Физиологическое воздействие тяжёлых металлов на живые организмы

«Физиологическое воздействие тяжёлых металлов на живые организмы»

Физиологическое воздействие тяжёлых металлов на живые организмы многогранно и неоднозначно. Они и «злые» канцерогены, и «добрые» микроэлементы. В работе раскрыто значение тех и других для жизнедеятельности организмов.

Современный образ жизни ежедневно подвергает людей воздействию сотен химических веществ. Некоторые из них если не смертельны, то в определенной степени опасны для здоровья. Перечень токсичных химикатов включает тяжелые металлы, инсектициды и гербициды, входящие в пищевую цепочку, огнезащитные вещества, используемые в строительстве и производстве мебели, и много разных других веществ.

Особую группу токсичных веществ составляют тяжелые металлы. Поэтому цель данной работы: определить влияние тяжелых металлов на жизненные процессы в живых организмах.

Понятие тяжелых металлов во многом совпадает с понятием «микроэлементы». Такие химические элементы как свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами, но в тоже время железо, цинк, молибден, марганец, кобальт, медь являются и «микроэлементы», т. е. в микродозах они необходимы организму для нормальной жизнедеятельности. Эта группа веществ активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Но их повышенные концентрации в почвах и растениях дают полное основание отнести их к разряду токсичных. Таким образом, понятия "микроэлементы" и "тяжелые металлы" взаимосвязаны. Но тем не менее их следует разграничивать и четко следить за тем, чтобы количество данных элементов не превышало в окружающей среде допустимых норм. А содержание их в живых организмах соответствовало необходимым потребностям.

Тяжелые металлы являются одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением. К ним относятся более 40 химических элементов периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц массы. Все тяжелые металлы по их опасности для живых организмов можно разделить на две группы: металлы, соединения которых относятся к I классу опасности и металлы, соединения которых относятся ко II классу опасности. К тяжелым металлам I класса относятся наиболее опасные для живых организмов элементы: ртуть, свинец, цинк, кадмий, сурьма, мышьяк, кобальт. Ко II классу опасности из рассмотренных элементов относится марганец, медь и цинк. Но несмотря на вредное воздействие многих из элементов, некоторые из них являются необходимыми организмам для их нормальной жизнедеятельности.

В книге Гарсиласо де ла Вего есть строки: «Короли инков знали о ртути и восхищались ее подвижностью и движением, однако они не знали, что можно из нее и с ее помощью делать. Они не нашли полезного применения ей в своих службах, скорее они почувствовали, что ртуть причиняет вред жизни тех, кто ее добывал и занимался ею, ибо они видели, что она вызывала у них дрожь и потерю сознания. По этой причине. они запретили законом добывать и вспоминать о ней; и индейцы выполнили это столь усердно, что даже имя ее было стерто в их памяти и исчезло из языка».

Выведение из организма токсических веществ, в том числе и соединений металлов, происходит через органы пищеварения, различные железы (потоотделения, слюноотделения), легкие, но особенно через почки. Поэтому при многих отравлениях с помощью специальных средств вызывают усиление мочеотделения, что способствует удалению из организма с мочой ядовитых соединений. В медицине для их выведения используют природные или синтетические химические вещества, называемые антидотами.

Антидоты – вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры и инактивирующие яды посредством химической реакции. Механизм их действия описан в работе.

Универсальным антидотом является молоко. На его противоядные свойства указывал еще в начале новой эры Плиний Второй (23. 73гг. н. э. ). Употребление молока и сливочного масла при отравлении солями рекомендовал также Авиценна в своем знаменитом труде «Канон врачебной науки», созданном в 1012. 1023гг. Неспроста и в настоящее время сотрудникам химических лабораторий и работникам ряда химических производств в нашей стране в соответствии с нормами техники безопасности бесплатно выдается молоко.

Итак, тяжелые металлы как микроэлементы входят в состав всех живых организмов и играют важную роль в обменных процессах, являясь составной частью большинства ферментов. Но большие дозы данных веществ являются ядами.

Современный образ жизни ежедневно подвергает людей воздействию сотен химических веществ. Некоторые из них если не смертельны, то в определенной степени опасны для здоровья. Перечень токсичных химикатов включает тяжелые металлы, инсектициды и гербициды, входящие в пищевую цепочку, огнезащитные вещества, используемые в строительстве и производстве мебели, и много разных других веществ.

Особую группу токсичных веществ составляют тяжелые металлы. Понятие тяжелых металлов во многом совпадает с понятием «микроэлементы». Такие химические элементы как свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами, но в тоже время железо, цинк, молибден, марганец, кобальт, медь являются и «микроэлементы», т. е. в микродозах они необходимы организму для нормальной жизнедеятельности. Эта группа веществ активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Но их повышенные концентрации в почвах и растениях дают полное основание отнести их к разряду токсичных. Таким образом, понятия "микроэлементы" и "тяжелые металлы" взаимосвязаны. Но тем не менее их следует разграничивать и четко следить за тем, чтобы количество данных элементов не превышало в окружающей среде допустимых норм. А содержание их в живых организмах соответствовало необходимым потребностям.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Тяжелые металлы являются одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением. К ним относятся более 40 химических элементов периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц массы. Все тяжелые металлы по их опасности для живых организмов можно разделить на две группы: металлы, соединения которых относятся к I классу опасности и металлы, соединения которых относятся ко II классу опасности. К тяжелым металлам I класса относятся наиболее опасные для живых организмов элементы: ртуть, свинец, цинк, кадмий, сурьма, мышьяк, кобальт. Ко II классу опасности из рассмотренных элементов относится марганец, медь и цинк. Но несмотря на вредное воздействие многих из элементов, некоторые из них являются необходимыми организмам для их нормальной жизнедеятельности.

БИОФИЛЬНОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ КАК МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

Понятие биофильности элементов впервые было дано А. И. Перельманом(1975). Это было вызвано противоречием между спросом (со стороны живых существ) и предложением (со стороны горной породы).

Организм и среда, настолько зависимые явления в биосфере, что эволюция жизни непосредственно связана с эволюцией среды. При зарождении жизни на Земле основные процессы метаболизма определялись химическим составом первобытной морской воды. Такие элементы как Mo, Zn, Си, Сг, Мп, Со, возможно, могли быть использованы зарождающейся жизнью как катализаторы, и среди тяжелых металлов их можно отнести к биофильным элементам (с некоторой натяжкой в отношении Сг) (Бойченко и др. , 1972).

К числу первых работ о роли тяжелых металлов, как микроэлементов, их влиянии на живые организмы, можно отнести труды А. П. Виноградова (1952, 1963).

Интересные соображения о роли тяжелых металлов в клетке высказала З. И. Благовещенская (1961). Учитывая их склонность к комплексообразованию, она предположила, что главная функция микроэлементов - сближение и группировка в определенном порядке аминокислот и других органических соединений.

В. В. Ковальский (1982) считает, что процессы метаболизма в живой клетке происходят при участии многих металлоферментов, которые обладают микроэлементными координационными центрами(Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Fe, Se) и металлоферментных комплексов, содержащих разнообразные металлы(Мп, Со, Zn, Ni, Fe, Cd, Cu, Hg и др. ).

Такие тяжелые металлы-микроэлементы, как Си, Fe, Mn, Zn, участвуют в ключевых метаболических процессах клетки — дыхание, фотосинтез, фиксация и ассимиляция основных питательных веществ. Кроме того, металлы-микроэлементы активизируют энзимы или входят в металлоэнзимах в системы переноса электронов.

Имеются сообщения о том, что никель является незаменимым компонентом фермента уреазы.

Рядом авторов (Lindsay,1972; Price, 1972; Школьник,1974) доказана физиологическая необходимость цинка в метаболизме растений. Weinberg(1977) полагает, что цинк влияет на проницаемость мембран и стабилизирует клеточные компоненты и системы у микроорганизмов.

Биохимической функции меди посвящено много pa6oT(Fiskell,1965; Thoresby,1979; Loneragan,1981; Graham, 1981). Из всех опубликованных данных можно сделать следующие выводы о физиологической роли меди: присутствует, в основном, в комплексных соединениях с низкомолекулярными органическими веществами и протеинами; входит в состав энзимов, имеющих жизненно важные функции для метаболизма растений; играет значительную роль в фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов; контролирует образование ДНК и РНК.

Кобальт, так же как медь, марганец и молибден оказывает положительное влияние на фотосинтез в растениях, активизирует ферменты белкового обмена — аргиназу, лецитиназу, аминопептидазу; положительно влияет на устойчивость растений против неблагоприятных условий среды(Пейве,1961).

Таким образом, жизненно важное значение для растений многих тяжелых металлов, являющихся микроэлементами, доказано. Но крайне необходимо сопряженное изучение химизма растительности и почвы, о чем говорил еще Б. Б. Полынов (1956).

ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Как было сказано выше, тяжелые металлы оказывают не только положительное, но и крайне отрицательное воздействие на живые организмы.

Одним из наиболее опасных для живые организмов тяжелых металлов является ртуть. Анализ льда Гренландского ледяного купола показал, что, начиная с 800 г. н. э. до 1950-х гг. , содержание ртути оставалось постоянным, но уже с 50-х гг. нашего столетия количество ртути удвоилось.

В книге Гарсиласо де ла Вего есть строки: «Короли инков знали о ртути и восхищались ее подвижностью и движением, однако они не знали, что можно из нее и с ее помощью делать. Они не нашли полезного применения ей в своих службах, скорее они почувствовали, что ртуть причиняет вред жизни тех, кто ее добывал и занимался ею, ибо они видели, что она вызывала у них дрожь и потерю сознания. По этой причине. они запретили законом добывать и вспоминать о ней; и индейцы выполнили это столь усердно, что даже имя ее было стерто в их памяти и исчезло из языка».

Ртутной интоксикации подвергались не только те, кто пребывал в вечной и бесплодной погоне за призрачным золотом, но и мастера, имеющие дело с золотом реальным, например, при огневом способе золочения церковных куполов и дворцовых шпилей. Подготовленные для сборки кровли медные листы покрывали тонким слоем раствора золота в ртути и затем медленно подогревали на жаровнях с раскаленными угольями. Ртуть отгонялась, а золото осаждалось на листах. Именно таким способом золотили кресты и купол Исаакиевского собора. Золочение было трехкратным. Оно проводилось на открытом воздухе, но, несмотря на это, ядовитыми испарениями ртути отравилось несколько десятков рабочих.

При вдыхание паров ртути она концентрируется в мозге. Возникают нервно-психические нарушения, головокружение и постоянные головные боли, а также снижается память, расстраивается речь, возникает скованность, общая заторможенность.

До недавнего времени семена зерновых протравляли ртутью, и это отразилось на ее содержании в почве. Из овощей особенно сильно аккумулируют ртуть капуста, горький перец и фасоль. Темные сорта винограда поглощают больше ртути, чем светлые. Достаточно большое количество ртути попадает в окружающую среду самым обычным образом – при разбивании медицинских термометров. Любители статистики подсчитали, что в США ежегодно в процессе использования теряется 60 т ртути.

Но вот интересный факт: ртуть обнаружена в молекулах ДНК. Возможно, она участвует в передаче наследственной информации.

Ртуть и ее соединения опасны для жизни. Метилртуть особенно опасна для животных и человека, так как она быстро переходит из крови в мозговую ткань, разрушая мозжечок и кору головного мозга. Клинические симптомы такого поражения - оцепенение, потеря ориентации в пространстве, потеря зрения. Симптомы ртутного отравления проявляются не сразу. Другим неприятным последствием отравления метилртутью является проникновение ртути в плаценту и накапливание ее в плоде, причем мать не испытывает при этом болезненных ощущений.

У взрослого человека при попадании внутрь около 350 мг ртути может наступить смерть.

Кадмий, цинк и медь являются наиболее важными металлами при изучении проблемы загрязнений, так они широко распространены в мире и обладают токсичными свойствами. Кадмий и цинк обнаружены в основном в сульфидных осадках. Растительность содержит различное количество обоих элементов, но содержание цинка в золе растений относительно высоко –0,14; так как этот элемент играет существенную роль в питании растений.

Около 1 млн. кг кадмия попадает в атмосферу ежегодно в результате деятельности заводов по его выплавке. Кадмий обладает относительно высокой летучестью, поэтому он легко проникает в атмосферу. Источники загрязнения атмосферы цинком те же, что и кадмием.

Потенциальным источником загрязнением кадмием являются удобрения. При этом кадмий внедряется в растения, употребляемые человеком в пищу, и в конце цепочки переходят в организм человека. Кадмий и цинк легко проникают в морскую воду и океан через сеть поверхностных и грунтовых вод.

Кадмий и цинк накапливаются в определённых органах животных (особенно в печени и в почках).

Цинк наименее токсичен из всех вышеперечисленных тяжёлых металлов. Тем не менее все элементы становятся токсичными, если попадаются в избытке; цинк не является исключением. Физиологическое воздействие цинка заключается в действии его как активатора ферментов. В больших количествах он вызывает рвоту, эта доза составляет примерно 150 мг для взрослого человека. При хроническом отравлении кадмием в моче появляется белок, повышается кровяное давление.

При исследовании присутствия кадмия в продуктах питания было выявлено, что выделения человеческого организма редко содержат столько же кадмия, сколько было поглощено. Единого мирового мнения относительно приемлемого безопасного содержания кадмия в пище сейчас нет.

Медь обнаруживают в сульфидных осадках вместе со свинцом, кадмием и цинком. Она присутствует в небольших количествах в цинковых концентратах и может переноситься на большие расстояния с воздухом и водой. Аномальное содержание меди обнаруживается в растениях и почвах на расстоянии более 8 км от плавильного завода. Соли меди относятся ко II классу опасности. Токсические свойства меди изучены гораздо меньше, чем те же свойства других элементов. Поглощение больших количеств меди человеком приводит к болезни Вильсона, при этом избыток меди откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе.

Природное содержание марганца в растениях, животных и почвах очень высоко. Основные области производства марганца – производство легированных сталей, сплавов, электрических батарей и других химических источников тока. Присутствие марганца в воздухе сверх нормы (среднесуточная ПКД марганца в атмосфере – воздухе населённых мест – составляет 0,01 мг/м3) вредно влияет на организм человека, что выражается в прогрессирующем разрушении центральной нервной системы. Марганец относится ко II классу опасности.

АНТИДОТЫ

Выведение из организма токсических веществ, в том числе и соединений металлов, происходит через органы пищеварения, различные железы (потоотделения, слюноотделения), легкие, но особенно через почки. Поэтому при многих отравлениях с помощью специальных средств вызывают усиление мочеотделения, что способствует удалению из организма с мочой ядовитых соединений. В медицине для их выведения используют природные или синтетические химические вещества, называемые антидотами.

Антидоты – вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры и инактивирующие яды посредством химической реакции. Механизм их действия при отравлении солями металлов (неорганическими ядами) связывают с образованием малорастворимых или очень прочных соединений. Так, еще в 1806г. в качестве лечебного средства при отравлении барием были предложены глауберова соль Na2SO4·10H2O и сульфат магния MgSO4. При взаимодействии с солями бария они приводят к образованию сульфата бария, который вследствие малой растворимости не является ядовитым. Известно, что при рентгенологическом исследовании желудка пациента кормят кашей из сульфата бария, замешенного на воде. Как уже было отмечено, сулема HgCl2 является сильнейшим ядом. Хорошо известно, что ртуть(II) образует исключительно малорастворимый сульфид HgS. Поэтому антидотом против сулемы используют раствор сульфида натрия и магния.

Универсальным антидотом является молоко. На его противоядные свойства указывал еще в начале новой эры Плиний Второй (23. 73гг. н. э. ). Употребление молока и сливочного масла при отравлении солями рекомендовал также Авиценна в своем знаменитом труде «Канон врачебной науки», созданном в 1012. 1023гг. Неспроста и в настоящее время сотрудникам химических лабораторий и работникам ряда химических производств в нашей стране в соответствии с нормами техники безопасности бесплатно выдается молоко.

При выполнении данной работы было прочитано, проанализировано достаточное количество литературных источников. В результате обобщения установлено, что тяжелые металлы как микроэлементы входят в состав всех живых организмов и играют важную роль в обменных процессах, являясь составной частью большинства ферментов.

В результате общего загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы происходит интенсивное загрязнение почвы вредными веществами, в том числе и солями тяжелых металлов, которые с растворами минеральных солей всасываются корнями растений и накапливаются в плодах и семенах зерновых культур.

Тяжелые металлы, попадая в организм человека и животных могут вызывать различные заболевания. Увеличение концентрации тяжелых металлов в окружающей среде увеличивает число мутаций, передающихся по наследству. Мутанты подвержены порокам физического и умственного развития. Если проследить за мутацией рыб (они живут около 3 лет), станет очевидно, что у многих из них в загрязненных водоемах нарушается генофонд. Это телескопические потери плавников, чешуи, нижней челюсти и другие уродства. Средняя продолжительность жизни человека – 60 лет. Поэтому уже сегодня нужно резко ставить вопрос об экологических проблемах. Мы экономим на очистных сооружениях, а получается, что экономим на здоровье людей. А здоровье и за деньги не купишь. За нарушение генофонда мы отвечаем перед будущими поколениями.

Загрязнение тяжелыми металлами может быть уменьшено в результате запрещения производства и применения ряда продуктов производства, введением строгого контроля за отходами производства, а также за пищевыми продуктами.

Кроме этого необходимо знать, что есть вещества, которые называются антидотами. Они связывают и выводят тяжелые металлы из организма. К ним относятся некоторые неорганические соли: глауберова соль, сульфат магния, сульфат натрия и некоторые другие. Наиболее универсальными, важными и доступными являются молоко и сливочное масло, которые связывают и выводят из организма многие тяжелые металлы. На его противоядные свойства указывал еще в начале новой эры Плиний Второй (23. 73гг. н. э. ). Употребление молока и сливочного масла при отравлении солями рекомендовал также Авиценна в своем знаменитом труде «Канон врачебной науки», созданном в 1012. 1023гг. Неспроста и в настоящее время сотрудникам химических лабораторий и работникам ряда химических производств в нашей стране в соответствии с нормами техники безопасности бесплатно выдается молоко.