Тяжелые металлы
– основные неорганические экотоксиканты
Тяжёлые мета́ллы —
группа химических элементов со свойствами
металлов (в том числе и полуметаллы) и
значительным атомным весом либо плотностью
более 8 тыс.кг/м3. (ртуть, свинец, медь, цинк,
никель, кадмий, кобальт, сурьму, висмут,
олово, ванадий, полуметалл мышьяк и др.).
Многие из них широко распространены в
окружающей среде и способны вызывать
заболевания у людей.
Основной поставщик
тяжелых металлов – предприятия
цветной металлургии. Сильное загрязнение
свинцом и другими тяжелыми металлами
наблюдается вокруг автострад. Часть
техногенных выбросов тяжелых металлов
поступает в атмосферу в виде
тонких аэрозолей и переносится
на значительные расстояния, приводя
к глобальному загрязнению.
Механизмы токсического
действия тяжелых металлов различны.
Многие металлы при определенных
концентрациях ингибируют действие
ферментов (медь, ртуть). Некоторые
металлы образуют хелатоподобные
комплексы с обычными метаболитами, нарушая
обмен веществ (железо). Другие металлы
повреждают клеточные мембраны, изменяя
их проницаемость и другие свойства. Некоторые
металлы конкурируют с необходимыми организму
элементами (Стронций-90 может замещать
в организме Ca, Цезий-137 – калий, кадмий
может замещать цинк ).
Ртуть
Ртуть широко
используется в электротехнической
промышленности и приборостроении,
на хлорных производствах, как
легирующая добавка, теплоноситель,
катализатор при синтезе пластмасс,
в лабораторной и медицинской
практике, сельском хозяйстве. Основными
источниками загрязнения окружающей
среды этим элементом являются:
пирометаллургические процессы
получения металла, сжигание органических
видов топлива, сточные воды, производство
цветных металлов, красок, фунгицидов
и т.д. Наиболее опасным соединением
ртути является метилртуть.
Выбросы ртути
в окружающую среду в результате
деятельности человека весьма
значительны. Общая (природная
и антропогенная) эмиссия ртути
в атмосферу составляет свыше
6000 тонн ежегодно, причем менее
половины — 2500 т составляют
поступления от естественных
источников.
Соединения ртути
попадают в водную среду, где
активно аккумулируются планктонными
организмами, представляющими пищу
для ракообразных, а последние
поедаются рыбами, которых поедают
птицы, в печени которых ртуть
обнаруживается в больших количествах.
Ртуть обладает широким
спектром токсических эффектов на теплокровных:
нарушение биосинтеза белков и окислительного
фосфорилирования в митохондриях почек
и печени; возникновение биохимических
сдвигов в организме; нейротоксическое,
гонадотоксическое, генотоксическое,
эмбриотоксическое и тератогенное воздействие.
Под действием токсических концентраций
органических соединений ртути происходит
нарастание интенсивности процессов свободнорадикального
окисления. Особо чувствительными к действию
ртути являются эмбрионы.
Несмотря на
достаточную изученность, экологическая
опасность ртути и последствий
ее действия представляет собой
сегодня серьезную проблему в
экотоксикологии.
Свинец
Еще одним значимым
экотоксикантом является свинец, который
широко используется в производстве кабелей,
как компонент различных сплавов, для
защитных экранов от гамма-излучения,
при производстве электрических аккумуляторов,
красок и пигментов, в химическом машиностроении,
пиротехнике, полиграфии, сельском хозяйстве.
Еще один источник попадания свинца в
организм человека — свинцовая посуда.
Выбросы свинца
в окружающую среду в результате
деятельности человека весьма
значительны. Основными источниками
загрязнения биосферы этим элементом
являются: выхлопные газы двигателей
внутреннего сгорания, высокотемпературные
технологические процессы, добыча
и переработка металла. Перенос
свинца в окружающей среде
и его распространение в объектах
окружающей среды происходит
главным образом через атмосферу.
Некоторые виды планктона обладают
способностью концентрировать свинец
в 12000 раз. Интенсивно аккумулируют
свинец хвойные деревья и мох.
Люди подвергаются
воздействию свинца при потреблении
загрязненных пищи и воды, а
также и при дыхании. Концентрация
свинца в костях современного
человека в 700—1200 раз превышает
его содержание в скелетах
людей живших 1600 лет назад.
Свинец характеризуется
широким спектром вызываемых
им токсических эффектов. Механизм
его действия обусловлен ингибированием
ферментов детоксикации ксенобиотиков
и угнетением образования цитохома Р-450
и цитохромоксидазы.
Эксперименты
на крысах и мышах дали убедительные
доказательства канцерогенности свинца
и его неорганических соединений, токсичность
которых неоднородна и убывает в зависимости
от вида соединения: нитрат > хлорид >
оксид > карбонат > ортофосфат. В картине
хронического свинцового отравления выделяют
следующие клинические синдромы:
1. Изменения со
стороны нервной системы (астенический
синдром, энцефалопатии, двигательные
расстройства, поражение зрительных
анализаторов).
2. Изменения системы
крови (ретикулоцитоз, анизоцитоз, микроцитоз,
свинцовая анемия).
3. Эндокринные и
обменные нарушения (ферментативные
расстройства, нарушения обмена
порфиринов, менструальной и детородной
функций).
4. Изменения со
стороны желудочно-кишечного тракта
(от тошноты, изжоги до свинцовых
колик).
5. Изменения со
стороны сердечно-сосудистой системы
(аритмия, синусовая брадикардия или тахикардия,
вазоневроз).
6. Нарушения функции
почек (поражения почечных канальцев,
интерстициальные нефропатии, ведущие
к почечной недостаточности).
Особо следует
отметить, что маленькие дети
значительно легче, чем взрослые
аккумулируют свинец и потому
относятся к группе высокого
риска в отношении свинцовых
интоксикаций.
Кадмий
Согласно данным
Института продуктов питания
Австрии, самым опасным экотоксикантом
в группе тяжелых металлов является не
ртуть и не свинец, а Кадмий, который относится
к рассеянным элементам и содержится в
виде примеси во многих минералах. Однако
антропогенное загрязнение кадмием окружающей
среды в несколько раз превышает природную
его концентрацию.
Кадмий широко
применяется в ядерной энергетике,
в гальванотехнике, в производстве
аккумуляторов (никель-кадмиевые
батареи), используется как стабилизатор
поливинилхлорида, пигмент в стекле
и пластмассах, электродный материал,
компонент различных сплавов.
Основными источниками загрязнения
окружающей среды этим элементом
являются: производство цветных
металлов, сжигание твердых отходов,
угля, сточные воды горнометаллургических
комбинатов, производство минеральных
удобрений, красителей и т.д.
В организме
кадмий может легко взаимодействовать
с другими металлами, особенно
с кальцием и цинком, что влияет
на выраженность его воздействий.
Кадмий способен замещать кальций
в кальмодулине, нарушая тем самым физиологические
процессы регуляции поглощения кальция.
Он способен ингибировать ионный транспорт
и индуцировать синтез металлотионеина.
Эпидемиологические данные указывают
на чрезвычайную опасность кадмия для
человека, который чрезвычайно медленно
выводится из человеческого организма.
Хроническое отравление кадмием имеет
следующие признаки: поражение почек,
нервной системы, легких, нарушение функций
половых органов, боли в костях скелета.
Этот комплекс нарушений называют болезнью
"итай-итай" (сильные боли, деформация
скелета, переломы костей, повреждения
почек). Имеются достоверные доказательства
канцерогенной опасности кадмия.
Хром
Один из наименее
токсичных тяжелых металлов –
Хром. В растительных и животных
организмах хром всегда присутствует
в составе ДНК. Некоторые виды
млекопитающих способны переносить
увеличение содержание этого
элемента в организме в сотни
раз без видимых негативных
последствий. Большинство микроорганизмов,
многие виды лекарственных растений
способны аккумулировать хром. В
трехвалентном состоянии хром
распространен повсеместно. Экотоксический
эффект имеет шестивалентный хром, которые
крайне редко встречается в природных
условиях и, как правило, появляется в
результате антропогенной активности
(использование хрома, сжигание угля, добыча
руды и производство металла).
Токсичность шестивалентного
хрома проявляется в подавлении
роста, в торможении метаболических
процессов, в виде генотоксического,
эмбриотоксического и тератогенного эффектов.
При воздействии на людей выделяют легочную
и желудочную формы интоксикации. Отмечаются
различные дерматиты, аллергические реакции,
раздражение верхних дыхательных путей.
Многочисленными эпидемиологическими
исследованиями установлено, что хроматы
могут вызывать бронхогенный рак, поэтому
хром и его соединения относят к группе
высокого канцерогенного риска для человека.
Мышьяк
Мышьяк является
одним из самых опасных химических
экотоксикантов, поскольку имеет широкое
распространение в объектах окружающей
среды и вызывает тяжелые последствия
в живых системах.
В природе мышьяк
обычно существует в виде арсенидов
меди, никеля и железа, а также
оксидов и сульфидов. В водной
среде присутствует обычно в
форме арсенитов и арсенатов.
Разнообразные соединения мышьяка
находят широкое применение в
сельском и лесном хозяйстве как
пестициды и гербициды, применяются в
медицине и ветеринарии, стекольной, керамической,
текстильной и кожевенной промышленности,
электронике, электротехнике, оптике,
при производстве красителей, зеркал и
в других областях. Ежегодно в мире промышленно
производится более 60 000 тонн соединений
As.
Антропогенные
источники поступления мышьяка
в окружающую среду – добыча
и переработка мышьяксодержащих
руд, пиррометаллургия, сжигание природных
видов топлива – каменного угля, сланцев,
нефти, торфа, а также производство и использование
суперфосфатов, содержащих мышьяк ядохимикатов,
препаратов и антисептиков.
Метаболизм мышьяка
чрезвычайно сложен. Абсорбция, трансплацентарный
транспорт, распределение в организме,
элиминация и биотрансформация мышьяка
во многом видоспецифичны, зависят от
путей поступления и химической структуры
As-соединений. Необходимо отметить, что
во многих живых организмах происходит
конверсия пятивалентного As в более токсичный
трехвалентный, а выделение идет обычно
в виде метилированных производных.
Токсические эффекты
соединений мышьяка хорошо и
давно известны. Основные поражения,
вызываемые мышьяком у людей,
можно свести к следующим:
1) нарушения тканевого
дыхания;
2) накопление в
организме кислых продуктов обмена,
т.е общий ацидоз;
3) нарушение гемодинамики,
расстройство сердечной деятельности;
4) гемолиз и анемия;
5) дегенеративные
и некротические процессы в
тканях на месте контакта;
6) эмбрио- и гонадотоксические
и тератогенные эффекты;
7) канцерогенное
действие, которое проявляется спустя
значительное время после контакта
с мышьяком, причем кроме производственных
условий, главные пути поступления
этого элемента в организм
человека – мышьяксодержащие лекарства,
пестициды и питьевая вода.
8) соединения мышьяка
обладают и мутагенным (кластогенным)
эффектом – они, не вызывая генных мутаций,
индуцируют как in vitro, так и in vivo хромосомные
аномалии у различных объектов, в том числе
и у людей.
Все компоненты
биосферы тесно связаны и взаимообусловлены,
и бесконтрольное загрязнение
почв и других сопредельных
сред чужеродными для живых
организмов компонентами может
угрожать существованию жизни
на Земле, так как тяжелые
металлы и радиоактивные элементы
накапливаются в костях, тканях,
крови человека, отравляя организм
и вызывая мутационные изменения
с непредвиденными последствиями.