Введение. Для успешного лечения и профилактики мочекаменной болезни (МКБ) необходимо комплексное исследование состава и строения уролитов, основанное на использовании современных методов анализа. Изучение особенностей образования биоминералов в организме человека долгое время оставалось исключительно в сфере интересов медицины. Главное внимание уделялось диагностике и лечению заболеваний, ведущих к возникновению патогенных образований. В то же время совершенно очевидно, что важно иметь четкое представление о причинах появления патогенных образований, механизмах их дальнейшего формирования, составе и структуре. Сейчас эти вопросы широко изучаются во всем мире минералогами, биохимиками, геоэкологами с использованием минералогических методов исследований.

Мочевые камни служат объектом биологической минералогии. Каждый мочевой камень представляет собой минеральный агрегат, состоящий из минеральных индивидов (отдельных зерен кристаллов либо микросферолитов, нередко и тех, и других в различных сочетаниях), соединенных тончайшей микропленкой органики. Индивид минеральный – это зерна и идиоморфные кристаллы, в неживой и живой природе образующие минеральные виды. Понятие минерального индивида является исходным в минералогии, оно введено известным российским минералогом Д .П. Григорьевым [1].

Значительную роль в развитии учения о биоминералогии и в исследовании конкретных органоминеральных агрегатов в организме человека сыграли работы российских и зарубежных ученых: Н. П. Юшкина [2], А. А. Кораго [3], А. К. Полиенко [4], В. И. Катковой [5], Ф. В. Зузук [6] и др. В литературе [7–8] приведен обзор по изучению мочевых камней российскими исследователями за полувековой (1965–2015) период. Вопросы взаимосвязи органических и неорганических веществ рассмотрены в работах [9–11].

Существуют различные теории формирования уролитов, но пока не выработан единый подход к объяснению механизма зарождения и роста уролитов. Механизмы образования и роста кристаллических фаз в организме человека, связанные со сложным взаимодействием живого и косного вещества, на данный момент изучены недостаточно и представление о них носит дискуссионный характер.

Материалы и методы. Целью работы коллектива стало определение величины содержания элементов, входящих в состав уролитов. Эта величина должна быть нормированной по кларкам ноосферы.

Для исследований использовались пробы уролитов удаленных у жителей Томского района. Отдельно анализировали пробы из четырех медицинских округов: Томского, Светленского, Октябрьского, Лоскутовского. По Турунтаевскому медицинскому округу данные отсутствуют, так как не были получены пробы уролитов. Всего изучено 100 проб различного минерального состава.

При изучении морфологии, минерального состава и структуры уролитов использованы следующие методы: кристалломорфологический, спектральный, рентгеноструктурный, инструментальный нейтронно-активационный (ИНАА), электронно-микроскопический [12–14].

Изучение уролитов осуществлено в три последовательных этапа:

Первый этап предусматривал проведение макроскопических исследований уролитов: цвет, масса, размеры, механическая прочность (монолитность, рыхлость, трещиноватость, твердость, плотность). Также выполнялась цифровая фотосъемка уролитов, информативных для изучения морфологии, и занесение информации в банк данных.

При извлечении каждого минерального индивида применялся электрофизический метод их разделения или метод термодробления. В конце первого этапа образец (уролит) можно было осторожно раскалывать на части для выполнения последующих исследований.

Второй этап связан с процедурой подготовки проб для исследований и включал изготовление шлифов и пришлифовок участков уролита; нанесение электропроводящего слоя на уролит; подготовку проб для спектрального, химического, рентгеноструктурного, нейтронно-активационного, люминесцентного, электронно-микроскопического и других видов анализов.

Шлифы являются основным препаратом для изучения минерального состава уролита, характера распределения минеральных зерен в агрегате, характера межзерновых границ, особенностей распределения газовых и газово-жидких включений в индивидах и т.п.

Уролиты предварительно подвергались дроблению и истиранию в агатовой ступке. Затем полученный порошок запаковывался по 100–200 мг в фольгу и отправлялся на научно-исследовательский ядерный реактор для проведения анализа.

Третий этап – микроскопические исследования уролитов:

1. Изучение морфологии минеральных агрегатов и минеральных индивидов под бинокулярным микроскопом с выявлением дефектов (несовершенств в структуре кристаллов), минерального состава, характера взаимоотношений между минеральными индивидами, отсутствия или наличия закономерных срастаний кристаллов.

При изучении несовершенств морфологии и дефектов минеральных индивидов главное внимание обращалось на неравенство граней одной простой формы, их количественное отклонение, скульптуру граней одной простой формы, поверхности соприкосновения кристаллов и прочие дефекты (следы растворения, деформации и т.п.). Выполнялись зарисовки отдельных кристаллов и их сростков, наиболее интересные участки уролита фотографировались.

2. Изучение минерального состава и текстурно-структурных особенностей уролитов в шлифах с использованием поляризационно-оптического микроскопа.

При этом уточнялся минеральный состав, определялся характер взаимоотношений минералов друг с другом, изучалась структура агрегата, отмечалось наличие следов растворения.

Изучение уролитов электронно-микроскопическими методами, включающими электронную микрорадиографию, позволяющую выявить локализацию рассеянных радиоактивных элементов; микрорадиографию – определение фазового состава микровключений в минералах, их ориентационных взаимоотношений с органической матрицей, степени окристаллизованности, дефектности и т.д.; качественный и количественный рентгеноспектральный микроанализ с изучением состава вещества по первичным рентгеновским спектрам; растровую электронную микроскопию с нанесением на поверхность образца или его скола электропроводящего слоя (при различных увеличениях выбирались наиболее интересные в морфологическом, текстурном и структурном отношениях участки поверхности образца) с последующим цифровым фотографированием.

Результаты микроскопического изучения текстурно-структурных особенностей уролитов систематизировались, выделялись наиболее характерные типы структур как уролита в целом, так и отдельных его частей. При этом уточнялся минеральный состав, выяснялись количественные соотношения различных минералов в образце. Определялся характер границ между зернами минералов, в том числе и между микросферолитами, намечалась последовательность выделения индивидов в процессе формирования агрегата.

По фотографиям, полученным со сканирующего (растрового) электронного микроскопа, выявлялись признаки роста и растворения, которые запечатлевались на отдельных гранях и ребрах индивидов в виде ямок, штрихов и выражались в чередовании выступов и впадин. При рассмотрении названных элементов изучались их характер, глубина, высота и т.п. Кроме того, детально описывался характер индукционных поверхностей в местах совместного роста кристаллов и микросферолитов.

Для количественного анализа на радиоактивные, редкоземельные, благородные и другие элементы использовался современный высокочувствительный ядерно-физический метод ИНАА с облучением тепловыми нейтронами на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т.

Показателем уровня аномального содержания элементов служил кларк концентрации (КК), рассчитанный по формуле:

Кк=С/Кл. ноосф.,

где С – среднее содержание по выборке, Кл. ноосф. – кларк ноосферы.

Поскольку антропогенные аномалии чаще всего имеют полиэлементный состав, для них рассчитывался суммарный показатель содержания элементов в уролитах (Zспз) по формуле:

Zспз=Σкл.к–(n–1),

где Σкл.к – сумма кларка концентрации, n – число проб.

Обработку аналитических данных проводили на IBM PC/AT-совместимых компьютерах с использованием программ «Statistika». При статистической обработке данных определялись пределы значений параметра, математическое ожидание (среднее значение), стандарт и вариация.

Результаты. Средние содержания элементов в уролитах и нормированные по кларкам концентрации химических элементов представлены в табл. 1 и 2.

После расчета концентрации были сформированы геохимические ассоциативные ряды элементов:

Томский медицинский округ – Au14,42, Zn9,82, Br7,1 , Ca6,79, Se5,4, Hg1,69, Ag0,71, Na, Yb, As, U, Tb, Lu, Sm, La, Th, Sc, Co, Ce, Cr, Fe.

Светленский медицинский округ – Hg8,07, Se7, Zn6,24, Ca6, Au5,81, Br4,3, Ag5,14, Na, Yb, As, U, Tb, Lu, Sm, Th, Sc, La, Co, Ce, Cr, Fe.

Октябрьский медицинский округ – Au35,12, Ca31,31, Se14, Zn4,26, Br3,86 , Hg1,08, Ag0,71, Na0,28, Yb, Cr, La, As, U, Tb, Lu, Fe, Th, Co, Sc, Sm, Ce.

Лоскутовский медицинский округ – Zn6,5, Ca2,88, Au2,79, Hg1,08, Br1,6, Ag0,71, Se, U, Yb, As, Na, Tb, Lu, La, Th, Co, Sm, Fe, Sc, Cr, Ce.

По особенностям морфологии агрегатов выделены друзовидные (рис. 1, а, б), микросферолитовые (рис. 1, в), пористые (рис. 1, г), «коралловидные» (рис. 1, д) образования, а также уролиты со сглаженной поверхностью (рис. 1, е).

По структурным особенностям выделено три группы уролитов: кристаллически-зернистые (рис. 3, а), сферолитовые (рис. 3, б) и комбинированные (рис. 3, в).

Кристаллически-зернистое строение имеют уролиты, состоящие из оксалатов и некоторых других минералов (струвит, ураты и др.). В их состав входят зерна в виде дендритовидных образований. Отдельные кристаллы уэвеллита, уэдделлита, струвита и других минералов отделены друг от друга тончайшими пленками органического вещества.

Кристаллы оксалатов в уролитах часто достигают значительных размеров – до 1,5–2,0 мм (рис. 2, в). Размеры исследуемых кристаллов уэвеллита не превышали 2 мм. Для изучения на электронном микроскопе отбирались кристаллы, предварительно исследованные под бинокулярным микроскопом.

В ходе исследований микроморфологии кристаллов уэвеллита было получено 120 различных снимков. Главной целью микроморфологического анализа кристаллов было выявление особенностей формирования их гранного микрорельефа.

При изучении микроморфологии поверхности граней кристаллов уэвеллита наблюдались признаки растворения отдельных участков граней. При значительных увеличениях (от 1150 до 6400) визуализировались натечные образования и участки, подвергшиеся растворению.

Сферолитовое строение чаще характерно для уролитов фосфатного и уратного составов, хотя нередки примеры образования сферолитов оксалатного состава (рис. 3, б, в).

Уролиты обычно представлены одним крупным сферолитом, центром которого является сгусток органического вещества. Сферолиты сложены концентрически располагающимися слоями, в которых встречаются индивиды призматического вида, направленные по радиусам от центра к периферии. Встречаются и пластинчатые индивиды.

Заключение. Исследования по определению минерального состава и структуры уролитов жителей Томского района позволили рассчитать реальную величину содержания элементов, входящих в состав уролитов, нормированную по кларкам ноосферы.

В каждом медицинском округе имеется своя специфика геохимического ряда, вероятно, зависящая от факторов природно-техногенного воздействия.

Наибольшим значением суммарного показателя содержания элементов (Zспз) в уролитах характеризуется Октябрьский медицинский округ (Zспз=70,8), на втором месте находится Томский медицинский округ (Zспз=26,3), затем – Светленский округ (Zспз=22,8), наименее «напряженным» является Лоскутовский медицинский округ (Zспз=-4). Полученные расчетные данные суммарного показателя содержания элементов в уролитах имеют определенный практический выход именно для специалистов-урологов, а также для экологов и руководителей санитарно-эпидемиологических служб соответствующих медицинских округов. Повышенное значение Zспз должно служить настораживающим фактором для разработки мероприятий по снижению уровня заболеваемости МКБ населения.