Важкі метали

Серед хімічних речовин, що забруднюють зовнішнє середовище (повітря, ґрунт, воду), важкі метали та їх сполуки утворюють значну групу токсикантів, які негативно впливають на людину. Висока токсичність і небезпечність для здоров'я людини важких металів, можливість їх розповсюдження в навколишньому середовищі зумовлюють необхідність контролю і розроблення засобів захисту від них.

Небезпечність важких металів зумовлена їхньою стійкістю в зовнішньому середовищі, розчинністю у воді, сорбцією ґрунтом, рослинами, що в сукупності призводить до накопичення важких металів у середовищі проживання людини.

Однозначного визначення важких металів немає. Термін "важкі метали" пов'язаний з високою відносною атомною масою. Однією з ознак, що дає можливість зарахувати метали до важких, є їхня густина. До важких металів належать хімічні елементи з відносною густиною більшою, ніж у заліза (7,8 г/см³). Таких елементів понад 40. Кількість найбільш небезпечних важких металів, якщо враховувати їхні токсичність, стійкість і здатність накопичуватись у зовнішньому середовищі, а також масштаби розповсюдження, значно менша. Це ртуть, свинець, кадмій, кобальт, нікель, цинк, олово, сурма, мідь, молібден, ванадій, арсен. Часом до важких зараховують метали, густина яких до 5 г/см³.

Метали можуть розсіюватися на відстані до сотень і тисяч кілометрів. У глобальних масштабах відбувається процес, який сьогодні називають "металевим пресом на біосферу".

Шляхи розсіювання металів різноманітні. Поряд із спалюванням мінерального палива важливим є викид їх в атмосферу при високотемпературних технологічних процесах у металургії, при випалюванні цементної сировини і т. ін. Водночас значна частина компонентів рудних копалин розсіюється задовго до потрапляння руди в металургійну переробку – під час транспортування, збагачення, сортування.

Важкі метали надходять у навколишнє природне середовище у вигляді газів і аерозолів (сублімація металів і пиловидних речовин), а також у рідкому стані (технологічні стічні води).|

Важкі метали, як і інші хімічні елементи, мігрують із атмосфери в гідросферу, із гідросфери – в літосферу. З атмосфери метали і їхні сполуки осідають на ґрунт або на рослини, звідти потрапляють у ґрунт і воду. Встановлено, що процес накопичення важких металів у ґрунті відбувається швидше, ніж видалення їх. Період напіввиведення із ґрунту цинку – 500 років, кадмію – 1100, міді – 1500, свинцю – кілька тисяч років.

Важкі метали і їхні сполуки можуть потрапляти в організм людини з повітрям, крізь шкіру, з їжею і водою. Метали, що потрапляють в організм людини з харчовими продуктами, мають високу токсичність і називаються забрудниками.

Існують різні погляди на металеві забрудники. Відповідно до одного з них усі метали періодичної системи поділяють на три групи: метали як незамінні фактори харчування (есенціальні макро- і мікроелементи); неесенціальні або необов'язкові для життєдіяльності, метали; токсичні метали. Відповідно до іншого погляду всі метали потрібні для життєдіяльності, але в певних кількостях. Цей погляд виражається формулою: "Всі речовини токсичні, але брак речовин також шкідливий". Всі метали можуть проявити токсичність, якщо вони вживаються в значній кількості. Крім того, токсичність металів проявляється в їхній взаємодії один з одним. Наприклад, фізіологічна дія кадмію на організм, зокрема і його токсичність, залежить від кількості цинку, а функції заліза в клітинах визначаються наявністю міді, кобальту і цинку.

Однак існують метали, які проявляють сильну токсичну дію у малих концентраціях і не виконують ніякої корисної функції. До таких токсичних металів належать: ртуть, кадмій, свинець, арсен. Вони не є ні життєво необхідними, ні благотворними, але навіть у малій кількості порушують нормальні метаболічні функції організму.

Підлягають контролю на вміст у харчових продуктах: ртуть, кадмій, свинець, арсен, мідь, стронцій, цинк, залізо, сурма, нікель, хром, фтор, йод і деякі інші метали.

Ртуть – своєрідний метал, в нормальних умовах це рідина. За це ртуть назвали "рідким сріблом". Для середньовічних алхіміків ртуть мала велике значення і ціну у пошуках "філософського каменю" – таємничої речовини, що, як вважалося за тих часів, може перетворювати прості метали в золото.

Тільки в останньому столітті доведено, що ртуть бере участь у багатьох хімічних реакціях як каталізатор. Завдяки цим властивостям ртуть набула широкого використання в промисловості. Кожного року у світі отримують понад 10 тис. т ртуті. З них приблизно 25 % використовують при виробництві електродів, отримання хлору і лугів; 20 – в електротехнічному обладнанні; 15 – при виробленні фарб; 10 – у ртутних приладах (термометрах); 5 – у виробництві дзеркал, в агрохімії і 3 % – як ртутна амальгама при лікуванні зубів. Ще 25 % ртуті, що виробляється, використовують у виробництві детонаторів, каталізаторів, паперової пульпи, у фармації і косметиці, а також у воєнних цілях.

Підраховано, що, крім 10 тис. т ртуті, яку добувають у світі при гірничорудних розробках, ще 10 тис. т металу виділяється в навколишнє природне середовище під час згоряння вугілля, нафти і газу, добування густої породи та інших індустріальних розробок. Природним шляхом щорічно від 30 тис. до 150 тис. т ртуті виділяється під час дегазації земної кори та океанів.

Ртуть належить до розсіяних у природі мікроелементів. За розповсюдженням у земній корі вона займає 62-ге місце, середня концентрація її становить 0,5 мг/кг.

У харчових продуктах ртуть може бути у трьох видах: атомарна ртуть, окиснена ртуть і алкілртуть – поєднання ртуті з алкілувальними сполуками.

Токсична небезпека ртуті полягає у взаємодії з SН-групами білків. Ртуть блокує їх і змінює біологічні властивості білків тканини, а також інактивує ряд гідролітичних та окисних ферментів. Ртуть у разі проникнення до клітини може включитись у структуру ДНК, що вплине на спадковість людини. Мозок, проявляє особливу спорідненість до ртуті і здатний акумулювати її майже в 6 разів більше, ніж інші органи. В ембріонах ртуть накопичується також, як і в організмі матері, але вміст ртуті в мозку плоду може бути більшим.

Ртуть виводиться з організму частково через нирки, а здебільшого через печінку і жовч, а також з фекаліями. Період біологічного напіввиведення сполук ртуті з організму – до 70 днів.

Допустиме тижневе надходження ртуті в організм становить 0,3 мг на людину, що еквівалентно кількості 0,005 мг/кг маси тіла за тиждень.

У питній воді допустимий вміст ртуті становить до 0,001 мг/л, а для інших харчових продуктів – близько 0,05 мг/кг. Допустимий вміст ртуті в рибі – 0,5 мг/кг. Граничне допустима концентрація в повітрі робочої зони виробничих приміщень – 0,01 мг/м³.

Щоб запобігати ртутному отруєнню через харчові продукти і воду, потрібен особливо точний контроль за вмістом ртуті в харчових продуктах і в інших біологічних об'єктах.

У разі розливу ртуті вживають комплекс заходів для механічного вилучення її та хімічної нейтралізації. Це називається демеркуризацією.

Механічне видалення здійснюють: гумовою грушею зі скляною "ловушкою", заповненою підкисленою содою; за допомогою лейкопластиру, який прикладається до забрудненої поверхні, або спеціально заготовленою амальгованою мідною пластинкою, до якої крапельки ртуті "прилипають"; при цьому краплі збирають від периферії до центра.

Хімічна нейтралізація: мильно-содовим розчином (4-відсотковий розчин мила у 5-відсотковому розчині соди); водним розчином 0,2-відсоткового марганцевокислого калію і соляної кислоти (5 мл/л розчину); 20-відсотковим розчином хлорного вапна і т. ін. Після проведення робіт приміщення провітрюють.

Щоб уникнути зараження парами ртуті, застосовують ізолювальні протигази, промислові фільтрувальні протигази, універсальні респіратори (РПГ-67-7, РУ-60М-Г, РУ-60МУ-Г). У разі застосування протигаза марки Г треба вести облік часу роботи кожної коробки, оскільки захисна дія протигаза без аерозольного фільтра становить 100 год, без аерозольного фільтра, але з індексом – 8 год, з аерозольним фільтром – 80 год.

Респіратор протигазний РПГ-67-7 захищає протягом 25 год. Респіратори універсальні РУ-60М-Г і РУ-60МУ-Г здатні захищати від парів ртуті та аерозолів не менше ніж 15 год.

Кадмій – найнебезпечніший токсикант зовнішнього середовища. В природі кадмій трапляється в дуже малих кількостях, через те його отруйні властивості виявлено не так давно.

В останні 30-40 років кадмій все ширше використовують в промисловості. Цей елемент міститься в мазуті й дизельному паливі. Використовують його: як присадку до сплавів; під час нанесення гальванічних покриттів (кадмування неблагородних металів); при отриманні кадмієвих пігментів, потрібних у виробництві лаків, фарб, емалі, кераміки; як стабілізатор пластмас, наприклад полівінілхлориду, в електричних батареях. Наявність і використання кадмію, а також спалювання кадмієвмістних пластмасових відходів призводить до потрапляння кадмію в повітря. У всьому світі в навколишнє природне середовище викидається приблизно 500 т кадмію.

Про велику небезпеку внаслідок забруднення довкілля кадмієм свідчить масова інтоксикація ним жителів басейну річки Дзинцу в Японії. Цинковий рудник забруднював річку, воду з якої використовували для зрошення рисових полів і соєвих плантацій, а також для пиття. Через 15-20 років 150 чоловік померли від хронічного отруєння кадмієм. Вміст кадмію в рисі – основному харчовому продукті – досягав 500... 1000 мкг/кг, що і стало причиною захворювання. Сама назва хвороби іtаі-іtаі відображає жахливі муки хворих. Перші симптоми хвороби – це болі в спині й ногах. Тиск на кістки, особливо на довгі кістки ніг і ребер, підсилює біль. Незначний удар спричинює переломи кісток, виникають деформації скелета і значно зменшується довжина тіла.

Кадмій небезпечний у будь-якій формі – доза 30...40 мг при потраплянні в організм може бути смертельною. Тому навіть вживання напоїв з пластмасової тари, матеріал якої вміщує кадмій, є надзвичайно небезпечним. Кадмій виводиться з організму дуже повільно (0,1 % за добу). В організмі кадмій накопичується переважно в нирках, і після досягнення порогової концентрації – близько 0,2 мг кадмію на 1 г маси нирок – з'являються симптоми важкого отруєння і захворювання, яке не виліковується.

Найбільша кількість кадмію надходить до організму з рослинною їжею. З ґрунту рослини вбирають до 70 % кадмію і 30 % надходить з повітрям. Вважається, що доросла людина з харчовим раціоном отримує 30... 150 мкг кадмію за добу.

Максимально допустима кількість кадмію в організм для дорослої людини – 500 мкг за тиждень, тобто 70 мкг/добу, і 1 мкг/кг маси тіла.

Свинець - належить до найвідоміших отрут. З часів Стародавнього Риму свинець використовували для виготовлення водопровідних труб, посуду і місткостей для пиття. Дослідження скелетів із поховань того часу на вміст у них свинцю свідчать, що у представників римської знаті в організмі накопичувався свинець. Існує теорія, за якою занепад римської могутності відбувся завдяки хронічному отруєнню свинцем тодішньої інтелігенції.

Свинець трапляється в природі у мікрокількостях. У ґрунті його міститься від 2 до 200 мг/кг. Світове виробництво свинцю становить до 6 млн т.

Свинець використовують у вигляді чистого металу та хімічних сполук. Більшу частину свинцю використовують при виготовленні акумуляторів, покриття кабелів, куль, снарядів, при маянні консервних бляшанок, для двигунів, у поліграфії. Оксид свинцю використовують при виготовленні білил, сурику, глазурованих керамічних виробів. Солі свинцю використовують при виробництві скляних виробів, високоякісного кришталю, телевізійних трубок, флуоресцентних ламп.

Високу токсичність мають алкілові сполуки свинцю – тетраетил свинцю, який домішують до бензину як антидетонатор.

При згорянні бензину в двигуні автотранспорту відбуваються забруднення і токсикація повітря свинцем. У Німеччині в 1969 р. вантажними автомобілями було випущено в повітря 7 тис. т свинцю.

Навколишнє природне середовище забруднюється свинцем також під час його виплавки і скидання вод з рудників. Пестициди, що містять свинець, можуть безпосередньо збільшити вміст його у фруктах, овочах, а при тривалому використанні таких пестицидів свинець надходить у продукти безпосередньо із забрудненого ґрунту.

Свинець токсично діє на кровотворну, нервову, шлунково-кишкову і ниркову системи. Слідом за втратою апетиту, диспепсією, запорами бувають кольки з інтенсивними пароксизмальними болями в животі. Отруєння організму свинцем спричинює також анемію (недокрів'я – зменшення кількості крові, вмісту в ній гемоглобіну і кількості еритроцитів), зниження розумових здібностей, агресивну поведінку.

Максимально допустимий вміст свинцю в організмі дорослої людини становить 3 мг за тиждень, тобто 0,007 мг/кг маси тіла, а ГДК в питній воді – 0,05 мг/л.

Арсен найпоширеніший у вигляді неорганічних сполук - оксидів тривалентного (Аз₂О₃) і п'ятивалентного (Аз₂О₃) арсену. Світове виробництво становить приблизно 50 тис. т за рік. Останнім часом виробництво арсену за кожних 10 років зростає на 25 %.

У металургії арсен використовують для підвищення термостійкості й твердості сталі, у хімічній промисловості – при виробництві фарб, скла та емалей. Здебільшого арсен використовують у сільському господарстві й у споріднених галузях.

Арсен є в більшості харчових продуктів і в усіх прісних водах. Він може спричинювати гостре і хронічне отруєння.

Хронічне отруєння арсеном призводить до втрати апетиту, зменшення маси, гострого кишкового розладу, периферійних неврозів, кон'юнктивіту та меланоми шкіри.

Допустимий вміст арсену в організмі 0,05 мг/кг маси тіла, що для дорослої людини становить 3 мг/ добу.

Виведенню важких металів з організму і підвищенню імунітету сприяє дотримання принципів раціонального харчування. Пектин, харчові волокна, каротиноїди сприяють виведенню важких металів з організму. Вживання фруктів і овочів у межах фізіологічних норм сприяє виведенню важких металів і запобіганню злоякісних пухлин. Багато пектину і харчових волокон міститься в яблуках, сливах, абрикосах, персиках, столових буряках, моркві, капусті, баклажанах, гарбузах та інших овочах і фруктах. Вони містять β-каротин, вітаміни С, Е, А. Корисними є фрукти та ягоди, що містять антоціани (темно-сині барвні сполуки): смородина, порічка, чорноплідна горобина, темні сорти винограду, чорниця, ожина тощо.