Катлийн М. Маккарти

1 Отдел по екологични здравни науки, Катедра по епидемиология и обществено здраве, Медицински факултет на университета Йейл, Ню Хейвън, CT, САЩ

геохимия

Хоанг Ти Хан

2 Училище за екологични науки и инженерство, Институт за наука и технологии Гуанджу, Гуанджу, Корея

Кионг-Уонг Ким

2 Училище за екологични науки и инженерство, Институт за наука и технологии в Гуанджу, Гуанджу, Корея

3 Международен център за изследване на околната среда, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju, Корея

Резюме

Арсенът се среща естествено в много компоненти на околната среда и навлиза в човешкото тяло по няколко пътища на излагане. Естественото обогатяване на арсен може да доведе до значително замърсяване на почвата, водата и въздуха. Арсенът в подпочвените води може да надвишава стойности стотици пъти по-високи от концентрацията, препоръчана за питейна вода. Такива нива на експозиция показват сериозен потенциален риск за здравето на хората, консумиращи сурови подпочвени води. Човешките дейности, които имат въздействие върху околната среда, могат да увеличат разпространението на неорганичен арсен. Изоставените мини предизвикват голямо безпокойство поради изключително високите концентрации на арсен, открити в дренажа на мините и отпадъците. Диетата, питейната вода, въздухът, почвата и професионалните експозиции са източници на неорганичен арсен за хората. Интердисциплинарните усилия за по-добро характеризиране на транспорта на арсен и реагенти, които улесняват освобождаването им в околната среда, са важни за изследванията на човешкото здраве. Необходими са мултидисциплинарни усилия за изучаване на диетата, инфекциозните заболявания, генетиката и културните практики, уникални за всеки регион, за да се разбере по-добре риска за човешкото здраве и да се разработят интервенции в областта на общественото здраве.

Въведение

Арсенът се нарежда на 52-ро място по количество на кора и има средна концентрация на кора от 1,8 mg/kg (1). В исторически план арсенът е бил известен като несъществен елемент, който може да се използва като отрова (2). През 1962 г. фокусът се измества от въздействието на арсена като отрова към дългосрочните ефекти върху здравето при излагане на неорганичен арсен, когато болестта на Черно крак е открита от Чен и Ву в Тайван (3). Tseng et al. (4) установи връзката между продължителното излагане на високо ниво на арсен в питейната вода и характерните симптоми на заболяването, включително кожни лезии, рак на кожата и болест на Blackfoot. Камерно мъждене, причинено от отравяне с арсен, също е съобщено от St Petery et al. (5). Според Ценг са съобщени много ендемични области на хроничен арсенизъм за Полша, Аржентина и Чили (6). Информираността за повишената експозиция на неорганичен арсен в питейната вода се увеличи в целия свят и продължават да се съобщават нови случаи. От началото на 90-те години се провеждат многобройни проучвания за изследване на експозицията на неорганичен арсен и резултатите за човешкото здраве.

Неорганичното замърсяване с арсен е оказало драматично въздействие върху замърсяването на почвата и подземните води в много региони на света. Бангладеш и Западна Бенгалия (Индия) са определени като най-силно засегнатите от замърсяване с подземните води с арсен по отношение на мащаба на населението, засегнато от замърсяването и степента на повишена експозиция (7–12). Наскоро редица проучвания в басейна на река Меконг в Камбоджа и Виетнам разкриха нива на експозиция, които са сравними с концентрациите, наблюдавани в Бангладеш (13–29).

Предварителните оценки на въздействието върху здравето показват силния потенциал за междусекторно сътрудничество между няколко от страните от Югоизточна Азия (SEAR), но подчерта необходимостта от засилено сътрудничество, практика и политика по отношение на екологичните здравни проблеми в региона. Наскоро Тихоокеанският басейнов консорциум организира среща, фокусирана върху околната среда и здравето, на тяхната 13-та международна конференция в Пърт, Австралия. Там беше проведена конкретна сесия за разглеждане на геохимията на неорганичния арсен и човешкото здраве. Важните резултати от тази среща бяха да се оценят текущите изследвания на геохимията на арсена и човешкото здраве, да се съберат учени за бъдещо сътрудничество и да се идентифицират ключовите области на бъдещите изследвания в региона. Изключително важно е изследователите да развият по-добро разбиране на взаимодействието между арсен и други фактори на съвместно излагане (тежки метали, хранене и инфекциозни агенти), ефектите от продължителността на експозицията и генетичния състав върху отравянето с арсен, за да се изясни настоящата ситуация в регион. Освен това е спешно да разберем уникалните геохимични характеристики на региона, да характеризираме пътищата на излагане на арсен и да разработим технология за възстановяване на арсен в Югоизточна Азия.

Нашите цели в този преглед са (а) да обобщим източника и разпространението на арсен в околната среда, (б) да опишем нивата на експозиция около изоставените минни райони с особено позоваване на казуси от Южна Корея, (в) да обобщим ефекти върху здравето, свързани с излагането на неорганичен арсен и известни модификатори, които въвеждат променливост в биологичния отговор, и (г) да дават препоръки за мултидисциплинарни стратегии за намаляване на глобалното въздействие на арсена.

Източници и разпространение на арсен

Екологичен източник на арсен

Арсенът е повсеместен в околната среда в резултат на геоложки принос, както и от антропогенни източници. Арсенът е широко разпространен в земната кора и често се свързва с метални сулфидни руди, при които се извършва изоморфно заместване в решетката между арсен и сяра поради тяхното химическо сходство. Повишени концентрации на арсен могат да бъдат намерени и в много оксидни минерали и оксиди на хидрогенни метали, или като компонент на минералната структура, или като сорбирани видове. Изветрянето на скали и минерали изглежда е основен източник на арсен, намиращ се в почвите и подпочвените води. Природата на арсена в почвата се контролира от литологията на изходните скални материали, вулканичната активност, историята на изветрянето, транспорта, сорбцията, биологичната активност и валежите. Повишените концентрации на арсен в подпочвените води произтичат директно от редуктивно разтваряне на железни оксихидроксиди, което естествено се е случило във водоносния хоризонт.

Човешките дейности, считани за източници на замърсяване с арсен, включват минни дейности; топене на метал; изгаряне на изкопаеми горива; изгаряне на отпадъци; напояване; прилагането на пестициди, хербициди и фунгициди; сушители на култури, консерванти за дърво и хранителни добавки за говеда и птици.

Замърсяване с вода, почва и въздух с арсен

Ориентировъчната стойност за неорганичния арсен в питейната вода е намалена от 50 μg/L на 10 μg/L от Световната здравна организация (СЗО) през 1993 г. и от Американската агенция за опазване на околната среда (US EPA) през 2001 г. Много страни, особено развиващите се страни, все още използват стойността 50 μg/L като стандарт за арсен, отчасти поради липсата на адекватни аналитични инструменти за по-ниски концентрации на арсен във вода.

Повишени концентрации на арсен в питейната вода (над 50 μg/L) са докладвани в няколко страни, включително Аржентина, Чили, Китай, Монголия, Тайван, Непал, Япония, Мексико, Полша, Виетнам и САЩ (30). Проблеми в местния мащаб с замърсяване с подземните води с арсен са докладвани от някои страни и непрекъснато се откриват нови случаи. Ясно е, че подземните води, замърсени с арсен, могат да бъдат намерени по целия свят, независимо от климатичните условия. Въпреки това, сериозно замърсяване с арсен обикновено може да се наблюдава в плитки алувиални и делтови водоносни хоризонти от холоценовата възраст.

Предлага се арсенът да се въвежда в подпочвените води чрез (i) окисляване на водоносния слой арсенов пирит и други сулфидни минерали, съдържащи арсен, (ii) редуктивно разтваряне на богати на арсен Fe (III) оксихидроксиди и Al-хидроксиди, присъстващи в водоносния хоризонт, и (iii) обмен на адсорбиран арсен с други конкурентни аниони (фосфат, бикарбонат и силикат). Независимо от това, редукционните разтваряния на богати на арсен Fe (III) оксихидроксиди и/или Al-хидроксиди бяха широко приети като основен механизъм за директно мобилизиране на арсен (31, 32). Въпреки че арсенът съществува в алувиални седименти, се смята, че неговият произход е свързан с огнищата на породи (12).

Към днешна дата глобално най-засегнатите райони се намират в Бангладеш и Западна Бенгалия (Индия), където е документиран арсен в подземните води в концентрации до 3200 μg/L (33). Освен това в някои области на тази засегната област над 90% от тръбните кладенци са били замърсени с арсен. Съобщава се, че концентрациите на неорганичен арсен в делтата на Червената река в северен Виетнам са между 1 и 3050 μg/L и са осреднени при 159 μg/L, приблизително 15 пъти по-висока от препоръчителната стойност за арсен в питейната вода (16). Пробите от подземни води от басейна на река Горна Меконг в Камбоджа показват доста широки граници на арсен до 855 μg/L за подземните води в провинция Кандал (26) и до 1340 μg/L за подпочвените води, ограничени до река Bassac и Mekong (18). Диапазон на концентрация на арсен от 3, докато концентрацията в градските райони може да варира от 20 до 100 ng/m 3 (44). Арсенът, освободен от горивните процеси, обикновено се среща като силно разтворими оксиди. Тези частици се разпръскват от вятъра и се връщат на земята при мокро или сухо отлагане. Арсенът се среща естествено във въглища и нефт; по този начин изходящият газ от електроцентралите може да освободи арсен в атмосферата (45).

Разпространение на арсен в живите организми

Арсенът може да се появи като един от основните компоненти в сулфидните минерали или като изоморфен заместител на други елементи в кристалната решетка. Понякога арсенът може да образува твърда фаза с аморфно желязо поради процеса на адсорбция. Когато аморфното желязо (Fe) се трансформира в кристална фаза, причинявайки намаляване на свободните места на повърхността, в резултат на това ще се освободи адсорбираният арсен. Ahn et al. (61) съобщават за преобладаване на 56% –91% от общия арсен, представен като аморфни As-Fe фази. Екстрахираният разтвор с дейонизирана вода от хвоста показва изключително ниско рН (2,01–3,1) и висока разтворимост на арсен (29,5 mg/L), което показва силни киселинни условия и голям потенциал за освобождаване на арсен по време на валежи. Съобщава се, че различни видове съединения на желязо и алуминий (Al) се утаяват от дренажа на мината и водите на потока, замърсени от минни дейности (62). Тези утайки играят важна роля за отстраняването на тежки метали, както и арсен от водата чрез адсорбция и съвместно утаяване.

За повечето мини Au-Ag и Pb-Zn основните минерални компоненти са пирит, сфалерит, галена, халкопирит и арсенопирит. Всички тези минерали могат относително да съдържат арсен. Арсенопиритът обаче винаги показва най-високото ниво на арсен и ако се открие в хвостохранилищата като един от основните компоненти, може да се очаква висока концентрация на арсен. Други минерали, съдържащи арсен, са наблюдавани в мината Nakdong As-Bi и са установени изключително високи нива на арсен от 4,36% и 20,2% за хвостохранилища, генерирани съответно от процеса на печене на руда и процеса на цианизиране за добив на злато (61).

Арсен и човешкото здраве в Югоизточна Азия

Излагане на човек на арсен

От глобална гледна точка излагането на неорганичен арсен е една от най-опасните опасности за здравето на околната среда за ракови и неракови резултати. Международната агенция за изследване на рака (IARC) класифицира арсена и арсеновите съединения в група 1, която е причинно свързана с рака при хората. Арсенът също е класифициран като група А (човешки канцероген) от американското СИП. Спецификацията на арсена определя неговата токсичност. Неорганичният арсен, особено тривалентният метилиран вид, е по-токсичен за човешкото здраве, отколкото органичната форма. Редът на токсичност е AsH3> As (III)> As (V)> MMA (монометиларсонова киселина)> DMA (диметиларсинова киселина). Арсенобетаин, арсено-холин и арсеносугар (органични форми) се считат за нетоксични.

Професионалното излагане на неорганичен арсен е основен начин на излагане на работниците от метал и жителите в района на топилната дейност. Изгарянето на шперплат, обработен с консерванти за дърво, съдържащи арсен CCA (хроматиран меден арсенат), или дермален контакт с дървесина, обработена с CCA, са пътища на излагане на неорганичен арсен (66). Цигареният дим е допълнителен източник на арсен, но се съобщава, че има малък принос, основан на моделиране.

Механизмът за канцерогенеза на арсен остава неясен, но са предложени няколко механизма, включително фактори, свързани с биотрансформацията на арсен, инхибирано възстановяване на ДНК, нарушено метилиране на ДНК, клетъчна сигнализация, епигенетика, оксидативен стрес, променена трансдукция на сигнала или иницииране на растежни фактори или цитокини в отговор на излагане на арсен. Когато клетките са изложени на агенти, увреждащи ДНК, се генерира сигнал, така че транскрипцията на различни гени се променя. Както при много лекарства, някои агенти на околната среда не винаги проявяват еднаква токсичност и механизми на метаболизъм. Индивидуални вариации в скоростта на изчистване и процентите на метаболитите на арсен в урината са показани чрез проучвания in vivo върху животни и при популации хора, изложени на околната среда на арсен чрез питейна вода. Освен това, индивидуалните разлики в метаболизма на арсен, измерени чрез съотношения и проценти на тези метаболити, са свързани с повишен риск от кожни лезии, рак на пикочния мехур и кожата и хипертония при хората.

Диета и други ко-фактори при излагане на арсен

Необходимо е по-нататъшно проучване, за да се разберат напълно модифициращите фактори, които отчитат променливостта на риска от заболяване, наблюдавана в страни, засегнати от неорганичен арсен в питейната вода. Установените фактори, които влияят на податливостта на свързаните с арсена здравни резултати, включват диета (67–77), пол, възраст, съвместно излагане на околната среда (63,64), пушене (65), използване на бетелови ядки (67), слънчева светлина (UV) (78–83) и генетика (84–87). Хората, живеещи в делтата на Червената река, Виетнам, имат по-ниска честота или липса на здравни резултати, свързани с арсен, поради използването на пясъчна филтрация и други фактори на населението (13). Излагането на манган е документирано в Камбоджа, както и в Бангладеш. Други уникални ко-фактори трябва да бъдат добре характеризирани при епидемиологични и геохимични изследвания.

Заключения

Изследователите установяват въздействието на арсена върху околната среда и заплахата за човешкото здраве. Естествено срещащо се в скалите, арсенът може да бъде вкарван в различни компоненти на околната среда - утайки, почва, вода и въздух - което води до сериозно замърсяване на околната среда. Впоследствие арсенът може да бъде включен в хранителната верига и лесно влиза в човешкото тяло. Този преглед обобщава забележителните резултати по отношение на замърсяването с водороден хоризонт, почвата и въздуха с арсен, както и полезна информация за негативните ефекти и потенциалните рискове от излагането на арсен. Адекватно внимание беше обърнато на въздействието на арсена върху изоставената екосистема за опазване на мините. И накрая, ситуацията с изоставените хвостохранилища показа последицата от липсата на внимание по време и след процесите на копаене и следователно доказа необходимостта от устойчиво развитие. Очевидно е, че оценката на въздействието върху околната среда, възстановяването и управлението на екосистемата в минните зони по време и след експлоатацията на мините са от голямо значение.

Съществува необходимост от разработване на по-добра координация между събирането на местни и глобални данни за въздействието върху здравето и етиологията на заболяванията за уязвими групи от населението. Освен това са необходими епидемиологични глобални усилия, за да се запълнят пропуските в нашето разбиране за връзката между излагането на арсен и болестите в подгрупи от населението, включително деца. Необходимо е по-добро разбиране на времето на експозиция и чувствителността към свързано с арсен заболяване. Разбирането на механизмите на взаимодействия между арсен и инфекциозни заболявания е важно, както и съвместното излагане на околната среда, които са уникални за всеки регион, и взаимодействието между арсен и генетичен състав, за да се разбере предразположението към болести и да се развие превенция в тези региони. Цялостните пътища за излагане на околната среда и уязвимите подгрупи на популациите, включително културните практики, трябва да бъдат взети предвид при проектирането на интервенции за подобряване на общественото здраве. В допълнение към общественото здравеопазване и профилактика, ние трябва да разработим технологии за възстановяване, които са устойчиви в общностите, засегнати от арсен. По-конкретно трябва да се акцентира върху ефективността на премахването и икономическото въздействие върху общностите.

Благодарности

Тази работа беше подкрепена от проект „Иновативни технологии за екологично възстановяване” в GIST.