В настоящее время все чаще применяется термин токсичные элементы (тяжелые металлы более неудачное название, поэтому употребляется реже).
Под этим термином в пищевой отрасли подразумевают ряд химических элементов, которые присутствуют в пищевых продуктах и оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека. Прежде всего, это такие элементы, как свинец, ртуть, кадмий и мышьяк. Они обладают высокой токсичностью, способностью накапливаться в организме при длительном поступлении с пищевыми продуктами и обусловливать отдаленные последствия — мутагенные и канцерогенные (для мышьяка и свинца).
Для наиболее актуальных токсичных элементов установлены жесткие гигиенические нормативы, выполнение которых стараются отслеживать на этапе сырья. Наибольшие проблемы по содержанию токсичных элементов в продовольственном сырье наблюдаются в районах геохимических аномалий, где концентрация токсичных элементов в объектах природной среды значительно выше, чем в других районах. Степень накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции неравномерна. На нее влияют: уровень загрязненности почвы и других объектов природной среды; биологические особенности растений (например, особой способностью аккумулировать кадмий из почвы обладают листовые овощи, свекла и морковь); нерациональное применение минеральных удобрений, пестицидов; геологическая и агрохимическая характеристика почв.
Цели и задачи проекта.
1. Ознакомиться с термином «Тяжелые металлы»
2. Определить содержание ТМ в пищевых продуктах.
3. Пополнить знания о ТМ.
4. Выяснить их влияние на растительные и животные организмы.
5. Провести анализ содержания ТМ в отдельных продуктах.
6. Подвести вывод о проделанной работе.
1. Тяжелые металлы: характеристика
тяжелый металл загрязнение растение
Тяжёлые металлы — это элементы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с относительной молекулярной массой больше 40. К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц. Эта группа элементов активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа «тяжелых металлов» во многом совпадает с понятием «микроэлементы». Отсюда, свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами. Тяжелые металлы, попадая в наш организм, остаются там навсегда, вывести их можно только с помощью белков молока и белых грибов. Достигая определенной концентрации в организме, они начинают свое губительное воздействие — вызывают отравления, мутации. Кроме того, что сами они отравляют организм человека, они еще и чисто механически засоряют его — ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы печени, таким образом, снижая фильтрационную способность этих органов. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, т.е. самоотравление организма, т.к. именно печень отвечает за переработку ядовитых веществ, попадающих в наш организм, и продуктов жизнедеятельности организма, а почки — за их выведение наружу. Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства).
Биогенные элементы в организме человека
... Всего 97,3 68117 ≈ 68 кг 1.2 Биогенные элементы - металлы, входящие в состав организма человека К числу биогенных элементов относится ряд металлов, среди которых особенно важные биологические функции ... прекращение поступления кислорода в организм может вызвать тяжелые нарушения его функций и 3. РОЛЬ УГЛЕРОДА В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА УГЛЕРОД - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни ...
Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования опасных загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена).
Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции — выдувании почв. Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка — от 70 до 510 лет, для кадмия — от 13 до 110 лет, для меди — от 310 до 1500 лет и для свинца — от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений.
Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т.е. мигрировать. Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органо-минеральной составляющей. Часть органических соединений, с которыми связываются металлы, представлена продуктами микробиологической деятельности. Ртуть характеризуется способностью аккумулироваться в звеньях «пищевой цепи». Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества. Некоторые водоросли, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клетках.
Ртуть, свинец, кадмий входят в общий перечень наиболее важных загрязняющих веществ окружающей среды, согласованный странами, входящими в ООН.
2. Основные загрязнители окружающей среды
2.1 Ртуть
Ртуть — очень опасный элемент. Он находится в воде, почве, воздухе в небольших, неопасных количествах. Но развитие тяжелой промышленности часто приводит к загрязнению и отравлению окружающей среды. Ртуть, накапливаясь в организме, разрушает его, причем это может передаваться и последующим поколениям. Действие ртути на организм происходит незаметно, бессимптомно. Головокружения, головная боль, рассеянность, бессонница, легкое подташнивание, воспаление десен — эти симптомы могут не привлечь к себе внимание. Но через некоторое время человек, отравленный ртутью, становится нервозным или же сонливым, подвержен неоправданным страхам, испытывает речевые нарушения, снижается иммунитет. В этом состоянии любая, даже слабая инфекция, может стать летальной. Заканчивается все потерей подвижности суставов. Ртутные соединения постепенно накапливаются в районах, прилегающих к большим предприятиям тяжелой промышленности. Из почвы, воды и воздуха ртуть попадает в мышцы, почки, мозг, нервы. Особенно опасна ртуть для плода, так как её накопление может вызвать врожденные аномалии. Ртутью могут быть отравлены хлеб, мука, рыба. Пары ртути или её органические соединения более опасны, чем ртуть в естественном виде. Рыба, плавающая в водах около Канады, США, Балтики содержит большое количество ртути. У людей, потребляющих эту рыбу, в организме тоже повышенное содержание ртути. Но есть вещество, которое нейтрализует ртуть. Это селен. Например в тунце высокое содержание и ртути, и селена, поэтому тунец не гибнет сам, и не вызывает отравление людей. Поступление с пищей маленьких доз ртути не опасно, так как она выводится из организма естественным путем. Но регулярное поступление даже малых доз может быть токсично.
Вредное воздействие тяжелых металлов на организм человека
... свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами. Тяжелые металлы, попадая в наш организм, остаются там навсегда, вывести их можно ... что сами они отравляют организм человека, они еще и чисто механически засоряют его - ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы ...
2.2 Свинец
Одним из самых распространенных и опасных токсикантов является свинец. В земной коре он содержится в незначительных количествах. Вместе с тем мировое производство свинца составляет более 3,5Ч106 т в год, и только в атмосферу поступает в переработанном и мелкодисперсном состоянии 4,5Ч105 т свинца в год. Среднее содержание свинца в продуктах питания 0,2 мг/кг. Отмечено активное накопление свинца в растениях и мясе сельскохозяйственных животных вблизи промышленных центров, крупных автомагистралей. По данным К. Рейли взрослый человек получает ежедневно с пищей 0,1 — 0,5 мг свинца. Общее его содержание в организме составляет 120 мг. В организме взрослого человека усваивается в среднем 10 % поступившего свинца, у детей — 30 — 40 %. Из крови свинец поступает в мягкие ткани и кости, где депонируется в виде трифосфата. 90 % поступившего свинца выводится из организма. Механизм токсического действия свинца определяется по следующей схеме:
- проникновение свинца в нервные и мышечные клетки, образование лактата свинца путем взаимодействия с молочной кислотой, затем фосфатов свинца, которые создают клеточный барьер для проникновения в нервные и мышечные клетки ионов кальция.
Основными мишенями при воздействии свинца являются кроветворная, нервная, пищеварительная системы и почки. Отмечено его отрицательное влияние на половую функцию организма.
2.3 Камдий
Свое название этот «опасный» элемент получил от греческого слова, означающего цинковую руду, поскольку кадмий представляет собой серебристо-белый мягкий металл, применяемый в легкоплавких и других сплавах, для защитных покрытий, в атомной энергетике. Это побочный продукт, который получают при переработке цинковых руд. Большие количества кадмия очень опасны для здоровья. Люди отравляются кадмием, употребляя воду и зерновые, овощи, растущие на землях, расположенных вблизи от нефтеперегонных заводов и металлургических предприятий. Появляются невыносимая боль в мышцах, непроизвольные переломы костей (кадмий способен вымывать кальций из организма), деформация скелета, нарушения функций легких, почек и других органов. Излишек кадмия может вызывать злокачественные опухоли. Канцерогенное действие никотина, находящегося в табачном дыме, как правило, связано с присутствием кадмия. С рационом взрослый человек получает Cd до 150 мкг/кг и выше в сутки (92 — 94 %).
Токсическое действие металлов на организм
Отсюда свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами. Тяжелые металлы, попадая в наш организм, остаются там навсегда, вывести их можно ... что сами они отравляют организм человека, они еще и чисто механически засоряют его - ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, ...
Как и многие другие тяжелые металлы, кадмий имеет отчетливую тенденцию к накоплению в организме — период его полувыведения составляет 10-35 лет. К 50 годам его общее весовое содержание в теле человека может достигать 30-50 мг. Главным «хранилищем» кадмия в организме служат почки (30-60% всего количества) и печень (20-25%).
Остальной кадмий находится в поджелудочной железе, селезенке, трубчатых костях, других органах и тканях. В основном кадмий находится в организме в связанном состоянии — в комплексе с белком-металлотионеином (являющимся, таким образом естественной защитой организма, по последним данным альфа-2 глобулин также связывает кадмий), и в таком виде он менее токсичен, хотя и далеко не безвреден. Даже «связанный» кадмий, накапливаясь годами способен привести к неприятностям со здоровьем, в частности к нарушению работы почек и повышенной вероятности образования почечных камней. К тому же часть кадмия остается в более токсичной ионной форме. Кадмий химически очень близок к цинку и способен замещать его в биохимических реакциях, например, выступать как псевдоактиватор или, наоборот, ингибитор содержащих цинк белков и ферментов (а их в организме человека более двухсот).
3. Металлы в пищевых продуктах
Некоторые металлы необходимы для нормального протекания физиологических процессов в организме человека. Однако при повышенных концентрациях они токсичны. Соединения металлов, попадая в организм, взаимодействуют с рядом ферментов, подавляя их активность.
Широкое токсическое воздействие проявляют тяжелые металлы. Это воздействие может быть широким (свинец) или более ограниченным (кадмий).
В отличие от органических загрязняющих веществ, металлы не разлагаются в организме, а способны лишь к перераспределению. Живые организмы имеют механизмы нейтрализации тяжелых металлов.
Загрязнение пищевых продуктов наблюдается, когда сельскохозяйственные культуры выращиваются на полях вблизи промышленных предприятий или загрязнены городскими отходами. Медь и цинк концентрируются преимущественно в корнях, кадмий — в листьях.
Hg (ртуть): соединения ртути применяются в качестве фунгицидов (например, для протравливания посевного материала), используются при производстве бумажной массы, служат катализатором при синтезе пластмасс. Ртуть используется в электротехнической и электрохимической промышленности. Источниками ртути служат ртутные батареи, красители, люминесцентные лампы. Вместе с отходами производства ртуть в металлической или связанной форме попадает в промышленные стоки и воздух. В водных системах ртуть с помощью микроорганизмов может превращаться из относительно малотоксичных неорганических соединений в высокотоксичные органические (метилртуть (CH3)Hg).
Загрязненной оказывается, главным образом, рыба.
Метилртуть может стимулировать изменения в нормальном развитии мозга детей, а в более высоких дозах вызывать неврологические изменения у взрослых. При хроническом отравлении развивается микромеркуриализм — заболевание, которое проявляется в быстрой утомляемости, повышенной возбудимости с последующим ослаблением памяти, неуверенности в себе, раздражительности, головных болях, дрожании конечностей.
Руководством Codex CAC/GL 7 для любых видов рыбы, поступающих в международную торговлю (кроме хищной), установлен уровень 0,5 мг/кг, для хищной рыбы — (акула, меч-рыба, тунец) — 1 мг/кг.
Pb (свинец): свинец применяется для производства аккумуляторных батарей, тетраэтилсвинца, для покрытия кабелей, в производстве хрусталя, эмалей, замазок, лаков, спичек, пиротехнических изделий, пластмасс и т. п. Такая активная деятельность человека привела к нарушениям в природном цикле свинца.
Основной источник поступления свинца в организм — растительная пища.
Попадая в клетки, свинец (как и многие другие тяжелые металлы) дезактивирует ферменты. Реакция идет по сульфгидрильным группам белковых составляющих ферментов с образованием —S—Pb—S—.
Свинец замедляет познавательное и интеллектуальное развитие детей, увеличивает кровяное давление и вызывает сердечнососудистые болезни взрослых. Изменения нервной системы проявляются в головной боли, головокружении, повышенной утомляемости, раздражительности, в нарушениях сна, ухудшении памяти, мышечной гипотонии, потливости. Свинец может заменять кальций в костях, становясь постоянным источником отравления. Органические соединения свинца еще более токсичны.
В течение прошлого десятилетия уровни свинца в пище значительно снизились благодаря сокращению его эмиссии автомобилями. Высокоэффективным связующим для попавшего в организм свинца оказался пектин, содержащийся в кожуре апельсинов. Cd (кадмий): кадмий активнее свинца, и отнесен ВОЗ к веществам, наиболее опасным для здоровья человека. Он находит все большее применение в гальванике, производстве полимеров, пигментов, серебряно-кадмиевых аккумуляторов и батареек. На территориях, вовлеченных в хозяйственную деятельность человека, кадмий накапливается в различных организмах и с возрастом способен увеличиваться до критических для жизни величин. Отличительные свойства кадмия — высокая летучесть и способность легко проникать в растения и живые организмы за счет образования ковалентных связей с органическими молекулами белков. В наибольшей мере аккумулирует кадмий из почвы растение табака.
Кадмий по химическим свойствам родственен цинку, может замещать цинк в ряде биохимических процессов в организме, нарушая их (например, выступать как псевдоактиватор белков).
Смертельной для человека может быть доза в 30—40 мг. Особенностью кадмия является большое время удержания: за 1 сутки из организма выводится около 0,1% полученной дозы.
Симптомы кадмиевого отравления: белок в моче, поражение центральной нервной системы, острые костные боли, дисфункция половых органов. Кадмий влияет на кровяное давление, может служить причиной образования камней в почках (накопление в почках особенно интенсивно).
Для курильщиков или занятых на производстве с использованием кадмия добавляется эмфизема легких.
Не исключено, что это канцероген для человека. Содержание кадмия должно быть уменьшено, в первую очередь, в диетических продуктах. Максимальные уровни должны быть установлены настолько низкими как это разумно достижимо.
Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов и мышьяка в продовольственном сырье и пищевых продуктах.
4. Усвоение тяжелых металлов растениями
В настоящее время мало известно о механизмах накопления растениями тяжелых металлов, потому что до сих пор основное внимание уделялось усвоению соединений азота, фосфора и других элементов питания из почвы. Кроме того, сравнение полевых и модельных исследований показало, что загрязнение почвы и окружающей среды (смачивание листовых пластинок солями тяжелых металлов) в полевых условиях оказывает менее значительное изменение в росте и развитии растений, чем в лабораторных модельных опытах. В некоторых опытах высокое содержание металлов в почве стимулировало рост и развитие растений. Это связано с тем, что более низкая влажность почвы в полевых условиях снижает мобильность металлов, и это не позволяет их токсическому эффекту проявиться в полной мере. С другой стороны, это может быть связано с уменьшением токсичности почвы, обусловленной деятельностью почвенных микроорганизмов в результате снижения их численности при загрязнении почвы металлами. Кроме того, это явление можно объяснить косвенным влиянием тяжелых металлов, например, через воздействие их на некоторые биохимические процессы в почве, в результате чего возможно улучшение питательного режима растений. Таким образом, действие металлов на растительный организм зависит от природы элемента, содержания его в окружающей среде, характера почвы, формы химического соединения, срока от момента загрязнения. Формирование химического состава растительного организма определяется биохимическими особенностями различных видов организмов, их возрастом и биохимическими закономерностями связи между элементами в организме. Содержание одних и тех же химических элементов в различных частях растений может изменяться в широких пределах. Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы — например, свинец — даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом. Было обнаружено, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют некоторые вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг. Успешные эксперименты с этилендиаминтетрауксусной кислотой позволяют предположить, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву какие-то природные вещества-комплексообразователи. Например, известно, что при недостатке в растениях железа их корни выделяют в почву так называемые фитосидерофоры, которые переводят в растворимое состояние содержащиеся в почве железосодержащие минералы. Однако было замечено, что фитосидерофоры способствуют и накоплению в растениях меди, цинка, марганца. Лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы — мугеиновая и дезоксимугеиновая кислоты, а также выделяемая овсом авениковая кислота; роль фитосидерофоров, возможно, играют и некоторые белки, обладающие способностью связывать тяжелые металлы и делать их более доступными для растений. Доступность для растений тяжелых металлов, связанных с частицами почвы, повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы. Так, установлено, что у гороха, испытывающего недостаток железа или меди, в присутствии таких ферментов повышается способность восстанавливать ионы этих элементов. Корни некоторых растений (например, фасоли и других двудольных) могут при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние (доказано, что поступление тяжелых металлов из почвы в растения возрастает параллельно с увлечением кислотности почвы; это происходит потому, что их соединения лучше растворяются в кислой среде).
В повышении биологической доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора. Почвенные микроорганизмы могут переводить нерастворимые формы солей тяжелых металлов в растворимые. О механизме переноса тяжелых металлов из корней в надземные части растений известно еще меньше. Были проведены эксперименты, показавшие, что в корнях соединения тяжелых металлов частично обезвреживаются и переводятся в более мобильную химическую форму, после чего они уже накапливаются в молодых побегах. Исследователи выяснили, что важная роль в этих преобразованиях принадлежит ряду мембранных белков, отвечающих за характерные особенности транспорта ионов металлов в цитоплазме и клеточных органеллах. Возможно, обычно малорастворимые соли тяжелых металлов перемещаются по сосудистой системе в виде каких-то комплексных соединений — например, с органическими кислотами типа лимонной.
При увеличении содержания металлов в почве, снижается её общая биологическая активность, и это резко отражается на росте и развитии растений, причём разные растения реагируют на избыток металлов по-разному. Исследования показали, что металлы распределяются по органам растений неравномерно. Однако в одной и той же части растения концентрация химических элементов существенно изменялась в зависимости от фазы его развития и возраста. В наибольшей степени металлы накапливались в листьях. Это обусловлено многими причинами, одна из которых — локальное накопление металлов в результате перехода их в малоподвижную форму. Например, в случае медной интоксикации окраска некоторых листьев у исследуемых растений изменялась до красной и буро-коричневой, что свидетельствовало о разрушении хлорофилла.
Для отдельных видов растений и животных характерны определённые диапазоны концентрации химических элементов, в том числе и тяжелых металлов. Величина средних содержаний одного и того же элемента в различных видах растений, произрастающих в одинаковых условиях, часто колеблются в 2-5 раз. В условиях аномально высоких концентраций определённого элемента в среде обитания организмов разница содержания этого элемента в различных видах растений возрастает. Резкое увеличение содержания одного или нескольких элементов в среде приводит их в разряд токсикантов. Токсичность тяжелых металлов связана с их физико-химическими свойствами, со способностью к образованию прочных соединений с рядом функциональных группировок на поверхности и внутри клеток.
Реакция растений на повышенные концентрации ТМ.
|
Элемент |
Концентрация в почве, мг/кг |
Реакция растений на повышенные концентрации ТМ |
|
|
Pb |
100-500 |
Ингибирование дыхания и подавление процесса фотосинтеза, иногда увеличение содержания кадмия и снижение поступления цинка, кальция, фосфора, серы, снижение урожайности, ухудшение качества растениеводческой продукции. Внешние симптомы — появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва |
|
|
Cd |
1-13 |
Нарушение активности ферментов, процессов транспирации и фиксации СО 2 , торможение фотосинтеза, ингибирование биологического восстановления NО2 до NО, затруднение поступления и метабо-лизма в растениях ряда элементов питания. Внешние симптомы — задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев. |
|
|
Zn |
140-250 |
Хлороз молодых листьев |
|
|
Cr |
200-500 |
Ухудшение роста и развития растений, увядание надземной части, повреждение кор-невой системы, хлороз молодых листьев, резкое снижение содержания в растениях большинства незаменимых макро- и микроэлементов (К, Р, Fe, Mn, Cu, B и др.).
|
|
|
Ni |
30-100* |
Подавление процессов фотосинтеза и транспирации, появление признаков хлороза |
|
5. Негативное влияние тяжелых металлов на организм человека
Токсичность — это мера несовместимости вредного вещества с жизнью. Степень токсического эффекта зависит от биологических особенностей пола, возраста и индивидуальной чувствительности организма; строения и физико-химических свойств яда; количества попавшего в организм вещества; факторов внешней среды (температура, атмосферное давление).
Понятие об экологической патологии. Возросшая нагрузка на организм, обусловленная широким производством вредных для человека химических продуктов, попадающих в окружающую среду, изменила иммунобиологическую реактивность жителей городов, включая детское население. Это приводит к расстройствам основных регуляторных систем организма, способствуя массовому росту заболеваемости, генетическим нарушениям и другим изменениям, объединенных понятием — экологическая патология.
В условиях экологического неблагополучия раньше других систем реагируют иммунная, эндокринная и центральная нервная системы, вызывая широкий спектр функциональных расстройств. Затем появляются нарушения обмена веществ и запускаются механизмы формирования экозависимого патологического процесса.
Среди ксенобиотиков важное место занимают тяжелые металлы и их соли, которые в больших количествах выбрасываются в окружающую среду. К ним относятся известные токсичные микроэлементы (свинец, кадмий, хром, ртуть, алюминий и др.) и эссенциальные микроэлементы (железо, цинк, медь, марганец и др.), также имеющие свой токсический диапазон.
Основным путем поступления тяжелых металлов в организм является желудочно-кишечный тракт, который наиболее уязвим к действию техногенных экотоксикантов.
Спектр экологических воздействий на молекулярном, тканевом, клеточном и системном уровнях во многом зависит от концентрации и длительности экспозиции токсического вещества, комбинации его с другими факторами, предшествующего состояния здоровья человека и его иммунологической реактивности. Большое значение имеет генетически обусловленная чувствительность к влиянию тех или иных ксенобиотиков. Несмотря на разнообразие вредных веществ, существуют единые механизмы их воздействия на организм, как у взрослого человека, так и у ребенка.
Отравления соединениями тяжелых металлов известны с древних времен. Упоминание об отравлениях «живым серебром» (сулема) встречается в IV веке. В середине века сулема и мышьяк были наиболее распространенными неорганическими ядами, которые использовались с криминальной целью в политической борьбе и в быту. Отравления соединениями тяжелых металлов часто встречались в нашей стране: в 1924-1925 гг. Было зарегистрировано 963 смертельных исхода от отравлений сулемой. Отравления соединениями меди преобладают в районах садоводства и виноделия, где для борьбы с вредителями используется медный купорос. В последние годы наиболее распространены отравления ртутью. Нередки случаи массовых отравлений, например, гранозаном после употребления семян подсолнечника, обработанного этим средством. 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.
Два d-элемента — кобальт и никель, широко используют в современных промышленных технологиях. При высоком содержании их в окружающей среде эти элементы могут поступать в повышенных количествах в организм человека, вызывая отравления с тяжелыми последствиями.
Кобальт является биоэлементом, который принимает активное участие в ряде биохимических процессов. Однако избыточное его поступление вызывает токсический эффект с разными повреждениями в системах окислительных превращений. Данный эффект обусловлен способностью кобальта вступать в связь с атомами кислорода, азота, серы, в конкурентные отношения с железом и цинком, входящими в состав активных центров многих ферментов. Соединения Cо(III) обладают сильной окислительной комплексообразовательной способностью.
В отношении скорости сорбции чистого кобальта, его оксидов и солей в ЖКТ сведения разноречивы. В одних исследованиях отмечено слабое всасывание (11…30%) даже хорошо растворимых солей кобальта, в других указано на высокую сорбцию солей кобальта в тонком кишечнике (до 97%) в связи с хорошей их растворимостью в нейтральной и щелочной средах. На уровень сорбции влияет также величина дозы, поступившей перорально: при малых дозах сорбция больше, чем при больших.
Ni(II) преобладает в биологических средах, образуя разные комплексы с химическими компонентами последних. Металлический никель и его оксиды из ЖКТ всасываются медленнее, чем его растворимые соли. Поступивший с водой никель абсорбируется легче, чем входящий в виде комплексов в состав пищи. В целом количество всосавшегося из ЖКТ никеля составляет 3…10%. В его транспорте участвуют те же белки, которые связывают железо и кобальт.
Цинк, также относящийся к d-элементам и имеющий состояние окисления +2, является сильным восстановителем. 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. Абсорбция цинка из ЖКТ достигает 50% от введенной дозы. На уровень абсорбции оказывает влияние количество цинка в пище и ее химический состав. Пониженный уровень цинка в пище способствует увеличению абсорбции этого металла до 80% от введенной дозы. Увеличению абсорбции цинка из ЖКТ способствуют белковая диета, пептиды и некоторые аминокислоты, которые, вероятно, образуют хелатные комплексы с металлом, а также этилендиаминтетраацетатом. Высокое содержание фосфора и меди в пище снижает абсорбцию цинка. Наиболее активно цинк всасывается в двенадцатиперстной кишке и верхней части тонкого кишечника.
Ртуть (d-элемент) — единственный металл, который находится в обычных условиях в виде жидкости и интенсивно выделяет пары. Из неорганических соединений ртути наиболее опасны металлическая ртуть, выделяющая пары, и хорошо растворимые соли Hg(II), образующие ионы ртути, действием которых и определяется токсичность. Соединения двухвалентной ртути токсичнее, чем одновалентной. Выраженная токсичность ртути и ее соединений, отсутствие данных о сколько-нибудь заметных положительных физиологических и биохимических эффектах указанного микроэлемента заставляли исследователей относить его не только к биологически ненужным, но и опасным даже в ничтожных количествах из-за его широкой распространенности в природе. В последние десятилетия, однако, появляется все больше свидетельств и мнений о жизненно важной роли ртути. Надо отметить, что ртуть — один из самых токсичных металлов, она постоянно присутствует в природной среде (почве, воде, растениях), может в избытке поступать в организм человека через ЖКТ вместе с пищей и водой. Неорганические соединения ртути слабо всасываются в ЖКТ, в то время как органические, например метилртуть, абсорбируются почти полностью.
Свинец, относящийся, как и олово, к p-элементам и являющийся в современную эпоху одним из наиболее распространенных металлозагрязнителей окружающей среды и, прежде всего, воздуха, к сожалению, в значительных количествах может поступать в организм человека ингаляционным путем. Свинец в виде нерастворимых соединений (сульфидов, сульфатов, хроматов) плохо всасывается из ЖКТ. Растворимые соли (нитраты, ацетаты) всасываются в несколько больших количествах (до 10%).
При дефиците кальция и железа в пищевом рационе абсорбция свинца увеличивается.
Из приведенных выше данных о распределении, накоплении и превращении ряда тяжелых металлов видно, что указанные процессы имеют много особенностей. Несмотря на различия в естественной биологической значимости разных металлов, все они при избыточном поступлении в организм вызывают токсические эффекты, сопряженные с нарушением нормального хода биохимических процессов и физиологических функций.
Следует особо отметить то, что избирательное накопление и длительность задержки металлов в ткани или органе в значительной степени определяют поражение того или иного органа. Например, эндемические заболевания щитовидной железы в отдельных биогеохимических провинциях связывают с избыточным поступлением некоторых металлов и высоким содержанием их в самой железе. К таким металлам относят кобальт, марганец, хром, цинк. Еще хорошо известно поражение центральной нервной системы при отравлениях ртутью, марганцем, свинцом и таллием. Выведение металлов из организма в основном осуществляется через ЖКТ и почки. При этом следует иметь в виду, что небольшое количество металлов может выделяться с грудным молоком, потом и волосами. Скорость выведения и количество выделившегося металла за определенный промежуток времени зависит от пути поступления, дозы, свойства каждого конкретного соединения металла, прочности связи последнего с биолигандами и длительности его действия на организм. Например, разные соединения хрома выделяются из организма через кишечник, почки, с грудным молоком. Так соединения Cr(VI) превосходят по скорости выделения Cr(III).
Лучше растворимый хромат натрия выделяется преимущественно через почки, а слаборастворимый хлорид хрома — кишечным и почечным путями. К другим металлам, которые выводятся двумя основными путями (через ЖКТ и почки), относят никель, ртуть и др. Нерастворимые соединения никеля даже при разных путях поступления в большем количестве выделяются через кишечник. Таким образом, выведение избыточных количеств разных металлов из организма человека является сложным биокинетическим процессом. Во многом он зависит от путей трансформации металлов в органах и тканях и скорости элиминации из них.
Вредные вещества могут оказывать на организм специфическое действие, которое проявляется не в период воздействия и не сразу по его окончании, а в периоды жизни, отделенные от химической экспозиции многими годами и даже десятилетиями. Проявление этих эффектов возможно и в последующих поколениях. Под термином «отдаленный эффект» следует понимать развитие патологических процессов и состояний у индивидуумов, имевших контакт с химическими загрязнениями среды обитания в отдаленные сроки их жизни, а также в течение жизни их потомства. К нему относятся гонадотропное, эмбриотоксическое, канцерогенное, мутагенное действие.
По опасности для здоровья человека тяжелые металлы делятся на следующие классы:
1 класс (самый опасный): Cd, Hg, Se, Pb, Zn
2 класс: Co, Ni, Cu, Mo, Sb, Cr
3 класс: Ba, V, W, Mn, Sr
Токсичность тяжелых металлов в организме человека.
В таблице показана зависимость здоровья человека от уровня загрязнения тяжелыми металлами:
|
Уровень |
В почве |
Влияние на здоровье человека. (медицинская статистика) |
|
|
Допустимый |
Меньше 16 у.е. |
— |
|
|
Умеренно опасный |
16-32 у.е. |
Увеличение общей заболеваемости |
|
|
Опасный |
32-128 у.е. |
Увеличение хронической заболеваемости (ССС) |
|
|
Чрезвычайно опасный |
> 128 у.е. |
Увеличение детской заболеваемости, токсикозы беременности, недоношенности, выкидыши, уродства |
|
6. Проведение опыта
Для проведения опыта нами были взяты три образца: крупа гречневая, крахмал, ржаной хлеб. Навески по 5 грамм измельчают до муки, помещают в тигель и осторожно обугливают на электрической плитке и прокаливают в муфельной печи при температуре 500-550?. При работе с образцами нельзя допускать его воспламенения или разбрызгивания. Для ускорения озоления можно в тигель после охлаждения добавить несколько капель перекиси водорода, которую затем необходимо удалить в сушильном шкафу при температуре 90-100?, а сухой остаток снова прокалить в муфельной печи до полного озоления пробы.
Полученная зола должна быть рыхлой, белого или серого цвета, без обугленных частиц. Затем образцы помещают в спектр и вычисляют содержание тяжелых металлов и примесей. По получению результатов исследования было выявлено, что содержание тяжелых металлов в образцах соответствует нормам. Результаты представлены в таблице.
|
Пищевые продукты |
Свинец |
Кадмий |
Мышьяк |
Ртуть |
Медь |
Цинк |
|
|
Крупа |
0,5 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
9,0 |
50,0 |
|
|
Крахмал |
0,5 |
0,1 |
0,1 |
0,2 |
10,0 |
32,0 |
|
|
Хлеб |
0,3 |
0,5 |
0,1 |
0,3 |
10,0 |
50,0 |
|
Заключение
Неконтролируемое загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами угрожает здоровью людей. Прием токсических веществ, приводит к необратимым изменениям внутренних органов. В результате развиваются неизлечимые болезни: нарушения желудочно-кишечного тракта, печени, почечные и печеночные колики, параличи. Нередки смертельные случаи.
В связи с этим необходимо максимально снизить уровень поступления тяжелых металлов в организм человека. В частности, путем получения продукции растениеводства (пищи для человека и сельскохозяйственных животных, которые в свою очередь также являются источником продуктов питания для человека) свободной от загрязнения ТМ. Следовательно, необходимо проводить химический анализ почв на содержание каждого из наиболее опасных металлов. К сожалению, в Российской Федерации таких исследований не проводятся и поэтому невозможно судить о безопасности продукции растениеводства. Для ликвидации этой проблемы следует ввести ряд мероприятий, таких как, проведение агрохимического обследования угодий, составление картограмм содержания тяжелых металлов, подбор культур минимально потребляющих ТМ. Введение этих мер будет способствовать мониторингу содержания тяжелых металлов в пищевых продуктах и значительно уменьшит их содержание.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/tyajelyie-metallyi-v-pischevyih-produktah/
1. Посыпанов Г.С., Долгодворов В.Е., Коренев Г.Е. и др. Растениеводство. М.: ”Колос”, 1997.
2. Лушников Е.К. Клиническая токсикология. М: Медицина, 1990.
3. Душенков В., Фоскин Н. Фиторемедиация: зеленая революция. Доклад, Ратгерский университет, Нью-Джерси, США, 1999.
4. http://eat-info.ru/references/pollutants/tyazhelye-metally/.
5. .
6. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ecolog/1053/%D0%A2%D0%AF%D0%96%D0%95%D0%9B%D0%AB%D0%95.
