К тяжелым металлам относят элементы пятой и шестой групп Периодической системы элементов. Они имеют плотность более 6-8 г/см3, что объясняет их название. В эту же группу включают мышьяк, который металлом не является. Наиболее опасны легкорастворимые формы, способные накапливаться в биоте. Тяжелые металлы проявляют широкий спектр интоксикации. Следует отметить, что существуют механизмы нейтрализации интоксикации. Так, печень и почки человека синтезируют низкомолекулярные белки, которые связывают металлы в прочные комплексные соединения.
Ниже рассмотрены элементы: Hg, Pb, Cd, Cr и Fe. Их выбор определяется следующим:
· первые три элемента относятся к 1 классу опасности, причем, если ртуть и свинец давно используются людьми, то опасность кадмия проявилась сравнительно недавно;
· пример хрома показывает, что определенные химические соединения обычно безопасного элемента могут вызывать тяжелые заболевания;
· железо, с которым мы сталкиваемся ежедневно, является примером того, что развитие организма может лимитировать как недостаток, так и избыток необходимого элемента.
Ртуть Hg .Ее отличается от других металлов тем, что при комнатной температуре находиться в жидком состоянии, обладает очень слабым сродством к кислороду и не образует гидрооксидов. Относится к элементам, постоянно присутствующим в окружающей среде и живых организмах. Природное поступление ртути в биосферу обусловлено вулканической деятельностью и биотой. Общая (природная и антропогенная) эмиссия ртути в атмосферу составляет свыше 5-6 тыс. т./год, причем менее половины поступает из естественных источников.
Безопасная доза общей ртути – 5 мкг на 1 кг веса в неделю. Допустимая концентрация металлической ртути в воздухе – 0,1 мкг/л. Крайне опасна метилртуть. Она хорошо растворима в жирах и поэтому быстрее проходит через биологические мембраны, чем другие соединения ртути. Например, она легко проникает через плаценту и воздействует на эмбрион и плод. Возможны разные пути поступление ртути в организм.
Характерен пример с "болезнью Минамато". Первые случаи заболевания были отмечены среди рыбаков Японии на берегах бухты Минамато в 1956 г. Они выражались в нарушениях зрения, слуха, осязания, неврологических расстройствах. У новорожденных регистрировали врожденные пороки. Только в 1969 г. было доказано, что причина заболевания – метилртуть, которая со стоками фабрики по производству азотных удобрений поступала в залив, концентрировалась в бентосе и попадала в пищу. Всего было зарегистрировано 292 случая болезни и из них 62 смертельных.
Иногда источником опасности становится зерно. В середине ХХ века в Скандинавии (как и других странах) перед посевом семена протравливали соединениями ртути. Спустя несколько лет была отмечена массовая гибель зерноядных птиц (голубей, куропаток и др.), а затем и хищных. О серьезности проблемы свидетельствует и другой случай. В Ираке подготовленные к посеву семена (протравленная метилртутью пшеница) были использованы в пищу. В результате 6530 человек отравились, а 495 человек погибло.
Один из распространенных источников ртути – люминесцентные лампы. Одна лампа содержит около 150 мг ртути и способна загрязнить 500 тыс. м2 воздуха на уровне ПДК.
Свинец.Это один из распространенных и давно используемых элементов, поэтому действие его на человека изучено подробно. Антропогенные источники эмиссии: транспорт (до 260 тыс. т/год); высокотемпературные технологические процессы (около 35 тыс. т/год) и металлургия (около 90 тыс. т/год). В сумме они многократно превышают природную эмиссию, а потому в костях современного человека может содержаться в 700–1200 раз больше свинца, чем в скелетах людей, живших 1500 лет назад.
Несмотря на то, что все соединения свинца действуют сходно, их токсичность убывает в последовательности:
органические соединения > нитрат > хлорид > оксид > карбонат > ортофосфат.
К особо опасным органическими соединениями относится тетраэтилсвинец – РЬ(С2Н5)4. Ранее его в количестве 0,1% добавляли в бензин для повышения октанового числа. При сгорании свинец выбрасывается в атмосферу. Далее он попадает в почву и загрязняет продукты сельского хозяйства, выращенные вдоль автострад. Опасная зона простираться на расстояние от 10 до 500 м от дороги. Хронические отравления наблюдаются и при вдыхании воздуха, содержащего выхлопные газы. Нужно отметить, что после запрещения этилированного бензина, уровень загрязнения свинцом придорожных участков начал уменьшаться.
Воздействие свинца приводит к нарушению функций ряда ферментов. При хронических отравлениях отмечается общая слабость, боли в животе, нарушение работы почек. Отмечено снижение умственных способностей, агрессивное поведение и другие симптомы. Установлено, что хроническая интоксикация наступает при поступлении 1–8 мг свинца в сутки.
Опасность усугубляется аккумуляцией свинца некоторыми видами биоты (планктон, хвойные деревья, мхи и др.). Свинец может накапливаться в костях в виде нерастворимых фосфатов, не оказывая непосредственного действия, но при определенных условиях переходит в кровь и вызывает отравление. Мобилизации свинца способствует повышенная кислотность, недостаток кальция.
Выделение свинца из организма происходит через пищеварительный тракт и почки. Повышенное содержание свинца в моче (более 0,05 мг/л) – признак отравления.
Допустимый еженедельный прием свинца – 3 мг для взрослых людей. ПДК свинца в воздухе – 0,003 мг/мЗ.
Кадмийотносят к рассеянным элементам. Он, обычно, сопутствует цинку. Широко применяется в ядерной энергетике и гальванотехнике, при производстве пластмасс и сплавов. Основные источники поступления: горно-металлургические комбинаты, сжигание отходов, сточные воды, производство красителей и минеральные удобрения. Ионы кадмия обладают большой подвижностью, легко аккумулируются многими организмами, в особенности бактериями и моллюсками. Уровни биоконцентрации могут достигать нескольких тысяч. В организме кадмий блокирует работу ряда ферментов, способен замещать кальций, нарушая тем самым физиологические процессы. Обладает мутагенным эффектом. Наиболее чувствительны к кадмию водные организмы.
Для кадмия безопасная предельная доза установлена – 6,7–8,3 мкг/кг.
Эпидемиологические данные указывают на чрезвычайную опасность кадмия для человека. Дело в том, что от 50 до 75%, попавшего в организм кадмия удерживается и весьма медленно выводится (0,1% в сутки), а поэтому отравление часто принимает хроническую форму.
Демонстративен пример с болезнью "итай-итай", которая впервые отмечена в Японии. Болезнь характеризовалась сильными болями, деформацией скелета, переломами костей, повреждением почек. Далеко не сразу удалось установить причины болезни (к тому времени погибло более 150 человек). Хроническое отравление вызывал кадмий. Была прослежена цепочка, по которой он попадал в основной продукт питания – рис. Для орошения полей использовали воды реки Дзинцу, в которую поступали стоки цинкового рудника, а так как в рудах кадмий сопутствует цинку, его содержание в рисе было повышенно. Последствия отравления усугублялись аккумуляцией кадмий в организме жителей.
Хромраспространен повсеместно. Содержание в земной коре составляет 8,3·10-3%. Поступает в биосферу как из естественных источников (всасывание растениями из почвы, эрозия горных пород и почв), так и, главным образом, в результате антропогенной деятельности (сжигание угля, металлургия, производство огнеупорных кирпичей, хромовой кислоты и хроматов, синтез красителей и т.д.).
Опасность соединений хрома различна для 3х- и 6-валентных форм.
Доказана незаменимость 3х-валентного хрома. При его дефиците угнетается рост и нарушается обмен глюкозы, приводя к развитию диабета. Некоторые млекопитающие без видимых последствий переносят 200-кратное увеличение содержания 3-х валентного хрома в организме. Многие микроорганизмы и некоторые растения аккумулируют хром, но среди рыб встречаются особо чувствительные виды. Для лососевых опасны концентрации выше 0,02 мг/л.
Большинство соединений 6-валентного хрома обладают выраженной токсичностью. Их незначительные концентрации в воздухе раздражают верхние дыхательные пути, вызывая насморк, сухой кашель. При высоких дозах появляются кровотечения из носа и возможно разрушение носовой перегородки. Хронические отравления сопровождаются поражением почек, склонностью к язвенным изменениям желудочно-кишечного тракта и катаральному воспалению легких.
Железо.О его важности железа свидетельствует высокое содержание в организме человека – 4–5 г и высокая суточная потребность – 12–15 мг.
Недостаток железа приводит к железодефицитной анемии (низкий гемоглобин, малокровие). Она наблюдается у людей, использующих хлеб из муки высшего сорта, содержащей мало железа. Дело в том, что зерновые богаты фосфатами, которые образуют с железом трудно растворимые соединения. Поэтому из зерновых человек усваивает всего 5-10% железа, тогда как из мясных продуктов до 30% этого элемента. Другими словами, люди, страдающие железодефицитной анемией, должны питаться мясом.
Потребление более 200 мг железа в день может вызвать интоксикацию (гемохроматоз), особенно у детей. При этом нарушаются механизмы, ограничивающие всасывание железа, и оно накапливается во всех органах, что приводит развитию цирроза печени, сахарного диабета, сердечной недостаточности.
Железо окисляет пищевые продукты гораздо сильнее, чем медь, и его избыток портит внешний вид и вкус продуктов. Поэтому содержание железа нормируют на более низком уровне, чем это необходимо по токсикологическим свойствам.