Забруднення важкими металами

Важкі метали належать до пріоритетних глобальних забруднювальних речовин довкілля. За своєю хімічною структурою важкі метали є простими хімічними елементами, але у довкіллі і живому організмі поводять і виявляють себе неоднозначно: складно, багатогранно і навіть парадоксально. Беруть участь у біологічних процесах, входять до складу тканин та багатьох ферментів живих організмів, можуть бути активаторами або інгібіторами дії ферментів. Важкі метали стійкі у довкіллі.

Найпоширеніші сьогодні в біосфері - це свинець, ртуть, кадмій, мідь, цинк. Значна питома вага цих елементів у забрудненні навколишнього середовища зумовлена спалюванням мінерального палива: у попелі вугілля та нафти виявлено майже всі метали. Так, у одній тонні попелу після спалювання кам’яного вугілля знаходиться 500 г германію, 500 г миш’яку, 400 г урану, 300 г кобальту, 200 г олова, 200 г цинку та багато інших важких металів. Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря та пилу важкими металами є теплоелектростанції, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитні та сажові заводи, автомобільний транспорт, відходи тваринництва та господарсько-побутові відходи, пестициди. У повітря з викидами потрапляють оксиди цинку, міді, свинцю, миш^’яку, кадмію, ртуті, хрому, кобальту та багато інших.

Депонуються важкі метали щонайбільше у ґрунті. Забруднення ґрунтів призводить, своєю чергою, до забруднення ґрунтових та поверхневих вод, вторинного забруднення приземного повітря. Грунт є початковою ланкою харчового ланцюга, і надлишкове надходження ксенобіотиків у ґрунт зумовлює його токсичну дію на рослини, призводить до накопичення важких металів у харчових продуктах. Саме тому вісім металів (ртуть, кадмій, свинець, миш^’як, мідь, стронцій, цинк, залізо) включені об’єднаною комісією ФАО/ВООЗ у перелік компонентів, які обов’язково повинні контролюватися у продуктах харчування під час міжнародної торгівлі. Рівень забруднення грунтів є інтегральним показником багаторічного забруднення всього довкілля. Допустимий вміст забруднювальних речовин у грунтах країн ЄС, США, Канаді, Англії перевищує гранично-допустимі концентрації цих речовин у порівнянні з Україною в десятки та сотні разів. До прикладу, у Канаді вміст свинцю в грунтах житлових кварталів і парків допускається до 500 мг/кг, а в грунтах промислових зон або під комерційне використання – до 1000 мг/кг, у сільськогосподарських грунтах – 37,5 мг/кг (в Україні – 32 мг/кг валовий вміст свинцю у грунті). В Англії допустимі рівні вмісту свинцю в залежності від категорії використання грунтів коливаються від 300 до 2000 мг/кг, у Німеччині – від 200 до 2000 мг/кг, у Нідерландах – від 85 до 600 мг/кг, у США – від 300 до 6000 мг/кг. Вміст кадмію у грунті також суттєво коливається: від 0,3 – 10,5 мг/кг в Україні до 30 – 800 мг/кг у США.

Найчастіше важкі метали потрапляють у водойми зі стічними водами гальванічних цехів, підприємств гірничодобувної галузі, чорної та кольорової металургії, машинобудівних заводів, підприємств харчової галузі, з поверхневим стоком з сільськогосподарських полів, оброблених агрохімікатами. У Світовий океан щорічно викидається близько 2 млн. тонн свинцю, 20 тис. тонн кадмію, 10 тис. тонн ртуті, причому 50 % свинцю та 30 % ртуті переноситься з атмосферним повітрям. Важкі метали постійно знаходяться у водних екосистемах, змінюють форму сполук і біологічну доступність, характеризуються високою токсичністю для біоти та здатністю до кумуляції, небезпечні для екосистем і організмів навіть за малих концентрацій. Сполуки важких металів у воді існують у різних формах, але більшість осідає на дно водойм та зберігається у донних відкладеннях. Високий вміст ксенобіотиків у донних відкладеннях призводить до порушення процесів самоочищення водойм (зокрема, зниження кількості бактерій, актиноміцетів та загальної ферментативної активності).

В організм людини важкі метали надходять з атмосферним повітрям, водою, харчовими продуктами і можуть викликати гострі, але частіше хронічні отруєння. Пріоритетні забруднювальні хімічні елементи – свинець, кадмій, ртуть належать до протоплазматичних отрут, мають політропну дію, уражують всі системи організму, передусім нервову, а також можуть викликати віддалені ефекти – ембріотоксичний, гонадотоксичний, мутагенний, тератогенний, канцерогенний. Доведено, що розвиток злоякісних пухлин спричиняє миш’як (викликає рак легенів), нікель (викликає пухлини порожнини рота та товстої кишки), кадмій (викликає практично всі форми раку).

Основні джерела забруднення біосфери свинцем – викиди автотранспорту – вихлопні гази, високотемпературні технічні процеси (спалювання кам’яного вугілля, нафти, бензину), видобування свинцю і оксидів свинцю, викиди металургійних підприємств. Свинець негативно впливає на мікробіоценоз грунту. Дуже чутливі актиноміцети і азотфіксуючі бактерії, більш стійкі – гриби грунту. Свинець зменшує урожайність редису, салату, цибулі, найбільше його накопичується в кабачках.

Свинцеві хронічні інтоксикації виникають у людей що проживають у великих промислових містах з інтенсивним автомобільним рухом та поблизу промислових підприємств з викидами свинцю. Найбільш токсичні органічні сполуки свинцю – тетраетилсвинець і тетраметилсвинець. При надходженні через дихальні шляхи свинець адсорбується на 60 %, до 35 % затримується в легенях, швидко проникає в кров і зв’язується з еритроцитами, значна його частина накопичується у кістках, м’язах, крові, волоссі.

З водою в організм свинець може надходити з міської системи водопостачання тоді, коли використовуються труби і резервуари зі свинцю. В Україні свинцеві труби замінені пластиковими або виготовлені з іншого металу. З харчовими продуктами надходить 70 % - 95 % свинцю від загальної кількості, що потрапляє в організм. Найбільша кількість свинцю міститься в печінці та нирках тварин і птахів, грибах, листяних овочах. Печінка і нирки тварин з концентрацією свинцю більше, ніж 3 мг/кг та нирки великої рогатої худоби, що має більше 3 - 4 років, не повинні вживатися в їжу. Свинець впливає на центральну і периферичну нервову систему, викликає енцелофалопатії, поліневропатії, діє на кровотворну систему, зокрема на порфіриновий обмін, внаслідок цього виникає мікроцитарна анемія, порушує функцію нирок, травного каналу, печінки і є чинником ризику розвитку серцево-судинних захворювань. Найбільш чутливими до токсичної дії свинцю є діти. Він викликає зміни психічного розвитку (агресію, гіперактивність, зниження здібності до навчання) та порушення фізичного розвитку дітей. У вагітних жінок, що проживають поблизу металургійних підприємств, збільшується ризик спонтанних викиднів і передчасних пологів. ГДК свинцю в атмосферному повітрі установлена на рівні 0,3 мкг/м³. Чутливим маркером накопичення свинцю в організмі є його концентрація у тканинах зубів, волоссі та крові. Куріння сприяє накопиченню свинцю в організмі. Безпечним рівнем вважається концентрація свинцю у крові до 10 мкг/100 мл.

Основні джерела забруднення довкілля ртуттю – це передусім високотемпературні процеси отримання металу, спалювання кам’яного вугілля, стічні води металургійних заводів, виробництво кольорових металів, фарб, фунгіцидів, відпрацьовані люмінісцентні лампи тощо.

Ртуть належить до тіолових отрут, блокує сульфгідрильні групи білкових сполук, порушує білковий обмін і ферментну систему організму. Хронічні отруєння ртуттю призводять до порушення нервової системи, розвитку астеновегетативного синдрому, тремору рук, ніг. Токсичність ртуті залежить від її хімічної форми. Пари металевої ртуті небезпечні при надходженні через дихальні шляхи. В організмі затримується 80 % парів ртуті. Накопичується ртуть в мозку, печінці. Навіть найменші концентрації ртуті та її сполук в атмосферному повітрі уражують дітей, які проживають поблизу ртутних комбінатів. У таких дітей виявлено нейровегетативні зміни, ураження травної і гепатобіліарної системи, відхилення фізичного розвитку, порушення імунної активності організму. Металева ртуть при ентеральному надходженні практично не токсична, неорганічні сполуки ртуті всмоктуються до 10 %, проте органічна форма ртуті – метилртуть, що утворюється в організмі гідробіонтів і риб унаслідок метилювання неорганічної ртуті, усмоктується практично повністю (90 %). За умов частого вживання риби, що містить метилртуть, і забруднених морепродуктів можуть виникати хронічні отруєння. До прикладу, масове отруєння метилртуттю – хвороба Мінамата – спостерігалося у мешканців узбережжя одноіменної затоки в Японії (у 1953 р. та у 1966 р.). Промисловий скид стічної води з виробництва ацетальдегіду і вінілхлориду, що містила ртуть, у затоку Мінамата та річку Огано призвів до накопичення високої концентрації метилртуті у рибі, яку споживало населення. Потерпіло близько 17 тисяч осіб, з них 1022 людини померло. Основними симптомами хвороби були ураження нервової системи, порушення зору, слуху, розлади мови, у новонароджених виявлені вади розвитку. Лише через 40 років риба і молюски в затоці Мінамата були визнані безпечними. Відомі випадки отруєнь в Ірані та Пакистані при вживанні виробів із борошна, виготовлених із зерна, протруєного ртутьорганічними пестицидами.

Основним джерелом забруднення довкілля кадмієм є виробництво кольорових металів, спалювання твердих відходів, вугілля, стічні води металургійних комбінатів, виробництво мінеральних добрив, кадмію, цинку, свинцю, електронна промисловість, ювелірне виробництво. Щорічно в атмосферу викидається близько 9000 тонн кадмію. У водній системі кадмій поглинають бактерії, молюски; він накопичується у нирках, печінці, зябрах гідробіонтів. Кадмій надзвичайно небезпечний для людини. Основну частину кадмію людина отримує з їжею. Більша його кількість міститься у продуктах рослинного, ніж тваринного походження. З добового раціону харчування у травному каналі всмоктується до 8 %, при інгаляційному надходженні – 40 % - 60 % кадмію. В організм людини найбільше кадмію надходить в індустріальних країнах, найменше в сільських місцевостях. Додатково кадмій надходить з димом сигарет. При хронічному отруєнні кадмієм виникає остеомаляція, уражується нервова, серцево-судинна системи, при інгаляційному надходженні з’являється риніт, легенева недостатність. Депонується кадмій в печінці і нирках. До прикладу, хронічне отруєння кадмієм виникло у жителів Японії у 1946 р. та у 1967 р., що має назву хвороба ітай-ітай. Причиною захворювання було вживання в їжу рису і сої, котрі містили високі концентрації металу. При вирощуванні цих продуктів поля зрошували водою з річки, у яку надходили стічні води з копальні де видобувався цинк. Основними ознаками хвороби були дисфункція нирок, деформація скелету, переломи кісток унаслідок остеопорозу і остеомаляції. Нині близько у 5 % населення США і Японії концентрація кадмію в організмі досягла критичного рівня. На території України забруднення довкілля кадмієм є загрозливим для здоров’я населення, що вимагає заходів для зменшення рівня забруднення і профілактики дії металу на організм. Доведено тісний взаємозв’зок між вмістом важких металів у довкіллі та рівнем накопичення їх у біосубстратах, яке відбувається раніше ніж виявляються біохімічні та клінічні зміни; концентрації металів у макроорганізмах залежать від ступеня зовнішньої експозиції.