Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВВЕДЕНИЕ
На рубеже ХХ и ХХI веков человечество столкнулось с рядом глобальных экологических проблем, среди которых антропогенные изменения биосферы, истощение природных ресурсов, демографический взрыв, загрязнение окружающей среды. Один из распространенных видов загрязнения - поступление в различные среды тяжелых металлов (ТМ) - большой группы химических элементов с относительной атомной массой более 40 (Hg, Pb, W, Sn, Cd, Mo, Cu, Co, Mn, Cr и др.). Тяжелые металлы, загрязняющие почву, могут поглощаться растениями и по пищевой цепи попадать в организмы животных и человека.
Основные источники выбросов ТМ сконцентрированы в крупных промышленных городах. В золе угля и нефти обнаружены практически все металлы. В каменноугольной золе, например, по данным установлено наличие 70 элементов. В 1 т в среднем содержится по 200 г цинка и олова, 300 г кобальта, 400 г урана, по 500 г германия и мышьяка. Максимальное содержание стронция, ванадия, цинка и германия может достигать 10 кг на 1 т. Зола нефти содержит много ванадия, ртути, молибдена и никеля. В золе торфа содержится уран, кобальт, медь, никель, цинк, свинец. Учитывая современные масштабы использования ископаемого топлива очевидно, что: не металлургическое производство, а сжигание угля представляет собой главный источник поступления многих металлов в окружающую среду. Например, при ежегодном сжигании 2,4 млрд т каменного и 0,9 млрд т бурого угля вместе с золой рассеивается 200 тыс. т мышьяка и 224 тыс. т урана, тогда как мировое производство этих двух металлов составляет 40 и 30 тыс. т в год соответственно.
Интересно, что техногенное рассеивание при сжигании угля таких металлов, как кобальт, молибден, уран и некоторые другие, началось задолго до того, как стали использоваться сами элементы. «К настоящему времени – во всем мире было добыто и сожжено около 160 млрд т угля и около 64 млрд т нефти. Вместе с золой рассеяны в окружающей человека среде многие миллионы тонн различных металлов». Деятельность только одной ТЭЦ, потребляющей в сутки 5000 т угля, сопряжена с ежегодным выбросом в атмосферу 21 т свинца и соизмеримого количества других вредных элементов. Транспорт является одним из важнейших показателей экономического и социального развития любого государства. Вместе с тем он потребляет значительное количество энергии и природных ресурсов. На всех стадиях эксплуатации и последующей утилизации транспорт оказывает воздействие на окружающую среду, которое проявляется в загрязнении атмосферного воздуха (выбросы в атмосферу от передвижных источников составляют более 70% суммарного объема выбросов загрязняющих веществ), транспортном шуме и вибрациях, электромагнитных излучениях, загрязнении сточными водами, нарушении ландшафтов при эксплуатации дорог, загрязнении местности отходами транспортных предприятий и служб. Суммарное поступление свинца в атмосферу от автотранспорта на территории Беларуси оценивается величиной 63 .т в год. Причем около 20 % всего автопарка сосредоточено в Минске. В последнее десятилетие автомобильный парк Беларуси постоянно увеличивается.
Современная ситуация характеризуется, с одной стороны, переходом на неэтилированные бензины, сокращением объемов выбросов имеющихся промышленных предприятий, с другой стороны, увеличением парка автомобилей, появлением новых производств (в том числе и по переработке бытовых и промышленных отходов). Все это не снимает с повестки дня проблем эмиссии тяжелых металлов. Вот почему столь необходимо дать представление о тяжелых металлах как факторе экологической опасности, научить студентов самостоятельно оценивать воздействие этого фактора на экосистемы.
Тяжелые металлы - опасные загрязнители окружающей среды
Список металлов, относящихся к классу особо токсичных, включает в себя As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn. Известно, что в результате различных превращений данные химические элементы могут распределяться в атмосфере, гидросфере, литосфере Земли. Почва является одним из основных концентраторов ТМ в биосфере. В настоящее время на первое место выходит сознательное управление биосферными функциями почвенного покрова. Почвенный покров - незаменимый компонент биосферы - совместно с растениями определяет ее устойчивое функционирование. Прогнозированию поведения тяжелых металлов в биосфере уделяется пристальное внимание. Установлены основные закономерности распределения металлов по поверхности, роль гумуса почвы как фиксатора ртути, свинца и других элементов. Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов и в необменной, прочно фиксированной почвенным поглощающим комплексом форме. Доля водорастворимой формы обычно невелика, однако при сильном загрязнении абсолютное количество водорастворимых ТМ становится самостоятельным экологически опасным фактором. В дальнейшем ТМ могут мигрировать в растения, поступать в реки и озера в результате смыва и далее, по трофическим цепям, - в живые организмы. Содержание и формы миграции тяжелых металлов в поверхностных природных водах и почвах таежных экосистем в известной мере зависят от сопутствующих негативных явлений, характерных для современного техногенеза: аэральных выпадений, кислотных дождей, выбросов пыли и дыма и т.д. В наземных экосистемах тяжелые металлы включаются в трофические цепи и в таком компоненте, как почвы, активно воздействуют на мезофауну и микрофлору. В данных условиях существенно возрастает численность почвенных грибов, продуцирующих токсины, низкомолекулярные органические кислоты и другие органические вещества. Это является одним из адаптационных механизмов, противостоящих токсическому действию ТМ. В отличие от других поллютантов, способных разлагаться под действием физико-химических и биологических факторов или выводиться из почвы, тяжелые металлы сохраняются в ней длительное время даже после устранения источника загрязнения: период полуудаления ТМ из почв в условиях лизиметров (специальных приборов, изучающих внутрипочвенный сток) варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от 70 до 510 лет, Cd - от 13 до 1100 лет, Cu - от 310 до 1500 лет, Pb - от 740 до 5900 лет.
Детоксикация почв, загрязненных ТМ, имеет определенные трудности. Накопление тяжелых металлов в почве нарушает физико-химическое равновесие природной системы и дает толчок ряду процессов, действующих на почвенные свойства. Изменяется величина рН, разрушается почвенный поглощающий комплекс, нарушаются микробиологические процессы, в результате разрушения структуры ухудшается водно-воздушный режим, деградирует почвенный гумус, и в конечном итоге почва теряет плодородие. Комплексообразующая способность многих металлов приводит к возникновению устойчивых металлоорганических комплексов хелатного типа, что, в свою очередь, обусловливает изменение концентрации необходимых для жизнедеятельности организмов субстратов в почве. Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени агрязнения ими сред обитания, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биогеохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью. (табл.1).
Таблица. 1
Молярная токсичность металлов
Организмы Ряды токсичности
Водоросли Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Zn > Co > Mn
Грибки Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe
Цветущие растения Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn
Кольчатые черви Hg > Cu > Zn > Pb > Cd
Рыбы Ag > Hg > Cu > Pb > Cd > Al > Zn > Ni > Cr > Co > Mn >> Sr
Млекопитающие Ag,Hg,Cd > Cu,Pb,Co,Sn,Be >> Mn,Zn,Ni,Fe,Cr >> >> Sr > Cs,Li,Al
Следует отметить, что ТМ могут являться причиной заболеваний человека. Среди них сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии. Тяжелые металлы обладают эмбриотропным и канцерогенным свойствами. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия.
Для оценки опасности тяжелых металлов недостаточно знать их валовое количество, необходимо дифференцировать и форму металла в зависимости от состава и структуры системы (окисленный, восстановленный, метилированный, закомплексованный металл). Наибольшую опасность представляют лабильные формы.
Природные и антропогенные источники тяжелых металлов
Все источники поступления поллютантов (загрязнителей) можно разделить на природные и антропогенные. Среди природных источников поступления ТМ в атмосферу выделяются ветровая эрозия, извержения вулканов, лесные пожары, испарение с поверхности почв и растений, поступление с поверхности почвы и др. Причем для Cd, Zn и Pb доля антропогенных поступлений в атмосферу значительно превышает природные
По хозяйственным и территориальным признакам источники металлотоксикантов подразделяют на локальные и пространственные, а по скорости эмиссии в окружающую среду и объекты живой природы – на регулярные и залповые. Особую опасность для окружающей среды представляют распределенные в пространстве источники тяжелых металлов, так как именно они загрязняют сравнительно большие территории. К этой группе относятся: автомобильный транспорт, сельскохозяйственные угодья (после обработки содержащими металлы пестицидами), домашние печи, использующие уголь.
На предприятиях железнодорожного транспорта источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду служат котельные, участки сварки и резки, химической и электрохимической обработки металлов, аккумуляторные, медницкие отделения. ТМ поступают также при потерях перевозимого сырья и руд, в составе сточных вод предприятий. Особый интерес для экологических исследований представляют Cd, Pb и Hg, относящиеся к металлам первого класса опасности. Содержание кадмия в почвах определяется химическим cоставом материнских пород. Среднее содержание Cd в почвах лежит между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни Cd в почвах не превосходят 0,5 мг/кг, и все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание Cd в верхнем слое почв. Ежегодно в атмосферу выбрасывается свыше 25 тыс. т кадмия. Из-за несовершенства технологий производства минеральных удобрений выбросы ТМ в окружающую среду превышают проектные величины в 2-3 раза. В то же время при внесении органических удобрений в дозе 50 т/га в почву поступает: свинца –38, кадмия – 2,3 и никеля – 75 г/га. Свинец поступает в окружающую среду из антропогенных источников с выбросами промышленных предприятий и автомобильного транспорта, определенную долю вносят сельскохозяйственный сектор, а также природные источники (ветровая эрозия почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары). По некоторым оценкам, в результате природной эмиссии в атмосферу поступает в среднем 27 тыс. т свинца в год, а в результате антропогенной деятельности - 425 тыс. т в год. Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, как правило, связывают с автомобильным транспортом и деятельностью предприятий цветной металлургии.. Размеры зоны влияния автотранспорта на экосистемы сильно варьируют. Ширина придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать от 10 м до 100-150 м. Это содержание асимметрично по отношению к поперечному профилю дороги, что находит свое отражение в растениях, лесные полосы вдоль дорог задерживают в своих кронах потоки свинца от автотранспорта. В условиях города размеры свинцовых аномалий определяются условиями застройки и структурой зеленых насаждений. Так, по данным Министерства транспорта и коммуникаций Республики Беларусь по состоянию на 01.01.2010 он насчитывал 3433,0 тыс. автотранспортных средств (АТС), из которых 83,6% приходилось на автомобили По данным наблюдений за химическим загрязнением земель, проводимым в рамках НСМОС, в почвах обследованных за пятилетний период 44 городов Беларуси отмечено накопление тяжелых металлов. Из тяжелых металлов основными загрязняющими веществами выступают кадмий, цинк и свинец. Загрязнение почв кадмием характерно для 72% обследованных городов, цинком – 77%, свинцом – для 61% городов. Превышение допустимого уровня кадмия в 2 раза и более отмечено в 8 городах, цинка – в 14, свинца – в 9 городах. Медь в повышенных концентрациях встречалась на территории 4 городов . Содержание ТМ в атмосферном воздухе представлено в табл.1
Таблица 1.
Выбросы тяжелых металлов в атмосферу на территории Беларуси в 2008 г., т
Категория источника As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn
Энергетика общего 0,07 0,19 0,03 0,12 0,05 22,95 2,40 10,52
пользования и про-
изводства тепла
Сжигание топлива 0,68 1,54 1,35 1,74 0,74 19,94 34,46 16,63
в обрабатывающей
промышленности
и строительстве
Сжигание топлива 0,05 0,04 0,18 0,41 0,00 0 ,13 0,34 3,81
в жилом секторе
Прочее стационар- 0,03 0,01 0,06 0,11 0,00 0,17 0,12 1,18
ное сжигание
топлива
Мобильные 0,00 0,04 0,18 1,05 0,00 1,75 3,50 0,35
источники
Химическая 0,24 0,03 0,68 0,17 0,00 0,23 0,04 24,43
Промышленность
Производство 0,27 0,88 7,80 10,53 0,02 1,26 21,90 306,91
металлов
Сжигание отходов 0,00 0,03 0,01 0,04 0,00 0,00 0,31 0,48
Прочие 0,00 0,00 0,11 0,09 0,00 0,09 0,02 0,01
Всего 1,34 2,75 10,40 14,26 0,81 46,51 63,09 364,31
В настоящее время на свалках находится до 1 млн. т свинца в отработанных аккумуляторах. Соединения ртути встречаются в фунгицидах (до последнего времени ртутьсодержащие соединения использовались для протравливания семян), при производстве бумаги и синтезе пластмасс. Отдельные соединения различаются по своей токсичности и устойчивости. Из всего количества ртути, которое человек получает с пищей, примерно половина приходится на продукты животного происхождения и одна треть - на растительную пищу. Всего в мире ежегодно производится 9000 тонн ртути, из них 5000 тонн впоследствии оказываются в океанах. В озере Вашингтон за последние 100 лет содержание ртути в донных осадках увеличилось в 100 раз. Проходя через пищевые цепи, соединения ртути могут менять свою токсичность. Так, было установлено, что в США в одном озере, в которое фабрика спускала сточные воды, содержавшие связанную в форме неорганических соединений (мало токсичную) ртуть, эти ртутные соединения поглощались растениями (например, камышом), восстанавливались и затем уходили в атмосферу в виде элементарной (очень ядовитой) ртути в газообразном состоянии.
Методы удаления и детоксикации ионов тяжелых металлов из ОС
Наиболее эффективным вариантом сохранения объектов окружающей среды от негативного воздействия ТМ является предотвращение их антропогенного поступления. Однако в процессе производства человеку не всегда удается избежать эмиссии металлов в атмосферу, почву, поверхностные воды. Так, например, работа гальванических цехов характеризуется поступлением солей ТМ в сточные воды. Соли тяжелых металлов в сточных водах содержатся в виде раствора, а также взвесей. Они способны восстанавливаться, окисляться, осаждаться, адсорбироваться в виде индивидуальных веществ и комплексов. Для удаления солей ТМ из сточных вод используются реагентные и физико-химические методы. Реагентные методы очистки наиболее эффективно применяются для удаления соединений цинка, меди, никеля, свинца, кадмия, кобальта и др. При использовании этих методов достигается перевод растворимых в воде соединений веществ в нерастворимые с последующим отделением их в виде осадков. В качестве реагентов для удаления сточных вод ионов тяжелых металлов используют гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфиды кальция и натрия, различные шлаки. Выделение катионов цинка щелочами основано на переводе их в труднорастворимый гидроксид цинка:
Zn2+ + 2OH - → Zn(OH) 2↓
Находящиеся в растворе катионы свинца переводят в осадок в виде одного из трех труднорастворимых соединений:
Pb2+ + 2OH - → Pb(OH) 2↓
2Pb2+ + CO3 2- + 2OH - → (PbOH) 2 CO3↓
Pb2+ + CO3 2- → PbCO3↓
Карбонат свинца в воде нерастворим. Для очистки сточных вод от ионов металлов (цинка, свинца, меди, хрома, никеля, кадмия, ванадия, марганца) применяют ионообменный метод. Ионный обмен на примере очистки воды от цинка происходит по уравнению:
2RH + Zn 2+ = R2 Zn + 2H+
С течением времени работы катионита его обменная емкость истощается, необходимо проводить его регенерацию:
ZnR2 + nH2SO4 ←→ 2HR + ZnSO4 + (n-1)H2SO4
Наиболее эффективными методами очистки воды от ионов тяжелых металлов является электро- и гальванокоагуляция.
Для ликвидации последствий загрязнения почв тяжелыми металлами используются ряд приемов. На сильно поврежденных почвах вблизи отвалов и хранилищ отходов цветной металлургии ТМ удаляют из загрязненного слоя (10-30 см) путем перевода их соединений в подвижную форму и дальнейшего промывания раствором FeCl3 в кислой среде. Однако механическое перемещение и промывка достаточно дороги, поэтому чаще используют более дешевые способы, например, внесение веществ-инактиваторов. Так, при применении меркапто-8-триазина прочно фиксируются кадмий, свинец, ртуть и никель, а элементы питания – кальций, магний, калий и др. при этом не закрепляются Защитным эффектом обладает и известкование почв. При этом происходит нейтрализация среды и образование коллоидов гидроксидов тяжелых металлов, находящихся в почвенном растворе. Важное место в детоксикации тяжелых металлов отводится органическим удобрениям, которые выступают адсорбентами ионов ТМ. В качестве поглотителей ТМ используют и глинистые минералы (монтмориллонит, вермикулит). Все мероприятия по детоксикации почв направлены на недопущение движения ионов ТМ по пищевым цепочкам в экосистеме.
ТОКСИЧНОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ
Токсичность – это мера несовместимости вредного вещества с жизнью. Степень токсического эффекта зависит от биологических особенностей пола, возраста и индивидуальной чувствительности организма; строения и физико-химических свойств яда; количества попавшего в организм вещества; факторов внешней среды (температура, атмосферное давление).
Понятие об экологической патологии.
Возросшая нагрузка на организм, обусловленная широким производством вредных для человека химических продуктов, попадающих в окружающую среду, изменила иммунобиологическую реактивность жителей городов, включая детское население. Это приводит к расстройствам основных регуляторных систем организма, способствуя массовому росту заболеваемости, генетическим нарушениям и другим изменениям, объединенных понятием - экологическая патология.
В условиях экологического неблагополучия раньше других систем реагируют иммунная, эндокринная и центральная нервная системы, вызывая широкий спектр функциональных расстройств. Затем появляются нарушения обмена веществ и запускаются механизмы формирования экозависимого патологического процесса.
Среди ксенобиотиков важное место занимают тяжелые металлы и их соли, которые в больших количествах выбрасываются в окружающую среду. К ним относятся известные токсичные микроэлементы (свинец, кадмий, хром, ртуть, алюминий и др.) и эссенциальные микроэлементы (железо, цинк, медь, марганец и др.), также имеющие свой токсический диапазон.
Основным путем поступления тяжелых металлов в организм является желудочно-кишечный тракт, который наиболее уязвим к действию техногенных экотоксикантов.
Спектр экологических воздействий на молекулярном, тканевом, клеточном и системном уровнях во многом зависит от концентрации и длительности экспозиции токсического вещества, комбинации его с другими факторами, предшествующего состояния здоровья человека и его иммунологической реактивности. Большое значение имеет генетически обусловленная чувствительность к влиянию тех или иных ксенобиотиков. Несмотря на разнообразие вредных веществ, существуют единые механизмы их воздействия на организм, как у взрослого человека, так и у ребенка.
Отравления соединениями тяжелых металлов известны с древних времен. Упоминание об отравлениях «живым серебром» (сулема) встречается в IV веке. В середине века сулема и мышьяк были наиболее распространенными неорганическими ядами, которые использовались с криминальной целью в политической борьбе и в быту. Отравления соединениями тяжелых металлов часто встречались в России: в 1924-1925 гг. Было зарегистрировано 963 смертельных исхода от отравлений сулемой. Отравления соединениями меди преобладают в районах садоводства и виноделия, где для борьбы с вредителями используется медный купорос. В последние годы наиболее распространены отравления ртутью. Нередки случаи массовых отравлений, например, гранозаном после употребления семян подсолнечника, обработанного этим средством.
Всасывание, транспорт и распределение металлов.
Для токсического действия необходим контакт яда с биологическим субстратом – объектом этого действия. Контакт может осуществляться при циркуляции яда во всех жидких средах организма (крови, ликворе, межтканевой жидкости и т.п.), а также при непосредственном соприкосновении с оболочками клеток, цитоплазмой и её составными элементами.
В силу этого в токсическом действии металлов, как и других ядов, большое значение имеют их транспорт, распределение, концентрация в месте действия, метаболизм, скорость и пути выделения.
Концентрация металлов в месте действия, как и вообще любых ядов или фармакологических средств, является результатом динамических процессов всасывания из места поступления, проникания в жидкие среды, транспорта, распределения в органах и тканях, химических превращений в последних и процессов выведения из организма.
Резорбция и распределение, а также выделение металлов, как и вообще экзогенных ядов, в конечном итоге схематически представляют как ряд процессов распределения между внешней средой и биосредами. В свою очередь в биосредах - организмах - происходит перераспределение между фазами: кровью и тканевыми и межклеточными жидкостями, между последними и клетками, между внутриклеточными структурами.
Для осуществления непосредственного контакта любого яда с тканями, клетками, рецепторами и т.д. ему приходится проникать через множество пограничных поверхностей – биологических мембран. Роль последних играет кожа, слизистая желудочно-кишечного тракта, эндотелии сосудов, альвеолярный эпителий, вообще гистогематические барьеры, оболочка клеток, внутриклеточных структур и т.д. По современным представлениям биологические мембраны имеют белково-липидную структуру. Клеточные мембраны представляют самостоятельный структурный элемент, активно участвующий в процессах обмена веществ. Мембраны рассматриваются как биологические, динамические структуры, содержащие ряд важных энзимных систем. Повреждения, вызываемые ядами, нарушающими функции энзимов, приводят к изменению проницаемости транспорта через эти оболочки.
Схематически транспорт веществ через пограничные поверхности можно разделить на:
а) поступление веществ в клетки путем диффузии через водные и липидные барьеры;
б) вода и растворенные в ней вещества как бы фильтруются в клетки (вступают в силу гидродинамические и осмотические законы);
в) перенос липоидонерастворимых веществ объясняется образованием их соединений с компонентами мембраны. Например, полагают, что двухвалентные металлы проникают через пограничные мембраны в виде фосфатных комплексов.
Клеточные оболочки могут играть и защитную роль в отношении вредного действия ядов, в частности металлов. Последние в первую очередь фиксируются на поверхности и лишь медленно проникают вглубь клетки. Это продемонстрировали на примере солей ртути и меди. При действии последних первоначально нарушается сорбция глюкозы у мышей, позже – дыхание.
Соли металлов как хорошо растворимые и диссоциирующие соединения, попадая в организм, распадаются на ионы. Скорость и полнота резорбции зависят от соотношения между ионизированной и неионизированной частью молекулы.
Металлы высшей валентности и так называемые тяжелые металлы, склонные к образованию очень трудно растворимых гидроокислов, фосфатов, альбуминатов или весьма стойких комплексов, плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта или при любых других путях введения.
Таким образом, упомянутые свойства металлов и их соединений, способность к диссоциации, образование свободных ионов, гидроокисей, образование прочных альбуминатов, гидратов, фосфатов определяют количество и состояние металла в организме, в первую очередь в крови. Свободные ионы металлов быстро удаляются из крови; в течение 5 минут. Они также быстро выделяются из организма или накапливаются в скелете.
Благодаря способности к комплексообразованию металлы в тканях откладываются в виде комплексных соединений с белками, аминокислотами. Однако распределение их по большей части неравномерно, а в ряде случаев избирательно. Например, высокое содержание в почках ртути, таллия, урана, кадмия или бария; рубидия, лития в мышцах; преимущественное накопление в эритроцитах калия, рубидия, свинца, шестивалентного хрома, мышьяка, селена и некоторых других.
Прочность связей, степень сродства катионов металлов к функциональным химическим группировкам в организме, также может определять не только общую токсичность, но избирательность или специфичность действия. Это можно проследить на примере такой распространенной во всех тканях и вместе с тем такой биологически важной функциональной группе – сульфгидрильной. Так, специфическое повреждение почек такими металлами как, как ртуть или кадмий, объясняют высоким сродством их к SH-группам ткани почек.
Приведенные примеры указывают, что возможны закономерности специального влияния металлов, однако для их выявления нужно изучать механизмы влияния отдельных металлов на отдельные ферментные системы, отдельные звенья обменных процессов, деятельность желез внутренней секреции и т.д.
Токсичность тяжелых металлов для животных.
Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму и в основном они находятся в активных центрах коферментов.
Количество биологически активных химических элементов в организмах животных и тканях в основном зависит от их места обитания и особенностей потребления кормов. В большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от дефицита и несбалансированности микроэлементов.
При содержании тяжелых металлов в почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления указанных металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства, ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Например, в пригородных хозяйствах при содержании в рационе тяжелых металлов - свинца, никеля, хрома в 2-7 раз выше ПДК содержание их в молоке оказалось в 1,25-2 раза выше допустимых норм. В Вологодской области из-за нехватки селена при избытке железа, марганца, кадмия отмечено поступление молока на молокозаводы с низкой титруемой кислотностью. Наличие тяжелых металлов влияет на качество сыра, при этом нарушается технология производства. В частности, ухудшается его вкус, запах становится нечистым, сыр легко крошится, творог становится мажущим. У овец, разводимых в промышленной зоне Ирака, отмечается депонирование в организме ртути, кадмия и свинца. У пятилетних овец содержание ртути и кадмия в мускулатуре выше МДУ (максимально допустимого уровня). На ингаляционное поступление этих тяжелых металлов указывали повышенные содержания кадмия и свинца в легких. У овец, разводимых в сельскохозяйственных районах Ирака, содержание тяжелых металлов в тканях и органах оказались в 2-7 раз меньше, чем у животных, разводимых в промышленной зоне.
Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в рамках Международной программы химической безопасности опубликованы «Гигиенические критерии состояния окружающей среды» для Hg, Be, Pb, Sn, Mn, Ti и других металлов.
Действие ТМ на организм человека
Тяжелые металлы и их соединения могут поступать в организм человека через легкие, слизистые оболочки, кожу и желудочно-кишечный тракт. Механизмы и скорость проникновения их через разные биологические барьеры и среды зависят от физико-химических свойств указанных веществ, химического состава и условий внутренней среды организма. В результате взаимопревращений между поступившими в организм металлами или их соединениями и химическими веществами различных тканей и органов могут образоваться новые соединения металлов, обладающие иными свойствами и по-другому ведущие себя в организме. При этом в разных органах, вследствие особенностей обмена, состава и условий среды, пути превращения исходных соединений металлов могут быть различными. Отдельные металлы могут избирательно накапливаться в определенных органах и длительно задерживаться в них. В результате накопление металла в том или ином органе может быть или первичным, или вторичным.
На примере отдельных металлов рассмотрим пути их поступления в организм через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) с продуктами питания (животного и растительного происхождения), а также токсическое действие.
1. Мышьяк (As).
1.1.Антропогенные источники загрязнения.
- металлургия (мышьяк – примесь во многих рудах): производство Pb, Zn, Ni, Cu, Sn, Mo, W;
- производство серной кислоты и суперфосфата;
- сжигание каменного угля, нефти, торфа;
- производство мышьяка и As-содержащих ядохимикатов;
- кожевенные заводы.
Выбросы в воздух с дымом и со сточными водами.
1.2.Токсическое действие.
Тиоловый яд - широкий спектр действия:
- нарушение обмена веществ;
- повышение проницаемости стенок сосудов разрушение эритроцитов (гемолиз);
- разрушение тканей в месте их прямого контакта с мышьяком;
- канцерогенное действие;
- эмбриотоксический и тератогенный эффект.
1.3.Отравление.
В легких случаях – общее недомогание, головная боль, тошнота; затем – боли в правом подреберье и пояснице, тошнота, рвота.
Тяжелые отравления:
При поступлении через рот – металлический привкус, жжение и сухость во рту, боли при глотании через несколько часов после отравления.
При поступлении через органы дыхания – раздражение верхних дыхательных путей и глаз – слезы, чихание, кашель, кровохарканье, боль в груди, отек лица и век.
Затем – сильная слабость, головокружение, головная боль, тошнота, рвота, боли в животе, онемение пальцев рук и ног. Затем – неукротимая рвота с кровью, судороги, носовые кровотечения, кровоизлияния в различных частях тела.
Через 8-15 дней – резкие боли в конечностях, резкая слабость, сонливость, сильные головные боли, судороги, паралич, смерть от паралича дыхания.
Хроническое отравление.
Повышенная утомляемость, исхудание, тошнота, головокружение, боли в конечностях, желудке, кишечнике, груди, горле, кашель, отек лица и век. Выпадение волос и ногтей, кровоизлияние, потемнение кожи. Раздражительность, рвота, неустойчивый стул, отсутствие аппетита.
2. Ртуть (Hg).
2.1. Антропогенные источники поступления:
- получение ртути и ртутьсодержащих веществ;
- сжигание органического топлива;
- цветная металлургия;
- коксование угля;
- производство хлора и соды;
- сжигание мусора.
Поступление: в виде паров, водорастворимость солей и органических соединений.
2.2. Токсическое действие.
Тиоловый яд широкий спектр действия.
Проявление токсического эффекта зависит от формы, в которой ртуть поступила в организм.
Особенность паров ртути – нейтротоксичноть, действие на высшую нервную деятельность.
2.3. Острое отравление.
Пары ртути:
Симптомы появляются через 8-24 часа после отравления.
Общая слабость, головная боль, боль при глотании, повышение температуры, кровоточивость, воспаление в полости рта, боли в животе, поражение желудка (тошнота, рвота, жидкий стул), поражение почек.
2.4. Хроническое отравление.
В основном – действие на центральную нервную систему.
Снижение работоспособности, быстрая утомляемость, повышенная возбудимость. Ослабление памяти, беспокойство, неуверенность в себе, раздражительность, головные боли.
Далее – слабость, сонливость, апатия, эмоциональная неустойчивость, дрожание рук, языка, век (в тяжелых случаях всего тела). Повышенная психическая возбудимость, пугливость, общая подавленность, упрямость и раздражительность, ослабление памяти, невралгия.3. Свинец (Pb).
3.1. Антропогенные источники поступления.
- свинцовые и свинцово-цинковые заводы (цветная металлургия);
- выхлопные газы автомобилей (тетраэтил свинец добавляют для повышения октанового числа);
- сточные воды следующих производств: металлообрабатывающего, машиностроительного,
нефтехимического, спичечного, фотоматериалов;
- сжигание каменного угля и бытового мусора.
3.2. Токсическое действие.
Тиоловый яд, но менее токсичен, чем ртуть и мышьяк.
Поражает ЦНС, периферическую нервную систему, костный мозг, кровь, сосуды, генетический аппарат, клетки.
3.3. Острое отравление.
Острые (отравление солями свинца): схваткообразные боли в животе, запор, общая слабость, головокружение, боли в конечностях и пояснице.
3.4. Хроническое отравление.
Внешне: свинцовая (черная) кайма по краю десен, землисто-серая окраска кожи.
Изменение нервной системы.: головная боль, головокружение, утомляемость, раздражительность, нарушение сна, ухудшение памяти, эпилептические припадки.
Двигательные расстройства: параличи отдельных мышц, дрожания рук, век и языка; боли в конечностях, изменения системы крови – свинцовая анемия, обменные и эндокринные нарушения, нарушения желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы.
4. Хром (Cr).
4.1. Антропогенные источники поступления.
Выбросы предприятий, где добывают, получают, перерабатывают и применяют хром (в том числе гальванические и кожевенные производства).
4.2. Токсическое действие.
Токсичность зависит от валентности:
Cr (VI) > Cr (III) > Cr (II)
Поражает почки, печень, поджелудочную железу, обладает канцерогенным эффектом. Раздражающее действие, Cr (VI) – аллерген.
4.3. Острое отравление.
Аэрозольные соединения Cr (VI), хроматы, бихроматы – насморк, чихание, носовые кровотечения, раздражение верхних дыхательных путей; в тяжелых случаях – острая почечная недостаточность.
4.4. Хроническое отравление.
Поражение верхних дыхательных путей и развитие бронхитов и бронхиальной астмы; поражение печени (нарушение функций, развитие цирроза), аллергические заболевания кожи – дерматиты, язвы, «хромовые экземы».
Хроматы – главная причина производственных контактных дерматитов на кистях рук, предплечьях, лице, веках.
При длительном контакте с соединениями хрома возрастает вероятность раковых заболеваний.
5. Медь (Cu).
5.1. Антропогенные источники поступления.
- предприятия цветной металлургии;
- медь-содержащие пестициды;
- гальванические производства;
- сжигание угля и нефти.
5.2. Токсическое действие.
Тиоловый яд
5.3. Острое отравление.
CuSO4
При попадании в желудок – тошнота, рвота с кровью, боль в животе, понос, нарушение координации движений, смерть от почечной недостаточности.
При вдыхании аэрозоля – приступы кашля, боли в животе, носовое кровотечение. Повышение температуры.
5.4. Хроническое отравление.
Расстройства нервной системы, печени почек, разрушение носовой перегородки.
6. Кадмий (Cd)
. 6.1.Антропогенные источники поступления.
Источниками большинства антропогенных загрязнений являются: выброс кадмия в сточные воды, производство и использование фосфатных удобрений, сжигание отходов, угля, бензина и т.д. Однако больше всего в окружающую среду кадмий поступает в виде побочного продукта при выплавке и электролитической очистке цинка
6.2. Токсическое действие.
Кадмий относится к числу высокотоксичных металлов. Он действует на самые разные органы и системы. Металл обладает очень высокой способностью накопления в организме. Пары кадмия, образуемые при плавлении, являются чрезвычайно опасными и представляют собой основную причину острых смертельных интоксикаций металлами. Установленные и подозреваемые эффекты кадмия (от гипертонии до развития опухолей) наряду с его широким и все возрастающим использованием и накоплением в окружающей среде заставляют предположить, что этот металл представляет наивысшую угрозу человечеству, как экополлютант
6.3. Острое отравление.
Острое отравление кадмием происходит после его проглатывания или ингаляции. Употребление воды, содержащей кадмий в концентрации 15 мг/л, с суммарной дозой 30 мг кадмия, вызывает рвоту, боли в животе, тяжелый понос и иногда шок. Острая ингаляция кадмия вызывает одышку, слабость, боли в грудной клетке, укорочение дыхания и кашель. Химический пневмонит приводит к отеку легких и дыхательной недостаточности
6.4. Хроническое отравление.
Проявления хронического воздействия кадмия наиболее отчетливо прослеживаются со стороны дыхательной системы и почек. Поражение легких возникает исключительно при ингаляционном способе воздействия, в то время как почки страдают при поступлении кадмия в организм всеми возможными способами.
Другими эффектами хронического действия металла являются поражения опорно-двигательного аппарата, нарушение функций сердечно-сосудистой системы.
Доказана роль кадмия в развитии инфаркта миокарда. Кадмий (как и свинец) накапливается в больших количествах и поражает клетки не только печени, но и всей мышечной системы, вызывает тромбоз сосудов, разрушает иммунитет.
Иммуносупрессивное действие кадмия может быть причиной канцерогенеза, встречающегося у работников, контактирующих с металлом.
Кадмий является специфическим антиметаболитом цинка (способен замещать цинк) и селен. Нарушенные кадмием метаболические процессы можно нормализовать или предупредить введением Se или Zn.
Табак во время своего роста очень активно и в больших количествах аккумулирует кадмий: его концентрация в сухих листьях в тысячи раз выше средних значений для биомассы наземной растительности. Поэтому с каждой затяжкой дымом вместе с такими вредными веществами, как никотин и окись углерода, в организм поступает и кадмий. В одной сигарете содержится от 1,2 до 2,5 мкг этого яда. Мировое производство табака, по данным Л.Г. Бондарева, составляет примерно 5,7млн т в год. Одна сигарета содержит около 1 г табака. Следовательно, при выкуривании всех сигарет, папирос и трубок в мире в окружающую среду выделяется от 5,7 до 11,4 т кадмия, попадая не только в легкие курильщиков, но и в легкие некурящих людей.
7. Цинк,
Соли цинка хорошо растворимы в воде. При их поступлении наблюдается задержка на некоторое время с последующим постепенным попаданием в кровь и распределением в организме. Цинк может вызывать «цинковую» (литейную) лихорадку.
Вопросы для самоподготовки
1. Какие вещества относятся к тяжелым металлам?
2. В чем опасность ТМ как экотоксикантов?
3. Перечислите металлы, относящиеся к 1, 2, 3 классам опасности.
4. Подтвердите опасность металлов 1 класса данными их основных биогеохимических свойств.
5. Назовите основные источники поступления ТМ.
6. При поступлении каких металлов в атмосферу основной вклад вносит антропогенный фактор?
7. Охарактеризуйте наиболее опасные производства с точки зрения эмиссии ТМ.
8.Что такое экологическая патология?
9. Токсичность ТМ для животных
10. Действие ТМ на организм человека
10. Какие методы удаления и детоксикации ионов тяжелых металлов вам известны?