Области, в которых наблюдается избыточная концентрация тяжелых металлов, расположены вблизи заводов, где сжигается мусор или перерабатываются высококонцентрированные вещества (краски, лаки и т.д.). Свинец в виде пыли оказывается на почве и растениях, с помощью которых и попадает в организм человека. Высокая концентрация тяжелых металлов крайне опасна для детей, так как сильно замедляет их умственное и физическое развитие.
Свинец не выводится из организма. Он имеет свойство накапливаться, вследствие чего обостряются хронические заболевания. Нередко возникают поражения мозга, в результате появляется умственная отсталость, агрессивность и галлюцинации. Особенно сильно этому подвержены дети. Свинец в несколько раз усиливает действие любого канцерогена, попавшего в организм. В некоторых случаях может появиться раковая опухоль.
Кадмий и ртуть (особенно ее металлоорганические соединения) в избыточном количестве способны вызывать онкологические заболевания. Отравление ртутью сопровождается резким изменением настроения и дрожью в руках. Высокая концентрация кадмиевой пыли в воздухе способна вызвать затруднение дыхания из-за поражения дыхательных путей.
В 20 годах прошлого века в США был построен завод по обогащению бензина тетраэтилсвинцом, очень ядовитым соединением. Уровень свинца в организме всех жителей страны еще 50 лет был в несколько раз выше нормы. Сегодня развитые страны отказались от столь вредного для человека производства. Также была запрещена первичная обработка руд цветных металлов.
Вред тяжелых металлов для окружающей среды
Тяжелые металлы - это одна из природных составляющих литосферы. Их концентрация в земной коре и почве очень мала, но из-за различных выбросов отходов и деятельности фабрик она может резко увеличиться. При этом пострадают все живые организмы. Биологическое равновесие области, где наблюдается высокая концентрация токсичных металлов, сильно нарушается. В организме животных происходят необратимые изменения.
Если человек будет употреблять их мясо, он также может отравиться. Известны случаи, когда при употреблении рыбы с избыточным содержанием кадмия, развивалась болезнь итай-итай. Она сопровождается нестерпимыми болями в позвоночнике и пояснице. При неправильном лечении все заканчивается смертельным исходом.
Тяжелые металлы имеют плотность более 4,6 г/см3 (Виннакер/Кюхлер). Они являются природной составляющей литосферы. Антропогенные источники тяжелых металлов - металлургические и термические процессы, движение транспорта, использование материалов и химикатов с тяжелыми металлами в их составе, коррозия металлоконструкций, горное дело и складирование отходов.
В окружающую среду тяжелые металлы попадают преимущественно с летающей пылью и при ее осаждении на почве и листьях (сухое опиожение). Природное поступление тяжелых металлов распределяется в результате массоперено- са вещества, как правило, равномерно и по большим площадям.
Места повышенных концентраций, несмотря на малые массопереносы, возникают в основном антропогенно из-за постоянства массовых потоков (движение транспорта, промыслы), при переработке высококонцентрированных материалов (лаки, стекло, металлы) и накоплении термическим (работа электростанций, сжигание мусора) или электролитическим (гальваника) путем. Тяжелые металлы как микроэлементы жизненно необходимы (в пище). Но в зависимости от вида и кол-ва они могут вызывать и интоксикацию в опред. точках организма.
В окружающей среде доминируют в качестве ядовитых металлов свинец (РЬ), кадмий (Cd) и ртуть (Нд).
В городах выбросы свинца происходят преимущественно из орг. алкилов свинца (тет- раэтила и тетраметила свинца), добавляемых в бензин в качестве антидетонаторов. Осаждение свинца на поверхности земли, вблизи предприятий по выплавке свинца (Штольберг, Окер) особенно опасно.для детей, вдыхающих свинцовую пыль и пачкающих ею руки, а также для взрослых, потребляющих свинец с пищей (лиственные овощи) и по цепям питания (мясо, молоко). В отличие от острых отравлений на производстве, постоянный прием свинца внутрь может привести к хроническим заболеваниям. Каждый прием свинца - это нагрузка на организм. Патогенными точками агрессии являются красные кровяные тельца, гладкая мускулатура и центр, нервная система. Поражение почек, системы кровообращения и половых органов (преждевременные роды, дефекты спермы) общеизвестно. Свинец поражает ферменты, способствующие образованию красных кровяных телец, что приводит к т. наз. гипохромной анемии. Поражение гладкой мускулатуры кровяных сосудов и кишечника вызывает нарушения в них. Сужение сосудов мозга и мозговой оболочки ведут к психическим заболеваниям, таким как слабоумие, галлюцинации и ослабление памяти.
Сильнее всего поражаются дети, поскольку мозговая оболочка и ее система кровообращения, предохраняющая взрослого человека от попадания чужеродных веществ в мозг, у детей еще не окрепла.
Дегенерация двигательных нейронов относится к наивысшим степеням поражения и может привести к полному параличу руки (слабость при разгибании, повисшая рука). Орг. соединения свинца, такие как триэтил- свинец, более ядовиты, чем неорг. и действуют исключительно невротоксически. Триэтилсвинец связывают с вымиранием лесов, поскольку он легко усваивается терпенами - компонентами смолы сосен и елей и причиняет вред.
Кадмий - побочный продукт при производстве цинка, он применяется для изготовления желтых красящих пигментов и никель-кадмиевых батареек (плоских элементов питания).
Как и свинец, кадмий не является жизненно необходимым. В теле человека кадмий накапливается в печени и почках; биол. период его полураспада составляет 10 лет. В тело он попадает с пищей и сигаретным дымом.
Cd фитотоксичен (хлорозы, некрозы вследствие разрушения тканей и хлорофилла).
Микроорганизмы заболевают при концентрации 0,1 мг/л, а 0,2 мг/л - смертельная доза для пресновод. планктона.
При многолетнем вдыхании Cd содержащей пыли повреждается мембрана между кровеносными сосудами и альвеолами, нарушается дыхание (ошек легких). Проблематичным является накопление кадмия в почках (нарушение почечных функций) и замещение им кальция в костях. Картина течения болезни с деформацией скелета и усыханием тела наблюдалась при несчастном случае отравления в Фуху (Япония), где питьевая и ирригационная воды были загрязнены Cd-содер- жащими стоками (болезнь итай-итай). Следует предотвращать малейшие выбросы Cd из-за его канцерогенное™, тераго- и мутагенности.
Ртуть в качестве опасного тяжелого металла получила известность после масштабных случаев отравлений в Пакистане, Ираке и Японии (болезнь Минамата). В процесс обмена веществ ртуть попадает через пищеварительный тракт из разбитых термометров, батареек и фунгицидов. Ее биоаккумуляция происходит прежде всего в рыбах и двустворчатых моллюсках. Все соединения ртути ядовиты. Наивысшую токсичность демонстрируют металлоргани- ческие соединения, преимущественно метилртуть.
Заболевания разнообразных.
Например накопление ртути в мозге приводит к нарушениям мозговой деятельности и замедляет развитие детей. Поскольку соединения Нд свободно преодолевают плаценту, нарушается развитие плода.
Из всех 104 известных человечеству на сегодня химических элементов 82 составляют металлы. Они занимают видное место в жизни людей в промышленной, биологической и экологической сфере. Современная наука подразделяет металлы на тяжёлые, лёгкие и благородные. В этой статье мы рассмотрим список тяжёлых металлов и их особенности.
Определение тяжёлых металлов
Изначально тяжёлыми металлами принято было называть тех их представителей, которые имеют атомную массу выше 50. Однако употребление названного термина на сегодняшний день происходит чаще не с химической точки зрения, а в зависимости от их воздействия на загрязнение окружающей среды. Таким образом, список тяжёлых металлов включает те металлы и металлоиды (полуметаллы), которые загрязняют элементы человеческой биосферы (почву, воду). Давайте рассмотрим их.
Сколько элементов включает список тяжёлых металлов?
На сегодня не существует единого мнения относительно количества элементов в названном перечне, поскольку нет общих критериев, относящих металлы к тяжёлым. Тем не менее, список тяжёлых металлов может быть сформирован в зависимости от различных свойств металлов и их признаков. К ним относят:
- Атомный вес. Исходя из этого критерия, к названным принадлежат более 40 элементов с атомной массой, превышающей 50 а.е.м (г/моль).
- Плотность. Исходя из этого критерия, тяжёлыми считаются те металлы, у которых плотность равна или превосходит плотность железа.
- Биологическая токсичность объединяет тяжёлые металлы, негативно влияющие на жизнедеятельность человека и живых организмов. В их списке порядка 20 элементов.
Влияние на организм человека
Большинство названных веществ оказывают негативное воздействие на все живые организмы. Ввиду значительной атомной массы, они плохо транспортируются и накапливаются в тканях человека, вызывая различные заболевания. Так, для человеческого организма кадмий, ртуть и свинец признаны как самые опасные и самые тяжёлые металлы.
Список токсичных элементов группируется по степени опасности по так называемым правилам Мертца, согласно которым наиболее токсичные металлы имеют наименьший диапазон экспозиции:
- Кадмий, ртуть, таллий, свинец, мышьяк (группа самых опасных металлических ядов, превышение допустимых норм которых способно привести к серьёзным психо-физиологическим нарушениям и даже к летальному исходу).
- Кобальт, хром, молибден, никель, сурьма, скандий, цинк.
- Барий, марганец, стронций, ванадий, вольфрам
Это однако не означает, что ни один из элементов, сгруппированных выше, по правилам Мертца, не должен присутствовать в человеческом организме. Напротив, список тяжёлых металлов насчитывает в нем эти и ещё более 20 элементов, небольшая концентрация которых не только не опасна для жизнедеятельности человека, но и необходима в метаболических процессах, особенно железо, медь, кобальт, молибден и даже цинк.
Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами
Элементами биосферы, подвергающимся загрязнению тяжёлыми металлами, являются почва и вода. Чаще всего виновниками этого выступают металлургические предприятия, перерабатывающие лёгкие и тяжёлые Список загрязняющих агентов также пополняют предприятия по сжиганию мусора, автомобильные выхлопы, котельные, химико-производственные, типографические компании и даже электростанции.
Чаще всего токсинами являются: свинец (автомобильное производство), ртуть (пример распространения: разбитые в быту градусники и люминесцентные осветительные приборы), кадмий (образуется в результате сжигания мусора). Кроме этого, большинство заводов в производстве используют тот или иной элемент, который может быть охарактеризован как тяжёлый. Металл группы, список которой был приведен выше, в виде отходов поступает чаще всего в водоёмы и далее по доходит до человека.
Кроме техногенных факторов загрязнения природы тяжёлыми металлами, существуют также природные - это извержения вулканов, в лаве которых обнаружено повышенное содержание кадмия.
Особенности распространения в природе самых токсичных металлов
Ртуть в природе более всего локализуется в водной и воздушной среде. В воды мирового океана ртуть поступает из промышленных сливов, также встречаются пары ртути, образующиеся вследствие горения угля. Токсичные соединения аккумулируются в живых организмах, особенно в морепродуктах.
Свинец имеет широкую область распространения. Он накапливается и в горах, и в почве, и в воде, и в живых организмах, и даже в воздухе, в виде выхлопных газов от автомобилей. Конечно, свинец поступает в окружающую среду и в результате антропологического действия в виде отходов от промышленной отрасли и неутилизированных отходов (аккумуляторы и батарейки).
А источником загрязнения окружающей среды кадмием являются а также природные факторы: выветривание медных руд, вымывание почв, а также результаты вулканической активности.
Область применения тяжёлых металлов
Несмотря на токсичность, современная промышленность создаёт огромное множество полезных продуктов, перерабатывая тяжёлые которых включает сплавы меди, цинка, свинца, олова, никеля, титана, циркония, молибдена и др.
Медь - высокопластичный материал, из которого получаются разнообразные провода, трубы, кухонная утварь, украшения, кровельное покрытие и многое другое. Кроме того, она широко используется в машиностроении и кораблестроительстве.
Цинк обладает высокими антикоррозийными свойствами, поэтому распространено использование для покрытия металлических изделий (т. н. оцинковка). Области применения продуктов из цинка: строительство, машиностроение, полиграфия (изготовление печатных форм), ракетостроение, химическая промышленность (производство лаков и красок) и даже медицина (антисептические средства и др.).
Свинец легко плавится, поэтому используется в качестве сырья во многих отраслях: лакокрасочной, химической, автомобильной (входит в состав аккумуляторов), радиоэлектронной, медицинской (изготовление защитных фартуков для пациентов во время прохождения рентген-исследований).
Тяжелые металлы оказывают серьезное влияние на состояние здоровье человека.
В ближайшее время вы сможете увидеть органы-мишени для тяжелых металлов на рисунке
Барий
Обадает высокой химической активностью, все соли бария очень ядовиты, легко растворимы в воде и биологических жидкостях.
Железо
Из воды железо практически не усваивается, кроме того, Всемирная организация здравоохранения не отмечает вредного воздействия железа, содержащегося в воде, на организм человека.
Повышенная концентрация железа придает воде бурый оттенок, делая ее непригодной для употребления по органолептическим показателям (но не по влиянию на здоровье). Также так называемая "ржавая" вода приводит к окрашиванию сантехники в соответствующий цвет.
Кальций
Придает воде жесткость, оседает при кипячении на посуде, приводит к засорению и поломке котлов, бытовой водной аппаратуры. Соединения кальция (гидрокарбонат, сульфат) практически не усваиваются организмом.
Кадмий
Связывет серосодержащие ферменты и аминокислоты, накапливается в организме. При отравлении вызывает рвоту и судороги.
Соединения кадмия поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. При хроническом отравлении анемия и разрушение костей.
Магний
Избыток магния оказывает в основном слабительный эффект, а также является антагонистом кальция и фосфора, вытесняя их из организма.
Марганец
Относится к тяжелым металлам. Обладает нейротоксичным действием, а также поражает сердечно-сосудистую систему, паренхиматозные органы (печень, легкие, почки). Употребление воды, с концентрацией марганца выше 0.1 мг/л (ПДК), может спровоцировать возникновение серьезных заболеваний костной системы.
Симптомы избытка марганца неспецифичны, сходны с другими заболеваниями: утомляемость, слабость, сонливость, головные боли; боли в пояснице, конечностях, в правом подреберье, понижение аппетита; расстройство мочеиспускания, половая слабость; бессонница, подавленное настроение, слезливость. У беременных употребляющих воду с повышенной концентрацией марганца, повышается риск рождения умственно неполноценных детей.
Без проведения анализа можно заподозрить высокое содержание Mn в воде - вяжущий вкус и желтоватая окраска. Такая вода не пригодна для питья, вредна для труб, сантехники, стиральных машин.
На содержание свободного марганца в воде влияют связь поверхностных вод с подземными водами, наличие фотосинтезирующих организмов, аэробные условия, разложение биомассы (мертвые организмы и растения); выщелачивание минералов и руд, которые содержат марганец; сточные воды с шахт, химическая промышленность, металлургия.
Очистка воды от железа и марганца производится с помощью обезжелезывателей, которые удаляют из воды Fe 2+ , Fe 3+ и марганец. Также возможно использование фильтров на основе оксидов марганца и аппаратов обратного осмоса. Выбор способа воздействия зависит от целей.
Медь
Медь токсичная в отношении ферментативной функции пищеварительной и выделительной систем (по последним исследованиям, это достаточно спорно). Медь в комбинации с препаратами витамина В6 подавляет свойства последнего, и он становится более токсичным. Большие дозы меди вызывают изменения в общем анализе крови - лейкопению с палочно-ядерным сдвигом влево.
Питьевая вода, содержащая избыточное количество меди (более 2 мг/л), раздражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта и вызывает рвоту. Недостаток меди в воде также нежелателен, так как она обладает бактерицидным действием. Риски для здоровья от избытка меди меньше, чем от ее недостатка. Ионы меди придают излишку меди в воде отчётливый «металлический вкус».
Мышьяк
Широко известный металл, который широко применялся для отравления королей, царей и царственных особ. Также употребляется для травли крыс и мышей. Также вызывает эндемический зоб из-за накопления в щитовидной железе. При отравлении вызывает боли в животе, рвоту, понос, угнетение центральной нервной системы. В малых дозах обладает канцерогенным эффектом.
Ртуть и ее соединения очень токсичны не только в виде паров, вызывают тяжелые отравления. Поражают нервную систему, почки, печень, желудочно-кишечный тракт. Органические соединения ртути еще более токсичны из-за более эффективного взаимодействия с ферментативными системами организма.
Свинец
Токсичен как в чистом виде, так и в соединениях. Одна из версий падения Римской империи связана с тем, что трубы в акведуках, посуда были сделаны из свинца. Накапливается в костях и вызывает их разрушение.
Cурьма
Обладает кумулятивным и раздражающим действием. Целевой орган - щитовидная железа, сурьма накапливается в ней и вызывает эндемический зоб. В основном опасна пыль и пары, в этом виде в продуктах питания не встречается.
Хром
При хроническом отравлении хромом наблюдаются головные боли, исхудание, воспалительные изменения слизистой желудка и кишечника. Хромовые соединения вызывают различные кожные заболевания, дерматиты и экземы, протекающие остро и хронически и носят пузырьковый, папулезный, гнойничковый или узелковый характер.
Соединения трехвалентного хрома вызывают дерматиты. Соединения четырехвалентного хрома приводят преимущественно к онкологическим заболеваниям.
Цинк
Цинк является природным антиоксидантом и способствует сопротивлению организма грязной окружающей среде. Участвует в процессах обмена, влияет на иммунитет, входит в состав карбоангидразы, обладает ранозаживляющим действием, оказывает противовирусное действие, участвует в процессах вкусового восприятия и обоняния, необходим для функционирования центральной нервной системы, в том числе для процессов запоминания.
Хроническое отравление характеризуется жалобами на усталость, отсутствие аппетита, головные боли, головокружение, тяжесть и стеснение в груди, тошноту, рвоту, поносы. При обследовании - истощение, признаки гепатита, гипотония, гипертиреоз, дерматиты дистрофического или аллергического характера.
Накапливается в костях, при недостатке цинка происходит деминерализация костей.
Несмотря на полезные свойства цинка, при его избытке происходит фиброзное перерождение поджелудочной железы.
Цинк угнетает активность железосодержащих ферментов цитохромоксидазы и каталазы, которые повышают способность костных клеток к синтезу коллагена.
Фосфид и оксид цинка
в отличие от металлического цинка ядовиты. Попадание в организм растворимых солей цинка приводит к расстройству пищеварения, раздражению слизистых оболочек.
Радионуклиды
Это природные радиоактивные элементы, которые всегда присутствуют в окружающей среде, создавая в том числе фон естественной радиации.
Вода из скважин содержит большее число радионуклидов по сравнению с обычной водой или водой из колодца.
Природные радиоактивные элементы содержаться в строительных материалах, особенно в бетонных конструкциях. Плохая вентиляция, особенно в домах с плотно закрывающимися окнами, может увеличить дозу облучения, обусловленную вдыханием радиоактивных аэрозолей за счет распада газа радона, который образуется в свою очередь при естественном распаде радия, содержащегося в почве и строительных материалах. Фосфорные удобрения, содержат естественные радионуклиды рядов урана и тория, что является дополнительным фактором облучения организма человека. Эти радионуклиды накапливаются в почве, затем с пылью и продуктами питания попадают в организм. Никем не афишируется, что тепловые электростанции выбрасывают в атмосферу радиоактивную золу, что очень актуально для левого берега города Воронежа.
При тепловой, кулинарной обработке содержание радионуклидов в продуктах питания, воде снижается на 30-50%.
Случаев возникновения лучевой болезни от загрязненной воды в нашей области не зафиксировано (в отличие от Чернобыля), но следует помнить, что избыточная радиация угнетает иммунную систему, способствуя появлению множества заболеваний.
Обычно определяется уровень загрязнения воды артезианских скважин по урану, радону, радию-226 и радию-228
