Тяжелые металлы и животные
1. Общая характеристика металлосодержащих и мышьяксодержащих соединений.
2. Основные соединения тяжелых металлов и мышьяка, вызывающие отравление животных.
Общая характеристика металлосодержащих и мышьяксодержащих соединений.
Соединения металлов и мышьяка широко применяются в сельском хозяйстве в качестве удобрений, ядохимикатов, гербицидов, зооцидов и др. Многие из них ядовиты и могут стать причиной массовых отравлений животных.
В организм животных соединения металлов и мышьяка могут поступать перорально, ингаляционно, (вдыхание паров и пыли), а также через кожу и слизистые оболочки.
При пероральном отравлении всасывание этих соединений происходит в ионизированном виде в области двенадцатиперстной кишки и начального отдела тощей кишки.
В крови металлы циркулируют в виде ионов в комплексе с аминокислотами, образуют с белками крови прочную связь, поэтому в течение нескольких месяцев металлы распределяются и депонируются во всех органах. Особенно в больших количествах металлы и мышьяк накапливаются в почечной и печеночной тканях, т.к. в них повышено содержание белка металлобионина, богатого тиоловыми группами.
Выделение металлов и мышьяка происходит через почки, печень (с желчью), потовыми и слюнными железами, что сопровождается поражением этих органов и тканей.
Существует закономерная связь между токсичностью металла и его физико-химическими свойствами.
Чем выше атомный вес металла, тем токсичнее его препараты.
Чем прочнее связь с белками, тем выше токсичность (длительная циркуляция и депонирование).
Органические соединения металлов более токсичны, чем неорганические (это связано с различной степенью растворимости в воде)
С уменьшением валентности металла увеличивается его токсичность (пятивалентный мышьяк малотоксичен, трехвалентный – сильный яд).
С увеличением степени диссоциации соли металла возрастает токсичность.
По особенностям взаимодействия металлов с белками тканей и по степени токсичности их располагают в следующем порядке (ряд Шмидеберга):
Al, Pb, Fe, Cu, Zn, Ag, Hg.
Металлы, стоящие в левой половине этого ряда образуют с белками плотные альбуминаты, проявляют вяжущее действие, токсичны лишь в высоких концентрациях.
Металлы, стоящие в правой половине ряда образуют с белками рыхлые альбуминаты, проявляют раздражающее и некротизирующее действия, высокотоксичны даже в малых концентрациях.
Основные соединения тяжелых металлов и мышьяка, вызывающие отравление животных.
Соединения свинца.
К соединениям свинца относят: свинца ацетат; свинца карбонат; свинцовый сурик, тетраэтиленсвинец. Все соединения свинца применяются в промышленности. Наиболее опасен тетраэтиленсвинец (ТЭС) – жидкость с запахом спирта, которая применяется, как антидетонатор горючих жидкостей для двигателей внутреннего сгорания.
Токсикодинамика
Свинец может поступать в организм животных через органы дыхания и желудочно-кишечный тракт. Наиболее токсичны соединения свинца, растворимые в воде и разбавленных кислотах. Некоторые нерастворимые в воде соединения свинца под влиянием кислоты желудочного сока переходят в растворимое состояние и токсичность их при этом усиливается.
Особенно хорошо проникают через кожу жирорастворимые органические соединения свинца. При попадании на кожу растворимые соединения свинца оказывают прижигающее действие, вследствие чего их ранее применяли как вяжущие средства.
Наибольшую опасность представляют пары и мелкая пыль свинца в воздухе, так как через легкие они всасываются значительно быстрее, чем через рот. Проникновение свинца через легкие зависит в значительной степени от размеров частиц аэрозоля и концентрации в воздухе.
Свинец понижает резистентность эритроцитов, увеличивает проницаемость клеточных оболочек, что ведет к потере калия, гемолизу эритроцитов.
Основная масса свинца (80%) выводится из организма с мочой, некоторая часть с потом, молоком, волосом. Свинец может проникать через плаценту в кровь.
Попавший в кровь свинец связывается эритроцитами (96-98%) и только 2-4% с плазматическими белками.
Свинец выделяется, главным образом, через почки (80%) и кишечник (20%). Наибольшее количество его обнаруживается в костях, печени и почках (особенно в корковом слое).
Наиболее чувствителен к интоксикации свинцом крупный рогатый скот, у лошадей введение этого препарата вызывает лишь тяжелое отравление. Большая чувствительность жвачных к препаратам свинца объясняется специфическим характером пищеварения, в связи с наличием у них многокамерного желудка. Овцы несколько более устойчивы к отравлению свинцом, чем крупный рогатый скот. Смертельная доза свинца ацетата для них 50 г. Весьма чувствительны к отравлению свинцом собаки и особенно птица.
Клинические признаки
Различают 4 группы свинцовых отравлений.
1. Носительство свинца - наличие свинца в моче, свинцовая кайма на зубах.
2. Легкое свинцовое отравление - ретикулоцитоз. Повышение количества базофильно-зернистых эритроцитов, явления астеновегетативного синдрома, умеренный гепатит.
3. Свинцовое отравление средней тяжести - малокровие (понижение количества гемоглобина, ретикулоцитоз, увеличение количества базофильно-зернистых эритроцитов, слабо выраженная свинцовая колика, токсический гепатит, астеновегетативный синдром, полиневрит
4. Тяжелое свинцовое отравление -малокровие, снижение уровня гемоглобина на 50%, ретикулоцитоз, увеличение количества базофильно-зернистых эритроцитов, выраженная свинцовая колика, параличи, энцефалопатия.
Наиболее часто отравления свинцом встречаются у крупного рогатого скота. Отравления у него могут протекать в различных формах: сверхострой, острой и хронической.
Сверхострое течение интоксикации характеризуется внезапным появлением клонических судорог, стремлением к движению вперед, назад или по кругу. Животные мычат и падают на землю. Через 15-20 минут у животных наблюдается агония и они вскоре погибают.
Острое отравление проявляется вначале угнетением, отказом от корма. У животных наблюдается слюнотечение, атония преджелудков, иногда тимпания. У коров резко снижается удой. У большинства животных отмечается понос, который нередко сменяется запором, угнетение вскоре сменяется возбуждением, появляется подергивание отдельных групп мышц, животные совершают манежные движения. В дальнейшем нервные явления продолжают усиливаться. Обнаруживается нарушение зрения. Животные стремятся двигаться в разные стороны, ревут, появляется состояние буйства. Иногда наблюдаются судороги тетанического типа. Приступы судорог перемежаются периодами относительного угнетения. Животные упираются головой в стену, падают на землю, запрокидывают голову и в боковом положении совершают плавательные движения конечностями. Температура тела в пределах нормы. Судорожные приступы постепенно прекращаются. Животные становятся сонливыми. Возможно развитие параличей, особенно тазовых конечностей. При клиническом обследовании обнаруживают твердый, нитевидный пульс. Дыхание затрудненное, поверхностное. В острых случаях смерть может наступить через 1 или 3 суток после поступления свинцовых препаратов в желудок. В некоторых случаях болезнь приобретает затяжной характер и продолжается 8 суток.
При хронической интоксикации симптомокомплекс определяется количеством яда и длительностью его поступления в организм. Клинические симптомы отравления могут проявляться спустя много месяцев после начала поступления яда в организм. Наиболее характерна общая слабость и прогрессирующее исхудание животных. Аппетит, как правило, сохранен, резко уменьшается молочная продуктивность. При клиническом обследовании обращают на себя внимание сине-черная кайма на краях десен. Со стороны желудочно-кишечного тракта отмечаются запоры и тимпании. Запоры в некоторых случаях сменяются поносом. Смерти предшествует коматозное состояние и параличи
Патоморфологические изменения.
У животных, павших в результате острого отравления свинцом, обнаруживают явления сильного гастроэнтерита. Кормовые массы в преджелудках уплотнены. Под плеврой, капсулой печени, почек и селезенки, а также эпикардом обнаруживаются кровоизлияния различной формы. При затяжной форме отравления в печени и почках обнаруживаются изменения дистрофического характера, сердечная мышца дряблая, имеет цвет вареного мяса. В головном мозге резко выражена инъекция кровеносных сосудов.
При хронической интоксикации наиболее выраженные изменения встречаются в желудочно-кишечном тракте. Слизистая желудка и кишечника обычно утолщенная, окраска ее изменена и может быть серого или даже черного цвета. Характерно наличие язв и некротизированных участков. Отмечается малокровие всех органов брюшной полости. Печень желтушная, воспалительные процессы в почках приводят к ее сморщиванию. Сердечная мышца имеет множественные кровоизлияния. В легких выражены застойные явления.
При сверхостром течении интоксикации лечение обычно эффекта не дает. При других формах острого отравления лечение должно быть направлено прежде всего на удаление яда из желудочно-кишечного тракта и перевод растворимых солей свинца (в частности образующегося в желудке хлорида свинца) в трудно растворимые. Для этого промывают желудок с помощью зонда раствором натрия сульфата. Для защиты слизистой от местного воздействия препарата вводят слизистые отвары: молоко, раствор белка (яичного).
Хороший эффект дает введение унитиола в дозах 10-15 мг/кг, собакам - 20 мг/кг.
При хроническом отравлении назначают препараты, которые способствуют быстрому выведению свинца из организма. Для этого, в частности, дают животным калия йодид. Рекомендуют также давать животным через рот лечебные дозы кальция фосфата.
Проект по химии «Токсическое действие тяжелых металлов"
Как известно, для жизни человека необходимы различные элементы. В нашем организме их очень много. Они называются биогенные элементы. Но есть элементы, не имеющие никакой ценности для организма. Они являются ядовитыми в любых количествах. Это тяжелые или токсичные металлы. К тяжелым металлам (ТМ) относится относительно большая группа химических элементов с плотностью выше 5 г/см3 и относительной атомной массой более 50 атомных единиц. Эту группу составляют медь, цинк, марганец, железо, никель и другие металлы, в небольших количествах необходимые как животным, так и растениям.
Существует более 50 элементов, которые могут быть отнесены к тяжелым металлам, 17 из них считаются очень токсичными, но довольно широко распространенными. Токсичная концентрация зависит от металла, его биологической роли и вида организма, который подвергается его воздействию. Анализируя химический состав человеческого организма, ученые пришли к выводу, что тяжелые металлы оказывают влияние не только на физиологическое, но и на психическое состояние человека. Например, известно, что при стрессе в крови возрастает содержание цинка, а вероятность инфаркта можно определить по повышенному содержанию никеля и марганца. Методом масс-спектроскопии было обнаружено, что у агрессивных людей в волосах обнаруживается повышенное содержание свинца, железа, кадмия, меди и пониженное - цинка, кобальта. Металлы даже в очень малых количествах жизненно важны для организма человека, и падение концентрации ниже допустимого уровня ведет к тяжелым расстройствам. Это объясняется тем, что многие металлы выполняют главным образом функции катализаторов.
Актуальность темы исследования: состоит в том, что что многие металлы являются биогенными элементами, поэтому необходимо изучить потребность в них организма человека и способы возмещения потерь, поскольку их недостаток приводит к нарушению жизнедеятельности организма и приводит к различным заболеваниям.
Гипотеза: если металлы содержатся в организме человека, то они способны влиять на физическое здоровье человека.
Цель исследования: изучение специфических свойств тяжелых металлов, их биологической роли, степени токсичности и воздействия на здоровье человека.
Задачи исследования:
1. Изучить литературу по проблеме исследования;
2.Выявить влияние количественного содержания металлов на функционирование органов человека;
3. Узнать, в каких продуктах питания содержатся те или иные металлы.
4. Выработать перечень полезных советов, которые помогут снизить воздействие тяжелых металлов на организм человека.
2.1.Характеристика тяжелых металлов.
На сегодня не существует единого мнения относительно количества токсичных металлов, поскольку нет общих критериев, относящих металлы к тяжёлым. Тем не менее, список тяжёлых металлов может быть сформирован в зависимости от различных свойств металлов и их признаков. К ним относят:
Атомный вес. Исходя из этого критерия, к названным принадлежат более 40 элементов с атомной массой, превышающей 50 а.е.м (г/моль).
Плотность. Исходя из этого критерия, тяжёлыми считаются те металлы, у которых плотность равна или превосходит плотность железа.
Биологическая токсичность объединяет тяжёлые металлы, негативно влияющие на жизнедеятельность человека и живых организмов. В их списке порядка 20 элементов.
Большинство названных веществ оказывают негативное воздействие на все живые организмы. Ввиду значительной атомной массы, они плохо транспортируются и накапливаются в тканях человека, вызывая различные заболевания. Так, для человеческого организма кадмий, ртуть и свинец признаны как самые опасные и самые тяжёлые металлы.
Список токсичных элементов группируется по степени опасности по так называемым правилам Мертца, согласно которым наиболее токсичные металлы имеют наименьший диапазон экспозиции:
Кадмий, ртуть, таллий, свинец, мышьяк (группа самых опасных металлических ядов, превышение допустимых норм которых способно привести к серьёзным психофизиологическим нарушениям и даже к летальному исходу).
Это, однако не означает, что ни один из элементов, сгруппированных выше, по правилам Мертца, не должен присутствовать в человеческом организме. Напротив, список тяжёлых металлов насчитывает в нем эти и ещё более 20 элементов, небольшая концентрация которых не только не опасна дляжизнедеятельности человека, но и необходима в метаболических процессах, особенно железо, медь, кобальт, молибден и даже цинк.
2.2.1. Металлы в организме человека
В организме человека обнаружено 86 элементов периодической системы Менделеева, которые постоянно присутствуют, из них 25 необходимы для нормальной жизнедеятельности, 18 из которых абсолютно, а 7 полезны. Профессор Василий Робертович Вильямс назвал их элементами жизни. В состав веществ, участвующих в реакциях, связанных с жизнью клетки, входят все известные химические элементы, но большинство из них это кислород (65 - 75%), углерод (15 - 18%), водород (8 - 10%) и азот (1,5 - 3,0%). Остальные элементы делятся на 2 группы: макроэлементы (около 1,9%) и микроэлементы (около 0,1%). Макроэлементы - это сера, фосфор, хлор, калии, натрий, магний, кальций и железо, к микроэлементам - цинк, медь, йод, фтор, марганец, селен, кобальт, стронций, никель, хром, ванадий и др. Микроэлементы хоть и малочисленные, но играют важную роль - влияют на обмен веществ. Без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки в отдельности и организма как целого.
2.2.2. Биологическая роль некоторых металлов в организме человека.
Золото. В средневековье алхимики считали золото совершенством, а остальные металлы – ошибкой в акте творения и, как известно, прикладывали большие усилия для ликвидации этой ошибки. Идею введения золота в медицинскую практику приписывают Парацельсу, который провозгласил, что целью химии должно быть не превращение металлов в золото, а приготовление лекарств. Лекарственные препараты из золота и его соединений пытались применять при многих заболеваниях. Им лечили волчанку, туберкулез. У людей, чувствительных к золоту, оно может вызвать нарушение состава крови, реакцию со стороны почек, печени, влиять на настроение, рост зубов, волос.
Алюминий. Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, так как этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается.
Цинк. Оптимальная интенсивность поступления цинка в организм 15 мг/сут, суточная потребность составляет 50 мг. Дефицит цинка может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента в организм (1 мг/сут и менее), а порог токсичности составляет 600 мг/сут. В организм человека 99 % цинка попадает с пищей. Особенно много цинка содержится в говядине, печёнке, устрицах (400 мг в 100 г продукта), пшеничных зародышах.
В медицине цинкосодержащий препарат сульфат цинка используется при дефиците цинка, для лечения болезней кожи, волос, ногтей, цирроза печени и при заживлении ран. Препарат несовместим с карбонатами, сульфитами –осаждение нерастворимых солей цинка; с восстановленным магнием выпадает осадок цинка.
Медь . Среднее содержание меди в человеческом организме 150 мг на 70кг. В организм медь поступает в основном с пищей. Много меди содержится в морских продуктах, бобовых, капусте, картофеле, крапиве. Суточная потребность организма в меди – 2 мг. При ожогах кожи фосфором её обильно смачивают 5 %-ным раствором сульфата меди (II).
Марганец. Соединения марганца в основном поступают в организм с пищей. Много марганца содержится в ржаном хлебе, пшеничных и рисовых отрубях, сое, горохе, свёкле (содержание марганца в 100 г свёклы составляет 0,65 мг). Оптимальная интенсивность поступления марганца в организм 5-9 мг/сут; уровень, приводящий к дефициту, и порог токсичности оцениваются в 1 и 40 мг/сут соответственно. В медицинской практике для промывания ран применяют раствор перманганата калия.
Калий содержащий препарат перманганат калия несовместим в жидких лекарственных формах с восстановителями – происходит взаимное разложение; с бромидами, иодидами, хлоридами – выделяются галогены; с солями двухвалентного железа – образуется трёхвалентное железо; с соляной кислотой и её солями образует свободный хлор, с аммиаком – нитраты.
Железо. В организме содержится 3г железа, из них 2 г в крови. Железо входит в состав гемоглобина. Недостаточное содержание железа приводит к головной боли, быстрой утомляемости. Академик Ферсман говорил, что железо – не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы. Оно основа культуры и промышленности. Оно орудие войны и мирного труда, и во всей таблице Менделеева невозможно найти другой такой элемент, который был бы так связан с прошлыми, настоящими и будущими судьбами человечества.
2.3. Влияние концентрации металла на состояние здоровья человека
Нарастающее производство металлов имеет далеко идущие последствия.
Человечество затрачивает колоссальные усилия и энергию на то, чтобы выделить и сконцентрировать металлы, но при этом вступает в противоречие с направленностью геохимических процессов и законной химии. Однако в процессе хозяйственного использования металла восстанавливается равновесие, нарушенное человеком.
Помимо этого, огромное количество железа истирается, распыляется во время работы различных машин. Люди борются с этим, возвращая часть испорченного металла на переплавку, но при этом также происходят невосстанавливаемые потери.
В результате сжигания больших масс каменного угля микропримеси металлов поступают с дымом в атмосферу и разносятся по всей поверхности земного шара. Если рассеяние металлов, производящиеся горно-металлургической промышленностью, протекает с умеренной скоростью, то распыление металлов через атмосферу посредством сотен тысяч дымовых труб происходит очень быстро. Каждый год сотни тысяч тонн металлов рассеиваются в атмосфере.
При сжигании угля распространённые металлы в значительно меньшем количестве, чем они добываются из недр.
Токсическими свойствами обладают практически все тяжелые металлы, когда их содержание превышает верхний порог концентрации. Ниже представлена таблица, в которой отражены биологическая роль металлов и их токсическое действие.
2.4. Содержание тяжелых металлов в продуктах питания
Обычно рассматриваются 8 основных токсичных химических элементов в пище: ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, цинк, медь, олово и железо. Первые три наиболее опасны. Токсические элементы могут попасть в опасных для человека концентрациях в пищевые продукты из сырья и в процессе технологической обработки только при нарушении соответствующих технологических инструкций. Так, в растительном сырье они могут появиться при нарушении правил применения ядохимикатов, содержащих в своем составе такие токсические элементы, как ртуть, свинец, мышьяк и др. Повышенное количество токсических элементов может появиться в зоне вблизи промышленных предприятий, загрязняющих воздух и воду недостаточно очищенными отходами производства.
В таблице приведено содержание предельно допустимых концентраций тяжелых металлов.
В концентрированных растительных и животных продуктах (сушеных, сублимированных и т. д.) предельно допустимая концентрация тяжелых металлов определяется, как правило, при пересчете на исходный продукт.
В домашнем питании тоже необходим контроль, который заключается в предупреждении загрязнения консервированных продуктов свинцом. Рекомендуется вскрытые консервы из сборных жестяных банок, даже для кратковременного хранения помешать в стеклянную или фарфоровую посуду, так как под влиянием кислорода воздуха коррозия банок резко увеличивается и буквально через несколько дней содержание свинца (и олова) в продукте многократно возрастает. Нельзя также хранить маринованные, соленые и кислые овощи и фрукты в оцинкованной посуде во избежание загрязнения продуктов цинком и кадмием (цинковый слой также содержит некоторое количество кадмия).
Для приготовления и хранения продуктов следует использовать только посуду, специально предназначенную для пищевых целей. То же самое относится к красивым пластмассовым пакетам и пластмассовой посуде.
В них можно хранить и то непродолжительное время только сухие продукты.
Например, свинец, представляет собой яд высокой токсичности. Его естественное содержание в большинстве растительных и животных продуктов обычно не превышает 1,0 мг/кг. Но большое количество свинца может содержаться в хищных рыбах (в тунце, например, до 2,0 мг/кг), моллюсках и ракообразных (до 10 мг/кг). Повышенное содержание свинца наблюдается в консервах, находящихся в так называемой сборной жестяной таре.
При сгорании этилированного бензина образуется тетраэтилсвинец, который легко попадает в почву и вызывает загрязнение выращенных на ней пищевых продуктов. Именно по этой причине в растениях, выращенных вдоль автострад, содержится повышенное количество свинца.
Обезопасить себя от свинца можно отказавшись от употребления (или употребляя в пищу редко) хищных рыб, моллюсков и ракообразных, использования консервов в жестяной таре и покупки продуктов, выращенных вдоль автодорог.
Повышенные концентрации кадмия наблюдаются в таких продуктах, как какао-порошок (до 0,5 мг/кг), почки животных (до 1,0 мг/кг) и рыба (до 0,2 мг/кг). Содержание свинца, как и кадмия, увеличивается в консервах из сборной жестяной тары. Очень большое количество кадмия могут содержать грибы из экологически грязных районов: 0,1–5,0 мг/кг.
Ртуть представляет собой весьма токсичный яд кумулятивного (накопительного) действия. Из-за этой особенности в молодых животных его содержание меньше, чем в старых, а в хищниках его содержится большее количество, нежели в их жертвах. В особенной степени этим отличаются хищные рыбы. Например, в организме тунца ртути может накапливаться до 0,7 мг/кг и более. Другими активными природными «накопителями» ртути из животных продуктов являются почки животных. Содержание ртути в них может достигать 0,2 мг/кг.
2.5. Курение как фактор экологической опасности.
Известно, что 90% онкологических заболеваний связано с курением: вместе с дымом в организм попадает формальдегит, бензол и другие высокотоксичные вещества – канцерогены. Основными компонентами табачного дыма из твердой фазы одной сигареты являются: никотин (1800мкг), свинец (0,24мкг), алюминий (0,22мкг), кадмий (0,12мкг), никель (0,08мкг), железо (0,042мкг), ртуть (0,0014мкг) и другие.
За последние десятилетия ученые выяснили, что у людей не курящих стали обнаруживаться болезни, присущие курильщикам. Причина? Некурящие люди длительное время находились в помещении с курильщиками. При курении в организм человека проникает 20-25% ядовитых веществ, а 50% вместе с выдыхаемым дымом поступает в воздух. А им дышат окружающие. Получается, что не курящие «курят». Появился даже специальный термин «пассивное курение».
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;
Выбросы в воздух с дымом и со сточными водами.
Тиоловый яд - широкий спектр действия:
- нарушение обмена веществ;
- повышение проницаемости стенок сосудов разрушение эритроцитов (гемолиз);
- разрушение тканей в месте их прямого контакта с мышьяком;
- эмбриотоксический и тератогенный эффект.
В легких случаях – общее недомогание, головная боль, тошнота; затем – боли в правом подреберье и пояснице, тошнота, рвота.
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.
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.
2.1. Антропогенные источники поступления:
- получение ртути и ртутьсодержащих веществ;
- сжигание органического топлива;
- производство хлора и соды;
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.
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.
4.1. 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.
5.1. Антропогенные источники поступления.
- предприятия цветной металлургии;
- сжигание угля и нефти.
5.2. Токсическое действие.
5.3. Острое отравление.
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.
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?
© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.02)
Природные и антропогенные источники тяжелых металлов
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).
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
Читайте также: