Токсичность тяжелых металлов для живых организмов

Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму и в основном они находятся в активных центрах коферментов.

Количество биологически активных химических элементов в организмах животных и тканях в основном зависит от их места обитания и особенностей потребления кормов. В большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от дефицита и несбалансированности микроэлементов.

При содержании тяжелых металлов в почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления указанных металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства, ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. В пригородных хозяйствах при содержании в рационе тяжелых металлов — свинца, никеля и хрома в 2−7 раз выше ПДК, содержание их в молоке оказалось в 1,25−2 раза выше допустимых норм. В Ташкентской области из-за нехватки селена при избытке железа, марганца и кадмия отмечено поступление молока на молокозаводы с низкой титруемой кислотностью. Наличие тяжелых металлов влияет на качество сыра, при этом нарушается технология производства. В частности, ухудшается его вкус, запах становится нечистым, сыр легко крошится, творог становится мажущим. У овец, разводимых в промышленной зоне, отмечается депонирование в организме ртути, кадмия и свинца. У пятилетних овец содержание ртути и кадмия в мускулатуре выше МДУ (максимально допустимого уровня). На ингаляционное поступление этих тяжелых металлов указывали повышенные содержания кадмия и свинца в легких. У овец, разводимых в сельскохозяйственных районах, содержание тяжелых металлов в тканях и органах оказались в 2−7 раз меньше, чем у животных, разводимых в промышленной зоне.

Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в рамках Международной программы химической безопасности опубликованы «Гигиенические критерии состояния окружающей среды» Нg, Ве, РЬ, Sn, Мn, Ti и других металлов. По опасности для здоровья человека тяжелые металлы делятся на следующие классы:

• 1 класс (самый опасный): Сd, Нg, Sе, Рb, Zn;
• 2 класс: Со, Ni, Сu, Мо, Sb, Сr;
• 3 класс: Ва, V, W, Мn, Sr.

Тяжелые металлы и их соединения могут поступать в организм человека через легкие, слизистые оболочки, кожу и желудочно-кишечный тракт. Механизмы и скорость проникновения их через разные биологические барьеры и среды зависят от физико-химических свойств указанных веществ, химического состава и условий внутренней среды организма. В результате взаимопревращений между поступившими в организм металлами или их соединениями и химическими веществами различных тканей и органов могут образоваться новые соединения металлов, обладающие иными свойствами и по-другому ведущие себя в организме. При этом в разных органах, вследствие особенностей обмена, состава и условий среды, пути превращения исходных соединений металлов могут быть различными. Отдельные металлы могут избирательно накапливаться в определенных органах и длительно задерживаться в них. В результате накопление металла в том или ином органе может быть первичным или вторичным.

На примере отдельных металлов рассмотрим пути их поступления в организм через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) с продуктами питания (животного и растительного происхождения), а также токсическое действие.

Два элемента — кобальт и никель, широко используют в современных промышленных технологиях. При высоком содержании их в окружающей среде эти элементы могут поступать в повышенных количествах в организм человека, вызывая отравления с тяжелыми последствиями.

Кобальт является биоэлементом, который принимает активное участие в ряде биохимических процессов. Однако избыточное его поступление вызывает токсический эффект с разными повреждениями в системах окислительных превращений. Этот эффект обусловлен способностью кобальта вступать в связь с атомами кислорода, азота, серы, в конкурентные отношения с железом и цинком, входящими в состав активных центров многих ферментов. Соединения Со (Ш) обладают сильной окислительной комплексообразовательной способностью.

В отношении скорости сорбции чистого кобальта, его оксидов и солей в ЖКТ сведения разноречивы. В одних исследованиях отмечено слабое всасывание (11−30%) даже хорошо растворимых солей кобальта, в других указано на высокую сорбцию солей кобальта в тонком кишечнике (до 97%) в связи с хорошей их растворимостью в нейтральной и щелочной средах. На уровень сорбции влияет также величина дозы, поступившей персонально: при малых дозах сорбция больше, чем при больших.

Никель (II) преобладает в биологических средах, образуя разные комплексы с химическими компонентами последних. Металлический никель и его оксиды из ЖКТ высасываются медленнее, чем его растворимые соли. Поступивший с водой никель абсорбируется легче, чем входящий в виде комплексов в состав пищи. В целом количество высасавшегося из ЖКТ никеля составляет 3−10%. В его транспорте участвуют те же белки, которые связывают железо и кобальт.

Цинк, также относящийся к ё-элементам и имеющий состояние окисления +2, является сильным восстановителем. Соли цинка хорошо растворимы в воде. При их поступлении наблюдается задержка на некоторое время с последующим постепенным попаданием в кровь и распределением в организме. Цинк может вызывать «цинковую» (литейную) лихорадку. Абсорбция цинка из ЖКТ достигает 50% от введенной дозы. На уровень абсорбции оказывает влияние количество цинка в пище и ее химический состав. Пониженный уровень цинка в пище способствует увеличению абсорбции этого металла до 80% от введенной дозы. Увеличению абсорбции цинка из ЖКТ способствуют белковая диета, пептиды и некоторые аминокислоты, которые, вероятно, образуют хелатные комплексы с металлом, а также этилендиаминтетраацетатом. Высокое содержание фосфора и меди в пище снижает абсорбцию цинка. Наиболее активно цинк всасывается в двенадцатиперстной кишке и верхней части тонкого кишечника.

Ртуть (d-элемент) — единственный металл, который находится в обычных условиях в виде жидкости и интенсивно выделяет пары. Может находиться в состояниях окисления +1 и +2 (в последнем встречается чаще) и в виде не только неорганических соединений, но и органических производных двухвалентной ртути, в частности таких, как метил-, этили пропилртуть, которые оказываются токсичнее и опаснее, чем неорганические соединения, благодаря своей более высокой проницаемости через биологические барьеры и тропности к тканевым субстратам и структурам. Из неорганических соединений ртути наиболее опасны металлическая ртуть, выделяющая пары и хорошо растворимые соли Нg (П), образующие ионы ртути, действием которых и определяется токсичность. Соединения двухвалентной ртути токсичнее, чем одновалентной. Выраженная токсичность ртути и ее соединений, отсутствие данных о сколько-нибудь заметных положительных физиологических и биохимических эффектах указанного микроэлемента заставляли исследователей относить его не только к биологически ненужным, но и опасным даже в ничтожных количествах из-за его широкой распространенности в природе. В последние десятилетия, однако, появляется все больше свидетельств и мнений о жизненно важной роли ртути. Надо отметить, что ртуть — один из самых токсичных металлов, она постоянно присутствует в природной среде (почве, воде, растениях), может в избытке поступать в организм человека через ЖКТ вместе с пищей и водой. Неорганические соединения ртути слабо всасываются в ЖКТ, в то время как органические, метилртуть, абсорбируются почти полностью.

Неорганическая ртуть в крови с одинаковой концентрацией разделяется между эритроцитами и плазмой в крови, но органические ее соединения превалируют в эритроцитах. В частности, концентрация метилртути в эритроцитах в 10 раз превышает ее количества в плазме. Распределение ртути в органах и тканях зависит от пути поступления и формы соединении ртути, но в целом I больше ртути накапливается в почках.

Таллий (р-элемент), хотя и редкий элемент, но в связи с широким применением в электронной, химической промышленности и сельском хозяйстве в качестве функциональных и зооцидных препаратов может в значительной степени загрязнять окружающую среду. Попадая в ЖКТ, растворимые соли таллия очень быстро проникают в кровь и разносятся в органы и ткани, нерастворимые — практически не всасываются при пероральном пути поступления. Таллий частично связывается альбумином и другими белками крови, но преимущественно находится в виде свободных ионов. Из крови он распределяется в различные органы и ткани. После перорального поступления таллий обнаруживают преимущественно в ЖКТ и печени, костном и головном мозге, легких, надпочечниках, селезенке, почках, мышцах и волосах. Длительность сохранения в тканях невелика, период полувыведения составляет 3−4 суток. С течением времени происходит перераспределение таллия в организме.

Олово (р-элемент) может в заметных количествах поступать через ЖКТ при употреблении пищи, особенно соков, в случае хранения в посуде, содержащей олово в составе сплавов, из которых она изготовлена. Нерастворимые соединения олова почти не всасываются в ЖКТ, но и растворимые соединения абсорбируются очень слабо и преимущественно в виде соединений с белками. При этом соли двухвалентного олова всасываются легче и в больших количествах по сравнению с четырехвалентным оловом.

Свинец, относящийся, как и олово, к р-элементам и являющийся в современную эпоху одним из наиболее распространенных металлозагрязнителей окружающей среды и, прежде всего, воздуха, к сожалению, в значительных количествах может поступать в организм человека ингаляционным путем. Свинец в виде нерастворимых соединений (сульфидов, сульфатов, хроматов) плохо всасывается из ЖКТ. Растворимые соли (нитраты, ацетаты) всасываются в несколько больших количествах (до 10%). При дефиците кальция и железа в пищевом рационе абсорбция свинца увеличивается.

Сурьма — р-элемент, существующий в состояниях окисления -3, +3, +5. Образует в основном устойчивые катионные соединения. Способен образовывать комплексы. Трехвалентные соединения сурьмы оказываются более токсичными, чем пятивалентные. Сурьму относят к тяжелым металлам с очень низкой сорбцией из ЖКТ.

Приведенные выше примеры свидетельствуют о том, что тяжелые металлы в основном слабо всасываются в ЖКТ. Для большинства из них даже в случае хорошей растворимости их соединений величина всасывания составляет от 2−3 до 10−15%.

Поступая в организм человека, тяжелые металлы с током крови разносятся в разные органы и ткани. Характер их распределения и степень накопления зависят от сродства к различным структурам и биохимическим компонентам тканей и органов, прочности образуемых комплексов и скорости их элиминации.

Ванадий, как один из наиболее легких среди тяжелых металлов, весьма активный в химическом отношении (сильный окислитель имеет сродство к фосфатам, жирам и т. д.) относительно быстро обменивается в организме. При любом пути поступления ванадий вскоре появляется в крови, где соединяется с трансферрином, транспортируется в разные органы и ткани, и в первые же часы его обнаруживают в моче. Скорость распространения и величина накопления металла зависит от пути поступления, растворимости и реакционоспособности его соединений. В первые же сутки ванадий вследствие быстрой абсорбции тканями почти полностью исчезает из крови, но через несколько суток вновь в очень малых количествах может появляться в крови, очевидно, из-за перераспределения между органами. Преимущественные места его накопления — костная ткань, почки, печень. Костная ткань, а также зубы и эмаль аккумулируют ванадий вследствие большого сродства последнего к фосфатам.

Из общего количества ванадия в организме 31% его сосредоточен в жировой ткани, что обусловлено, по-видимому, сродством ванадия к биогенным жирам, особенно к аминовой и линолевой кислотам и 17% - в скелете. По содержанию ванадия органы и ткани располагаются в убывающем порядке: костная ткань, почки, печень, кровь, селезенка, костный мозг, надпочечники, легкие, кожа и мышцы.

Никель в крови находится в виде комплексов с низко молекулярными соединения в частности с аминокислотами, в основном с гистидином, альбумином, а также со специфическим белком, названным никелеплазмином, относящимся к макроглобулиновой фракции. Из крови никель проникает в ткани при участии металлотионеинов. Из всех элементов наиболее распространенным металлом в организме является никель (II).

В организме человека никель входит в состав некоторых ферментов Его обнаруживают постоянно в рибонуклеиновой кислоте (РНК), что может быть связано с онкогенностью никеля. Около 50% никеля откладывается во внутренних органах и крови, 30% - в мышцах и жировой ткани, 15% - в костях и соединительной ткани.

Медь в крови находится в связанном с белками состоянии. Основной формой меди в тканях является двухвалентная медь, которая создает. наиболее прочные хелатные комплексы с белками. Медь может вступать в соединения с разными аминокислотами благодаря сродству к ОН-группам, образует также комплексы с гиутатионом, снижая его концентрацию в клетках.

При избыточном поступлении меди в организм в связи с ее высокой биохимической активностью происходят серьезные нарушения в обмене веществ, проявляющиеся в токсических эффектах. Существуют конку-ренция и негативное влияние цинка, марганца, никеля на обмен меди.

Из приведенных выше данных о распределении, накоплении и превращении ряда тяжелых металлов видно, что указанные процессы имеют много особенностей. Несмотря на различия в естественной биологической значимости разных металлов, все они при избыточном поступлении в организм вызывают токсические эффекты, сопряженные с нарушением нормального хода биохимических процессов и физиологических функций. Следует особо отметить то, что избирательное накопление и длительность задержки металлов в ткани или органе в значительной степени определяют поражение того или иного органа, Эндемические заболевания щитовидной железы в отдельных биогеохимических провинциях связывают с избыточным поступлением некоторых металлов и высоким содержанием их в самой железе. К таким металлам относят кобальт, марганец, хром, цинк. Еще хорошо известно поражение центральной нервной системы при отравлениях ртутью, марганцем, свинцом и таллием.

Выведение металлов из организма в основном осуществляется через ЖКТ и почки. При этом следует иметь в виду, что небольшое количество металлов может выделяться с грудным молоком, потом и волосами. Скорость выведения и количество выделившегося металла за определенный промежуток времени зависит от пути поступления, дозы, свойства каждого конкретного соединения металла, прочности связи этого элемента биолигандами и длительности его действия на организм.

Разные соединения хрома выделяются из организма через кишечник, почки, с грудным молоком. Так соединения Сг (VI) превосходят по скорости выделения Сг (Ш). Лучше растворимый хромат натрия выделяется преимущественно через почки, а слаборастворимый хлорид хромакишечным и почечным путями. К другим металлам, которые выводятся двумя основными путями (через ЖКТ и почки), относят никель, ртуть и др. Нерастворимые соединения никеля даже при разных путях поступления в большем количестве выделяются через кишечник.

Таким образом, выведение избыточных количеств разных металлов из организма человека является сложным биокинетическим процессом. Во многом он зависит от путей трансформации металлов в органах и тканях и скорости элиминации из них.