II.1. Тяжелые металлы

К группе тяжелых металлов относят за исключением благородных и редких, те из металлов, которые имеют плотность более 8 тыс.кг/м³. — свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьму, висмут, ртуть, олово, ванадий. Подобное выделение выглядит весьма условным и в группу тяжелых металлов относят обычно также хром, серебро, золото, платину, железо, марганец, а также полуметалл мышьяк. Многие из этих агентов способны вызывать заболевания у людей и широко распространены в окружающей среде (таблица 4).

Таблица 4

Естественное содержание некоторых тяжелых металлов, вызывающих заболевания человека (в частях на миллион, ррm)

Металл	В горных породах	В угле	В морской воде	В растениях	В тканях животных
Кадмий	0,2	0 25	0,0001	0,1—6,4	0,1—3,0
Хром	1-00		0,00005	0,3—0,4	0,02—1,3
Кобальт			0,00027	0,2—5,0	0,3—4,0
Свинец	12,5		0,00003	1,8—50,0	0,3—35,0
Ртуть	0,08	-	0,00003	0,02-0,03	0,05—1,0
Никель			0,0045	1,5-36,0	0,4-26,0
Ванадий			0,002	0,13—5,0	0,14—2,3

Ртуть — рассеянный элемент, концентрирующийся в сульфидных рудах, лишь небольшое ее количество находится в самородном виде. Ее среднее содержание в атмосфере обычно ниже 50 нг/м3, в земной коре — около 0,08 мг/кг. Глобальные выделения ртути из природных источников представлены в таблице 5.

Ртуть широко используется в электротехнической промышленности и приборостроении, на хлорных производствах, как легирующая добавка, теплоноситель, катализатор при синтезе пластмасс, в лабораторной и медицинской практике, сельском хозяйстве. Основными источниками загрязнения окружающей среды этим элементом являются: пирометаллургические процессы получения металла, сжигание органических видов топлива, сточные воды, производство цветных металлов, красок, фунгицидов и т.д.

Выбросы ртути в окружающую среду в результате деятельности человека весьма значительны. Общая (природная и антропогенная) эмиссия ртути в атмосферу составляет свыше 6000 тонн ежегодно, причем менее половины — 2500 т составляют поступления от естественных источников.

Среди других тяжелых металлов, как и экотоксикантов вообще, ртуть наиболее изучена, прежде всего в отношении своей циркуляциив пищевых цепях.

Таблица 5

Глобальные выделения ртути из природных источников (в тысячах тонн в год)

Природный источник	Диапазон величин	Среднее значение
Переносимые ветром частицы почвы	0- 0,01	0,05
Аэрозоль морской соли	0-0,04	0,02
Вулканы	0,03- 2,0	1,0
Лесные пожары	0-0,05	0,02
Биогенные континентальные частицы	0- 0,04	0,02
Биогенные континентальные летучие вещества	0,02- 1,2	0,61
Биогенные морские источники	0,04-1,5	0,77
Общая эмиссия	0,10- 4,9	2,5

Наиболее опасным ее соединением является метилртуть. В середине нашего столетия в Скандинавии (как и других странах) проводили протравливание посевного зерна соединениями ртути. В Швеции это был метилртутьдицианамид, в Дании — фенил-ртуть, в Финляндии — алкоксиалкилат ртути. Концентрация ртути в семенном зерне достигала 15 — 20 мг/кг и уже через несколько лет была отмечена значительная гибель фазанов, кур, голубей, куропаток и других зерноядных птиц, а затем и хищных — сов и ястребов.

Как отмечено выше, соединения ртути, в т.ч. метилртуть в больших объемах попадает в водную среду. Ртуть активно аккумулируется планктонными организмами, представляющими пищу для ракообразных, а последние поедаются рыбами. Щуки, выловленные в Балтийском море у шведского побережья, содержали до 5,7 мг/кг метилртути и если этой рыбой кормили кошек, то они умирали от ртутного отравления через 2—3 месяца. Содержание же метилртути у берегов Нидерландов еще выше — 10 мг/кг. Принято считать, что уровень ртути в 20 мг/кг является для рыб летальным. В печени птиц из тех же районов обнаруживают еще большие концентрации ртути: у ястреба — до 25, пустельги — до 41 и кряквы — до 80 мг/кг.

Ртуть обладает широким спектром токсических эффектов на теплокровных. Механизм ее действия обусловлен блокадой аминных, сульфгидрильных и других активных групп молекул белка. Она способна включаться в транспортную РНК, нарушая тем самым биосинтез белков. Воздействие ртути приводит к биохимическим сдвигам, в частности к нарушению окислительного фосфорилирования в митохондриях почек и печени. Установлены нейротоксические, гонадотоксические, эмбриотоксические и тератогенные свойства соединений ртути. Особо чувствительными к действию ртути являются эмбрионы. У зародышей леопардовой лягушки Rana pipiens концентрация метилртути уже в 1 мг/кг вызывает серьезные специфические аномалии и приводит к задержке развития. Очевидно, что любые дозы ртути, которые кажутся безопасными для взрослого организма могут повреждать мозг плода. Генотоксические эффекты ртути и ее соединений изучались достаточно интенсивно. В опытах in vitro была выявлена индукция аномальных митозов и хромосомные поломки в клетках при обработке их метилртутью, при этом эффект от метилртути превышал действие классического митогенного агента — колхицина в тысячу и более раз. Важно отметить, что у японских детей, с врожденным отравлением метилртутью (о болезни Минамата речь пойдет ниже) была выявлена необычно высокая частота уродств. Кроме того, у людей потреблявших в пищу рыбу, загрязненную ртутью, шведскими учеными было обнаружено достоверное повышение хромосомных аберраций.

Характерен пример с "болезнью Минамата"; первые случаи этого заболевания, выражавшегося в нарушениях зрения, слуха, осязания, неврологических расстройствах были отмечены среди рыбаков на юге Японии, на берегах бухты Минамато еще в 1956 г. У новорожденных детей были зарегистрированы и врожденные пороки развития. Только в 1969г. было доказано, что причина заболевания — метилртуть, которая поступала со стоками фабрики по производству азотных соединений "Ниппон чиссо" и концентрировалась в морских организмах и рыбе, служившей пищей для населения. Всего было официально зарегистрировано 292 случая этой болезни и из них 62 закончились смертью.

О том, что экологическая опасность ртути, несмотря на достаточную изученность последствий ее действия, представляет собой серьезную проблему и сегодня, свидетельствует известный токсиколог В.Эйхлер, занимающийся пищевыми ядами. Ирак закупил у Мексики протравленное метилртутью зерно в качестве посевного материала, однако местное население использовало это зерно для выпечки хлеба. В результате 6530 человек отравились и 495 погибло от ртутного отравления.

Свинец. Содержание свинца в земной коре составляет 1,6х10"³ %; он в основном концентрируется в таких минералах как галенит, англезит, церуссит. Общие запасы свинца на Земле, оцениваемые в 100 млн.тонн, в основном представлены в виде сульфатов. Среднее содержание свинца в атмосфере 2 х 10^-9 — 5 х 10^-4 мкг/куб.м. В окружающую среду ежегодно из природных источников поступает с вулканическими выбросами, почвенной силикатной и метеоритной пылью, морскими солевыми аэрозолей и т.д. до 230 тысяч тонн. Глобальные выделения свинца из природных источников представлены в таблице 6.

Таблица 6

Глобальные выделения свинца из природных источников (в тысячах тонн в год)

Природный источник	Диапазон величин	Среднее значение
Переносимые ветром частицы почвы	0,30- 7,5	3,9
Аэрозоль морской соли	0,02- 2,8	1,4
Вулканы	0,54- 6,0	3,3
Лесные пожары	0,06- 3,8	1,9
Биогенные частицы континентальные	0,02- 2,5	1,3
Биогенные летучие вещества континентальные	0,01- 0,38	0,2
Биогенные морские источники	0,02- 0,45	0,24
Общая эмиссия	0,90- 23	12,0

Свинец широко используется в производстве кабелей, как компонент различных сплавов, для защитных экранов от гамма-излучения, при производстве электрических аккумуляторов, красок и пигментов, в химическом машиностроении, пиротехнике, полиграфии, сельском хозяйстве. Важно отметить, что почти 50% свинца не подлежит вторичному использованию. Еще один источник попадания свинца в организм человека — свинцовая посуда. Знатные древние римляне только с вином получали значительные дозы свинца. Дело в том, что тогда было принято для подслащения в вино добавлять так называемую сапу — виноградный сок сваренный в свинцовых котлах, что и приводило к хроническим отравлениям.

Выбросы свинца в окружающую среду в результате деятельности человека весьма значительны. Основными источниками загрязнения биосферы этим элементом являются: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (с ними поступает ежегодно до 260 тысяч тонн; в США более 90% антропогенного загрязнения свинцом приходится именно на этот источник), высокотемпературные технологические процессы (сжигание каменного угля поставляет в окружающую среду 27,5 — 35 тысяч тонн, а нефти и бензина почти 50% антропогенного выброса этого металла), добыча и переработка металла (в результате работы металлургических предприятий на поверхность Земли поступает около 90 тысяч тонн).

Концентрация свинца в природных водах обычно не превышает 10 мкг/л, что обусловлено его осаждением и комплексообразованием с органическими и неорганическими лигандами; интенсивность этих процессов во многом зависит от рН. Уровень общего содержания свинца в атмосферных осадках обычно колеблется от 1 до 50 мкг/л, но в районах интенсивной промышленности может достигать до 1000 мкг/л, приводя к серьезному загрязнению снежного покрова и почв.

Перенос свинца в окружающей среде и его распространение в объектах окружающей среды происходит главным образом через атмосферу. Некоторые виды планктона обладают способностью концентрировать свинец в 12000 раз. Интенсивно аккумулируют свинец хвойные деревья и мох. Аккумуляция свинца, изученная при анализе ледникового льда и снежного покрова в Гренландии, показала, что, наиболее свежие отложения льда, подвергшиеся исследованию, имели концентрацию свинца в 400 раз большую, чем естественный фон. Техногенная свинцовая нагрузка привела к тому, что резко повысилось содержание этого металла в объектах окружающей среды. Концентрация свинца в костях современного человека в 700—1200 раз превышает его содержание в скелетах людей живших 1600 лет назад.

При изучении циркуляции свинца в пищевых цепях было показано, что перенос на биоту взвешенного в воздухе свинца может происходить прямым (за счет выпадения осадков через надземные части растений) и/или косвенным путем (через почву); т.е. растения получают свинец из воздуха и из почвы, хотя межвидовые различия при этом весьма значительны. Перенос этого тяжелого металла от растений животным недостаточно хорошо прослежен. Люди подвергаются воздействию свинца при потреблении загрязненных пищи и воды, а также и при дыхании. Кроме того, дети могут получать свинец и через краски, и грудное молоко, а также при употреблении продуктов, не предназначенных для питания.

Свинец характеризуется широким спектром вызываемых им токсических эффектов на различных представителей биоты. Механизм его действия обусловлен ингибированием ферментов детоксикации ксенобиотиков и таким образом воздействие свинца приводит к биохимическим сдвигам, в частности к нарушению функции ряда митохондриальных или цитозольных ферментов (гемосинтетазы, копропорфириногеноксидазы, омега-аминолевулинатдегидратазы); свинец угнетает образование цитохома Р-450 и цитохромоксидазы.

Повышенное содержание свинца в почве ведет к уменьшению числа основных представителей почвенного микробиоценоза. Устойчивыми к токсическому действию соединений свинца являются некоторые почвенные грибы, а наоборот, чувствительными — актиномицеты и азотфиксирующие бактерии. Последних можно использовать в качестве биоиндикаторов степени загрязнения почв соединениями свинца. Показано, что содержание в почве свинца в концентрации 500—2500 мг/кг приводит к снижению урожайности редиса на 50, салата до 68, а репчатого лука до 74%. Меньше всего свинца накапливают бобовые — до 0,5 мг/кг сухого вещества, больше всего — в листьях репы и кабачках — до 16,2 и 22,4 мг/кг, соответственно. Вместе с тем, следует отметить, что поскольку неорганические соединения свинца в почве образуют нерастворимые соли и комплексы с различными анионами, то они обычно через корневую систему в наземные растения не попадают.

Проявление токсического действия соединений свинца отмечено у гидробионтов в дозах 0,1—0,4 мг/кг. Хлорид свинца в концентрации 0,01 мг/л в воде убивает дафний через сутки, в то время как нитрат свинца оказывает тот же эффект при значительно большей концентрации — 5 мг/л. Наиболее токсичными являются органические соединения — тетраэтил- и тетраметилсвинец. Некоторые виды рыб (радужная форель, минога, трехиглая колюшка) могут служить удобным индикатором загрязненности свинцом водной среды, так как реакция избегания проявляется у данных видов рыб уже при минимальных концентрациях этого поллютанта. Икринки и головастики испытанных видов амфибий также высоко чувствительны к токсическому действию соединений свинца, а взрослые особи тех же видов реагируют биохимическими изменениями (повышение уровня экскреции аминолевулиновой кислоты) при содержании свинца в пище при дозах выше 10 мг/кг.

Среди теплокровных наиболее чувствительны к отравлению соединениями свинца лошади и собаки, резистентны крысы, мыши и птицы. У последних (утки и гуси) токсические эффекты свинца отмечаются лишь при высоком его содержании в пище —100 мг/кг и более. Несмотря на то, что все соединения свинца действуют в общем сходно, их располагают по убывающей токсичности следующим образом:

Дата добавления: 2015-09-02