Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na rośliny, zwierzęta i ludzi

W związku z szybkim rozwojem przemysłowym świata znacznie wzrosło niebezpieczeństwo zatrucia środowiska metalami ciężkimi. Metale ciężkie to pierwiastki o masie właściwej większej od 4,5 g/cm3, które w reakcjach chemicznych wykazują tendencję do oddawania elektronów, tworząc proste kationy. W stanach stałym i ciekłym charakteryzują się dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, posiadają połysk i są nieprzezroczyste. Mają wysoką temperaturę topnienia i wrzenia. Są kowalne i ciągliwe, a ich pary są najczęściej jednoatomowe. Wykazują właściwości redukujące.

Wynik EHA oznacza pierwiastki ze wszystkich grup z różnym stopniem zagrożenia dla organizmu

Przemieszczanie pierwiastków do kolejnych ogniw łańcucha pokarmowego, a w konsekwencji do organizmu człowieka jest ograniczone działaniem barier biologicznych. Należy jednak podkreślić, że przy nadmiernym stężeniu metali ciężkich działanie tych barier jest ograniczone, co wiąże się z ryzykiem negatywnego ich oddziaływania na środowisko, a przede wszystkim na zdrowie ludzi.

Drogi przedostawania się metali ciężkich do organizmu człowieka

Zagrożenie ze strony metali ciężkich wynika bezpośrednio z ich przemieszczania się w łańcuchu troficznym gleba – roślina – zwierzę – człowiek i z możliwości kumulacji w ostatnim ogniwie, czyli organizmie człowieka. Do najważniejszych źródeł metali ciężkich w glebie zaliczyć należy skałę macierzystą, emisje przemysłowe, komunikacyjne, gospodarkę komunalną oraz rolnictwo. Spośród najbardziej istotnych antropogenicznych źródeł zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi wymienia się: górnictwo i hutnictwo metali nieżelaznych, przemysł metalurgiczny, chemiczny, składowanie odpadów, stosowanie w wysokich dawkach zanieczyszczonych nawozów mineralnych (głównie fosforowych), stosowanie odpadowego wapna do odkwaszania gleb, środków ochrony roślin, nawożenie osadami, a także spływy powierzchniowe z dróg o dużym natężeniu ruchu.

Kancerogenny wpływ wybranych metali ciężkich na ludzi i zwierzęta

Do organizmów ludzi i zwierząt metale ciężkie dostają się najczęściej drogą pokarmową. Skutki zdrowotne regularnego spożywania produktów zawierających nawet niewielkie ilości tych pierwiastków mogą ujawnić się po wielu latach. Absorpcja metali ciężkich poprzez wdychanie skutkuje najłatwiejszym pochłanianiem i szybkim rozprowadzeniem przez układ krążenia. Szczególnie proces ten zachodzi efektywnie, gdy metal występuje w postaci dających się wchłonąć cząstek o wymiarach mniejszych od 100 um, na przykład w postaci lotnych związków metaloorganicznych lub jako pary metalu w postaci pierwiastkowej. Metale ciężkie mogą również być wchłanianie przez skórę na drodze transportu transfolikularnego. Proces ten zachodzi przez przydatki skóry, głównie gruczoły łojowe i mieszki włosów, w mniejszym stopniu przez gruczoły potowe.

Metale ciężkie mogą również być wchłanianie przez skórę na drodze transportu transfolikularnego. Proces ten zachodzi przez przydatki skóry, głównie gruczoły łojowe i mieszki włosów, w mniejszym stopniu przez gruczoły potowe.

Metale ciężkie w organizmach zwierzęcych czy ludzkich wywołują przede wszystkim zmiany w syntezie białka i zaburzenia wytwarzania ATP, w następstwie których może dochodzić do poważnych zmian chorobowych łącznie z nowotworowymi. Skala zaburzeń uzależniona jest w dużym stopniu od ilości wprowadzonego do organizmu pierwiastka. Należy podkreślić, że stopień toksyczności pierwiastków śladowych dla organizmów zależy również od rodzajów związków, w jakich metale występują, ich formy chemicznej, rozpuszczalności w płynach ustrojowych i lipidach, czasu ekspozycji organizmu, a także odporności danego osobnika. (…) Określone kombinacje tych czynników mogą powodować, że absorpcja będzie albo bardzo silna, albo bardzo słaba.

Toksyczne działanie metali na ludzi i zwierzęta jest bardzo szerokie. Do najbardziej toksycznych metali ciężkich należą: ołów, rtęć i kadm. Metale łatwo ulegają kumulacji w określonych organach, a kancerogenne oddziaływanie występuje, gdy poziom metalu w danym organizmie osiągnie lub przekroczy dawkę progową. Często organami najbardziej atakowanymi są te organy, które są związane z detoksykacją lub eliminacją metalu. Dlatego też metale ciężkie głównie atakują wątrobę i nerki. Ponadto często stwierdza się kumulację metali w kościach, mózgu i mięśniach. Metale mogą wywołać natychmiastowe ostre zatrucia lub stany przewlekłe. Zatrucia ostre powodują takie metale, jak: As, Zn, Cd, Cu i Hg. Zatrucia przewlekłe mogą wywoływać m.in.: As, Zn, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Sn, Co, Ni, Mn, Se, Fe, i Ag. Schorzenia przewlekłe występują przez długi czas w formie utajonej. Po pewnym czasie mogą wywołać bardzo niebezpieczne zmiany mutagenne lub uszkodzenia centralnego systemu nerwowego. Zmiany mutagenne, których etapy przedstawiono poniżej, mogą prowadzić do schorzeń nowotworowych. Poszczególne etapy karcynogenezy:
1. Inicjacja – powstanie jednej lub kilku mutacji w materiale genetycznym komórki pod wpływem substancji chemicznych lub czynników fizycznych, w wyniku infekcji wirusowej.
2. Promocja – rozumiana jako szybki wzrost i niekontrolowany podział komórek. Białka stymulujące komórki, zwane czynnikami wzrostowymi, mogą być produkowane przez same zmutowane komórki. Może więc rozpocząć się proces samonapędzania i braku kontroli. Karcynogeneza może również polegać na nieprawidłowym różnicowaniu się tkanek. Wymienione powyżej etapy karcynogenezy odnoszą się też do nowotworów, które można określić jako łagodne.
3. Progresja – polega na klonowej ekspansji zmienionych genetycznie komórek i zmianie samych komórek do stanu brodawczakowego, włókniakowego, tłuszczakowego.

Dalsza progresja polega na:
1. Kolejnych zmianach genetycznych w protoonkogenach lub w genach supresorowych hamujących niekontrolowany rozwój takich tkanek.
2. Zaprzestaniu syntezy enzymów kontrolujących wzrost komórki lub niekontrolowaną syntezę enzymów powodujących rozrost komórki.
3. Przechodzeniu komórek ze stanu np. brodawczakowego do stanu rakowego.
4. Inwazji na sąsiednie tkanki.
5. Przerzutach – komórki tracą przyczepność do pozostałych komórek i roznoszone są po całym organizmie.

Metale ciężkie nie podlegają degradacji biologicznej. Ich detoksykacja przez organizmy polega na „ukrywaniu” aktywnych jonów metali w obrębie białek, takich jak metalotioneiny, lub na odkładaniu ich w formie nierozpuszczalnej w granulach międzykomórkowych w celu długotrwałego składowania lub wydalenia wraz z odchodami.

Postać metalu może decydować, który organ będzie zaatakowany. Na przykład rozpuszczalna w tłuszczach rtęć pierwiastkowa albo w postaci związku rtęcioorganicznego niszczy mózg i układ nerwowy, a jon Hg2+ może atakować nerki. Również toksyczne oddziaływanie kadmu związane jest głównie z jego występowaniem w organizmie w postaci wolnych jonów kadmowych.

Obserwuje się znaczną selektywność w wiązaniu metali do tkanki. Toksyczny ołów i radioaktywny radon gromadzą się w tkance kostnej, natomiast nerki i wątroba gromadzą głównie kadm i rtęć. Poniżej przedstawiono toksyczne oddziaływanie wybranych metali na organizmy ludzi i zwierząt.

Kadm

Toksyczne oddziaływanie kadmu związane jest głównie z jego występowaniem w organizmie w postaci wolnych jonów kadmowych. Wiążą się one z atomami siarki, wodoru i tlenu, powodując zaburzenia różnych cykli metabolicznych. Zaburza metabolizm białek, zakłóca przemianę witaminy B1. W zatruciach przewlekłych wpływa na metabolizm związków wapnia i fosforu, upośledza prawidłową mineralizację kości, a tym samym zwiększa ich łamliwość. Kadm został zaliczony do pierwiastków o działaniu rakotwórczym, potwierdzone jest również działanie embriotoksyczne i teratogenne. Toksycznie oddziałuje przede wszystkim na:
1. Układ wydalniczy – pojawienie się w moczu białek wysokocząsteczkowych, zahamowanie działalności sorpcyjnej kanalików nerkowych, kamica nerkowa.
2. Układ oddechowy – obrzęk pęcherzyków płucnych i rozedma płuc, zapalenie błony śluzowej nosa i gardła, niewydolność oddechowa, zanik węchu.
3. Układ krwionośny – zaburzenia krążenia.
4. Embriotoksycznie – niedokrwistość niedobarwliwa, zwyrodnienie mięśnia sercowego i nadciśnienie tętnicze, przedwczesne porody, niska masa urodzeniowa noworodków i różne zaburzenia węchowe płodu.

Głównymi docelowymi organami kumulującymi kadm są wątroba i nerki, a także trzustka, jelita, gruczoły oraz płuca. W moczu ten pierwiastek pojawia się dopiero po uszkodzeniu nerek. Jeżeli w korze nerkowej zgromadzi się 200 µgCd/g, występują ostre objawy choroby. Ilość kadmu w organizmach zwiększa się z wiekiem, ponieważ jego okres połowicznego zaniku w organizmie wynosi ok. 20-30 lat. Średnio na tydzień człowiek z pożywieniem wprowadza do organizmu od 0,2 do 0,4 mg Cd, co mieści się w dopuszczalnych granicach określonych przez WHO, tj. 0,4÷0,5 mg [32].

Wyniki badań wskazują, że wypalanie dziennie 20 papierosów odpowiada pobieraniu 40 µg Cd z żywnością, co oznacza, że pobieranie kadmu ulega w tym przypadku podwojeniu. Na podstawie zastosowanych modeli matematycznych, przy uwzględnieniu szybkości wchłaniania, czas wydalania kadmu z organizmu obliczono, że spożywając 10 µg kadmu dziennie, można w ciągu 50 lat osiągnąć stężenie krytyczne w korze nerek, wynoszące wg ekspertów WHO 200 mg/kg. Kadm został umieszczony przez International Agency for Research on Cancer na liście związków rakotwórczych, wywołujących raka prostaty i jąder oraz nowotwory układu krwionośnego.

Sprawdź czy/i ile kadmu (Cd) znajduje się w Twoim organizmie

Ołów

Metal ten wchłaniany jest do organizmu człowieka głównie przez drogi oddechowe i skórę, w niższym stopniu przez układ pokarmowy. Wszystkie związki ołowiu są trujące. Najczęściej spotykaną chorobą jest ołowica. Jest to przewlekłe zatrucie ołowiem i jego solami występujące u pracowników drukarń, fabryk akumulatorów i fabryk farb ołowiowych. Zatrucia ostre są rzadko spotykane. Zatrucia przewlekłe dotyczą przede wszystkim układu pokarmowego i nerwowego. Główne objawy to znużenie, zmęczenie, porażenie mięśni, szara obwódka wokół zębów, osłabienie pamięci, zaburzenia neurologiczne i psychiczne. Szczególnie toksycznie oddziałuje na układ nerwowy ludzi młodych, u których bariera krew-mózg nie jest jeszcze dobrze wykształcona. Już przy stężeniu 0,2 mg/kg we krwi ołów uszkadza ośrodkowy i obwodowy układ nerwowy. Na zatrucie ołowiem narażone są ponadto układy krwionośny i sercowo-naczyniowy, oddechowy, a także nerki i wątroba. Powoduje zaburzenia funkcji rozrodczych i metabolizmu wapnia, przez co jego nadmiar w organizmie jest przyczyną deformacji kości. Toksyczne działanie ołowiu na ludzi i zwierzęta jest bardzo szerokie:
1. Embriotoksyczne – zmniejszenie liczebności i wielkości płodów, wzrost śmiertelności noworodków. 2. Rakotwórcze – u zwierząt łagodne i złośliwe nowotwory nerek, guzy gruczołów wydzielania wewnętrznego, gruczolaki płuc.
3. Mutagenne – uszkodzenie leukocytów u myszy.
Maksymalna dawka ołowiu wchłaniana przez człowieka dorosłego w ciągu tygodnia nie powinna przekraczać 3 mg (wg WHO), a dawka dla dzieci 1 mg.

Sprawdź czy/i ile ołowiu (Pb) znajduje się w Twoim organizmie

Cynk

Spełnia w organizmie człowieka bardzo istotne funkcje, takie jak: tworzenie enzymów regulujących metabolizm białek i węglowodanów, reguluje pracę układu krwionośnego, rozrodczego i kostnego. Ponadto niedobór cynku powoduje choroby skóry, a także stany alergiczne i łysienie. Jednak nadmiar Zn jest szkodliwy dla zdrowia. Przy wysokich stężeniach odkłada się w nerkach i wątrobie, powoduje niedokrwistość, co wiąże się z obniżeniem przez ten pierwiastek przyswajalności innych pierwiastków, takich jak: żelazo, fosfor, miedź i wapń. Uważany jest również za czynnik rakotwórczy.

Sprawdź, czy w Twoim organizmie nie występuje nadmiar cynku (Zn)

Chrom

Chrom w przyrodzie występuje w dwóch postaciach jako Cr(III) oraz Cr(VI). Chrom w niewielkich ilościach jest niezbędny dla życia, spełnia istotną rolę w przemianach metabolicznych glukozy, niektórych białek i tłuszczów. Wchodzi także w skład niektórych enzymów i stymuluje działalność innych. Jednak przekroczenie stężeń fizjologicznych, zwłaszcza w przypadku Cr(VI), jest czynnikiem alergicznym, a nawet rakotwórczym. Ekspozycja na chrom(VI) jest zwykle związane z solami chromianowymi, takimi jak Na2CrO4. Sole te są stosunkowo dobrze rozpuszczalne w wodzie i łatwo absorbują się do krwiobiegu poprzez płuca. Związki chromu uszkadzają układ pokarmowy, powodują zmiany skórne, wykazują działanie mutagenne, embriotoksyczne i teratogenne. Rakotwórczość chromianu została ujawniona w trakcie badań robotników narażonych na działanie związków chromu. Ekspozycja na chromian zawarty w atmosferze może powodować raka jamy nosowej oraz oskrzeli z okresem utajonym od 10 do 15 lat.

Sprawdź, czy w Twoim organizmie nie występuje nadmiar chromu (Cr)

Rtęć

Związki rtęci należą do najbardziej toksycznych. Do nieorganicznych związków mogących stwarzać szczególne zagrożenie dla zdrowia należą: chlorek rtęciowy (HgCl2 – sublimat), cyjanek rtęciowy (Hg(Cn)2) i siarczek rtęciowy (HgS – cynober). Rtęć jest trucizną enzymatyczną i przy stężeniach przekraczających dopuszczalne wywołuje uszkodzenia komórek. Nieorganiczne i organiczne związki rtęci intensywnie kumulowane są w nerkach, wątrobie, a związki metylortęci w układzie nerwowym. Metylortęć łatwo przenika do mózgu i poraża zakończenia nerwów czuciowych. Inny charakter toksycznego działania obserwuje się w przypadku narażenia na pary rtęci. Zatrucie wówczas następuje poprzez płuca, skąd rtęć łatwo przedostaje się do krwi. Bezpośrednio po zatruciu 70% rtęci we krwi występuje w postaci metalicznej, z której przez płuca usuwana jest na zewnątrz, część przedostaje się do mózgu. Opary rtęci mogą spowodować silne zatrucie, a nawet śmierć. Pierwszym zarejestrowanym przypadkiem zatrucia rtęcią był przypadek zatrucia dużej grupy osób systematycznie jedzących ryby złowione w wodach zanieczyszczonej związkami rtęci Zatoki Minamata w Japonii. U setek osób stwierdzono poważne objawy uszkodzeń mózgu, niektóre z nich zmarły.

Sprawdź czy/i ile rtęci (Hg) znajduje się w Twoim organizmie

Podsumowanie

W grupie metali ciężkich występują zarówno pierwiastki niezbędne dla organizmów żywych, jak i pierwiastki o nieznanej roli fizjologicznej. Wspólną cechą jest to, że po przekroczeniu dopuszczalnej dawki nawet te, które są niezbędne w niewielkich czy śladowych ilościach, działają toksycznie na organizmy roślin, zwierząt i ludzi. Do najbardziej toksycznych, wywołujących liczne schorzenia, zalicza się kadm, rtęć i ołów – metale zbędne dla organizmów żywych.

Metale ciężkie w organizmach zwierzęcych czy ludzkich wywołują przede wszystkim zmiany w syntezie białka i zaburzenia wytwarzania ATP, w następstwie których może dochodzić do poważnych zmian chorobowych łącznie z nowotworowymi. Toksyczne oddziaływanie zależy w dużym stopniu od ilości wprowadzonego do organizmu pierwiastka. Należy podkreślić, że stopień toksyczności zależy również od postaci chemicznej, w jakiej metale występują, rozpuszczalności w płynach ustrojowych i lipidach, czasu ekspozycji organizmu, a także odporności danego organizmu.

Wykorzystano artykuł:
Ociepa-Kubicka A., Ociepa E., Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na rośliny, zwierzęta i ludzi, Inżynieria i Ochrona środowiska, t. 15, nr 2, 2012, s. 169-180.