Реферат: Токсичные элементы

Токсичные элементы (в частности, некоторые тяжелые металлы) со­ставляют обширную и весьма опасную в токсикологическом отношении группу веществ. Обычно рассматривают 14 элементов: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Sn, Zn, Al, Be, Fe, Cu, Ba, Cr, Tl. Разумеется, не все перечисленные эле­менты являются ядовитыми, некоторые из них необходимы для нормаль­ной жизнедеятельности человека и животных. Поэтому часто трудно про­вести четкую границу между биологически необходимыми и вредными для здоровья человека веществами.

В большинстве случаев реализация того или иного эффекта зависит от концентрации. При повышении оптимальной физиологической кон­центрации элемента в организме может наступить интоксикация, а де­фицит многих элементов в пище и воде может привести к достаточно тяжелым и трудно распознаваемым явлениям недостаточности.

Зависимость вредного или полезного действия некоторых элементов от концентрации показана на рис. 11.3.

Для веществ, относящихся к так называемым супертоксикантам, пла­то, характеризующее норму, отсутствует (или очень короткое), а крутиз­на нисходящей ветви характеризует токсичность вещества (рис. 11.4).

Загрязнение водоемов, атмосферы, почвы, сельскохозяйственных ра­стений и пищевых продуктов токсичными металлами происходит за счет:

—выбросов промышленных предприятий (особенно угольной, металлур­-
гической и химической промышленности);

—выбросов городского транспорта (имеется в виду загрязнение свин­-
цом от сгорания этилированного бензина);

—применения в консервном производстве некачественных внутренних
покрытий и при нарушении технологии припоев;

—контакта с оборудованием (для пищевых целей допускается весьма
ограниченное число сталей и других сплавов).

Для большинства продуктов установлены предельно-допустимые кон­центрации (ПДК) токсичных элементов, к детским и диетическим про­дуктам предъявляются более жесткие требования.

Наибольшую опасность из вышеназванных элементов представляют ртуть (Hg), свинец (РЬ), кадмий (Cd).

Ртуть. Ртуть — один из самых опасных и высокотоксичных элемен­тов, обладающий способностью накапливаться в растениях и в организ­ме животных и человека, т. е. является ядом кумулятивного действия.

Токсичность ртути зависит от вида ее соединений, которые по-разно­му всасываются, метаболизируются и выводятся из организма. Наибо­лее токсичны алкилртутные соединения с короткой цепью — метилртуть, этилртуть, диметилртуть. Механизм токсического действия ртути связан с ее взаимодействием с сульфгидрильными группами белков. Блокируя их, ртуть изменяет свойства или инактивирует ряд жизненно важных ферментов. Неорганические соединения ртути нарушают обмен аскор­биновой кислоты, пиридоксина, кальция, меди, цинка, селена; органи­ческие — обмен белков, цистеина, аскорбиновой кислоты, токоферолов, железа, меди, марганца, селена.

Защитным эффектом при воздействии ртути на организм человека обладают цинк и, особенно, селен. Предполагают, что защитное действие селена обусловлено деметилированием ртути и образованием нетоксич­ного соединения — селено-ртутного комплекса.

О высокой токсичности ртути свидетельствуют и очень низкие зна­чения ПДК: 0,0003 мг/м3 в воздухе и 0,0005 мг/л в воде. Безопасным уров­нем содержания ртути в крови считают 50—100 мкг/л. Человек получает с суточным рационом около 0,05 мг ртути, что соответствует рекоменда­циям ФАО/ВОЗ.

В организм человека ртуть поступает в наибольшей степени с рыбо­продуктами, в которых ее содержание может многократно превышать ПДК. Мясо рыбы отличается наибольшей концентрацией ртути и ее со­единений, поскольку активно аккумулирует их из воды и корма, в кото­рый входят различные гидробионты, богатые ртутью. Например, хищ-

ные пресноводные рыбы могут содержать от 107 до 509 мкг/кг, нехищ­ные пресноводные рыбы от 78 до 200 мкг/кг, а океанские нехищные рыбы от 300 до 600 мкг/кг Hg. Организм рыб способен синтезировать метил-ртуть, которая накапливается в печени. У некоторых видов рыб в мыш­цах содержится белок — металлотионеин, который с различными метал­лами, в том числе и с ртутью, образует комплексные соединения, спо­собствуя тем самым накапливанию ртути в организме и передаче ее по пищевым цепям. У таких рыб содержание ртути достигает очень высо­ких концентраций: рыба-сабля содержит от 500 до 20 000 мкг/кг, а тихо­океанский марлин от 5000 до 14 000 мкг/кг. Для других продуктов харак­терно следующее содержание ртути (мкг/кг). В продуктах животновод­ства: мясо 6-20, печень 20-35, почки 20-70, молоко 2-12, сливочное масло 2—5, яйца 2—15; в съедобных частях сельскохозяйственных расте­ний: овощи 3-59, фрукты 10-124, бобовые 8-16, зерновые 10-103; в шля­почных грибах 6-447, в перезрелых до 2000 мкг/кг, причем в отличие от растений в грибах может синтезироваться метилртуть. При варке рыбы и мяса концентрация ртути в них снижается, при аналогичной обработке грибов остается неизменной. Это различие объясняется тем, что в грибах ртуть связана с аминогруппами азотсодержащих соединений, в рыбе и мясе — с серосодержащими аминокислотами.

Свинец.Свинец один из самых распространенных и опасных токси­кантов. История его применения очень древняя, что связано с относи­тельной простотой его получения и большой распространенностью в зем­ной коре (1,6 • 10-3%). Соединения свинца — Рb3О4 и PbSO4 — основа широко применяемых пигментов: сурика и свинцовых белил. Глазури, которые используются для покрытия керамической посуды, также со­держат соединения Рb. Металлический свинец со времен Древнего Рима применяют при прокладке водопроводов. В настоящее время перечень областей его применения очень широк: производство аккумуляторов, электрических кабелей, химическое машиностроение, атомная промыш­ленность, производство эмалей, замазок, лаков, хрусталя, пиротехничес­ких изделий, спичек, пластмасс и т. п. Мировое производство свинца составляет более 3,5 • 106 т в год. В результате производственной деятель­ности человека в природные воды ежегодно попадает 500-600 тыс. т, а в атмосферу в переработанном и мелкодисперсном состоянии выбрасы­вается около 450 тыс. т, подавляющее большинство которого оседает на поверхности Земли. Основным источником загрязнения атмосферы свинцом являются выхлопные газы автотранспорта (260 тыс. т) и сжига­ние каменного угля (около 30 тыс. т). В тех странах, где использование бензина с добавлением тетраэтилсвинца сведено к минимуму, содержа­ние свинца в воздухе удалось многократно снизить. Следует подчеркнуть, что многие растения накапливают свинец, который передается по пище-

вым цепям и обнаруживается в мясе и молоке сельскохозяйственных животных, особенно активное накопление свинца происходит вблизи промышленных центров и крупных автомагистралей.

Ежедневное поступление свинца в организм человека с пищей — 0,1— 0,5 мг, с водой — 0,02 мг. Содержание свинца (в мг/кг) в различных про­дуктах таково: фрукты 0,01-0,6; овощи 0,02-1,6; крупы 0,03-3,0; хлебо­булочные изделия 0,03-0,82; мясо и рыба 0,01-0,78; молоко 0,01-0,1. В организме 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.

Механизм токсического действия свинца имеет двойную направлен­ность. Во-первых, блокада функциональных SH-групп белков и, как след­ствие, — инактивация ферментов, во-вторых, проникновение свинца в нервные и мышечные клетки, образование лактата свинца, затем фос­фата свинца, которые создают клеточный барьер для проникновения ионов Са2+. Основными мишенями при воздействии свинца являются кроветворная, нервная и пищеварительная системы, а также почки. Свин­цовая интоксикация может приводить к серьезным нарушениям здоро­вья, проявляющимся в частых головных болях, головокружениях, повы­шенной утомляемости, раздражительности, ухудшении сна, мышечной гипотонии, а в наиболее тяжелых случаях к параличам и парезам, ум­ственной отсталости. Неполноценное питание, дефицит в рационе каль­ция, фосфора, железа, пектинов, белков (или повышенное поступление кальциферола) увеличивают усвоение свинца, а следовательно — его ток­сичность. Допустимая суточная доза (ДСД) свинца составляет 0,007 мг/кг; величина ПДК в питьевой воде — 0,05 мг/л.

Мероприятия по профилактике загрязнения свинцом сырья и пище­вых продуктов должны включать государственный и ведомственный кон­троль за промышленными выбросами свинца в атмосферу, водоемы и почву. Необходимо существенно снизить или полностью исключить при­менение тетраэтилсвинца в бензине, свинцовых стабилизаторах, изде­лиях из поливинилхлорида, красителях, упаковочных материалах и т. п.

Кадмий.Кадмий широко применяется в различных отраслях промыш­ленности. В воздух кадмий поступает вместе со свинцом при сжигании топлива на ТЭЦ, с газовыми выбросами предприятий, производящих или использующих кадмий. Загрязнение почвы кадмием происходит при осе­дании кадмий-аэрозолей из воздуха и дополняется внесением минераль­ных удобрений: суперфосфата (7,2 мг/кг), фосфата калия (4,7 мг/кг), се­литры (0,7 мг/кг). Заметно содержание кадмия и в навозе, где он обнару­живается в результате следующей цепи переходов: воздух—почва—расте­ния—травоядные животные—навоз. В некоторых странах соли кадмия применяют в качестве антисептических и антгельминтных препаратов в

ветеринарии. Все это определяет основные пути загрязнения кадмием окружающей среды, а следовательно, продовольственного сырья и пи­щевых продуктов.

Содержание кадмия (в мкг/кг) в различных продуктах выглядит сле­дующим образом. Растительные продукты: зерновые 28—95, горох 15— 19, фасоль 5-12, картофель 12-50, капуста 2-26, помидоры 10-30, салат 17-23, фрукты 9-42, растительное масло 10-50, сахар 5-31, грибы 100-500; в продуктах животноводства: молоко — 2,4, творог — 6,0, яйца 23— 250. Установлено, что примерно 80% кадмия поступает в организм чело­века с пищей, 20% — через легкие из атмосферы и при курении. С раци­оном взрослый человек получает до 150 мкг/кг и выше кадмия в сутки. В одной сигарете содержится 1,5-2,0 мкг Cd. Подобно ртути и свинцу, кадмий не является жизненно необходимым металлом. Попадая в орга­низм, кадмий проявляет сильное токсическое действие, главной мише­нью которого являются почки. Механизм токсического действия кадмия связан с блокадой сульфгидрильных групп белков; кроме того, он явля­ется антагонистом цинка, кобальта, селена, ингибирует активность фер­ментов, содержащих указанные металлы. Известна способность кадмия нарушать обмен железа и кальция. Все это может привести к широкому спектру заболеваний: гипертоническая болезнь, анемия, ишемическая болезнь сердца, почечная недостаточность и другие. Отмечены канцеро­генный, мутагенный и тератогенные эффекты кадмия. По рекомендаци­ям ВОЗ допустимая суточная доза (ДСД) кадмия — 1 мкг/кг массы тела.

Большое значение в профилактике интоксикации кадмием имеет пра­вильное питание (включение в рацион белков, богатых серосодержащи­ми аминокислотами, аскорбиновой кислоты, железа, цинка, селена, каль­ция), контроль за содержанием кадмия (полярографический, атомно-абсорбционный анализы) и исключение из рациона продуктов, богатых кадмием.

Алюминий.Первые данные о токсичности алюминия были получены в 70-х гг. XX в., и это явилось неожиданностью для человечества. Будучи третьим по распространенности элементом земной коры (8,8% массы земной коры составляет А1) и обладая ценными качествами, металличе­ский алюминий нашел широкое применение в технике и быту. Постав­щиками алюминия в организм человека является алюминиевая посуда, если она контактирует с кислой или щелочной средой, вода, которая обогащается ионами А13+ при обработке ее сульфатом алюминия на водо­очистительных станциях. Существенную роль в загрязнении окружаю­щей среды ионами А13+ играют и кислотные дожди. Не следует злоупот­реблять содержащими гидроксид алюминия лекарствами: противогемор-роидальными, противоартритными, понижающими кислотность желу­дочного сока. Как буферную добавку вводят гидроксид алюминия и в

некоторые препараты аспирина и в губную помаду. Среди пищевых про­дуктов наивысшей концентрацией алюминия (до 20 мг/г) обладает чай.

Поступающие в организм человека ионы А13+ в форме нераствори­мого фосфата выводятся с фекалиями, частично всасываются в кровь и выводятся почками. При нарушении деятельности почек происходит накапливание алюминия, которое приводит к нарушению метаболиз­ма Са, Mg, P, F, сопровождающееся ростом хрупкости костей, развити­ем различных форм анемии. Кроме того, были обнаружены и более гроз­ные проявления токсичности алюминия: нарушение речи, провалы в памяти, нарушение ориентации и т. п. Все это позволяет приблизить «безобидный», считавшийся нетоксичным до недавнего времени алю­миний к «мрачной тройке» супертоксикантов: Hg, Pb, Cd.

Мышьяк.Мышьяк как элемент в чистом виде ядовит только в высо­ких концентрациях. Он принадлежит к тем микроэлементам, необходи­мость которых для жизнедеятельности организма человека не доказана, а его соединения, такие как мышьяковистый ангидрид, арсениты и арсе-наты, сильно токсичны. Мышьяк содержится во всех объектах биосфе­ры (в земной коре — 2 мг/кг, в морской воде — 5 мкг/кг). Известными источниками загрязнения окружающей среды мышьяком являются элек­тростанции, использующие бурый уголь, медеплавильные заводы; он ис­пользуется при производстве полупроводников, стекла, красителей, ин­сектицидов, фунгицидов и др.

Нормальный уровень содержания мышьяка в продуктах питания не должен превышать 1 мг/кг. Так, например, фоновое содержание мышья­ка (мг/кг): в овощах и фруктах 0,01-0,2; в зерновых 0,006-1,2; в говяди­не 0,005-0,05; в печени 2,0; яйцах 0,003—0,03; в коровьем молоке 0,005-0,01. Повышенное содержание мышьяка отмечается в рыбе и других гид-робионтах, в частности в ракообразных и моллюсках. По данным ФАО/ВОЗ, в организм человека с суточным рационом поступает в сред­нем 0,05—0,45 мг мышьяка. ДСД — 0,05 мг/кг массы тела.

В зависимости от дозы мышьяк может вызывать острое и хрониче­ское отравление, разовая доза мышьяка 30 мг — смертельна для челове­ка. Механизм токсического действия мышьяка связан с блокировани­ем SH-групп белков и ферментов, выполняющих в организме самые раз­нообразные функции.