<<
>>

2.1. Токсическое воздействие тяжелых металлов на человека и животных

Существует несколько механизмов попадания токсичных металлов в организм человека и животных: 1) ингаляционный; 2) пероральный; 3) через кожные покровы. Последний из механизмов не имеет существенного значения.

Наиболее серьезное токсическое действие токсичных металлов возникает при вдыхании пыли (ингаляционное воздействие), как правило, происходящем на промышленном предприятии. Особенно опасны частицы диаметром 0,1-1 мкм, которые эффективно адсорбируются легкими. Легкие поглощают ионы металлов, поступающие затем в жидкие среды организма, в десять раз эффективнее, чем желудочно-кишечный тракт. Но в то же время ингаляционное отравление встречается нечасто и основной способ проникновения токсичных металлов в организм – пероральный с продуктами питания и водой.

Механизмы токсического воздействия тяжелых металлов на организмы до конца не выяснены, однако в общих чертах носят следующий характер. Ионы металлов стабилизируют и активируют многие белки (ионы металлов требуются для функционирования 1/3 всех ферментов). При токсикозе происходит конкуренция между необходимыми и токсичными ионами за обладание местами связывания в белках. Многие белковые макромолекулы имеют свободные сульфгидрильные группы, способные вступать во взаимодействие с тяжелыми металлами (Cd, Hg, Pb и др.). Однако точно не установлено, реакции с какими именно белковыми макромолекулами наносят наиболее серьезный ущерб.

Токсичные ионы распределяются между многими тканями и не всегда наибольший урон соответствует наибольшей концентрации металла. Так, например, большая часть свинца (90%) находится в костях, однако его токсичность проявляется за счет оставшихся 10%, распределенных в иных тканях организма.


Таблица 5 Содержание тяжелых металлов в организме человека и их токсичность

Показатели Элемент
Hg Pb Cd Zn Cu Ni Cr As
Биологическая роль отсут-ствует отсут-ствует не изучена важен важен важен (?) важен важен (?)
Содержание :

- мышечная ткань, мг/кг

- костная ткань, мг/кг

- кровь, мг/л

0,02-0,7

0,45

0,0078

0,23-3,3

3,6-30

0,21

0,14-3,2

1,8

0,0052

240

75-170

7,0

10

10-260

1,01

1-2

0,7

0,01-0,05

240-840

0,1-33

0,006-0,11

0,01-0,65

0,08-1,6

0,0017-0,09

Ежедневный прием с пищей, мг 0,004-0,002 0,06-0,5 0,007-3 5-40 0,50-6 0,3-0,5 0,01-1,2 0,04-1,4
Токсическая доза, мг 0,4 1 3-330 150-600 >250 50* 200 5-50
Летальная доза, г 0,15-0,3 10 1,5-9 6 д.о** д.о. >3 0,05-0,34
Содержание в организме среднего человека (масса тела 70 кг), мг д.о 120 50 2300 72 1 д.о 18

* - установлена для крыс

** - данные отсутствуют

Отрицательный эффект взаимодействия тяжелых металлов с биологически активными макромолекулами связан со следующими процессами:

- вытеснением необходимых металлов из их активных мест связывания токсичным металлом;

- связыванием части макромолекулы, необходимой для нормальной жизнедеятельности организма;

- сшиванием макромолекул с образованием биологических агрегатов, вредных для организма;

- деполимеризацией биологически важных макромолекул;

- неправильным спариванием оснований нуклеотидов и ошибками в процессах белкового синтеза (Eichhorn G.L., 1974: цит.

по Эйхенбергер Э., 1993).

Результатом токсического воздействия тяжелых металлов на организм является нарушение функционирования ряда его жизненно важных систем и инициирование нежелательных процессов (Hodgson E., 1997).

Ферменты и ферментные системы

Ингибирование работы ферментов происходит по двум механизмам: при взаимодействии металла с сульфгидрильными группами (SH) белковых молекул и в результате замещения в составе фермента необходимого металла. Например, свинец способен к замещению цинка в составе дегидратазы d-аминолевулиновой кислоты, ингибируя таким образом синтез гема, важного компонента гемоглобина и гем-содержащих ферментов.

Клеточные органеллы

Токсичные металлы могут воздействовать на структуру и функции многих клеточных органелл. Например, функции эндоплазматического ретикулума могут быть нарушены в результате ингибирования его ферментных систем. Металлы могут ингибировать работу дыхательных ферментов в митохондриях.

Канцерогенез

Некоторые металлы способны инициировать развитие раковых опухолей у человека и животных. Так, например, мышьяк, некоторые соединения хрома и никель являются канцерогенами. Возможно, канцерогенное воздействие оказывают также бериллий, кадмий и некоторые другие металлы. Возможно, это результат взаимодействия указанных металлов с ДНК.

Почки

Поскольку почки являются органом, отвечающим за экскрецию, это обычная мишень для металлов, выводимых из организма. Кадмий и ртуть являются основными нефротоксикантами (нефротоксикоз – токсическое воздействие на почки). Механизм их воздействия на организм будет рассматриваться далее.

Нервная система

Нервная система – также обычная мишень для токсичных металлов, особенно для органо-минеральных соединений. Так, например, метилртуть благодаря своей липофильность легко проникает из крови в нервные ткани. В то же время неорганическая ртуть луччше растворяется в воде и ее главной мишенью являются почки. То же относится и к свинцу. Его органо-минеральные соединения (например, тетраэтилсвинец) являются нейротоксикантами, в то время как неорганический свинец в первую очередь оказывает воздействие на ферменты.

Дыхательная система

Органы дыхания являются мишенью для тяжелых металлов при вдыхании их паров. Острое воздействие может вызвать раздражение и воспаление дыхательного тракта, в то время как хроническое воздействие может вызвать образование раковой опухоли.

Эндокринная и репродуктивная системы

Тяжелые металлы могут вызвать дисфункцию мужских и женских репродуктивных органов посредством воздействия на нейроэндокринную и гормональную системы. Кроме того, некоторые металлы оказывают и прямое воздействие. Так, кадмий и свинец, аккумулируясь в мужских половых органах, вызывают их дегенерацию и ингибируют сперматогенез.

Часто при исследованиях токсичности металлов принимают во внимание лишь возможный летальный эффект (острая токсичность), однако сублетальное (хроническое) воздействие может быть более важным как на уровне индивидуальных организмов, так и на уровне сообществ.

Выделяют следующие эффекты сублетального воздействия:

- морфологические изменения;

- изменение скорости роста организмов, их полового развития и размножения;

- поведенческие изменения, то есть понижение способности спасаться от хищников или эффективно конкурировать с другими организмами;

- генетические модификации (Эйхенбергер Э, 1993).

Изучение механизмов защиты от повышенных концентраций тяжелых металлов находится в основном на ранней стадии. Тем не менее, мы можем выделить некоторые из них.

Устойчивость по отношению к токсикантам может быть достигнута с помощью следующих механизмов:

- уменьшение поступления токсикантов в организм;

- перевод токсикантов в неактивную форму путем их изоляции или осаждения;

- увеличение выделения токсикантов.

Разберем подробнее действие указанных механизмов.

Ограничение поступления токсикантов в организм

Токсиканты могут проникать в организм непосредственно через его поверхность, через органы дыхания и пищеварения. Ограничение поступления токсикантов в организм может быть обусловлено механическими, химическими или физико-химическими причинами.

Механическое ограничение в виде плотных кожных, волосяных, слизистых покровов может действовать в отношении первого из этих путей. Химическое и физико-химическое взаимодействие покровных тканей с металлами может способствовать их сорбции, переводу в малоактивное состояние и последующему отшелушиванию. Очевидно, что организмы с более развитыми покровными тканями более устойчивы к неблагоприятным воздействиям.

Перевод токсикантов в неактивную форму.

Многие организмы, существующие в условиях избытка неблагоприятно действующего элемента или соединения, выработали механизмы по нейтрализации элементов, преодолевших поверхностный барьер. Металлы переходят в менее вредные формы следующими путями: транспорт металла кровью в другие ткани, где он может быть иммобилизован (например, свинец в костях); превращение печенью и почками в менее токсичную или более свободную форму.

При малых дозах воздействия почки и печень увеличивают синтез металлоорганических соединений, содержащих серу. Тиольные SH-группы меркаптанов (буквальный перевод - “улавливающие ртуть”), имеют кислотные свойства и образуют с ионами тяжелых металлов соли (меркаптиды). Наиболее предпочтительными реакционными партнерами меркаптанов являются Cd, Hg, Pb, и Zn. Такие металлоорганические соединения, содержащие серу, называют металлотионинами (встречается также название “стрессовые белки”). При этом интересен тот факт, что синтез организмом меркаптанов увеличивается при стрессовом воздействии металлов и напоминает действие иммунных систем в отношении патогенных микроорганизмов, а введение в организм небольших количеств цинка перед возможным воздействием кадмия или ртути, как при вакцинации, увеличивает количество меркаптанов для связывания и этих элементов.

В то же время при сильных воздействиях тионины металлов накапливаются в избыточных количествах и могут приводить к функциональным расстройствам. Так, у курильщиков из-за этого в два раза по сравнению с некурящими увеличивается концентрация кадмия в почках в виде тионинов кадмия (в сигаретном дыме имеется, помимо всего прочего, повышенное содержание кадмия).

У ряда организмов возможна иммобилизация металлов путем их сорбции в виде комплексов в межклеточном пространстве, а также внутри клеток в цитоплазме (образование комплексов) и в лизосомах.

Большая часть металлов связывается в виде нерастворимых солей в костных образованиях (несъедобных частях тела, в результате чего не происходит их биоаккумуляции).

Выделение (экскреция) токсикантов

Большая часть металлов попадает в организм через органы пищеварения. При этом через стенку кишечника может проникнуть очень небольшое количество элемента, как правило, не более 5-7%. Остальная часть токсичных элементов выводится из организма с фекальными массами. Однако это справедливо лишь для катионов металлов. Если элемент содержится в виде аниона (Cr (IV), As (V) и (III)) или в виде органо-минерального соединения (метилртуть), кишечный барьер преодолевается относительно легко.

Рассмотрим воздействие металлов на организм более подробно.

РТУТЬ

Ртуть известна человеку приблизительно с 1500 г. до н.э. и ее основной минерал – киноварь ( HgS ) использовался при изготовлении красителей.

Ртуть – один из немногих элементов, которые при комнатной температуре находятся в жидком состоянии. Хотя ее точка кипения 3570С, она очень летуча, что делает этот элемент более опасным. В одном кубометре насыщенного при 250С пара содержится 20 мг ртути. Элемент практически нерастворим в воде: не более 56 мкг/л.

Ртуть находится в природе в виде паров металла Hg0 , одно- и двухвалентных солей, моно- и диметилпроизводных СН3Hg+ и (СН3)2Hg. Процесс метилирования ртути протекает под действием микроорганизмов в почве и воде. Данный процесс увеличивает кумулятивную способность ртути, что вызывает сильное ее накопление в пищевых цепях и, в частности, в рыбной продукции, потребляемой человеком.

Ртутное отравление, профессиональное и бытовое, давно известно человечеству. Профессиональный контакт осуществляется, прежде всего, при ингаляции ртутных паров в процессе получения хлора электрогидролизом и гидроксида натрия, а также при производстве ртутьсодержащих изделий, например термометров. У населения главной причиной отравления является метилртуть.

Одним из примеров массового отравления людей ртутью (точнее, ее наиболее токсичной производной – метилртутью) стала так называемая «минаматская катастрофа» в Японии (1956 г.). На одной из химических фабрик, находящейся на берегу р.Минамата, впадающей в Токийский залив, применялась ртуть в качестве катализатора при производстве поливинилхлорида. Известно, что японское послевоенное «экономическое чудо» было достигнуто при практически полном отказе от какой либо очистки промышленных стоков, поэтому ртуть, содержащаяся в отходах, попадала в залив и сорбировалась органическими взвесями. Далее ртуть по пищевой цепочке детрит-микроорганизмы-зоопланктон-рыба накапливалась в ее высших звеньях и достигала концентрации 5-20 мг/кг. При таких условиях рыба теряла способность нормально плавать и становилась легкой добычей рыбаков, которым для поимки рыбы было достаточно сачка. Лишь после смерти нескольких человек было установлено, что ее причиной было ртутное отравление, а упомянутая фабрика была его причиной. Руководство фабрики категорически отрицало свою вину. В ответ на это рыбаки подожгли фабрику. После этого было инициировано судебное разбирательство, в результате которого фабрика была закрыта, фирма была вынуждена выплачивать пострадавшим компенсацию. Кроме того, бухта у г.Минамата была осушена и ил, все еще содержащий ртуть, был извлечен со дна.

Еще один случай массового отравления людей ртутью имел место в 1971-72 гг. в Ираке и был связан с ртутьсодержащими пестицидами, используемыми для протравливания семенного зерна.

В 1971 году правительство Ирака закупило в США партию семенного зерна для распределения его среди населения. Оно имело более высокое качество, чем местное и у неграмотного сельского населения часто возникало искушение использовать его в пищу. Разумеется, правительство сообщало, что зерно протравлено, однако в результате известного недоверия людей к властям на эти сообщения не обращали должного внимания. Протравленное зерно было окрашено в красно-бурый цвет, но, к сожалению, эта краска легко отмывалась. В то же время сам протравитель оставался в зерне. Так как у тех, кто ел хлеб, приготовленный из этого зерна, очевидные признаки отравления проявлялись не сразу. В 1972 году началась катастрофическая реакция – несколько сотен человек умерло и тысячи (а возможно, десятки тысяч) заболели. Как стало известно, в больницы было принято 6530 отравившихся, из которых 495 умерло (Эйхлер В., 1993).

Отчасти из-за таких массовых отравлений ртутью резко снизилось ее производство и использование. Так, мировое производство ртути упало с 10364 т в 1971 до 6051 т в 1978. В сельском хозяйстве США в 1968 году использовали 118 т ртути, а в 1975 - 21 т.

Основным способом попадания ртути в организм человека является ее поступление с продуктами питания (Позняковский В.М., 1996). Фоновое содержание ртути в съедобных частях сельскохозяйственных растений составляет от 2 до 20 мкг/кг, редко до 50-200 мкг/кг. Среднее содержание в овощах – 3-59, фруктах – 10-124, бобовых – 8-16, зерновых – 10-103 мкг/кг. Наибольшая концентрация ртути обнаружена в шляпочных грибах – 6-447 мкг/кг. В отличие от растений, в грибах может синтезироваться метилртуть.

Фоновое содержание ртути в продукции животноводства составляет, мкг/кг: мясо – 6-20, печень – 20-35, почки – 20-70, молоко – 2-12, коровье масло – 2-5, яйца – 2-15. Мясо рыбы отличается наибольшей концентрацией ртути и ее соединений, поскольку рыба активно аккумулирует их из воды и корма. В мясе хищных пресноводных рыб уровень ртути составляет 107-509 мкг/кг, травоядных – 79-200 мкг/кг, океанических – 300-600 мкг/кг. Организм рыб способен синтезировать метилртуть, которая накапливается в печени.

Абсорбция, распределение и экскреция в организме

Неорганическая ртуть плохо поглощается в кишечном тракте человека при поступлении с пищей (не выше 7%), тогда как метилртуть СН3Hg+ сорбируется на 95% независимо от способа ее приема. При этом молодые организмы сорбируют ртуть гораздо быстрее взрослых. Сорбция метилртути в кишечнике может подавляться нормальной кишечной микрофлорой, способной деметилировать СН3Hg+. Элементарная ртуть, поступившая в организм ингаляционным путем, абсорбируется в органах дыхания практически полностью.

Схема распределения ртути в организме зависит от ее химической формы. Все формы: Hg0 , Hg2+ , СН3Hg+ имеют высокое сродство к клеткам почек. Вводимый ингаляцией Hg0 и перорально СН3Hg+ откладываются в центральной нервной системе.

Главный путь выведения ртути из организма зависит от формы ее приема. В случае приема метилртути фекальная экскреция имеет наибольшее значение, при этом примерно половина количества появляется в фекальной массе в неорганической форме. Напротив, только около 10% ртути выделяется с мочой в виде неорганической соли. Неорганическая ртуть выводится в основном с мочой. (Хэммонд П.Б., Фолкс Э.К., 1993).

В человеческом организме период полувыведения ртути варьирует от нескольких месяцев до нескольких лет.

Токсичность

Токсическое воздействие ртути зависит от ее химической формы и способа проникновения в организм. При вдыхании ртутные пары активно абсорбируются и аккумулируются в мозге, почках, яичках. Острое отравление вызывает разрушение легких. При заглатывании ртути происходит осаждение белков из мукомембран желудочно-кишечного тракта, сопровождаемое болью в животе, рвотой и поносом. Если пациент выживает, то критическим органом становится печень. Имеет место некоторый гемолиз эритроцитов. Ртуть с легкостью преодолевает плацентарный барьер, поэтому дети в период внутриутробного развития, подвергаются ртутному воздействию наравне с матерями, и даже в большей степени из-за слабых защитных механизмов.

Хроническое отравление вызывает нарушения в центральной нервной системе. Персонаж “Алисы в стране чудес” сумасшедший Шляпник (Болванщик) – яркий пример жертвы профессионального заболевания от отравления нитратом ртути, используемым при обработке меха. Элементная и метилированная ртуть в основном поражают периферийную и центральную нервную систему. Ртутные пары (Hg0) вызывают нейропсихическое действие (пугливость, бессонница, эмоциональная неустойчивость - в целом этот комплекс относится к патологически повышенной возбудимости). Метилртуть имеет сенсорно-моторное (двигательное – нарушение походки, сокращение поля зрения, затрудненное глотание) воздействие. Две этих формы: нейропсихологическое и сенсорно-моторное воздействие, оказывают, в общем, одинаковое нейропатологическое воздействие на элементы нервной клетки, но различия в проявлениях токсичности вызвано распределением этих форм в мозге и их воздействием на разные нервные сферы.

Чрезвычайно чувствительны к действию ртути почки, что вызвано сродством их клеток к ртути (в основном в ионной форме Hg2+). При этом в почках аккумулируется основная порция общего ее количества.

Достоверного мутагенного воздействия у ртути не обнаружено. Однако, у жителей залива Минамата, подвергшихся токсическому воздействию ртути, отмечено большее количество хромосомных отклонений по сравнению с контрольной группой. Аналогичные данные имеются и в отношении людей, подвергшихся ртутному воздействию при промышленных авариях. В то же время получено немало прямо противоположных результатов. Таким образом, возможность воздействия ртути на генетический материал остается предметом дальнейших исследований.

КАДМИЙ

Кадмий был открыт в 1817 году Ф.Штромейером (Геттинген, Германия). Название элемента произошло от латинского cadmia – цинковая руда. Очевидно, это связано с тем, что он в больших количествах обнаруживается в составе цинковых руд в виде минерала гринокита (CdS).

Значение кадмия для окружающей среды определяется двумя его свойствами: 1) сравнительно высоким давлением паров, определяющим легкость его испарения, например, при плавлении или при сгорании углей; 2) высокой растворимостью в воде, особенно при слабокислой реакции среды.

Широкое распространение кадмия в топливах, удобрениях, рудных отвалах способствует постоянному увеличению его содержания в окружающей среде. В результате этого кадмиевое отравление становится основной проблемой для проживающих в промышленных зонах.

Так, например, болезнь “итаи-итаи” (японский эквивалент выражения «ох-ох») в Японии (близ г.Тойяма) была вызвана присутствием кадмия в ирригационной воде для посадки риса, которую брали из реки Инцзу, загрязненной кадмием, свинцом и цинком, попавшими туда из цинковых разработок Название болезни происходит от боли в спине и ногах, сопровождающей болезнь и потери кальция из костей (обычно у старых женщин), которые приводят к ломкости костей. Известен случай с 72 переломами у одного человека.

Установлено, что примерно 80% кадмия поступает в организм человека с пищей, 20% - через легкие при дыхании и курении (Позняковский В.М., 1996). В одной сигарете содержится 1,5-2,0 мкг кадмия. В нормальных незагрязненных условиях содержание кадмия в растительных продуктах составляет, мкг/кг: зерновые – 28-95, горох – 15-19, фасоль – 5-12, картофель – 12-50, капуста – 2-26, помидоры – 10-30, салат – 17-23, фрукты – 9-42, растительное масло – 10-50, сахар – 5-31, грибы – 100-500.

В продуктах животного происхождения кадмия содержится, мкг/кг: молоко – 2,4, творог – 6, яйца – 23-250.

Абсорбция, распределение и экскреция

Вне производства количество кадмия в организме определяется его поступлением с пищей и водой. Существенным источником кадмия является и курение, при этом ингаляционное поступление металла более опасно, чем пероральное, так как сорбируемость вдыхаемого кадмия гораздо выше.

Кадмий, поступивший с пищей, как и другие тяжелые металлы, тяжело преодолевает кишечный барьер. На это влияют различные факторы. Например, катионы типа кальция и цинка подавляют абсорбцию кадмия. Основная часть металла захватывается слизистой кишечника, а затем удаляется путем слущивания клеток эпителия. В общем, высшие животные и человек абсорбируют только 1-5% кадмия (за исключением периода новорожденности, когда кишечный барьер преодолевается довольно легко).

Поглощенный кадмий аккумулируется в первую очередь в печени. Кадмий также сорбируется и другими органами, в частности мужскими половыми. Некоторое количество элемента поступает в кровь. Циркулирующий в организме кадмий может частично связываться с металлотионином, легко сорбируемым почками. Но большая часть кадмия поглощается корковым слоем почек и может накапливаться в течение многих лет. Результатом является их повреждение.

В противоположность ртути, кадмий не способен преодолевать плацентарный барьер и организм новорожденного вообще не содержит этого элемента.

Биологический период полувыведения кадмия составляет около 20 лет. Как следствие этого – увеличение содержания кадмия в почках в течение жизни человека от 0 при рождении до 20 мг в пожилом возрасте (для некурящих) и 40 мг для взрослого курящего человека. Основной путь выведения из организма – через мочу, хотя в сравнении с общим количеством элемента в организме, выделенное с мочой количество невелико.

Токсичность

Подобно другим тяжелым металлам, кадмий легко реагирует с белковыми макромолекулами и другими биологически важными молекулами. Химическое подобие кадмия и цинка приводит к замещению кадмием цинка в ряде ферментов. Действие кадмия может отразиться на многочисленных органах, включая легкие, простату, семенники, сердце, печень, почки. Симптомами острого отравления являются рвота, спазм кишечника, головная боль. Попав с пищей в организм, кадмий транспортируется кровью в другие органы, где он связывается глутатионом и гемоглобином эритроцитов. Кровь курильщиком содержит кадмия примерно в 7 раз больше, чем у некурящих.

В результате долговременного хронического отравления почки собирают главную часть от общего содержания кадмия в организме и почечная кора становится главной мишенью для этого токсиканта.

При хроническом воздействии происходит разрушение печени, сильная дисфункция почек в связи с протеиноурией (появление белка в моче). Заболевание ведет к смерти. Болезнь сопровождается болями в спине и ногах, как результат декальцификации костей, которая приводит к их ломкости.

Большинство опытов, поставленных с целью выявления мутагенного воздействия кадмия на организм, показало отсутствие прямого влияния элемента на генетический материал. Однако не исключается возможность синергического воздействия нескольких металлов совместно с кадмием, способного вызвать генетические отклонения.

Никакой специальной терапии для лечения кадмиевого отравления нет, а хелатирующие агенты, которые используются при отравлении некоторыми другими металлами в целях ускорения их выведения из организма, могут только перераспределить кадмий в почки (что вызовет их разрушение). Обильный прием цинка, кальция, фосфатов, витамина D и белковая диета могут несколько ослабить отравление.

В профилактике кадмиевой интоксикации важное значение имеет питание: преобладание в рационе растительных белков, высокое содержание серусодержащих аминокислот, аскорбиновой кислоты, железа, цинка, меди, селена, кальция.

СВИНЕЦ

Токсичные свойства свинца были известны еще со времен древних греков, где он являлся профессиональным токсикантом для шахтеров, а также применялся в качестве добавки для созревания вина.

Во времена расцвета Римской империи были введены в употребление свинцовые трубы для водопроводов и свинецсодержащие сплавы, применяемые при изготовлении кухонной посуды и сосудов для питья. В ходе исследований костных тканей из захоронений того времени было выявлено высокое содержание свинца, позволяющее сделать вывод о хроническом поступление элемента в организм людей. Ряд исследователей предполагает, что упадок Римской империи в значительной степени связан со свинцовым отравлением многих ее граждан.

В наше время интерес к элементу поддерживается в связи с загрязнением атмосферы промышленными выбросами, использованием тетраэтилсвинца как добавки к бензину, распространением отравлений свинцом в таких производственных процессах, как эмалирование, плавление, изготовление батареек, при использовании детьми свинцовых красок. Большую часть промышленного свинца получают из минерала галенита (PbS). Кроме того, известны минералы англезит (PbSO4), церуссит (PbCO3), пироморфит (Pb5(PO4)3Cl) и миметит (Pb5(AsO4)3Cl).

Среднее содержание свинца в продуктах питания составляет 0,2 мг/кг (Позняковский В.М., 1996). По отдельным продуктам питания имеются следующие данные, мг/кг: фрукты – 0,01-0,6 (в среднем 0,1), овощи – 0,02-1,6 (0,19), крупы – 0,03-3 (0,21), хлебобулочные изделия – 0,03-0,82 (0,16), мясо и рыба – 0,01-0,78 (0,16), молоко – 0,01-0,1 (0,027). Особо высокое содержание свинца в сельскохозяйственной продукции, выращенной вблизи промышленных центров, крупных автомагистралей.

Абсорбция, распределение и экскреция

Главным источником загрязнения организма свинцом является пища. Однако абсорбция свинца невелика по причине образования нерастворимых фосфатов и карбонатов, откладывающихся в костях. Остальной свинец выводится с фекалиями. У взрослых на 95% носителем свинца является скелет, у детей - на 70%. В то же время перераспределение свинца происходит медленно и до отложения в костях повышенные концентрации элемента могут достичь больших значений в крови и тканях. В крови возможно образование низкомолекулярных белков, связывающих свинец (металлотионины). Отмечено, что у тех, кто обладает этой способностью в большей степени, тяжесть свинцового отравления снижается. Свинец легко преодолевает плацентарный барьер и его повышенные концентрации могут наблюдаться в организме новорожденных.

Исследования на животных показали, что на поглощение свинца через кишечник влияет состав диеты и что поглощение свинца снижается в присутствии кальция, железа. Фосфатов и витамина D.

Период полувыведения свинца из организма составляет 10-20 лет.

Токсичность

Острое свинцовое отравление приводит сначала к потере аппетита и рвоте. Терапия связана с приемом Са-ЭДТА, оказывающим хелатирующие воздействие и способствующее выводу токсиканта из организма.

Главной мишенью свинцового токсикоза является кроветворная и нервная системы. При хроническом отравление происходит ингибирование синтетазы гема (фермент в митохондриях, катализирующий внедрение железа в протопорфирин IX), ведущее к снижению концентрации гемоглобина в крови; также усиливается активность оксигеназы гема, что усиливает его биодеградацию. Некоторые работы указывают на влияние свинца на целостность мембраны в эритроците.

Свинец действует на периферическую и центральную нервную систему. При отравлении наблюдается паралич нервов сгибающих и разгибающих конечностей (свинцовый паралич). Нарушение центральной нервной системы вызывает конвульсии и кому с летальным исходом. В опытах на животных даже умеренные дозы свинца вызывало изменение мозговых функций, таких, как возбудимость коры головного мозга. Особо сильное воздействие свинец оказывает на развивающуюся нервную систему детей и новорожденных. Даже при низком уровне поступления свинца в организм у детей может отмечаться гиперактивность, пониженная концентрация внимания, умственные растройства, сужение поля зрения. При более высоких уровнях воздействия как у детей, так и у взрослых отмечается энцефалопатия

Свинец оказывает воздействие на контроль кровяного давления, на мужскую и женскую репродуктивную функцию.

В отношении мутагенного воздействия результаты токсикологических исследований противоречивы. В ряде работ имеются данные о наличии хромосомных отклонений в генетическом материале, но другие данные убедительно доказывают отсутствие подобных эффектов. Скорее всего, как и в случае с ртутью и кадмием, свинец как мутагенный агент действует лишь в совокупности с другими негативными факторами, в результате чего достигается синергический эффект. ЦИНК

Цинк был известен человеку еще более 4 тысяч лет назад и применялся в виде сплава с медью – бронзы. Название элемента имеет немецкое происхождение – zink. Основные источники – цинковая обманка (ZnS), смитсонит (ZnCO3) и сфалерит ((Zn,Fe)S).

Загрязнение окружающей среды цинком происходит в результате добычи и переработки цинксодержащих руд, а также при сжигании минерального топлива, металлургическом и химическом производстве и т.д. Однако в ряде случаев токсичным является не избыток, а недостаток цинка. Это обусловлено тем, что цинк выполняет ряд биологических функций. Так, у человека ион цинка входит в состав свыше 20 металлоферментов, включая участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот.

В фоновых условиях содержание цинка в пищевых продуктах составляет, мг/кг: мясо – 20-40, рыбопродукты – 15-30, яйца – 15-20, фрукты и овощи – 5, картофель, морковь – около 10, орехи, зерновые – 25-30, мука высшего сорта – 5-8, молоко – 2-6 (Позняковский В.М., 1996). Цинк, содержащийся в растительных продуктах, менее доступен для организмов (на 10%), поскольку цинк связывается в фитине, не усваиваемом человеком. Цинк продуктов животного происхождения доступен на 40%.

Абсорбция, распределение и экскреция

Основная масса цинка поступает в организм с пищей. Так, дефицит цинка отмечен у алкоголиков (меньше едят, так как большую часть энергии получают от этилового спирта), а также у жителей развивающихся стран, диета которых богата волокнистой и вязкой пищей. Дефицит устраняется при увеличении в рационе доли мяса и рыбы, богатых цинком. Как и в случае других ТМ доля цинка, всасывающегося в кишечнике, невелика и не превышает 5%. На усвоение цинка оказывают влияние конкурирующие элементы, в частности медь. Избыток меди способен вызвать недостаток цинка. Большая часть цинка в теле человека находится в его мускулах, а самая высокая концентрация – в половой железе (простате). В крови его больше всего в эритроцитах. Уровень цинка в организме находится под влиянием гомеостаза.

Токсичность

Токсичным может оказаться как избыток, так и недостаток цинка. Дефицит выражается в нарушении кожных покровов, ухудшении заживления ран, отставании в росте, нарушении половых функций и полового развития у молодых людей, мозговых нарушениях и нарушениях в иммунной системе, а также проблеме родов и разнообразных дефектах у новорожденных. Терапия заключается в добавках цинка с пищей, однако эффект может проявиться через значительный промежуток времени. Кроме этого, при добавках цинка возможно негативное влияние на метаболические равновесия других металлов, особенно меди.

Неприятный вкус цинка в воде чувствуется при его концентрации 15 мг/л и очень заметен при 40 мг/л. Еще более высокие концентрации вызывают рвоту и диарею. Острое отравление цинком случалось при потреблении кислых фруктовых соков, упакованных в гальванизированные (покрытые цинком) стальные контейнеры. Известны эпизоды отравления цинком на рабочих местах при вдыхании паров и пыли. Случаи хронического отравления у людей не отмечены, хотя они могли проявляться смазанно, нечетко. Однако известно, что хронический избыток цинка нарушает поступление в организм меди. У животных при избытке цинка также наблюдалось замедление развития костного скелета, если в пище находилось минимальное количество кальция и фосфора.

В целом ион цинка мало опасен для человека и чаще всего отравление наблюдается, когда он сопровождается другим токсичным элементом – кадмием.

МЕДЬ

Данный элемент известен человеку с доисторических времен. Ее латинское название произошло от названия острова Кипр – Cuprum. В качестве основных руд можно назвать халькопирит (CuFeS2), халькозин (Cu2S), куприт (Cu2O) и малахит (Cu2(CO3)(OH)2).

Медь в организме является необходимым кофактором для нескольких ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции. При этом неблагоприятным может быть как избыток меди, так и ее недостаток.

Абсорбция, распределение и экскреция

Концентрация меди в организме регулируется гомеостазом (в отличие от других металлов из 1-й группы токсичности) и оптимальная концентрация ее варьирует в широких пределах. Поэтому медный токсикоз встречается довольно редко. Поступление меди в организм проходит так же, как и поступление других металлов, встречая аналогичные препятствия при преодолении стенки кишечника. Поступление меди может ингибироваться присутствием избытка цинка.

Токсичность

Дефицит меди приводит к анемии, плохому состоянию костной и соединительной тканей, а также к потере пигментации волос.

Избыток меди, попавшей в желудочно-кишечный тракт, раздражает нервные окончания в желудке и кишечнике и вызывает рвоту. Хронический избыток меди ведет к остановке роста, гемолизу и низкому содержанию гемоглобина, а также к нарушению тканей в печени, почках, мозге. Токсичность меди можно понизить путем приема MoO42, SO42-, Zn2+.

НИКЕЛЬ

Никель был открыт в 1751 году А.Кронштедтом (Стокгольм, Швеция). Название элемента произошло от немецкого kupfernickel – что означает «дьявольская медь» или «медь св.Николаса». Основными источниками никеля в производстве являются гарниерит ((Ni,Mg)6Si4O10(OH)2) и пенландит ((Ni,Fe)9S8).

Никель - элемент, необходимый для нормального роста животных, однако его роль до конца еще не выяснена. Известно, что как и некоторые другие ионы металлов, никель активирует определенные ферменты. Среднее количество никеля, поступающее с пищей, достаточно для выполнения потребностей организмов, поэтому его дефицит не встречается. Высокие концентрации никеля могут вызвать токсикоз, хотя такие случаи редки. Чаще всего случаи отравления никелем отмечаются в процессе карбонилирования никеля (его промышленная очистка) за счет вдыхания высокотоксичных паров карбонила никеля Ni(CO)4.

Абсорбция, распределение и экскреция

Никель в основном поглощается с пищей и водой (в промышленных условиях возможна ингаляция). Абсорбция в кишечнике минимальна: ежедневно человек поглощает 0,3-0,6 мг и 99% выбрасывается с фекалиями. Никель, попавший в кровь, не образует металлотионинов (в отличие от других ТМ) и механизмы его гомеостатического контроля еще не выяснены. Однако выведение избытка никеля происходит (с мочой и потом).

Если никель попадает в организм ингаляционным путем в виде Ni(CO)4, последствия могут быть более тяжелыми. Данное соединение обладает высокой растворимостью в жирах и легко проникает через мембраны, откладываясь в легких, почках, мочевом пузыре, сердечной мышце, диафрагме и яичниках

Токсичность

О специфическом молекулярном действии никеля известно еще немного. Как и другие тяжелые металлы, он способен реагировать с биологически важными молекулами, включая белки и ДНК. Однако благодаря низкой доле абсорбции в кишечнике поглощенный никель не столь токсичен.

При попадание никеля в легкие (в промышленных условиях) начальные симптомы отравления довольно мягкие, включающие нарушение дыхания, утомляемость, головную боль, тошноту и рвоту, бессонницу, раздражительность. В дальнейшем эффект развивается и может вести к тахикардии, кашлю, слабости и болям в мышцах, обильному потоотделению, диарее. Физическое состояние напоминает таковое при пневмонии. В наиболее тяжелых случаях наблюдается смерть от дыхательной недостаточности, отека мозга и кровоизлияния

При попадании в организм не через легкие никель накапливается преимущественно в почках (что может вызвать их разрушение), а при высоких уровнях оказывает явное нейротоксическое действие. Способность никеля к образованию комплексов делает возможной хелатотерапию.

Соединения никеля могут быть канцерогенными. Эпидемиологические данные показывают повышение риска раковых заболеваний дыхательных путей у рабочих никелевой промышленности. Однако при введении никеля с едой и питьем канцерогенез отсутствует.

Никель и его соединения - сильные аллергены. Аллергия (никелевые дерматиты) может быть вызвана “внутренним” металлом ортопедических протезов, сердечных электродов и т.п., равно как и кожным контактом с никелевой бижутерией, ингаляцией или иными контактами с солями никеля. По данным Института Финзена в Дании за период 1936-1955 гг., только 4% заболеваний возникает за счет производственных операций с никелевыми гравировальными досками, 9,5% - за счет иных рабочих процедур и 86,5% - по причине контакта с бытовыми предметами.

ХРОМ

Хром впервые был открыт и выделен в 1780 году Н.-Л. Вокленом (Париж, Франция). Его название произошло от греческого chroma – цвет. Основным промышленным источником хрома является хромит (FeCr4O4).

Главное промышленное применение хрома – производство сплавов с его участием, отделка металлов, коррозионный контроль, использование в качестве протравы для текстиля, добавок для красителей, дубителей кожи и многое другое.

В природе хром встречается в виде соединений с различными степенями окисления от +2 до +6, но только Cr(III) и Cr(VI), имеют биологическое значение. В литературе есть указания на необходимость хрома в метаболизме высших животных, хотя и в небольших количествах, что исключает вероятность его нехватки.

Необходимый уровень хрома для человека трудно оценить химическими или биохимическими методами. Причина необходимости хрома также неясна. Имеются предположения о том, что хром является компонентом фактора глюкозной толерантности.

Абсорбция, распределение и экскреция

Практически все поступление хрома, за исключением профессионального, идет от приема внутрь. При этом трехвалентный хром практически не абсорбируется и выделяется с фекалиями, а шестивалентный (поскольку находится в анионной форме в виде хроматов и бихроматов) более растворим и легче проникает через стенку кишечника. В связи с этим токсичность шестивалентного хрома выше. После приема наибольшая концентрация хрома отмечается в селезенке и почках.

Токсичность

Поскольку неорганические соединения хрома минимально проходят через кишечный барьер и с трудом проникают в клетки, Cr(III) фактически нетоксичен и немутагенен. Cr(VI) способен проникать в клетку, быстро восстанавливается до трехвалентной формы и уже в этом состоянии реагирует с ДНК, белками и иными клеточными компонентами. Однако и его токсичность невелика. Известны редкие случаи изъязвления кожи при попадании на нее хроматов и бихроматов.

Широко исследовалась канцерогенность хрома. Хотя известно немало случаев заболевания раком легких под действием хрома, однако эксперименты с животными не дали однозначных результатов, поэтому вопрос о его мутагенности и канцерогенности открыт. Главное доказательство канцерогенности хрома – данные о заболеваемости раком легких у рабочих, подвергающихся действию хромсодержащей пыли в атмосфере цеха. Хотя кацерогенность хрома для человека хорошо документирована, все попытки вызвать бронхиальную карциному действием на животных хроматом в виде пыли не привели ни к каким результатам. Инъекции же соединений хрома приводили к саркомам в месте введения.

Предполагается, что механизм легочного канцерогенеза связан с восстановлением Cr(VI) до Cr(III) и образованием побочных промежуточных продуктов, способствующих образованию опухолей.

КОБАЛЬТ

Кобальт был открыт в 1735 году Г.Брандтом (Стокгольм, Швеция). Название элемента произошло от немецкого kobald – гном. Основными промышленными источниками являются смальтит (CoAs2), кобальтин (CoAsS) и линнеит (Co3S4).

Кобальт необходим для различных форм жизни. Например, он известен как необходимый компонент витамина В12.

Абсорбция, распределение и экскреция

Кобальт химически подобен цинку, поэтому процессы абсорбции и экскреции, характерные для цинка, свойственны и кобальту.

Суточная потребность человека в витамине В12 составляет всего 3 мкг, а недостаток его имеет следствием анемию и остановку роста. Не будучи связанным в составе витамина, кобальт находится в организме в виде двухвалентного катиона, образующего комплексные соединения.

Токсичность

Кобальт является относительно малотоксичным элементом. Однако в высоких дозах он уменьшает способность щитовидной железы аккумулировать йод, становясь причиной зобной болезни (часто встречается у больных анемией при приеме ими в терапевтических целях солей кобальта).

Кобальт показал кардиотоксичность для некоторых страстных любителей пива, потребляющих более 3 л в день (в некоторых странах в пиво добавляют соли двухвалентного кобальта в количестве 10-4% для стабилизации пены). Этиловый спирт повышает чувствительность организмов к кобальтовой интксикации, хотя число пострадавших значительно меньше, чем в случае приема Со-препаратов больными анемией.

МЫШЬЯК

Элемент впервые был открыт средневековыми алхимиками (около 1250 г.), предположительно Альбертом Великим. Его название произошло от греческого arsenikon – желтый пигмент. Основными минералами и источниками мышьяка являются минералы реальгар (As4S4), арсенопирит (As2S2) и аурипигмент (FeAs2).

Мышьяк, относимый к полуметаллам, уже долгое время является предметом токсикологических исследований. Ранние работы ставились из-за частых случаев его использования в качестве средства для убийства и самоубийства, из-за частого его использования в качестве пестицида в садах и виноградниках, как отравляющего вещества кожно-нарывного действия в химическом вооружении. В настоящее время мышьяк используется также в производстве электронных схем. Значительный контакт человека с мышьяком происходит при изготовлении и очистке металлических сплавов (особенно медных), а также в процессах, использующих сжигание угля. Приблизительно 80% соединений мышьяка применяется в качестве пестицидов.

Мышьяк находится в природе в виде разнообразных устойчивых химических соединений в трехвалентной и пятивалентной форме.

Микроорганизмы способны преобразовывать неорганический мышьяк в диметиларсенат, который может аккумулироваться в рыбе и, затем, попадать в организм человека. Кроме того, мышьяк может присутствовать в виде загрязнения водных источников питьевого назначения.

Абсорбция, распределение и экскреция

Мышьяк попадает в организм в основном с пищей и водой, данные о его попадании в органы дыхании редки.

Мышьяк в своих наиболее распространенных формах легко абсорбируется желудочно-кишечным трактом и выводится на 50% через несколько дней.

В ходе метаболизма соединения мышьяка претерпевают ряд превращений, подвергаясь метилированию, и в конечном итоге выводятся с мочой.

При условиях хронического поглощения наибольшее количество мышьяка находили в ногтях, коже, в волосах; в организме он не задерживается.

Токсичность

Токсическое влияние варьирует в зависимости от дозы и продолжительности приема. В случае острого отравления основным признаком является сильное нарушение желудочно-кишечного тракта, сопровождаемое спазмами и диареей, и эффекты эти проявляются почти немедленно – в срок от 30 минут до 2-х часов. В случае хронического отравления наблюдаются нарушения периферической нервной системы: в опытах на животных наблюдался в конце концов паралич конечностей.

Иногда встречаются и другие признаки: шелушение и пигментация кожи, сонливость и плохая память, эпизодическое нарушение речи и бредовое состояние, а в некоторых случаях также анемия.

Мышьяк считается канцерогенным для человека. Эпидемиологические исследования показали прямую взаимосвязь между уровнем мышьяка в воздушной среде медеплавилен и заболеваниями раком легких. Известен так называемый «рак виноградарей», который связывают с применением в виноградарстве мышьяксодержащих пестицидов. При контакте с соединениями мышьяка через кожу и перорально возможен также рак кожи.

<< | >>
Источник: Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В.. Экотоксикология тяжелых металлов: Учебное пособие.-. 2001

Еще по теме 2.1. Токсическое воздействие тяжелых металлов на человека и животных:

  1. 4.2.1. Тяжелые металлы
  2. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В.. Экотоксикология тяжелых металлов: Учебное пособие.-, 2001
  3. Тяжелые металлы и стойкие органические растворители
  4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОСФЕРЫ НА ЧЕЛОВЕКА Пути воздействия
  5. 11.3. Воздействие химически опасных веществ на организм человека 11.3.1. Виды воздействия АХОВ на организм
  6. V. ВОЗДЕЙСТВИЕ БОГА НА ЧЕЛОВЕКА
  7. 2.2. Производственная вибрация и ее воздействие на человека
  8. 3. ВОЗДЕЙСТВИЕ НЕГАТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЧЕЛОВЕКА И ТЕХНОСФЕРУ
  9. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА НА ПОГОДУ И КЛИМАТ
  10. 2.3. Производственный шум и его воздействие на человека
  11. Механизм явления. Воздействие на организм человека
  12. XVI. О ЗЛЕ В ЖИВОТНОМ, ИМЕНУЕМОМ ЧЕЛОВЕКОМ
  13. 5.2. Основные методы и средства информационного воздействия на человека