
Toxic
.pdfМинистерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Новомосковский институт
БИОЛОГИЧЕСКОЕ И ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
Под редакцией канд. хим. наук Т.И. Рыбкиной
Утверждено редакционным советом института в качестве учебного пособия
Новомосковск 1999
УДК 546:502.7 ББК 24.1:20.1
Б633
Биологическое и токсическое действие химических элементов и их неорганических соединений на организм человека.: Учеб. пособие /Под ред. канд. хим. наук Т.И. Рыбкиной. НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, 1999, 96 с.
Учебное пособие знакомит студентов с биологическим и токсиче-
ским действием химических элементов и их неорганических соединений на организм человека. В пособии описаны также антропогенные источники загрязнений окружающей среды и меры предосторожности, которые необ- ходимо соблюдать при работе в химической лаборатории. Контрольные во- просы в конце каждой главы предназначены для контроля усвояемости изу- ченного материала. Для студентов химических вузов, преподавателей и учи- телей химии.
Ил. 4. Табл. 7. Библиогр.: 8 назв. Авторы:
Разделы 1, 2, 6 Раздел 3 Разделы 4, 7 Разделы 5, 10 Раздел 8, Разделы 9, 11 Разделы 12, 13
Т.И. Рыбкина Э.А. Кириченко Г.Г. Машутина В.А. Кочетов А.И. Ермаков Н.А. Макрушин Е.А. Жарикова
Рецензенты: докт. хим. наук, проф., акад. Международной Академии Экологии Е.З. Голосман (Новомосковский институт азотной промышленности), докт. хим. наук, проф., В.А. Аверьянов (Тульский Государственный Университет), канд. техн. наук, доц. В.А. Перегудов (НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева)
ISBN 5-7237-0163-0 © |
Российский химико-технологический |
|
университет имени Д.И. Менделеева, |
|
Новомосковский институт, 1999 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Неорганическая химия представляет собой неотъемле- мую часть общечеловеческой культуры. В последние годы ста- ли яснее осознавать, что появление все большего числа неор-
ганических веществ в различных сферах народного хозяйства оказывает глубокое и опасное влияние на окружающую среду. Сейчас нельзя обойти вниманием характер и степень воздейст-
вия неорганических веществ на человека и окружающий его мир. Настало время научить себя и студентов раздумывать над применяемыми инженерными и научными решениями.
Данное пособие предназначено познакомить студентов 1 курса, изучающих дисциплину «Общая и неорганическая хи- мия» с биологическим влиянием на организм человека элемен- тов периодической системы Д.И. Менделеева /1-3/. В пособии
также дана краткая характеристика токсичности элементов и их соединений и источников загрязнения ими окружающей среды /4,5/. Для оценки контроля предлагается перечень кон- трольных вопросов по каждой группе элементов периодиче- ской системы Д.И. Менделеева.
Авторы глубоко признательны академику Международ- ной Академии экологии Е.З. Голосману, профессору Тульского государственного университета В.А. Аверьянову и доценту ка- федры «Устойчивое развитие и безопасность жизнедеятельно- сти» НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева В.А Перегудову за внима- тельное прочтение рукописи и ценные советы, сделанные при рецензировании. Все критические замечания и пожелания бу- дут приняты авторами с благодарностью по адресу:
НИ РХТУ, кафедра общей и неорганической химии 301670 Новомосковск, Тульской обл., Дружбы 8
4
1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Часто говорят, что в организме человека содержится вся таблица химических элементов Д.И. Менделеева. И это не- далеко от истины: в организме человека обнаружено более 80 химических элементов. Для классификации химических эле- ментов, содержащихся в организме человека, применимы 2 подхода. Условно их можно назвать так: «химический» – по массовому процентному содержанию и «биологический» – по их биологической роли /6,7/.
Первый подход достаточно прост, элементы, содержа- ние которых в организме превышает 10-2 %, относятся к мак- роэлементам (их всего 10, см. табл.1), остальные (их более 70)
– микроэлементы.
Таблица 1
|
Макроэлементы |
|
Элемент |
|
Содержание в организме |
|
|
человека, масс. % |
O |
|
63 |
C |
|
21 |
H |
|
10 |
N |
|
3 |
Ca |
|
2 |
P |
|
1 |
K |
|
0,27 |
S |
|
0,16 |
Na |
|
0,10 |
Cl |
|
0,08 |
Классификация элементов по биологической роли осу- ществляется следующим образом. Первая группа – макробио- генные элементы - O, C, H, N, Ca, P. Шесть главных элементов
5
жизни, каждого из которых в теле живых существ больше 1 %, - это основной строительный материал, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. В скелете взрослого человека 1200 г Ca и 530 г P.
Вторая группа – олигобиогенные элементы – K, S, Na, CI, Mg, Fe. Тоже шесть элементов, содержание которых в че- ловеческом организме составляет от 0,1 до 1 %. Это элементы, роль и значение которых в жизнедеятельности организма из- вестны.
Катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и анионы Cl− , Br − , SO24− , PO34− обеспечивают электрохимические и другие жизненные
процессы. Их электрохимическая функция заключается в регу-
лировании осмотического давления и распределении заряда по обеим сторонам клеточных мембран. Фосфор, кроме того, за- нимает ведущее место в энергетике клетки. Сера входит в со- став некоторых аминокислот (цистеин, цистин, метионин). Подробнее смотрите соответствующие разделы пособия.
Элементы, содержание которых в организме меньше 0,01 %, называют микробиогенными. Давно доказано, что во- семь таких элементов - Mn, Co, Cu, Mo, Zn, F, Br, I - необхо- димы для жизни. Пять из них – это переходные металлы с
большой склонностью к комплексообразованию и переменной валентностью (кроме Zn). В сочетании с белковыми макромо- лекулами они работают в составе металлоферментов и метал- лопротеидов, обеспечивающих нормальный ход большинства биохимических процессов. Из более чем 700 выявленных фер- ментов свыше четверти – металлоферменты. В металлопротеи- дах, не выполняющих каталитической функции, связь металла с протеином наиболее прочна. Их функция – это перенос элек- тронов, водорода, кислорода и некоторых металлов.
Последняя группа – элементы, роль которых еще не яс- на, и токсичные элементы /8/.
6
Внастоящее время в теле человека и животных обна- ружено свыше 70 химических элементов (см. рис.1). В крови человека содержится более 30 элементов. В костях тоже около 30 элементов. В обычном молоке более 20 микроэлементов.
Впоследнее время наряду с этими 20 элементами твер- дое признание получили еще 12 элементов жизни: Li, B, AI, Si,
Sn, Cd, As, Se, Ti, V, Cr, Ni.
Однако все они (кроме Li) были отнесены к элементам жизни Вернадским еще полвека назад. Полагают, что живые существа не могут обойтись ещё без шести элементов: Be, Rb,
Ba, Ag, Pb, W. Содержание всех этих 18 элементов в организ- ме человека и животных ничтожно: 10-4 – 10–6 %.
К элементам жизни причислены и яды, враги всего жи- вого: Pb, Sn, Cd, As. Но эти элементы токсичны лишь в высо- ких дозах, в малых же – активируют жизненные силы. Это как нельзя лучше подтверждает слова Парацельса: «Все есть яд и ничто не лишено ядовитости; одна только доза делает яд неза- метным».
Стоит ли после этого удивляться пользе некоторых го- меопатических лекарств, когда в организм поступают исче- зающе малые дозы микроэлементов, в том числе таких ядови- тых и нужных для жизни, как мышьяк, свинец, медь.
Кроме всех перечисленных выше элементов в организ- ме человека, животных и растений обнаружены еще Cs, Ga, In, TI, Ge, Sb, Bi, Te, Au, Hg, V, La, Ce, Pr, Nd, Zr, Nb; все бла-
городные газы и даже Ra, Ac, Po, Th, U (см. рис.1). Содержа- ние их от 10-4 до 10-12 %. Количество радиоактивных элементов в организме ничтожно – менее одного атома на клетку; вряд ли они необходимы для жизни. Из стабильных элементов в телах микробов, растений и животных пока не нашли только 7 пере- ходных металлов (Rh, Pd, Hf, Ta, Re, Ir, Pt) и 10 редкоземель- ных элементов от самария до лютеция. Но все эти элементы или очень редкие, или крайне рассеянные. Поэтому можно по-
7
лагать, что если они и будут обнаружены в тканях, то в ни- чтожных концентрациях.
Химические элементы концентрируются в организме человека неравномерно (см. рис.2,3). Большинство микроэле- ментов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Это депо (запасники) микроэлементов. Сейчас, анализируя хи-
мический состав некоторых частей человеческого организма (крови, желудочного сока, волос и т.д.), ученые делают вывод не только о физиологическом, но и о психическом состоянии организма. Известно, что при стрессе содержание цинка в кро- ви возрастает. Повышение содержания Ni и Mn в крови проис- ходит незадолго до инфаркта.
Методом масс-спектроскопии было определено содер- жание микроэлементов в волосах. У агрессивных людей (как взрослых так и подростков) в волосах обнаруживается повы- шенное содержание Pb, Fe, Cd, Ca, Cu и пониженное Zn, Li, Co.
Металлы составляют 3 % массы человека. Биологиче- ское действие ферментов связано с наличием, в первую оче-
редь, d -элементов 4-го периода: Fe, Co, Zn, Cu, V, Cr, Mn, Ni и Mo. Самым тяжелым из биологически активных металлов яв-
ляется Mo (Z = 42).
Важное биологическое значение имеют и некоторые щелочные и щелочноземельные элементы: K, Na, Mg, Ca. По
сравнению с переходными элементами они связываются менее прочно, и поэтому более легко и свободно перемещаются.
Функция натрия и калия в клеточных мембранах связана с нервными импульсами. Магний и кальций участвуют в процес- се превращения химической энергии в работу мышц.
Совершенно логично считать, что железо присутствует в цитохромах и ферредоксинах, поскольку окислительно - вос- становительный потенциал пары Fe3+/Fe2+ имеет значение, со- ответствующее области потенциалов, в которой протекают биологические процессы.

реакционно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
способные |
|
|
переходные металлы |
|
|
в основном неметаллы |
|||||||||||
металлы |
|
|
|
|
|||||||||||||
IA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VIIIA |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
H |
IIA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IIIA |
IVA |
VA |
VIA |
VIIA |
He |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Li |
Be |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
C |
N |
O |
F |
Ne |
11 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
14 |
15 |
|
|
18 |
Na |
Mg |
IIIБ |
IVБ |
VБ |
VIБ |
VIIБ |
|
VIIIБ |
|
IБ |
IIБ |
Al |
Si |
P |
|
|
Ar |
19 |
20 |
21 |
|
|
|
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
31 |
32 |
|
34 |
|
36 |
K |
Ca |
Sc |
|
|
|
|
Fe |
Co |
Ni |
Cu |
Zn |
Ga |
Ge |
|
Se |
|
Kr |
37 |
38 |
39 |
|
41 |
|
43 |
44 |
45 |
46 |
47 |
48 |
49 |
50 |
|
|
53 |
54 |
Rb |
Sr |
Y |
|
|
|
Tc |
Ru |
Rh |
Pd |
Ag |
Cd |
In |
Sn |
|
|
|
Xe |
55 |
56 |
57 |
72 |
73 |
74 |
75 |
76 |
77 |
78 |
79 |
80 |
81 |
82 |
|
|
85 |
86 |
Cs |
Ba |
La |
Hf |
Ta |
W |
Re |
Ir |
Pt |
Au |
Hg |
Tl |
Pb |
|
|
|
Rn |
|
Os |
|
|
|
||||||||||||||
87 |
88 |
89 |
104 |
105 |
106 |
107 |
108 |
109 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fr |
Ra |
Ac |
Rf |
Db |
Sg |
Bh |
Hh |
Mt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
57 |
58 |
|
59 |
|
60 |
61 |
62 |
63 |
64 |
65 |
66 |
67 |
68 |
69 |
70 |
71 |
|
La |
Ce Pr |
|
Nd |
Pm Sm Eu |
Gd |
Tb |
Dy |
Ho |
Er |
Tm |
Yb |
Lu |
||||
|
89 |
90 |
|
91 |
U |
92 |
93 |
94 |
95 |
96 |
97 |
98 |
99 |
100 |
101 |
102 |
103 |
|
Ac |
Th |
Pa |
|
Np |
Pu |
Am Cm Bk |
Cf |
Es |
Fm |
Md (No) (Lr) |
||||||
макробиогенные олигобиогенные микробиогенные |
элементы, |
|
элементы, |
|
редкие и рассеянные |
||||||||||||
элементы |
элементы |
|
|
элементы |
|
возможно |
|
биологическая |
элементы, содержание |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
являющиеся |
роль которых |
которых 10-4 - 10-12 % |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
биогенными |
не выяснена |
|
|
|
Рис. 1. Содержание химических элементов в организме человека

9
Спинномозговая жидкость
Na
Кровь
Fe, Na, Li, Ca, K
Сердце
Ca, K
Лёгкие
Li, Na
Печень
Li, Se, Mo, Zn, Ca, Mg, K, Cu
Поджелудочная
железа
Mg
Пищеварительные
соки
Na
Рис. 2. Концентрирование некоторых химических элементов во внутренних органах и биожидкостях человека

10
Волосы
Al, As, V
Дентин и эмаль зубов
Ca, Mg, F
Зубная ткань
Ca, P
Мозг
Na, Mg, K
Гипофиз
Zn, Br, Mn, Cr
Щитовидная железа
I, Zn, Br
Почки
Li, Se, Ca, Na, Mg, K, Mo, Cd, Hg
(Женские)
Половые железы
Zn, Br
Скелетная мускулатура
Li, Mg, K
Костная ткань
Na, Ca, Mg, K, P
Глазная жидкость |
Сетчатка глаза |
Na |
Ba |
Рис. 3 Концентрирование некоторых химических элементов в железах и тканях человека