Charakterystyczną właściwością metali ciężkich jest ich wysoka gęstość oraz bezwzględna toksyczność. Nie biorą one udziału w procesach życiowych, do takich metali zalicza się kadm, ołów i rtęć. Metale te mają największy współczynnik akumulacji, łatwo absorbują się z powietrza, z przewodu pokarmowego, łatwo przechodzą przez łożysko, barierę krew-mózg , łatwo wiążą się z makrocząsteczkami (białka), łatwo uszkadzają strukturę DNA .Ich obecność w organizmie wiąże się z efektem mutagennym, embriotoksycznym, teratogennym i karcinogennym.
Występowanie metali ciężkich w środowisku wynika zarówno z biogeochemicznego obiegu pierwiastków (naturalne procesy zachodzące w przyrodzie), jak i ze źródeł antropogenicznych.
Źródła naturalne metali ciężkich:
- wietrzenie skał,
- erupcja wulkanów,
- parowanie oceanów,
- pożary lasów,
- procesy glebotwórcze.
Działanie metali ciężkich na organizmy zależy od ich stężenia. Wysokie koncentracje mogą prowadzić do zaburzeń procesów fizjologicznych, ale nawet przy niskich stężeniach mogą wywoływać niepożądane zmiany na skutek akumulacji. Ostatnio jesteśmy coraz bardziej świadomi, że działalność człowieka może zagrażać środowisku. Niestety nie zawsze udaje się utrzymać równowagę pomiędzy wprowadzanymi technologiami a ochroną zasobów naturalnych. Szybki rozwój techniki i zmiany, jakie zachodzą we współczesnym świecie, w istotny sposób wpływają na środowisko przyrodnicze. Jednym z najgroźniejszych ubocznych skutków rozwoju cywilizacji i przemysłu jest rozprzestrzenianie się pierwiastków śladowych. Ma to ścisły związek z coraz większym wydobyciem złóż mineralnych zawierających te pierwiastki oraz procesami przetwórczymi i spalaniem surowców energetycznych. Obecnie w wyniku znacznego uprzemysłowienia i urbanizacji, możliwość wystąpienia nadmiaru pierwiastków śladowych w środowisku naturalnym zwiększyła się wielokrotnie.
Toksykologia wyróżnia dwa typy oddziaływań substancji szkodliwych na organizmy:
• oddziaływania bliskie (ekspozycja zawodowa - szybka akumulacja substancji toksycznej w organizmie)
• oddziaływania odległe (ekspozycja środowiskowa - powolne zmiany w organizmie).
RTĘĆ
- jest jedynym pierwiastkiem metalicznym ciekłym w normalnej temperaturze. Ma dużą gęstość- 13,5939 g/m3. Temperatura topnienia- 38,87oC, temperatura wrzenia- 356,58oC. Rozpuszcza ona metale, tworząc amalgamaty (z wyjątkiem żelaza, platyny, wolframu i molibdenu).Wykazuje dużą lotność- w temperaturze 20oC w powietrzu znajduje się 14 mg Hg/m3 w stanie równowagi dynamicznej. Dawka progowa rtęci- czyli stężenie uważane za bezpieczne wynosi 0,05 mg Hg/m3 powietrza, dlatego rozlana rtęć stanowi potencjalne niebezpieczeństwo zatrucia. Dzięki swoim właściwościom znalazła zastosowanie do wypełniania termometrów, barometrów, manometrów i pomp próżniowych. Duże ilości rtęci zużywane są do wydobywania złota i srebra, oraz do elektrolizy litowców i produkcji materiałów wybuchowych.
Także jej związki mają szerokie zastosowanie: chlorek rtęci(I)- kalomel- stosowany jest w lecznictwie, do wyrobu elektrod, jako środek ochrony roślin, a chlorek rtęci(II)- sublimat- służy jako katalizator w syntezie organicznej, w metalurgii, jako środek dezynfekujący. Alkaliczny roztwór jodortęcianu potasu K2[HgJ4] -odczynnik Nesslera- używany jest do wykrywania amoniaku. Piorunian rtęci(II) Hg(CNO)2 ma zastosowanie do wyrobu spłonek i detonatorów.
Niezależnie od postaci i drogi w jaki sposób rtęć dostanie się do środowiska wodnego, mikroorganizmy metylują ją i w ten sposób powstaje zawsze metylek rtęci. Jest on rozpuszczalny w tłuszczach, a zarazem bardzo toksyczny i trwały- jest to główna postać rtęci, która dostaje i kumuluje się w żywych organizmach. Wiele ludzkich tragedii było spowodowane właśnie przez organiczne związki tego metalu. Tak było w Japonii, Gwatemali, Iraku, Pakistanie. W każdym przypadku było to spowodowane spożyciem żywności obciążonej związkami rtęci. Na przykład ponad 3000 ludzi zmarło w Iraku w latach 1971-72 w wyniku spożycia pszenicy zaprawionej fenylkiem rtęci.
Wchłaniane do organizmu człowieka alkilowe związki rtęci szybko przedostają się po przez krwiobieg do komórek mózgu, gdzie naruszają barierę krew-mózg, co prowadzi do zaburzeń metabolizmu układu nerwowego. Również ten metal tworzy bardzo trwałe połączenia z grupami tiolowymi białek i enzymów, zakłócając ich funkcję.
Rtęć występuje w 3 formach: jako rtęć organiczna, nieorganiczna oraz metaliczna. Związki organiczne rtęci powodują zatrucia charakteryzujące się długim okresem utajenia. Wchłaniają się przez błonę śluzową przewodu pokarmowego i przez krew zostają rozprowadzone do wszystkich tkanek, a kumulują się w narządach miąższowych, głównie w nerkach, wątrobie, mięśniach i kościach. W wyniku działania związków alkilortęciowych uszkodzony zostaje ośrodkowy układ nerwowy, a skutki są nieodwracalne. Zaobserwowano że obecność w diecie szczurów selenu, zmniejsz toksyczne objawy zatrucia rtęcią, co może odbywać się poprzez konkurencję w wiązaniu się z niektórymi białkami i aminokwasami. Rtęć metaliczna bardzo słabo wchłania się przez skórę -0,1 % i z przewodu pokarmowego - 2%. Natomiast bardzo dobrze wchłania się przez układ oddechowy - 80%. Spożycie rtęci z termometru nie powoduje więc żadnych objawów toksycznych,jest wydalana w niezmienionej postaci wraz z kałem. Opary natomiast wykazują znaczną toksyczność.
Rtęć wydala się głównie przez nerki wkrótce po jej wchłonięciu, ale powoli i przez dłuższy czas. Metal ten wydala się także prze gruczoły ślinowe i drażni je powodując ślinotok, który jest jednym ze wczesnych objawów zatrucia. Pierwiastek znajduje się również w pocie.
Przewlekłe zatrucia rtęcią zdarzają się w zakładach pracy, w których używana jest jej postać metaliczna lub sole. Zatrucia te rozwijają się powoli i w odróżnieniu od zatruć ostrych powodują nieodwracalne zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym. Objawy zatrucia przebiegają w następującej kolejności:
a) zmiany w jamie ustnej - obrzęk ślinianek, dziąseł i języka
b) zęby chwieją się i łatwo wypadają, a w zębodołach tworzą się owrzodzenia
c) w dziąsłach dookoła kieszonek dziąsłowych osadza się czarny ząbek siarczku rtęciowego, wytrącany przez siarkowodór z rozkładu resztek pokarmowych - może się nie tworzyć, kiedy zachowana jest higiena jamy ustnej
d) ślinotok
e) bóle i zawroty głowy
f) wzmożona pobudliwość nerwowa, trudność skupienia myśli, uczucie znużenia
g) drżenia powiek, języka, palców, które w miarę upływu czasu rozszerzają się na całe kończyny
h) trudności w mówieniu
i) nerwica rtęciowa
Rtęć jest tym metalem, który spowodował kilkanaście lat temu udokumentowane zatrucia śmiertelne wśród ludzi i zwierząt, jak również poważne schorzenia chroniczne. Rtęci używa się w przemyśle drzewnym i papierniczym, w elektrolizie otrzymywania chloru. Ze względu na dużą prężność trujących par rtęci sądzono pierwotnie, że sedymentując z zawiesinami w postaci osadów dennych w rzekach i jeziorach zostaje w ten sposób wyłączona z obiegu. Jednak w tych naturalnych warunkach rtęć metaliczna utlenia się powoli do jonów rtęciawych, a następnie rtęciowych, by wreszcie wskutek działania mikroorganizmów utworzyć związki metylortęciowe (Cl3Hg+ lotne w temperaturze pokojowej. Metylortęciowe związki są lipofilowe i mogą by& pochłaniane przez plankton, a ten jest spożywany przez skorupiaki i ryby. Metylortęć akumuluje się w tkance tłuszczowej tych zwierząt i wchodzi oczywiście w obieg pokarmowy człowieka. Odżywianie się mieszkańców znad zatoki Minamata (której wody, jak się później okazało, były silnie skażone rtęcią pochodzącą z wytwórni acetylenu) rybami spowodowało w 1953 roku 121 ostrych zachorowali (w tym 16 śmiertelnych) z objawami porażenia organów zmysłowych.
Organiczne związki rtęci kumulują się przede wszystkim w systemie nerwowym w mózgu i rdzeniu pacierzowym, a najbardziej poszkodowane są neurony. Natomiast rtęć w postaci związków nieorganicznych odkłada się głównie w korze nerek. Rtęć pozostaje w tkankach organizmu przeciętnie 80 dni, a w centralnym systemie nerwowym ponad 100 dni. Jeżeli organizm jest stale narażony na pobór rtęci, to należy się liczyć z chronicznym zatruciem i śmiertelnością około 30% populacji.
W dnie niektórych zatok morskich leżą setki ton rtęci, należy więc oczekiwać powstawania jeszcze przez wiele lat związków organicznych metylortęciowych i nieprzerwanego wchodzenia rtęci do łańcucha pokarmowego.
Dla pstrąga tęczowego organiczne związki rtęci są już trujące w stężeniu_ 0,002 mg/dm.3. wody, a ciernik ginie przy stężeniu 0,02 mg Hg/dm3 w postaci azotanu. Wśród niższych organizmów wodnych nawet bardzo małe stężenia rtęci czynią spustoszenia.
Octan rtęciowofenylowy, używany w wytwórniach papieru przeciw rozmnażaniu się w wodach obiegowych bakterii śluzowych, działa szkodliwie na bakterie gatunku Pseudomonas w stężeniu 0,005 mg llg/dm3 , na glony (Scenedesmus) wstężeniu 0,013 mg Hg/dm3, a na pierwotniaki (Colpoda) działa niszcząco stężenie 0,2 mg Hg/dm3.
W Polsce w wodach do picia dopuszcza się 0,001 mg Hg/dm3. Do określenia tak małego stężenia dochodzi się na podstawie następującego rozumowania:
pierwsze objawy choroby Minamata przy dziennym poborze l mg Hg/ dm3
obniżenie tej wartości do 1/10 odpowiada dopuszczalnej 0,1 mg Hg/dm3
ilości pobieranej przez wodę do picia
zużycie wody do picia przez człowieka =-2 dm3/d, czyli 0,1 mg Hg/2 dm3
granica bezpieczeństwa z uwagi na możliwość konsumpcji rtęci z innymi pokarmami = 1/10, czyli 0,01 mg Hg/2 dm3
stężenie dopuszczalne w wodzie do picia 0,005 mg Hg/dm3
Stosownie do International Standards for Drinking Water Światowej Organizacji Zdrowia (1971) dopuszczalne stężenie rtęci w wodach do picia obniżono ostatecznie do 0,001 mg Hg/dm3.