Введение
Категория веществ
Токсичным тяжелым металлом считается любой относительно плотный металл или металлоид, известный своей потенциальной токсичностью, особенно в контексте воздействия на окружающую среду. Этот термин особенно применим к кадмию, ртути и свинцу, которые включены в список 10 химических веществ, представляющих наибольшую опасность для здоровья населения, составленный Всемирной организацией здравоохранения. К другим примерам относятся марганец, хром, кобальт, никель, медь, цинк, серебро, сурьма и таллий. Тяжелые металлы естественным образом содержатся в земной коре. Их концентрация увеличивается в результате деятельности человека, и они могут попадать в ткани растений и животных (включая человека) при вдыхании, с пищей и при непосредственном контакте. Затем они могут связываться с важными клеточными компонентами и нарушать их функционирование. Токсическое воздействие мышьяка, ртути и свинца было известно с древних времен, однако систематические исследования токсичности некоторых тяжелых металлов начались лишь в 1868 году. Отравление тяжелыми металлами у людей обычно лечат с помощью хелатирующих агентов. Некоторые элементы, которые обычно относят к токсичным тяжелым металлам, в небольших количествах необходимы для поддержания здоровья человека.
Источники загрязнения
Тяжелые металлы содержатся в земле в естественном виде и концентрируются в результате деятельности человека или, в некоторых случаях, геохимических процессов, таких как накопление в торфяных почвах с последующим высвобождением при осушении для сельскохозяйственных нужд. Общими источниками являются: горнодобывающие и промышленные отходы; выбросы транспортных средств; моторное масло; топливо, используемое судами и тяжелой техникой; строительные работы; удобрения; пестициды; краски; красители и пигменты; ремонтные работы; незаконное размещение строительных и демонтажных отходов; контейнеры для мусора открытого типа; сварка, пайка и лужение; производство стекла; бетонные работы; дорожные работы; использование переработанных материалов; самостоятельное изготовление изделий из металла; сжигание благовонной бумаги; открытое сжигание отходов в сельской местности; загрязненные системы вентиляции; продукты питания, загрязненные окружающей средой или упаковкой; вооружение; свинцово-кислотные аккумуляторы; пункты приема и переработки электронных отходов; обработанная древесина; устаревшая инфраструктура водоснабжения; и микропластик, плавающий в мировом океане. Мышьяк, кадмий и свинец могут присутствовать в детских игрушках в концентрациях, превышающих установленные нормы. Свинец может использоваться в игрушках в качестве стабилизатора, усилителя цвета или антикоррозионного агента. Кадмий иногда применяется в качестве стабилизатора или для увеличения массы и блеска ювелирных изделий для игрушек. Предполагается, что мышьяк используется при производстве красителей. Люди, регулярно употребляющие незаконно дистиллированный алкоголь, могут подвергаться отравлению мышьяком или свинцом, источником которого является свинец, загрязненный мышьяком и используемый для пайки дистилляционного аппарата. Крысиный яд, применяемый при хранении зерна и кормов, также может быть источником мышьяка. Свинец является наиболее распространенным загрязнителем тяжелыми металлами. В качестве компонента тетраэтилсвинца он широко использовался в бензине в 1930-х – 1970-х годах. Уровень свинца в водных экосистемах индустриально развитых стран, по оценкам, в два-три раза превышает доиндустриальный уровень. Хотя использование свинцового бензина в значительной степени прекратилось в Северной Америке к 1996 году, почва рядом с дорогами, построенными до этого времени, сохраняет высокую концентрацию свинца. Свинец (в виде азида свинца(II) или стифната свинца, используемых в огнестрельном оружии) постепенно накапливается на полигонах для стрельб, загрязняя окружающую среду и подвергая сотрудников полигона риску отравления свинцом.
Пути проникновения
Тяжелые металлы попадают в растительные, животные и человеческие ткани при вдыхании воздуха, с пищей и при непосредственном контакте. Выбросы автотранспорта являются основным источником загрязняющих веществ в воздухе, включая мышьяк, кадмий, кобальт, никель, свинец, сурьму, ванадий, цинк, платину, палладий и родий. Водные ресурсы (подземные воды, озера, ручьи и реки) могут быть загрязнены выщелачиванием тяжелых металлов из промышленных и бытовых отходов; кислотные дожди могут усугублять этот процесс, высвобождая тяжелые металлы, связанные с почвой. Перенос через почву может облегчаться наличием каналов быстрого движения (макропор) и растворенных органических соединений. Растения подвергаются воздействию тяжелых металлов при поглощении воды; животные поедают эти растения; употребление в пищу продуктов растительного и животного происхождения – основной источник поступления тяжелых металлов в организм человека. Всасывание через кожу, например, при контакте с почвой, металлическими игрушками или ювелирными изделиями, также является потенциальным источником загрязнения тяжелыми металлами. Токсичные тяжелые металлы способны к биоаккумуляции в организмах из-за их низкой метаболизируемости.
История
Токсическое воздействие мышьяка, ртути и свинца было известно с древних времен, однако систематические исследования общей токсичности тяжелых металлов появились лишь в 1868 году. В том году Уэнклин и Чепмен высказали предположение о негативном влиянии тяжелых металлов – "мышьяка, свинца, меди, цинка, железа и марганца" – в питьевой воде. Они отметили "недостаток исследований" и были вынуждены "обратиться с просьбой о сборе данных". В 1884 году Блейк описал видимую связь между токсичностью и атомным весом элемента. В последующих разделах представлены краткие исторические обзоры "классических" токсичных тяжелых металлов (мышьяка, ртути и свинца) и некоторых более поздних примеров (хрома и кадмия).
Арсен
Арсен, в виде реальгар и орпимента, был известен с древних времен. Страбон (64–50 гг. до н.э. – ок. 24 г. н.э.), греческий географ и историк, писал, что в рудниках реальгара и орпимента использовался только труд рабов, поскольку они неизбежно умирали от токсичного воздействия паров, выделяемых рудами. В 1900 году в районе Манчестера (Англия) более 6000 человек отравились пивом, загрязненным мышьяком, и, предположительно, погибло не менее 70 человек. Клэр Люс, американский посол в Италии с 1953 по 1956 год, страдала от отравления мышьяком. Источник был прослежен до отслаивающейся краски с содержанием мышьяка на потолке ее спальни. Возможно, она также употребляла пищу, загрязненную мышьяком из отслаивающейся краски на потолке в столовой посольства. По состоянию на 2014 год, подземные воды, загрязненные мышьяком, "продолжают отравлять миллионы людей в Азии".
Ртуть
Первый император объединенного Китая, Цинь Ши Хуан, по сообщениям, умер от приема ртутных пилюль, которые предназначались для достижения бессмертия. Выражение "сумасшедший как шляпник", вероятно, отсылает к отравлению ртутью среди шляпников (так называемое "заболевание шляпников"), поскольку соединения ртути ранее использовались при производстве войлочных шляп в XVIII и XIX веках. Исторически амальгама золота (сплав с ртутью) широко применялась в позолоте, что приводило к многочисленным жертвам среди рабочих. По оценкам, только во время строительства собора Святого Исаака погибло 60 рабочих из-за позолоты главного купола. В 1950-х годах в нескольких районах Японии произошли вспышки отравления метилртутью из-за промышленных сбросов ртути в реки и прибрежные воды. Наиболее известные случаи были зафиксированы в Минамате и Ниигате. Только в Минамате от болезни, получившей название "болезнь Минаматы", умерли более 600 человек. Более 21 000 человек подали иски в японское правительство, из которых почти 3000 были признаны больными. В 22 задокументированных случаях беременные женщины, употреблявшие загрязненную рыбу, не проявляли никаких или незначительные симптомы, но родили детей с тяжелыми нарушениями развития. С начала промышленной революции уровень ртути в приповерхностных морских водах, особенно в районах Исландии и Антарктиды, утроился.
Свинец
Негативные последствия свинца были известны еще в древности. Во II веке до н.э. греческий ботаник Никандер описал колики и паралич, наблюдавшиеся у людей, отравленных свинцом. Греческий врач Диоскорид, живший, предположительно, в I веке н.э., писал, что свинец "подрывает рассудок". Свинец широко использовался в римских акведуках с примерно 500 года до н.э. по 300 год н.э. Инженер Юлия Цезаря Витрувий сообщал: "вода из глиняных труб гораздо полезнее, чем из свинцовых, поскольку свинец делает ее вредной, образуя белила, которые, как считается, опасны для человеческого организма". В период монгольского правления в Китае (1271–1368 гг. н.э.) загрязнение свинцом, вызванное плавкой серебра в регионе Юньнань, превышало уровни загрязнения от современной добычи полезных ископаемых почти в четыре раза. В XVII и XVIII веках жители Девона страдали от состояния, известного как девонская колика, причиной которого было употребление сидра, загрязненного свинцом. В 2013 году Всемирная организация здравоохранения оценила, что отравление свинцом привело к 143 000 смертей и "способствовало возникновению 600 000 новых случаев интеллектуальных нарушений у детей" ежегодно. В американском городе Флинт (штат Мичиган) загрязнение питьевой воды свинцом является проблемой с 2014 года. Причиной загрязнения названа "коррозия свинцовых и железных труб, по которым вода поступает к жителям города". В 2015 году концентрация свинца в питьевой воде на северо-востоке Тасмании (Австралия) превысила установленные национальные нормы по качеству питьевой воды более чем в 50 раз. Причиной загрязнения названо "сочетание устаревшей инфраструктуры водоснабжения, включая свинцовые соединения трубопроводов, изношенные поливинилхлоридные трубы и домашние водопроводные системы".
Хром
Соединения хрома(III) и металлический хром не считаются опасными для здоровья, в то время как токсичность и канцерогенные свойства хрома(VI) известны как минимум с конца XIX века. В 1890 году Ньюман описал повышенный риск развития рака у рабочих компании, производящей красители на основе хроматов. В ходе Второй мировой войны сообщалось о дерматите, вызванном хроматами, у работников авиационной промышленности. В 1963 году среди 60 рабочих автомобильного завода в Англии произошла вспышка дерматита, проявлявшаяся от эритемы до экссудативной экземы. Рабочие производили влажную шлифовку грунтовки на основе хроматов, нанесенной на кузова автомобилей. В Австралии 8 августа 2011 года на заводе Orica по производству взрывчатых веществ в Ньюкасле произошел выброс хрома. Под воздействие попали до 20 работников завода и 70 близлежащих домов в Стоктоне. Город был уведомлен лишь через три дня после выброса, и авария вызвала широкую общественную дискуссию, в ходе которой Orica подверглась критике за преуменьшение масштабов и возможных рисков утечки, а правительство штата – за медленную реакцию на инцидент.
Кадмий
Воздействие кадмия – явление, возникшее в начале 20-го века и продолжающееся по сей день. В 1910 году в Японии компания Mitsui Mining & Smelting Company начала сбрасывать кадмий в реку Дзинзу как побочный продукт горнодобывающих операций. Жители близлежащих районов впоследствии употребляли рис, выращенный на орошаемой кадмием воде. У них наблюдалось размягчение костей и почечная недостаточность. Причина этих симптомов была неясна; в то время рассматривались варианты, такие как "региональное или бактериальное заболевание, либо отравление свинцом". В 1955 году кадмий был идентифицирован как вероятная причина, а в 1961 году источник был напрямую связан с горнодобывающими операциями в этом районе. В феврале 2010 года кадмий был обнаружен в эксклюзивных украшениях Майли Сайрус, продаваемых только в Walmart. Wal-Mart продолжал продавать эти украшения до мая, когда тайное тестирование, организованное Associated Press, подтвердило первоначальные результаты. В июне 2010 года кадмий был обнаружен в краске, использованной для нанесения рисунка на рекламные стаканы к фильму «Шрек навсегда», продаваемые в ресторанах McDonald’s, что привело к отзыву 12 миллионов стаканов.
Исправление
У людей отравление тяжелыми металлами обычно лечится введением хелатирующих агентов. Это химические соединения, такие как (этилендиаминтетраацетат динатрия кальция), которые превращают тяжелые металлы в химически инертные формы, которые могут быть выведены из организма без дальнейшего взаимодействия. Хелаты не лишены побочных эффектов и также могут удалять полезные металлы из организма, поэтому иногда одновременно назначают витамины и минеральные добавки. Загрязненную тяжелыми металлами почву можно рекультивировать с помощью одной или нескольких из следующих технологий: изоляция, иммобилизация, снижение токсичности, физическое разделение или экстракция. Изоляция предполагает использование покрытий, мембран или подземных барьеров для изоляции загрязненной почвы. Иммобилизация направлена на изменение свойств почвы, чтобы уменьшить подвижность тяжелых загрязнителей. Снижение токсичности заключается в попытке окислить или восстановить токсичные ионы тяжелых металлов химическим или биологическим путем, превращая их в менее токсичные или подвижные формы. Физическое разделение включает удаление загрязненной почвы и отделение металлических загрязнителей механическими способами. Экстракция – это процесс, который может проводиться как на месте загрязнения, так и за его пределами, и использует химические вещества, высокотемпературную волатилизацию или электролиз для извлечения загрязняющих веществ из почвы. Выбор процесса или процессов зависит от типа загрязнителя и характеристик участка.
Преимущества
Некоторые элементы, которые в иных случаях рассматриваются как токсичные тяжелые металлы, в небольших количествах необходимы для здоровья человека. К этим элементам относятся ванадий, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, селен, стронций и молибден. Дефицит этих жизненно важных металлов может повысить уязвимость к отравлению тяжелыми металлами.