Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Декабря 2014 в 02:48, курс лекций
Экологическая химия находится на стыке целого ряда научных дисциплин и во многом соприкасается и перекрывается со смежными научными направлениями, среди которых можно назвать биологические и геологические науки, в то же время экотоксикология тесно связана с медико-фармакологическими дисциплинами. Экологическая химия изучает изменения химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем центральной задачей является изучение поведения антропогенных веществ, т.е. их содержания (концентрации в окружающей среде), процессов разложения, превращения и накопления в организмах и окружающей среде.
Определение понятий «экологическая химия» и «экотоксикология».
Задачи и основные понятия в экотоксикологии.
Hg → CH3Hg+ → (CH3)2Hg.
Метилртуть по пищевой цепи через планктон, моллюсков и рыб в конце концов попадала на стол в пищу. В этом цикле ртуть постепенно концентрировалась и в конце цепи, дойдя до человека, достигала токсичной концентрации.
Ртуть – один из самых опасных и высокотоксичных элементов. Благодаря своим физико-химическим свойствам – растворимости, летучести – ртуть и ее соединения широко распространены в природе. В земной коре ее содержание составляет 500 мкг/кг, морской воде – около 0,03 мкг/кг. В организме взрослого человека – около 13 мг, однако необходимость ее для процессов жизнедеятельности не доказана.
Распределение и миграция ртути в окружающей среде осуществляется в виде круговорота двух типов:
Загрязнение пищевых продуктов ртутью может происходить в результате:
Второй тип круговорота, связанный с метилированием неорганической ртути, является наиболее опасным, поскольку приводит к образованию метилртути, диметилртути и др. Метилирование ртути осуществляют аэробные и анаэробные микробы, а также микромицеты, обитающие в почве, в верхнем слое донных отложений водоемов. Токсичность ртути зависит от вида ее соединений, которые по рпзному всасяваются, метаболизируются и выводятся из организма. Наиболее токсичны алкилртутные соединения с короткой цепью – метилртуть и этилртуть. Резорбция неорганических соединений в пищеварительном канале составляет 2-15%, органических 50-95%. Неорганические соединения выделяются преимущественно с мочой, органические – с желчью и калом. Период полувыведения из организма неорганических соединений – 40 суток, органических – 76.
Фоновое содержание ртути в съедобных частях сельскохозяйственных растений обычно составляет от 2 до 20 мкг/кг. Среднее содержание, мкг/кг: в овощах – 3-59, фруктах – 10-124, бобовых – 8-16, зерновых – 10-103 (Позняковский, 2005). Наибольшая концентрация ртути обнаружена в шляпочных грибах – 6-447 мкг/кг, в перезрелых грибах – до 2000 мкг/кг. В отличие от растений, в грибах может синтезироваться метилртуть. Фоновое содержание в продуктах животноводства составляет, мкг/кг: мясо – 6-20, печень – 20-35, почки – 20-70, молоко – 2-12, коровье масло – 2-5, яйца – 2-15.
Мясо рыбы отличается наибольшей концентрацией ртути и ее соединений, которые активно аккумулируются в организме из воды и корма, содержащих другие гидробионты, богатые ртутью. Например, в мясе океанских рыб может содержаться 300-6 мкг/кг ртути. Организм рыб способен синтезировать метилртуть, которая накапливается в печени при достаточном содержании в корме цианокобаламина (витамина В12). У некоторых видов рыб в мышцах содержится белок металлотионеин, с которым ртуть и другие металлы образуют комплексные соединения и накапливаются в организме. У таких рыб содержание ртути достигает 500-20000 мкг/кг (рыба-сабля) или 5000-14000 мкг/кг (тихоокеанский марлин).
При варке рыбы и мяса концентрация ртути в них снижается, при аналогичной обработке грибов – остается без изменений. Это объясняется тем, что в грибах ртуть связана с аминогруппами азотосодержащих соединений, в рыбе и мясе – с серосодержащими аминокислотами.
Ртуть при попадании в организм способна изменять свойства некоторых белков или инактивировать ряд жизненно важных ферментов. Неорганические соединения ртути нарушают обмен аскорбиновой кислоты, пиридоксина, кальция, меди, цинка, селена; органические – обмен белков, цистеина, аскорбиновой кислоты, токоферолов, железа, меди, марганца, селена. Клиническая картина хронического отравления организма небольшими дозами ртути получила название микромеркуриализма.
Защитным эффектом при воздействии ртути на организм человека обладают цинк и особенно селен. Предполагают, что защитное действие селена обусловлено образованием нетоксичного селенортутного комплекса за счет деметилирования ртути. Токсичность неорганических соединений ртути снижают аскорбиновая кислота и медь при их повышенном поступлении в организм, органических – протеины, цистин, токоферолы. Избыточное потребление с пищей пиридоксина усиливает токсичность ртути.
Безопасным уровнем содержания ртути в крови считают 50-100 мкг/л, волосах – 30-40 мкг/г, моче – 5-10 мкг/сут. ДСП ртути по данным ВОЗ – 0,05 мг. В России ПДК ртути в водопроводной воде, идущей для приготовления пищи, принят 0,005 мг/л, международный стандарт – 0,01 мг/л (ВОЗ, 1974).
В малых количествах ртуть оказывает положительное влияние: регулирует активность лейкоцитов, повышает иммунологическую устойчивость организмов.
Загрязнение кадмием
Кадмий попадает в организм человека с растительной, мясной (потроха) пищей, со съедобными грибами. В природе в чистом виде не встречается, это сопутствующий продукт при рафинировании цинка и меди. Природное содержание в почвах невелико и часто зависит от материнской породы. Земная кора содержит около 50 мкг/кг кадмия. В окружающую среду, а далее непосредственно в пищу, кадмий попадает следующим образом. Примерно 1/3 производимого кадмия поступает в атмосферу в качестве загрязняющего вещества. Основной источник загрязнения почв кадмием – промышленные выбросы, сточные воды, фосфорные удобрения, известковые материалы, выбросы автотранспорта. В некоторых странах соли кадмия используют в ветеринарии как антигельминтные и антисептические препараты.
Установлено, что примерно 80% кадмия поступает в организм человека с пищей, а остальные 20% - через легкие из атмосферы и при курении.
С рационом взрослый человек получает в сутки до 150 и более мкг кадмия на 1 кг массы тела. В одной сигарете содержится 1,5 – 2 мкг кадмия, поэтому его уровень в почках и крови у курящих в 1,5-2 раза выше по сравнению с некурящими.
92-94% кадмия, поступившего в организм с пищей, выводится с мочой, калом и желчью. Остальная часть находится в органах и тканях в ионной форме или в комплексе с низкомолекулярным белком – металлотионеином. В виде этого соединения кадмий не токсичен, поэтому синтез металлотионеина является защитной реакцией организма при поступлении небольших количеств кадмия. Здоровый организм человека содержит около 50 мг кадмия. В организме новорожденных он отсутствует и появляется к 10 месяцу жизни. Не является необходимым элементом для организма млекопитающих.
Содержание кадмия в почве на уровне 5 мг/кг наполовину снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, а период его полувыведения из почв один из самых больших – около 1100 лет. Биологический период полувыведения кадмия более 10 лет. Главной мишенью биологического действия являются почки. Последствие накопления кадмия – болезнь «итаи-итаи», выражающаяся в болезненном скручивании костей, анемии и почечной недостаточности. Кадмий является антагонистом цинка, кобальта, селена, ингибируя активность ферментов, содержащих эти металлы. Известна способность кадмия в больших дозах нарушать обмен железа и кальция. Все это приводит к возникновению широкого спектра заболеваний: гипертоническая болезнь, анемия, снижение иммунитета и др. Кадмий обладает мутагенным и канцерогенным свойствами.
Допустимое суточное потребление (ДСП) кадмия составляет 70 мкг/сут., ДСД – 1 мкг/кг массы тела. ПДК кадмия в питьевой воде – 0,01 мг/л. Концентрация кадмия в сточных водах, попадающих в водоемы, не должна превышать 0,1 мг/л. Учитывая ДСП кадмия, его содержание в 1 кг суточного набора продуктов не должно превышать 30-35 мкг.
При определении кадмия в пищевых продуктах следует учитывать его способность испаряться при температуре 5000С в условиях озоления. Поэтому минерализацию проводят в серной кислоте с добавлением перекиси водорода. В качестве основного методв используют атомно-адсорбционную спектрофотометрию.
Загрязнение свинцом
Один из самых распространенных и опасных токсикантов. Источники поступления свинца: выбросы металлургических предприятий, автомобильный транспорт, осадки коммунальных и промышленных сточных вод, инсектициды. Наибольшее количество свинца может содержаться в почве, следовательно в выращиваемых здесь овощах, на расстоянии 1,2-2 метра от дороги. Возможно его поступление даже на расстоянии 300 м от дороги. Свинец в ландшафте мигрирует в составе взвешенного вещества, в коллоидной фазе и в форме ионов. Свинец техногенного происхождения накапливается в поймах и донных отложениях рек и озер. В донных отложениях он тесно связан с гидроксидами железа и органическим веществом, с фульвокислотами и, в меньшей степени, с гуминовыми кислотами.
Среднее содержание свинца в продуктах питания – 0,2 мг/кг. ГОСТ 2874-82 предусматривает содержание свинца в водопроводной воде не выше 0,03 мг/кг, в атмосферном воздухе – 1,5 мкг/м3. По данным ВОЗ ДСД свинца составляет около 0,007 мг/кг массы тела, ПДК в питьевой воде – 0,05 мг/л.
Загрязнение почвы свинцом на уровне 50 мг/кг опасно для здоровья человека. Взрослый человек получает ежедневно с пищей 0,1-0,5 мг свинца, с водой около 0,02 мг. Общее его содержание в организме составляет 120 мг. В организме взрослого человека усваивается в среднем 10% поступившего свинца, у детей – 30-40%. Свыше 90% свинца попадает в организм человека с пищей и около 10% респираторным путем, причем в городской местности в организм человека свинца поступает на 30% больше, чем в сельской. Свинец, поступивший респираторным путем, хуже выводится из организма, поэтому более опасен. Из крови свинец поступает в мягкие ткани и кости, где депонируется в виде трифосфата. 90% поступившего свинца выводится из организма с фекалиями, остальное с мочой и биологическими жидкостями. Биологический период полувыведения свинца из мягких тканей и органов составляет около 20 дней, из костей до – 20 лет.
Основными мишенями при воздействии свинца являются кроветворная, нервная, пищеварительная система и почки. Отмечено отрицательное влияние на половую функцию организма (угнетение активности стероидных гормонов, нарушение сперматогенеза и др.). Содержание свинца в кормах, превышающее 15 мг/кг сухого вещества, может оказать негативное воздействие на нежвачных животных, 250 мг/кг вызывает отравление. Избыток свинца в крови человека подавляет центральную нервную систему, деятельность мозга, почек и мышц. Для человека токсичными считаются суточные дозы свинца свыше 0,35мг/кг.
Дефицит в рационе кальция, железа, пектинов, белков или повышенное поступление кальциферола увеличивают усвоение свинца, а, следовательно, его токсичность, что необходимо учитывать при организации диетического и лечебно-профилактического питания.
Мероприятия по профилактике загрязнения свинцом должны включать государственный и ведомственный контроль за промышленными выбросами свинца в атмосферу, водоемы, почву. Необходимо снизить или полностью исключить применение тетраэтилсвинца в бензине, свинцовых стабилизаторах, изделиях из поливинилхлорида, красителях, упаковочных материалах. Проводить гигиенический контроль за использованием луженой пищевой посуды, глазурованной керамической посуды.
Загрязнение хромом
Хром – высокотоксичный элемент. Хром – один из биогенных элементов, который постоянно находится в тканях растений и животных. Источники загрязнения: осадки сточных вод кожевенных заводов, коммунальные стоки и выбросы металлургических предприятий.
Фитотоксичность хрома зависит от его валентности, определяющей подвижность элемента в почве и его доступность растениям. Шестивалентный хром является анионом хромовой кислоты и в составе аниона практически не поглощается почвенными коллоидами, поскольку они несут преимущественно отрицательный заряд. Трехвалентный хром выступает в роли катиона и хорошо поглощается почвой, вследствие чего обладает малой токсичностью. Поэтому ПДК трехвалентного хрома в почве равна 100 мг/кг, шестивалентного – 0,05 мг/кг.
По токсичности хром уступает только ртути. Верхний критический уровень, при котором происходит снижение урожая растений на 10%, составляет 10 мг/кг. В растениях содержание хрома колеблется в пределах 0,02-0,20 мг/кг. Культуры семейства бобовых содержат повышенного его количество – 22-100 мг/кг сухого вещества.
Снижение содержания хрома в продуктах питания ведет к уменьшению его содержания в крови, затормаживает рост, повышает содержание холестерина в крови; повышение содержания приводит к сухости и боли в носу, затруднению дыхания и недомоганию.
Загрязнение цинком
Цинк – один из главных микроэлементов, он входит в состав ферментов, обуславливающих и регулирующих многие жизненные процессы, принимает участие в биосинтезе РНК и хлорофилла, участвует в углеводном и фосфатном обмене. Повышает жаро- и морозоустойчивость растений. При его недостатке в почве замедляется превращение неорганических фосфатов в органические соединения растений. Цинк входит в состав более 30 ферментов. При цинковом голодании в растениях накапливаются небелковые растворимые азотистые соединения (аминокислоты, амиды) и редуцирующие сахара, уменьшается содержание сахарозы, крахмала, увеличивается накопление органических кислот, снижается содержание ауксина. Влияние высоких концентраций цинка проявляется в синергическом действии, усиливая эффект других загрязнителей.
Содержится в земной коре в количестве 65 мг/кг, морской воде – 9-21 мкг/кг, организме взрослого человека – 1,4-2,3 г.
Цинк участвует в многочисленных реакциях обмена веществ. Типичными симптомами недостаточности цинка являются замедление роста у детей, половой инфантилизм у подростков, нарушение вкуса (гипогезия) и обоняния (гипосмия) и др.
Суточная потребность в цинке взрослого человека составляет 15 мг, при беременности и лактации – 20-25 мг. Цинк, содержащийся в растительных продуктах, менее доступен для организма, поскольку фитин растений и овощей связывает цинк (10% усвояемости), а из продуктов животного происхождения цинк усваивается на 40%. Содержание цинка в пищевых продуктах составляет, мг/кг: мясо – 20-40, рыбопродукты – 15-30, устрицы – 60-1000, яйца – 15-20, фрукты и овощи – 5, картофель, морковь – около 10, орехи, зерновые – 25-30, мука высшего сорта – 5-8, молоко – 2-6 мг/л.