Загрязнение среды тяжелыми металлами

среди загрязняющих веществ по масштабам загрязнения и воздействию на биологические объекты особое место занимают тяжелые металлы.

К тяжелым металлам относятся химические элементы, имеющие плотность больше, чем у железа (> 5 г/см³), или атомную массу более 50 единиц, обладающие свойствами металлов или металлоидов: РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi, Hg. Они отличаются от других металлов высоким содержанием в промышленных отходах и высокой токсичностью. Эти металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, так как присутствуют практически во всех почвах в том или ином количестве. Большая часть их относится к микроэлементам, содержание их в почве находится в пределах микроконцентраций, измеряемых в миллиграммах на килограмм почвы.

Поведение и токсичность тяжелых металлов.

Словосочетание «тяжелые металлы» большинством людей сейчас воспринимается как синоним понятия «токсичные металлы». Однако, среди них есть жизненно необходимые (эссенциальные).

В табл. 3.5 приведены основные источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду и возможное их токсическое действие.

Таблица 3.5

Приоритетные тяжелые металлы, вызывающие серьезные поражения живых организмов.

(по:Петросян, 2005).

Всего в живых организмах обнаружено 80 элементов. Их биологическая роль определяется положением в Периодической системе элементов Менделеева, т. е. строением атомов и физико-химическими свойствами (Исидоров, 1999). Это элементы-органогены, в сумме составляющие примерно 97% массы организмов: Н, С, N, Р и S, а также жизненно необходимые Na, Mg и Cl. К эссенциальным относятся калий, кальций, иод и Mn, Ni, Си, Сг, Со, V и Zn. Все они наряду с железом, кобальтом и молибденом входят в состав биокатализаторов (ферментов) или их активаторов.

Микроэлементы участвуют в важнейших биохимических процессах фотосинтеза, образования органоминеральных соединений, дыхании, трансформации веществ и т. д. Марганец входит в состав ферментов, ответственных за синтез полисахаридов (пируваткарбоксилазы, супероксиддисмутазы, фосфаттрансферазы, ДНК-полимеразы); цинк — в состав энзимов (карбоангидразы, карбокси-пептидазы, алкоголь-, лактати глицеральфосфатдегидрогеназы и др.); медь входит в состав белков (церулоплазмина, среди тканевых ферментов можно назвать также цитохромкиназы, гемоцианина.

Хром участвует в липидном и углеводном обмене. Никель входит в состав фермента уреазы.

Индивидуальная потребность в эссенциальных тяжелых металлах очень невелика. Между тем превышение естественных уровней содержания этих элементов часто приводит к тяжелым нарушениям метаболизма, высшей нервной деятельности, развития плода и т. д.

По решению Европейской экономической комиссии ООН к экологически значимым отнесены Pb, Cd, Hg и Sb (а также металлоиды Se и As).

Железо входит в состав гемоглобина, выполняющего функцию переносчика кислорода в крови.

Ионы Pb²⁺, Hg²⁺, CH₃Hg+ и Cd²⁺ образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомолекулами. Поэтому их наряду с алкилирующими HS-группу органическими токсикантами относят к категории тиоловых ядов.

Кроме того, ртуть и свинец вытесняют эссенциальные металлы из металлсодержащих комплексов, приводя к потере последними биологической активности.

Некоторые комплексы металлов с органическими лигандами могут подменять аминокислоты, гормоны и нейромедиаторы. Так, комплекс метилртути и аминокислоты цистеина имитирует незаменимую аминокислоту метионин, участвующую в синтезе адреналина и холина.

Ионы РЬ²⁺ ингибируют синтез гемма. Они активируют фермент гемокиназу, разлагающий гем. Аналогично действуют ионы кобальта и кадмия. Потеря организмом животного гема приводит к дефициту гемоглобина и развитию анемии.

Токсический эффект тяжелых металлов связан также с нарушением синтеза различных форм цитохрома Р450 монооксигеназ гладкого эндоплазматического ретикулума, содержащих в качестве простетической группы гемм. Цитохром Р450 отвечает за окисление ксенобиотиков, способствуя их коньюгации и выведению из организма. Нарушение этой системы приводит к накоплению органических токсикантов в тканях и органах. Он участвуют в метаболизме эндогенных биологически активных веществ кортикоидных и тиреоидных гормонов, андрогенов, катехоламинов, витаминов группы D, холестерина и т. д. Поэтому нарушение их синтеза или снижение активности может вызвать глубокие нарушения самых различных процессов в организмах животных (Исидоров, 1999).

Активация пероксидного и свободнорадикального окисления отмечена в случае ионов Pb, Hg, Cr, Cd и других тяжелых металлов. В результате такой активации повреждаются некоторые белки, нуклеиновые кислоты, липиды, а также биомембраны. Эти металлы ингибируют ферменты, защищающие организм от накопления в нем Н₂0₂.

Таким образом, основными молекулярными и клеточными мишенями для ионов тяжелых металлов служат гемсодержащие белки и ферменты, ферменты, участвующие в процессах конъюгации, системы пероксидного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидной защиты, ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ.

Живые организмы не выработали в ходе их эволюции механизмов детоксикации, достаточно эффективных для противодействия современному уровню антропогенного загрязнения окружающей среды.

X. Боуэн (Bowen, 1979) классифицировал функции и формы элементов, разделив присутствующие в растениях микроэлементы на следующие группы:

• 1) входящие в несущий скелет — Si, Fe, редко Ва, Sr;
• 2) связанные в разнообразные мелкие молекулы, в том числе антибиотиками и порфиринами, — As, В, Br, Си, Со, F, Fe, Hg, I, Se, Si и V;
• 3) связанные с большими молекулами, главным образом с протеинами, в том числе энзимами, обладающие каталитическими свойствами, — Со, Cr, Си, Fe, Mn, Mo, Si, Ni и Zn;
• 4) фиксированные в больших молекулах, включая накопления, перенос или неизвестные функции, — Cd, Со, Си, Fe, Hg, I, Mn, Ni, Se и Zn;
• 5) связанные с органеллами (например, митохондриями, хлоропластами) — Си, Fe, Mn, Mo, Zn.

Таким образом, микроэлементы участвуют в ключевых метаболических событиях, таких как дыхание, фотосинтез, фиксация и ассимиляция некоторых главных питательных веществ. Микроэлементы переходной группы периодической системы активизируют энзимы или входят в металлоэнзимах в системы переноса электронов (Си, Fe, Mn, Zn), а также катализируют изменения валентности в веществах субстрата (Си, Со, Fe, Мо). Некоторые микроэлементы (Al, Си, Со, Mo, Zn, Mn) выполняют специфические функции в защитных механизмах у морозостойких и засухоустойчивых разновидностей растений (Школьник, 1974).

По степени экологической токсичности тяжелые металлы делят на три класса (табл. 3.6).