Отдаленные влияния тяжелых металлов на организм

Введение

Усвоение тяжелых металлов растениями

Токсичность тяжелых металлов в организме человека и животных

Отдаленные влияния тяжелых  металлов на организм

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Антропогенное загрязнение  почвенного покрова

По оценкам исследователей, в биосферу поступает ежегодно около 20 - 30 млрд. т. твёрдых отходов, из них 50 - 60 % органических соединений, а в  виде кислотных агентов газового или аэрозольного характера - около 1 млрд. т.

Охрана почв от загрязнений  является важной задачей, так как  любые вредные соединения, находящиеся  в почве, рано или поздно попадают в организм человека.

Во-первых, происходит постоянное вымывание загрязнений в открытые водоёмы и грунтовые воды, которые  могут использоваться человеком  для питья и других нужд.

Во-вторых, эти загрязнения  из почвенной влаги, грунтовых вод  и открытых водоёмов попадают в организмы  животных и растений, употребляющих  эту воду, а затем по пищевым  цепочкам опять-таки попадают в организм человека.

В-третьих, многие вредные  для человеческого организма  соединения имеют способность кумулироваться в тканях, и, прежде всего, в костях.

Пути попадания загрязнений  в почву:

1) С атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие  в атмосферу в результате работы  предприятий, затем растворяются  в капельках атмосферной влаги  и с осадками выпадают в  почву. Это, в основном, газы - оксиды  серы, азота и др. Большинство  из них не просто растворяются, а образуют химические соединения  с водой, имеющие кислотный  характер. Таким образом, и образуются  кислотные дожди.

2) Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твёрдые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Такие загрязнения можно наблюдать визуально, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи. Автомобили, особенно в городах и около дорог, вносят значительную лепту в пополнение почвенных загрязнений.

3) При непосредственном  поглощении почвой газообразных  соединений. В сухую погоду газы  могут непосредственно поглощаться  почвой, особенно влажной.

4) С растительным опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять-таки в почву.

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление даётся по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается  следующая картина по загрязнению  почвы:

1) Мусором, выбросами,  отвалами, отстойными породами. Вещества, не слишком вредные для организма  человека, но засоряющие поверхность  почвы, затрудняющие рост растений  на этой площади.

2) Тяжёлыми металлами.

3) Пестицидами.

4) Радиоактивными веществами.

Среди перечисленных загрязнений  тяжелые  металлы  и их соединения образуют значительную группу токсикантов, во многом определяющую антропогенное воздействие на экологическую структуру окружающей среды и на самого  человека. Учитывая все возрастающие масштабы производства и применения тяжелых металлов, высокую токсичность, способность накапливаться в организме   человека, оказывать вредное влияние даже в сравнительно низких концентрациях, или дозах, эти химические загрязнители должны быть отнесены к числу приоритетных.

 С экологических и  токсиколого-гигиенических позиций  не все тяжелые  металлы   могут быть восприняты однозначно. Прежде всего, представляют интерес  те  металлы, которые наиболее  широко и в значительных объемах  используют в производственной  деятельности  человека  и в  результате накопления во внешней  среде представляют серьезную  опасность с точки зрения их  биологической активности и токсических  свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.

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.

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.

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.

Влияние на токсичность  физико-химических свойств.

Имеется тенденция к увеличению токсичности с увеличением атомного веса, хотя есть и явные исключения, например бериллий, медь. Медь для многих клеток много токсичнее, чем такие  металлы, как барий, стронций и другие, несмотря на меньший атомный вес. Различна и сила действия железа в  двух- и трехвалентном состоянии, несмотря на одинаковый в обоих случаях  атомный вес элемента, что также  говорит против преимущественного  значения атомного веса для токсичности  металлов. В.И.Вернадский (1940) и А.И. Войнар (1960) предположили, что связь действия металлов с их атомным весом в том, что по мере увеличения последнего в данной группе элементов уменьшается их содержание в животном организме и увеличивается токсичность. Действительно, токсичность металлов с большим атомным весом, таких, как свинец, ртуть, золото, серебро и других, велика, а наличие их в животном организме либо оспаривается, либо очень невысоко.

Одним из первых Mathews (1904) сделал попытку связать токсичность металлов с физическими свойствами, иными, чем их атомный вес. Он предположил, что физиологическая активность металла определяется легкостью, с которой он отдает свой электрон, степенью сродства последнего к заряду элемента. Более прочная связь обуславливает малую активность элемента. В качестве физического показателя этой связи Mathews избрал нормальный потенциал. Этот параметр характеризует способность металла переходить в раствор в виде ионов. Чем отрицательнее нормальный потенциал металла, тем легче этот металл растворяется. Связь нормального потенциала металлов с силой их действия Mathews проверял в опытах по изучению влияния растворов хлоридов разных металлов на изолированный нерв и яйца морского ежа. В результате изучения действия 27 металлов автор пришел к заключению, что их токсичность меняется обратно значению нормального потенциала.

Malstrom и Rosenberg (1959) считали такие показатели, как электроотрицательность и ионный радиус, наиболее надежными параметрами в характеристике элементов в смысле влияния на биологическую активность металлов, в частности при образовании ими комплексов в биосредах (стабильность комплексов, в свою очередь, является функцией электронных свойств металлов).

Соли металлов в растворах  могут образовывать ионы, гидраты, комплексы. В свою очередь последние могут  вновь диссоциировать, образуя ионы. Поэтому токсичность, прежде всего, может быть связана с действием ионов и со свойствами атомов и ионов металлов, характеризующими их активность, способность вступать в связь с протоплазмой, с отдельными ее компонентами. Современные данные говорят, что в токсическом действии солей металлов основное значение принадлежит самому металлу – катиону. Кислотный радикал может изменять этот эффект в незначительной степени (в силу изменения растворимости или степени диссоциации соли). Например, это существенно, когда речь идет о карбонатах. Эти соли менее токсичны в силу слабой растворимости и такой же слабой диссоциации.

Не только общая токсичность, но и другие, часто специфические, эффекты солей металлов связаны  с действием и дозой именно металла. Это показано на примере  специфического эпилирующего действия таллия, которое одинаково при равных дозах металла, введенного в виде разнообразных солей (Vuillaum, 1953). Установлено, что специфическое действие редкоземельных элементов на свертываемость крови определяется только ионом металла и не зависит от аниона.

Однако имеются данные, указывающие, что степень окисления  основного элемента аниона может  влиять на токсичность солей. Так, токсичность  анионов, содержащих галоиды, увеличивается  с возрастанием степени окисления  галоида, а ядовитость анионов, включающих элементы V-VI групп периодической  системы элементов (азот, серу), наоборот, снижается при повышении валентности.

Для галоидных соединений металлов большое значение имеет  степень диссоциации и главным  образом гидролиза с образованием кислот. Такой гидролиз известен для  галогенидов многих металлов: олова, титана, тантала, ниобия, германия и  других. Их токсическое (а именно раздражающее) действие связано с гидролизом этих соединений как в водных растворах, во влажном воздухе, так и при  соприкосновении с влажными средами  организма, в первую очередь –  на слизистых оболочках дыхательных  путей (И.В.Саноцкий, 1961; Н.В.Мезенцева, 1963).

Биологический и токсический  эффект солей, таким образом, может  изменяться в силу специфичности  действия анионов, например, галогенов, а также из-за гидролиза, сопровождающегося  образованием свободных кислот или  оснований. Ведущая же роль принадлежит  катиону металла.