Загрязнение среды тяжелыми металлами

среди загрязняющих веществ по масштабам загрязнения и воздействию на биологические объекты особое место занимают тяжелые металлы.

К тяжелым металлам относятся химические элементы, имеющие плотность больше, чем у железа (> 5 г/см3), или атомную массу более 50 единиц, обладающие свойствами металлов или металлоидов: РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi, Hg. Они отличаются от других металлов высоким содержанием в промышленных отходах и высокой токсичностью. Эти металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, так как присутствуют практически во всех почвах в том или ином количестве. Большая часть их относится к микроэлементам, содержание их в почве находится в пределах микроконцентраций, измеряемых в миллиграммах на килограмм почвы.

Поведение и токсичность тяжелых металлов.

Словосочетание «тяжелые металлы» большинством людей сейчас воспринимается как синоним понятия «токсичные металлы». Однако, среди них есть жизненно необходимые (эссенциальные).

В табл. 3.5 приведены основные источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду и возможное их токсическое действие.

Таблица 3.5

Приоритетные тяжелые металлы, вызывающие серьезные поражения живых организмов

(по:Петросян, 2005)

Тяжелые

металлы

Основные

источники

Типы химических стрессов

Алюминий

Сточные воды, посуда и столовые приборы

Нейродегенеративные заболевания, энцефалопатии и нефропатии, рахит, заболевания опорно-двигательного аппарата

Барий

Производство красок и эмалей, стекла

Гемотоксическое, кардиотоксическое и ней- ротоксическое действие

Бериллий

Авиация и космос, приборостроение

Разрушение костной ткани, мутагенез, канцерогенез, иммунотоксичность

Кадмий

Производство цинка и сплавов, сигареты и гальваника

Гипертония, кардиопатия, простатопатия, эмфизема легких, остеопороз, деформация скелета, нефропатия, анемия

Медь

Электротехника и электроника

Заболевания костного скелета и суставов, анемия, коллагено- и эластопатия

Мышьяк

Пестициды, сплавы, зола

Выпадение волос, ломкость ногтей, полиневриты, нарушение вкуса и обоняния

Никель

Сплавы, покрытия и аккумуляторы

Увеличение щитовидной железы, нарушение подвижности сперматозоидов

Ртуть

Производство щелочи и хлора, добыча золота, электроника, катализ

Разрушающее воздействие на пищеварительный тракт, внутренние органы (почки, печень) и центральную нервную систему

Свинец

Аккумуляторы, керамика, краски

Поражение периферической нервной системы, гипертония, атеросклероз, нефропатия, снижение потенции

Сурьма

Полупроводники, подшипники, кабели

Анурия, воспаление почек, поражение печени

Таллий

Сплавы и полупроводники

Центральная и периферическая нервная система, сердце, печень, почки

Хром

Катализаторы, краски, сплавы

Нефро- и гепатотоксическое действие, мутагенез и канцерогенез

Всего в живых организмах обнаружено 80 элементов. Их биологическая роль определяется положением в Периодической системе элементов Менделеева, т.е. строением атомов и физико-химическими свойствами (Исидоров, 1999). Это элементы-органогены, в сумме составляющие примерно 97 % массы организмов: Н, С, N, Р и S, а также жизненно необходимые Na, Mg и Cl. К эссенциальным относятся калий, кальций, иод и Mn, Ni, Си, Сг, Со, V и Zn. Все они наряду с железом, кобальтом и молибденом входят в состав биокатализаторов (ферментов) или их активаторов.

Микроэлементы участвуют в важнейших биохимических процессах фотосинтеза, образования органоминеральных соединений, дыхании, трансформации веществ и т.д. Марганец входит в состав ферментов, ответственных за синтез полисахаридов (пируваткарбоксилазы, супе- роксиддисмутазы, фосфаттрансферазы, ДНК-полимеразы); цинк — в состав энзимов (карбоангидразы, карбокси-пептидазы, алкоголь-, лактат- и глицеральфосфатдегидрогеназы и др.); медь входит в состав белков (церулоплазмина, среди тканевых ферментов можно назвать также цитохромкиназы, гемоцианина.

Хром участвует в липидном и углеводном обмене. Никель входит в состав фермента уреазы.

Индивидуальная потребность в эссенциальных тяжелых металлах очень невелика. Между тем превышение естественных уровней содержания этих элементов часто приводит к тяжелым нарушениям метаболизма, высшей нервной деятельности, развития плода и т.д.

По решению Европейской экономической комиссии ООН к экологически значимым отнесены Pb, Cd, Hg и Sb (а также металлоиды Se и As).

Железо входит в состав гемоглобина, выполняющего функцию переносчика кислорода в крови.

Ионы Pb2+, Hg2+, CH3Hg+ и Cd2+ образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомолекулами. Поэтому их наряду с алкилирующими HS-группу органическими токсикантами относят к категории тиоловых ядов.

Кроме того, ртуть и свинец вытесняют эссенциальные металлы из металлсодержащих комплексов, приводя к потере последними биологической активности.

Некоторые комплексы металлов с органическими лигандами могут подменять аминокислоты, гормоны и нейромедиаторы. Так, комплекс метилртути и аминокислоты цистеина имитирует незаменимую аминокислоту метионин, участвующую в синтезе адреналина и холина.

Ионы РЬ2+ ингибируют синтез гемма. Они активируют фермент гемокиназу, разлагающий гем. Аналогично действуют ионы кобальта и кадмия. Потеря организмом животного гема приводит к дефициту гемоглобина и развитию анемии.

Токсический эффект тяжелых металлов связан также с нарушением синтеза различных форм цитохрома Р450 монооксигеназ гладкого эндоплазматического ретикулума, содержащих в качестве простетической группы гемм. Цитохром Р450 отвечает за окисление ксенобиотиков, способствуя их коньюгации и выведению из организма. Нарушение этой системы приводит к накоплению органических токсикантов в тканях и органах. Он участвуют в метаболизме эндогенных биологически активных веществ кортикоидных и тиреоидных гормонов, андрогенов, катехоламинов, витаминов группы D, холестерина и т.д. Поэтому нарушение их синтеза или снижение активности может вызвать глубокие нарушения самых различных процессов в организмах животных (Исидоров, 1999).

Активация пероксидного и свободнорадикального окисления отмечена в случае ионов Pb, Hg, Cr, Cd и других тяжелых металлов. В результате такой активации повреждаются некоторые белки, нуклеиновые кислоты, липиды, а также биомембраны. Эти металлы ингибируют ферменты, защищающие организм от накопления в нем Н202.

Таким образом, основными молекулярными и клеточными мишенями для ионов тяжелых металлов служат гемсодержащие белки и ферменты, ферменты, участвующие в процессах конъюгации, системы пероксидного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидной защиты, ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ.

Живые организмы не выработали в ходе их эволюции механизмов детоксикации, достаточно эффективных для противодействия современному уровню антропогенного загрязнения окружающей среды.

X. Боуэн (Bowen, 1979) классифицировал функции и формы элементов, разделив присутствующие в растениях микроэлементы на следующие группы:

  • 1) входящие в несущий скелет — Si, Fe, редко Ва, Sr;
  • 2) связанные в разнообразные мелкие молекулы, в том числе антибиотиками и порфиринами, — As, В, Br, Си, Со, F, Fe, Hg, I, Se, Si и V;
  • 3) связанные с большими молекулами, главным образом с протеинами, в том числе энзимами, обладающие каталитическими свойствами, — Со, Cr, Си, Fe, Mn, Mo, Si, Ni и Zn;
  • 4) фиксированные в больших молекулах, включая накопления, перенос или неизвестные функции, — Cd, Со, Си, Fe, Hg, I, Mn, Ni, Se и Zn;
  • 5) связанные с органеллами (например, митохондриями, хлоропла- стами) — Си, Fe, Mn, Mo, Zn.

Таким образом, микроэлементы участвуют в ключевых метаболических событиях, таких как дыхание, фотосинтез, фиксация и ассимиляция некоторых главных питательных веществ. Микроэлементы переходной группы периодической системы активизируют энзимы или входят в металлоэнзимах в системы переноса электронов (Си, Fe, Mn, Zn), а также катализируют изменения валентности в веществах субстрата (Си, Со, Fe, Мо). Некоторые микроэлементы (Al, Си, Со, Mo, Zn, Mn) выполняют специфические функции в защитных механизмах у морозостойких и засухоустойчивых разновидностей растений (Школьник, 1974).

По степени экологической токсичности тяжелые металлы делят на три класса (табл. 3.6).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >