Zagrożenia działaniem metali ciężkich dla człowieka

Metale ciężkie

Metale ciężkie to pierwiastki o gęstości powyżej 4,6 g/cm3, w reakcjach chemicznych wykazują tendencję do oddawania elektronów. W stanie stałym i ciekłym charakteryzują się dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, posiadają połysk i są nieprzeźroczyste. Mają wysoką temperaturę topnienia i wrzenia.

Do metali ciężkich zaliczamy: miedź (Cu), kobalt (Co), chrom (Cr), kadm (Cd), żelazo (Fe), cynk (Zn), ołów (Pb), cynę (Sn), rtęć (Hg), mangan (Mn), nikiel (Ni), molibden (Mo), wanad (V) oraz (W).

Metale ciężkie są szczególnie groźne dla zdrowia człowieka. Zanieczyszczenie żywności pierwiastkami ciężkimi jest trudne do uniknięcia i jest odzwierciedleniem skażenia powietrza, wody, gleby przez pyły, gazy przemysłowe, ścieki, odpady a także procesy spalania węgla. Ze względu na trudności w uniknięciu tych zanieczyszczeń w żywności należy dążyć do tego, aby ich stężenia były jak najniższe.

Zawartość metali ciężkich w środowisku jest dość zróżnicowana, a działanie ich zależy od dawki pobranej, rodzaju pierwiastka, postaci chemicznej w jakiej występują oraz stanu zdrowotnego organizmu.

Źródła metali ciężkich

• naturalne - wietrzenie skał, erupcja wulkanów, parowanie oceanów, pożary lasów, procesy glebotwórcze

• antropogeniczne - gałęzie przemysłu (np. elektrotechniczny, wydobywczy, chemiczny), hutnictwo, elektrownie i elektrociepłownie, gospodarka komunalna, wysypiska odpadów

Podział metali ciężkich

Metale ciężkie można podzielić na dwie grupy:

• pierwiastki niezbędne do prawidłowego funkcjonowania ludzkiego organizmu tzw. mikroelementy (np. cynk, miedź, żelazo). Powinny występować w określonych ilościach, gdyż ich niedobór jak i nadmiar jest niekorzystny dla zdrowa;

• metale zbędne dla procesów życiowych człowieka - m. in. kadm, rtęć, ołów - mogące stanowić zagrożenia dla zdrowia i życia człowieka.

Drogi wnikania metali ciężkich do organizmu

• układ oddechowy

• układ pokarmowy

• skóra

Toksyczność metali ciężkich

• Najsilniejsze właściwości toksyczne mają nieorganiczne związki metali, łatwo rozpuszczalne i silnie dysocjujące, gdyż łatwo przenikają przez błony komórkowe i dostają się do narządów wewnętrznych.

• Mogą one powodować denaturacje białek we krwi, ranach, błonie śluzowej, a w roztworach stężonych łączą się w białkiem i przenikają w głąb zaatakowanej tkanki wywołując działanie żrące.

• Każdy z metali działa na określone narządy wewnętrzne.

Typy oddziaływań substancji szkodliwych na organizmy

• Oddziaływania bliskie (ekspozycja zawodowa - szybka akumulacja substancji toksycznej w organizmie)

• Oddziaływania dalekie (ekspozycja środowiskowa - powolne zmiany w organizmie)

Miedź Cu

Występuje powszechnie w większości produktów spożywczych (wątroba jagnięca i cielęca, brzoskwinie, kakao, czekolada, kawa, nasiona soi), w papierosach oraz w wodzie pitnej (rury wodociągowe są zazwyczaj miedziane).

W ilościach śladowych jest stałym składnikiem organizmu, jest pierwiastkiem niezbędnym w syntezie hemoglobiny, formowaniu kości, przyswajaniu żelaza, niezbędnym w syntezie hemoglobiny, bierze udział w utwardzaniu kolagenu, wpływa na metabolizm lipidów.

Zapotrzebowanie dorosłego człowieka wynosi 1,5-4 mg Cu/ dzień.

Niedobór miedzi w organizmie powoduje m.in. zwiększenie podatności organizmu na infekcje i choroby, ograniczenie wzrostu i płodności, zaburzenia układu nerwowego i osteoporozę

Nadmiar miedzi w organizmie może powodować anemie, zaburzenia funkcjonowania wątroby i układu oddechowego, zmniejszenie odporności organizmu.

Zatrucia ostre Zatrucia ostre solami miedzi u ludzi zdarzają się rzadko. Najbardziej toksyczny jest siarczan miedzowy (dawka toksyczna 20g). Objawami toksycznymi po spożyciu tego związku są: uszkodzenie wątroby i naczyń włosowatych, biegunka, skurcze jelit. Śmierć następuje po kilku minutach.

Zatrucia przewlekłe Powodowane są głównie przez tlenki miedzi powstające w procesach technologicznych. Wchłanianie związków miedzi przez drogi oddechowe powoduje przekrwienie błon śluzowych nosa, nieżyt żołądka, biegunkę, objawy „gorączki odlewników”, uszkodzenie płuc i wątroby.

Żelazo Fe

Pierwiastek niezbędny do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Żelazo wchodzi w skład wielu enzymów oraz zawiązków metaloproteinowych biorących udział w procesach oksydacyjno-redukcyjnych. Ok. 70% żelaza jest związane w krwi, głownie w postaci hemoglobiny, związku przenoszącego tlen z płuc do tkanek.

Występują dwa źródła żelaza: żelazo hemowe, które jest łatwo przyswajalne przez organizm i żelazo nie hemowe zawarte m.in. w roślinach(fasola, brokuły, groch, szpinak, melasa, suszone brzoskwinie), które jest znacznie trudniej przyswajalne przez organizm.

Niedobór żelaza w organizmie powoduje: spaczenie łaknienia czyli apetyt na produkty nie zaliczane do pokarmów (np. krochmal, lód, tynk), spadek sprawności fizycznej, obniżenie możliwości koncentracji i sprawności umysłowej, zmniejszenie odporności na przeziębienia i infekcje zaburzenia rytmu pracy serca. Częsta jest tez niedokrwistość, czyli anemia z niedoboru żelaza objawiająca się osłabieniem , bólami głowy, apatią i bladością skóry.

Nadmiar żelaza może odkładać się w wątrobie, trzustce i innych narządach powodując tzw. hemochromatozę. Przedawkowanie żelaza powoduje wzrost ryzyka zachorowania na choroby serca oraz choroby nowotworowe, w szczególności raka odbytnicy.

Kobalt Co

W organizmie występuje w większości tkanek, największe jego ilości znajdują się w wątrobie, nerkach i kościach. W organizmie jest pierwiastkiem niezbędnym wchodzącym w skład witaminy B12 lub kobalaminy, koenzymu niezbędnego przy tworzeniu białek, kwasów nukleinowych i czerwonych ciałek krwi. Jony kobaltu stymulują także biosyntezę erytrocytów glikoproteiny regulującej u człowieka tworzenie krwinek czerwonych. Kobalt pobierany droga pokarmową jest mało szkodliwy, ale jednorazowo spożyty w ilości 25-30 mg działa toksycznie.

Niedobór kobaltu wiąże się głownie z niedoborem witaminy B12 i objawia się: niedokrwistością, dezorientacją, zmiennością nastrojów, pobudzeniem, zaburzeniami widzenia. Niedobory Co pojawiają się często u wegetarianów nie spożywających żadnych produktów mięsnych i mlecznych (źródłem kobaltu są m.in. wątróbka, buraki, mleko, ostrygi i mięczaki).

Nadmiar kobaltu występuje rzadko, najczęściej może nasilać czynność tarczycy i szpiku kostnego co powoduje nadmierną produkcję czerwonych ciałek krwi.

Zatrucia kobaltem nie są częste, większość przypadków ekspozycji człowieka na toksyczne dawki kobaltu może nastąpić poprzez wdychanie w miejscu pracy. Szkodliwe skutki wdychania kobaltu następują w płucach i obejmują świszczący oddech, zapalenie płuc i alergiczne reakcje astmatyczne oraz wysypki skórne. Efektem przedłużonej ekspozycji jest zwłóknienie płuc.

Interesująca seria zatruć kobaltem miała miejsce w latach 60tych XX w., gdy do piwa dodano kobaltu na poziomie od 1 do 1,5 ppm (do ustabilizowania piany), u konsumentów spożywających nadmierne ilości piwa (4-12 l/dzień) wystąpiły nudności i wymioty, a w wielu przypadkach nastąpiła niewydolność serca i śmierć.

Rtęć Hg

LD 50 : 29 mg/kg dla HgCl₂

Jony Hg2+ są bardzo toksyczne - dawka śmiertelna dla człowieka wynosi 0,2-0,4g.

W różnych krajach wartości NDS dla par rtęci wahają się w granicach 0,06-0,10 mg/m3.

W Polsce Zespół Ekspertów ds. Czynników Chemicznych zaproponował wartość NDS dla par rtęci 0,0025mg HG/m3, wartość DSB 50 μg Hg/g kreatyniny.

O stopniu i kolejności uszkodzenia narządów decyduje budowa chemiczna rtęci oraz sposób ich wprowadzania do organizmu. Rtęć jest trucizną komórkową, wchodząc w reakcje z białkami denaturuje je. Wykazuje duże powinowactwo do grup sulfydrylowych i reagując z enzymami działa jako inhibitor. W organizmie może być magazynowana w wątrobie i nerkach. Rozmieszczenie w narządach tego metalu jest uwarunkowane nie tylko rodzajem związku rtęci wchłoniętego do organizmu, ale także zależy od czasu trwania ekspozycji. W pracy zawodowej rtęć wnika przez układ oddechowy. Rtęć wchłonięta w ten sposób jest zatrzymywana w 80% w organizmie.

Zatrucie ostre W zatruciu ostrym następuje uszkodzenie mózgu oraz podrażnienie dróg oddechowych, następnie może pojawiać się zapalenie oskrzeli i oskrzelików, krwotoczne zapalenie jelit z odwodnieniem i ostrą niewydolnością krążenia oraz objawy uszkodzenia nerek. Śmierć występuje najczęściej z powodu mocznicy nerek.

Zatrucia przewlekłe Zatrucie przewlekłe rtęcią występuje w przypadku długotrwałego narażenia na małe ilości tego metalu. Początkowe występują nie charakterystyczne objawy ogólne, jak osłabienie, bóle głowy i kończyn; następnie pojawia się ślinotok, zapalenie błon śluzowych jamy ustnej i rozchwianie zębów. W dalszym przebiegu choroby pojawiają się objawy uszkodzenia mózgu.

Narażenie na pary rtęci Zatrucie następuje przez płuca, skąd rtęć łatwo przedostaje się do krwi. Bezpośrednio po zatruciu 70% rtęci we krwi jest w postaci metalicznej, z której część usuwana jest na zewnątrz przez płuca, a część przedostaje się do mózgu. Zatrucia parami rtęci manifestują się objawami ze strony układu nerwowego.

Choroba Minamata

Szczególnie znanym przypadkiem zatrucia metylortęcią jest choroba Minamata, której nazwa pochodzi od nazwy zatoki na Morzu Japońskim, gdzie została po raz pierwszy wykryta. Choroba objawiała się drętwieniem warg i języka, mrowieniem kończyn, zaburzeniem czucia, zaburzeniami widzenia i ślepotą, zaburzeniami mowy. Przyczyną choroby Minamata było zatrucie rtęcią. Miejscowe zakłady chemiczne do produkcji chlorku winylu z acetylenu używały jako katalizatora chlorku rtęciowego, który w warunkach wodnych ulegał metylacji, a następnie kumulacji w planktonie, skorupiakach i rybach.

Ołów Pb

Średnie pobieranie ołowiu przez dorosłego człowieka oszacowano na 320-440 µg/ dzień.

Dopuszczalną tygodniową dawkę ustalono na 3000 µg. W Polsce ilości ołowiu pobieranego przez dzieci wahają się 40-350 µg/dzień i przekraczają normy zalecane przez WHO (54 µg/dzień). Dawka śmiertelna soli ołowiu podana dla człowieka drogą pokarmową wynosi ok. 20-30g, tetraetylkoołowiu ok. 250mg.

Wśród metali ciężkich jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w środowisku człowieka. Dostaje się do organizmu człowieka poprzez układ oddechowy i drogi pokarmowe. Przeciętnie dorosły organizm zatrzymuje 30-50% ołowiu wchłoniętego droga inhalacyjna oraz 5-30% pobranego z pożywieniem.Po dostaniu się do organizmu jest transportowany przez krew do narządów i układów w zależności od ich powinowactwa do ołowiu. W krwi jest zlokalizowany głównie w erytrocytach. Głównymi drogami wydalania ołowiu z ustroju są nerki i przewód pokarmowy.

Zatrucie przewlekłe związkami ołowiu charakteryzuje się zespołem objawów określonych mianem ołowicy. Jednym z wczesnych objawów zatrucia ołowie jest kolka ołowicza, którą obserwuje się przy stężeniu ołowiu we krwi od 40 d0 80μg/100ml. Stwierdza się także występowanie nieżytu żołądka i jelit. Duże dawki ołowiu uszkadzają wątrobę, prowadzi to zaburzeń syntezy białek w wątrobie (żółtaczka).

Encefalopatia ołowicza Pierwszymi objawami są brak apetytu, rozkojarzenie, trudności w zapamiętywaniu, nadpobudliwość, niespokojny sen, nocne moczenie. Skutki bardziej tragiczne to obniżenie poziomu inteligencji, upośledzenie słuchu, zaburzenia rozwoju fizycznego i umysłowego, a nawet śmierć.

Nefropatia ołowicza Upośledzenie nerek pod wpływem ołowiu objawia się dwoma efektami - 1. uszkodzenie czynnościowe nerek charakteryzujące się wzmożonym wydalaniem z moczem białek, wapnia, glukozy i fosforanów; 2. charakteryzuje się stwardnieniem tętnic nerkowych, zwłóknieniem miąższu nerkowego, a także powstawaniem torbieli wewnątrz nerki.

Kadm Cd

W Polsce NDS dla dymów kadmu wynosi 0,02 mg Cd/m3, a dla pyłów 0,04 mg Cd/m3. Wartości DSB - w moczu 10 μg/g kreatyniny i 10 μg Cd/dm3 krwi. W 1993 r. kadm i jego związki zostały uznane przez Międzynarodową Agencję do Walki z Rakiem za czynniki rakotwórcze u ludzi (gr. I)

Najgroźniejszy w skutkach toksykologicznych pierwiastek środowiskowy. Kumuluje się w organizmie przez całe życie. Ilość zmagazynowanego w organizmie kadmu zależy od wieku stanu fizjologicznego oraz diety. Po wniknięciu do organizmu łączy się z krwinkami czerwonymi i rozprowadzany jest po całym organizmie. ¾ kadmu zdepowanego w organizmie odkłada się w nerkach i wątrobie. Wydalany jest wraz z moczem i kałem.

Zatrucie przewlekłe Objawy mogą rozwijać się po kilku miesiącach lub po kilku latach ekspozycji na kadm. W tym rodzaju zatruć nerka stanowi narząd krytyczny, a wczesnym objawem zatruć przewlekłych jest wydalanie z moczem białek niskocząsteczkowych.

Ostre zatrucia drogą pokarmową zdarzają się rzadko. Objawiają się one po kilkugodzinnym okresie utajenia silnymi nudnościami, wymiotami, biegunką, bólami brzucha i ślinotokiem. Dalszym następstwem zatrucia są uszkodzenia narządów wewnętrznych - nerek i wątroby.

W przypadku zatruć śmiertelnych dochodzi do zgonu w ciągu 24 godzin lub w ciągu 1-2 tygodni z powodu ostrej niewydolności nerek i układu krążenia.

Choroba itai-itai

Udokumentowany przypadek masowego zatrucia kadmem, który zastał opisany w 1964 roku w prowincji Toyama w Japonii. Nazwa pochodzi od japońskiego słowa określającego silny ból, który w tej chorobie występował w kręgosłupie i stawach. Typowe objawy tej choroby to: zwyrodnienie stawów, osteoporoza (odwapnienie z towarzyszącymi silnymi bólami kości krzyżowych i kończyn dolnych), charakterystyczny kaczy chód, ciężkie uszkodzenia nerek. Choroba itai-itai dotknęła społeczność, która narażona była na spożywanie żywności, głównie ryżu, uprawianej na polach nawożonych mułami pochodzącymi z lokalnych zakładów przemysłowych. Stężenie kadmu wynosiło tam 1mg/kg podczas gdy stężenie kadmu w zbożach europejskich wynosi od 0,02 do 0,08mg/kg.

Chrom Cr

Dzienna dawka pobierana wynosi 50-200 µg/dzień. Stężenie w wodach czystych rzek wynosi około 0,5 µg/l, a w wodach morskich 0,2-0,3 µg/l. W pitnych wodach gruntowych Polski chrom zawartość chromu waha się średnio od 0,07 do 2 µg/l. Za dopuszczalną zawartość chromu w wodach gruntowych przyjęto 20 µg/l. Stężenie Cr powyżej 100 µg/l w powierzchniowych wodach śródlądowych może być szkodliwe dla aktywności biologicznej Wartość NDS w Polsce dla Cr6+ wynosi 0,1 mg/m³.

Chrom jest metalem przejściowym. W związkach chemicznych występuje na wszystkich stopniach utlenienia od +2 do +6. Chrom na +3 stopniu utlenienia jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym potrzebnym do metabolizmu glukozy i lipidów u ssaków. Toksyczny jest chrom występujący na +6 stopniu utlenienia (tzw. chromiany). Sole chromianów są stosunkowo dobrze rozpuszczalne w wodzie i łatwo absorbują się do krwiobiegu poprzez płuca.

Zatrucie ostre Zatrucia te związkami chromu obserwowano u ludzi w przypadkach samobójczego lub przypadkowego przyjęcia związków chromu doustnie. Objawy kliniczne ostrego zatrucia związkami chromu charakteryzują silnymi bólami brzucha, wymiotami i krwawą biegunką. Występuje ciężkie uszkodzenie nerek, z krwiomoczem prowadzącym do bezmoczu i mocznicy, obserwuje się owrzodzenie przewodu pokarmowego

Zatrucie przewlekłe Powstaje w warunkach narażenia zawodowego. Charakteryzują się zaburzeniami układu oddechowego, zmianami skórnymi i zaburzeniami przewodu pokarmowego. W miarę przedłużania czasu narażenia na ekspozycję tymi związkami nasilają się objawy podrażnienia górnych dróg oddechowych (krwawienie z nosa, suchość w gardle, chrypa), łzawienie oczu, bóle i zawroty głowy, bezsenność, nerwowość, bóle w jamie brzusznej, biegunka i wymioty.

Chelatacja

Substancje chelacyjne odznaczają się zdolnością do chemicznego wiązania się z metalami i minerałami w przyrodzie oraz naszym organizmie. Substancja taka otacza jon danego minerału czy metalu i usuwa go z organizmu w moczu lub w kale. EDTA jest efektywną i szeroko badaną substancją chelacyjną.

Źródła chelacji sięgają roku 1893 i wiążą się z nazwiskiem Alfreda Wernera, chemika, który w 1913 roku otrzymał Nagrodę Nobla za opracowanie teorii dotyczącej wiązania metali przez organiczne cząsteczki, które później stały się podstawą współczesnego chemicznego rozwiązania metody chelacji.

Metodę chelacji z użyciem EDTA po raz pierwszy zastosowano w medycynie w 1948 r. w Stanach Zjednoczonych u robotników z fabryki baterii, którzy ulegli zatruciu ołowiem. Zastosowana ją także w przypadku amerykańskich żołnierzy którzy zatruli się ołowiem podczas malowania okrętów i budynków rządowych.

Ochrona przed zatruciami metalami ciężkimi

Organizmy posiadają pewne naturalne układy obronne przeciwko zatruciu metalami ciężkimi. Wiele czynników jest zaangażowanych w regulowanie przyjmowania i utrzymywania stężenia fizjologicznego metali ciężkich.

Metalotioneina posiada wiele grup tiolowych które silnie wiążą się z rtęcią, srebrem cynkiem, kadmem. W wyniku wiązania z metalotioneiną dyfuzyjna ruchliwość metali się zmniejsza co przeciwdziała przyłączeniu metalu do enzymów lub innych białek niezbędnych do normalnego działania metabolizmu.

Obecny w wątrobie glutation odgrywa rolę w wydalaniu metali w żółci. Dotyczy to miedzi i cynku, jak też kationów kadmu, rtęci, ołowiu oraz metaloorganicznej metylortęci.

Podsumowanie

Metale ciężkie występujące w postaci tlenków są z reguły mało groźne. Bardziej niebezpieczne są sole metali ciężkich ponieważ łatwo przedostają się przez błony śluzowe, przenikają do narządów wewnętrznych, układu nerwowego i płodu. Największą toksycznością charakteryzują się pierwiastki skumulowane w narządach miąższowych, natomiast nagromadzone w tkankach twardych i skórze są z reguły mniej toksyczne.

---