Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Toxic

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
669.61 Кб
Скачать

Министерство 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, PO34обеспечивают 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

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]