Ртуть – единственный металл, который находится в обычных условиях в виде жидкости и интенсивно выделяет пары. Из неорганических соединений ртути наиболее опасны металлическая ртуть, выделяемые пары и хорошо растворимые соли ртути. Соединения двухвалентной ртути токсичнее, чем одновалентные.
В 1972 г. С. Йенсен и А. Йермелов высказали предположение о наличии двух разных круговоротов ртути в окружающей среде – глобального (включающего циркуляцию паров ртути в атмосфере) и локального (основанного на предполагаемой циркуляции летучих соединений диметилртути). Основная часть вовлекаемой в глобальный круговорот ртути принадлежит ртути, поступающей преимущественно в результате техногенной деятельности.
Считается, что основным природным источником ртути служит общая дегазация земной коры и океана (по грубым оценкам – 8–10 тыс. т/год).
Ртуть давно известна как яд. Выражение «сошел с ума как шляпочник» появилось в те времена, когда многие люди, занимавшиеся изготовлением фетровых шляп, страдали психическими расстройствами из-за высоких концентраций ртути, применявшейся в шляпном деле. В легких случаях отравление вызывает бессонницу, неспособность воспринимать критику, страхи, головную боль, депрессию и неадекватные эмоциональные реакции.
Ни один известный биоцид не изучен так хорошо, как ртуть, в отношении своей циркуляции в пищевых цепях и зависящей от нее опасности для человека и животных. Это утверждение относится, прежде всего, к метилртути, которая представляет собой особо эффективный фунгицид, но одновременно очень токсична для теплокровных и очень стабильна.
Как показывают имеющиеся данные, в настоящее время наиболее опасные и критические ситуации, связанные с загрязнением ртутью, проявляются в связи с ее поступлением в водные экосистемы. Свидетельством этому являются широко известные события в Японии, Швеции, Северной Америке.
В районе Минамата (Япония) заболело около 120 человек; 46 из них умерли раньше, чем исследователи обнаружили, что люди и животные отравлялись выловленными в заливе моллюсками и рыбой, содержащими большие количества ртути. Источником ртути оказалась фабрика пластмасс, расположенная на реке, впадающей в залив Минамата. Хотя для рыбы ртуть так же токсична, как и для людей, концентрации ее в воде залива были не столь высоки, чтобы рыбы и моллюски не могли здесь жить. Ртуть из следового элемента превратилась в источник эпидемиологического заболевания.
Согласно оценкам ученых, предприятия по производству хлора и каустической соды в США до начала семидесятых годов отдавали в стоки от 100 до 200 г ртути на каждую тонну произведенной каустической соды. Концентрация ртути в рыбе, выловленной в этой реке, оказалась такой же высокой, как и в рыбе из залива Минамата. Более того, у кошек при кормлении их рыбой из этой реки появились признаки отравления ртутью. В настоящее время законы строго запрещают сброс ртути с промышленными отходами. Однако в тех местах, где раньше сбрасывали ртуть в среду, например при производстве бумаги и каустической соды, ртуть в донном иле до сих пор загрязняет воду и живущие в ней организмы. Во многих штатах США ограничены рыбная ловля, поскольку в рыбе накапливается ртуть, сброшенная с отходами в воду много лет назад. Один из крупнейших выбросов ртути в США имел место в Ок-Ридже (штат Тенесси) на заводе Y-12, выпускающем компоненты оружия. В 1983 г. частное исследование, предпринятое чиновниками Ок-Риджа, показало, что, по-видимому, произошло серьезное загрязнение ртутью растительности и рыбы в окрестностях этого предприятия.
Постепенно выяснилось, что примерно 1 млн кг элементарной ртути попало в окружающую среду; вероятно, большая часть ее медленно просачивалась в глубокие щели и трещины в породах, находящихся под заводом. Около 200 тыс. кг было сброшено непосредственно в проток Ист-Форк-Поплар. Выловленная вблизи завода рыба содержала в два раза больше ртути, чем верхний предел, определяемый согласно закону 1·10-6 (одна часть на миллион).
Ртуть аккумулируют планктонные организмы (например водоросли), которыми питаются ракообразные. Ракообразных поедают рыбы, а рыб – птицы. Концевыми звеньями пищевых цепей нередко бывают чайки, чомги, скопы, орланы-белохвосты. В Швеции содержание метилртути в организме птиц, в значительной части питающихся рыбой, приблизилось к тем уровням, при которых зерноядные наземные птицы уже погибали от действия ртути, полученной при поедании посевного зерна (в Швеции в 1940-х годах зерно протравливали метилртутьдицианамидом).
В водной пищевой цепи концентрация метилртути от звена к звену увеличивается. Так как метилртуть растворима в жирах, она легко переходит из воды в водные организмы. При захвате мельчайших живых существ более крупными, для которых они служат пищей, это вещество сохраняется в последних. Так как у него период полураспада (особенно в организмах с низким уровнем обмена веществ) необычайно длителен (у человека 70 дней), яд не выделяется, а, наоборот, накапливается в организме. Особенно страдают от этого морские млекопитающие, так как они живут всецело за счет питания рыбой.
Каким бы путем ртуть ни попадала в воду, микроорганизмы метилируют ее, и при этом всегда образуется метилртуть (рис. 6).
Рис. 6. Упрощенная схема превращений ртути в воде
(По: В. Эйхлер, 1986)
Это соединение жирорастворимо (как упоминалось выше), чрезвычайно ядовито и очень устойчиво.
Свинец. Человечество уже более 2 тыс. лет знакомо с опасностью, которую несет использование этого металла и свинцовых изделий.
В Древней Греции отравления людей, работавших со свинцом, называли сатурнизмом. Его симптомами были колики, сопровождавшиеся бредовым состоянием и параличами. Много отравлений вызвало хранение напитков, вин и продуктов в глазурованных керамических сосудах. В 1883 г. в английском законодательстве появился первый закон, посвященный предупреждению свинцового отравления; он запрещал использование гончарной посуды, покрытой свинцовой глазурью. В настоящее время свинец используется в аккумуляторах, в производстве кабелей, красок, стекла, смазок, бензина, средств защиты от радиации и т.д.
К настоящему времени накоплено огромное количество сведений о токсическом действии свинца на живые организмы, о поведении этого элемента в природных средах.
Загрязнение среды свинцом обусловлено в основном четырьмя видами хозяйственной деятельности: 1) сжиганием жидкого и твердого топлива, сопровождающимся выбросами в атмосферу; 2) свинцовоплавильным производством, с которым тоже связаны выбросы свинца в атмосферу; 3) сбрасыванием сточных вод, в которых свинец обычно содержится в повышенных количествах, и 4) внесением в почву химикатов. Настоящим бичом современности является загрязнение атмосферы автомобильными выхлопами, содержащими продукты неполного сгорания топлива, в том числе и неразложившуюся часть тетраэтилсвинца.
В результате вдыхания воздуха, содержащего свинец, не менее 15% его поступает в кровь. Токсическое действие свинца по отношению к организму человека, животных связывают в первую очередь сSH-группами устойчивых меркаптидов и блокированием ферментных систем. Свинец обладает кумулятивными свойствами. Среди механизмов депонирования свинца главным является отложение его в костной ткани в результате замещения кальция. В значительно меньшей степени свинец откладывается в селезенке, печени, почках, головном мозгу и других органах. Этот элемент может сохраняться в организме человека долгое время (годы). Под влиянием неблагоприятных воздействий (алкоголизм, инфекция, травма) нередко наблюдается проявление или обострение свинцовой интоксикации, обусловленное выделением свинца из депонирующего органа, ткани в ток крови.
Свинец является протоплазматическим ядом, действующим на все органы и системы организма. Токсической дозой свинца для человека является 1 мг, летальной – 10 г.
Основным источником поступления свинца в организм человека служат продукты питания, в связи с этим опасно техногенное загрязнение свинцом пищевых и кормовых культур. Важную роль играет поступление свинца в организм человека с почвой, пылью, питьевой водой и вдыхаемым воздухом. Данные по содержанию свинца в крови детского населения России свидетельствуют о том, что почти у 44% детей в городах России могут возникать проблемы в поведении и обучении, обусловленные воздействием свинца; около 9% нуждаются в лечении; здоровье 0,2% детей находится в опасности и примерно 0,01% нуждается в неотложном медицинском вмешательстве (Доклад о свинцовом загрязнении…, 1997).
По данным многочисленных исследований, в промышленно развитых городах с увеличением уровня загрязнения возрастает вариабельность свинца (так же как и других элементов) в почвах, изменяется химический состав растений.
Техногенные воздействия на почву и растительный покров значительно меняют параметры биологического круговорота свинца. Вокруг промышленных предприятий и автодорог растения поглощают свинец не только из почв с помощью корневых систем, но и из атмосферы поверхностью листьев. Газопылевые выбросы, содержащие свинец, могут механически осаждаться на листовых пластинках и попадать внутрь тканей. Ориентировочные подсчеты показывают, что таким путем в экстремальных условиях в растения может попадать до половины содержащегося в нем свинца. Исследованиями выявлено, что в зоне аномальных ареалов загрязнения многие сельскохозяйственные культуры содержат свинец в концентрациях, превышающих ПДК в несколько раз.
Растения накапливают свинец в количествах n·10-5 – n·10-4 %. Хотя в природных условиях свинец присутствует во всех видах растений, его роль в метаболизме установить не удается. Взаимодействие свинца с другими элементами в различных условиях среды не позволяет точно определить его токсичные для жизненных процессов (в отношении растений) концентрации. В ряде работ описано токсичное действие свинца на фотосинтез, дыхание, митоз и водный обмен, при этом строго специфичных симптомов свинцового токсикоза у растений не отмечено.
Кадмий. Среди всех токсичных и особотоксичных элементов таблицы Д.И. Менделеева кадмий по темпам и масштабам загрязнения стал одним из приоритетных загрязнителей планеты. После накопления большого массива данных по токсикологии кадмий признан особо опасным экотоксикантом для здоровья человека. Это обусловлено проявлением токсических эффектов соединений кадмия в низких дозах; длительным периодом полувыведения – 30 лет; низким уровнем концентрации в выделениях из организма; преимущественным накоплением в мягких тканях, почках и печени.
Полагают (С.Н. Волков, 2003), что метаболическая активность кадмия выше, чем у ртути.
Толчком к резкому возрастанию интереса к кадмию явилось обнаружение отрицательных биологических последствий при избыточном поступлении этого элемента в среду. В 1960-х годах в Японии произошла вспышка болезни «Itai-Itai», когда было установлено, что попадание кадмия в пищу представляет большую опасность. Болезнь начиналась болями в спине и почках, а заканчивалась деформацией скелета, множественными переломами костей и ужасными страданиями, вызываемыми давление массы тела на кости. Трагедия возникла в результате длительного загрязнения оросительных вод рисовых полей промышленными отходами, содержащими кадмий.
Согласно рекомендациям ФАО/ВОЗ, допустимая суточная доза кадмия для человека равна 0,4–0,5 мг.
Кадмий – относительно новый для техники металл. Хотя он был открыт в начале прошлого века, его широкое применение началось в 20–30-е годы XX века, особенно в конце 40-х годов.
Кадмий оказался единственным из всех редких тяжелых металлов, который по своему разнообразию свойств удовлетворял требованиям к качественным характеристикам выпускаемой продукции – износостойкости изделий и устойчивости к внешним воздействиям.
Поступление кадмия в городские системы последовательно возрастало с увеличением разнообразия выпускаемой продукции, используемой в высоких технологиях и хозяйственно-бытовых целях.
Будучи по своей природе элементом, не способным к высокой аккумуляции в геосистемах (его кларк в литосфере составляет 0,13 мг/кг), кадмий под воздействием человека превратился в элемент, аккумулирующийся в городском пространстве.
До тех пор, пока в своем развитии город не импортирует Cd и не нарушает баланс естественных геохимических процессов, геохимия Cd будет близка к природной.
В среду кадмий поступает через воздух и воду при добыче, промышленной переработке сырья, при сжигании топлива и городских отходов, со стоками гальванических цехов, а также заводов, выпускающих серебряно-кадмиевые аккумуляторы, при изнашивании предметов, содержащих кадмий. Однако резкое возрастание кадмия в воздухе наблюдается лишь вблизи предприятий по выплавке кадмия. Во всем мире в окружающую среду ежегодно выбрасывается около 5 тыс. т Cd, в то время как мировая добыча этого металла составляет 15 тыс. т/год.
Кадмий, как и ртуть, образует крайне токсичные летучие алкилированные формы. В биоценозах за счет ковалентного связывания с органическими соединениями кадмий может как проникать в зеленую массу растений через кутикулу листа, так и удаляться с листовой поверхности обратно в атмосферу. Именно с этими замечательными свойствами – высокой летучестью и высокой проникающей способностью – связаны сверхвысокие темпы распространения кадмия в биосредах и ландшафтах. Как отмечает В.В. Добровольский, из всех тяжелых металлов кадмий имеет максимальный коэффициент аэрозольной аккумуляции – более 100.
Селен. В течение многих лет при изучении содержания токсичных элементов в среде и биоте внимание исследователей было сосредоточено на тяжелых металлах, список которых традиционно начинался Hg, Pb, Cd, в то время как уровни концентраций селена в компонентах экосистем, особенно морских, оставались малоизвестными.
Появление новых сведений о биологическом значении селена и его токсичных свойствах делают необходимым исследование этого элементов не только в живых организмах, но и в компонентах экосистем в целом, в первую очередь в регионах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию.
Содержание селена в земной коре, почвах и организмах не превышает 0,001%, однако его биологическая роль весьма значительна. Основным проявлением биологической активности селена является способность заменять серу. Селен до недавнего времени считался канцерогеном, но, как показали детальные исследования последних лет, это ошибочное мнение. Этот элемент входит в состав фермента глютатионпероксидазы, играющей важную роль в качестве антиоксиданта в организме. С явлениями недостаточности селена в рационе связаны такие заболевания, как токсическая дистрофия печени, эксудативный диатез, мышечная дистрофия, энцефаломаляция (размягчение мозга). При недостатке селена в рационе животных наблюдаются следующие изменения в организме: задержка роста, бесплодие, дегенеративные изменения в миокарде и скелетных мышцах, нервных клетках, печени, почках, семенниках и др. органах, повышается проницаемость капилляров и др. изменения.
В Китае, особенно в провинции Кешан, многие сотни лет свирепствовало заболевание сердечной мышцы и уносило жизни детей и молодых матерей до тех пор, пока не выяснили, что причина этого заболевания связана с дефицитом селена в их питании. В областях с очень низким содержанием селена распространены болезни Кешана и Кашина-Бека.
Селен защищает организм от накопления продуктов перекисного окисления липидов, способствующих в первую очередь окислительной деструкции клеточных и органоидных мембран. Являясь антиоксидантом, селен стабилизирует клеточные мембраны важнейших органов человека, особенно сердечной мышцы; нормализует активность ядер, предупреждает повреждение их хромосом, стимулирует функции рибосом; нормализует обмен простагландинов, простациклинов, дистантных гормонов, таких как гормон роста, тироидные; одновременно нормализуя обмен протеинов и нуклеиновых кислот, увеличивает репродуктивность животных.
Биологическая активность селена зависит от химической формы, в которой он содержится в пище и организме.
Элементарный селен инертен, наиболее токсичны некоторые органические соединения селена. Наиболее ядовитыми являются селенистый водород, двуокись селена, галогениды селена и соединения селена с тяжелыми элементами. Селенистая кислота и ее соли действуют значительно сильнее, чем селеновая кислота и ее производные. Дать сравнительную оценку токсичности неорганических и органических соединений пока еще нельзя.
Отдельно следует отметить предельно допустимые уровни нахождения селена в среде и накопление его организмами в концентрациях, вызывающих функциональные нарушения.
Содержание селена в воде в количестве 2 мкг/л или выше следует рассматривать как опасное для здоровья и долговременного разведения рыбы и других видов диких животных, которые через биоаккумуляцию могут быть токсичными для пищевых цепей воспроизводства. В некоторых случаях ультраследовые количества растворенного и особенно органического селена могут привести к биоаккумуляции и токсичности даже при концентрациях селена в воде менее чем 1 мкг/л. Результаты исследований, проведенных Л. Барон и др. (Baron et al., 1997), показывают, что в органах и тканях зимородков, питающихся загрязненной водной пищей, концентрации селена находятся на потенциально токсичном уровне.
Организмы, участвующие в пищевых цепях, такие как зоопланктон, моллюски бентоса и некоторые виды рыб, могут накапливать селен до 30 мкг/г сухой массы (в некоторых особях до 370 мкг/г) без очевидных признаков изменения поведения или воспроизводства. Однако за порог токсичности пищи, потребляемой рыбами и дикими животными, принимается концентрация не более 3 мкг/г. П. Нассос и др. (Nassos et al., 1980) установили концентрацию селена в воде, достаточную для того, чтобы убить половину тестируемых организмов (зоопланктон) за определенное время (табл. 7).
Таблица 7
Сорокашестичасовая LC50 для селенита натрия в воде, мкг/г
(По: Р. Nassos et al., 1980)
|
Вид |
Концентрация Se |
|
Oedogonium cardiacum |
< 0,1 |
|
Physa sp |
> 10,0 |
Организмы, участвующие в пищевых цепях с содержанием селена выше этого предела, должны рассматриваться как потенциально опасные для рыб и водоплавающих птиц, которые питаются этими организмами. Для животных в общем селен остротоксичен при концентрации в пище более 5 мкг/г, но он необходим при концентрации менее 0,1–0,5 мкг/г.
Выяснено, что в некоторых местностях повышенное присутствие селена в растениях (благодаря содержанию его в почве) вызывает у скота щелочную болезнь, у животных поражаются суставы, кости, кожа, происходит потеря зрения и т.д. Отравленные животные в конце концов погибают от истощения. Избыток селена в растениях (содержание порядка 5×10-6%) вызывает облысение овец и болезнь копыт, выпадение перьев у птиц.
Селен – довольно сильный политропный яд, поражающий нервную систему, почки, печень. Установлена его токсичность для человека при потреблении 3–5 мг в день.
Мышьяк. Биофильный элемент, постоянно содержится в организмах растений и животных. Биологическая роль мышьяка выяснена мало, однако известно, что мышьяк относится к ретикуло-эндотелиальным элементам, т.е. принимает участие в процессах выработки иммунных тел и протекания защитных реакций. У лабораторных животных и коз при недостатке мышьяка в специальной диете наблюдалось нарушение воспроизводительных функций, ухудшение общего состояния и увеличение летальных исходов. Вместе с тем, мышьякодефицитные состояния у человека неизвестны.
Кроме того, мышьяк принимает участие в нуклеиновом обмене, т.е. имеет прямое отношение к синтезу белка, и необходим для синтеза гемоглобина, хотя и не входит в его состав.
Известно, что в организме млекопитающих мышьяк содержится в восстановленных формах As, NaAs3+, которые рассматривают как потенциальные стимуляторы образования металлотионеина изCdCl2.
Мышьяковистые минеральные воды применяют при лечении анемии и некоторых желудочно-кишечных заболеваний. Мышьяк – лучшее средство против селенового токсикоза. Этот элемент входит в состав мумие – природного минерально-органического вещества. Также его применяют при лечении сонной болезни на последней стадии.
Токсическое действие для растений обычно проявляется на организмах, растущих на отвалах рудников и на почвах, обработанных мышьякосодержащими пестицидами или осадком сточных вод. Об отравлении мышьяком свидетельствуют такие признаки, как увядание листьев, фиолетовая окраска (за счет увеличения количества антоцианина), обесцвечивание корнеплодов и клеточный плазмоз. Однако наиболее распространенные симптомы интоксикации – это замедление темпов роста растений и снижение их урожайности.
У водорослей мышьяк аккумулируется в клеточном белке и убивает их; или же он накапливается в телах животных, занимающих в пищевой пирамиде более высокое положение.
Мышьяк – высокотоксичный кумулятивный протоплазматический яд, поражающий нервную систему. Смертельная доза 60–200 мг. Хроническая интоксикация наблюдается при потреблении 1–5 мг/день.
Мышьяк блокирует SH-группы в ферментах, контролирует тканевое дыхание, деление клеток, другие жизненно важные функции. Хроническое отравление приводит к потере аппетита, сопровождаемой желудочно-кишечным расстройством типа гастроэнтерита, и к потере веса.
Также отравление мышьяком может вызвать рак легких и кожи, умственные расстройства. Наблюдается резкое обезвоживание организма, сопровождающееся судорогами, гемоглобинурия, гемолитическая анемия, острая почечная недостаточность. Возможна паралитическая форма: оглушение, судороги, потеря сознания, кома, паралич дыхания, коллапс. При ингаляционных отравлениях мышьяковистым водородом быстро развивается тяжелый гемолиз, гемоглобинурия, цианоз, печеночно-почечная недостаточность, гемолитическая анемия.
Трехвалентный мышьяк тормозит окислительные процессы. Пятивалентный мышьяк усиливает брожение, повышает гликолиз крови и мышечной ткани и ускоряет распад гексозодифосфата.
Канцерогенность неорганических соединений мышьяка доказана для кожи и легких человека.
