Кадмий. 
Экологическая токсикология

По распространенности в природе кадмий относится к редким и рассеянным элементам: среднее содержание его в земной коре — около 1,1 -10 4%. Он не образует самостоятельных рудных месторождений, а является спутником цветных металлов. В частности, кадмий содержится в форме сульфида в составе основного минерала цинка — сфалерита. Относительно высоко (до 15 мг/кг) его содержание в фосфатных осадочных породах. Средние содержания кадмия в почвах лежат между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни кадмия в почвах не превосходят 0,5 мг/кг. Все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание кадмия в верхним слое почв (Алексеенко и др., 2014).

Основными природными источниками кадмия для атмосферы служат процессы выветривания и вулканизма. Глобальный поток вулканогенного кадмия оценивается величиной от 100 до 500 т/год. В гидросферу он попадает в результате эрозии и выщелачивания минералов. Сульфид кадмия в окислительных условиях неустойчив и должен переходить в сульфат. Высокая растворимость CdS0₄ в воде обуславливает его высокую миграционную способность, а ежегодное поступление в гидросферу оценивается примерно в 15 000 т. Среднее содержание кадмия в морской воде равно примерно ОД мкг/л, а в речной оно обычно менее 0,02 мкг/л.

Главный фактор, определяющий содержание кадмия в почвах, — это химический состав горных пород. Кадмий наиболее подвижен в кислых почвах (pH 4,5—5,5), тогда как в щелочных он относительно неподвижен (Алексеенко и др., 2012). Концентрация кадмия в почвенных растворах относительно низкая и составляет 0,2—6 мкг/л.

Основными антропогенными источниками кадмиевого загрязнения служат предприятия по добыче цинка и гальваническое производство. Значительные количества кадмия поступают в окружающую среду с городскими отходами, содержащими отслужившие срок батареи и пластмассы: сжигание коммунальных отходов приводит к выделению содержавшегося в пластмассах кадмия в атмосферу (Исидоров, 1999).

Поступление кадмия в почву — результат сельскохозяйственной деятельности. Ежегодное поступление кадмия в пахотный слой почвы для стран ЕЭС равна 5 г/га. Сельскохозяйственные почвы получают кадмий вместе с фосфатами, поскольку содержание его в этих удобрениях составляет обычно 35—260 г/т. Дополнительный его источник для агроценозов — осаждение из атмосферы (около 3 г/га в год).

Выпадающий из атмосферы и вносимый с удобрениями кадмий концентрируется в верхнем, пахотном слое. Мобильность кадмия зависит от свойств почвы. Показано, что в почвах с низкой катионной емкостью, вследствие малого содержания ила и гумусовых компонентов, адсорбция его невелика.

В наземных экосистемах основным источником кадмия для живых организмов служит почва. Его поглощение растениями зависит от величины pH: установлено, что в кислых почвах (pH 4,5—5,5) содержание доступных форм этого элемента и его транслокация (переход в растительные ткани) увеличиваются, тогда как в щелочных он относительно неподвижен (Алексеенко и др., 2012).

Считается, что кадмий не входит в число необходимых для растения элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Содержание кадмия в растениях зависит от концентрации его подвижных форм в почвах. Установлено, что корневой барьер снижает поступление кадмия в листья, причем этот эффект сильнее проявляется на черноземах (Кабата-Пендиас и др., 1989).

Кадмий считается токсичным элементом для растений (Алексеенко, 2006; Ковда, 1985). Видимые симптомы, вызванные повышением кадмия в растениях, — это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев или прожилков.

Извлеченный растениями кадмий передается далее по пищевым цепочкам. Для него характерная высокая биоаккуммуляция.

Несмотря на то что в водной среде кадмий находится в наименее доступной для гидробионтов форме хлоридных комплексов, они способны сорбировать его из воды (коэффициент биоконцентрирования варьировал от 16 для водного гиацинта до 50 800 для мидии). Однако гидроксокомплексы и комплексы с низкомолекулярными фульвокислотами, ксантаты и дитио-карбаматы кадмия довольно легко проникают через биологические мембраны.

Кадмий токсичен. При концентрации кадмия в воде 20 мкг/л у некоторых пресноводных водорослей наблюдается ингибирование ассимиляции углерода на 70—80%. Самая низкая величина LD₅₀ (при 96-часовой экспозиции) составила 16 мкг/л для одного из видов креветки (Mysidopsis bahia). Для дафний (Daphnia magna) токсические эффекты проявлялись уже при концентрациях выше 0,5 мкг/л (Исидоров, 1999).

Хроническое воздействие малых, порядка 10 мкг/л, концентраций Cd ингибирует системы ионного транспорта у водных беспозвоночных и рыб. При этом снижается содержание ионов Са²⁺ в плазме крови, что объясняется ингибирующим действием кадмия на фермент Са-АТФазу. При длительном (70 суток) нахождении гольяна (Phoxinus phoxinus) в воде с содержанием Cd 4,8—7,5 мг/л из 180 экземпляров выжил 101, причем у 31 из них были отмечены переломы задних отделов позвоночника. Аналогичные эффекты наблюдаются и в случае воздействия кадмия на другие виды позвоночных животных.

Показательна история возникновения болезни итай-итай (Исидоров, 1999). Первые случаи заболевания были зарегистрированы в Японии в 1947 г., а к 1965 г. от нее погибло 100 человек и еще большее число людей стали инвалидами. Болезнь начиналась с болей в спине и ногах, приводила к деформации скелета и множественным переломам костей. Возникала она у жителей, длительное время потреблявших рис с содержанием кадмия 1 мг/кг, выращиваемый на полях, в оросительные воды которых попадали загрязненные кадмием стоки промышленного предприятия. В условиях дефицита кальция происходило его замещение на кадмий в белке кальмодулине, нарушение обмена кальция и фосфора в почках и последующее вымывание их из костей.