Тяжёлый токсичный металл — это распространённый, но вводящий в заблуждение термин для металла, известного своей потенциальной токсичностью. [4] Не все тяжёлые металлы токсичны, а некоторые токсичные металлы не являются тяжёлыми. [5] Элементы, которые часто рассматриваются как токсичные, включают кадмий , ртуть и свинец , [6] все они включены в список 10 химических веществ, представляющих серьезную общественную опасность, Всемирной организации здравоохранения . [7] Другие примеры включают хром и никель , [8] таллий, висмут, мышьяк, сурьму и олово. [4]
Эти токсичные элементы встречаются в природе в земле. Они концентрируются в результате деятельности человека и могут проникать в ткани растений и животных (включая человека) через вдыхание, пищу и ручную обработку. Затем они могут связываться с жизненно важными клеточными компонентами и мешать их функционированию. Токсическое действие мышьяка, ртути и свинца было известно еще древним, но методические исследования токсичности некоторых тяжелых металлов, по-видимому, датируются только 1868 годом. У людей отравление тяжелыми металлами обычно лечится введением хелатирующих агентов . Некоторые элементы, которые иначе считаются токсичными тяжелыми металлами, необходимы в небольших количествах для здоровья человека.
Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), который стандартизирует номенклатуру, утверждает, что «термин тяжелые металлы бессмыслен и вводит в заблуждение». [9] В отчете ИЮПАК основное внимание уделяется правовым и токсикологическим последствиям описания «тяжелых металлов» как токсинов, когда нет никаких научных доказательств, подтверждающих связь. Плотность, подразумеваемая прилагательным «тяжелый», практически не имеет биологических последствий, и чистые металлы редко являются биологически активным веществом. [10] Эта характеристика была поддержана многочисленными обзорами. [11] [12] [4] Наиболее широко используемый учебник по токсикологии, токсикология Касарета и Доулла [13] использует «токсичный металл», а не «тяжелые металлы». [10] Тем не менее, во многих научных и связанных с наукой статьях термин «тяжелый металл» продолжает использоваться в качестве термина для токсичных веществ. [5]
Металлы с множественными токсическими эффектами включают мышьяк (As), бериллий (Be), кадмий (Cd), хром (Cr), свинец (Pb), ртуть (Hg) и никель (Ni). [14]
Элементы, которые необходимы для питания животных и растений, но которые считаются токсичными металлами в больших дозах или других формах, включают кобальт (Co), медь (Cu), железо (Fe), магний (Mg), марганец (Mn), молибден (Mo), селен (Se) и цинк (Zn). [13]
Токсичные металлы встречаются в природе в земле и концентрируются в результате деятельности человека или, в некоторых случаях, геохимических процессов, таких как накопление в торфяных почвах, которые затем высвобождаются при осушении для нужд сельского хозяйства. [16] Распространенными источниками являются отходы горнодобывающей промышленности и промышленности ; выбросы транспортных средств ; моторное масло ; топливо, используемое судами и тяжелой техникой ; строительные работы ; удобрения ; [17] пестициды ; краски ; красители и пигменты ; реконструкция ; незаконное размещение отходов строительства и сноса; открытый мусорный контейнер ; сварка , пайка и пайка; стекольная промышленность ; бетонные работы; дорожные работы ; использование переработанных материалов ; проекты DIY по металлу; сжигание бумаги для поделок ; открытое сжигание отходов в сельской местности; загрязненная система вентиляции; продукты питания, загрязненные окружающей средой или упаковкой; вооружение; свинцово-кислотные аккумуляторы ; пункты переработки электронных отходов ; обработанная древесина; устаревшая инфраструктура водоснабжения; [18] и микропластик, плавающий в мировых океанах. [19] [20] Мышьяк, кадмий и свинец могут присутствовать в детских игрушках в количествах, превышающих нормативные стандарты. Свинец может использоваться в игрушках как стабилизатор , усилитель цвета или антикоррозионный агент. Кадмий иногда используется как стабилизатор или для увеличения массы и блеска игрушечных украшений. Считается, что мышьяк используется в сочетании с красителями. [21] Регулярные потребители нелегально перегнанного алкоголя могут подвергнуться отравлению мышьяком или свинцом, источником которого является загрязненный мышьяком свинец, используемый для пайки перегонного аппарата. Крысиный яд, используемый в хранилищах зерна и сусла , может быть еще одним источником мышьяка. [22]
Географическая протяженность источников может быть очень большой. Например, до одной шестой части пахотных земель Китая могут быть затронуты загрязнением тяжелыми металлами. [23]
Свинец является наиболее распространенным тяжелым металлом-загрязнителем. [24] Как компонент тетраэтилсвинца (CH
3Ч.
2)
4Pb , он широко использовался в бензине в 1930–1970-х годах. [25] Уровни свинца в водной среде индустриальных обществ, по оценкам, в два-три раза превышают доиндустриальные уровни. [26] Хотя использование этилированного бензина в Северной Америке было в значительной степени прекращено к 1996 году, почвы рядом с дорогами, построенными до этого времени, сохраняют высокие концентрации свинца. Свинец (из азида свинца (II) или стифната свинца, используемых в огнестрельном оружии) постепенно накапливается на полигонах для стрельбы из огнестрельного оружия, загрязняя местную окружающую среду и подвергая сотрудников полигона риску отравления свинцом . [27]
Тяжелые металлы попадают в ткани растений, животных и человека через вдыхание воздуха, через пищу и ручную работу. Сварка, гальванизация, пайка и пайка подвергают рабочих воздействию паров, которые могут вдыхаться и приводить к металлической лихорадке . [28] Выбросы автотранспортных средств являются основным источником загрязняющих веществ в воздухе, включая мышьяк, кадмий, кобальт, никель, свинец, сурьму, ванадий, цинк, платину, палладий и родий. [29] Источники воды (грунтовые воды, озера, ручьи и реки) могут быть загрязнены тяжелыми металлами, выщелачивающимися из промышленных и потребительских отходов; кислотные дожди могут усугубить этот процесс, высвобождая тяжелые металлы, удерживаемые в почве. [30] Транспортировка через почву может быть облегчена наличием предпочтительных путей потока (макропор) и растворенных органических соединений. [31] Растения подвергаются воздействию тяжелых металлов через поглощение воды; животные едят эти растения; Потребление растительной и животной пищи является крупнейшим источником тяжелых металлов для человека. [32] Поглощение через контакт с кожей, например, при контакте с почвой или металлическими игрушками и украшениями, [33] является еще одним потенциальным источником загрязнения тяжелыми металлами. [34] Токсичные тяжелые металлы могут биоаккумулироваться в организмах, поскольку они трудно поддаются метаболизму . [35]
Тяжелые металлы «могут связываться с жизненно важными клеточными компонентами, такими как структурные белки , ферменты и нуклеиновые кислоты , и мешать их функционированию». [36] Симптомы и эффекты могут различаться в зависимости от металла или металлического соединения и дозы. В целом, длительное воздействие токсичных тяжелых металлов может иметь канцерогенные, центральные и периферические нервные и кровеносные эффекты. Для людей типичные проявления, связанные с воздействием любого из «классических» [37] токсичных тяжелых металлов, или хрома (другой токсичный тяжелый металл) или мышьяка (металлоид), показаны в таблице. [38]
Токсические эффекты мышьяка, ртути и свинца были известны древним, но методические исследования общей токсичности тяжелых металлов, по-видимому, датируются только 1868 годом. В том году Ванклин и Чепмен размышляли о неблагоприятных эффектах тяжелых металлов «мышьяка, свинца, меди, цинка, железа и марганца » в питьевой воде . Они отметили «отсутствие исследования» и свелись к «необходимости ходатайствовать о сборе данных». [39] [40] В 1884 году Блейк описал очевидную связь между токсичностью и атомным весом элемента. [41] В следующих разделах приведены исторические миниатюры для «классических» токсичных тяжелых металлов (мышьяка, ртути и свинца) и некоторых более поздних примеров (хрома и кадмия).
Мышьяк , как реальгар ( As
4С
4) и аурипигмент ( как
2С
3), был известен в древние времена. Страбон (64–50 гг. до н. э. – ок. 24 г. н. э.?), греческий географ и историк, [42] писал, что в рудниках по добыче реальгара и аурипигмента работали только рабы, поскольку они неизбежно умирали от токсического воздействия паров, выделяемых рудой. Пиво, загрязненное мышьяком, отравило более 6000 человек в районе Манчестера в Англии в 1900 году и, как полагают, убило по меньшей мере 70 жертв. [43] Клэр Люс , американский посол в Италии с 1953 по 1956 год, страдала от отравления мышьяком . Его источник был прослежен до отслаивающейся краски с мышьяком на потолке ее спальни. Она также могла съесть пищу, загрязненную мышьяком, из отслаивающейся краски на потолке в столовой посольства. [44] Грунтовые воды, загрязненные мышьяком , по состоянию на 2014 год «все еще отравляют миллионы людей в Азии». [45]
Сообщается, что первый император объединенного Китая Цинь Шихуанди умер от приема ртутных пилюль, которые должны были дать ему вечную жизнь. [46] Фраза «безумный как шляпник», вероятно, относится к отравлению ртутью среди модисток (так называемая « болезнь безумного шляпника »), поскольку соединения на основе ртути когда-то использовались при производстве фетровых шляп в 18 и 19 веках. [47] Исторически сложилось так, что золотая амальгама (сплав с ртутью) широко использовалась при золочении , что приводило к многочисленным жертвам среди рабочих. По оценкам, только во время строительства Исаакиевского собора 60 рабочих погибли от золочения главного купола. [48] Вспышки отравления метилртутью произошли в нескольких местах в Японии в 1950-х годах из-за промышленных сбросов ртути в реки и прибрежные воды. Наиболее известные случаи были в Минамате и Ниигате . Только в Минамате более 600 человек умерли из-за того, что стало известно как болезнь Минамата . Более 21 000 человек подали иски в японское правительство, из которых почти 3000 были сертифицированы как имеющие это заболевание. В 22 задокументированных случаях беременные женщины, которые ели зараженную рыбу, проявляли легкие симптомы или не проявляли их вовсе, но рожали детей с серьезными нарушениями развития. [49] Со времен промышленной революции уровень ртути утроился во многих приповерхностных морских водах , особенно вокруг Исландии и Антарктиды . [50]
Неблагоприятные эффекты свинца были известны древним. Во II веке до нашей эры греческий ботаник Никандр описал колики и паралич, наблюдаемые у людей, отравленных свинцом. [51] [52] Диоскорид , греческий врач , который, как полагают, жил в I веке нашей эры, [53] писал, что свинец «заставляет разум уступить». Свинец широко использовался в римских акведуках примерно с 500 г. до н. э. по 300 г. н. э. [54] Инженер Юлия Цезаря , Витрувий , сообщал: «Вода гораздо полезнее из глиняных труб, чем из свинцовых. Ибо, кажется, она становится вредной из-за свинца, потому что из него производятся свинцовые белила , а это, как говорят, вредно для человеческого организма». [55] Во время монгольского периода в Китае (1271−1368 гг. н. э.) загрязнение свинцом из-за плавки серебра в регионе Юньнань превысило уровни загрязнения от современной горнодобывающей деятельности почти в четыре раза. [56] В XVII и XVIII веках жители Девона страдали от состояния, называемого коликой Девона ; было обнаружено, что это было связано с употреблением сидра, загрязненного свинцом . В 2013 году Всемирная организация здравоохранения подсчитала, что отравление свинцом привело к 143 000 смертей и «способствовало появлению 600 000 новых случаев детей с ограниченными интеллектуальными возможностями» каждый год. [57] В американском городе Флинт, штат Мичиган , загрязнение питьевой воды свинцом стало проблемой с 2014 года . Источником загрязнения была названа «коррозия свинцовых и железных труб, по которым вода подается жителям города». [58] В 2015 году концентрация свинца в питьевой воде на северо-востоке Тасмании , Австралия, достигла уровня, более чем в 50 раз превышающего предписанные национальные рекомендации по питьевой воде. Источником загрязнения была названа «комбинация ветхой инфраструктуры питьевой воды, включая свинцовые трубы, отслужившие свой срок поливинилхлоридные трубы и бытовую сантехнику» [18] .
Соединения хрома (III) и металлический хром не считаются опасными для здоровья, в то время как токсичность и канцерогенные свойства хрома (VI) были известны по крайней мере с конца 19 века. [59] В 1890 году Ньюман описал повышенный риск заболевания раком у рабочих на предприятии по производству хроматных красителей. [60] Дерматит, вызванный хроматом, был зарегистрирован у рабочих авиационной промышленности во время Второй мировой войны . [61] В 1963 году вспышка дерматита, варьирующаяся от эритемы до экссудативной экземы , произошла среди 60 рабочих автомобильного завода в Англии. Рабочие занимались мокрой шлифовкой грунтовочной краски на основе хромата, нанесенной на кузова автомобилей. [62] В Австралии 8 августа 2011 года на заводе взрывчатых веществ «Орика» в Ньюкасле произошел выброс хрома. До 20 рабочих завода подверглись воздействию, а также 70 близлежащих домов в Стоктоне . Город был уведомлен только через три дня после утечки, и авария вызвала серьезные общественные споры: Орику критиковали за преуменьшение масштабов и возможных рисков утечки, а правительство штата критиковали за медленную реакцию на инцидент. [63] [64] [65]
Воздействие кадмия — явление начала 20-го века и позже. В Японии в 1910 году компания Mitsui Mining & Smelting начала сбрасывать кадмий в реку Дзиндзу как побочный продукт горнодобывающей промышленности. Жители окрестностей впоследствии потребляли рис, выращенный на загрязненной кадмием поливной воде. У них наблюдалось размягчение костей и почечная недостаточность . Происхождение этих симптомов было неясным; в то время высказывались такие предположения, как «региональное или бактериальное заболевание или отравление свинцом». [66] В 1955 году кадмий был идентифицирован как вероятная причина, а в 1961 году источник был напрямую связан с горнодобывающими работами в этом районе. [67] В феврале 2010 года кадмий был обнаружен в эксклюзивных ювелирных изделиях Майли Сайрус в Walmart . Wal-Mart продолжал продавать ювелирные изделия до мая, когда тайное тестирование, организованное Associated Press, подтвердило первоначальные результаты. [68] В июне 2010 года кадмий был обнаружен в краске, использованной для изготовления рекламных стаканов для питья фильма «Шрек навсегда» , продаваемых в ресторанах McDonald's , что привело к отзыву 12 миллионов стаканов. [69]
У людей отравление тяжелыми металлами обычно лечится введением хелатирующих агентов . [71] Это химические соединения, такие как CaNa
2ЭДТА (динатрия этилендиаминтетраацетат кальция), преобразующий тяжелые металлы в химически инертные формы, которые могут выводиться без дальнейшего взаимодействия с организмом. Хелаты не лишены побочных эффектов и также могут выводить полезные металлы из организма. По этой причине иногда совместно назначают витаминные и минеральные добавки [72] [73]
Почвы, загрязненные тяжелыми металлами, могут быть восстановлены с помощью одной или нескольких из следующих технологий: изоляция; иммобилизация; снижение токсичности; физическое разделение; или экстракция. Изоляция включает использование колпачков, мембран или подземных барьеров в попытке изолировать загрязненную почву. Иммобилизация направлена на изменение свойств почвы таким образом, чтобы препятствовать подвижности тяжелых загрязняющих веществ. Снижение токсичности пытается окислить или уменьшить токсичные ионы тяжелых металлов с помощью химических или биологических средств в менее токсичные или подвижные формы. Физическое разделение включает удаление загрязненной почвы и отделение металлических загрязняющих веществ механическими средствами. Экстракция - это процесс на месте или за его пределами, который использует химикаты, высокотемпературное испарение или электролиз для извлечения загрязняющих веществ из почв. Используемый процесс или процессы будут различаться в зависимости от загрязняющего вещества и характеристик участка. [74]
Некоторые элементы, которые иначе считаются токсичными тяжелыми металлами , необходимы в небольших количествах для здоровья человека. К этим элементам относятся ванадий, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, селен, стронций и молибден. [75] Дефицит этих необходимых металлов может повысить восприимчивость к отравлению тяжелыми металлами. [76]
Селен является наиболее токсичным из тяжелых металлов, необходимых для млекопитающих. [77] Селен обычно выводится из организма и становится токсичным только тогда, когда его поступление превышает выделительную способность. [78]