ВОЗМОЖНОСТЬ ПРОЕКТА «МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЯЗИ ДИНАМИКИ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ В ЮЖНОМ ПРИАРАЛЬЕ С КОНЦЕНТРАЦИЕЙ СУЛЬФАТОВ С ОСУШЕННОГО ДНА АРАЛЬСКОГО МОРЯ

АННОТАЦИЯ

Влияние пыли с осушенного дна Аральского моря на здоровье населения Приаралья обсуждается в мировой научной литературе уже несколько десятилетий. Установлено, что наибольший рост заболеваемости наблюдается в Кзыл-ординской области Казахстана и в Каракалпакстане.

Исходя из актуальности исследований связи усыхания Аральского моря и заболеваемости населения Приаралья, авторами подготовлен проект «Моделирование связи динамики онкологических заболеваний в Южном Приаралье с концентрацией сульфатов с осушенного дна Аральского моря». В данной статье представлен дизайн этого исследования с описанием методов, модели канцерориска и ее составляющих. Изложены также научная новизна решаемой задачи, значимость и области востребованности результатов.

ABSTRACT

The impact of dust from the dried bottom of the Aral Sea on the health of the population of the Aral Sea region has been discussed in the world scientific literature for several decades. It has been established that the greatest increase in morbidity is observed in the Kyzylorda region of Kazakhstan and in Karakalpakstan.

Based on the relevance of studies on the relationship between the drying up of the Aral Sea and morbidity of the population of the Aral Sea region, the authors have prepared a project "Modeling the relationship between the dynamics of oncological diseases in the Southern Aral Sea region and the concentration of sulfates from the dried bottom of the Aral Sea". This article presents the design of this study with a description of the methods, the cancer risk model and its components. The scientific novelty of the problem being solved, the significance and areas of demand for the results are also outlined.

Ключевые слова: онкологические заболевания, осушенное дно Аральского моря, сульфаты, математическое моделирование, статистическое моделирование.

Keywords: oncological diseases, dried bed of the Aral Sea, sulfates, mathematical modeling, statistical modeling.

Введение. Актуальность исследования последствий прогрессирующего выноса солей с осушенного дна Аральского моря (ОДА) обусловлена значительными рисками для здоровья населения, связанными с канцерогенностью сульфатов. Оценки долгосрочных уровней сульфатов и связанной с ними смертностью произведены авторами статьи по примеру Китая и США [5; 7; 9], в странах, где концентрация сульфатов не столь значительна и локализована в основном в мегаполисах. В то же время для Южного Приаралья, региона испытывающего максимальный экологический стресс в связи с выносом с Аралкума токсичных веществ, таких как сульфаты магния, натрия, и где их концентрация выше, по крайней мере, на порядок, такие исследования не проводились.

В научной литературе в последние десятилетия отмечается повышенный интерес к оценке риска возникновения злокачественных новообразований под влиянием факторов окружающей среды, в частности запыленности атмосферы. Ряд международных проектов, таких как GEOHealth [8], ARAL-CANCER Study (2018–2021, Германия-Казахстан-Япония) [13], а также публикации в журналах Environmental Health Perspectives, Cancer Causes and Control, Toxicological Sciences указывают на потенциальную канцерогенность аэрогенных соединений [2; 3; 6; 16]. В этих работах подчёркивается необходимость системной оценки экологических нагрузок в районах, подобных Приаралью, однако исследования фокусируются в основном на урбанизированных мегаполисах и не затрагивают специфику постаральской пылевой активности и минерально-солевого состава пыли солончаков.

Целью исследования является разработка инновационных технологий моделирования для получения четкой количественной оценки связи выноса сульфатов с ОДА и роста онкологических болезней в Каракалпакстане с аналитическим выражением характера этой связи и ее пространственно-временной динамики.

Для достижения этой цели намечено решение следующих задач:

1. Разработка не имеющей аналогов регионально-адаптированной модели экологического канцерориска, представляющей систему математической модели расчета полей концентрации сульфатов (называемой далее в целях краткости ARAL-S) и статистической модели связи динамики онкологических заболеваний с динамикой выноса сульфатов с ОДА (называемой далее в целях краткости S-KANC).

2. Провести исследование химического состава и структуры пыли, поднимаемой с солончаков Аральского моря, с акцентом на содержание сульфатов, обладающих потенциальным канцерогенным действием.

3. Используя модель ARAL-S установить пространственную и временную структуру распространения сульфатов с ОДА.

4. Изучить распространённость и структуру онкологических заболеваний у населения Каракалпакстана.

5. Оценить клинико-иммунологические характеристики, уровень воспалительных цитокинов и онкомаркеров у населения, проживающего в условиях повышенного экологического риска.

6. На основе разработанной статистической модели S-KANC произвести расчет пространственно-временной динамики матрицы коэффициентов корреляции концентрации сульфатов и онкологических заболеваний для Южного Приаралья.

7. Составить диагностические и прогнозные карты рисков возникновения онкологических заболеваний, обусловленных выносом сульфатов с осушенного дна Аральского моря, с детализацией по административным районам и временным периодам.

8. На основе результатов совместной реализации моделей ARAL-S и S-KANC выработать аналитические выражения характера исследуемой связи и ее пространственно-временной динамики.

Материалы и методы. Важность результатов исследования заключается в специфике и уникальности выноса сульфатов, обусловливающих различия (возможно значительные) в экологических и метеорологических условиях загрязнения воздуха сульфатами – факторами онкологических заболеваний.

Значение создаваемой регионально-адаптированной модели экологического канцерориска определяется малоизученностью ветрового выноса конкретного вещества с больших площадных источников (например, пустынь). Что касается Аралкума, исследованы в основном общий вынос песка и солей, причем результаты, будучи полученными по различным методикам, а главное в разное время, изобилуют расхождениями. Пожалуй, только в работах Б. Тлеумуратовой численным моделированием (модели CONC, SALTTRANS и др.) [1] наиболее полно описан процесс выноса сульфатов с Аралкума, включая сингулярность фракции солей, ее пространственно-временную динамику, в слое атмосферы 2 км и важный цикл осаждения поднятых ветром на большую высоту частиц солей.

Модель ARAL-S является модификацией SALTTRANS, суживающей фракцию солей до сульфатов и со сменой декартовых координат на полярную. Несмотря на региональную адаптированность модель ARAL-S может использоваться и в других регионах мира. Как известно, многие соленые озера планеты вследствие потепления климата и нерационального использования водных ресурсов высыхают (например, оз.Солтон в США, Урмия в Иране и др.). На местах пытаются оценить зону влияния выноса сульфатов с осушенных днищ только методами ДЗЗ и наземных измерений, которые в сочетании с математическим моделированием ARAL-S дали бы более эффективные результаты. Кроме того, итоги реализации модели ARAL-S в виде полей осаждения на почву сульфатов и их концентрации в воздухе, могут быть использованы в исследованиях по засоленности почв, влияния на сельско-хозяйственные растения и пищевой безопасности сельско-хозяйственных продуктов. То есть даже отдельно взятая модель ARAL-S обладает достаточно широкой областью применения.

Инновационность статистической модели S-KANC заключается в методе группировки когорт по ансамблевой совокупности признаков (возраст, рацион питания, место проживания и др.). Кроме того, важным элементом новизны данной модели является вычисление временного лага между началом воздействия сульфатов и началом онкологического заболевания. Таким образом, учитывается процесс кумуляции сульфатов в организме человека и создается возможность определения критической массы сульфатов, запускающей заболевание. Модель S-KANC можно использовать при определении связи онкологических заболеваний с любым другим веществом при наличии пространственно-временной статистики загрязнения этим веществом окружающей среды. Это обстоятельство расширяет диапазон применимости данной модели, как самостоятельного продукта.

В целом в проекте решается частная задача глобальной проблемы роста заболеваемости и смертности от онкологических заболеваний вследствие ухудшения экологических условий. Как показано выше разрабатываемая модель экологического канцерориска, представляющая тандем моделей ARAL-S и S-KANC, имеет широкий круг применений, выходящий за рамки поставленной в проекте задачи. Показана также возможность отдельного использования этих моделей.

Важным преимуществом данного исследования является вывод аналитического выражения закономерностей исследуемой связи «сульфаты→онкозаболевания», выявляющего тенденции развития этой связи, что позволяет вычислить, насколько снизится заболеваемость при уменьшении среднегодовой концентрации сульфатов в воздухе. Учитывая, что ученые, занимающиеся проблемой влияния сульфатов на здоровье, считают необходимым завершающим этапом исследования получение аналитического выражения связи «сульфаты→заболевания» и то, что такие попытки ограничились лишь простым линейным трендом, решение задачи 8 будет иметь важное теоретическое и практическое значение, например, при прогнозировании.

Таким образом, модель канцерориска, связанного с повышенным содержанием сульфатов в воздухе, решает ряд задач ранее неосвещенных или по крайней мере малоосвещенных аспектов данной проблемы. В связи с этим логично предположение, что создаваемая в рамках исследования модель канцерориска, равно как и ее составляющие модели ARAL-S и S-СANC, оформленные в виде программного продукта, найдут определенный спрос как у исследователей, так и органов здравоохранения стран, в которых данная проблема актуальна.

Кроме того, новизна и важность научной информации, которая будет получена в результате выполнения проекта, обусловливают не только возможность, но и жизненную необходимость внедрения результатов в клинико-экологический мониторинг, профилактику и процесс принятия управленческих решений в сфере здравоохранения и экологии.

Обсуждение. Непосредственное влияние сульфатов на рост онкологических заболеваний и смертность от них достаточно подробно и целенаправленно исследовалось в Китае и США [7; 9; 11]. В ходе этих исследований установлено в частности, что долгосрочное воздействие может быть более важным с точки зрения здоровья, а повышенные риски смертности от рака легких связаны в первую очередь с показателями загрязнения мелкими частицами и оксидом серы, поскольку глобальное ограничение на курение, обусловившее значительное сокращение числа курильщиков, отодвинуло этот фактор на второй план.

Было предложено несколько потенциальных механизмов воздействия сульфатов на заболевания дыхательной системы. Во-первых, кислые сульфаты могут реагировать с металлами в PM_2.5 и преобразовывать нерастворимые и малотоксичные оксиды металлов в ионы металлов, которые растворимы в жидкости слизистой оболочки легких и вызывают выработку высокореактивных оксигенирующих соединений [4; 14; 15]. Во-вторых, недавнее исследование показало, что ионы сульфата могут быстро проникать через барьер поверхностно-активного вещества легких в альвеолярную область, активировать биосинтетический метаболизм холестерина и вызывать экспрессию генов, связанных с онкогенезом, что может помочь понять рак легких, связанный с PM [10]. В-третьих, сообщается, что сульфат способствует образованию вторичных органических частиц и частиц элементарного углерода, например, способствуя старению свежевыброшенных частиц сажи и реагируя с толуолом и оксидами азота с образованием вторичных органических частиц [12].

На основе статистического моделирования сделано заключение, что загрязнение воздуха мелкими частицами и оксидом серы было так или иначе связано со смертностью от всех причин, рака легких и сердечно-легочных заболеваний. Каждое повышение концентрации мелких частиц в воздухе на 10 мкг/м³ было связано с повышением риска смертности от всех причин, сердечно-легочных заболеваний и рака легких примерно на 4 %, 6 % и 8 % соответственно.

Отметим, что в странах с незначительными концентрациями сульфатов в воздухе (например, в США 5мкг/м³) «эпидемиологические и токсикологические данные мало или совсем не подтверждают причинно-следственную связь сульфата PM и риска для здоровья при концентрациях в окружающей среде» [7].

Очевидно, что в Южном Приаралье, где среднемесячная концентрация сульфатов в воздухе меняется в течение года от 20 до 150 мкг/м³, воздействие  на здоровье населения должно быть более значительным. Отличие оценок воздействия сульфатов за рубежом и в Южном Приаралье обусловлено также природой их источников. В Китае, например, источниками сульфатов считаются выбросы серы от сжигания ископаемого топлива, шлейфы выхлопов, сопровождаемые физико-химическими преобразованиями [7].

Влияние пыли с осушенного дна Аральского моря на здоровье населения Приаралья обсуждается в мировой научной литературе уже несколько десятилетий. Установлено, что наибольший рост заболеваемости наблюдается в Кзыл-ординской области Казахстана и в Каракалпакстане.

Исходя из актуальности исследований связи усыхания Аральского моря и заболеваемости населения Приаралья, авторами подготовлен проект «Моделирование связи динамики онкологических заболеваний в Южном Приаралье с концентрацией сульфатов с осушенного дна Аральского моря». В данной статье представлен дизайн этого исследования, состоящий в следующем.

Как известно, достоверность причинно-следственной связи двух процессов (в нашем случае это пыление Аралкума и заболеваемость) должна быть доказана тщательным корреляционным анализом. При этом: 1) должна рассматриваться не заболеваемость вообще, а конкретная болезнь, связанная с конкретным веществом, 2) оба процесса должны иметь корректную количественную оценку их динамики и особенностей.

Научная значимость. Регионально-адаптированная модель, представляющая систему математической модели расчета полей концентрации сульфатов и статистической модели динамики онкологических заболеваний, несмотря на ее конкретность, научно значима в исследованиях в других регионах аналогичных проблем, как, например, совокупность инновационных методов оценки распространения конкретного вещества от масштабного площадного источника и совместной статистической обработки структурированных (результаты математического моделирования) плохо структурированных данных (эпидемиологических и иммунологических показателей).

Впервые с помощью разработанной математической модели будет получена детализированная научная информация о загрязнении сульфатами с ОДА нижнего 3-метрового слоя атмосферы в Южном Приаралье (временная детализация – по годам периода 1985–2025гг., пространственная детализация – 25х25км). В условиях отсутствия ретроспективных фактических данных измерения запыленности атмосферы, результаты моделирования восстанавливают ситуацию с качеством воздуха в 1985–2000 гг. и тем самым предоставляют важную информацию для исследований различных проблем, связанных с необходимостью ретроспективных данных.

Кроме того, аналитическое выражение связей концентрации сульфатов с онкологическими заболеваниями, полученные в результате модельных исследований, помогут выявить тенденции роста онкологических заболевании в зависимости от темпов усиления выноса сульфатов с ОДА, что имеет самостоятельное научное значение.

Технологическая значимость. Планируемое в рамках данного проекта исследование включает решение двух технологических задач: 1) разработку математической модели как технологии расчета пространственно-временной динамики полей концентрации сульфатов; 2) разработку технологии корреляционной связи сульфатов и заболеваемости с пространственной и временной дифференциацией и с применением высших порядков статистических характеристик.

Актуальность исследования влияния пылевых явлений (пыльные бури, мгла и др.) на здоровье человека подтверждается многочисленными публикациями в мировой научной литературе, в которых в частности, отмечается необходимость применения математических и статистических методов, возникающая в связи с несовершенством наземного и дистанционного мониторинга качества воздуха. Разработанные за рубежом единичные модели связи заболеваний с загрязнением воздуха не содержат блока вычисления концентрации загрязняющего вещества и ограничиваются данными наземных и дистанционных измерений, процент искажений которых достаточно существен. В этом аспекте математическая модель, построенная в рамках данного проекта, на базисе многократно апробированной и верифицированной модели выноса сульфатов с ОДА, будет служить важным технологическим подспорьем в научных исследованиях  по данной тематике.

Социально-экономическая значимость. Реализация проекта позволит снизить медико-социальные и экономические издержки, связанные с поздней диагностикой онкологических заболеваний в Приаралье. Внедрение модели превентивного прогнозирования и картирования риска позволит организовать целевые профилактические мероприятия, включая санитарно-гигиеническое информирование, диспансеризацию и иммунологический скрининг уязвимых групп населения. Это поспособствует повышению уровня общественного здоровья, снижению смертности от злокачественных новообразований и повышению качества жизни в регионе. Социальный эффект дополнит экономический за счёт уменьшения затрат на лечение, инвалидизацию и потери трудового потенциала.

Заключение. В данном проекте для количественной оценки связи повышенной концентрацией сульфатов с ростом онкологических заболеваний в Каракалпакстане предполагается разработать не имеющую аналогов систему математической модели расчета полей концентрации сульфатов и статистической модели динамики онкологических заболеваний. Достоверность обеспечивается длиной выборки в периоде 1985–2025 гг. в сочетании с комплексным анализом окружающей среды, эпидемиологических данных и иммунологических показателей населения, проживающего в зоне воздействия сульфатов.

Список литературы:

1. Тлеумуратова Б.С. Математическое моделирование влияния трансформаций экосистемы Южного Приаралья на почвенно-климатические условия: дис. … д-ра физ.-мат. наук. – Ташкент, 2018. – 209 с.
2. Courter L.A. et al. Urban dust particulate matter alters PAH-induced carcinogenesis by inhibition of CYP1A1 and CYP1B1 // Toxicological Sciences. – 2007. – Vol. 95. – № 1. – P. 63–73.
3. Craver A. et al. Air quality and cancer risk in the All of Us Research Program // Cancer Causes & Control. – 2024. – Vol. 35. – № 5. – P. 749–760.
4. Ghio A. J. et al. Sulfate content correlates with iron concentrations in ambient air pollution particles // Inhalation toxicology. – 1999. – Vol. 11. – № 4. – P. 293–307.
5. Krewski D. et al. Extended follow-up and spatial analysis of the American Cancer Society study linking particulate air pollution and mortality. – Boston, MA : Health Effects Institute, 2009. – Vol. 140.
6. McCarthy M.C. et al. Characterization of the chronic risk and hazard of hazardous air pollutants in the United States using ambient monitoring data // Environmental health perspectives. – 2009. – Vol. 117. – №. 5. – P. 790–796.
7. Meng X. et al. A satellite-driven model to estimate long-term particulate sulfate levels and attributable mortality burden in China // Environment international. – 2023. – Vol. 171. – P. 107740.
8. Moreno A. et al. GeoHealth: Geographic Information System for Health Management and Clinical, Epidemiological and Translational Research // MEDINFO 2021: One World, One Health–Global Partnership for Digital Innovation. – IOS Press, 2022. – P. 1084–1085.
9. Ostro B. et al. Assessing long-term exposure in the California Teachers Study // Environmental health perspectives. – 2011. – Vol. 119. – № 6. – P. A242–A243.
10. Park S. et al. Potential toxicity of inorganic ions in particulate matter: Ion permeation in lung and disruption of cell metabolism // Science of The Total Environment. – 2022. – Vol. 824. – P. 153818.
11. Pope III C. A. et al. Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution // Jama. – 2002. – Vol. 287. – № 9. – P. 1132–1141.
12. Popovicheva O. B. et al. Quantification of the hygroscopic effect of soot aging in the atmosphere: laboratory simulations // The Journal of Physical Chemistry A. – 2011. – Vol. 115. – № 3. – P. 298–306.
13. Rakhimbekova F. et al. Cancer incidence relation to heavy metals in soils of kyzylorda region of kazakhstan // Asian Pacific Journal of Cancer Prevention: APJCP. – 2024. – Vol. 25. – №. 6. – P. 1987.
14. Rubasinghege G. et al. Simulated atmospheric processing of iron oxyhydroxide minerals at low pH: roles of particle size and acid anion in iron dissolution // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2010. – Vol. 107. – №. 15. – P. 6628–6633.
15. Schwartz J., Lepeule J. Is ambient PM2. 5 sulfate harmful? Schwartz and Lepeule Respond // Environmental Health Perspectives. – 2012. – Vol. 120. – № 12. – P. a454–a455.
16. Turner M.C. et al. Ambient air pollution and cancer mortality in the cancer prevention study II // Environmental health perspectives. – 2017. – Vol. 125. – № 8. – P. 087013.