение зафиксированных элементов вдоль его стержня. Через 3 недели волос достигает поверхности кожи [75], и дальнейшее изменение его микроэлементного состава определяется процессами сорбции-десорбции элементов волосами из внешней среды. При этом сорбционные свойства волос обусловлены наличием тех самых комплексообразующих группировок аминокислот протеинов, из которых состоит волос. Внешний слой - кутикула - обогащена цистеином и цистином, которые содержат атомы серы, сульфгидрильные, карбоксильные и амино- группы (табл. 7). Со временем кутикула постепенно разрушается, и становятся более доступными группы аминокислот основного компонента волоса - кортекса. Сгруппированные в волокна и направленные вдоль оси волоса протеины кортекса обогащены карбоксильными группами аспарагиновой и глутаминовой кислот и находятся в аморфном «матриксе», который характеризуется высоким содержанием серы в форме сульфгидрильной группы цистеина. В кортексе содержится также пигмент меланин, являющийся продуктом полимеризации дигидроксииндолкарбоновой кислоты и содержащий функциональные группы хинона, а также карбоксильные и гидроксильные группировки [45].

Экзогенные элементы сорбируются волосами непосредственно из окружающей среды - пот, вода, воздух, косметические средства [76-78].

Интенсивность сорбции элементов волосами зависит от различных факторов, в т.ч. особенностей физического и химического состояния волос, от устойчивости комплексов металлов с комплексообразующими группами аминокислот протеинов волоса, пространственной возможностью образования комплексов, а также степени загрязненности внешней среды элементами и особенностей поведения и привычек конкретного человека и т.д. Сорбционные свойства волос зависят от состояния здоровья человека, его возраста, пола, цвета волос и т.д. Частота мытья волос в определенной степени может влиять на изменение их микроэлементного состава. Внешние липиды в большей степени предохраняют волосы от дополнительной сорбции микроэлементов извне. Об этом свидетельствует найденная отрицательная корреляция между содержанием липидов и общим количеством катионов в волосах (r= - 0,66) [74]. Образующаяся вдоль волоса липидная пленка уменьшает проникновение микроэлементов из внешней среды, и, в частности, из пота, где они находятся в виде раствора. Шампуни со стандартным составом моющих средств удаляют липиды волос на 80 %, при этом восстановление липидов на волосах происходит на 3 - 7-й день после мытья, причем несколько медленнее на дистальной части волоса [45]. Поэтому, чем чаще моются волосы, тем меньше липидная защита волос от дополнительной сорбции элементов и тем в большей степени происходит сорбция элементов из внешней среды, в том числе из моющих средств во время мытья. Так, после однократного использования лечебного шампуня, содержащего его повышенные (до 140 мг/л) концентрации, содержание селена в волосах значительно увеличивается [79]. Из водного раствора в проточном режиме происходит адсорбция до 99 % кадмия измельченными волосами [50].

За счет действия ультрафиолетовых лучей происходит окисление кератина волос и изменение его аминокислотного состава: цистин переходит в цистеин, резко снижается содержание гистидина и триптофана, возрастает количество серина и малополярных аминокислот [75]. Очевидно, что волосы людей, живущих в южных районах с увеличенным количеством солнечных дней, имеют другие сорбционные свойства, чем волосы людей северных районов. Хотя бы один раз завитые, а также окрашенные волосы увеличивают способность к сорбции элементов, в том числе за счет увеличения количества сульфгидрильных групп цистеина [80]. Обесцвечивание волос приводит к уменьшению содержания эндогенных Cu и Zn и увеличению способности волос адсорбировать их из внешней среды [81].

В литературе отражены противоречивые мнения по поводу необходимости разделения элементов эндогенного и экзогенного происхождения при оценке микроэлементного статуса организма человека.

Часть авторов предлагает определять сумму эндогенных и экзогенных элементов без какой-либо предварительной обработки волос [52, 78]. Основным аргументом выступает обеспечение максимальной информативности микроэлементного анализа волос с целью оценки воздействия элементов на человека в экологических исследованиях.

Большинство исследователей сходятся во мнении, что перед микроэлементным анализом образцов волос их необходимо отмывать от внешнего загрязнения. При этом в литературе описаны методики на основе различных реагентов. Рекомендации общего характера включают последовательное применение органического растворителя (ацетон, этанол и другие) и воды. Исследование способности реагентов отмывать волосы (женские, 3 образца) от внешнего загрязнения для последующего определения Cd, Cu, Fe, Mn и Zn проведено авторами [82]. Исследовались ацетон (представитель группы органических растворителей) и гексан в сочетании с лаурилсульфатом натрия (ионные детергенты), с Тритоном Х-100 (неионные детергенты) и с натриевой солью диэтилентетрауксусной кислоты (комплексообразователь). Наиболее значимыми факторами являются тип реагента и продолжительность отмывания. Ацетон удаляет внешние элементы в минимальной степени, по сравнению с остальными реагентами. Для более эффективного отмывания требуется от двухкратного до четырехкратного применения реагентов. Не удалось выделить реагент (сочетание реагентов), который был бы оптимальным для группы изученных элементов (Cd, Cu, Fe, Mn, Zn) и удалил бы экзогенные элементы, не затрагивая эндогенных. Одно из наиболее полных исследований эффективности отмывания волос от внешнего загрязнения проведено в работе [83]. Опробовано 6 методик. Показано, что в результате применения всех методик удаляется основная часть свинца и мышьяка и увеличивается содержание марганца. При этом последовательное отмывание волос ацетоном, трехкратное - водой, и снова ацетоном в максимальной степени снижает содержание элементов, наиболее интересных с экологической точки зрения - мышьяка, кобальта, меди, свинца, селена и цинка и в минимальной увеличивает содержание марганца. В работе [84] изучено влияние способа отмывания волос на результаты определения 36 элементов. В качестве реагентов испытаны дистиллированная и деионизованная вода (1), последовательное применение 1 М азотной кислоты, ацетона и воды (2) и последовательное применение Тритона Х-100 и воды (3). В итоге для группы элементов Al, As, Ba, Ca, Ce, Cl, Co, Cs, F, Fe, I, K, La, Mo, Na, Ni, Sb, Sc, Sr и V эффективным стало уже применение (1). Наиболее целесообразным для удаления Cr, Mg и Zn является применение (2) и (3); для Ag, As, Au, Cl, Cs, K, Na, Rb - (3). Любая методика удаляет Zn не более, чем на 10 %. Методика отмывания волос от внешнего загрязнения с использованием ацетона и воды рекомендована МАГАТЭ. В соответствие с ней образец волос последовательно выдерживают в достаточном количестве каждого растворителя в течение 10 минут при постоянном перемешивании в следующей последовательности: ацетон, трехкратное выдерживание в воде, снова ацетон.