Toksyczność miedzi, cynku, kadmu, rtęci i ołowiu dla człowieka, kregowców i organimów wodnych, Publikacje z Environmental Engineering

Pobierz Toksyczność miedzi, cynku, kadmu, rtęci i ołowiu dla człowieka, kregowców i organimów wodnych i więcej Publikacje w PDF z Environmental Engineering tylko na Docsity! UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI  ZESZYTY NAUKOWE NR 155 Nr 35 INŻYNIERIA ŚRODOWISKA 2014 MARLENA PIONTEK * , ZUZANNA FEDYCZAK ** , KATARZYNA ŁUSZCZYŃSKA * , HANNA LECHÓW *** TOKSYCZNOŚĆ MIEDZI, CYNKU ORAZ KADMU, RTĘCI I OŁOWIU DLA CZŁOWIEKA, KRĘGOWCÓW I ORGANIZMÓW WODNYCH S t r e s z c z e n i e Praca dotyczy toksyczności wybranych metali ciężkich w koncentracjach śladowych: dwóch zaliczanych do mikroelementów- Cu i Zn oraz trzech znajdujących się w czołówce trucizn zawodowych i środowiskowych - Cd, Hg i Pb. Przedstawiono stan wiedzy w oparciu o przegląd literatury na temat toksyczności tych pierwiastków dla człowieka i kręgowców oraz wyniki badań własnych dla organizmów reprezentujących biocenozę wodną: rozwielitkę Daphnia magna Strauss oraz wypławka Dugesia ti- grina Girard. Ustalano, że szereg toksyczności metali ciężkich dla czło- wieka i kręgowców oraz badanych organizmów wodnych jest zbieżny. Najbardziej toksyczna jest rtęć i jej związki, najmniej cynk. Miedź jest sil- niejszą trucizną dla organizmów wodnych, natomiast ołów dla ludzi i krę- gowców. Słowa kluczowe: metale śladowe, toksyczność, biologiczne testy toksyczności, metody bioindykacyjne, Daphnia magna, Dugesia tigrina WPROWADZENIE Większość metali śladowych odgrywa ważną rolę w prawidłowym funkcjo- nowaniu organizmów żywych, spełniając rolę czynników regulujących procesy lub stanowiąc składowe enzymów (koenzymów). Metale takie zalicza się do pierwiastków niezbędnych. Dla niektórych, jak: Cd, Hg, Pb dotychczas nie wy- kazano biologicznej niezbędności [Piotrowski 2008]. Istotną cechą metali cięż- kich jest ich duża persystencja środowiskowa. Rozwój cywilizacyjny przyczy- * Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Inż. Lądowej i Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Zakład Ekologii Stosowanej ** doktorantka w Zakładzie Ekologii Stosowanej IIŚ WILiŚ *** doktorantka kierunku inżynieria środowiska Uniwersytetu Zielonogórskiego Toksyczność miedzi, cynku oraz kadmu … 71 nia się do wzrostu poziomu ich zawartości w różnych elementach środowiska. Ze względu na rozpowszechnienie oraz toksyczność szczególną uwagę zwraca się na zanieczyszczenia związkami: kadmu, ołowiu i rtęci [Kabata-Pendias i Pendias 1979]. Pierwiastki te kumulują się w organizmie człowieka, stanowiąc poważny problem, podczas gdy inne metale ciężkie są stosunkowo szybko wy- dalane z organizmu [Piotrowski 2008]. Toksyczne stają się, gdy ich poziom osiągnie lub przekroczy stężenie progowe PC (paralysis concetration), powodu- jące objawy porażenia. Każda niekorzystna zmiana miejscowa wywołuje zabu- rzenia ogólne, a uszkodzenia w obrębie poszczególnych narządów prowadzą do zaburzeń obejmujących cały ustrój [Piontek 1997a]. Często organy najbardziej zaatakowane to te, w których następuje eliminacja lub detoksykacja pierwiastka ( u człowieka są to: wątroba i nerki) [Manahan 2006]. W organizmie ludzkim metale śladowe prawie zawsze występują w postaci utlenionej lub związanej. Mogą przyłączyć się do niektórych anionów w płynach ustrojowych i być transportowane po całym organizmie. Powodują blokowanie enzymów, zabu- rzenia przepuszczalności błon biologicznych, syntezy białka i wytwarzania ATP, prowadzące do uszkodzenia łańcucha kwasów nukleinowych – DNA i RNA. Wypierają inne metale z połączeń w metaloenzymach. W postaci nieor- ganicznych kationów wykazują skłonności do silnego wiązania z białkami. Ła- twość przenikania przez błony biologiczne może skutkować biokumulacją i zahamowaniem wydzielania z organizmu, a zależy od: postaci chemicznej, trwałości związku i jego rozpuszczalności w wodzie i tłuszczach, obecności innych substancji w otoczeniu i od odczynu pH [Janssen i in. 2003]. Na świecie, w tym także w Polsce, prowadzi się liczne badania (zarówno in vitro, jak i in situ) nad wpływem metali ciężkich na organizmy [Siwek 2008]. Skutki niewłaściwego postępowania człowieka w stosunku do środowiska dobitnie wystąpiły w ekosystemach wodnych [Piontek 1997a]. METALE ŚLADOWE W ŚRODOWISKU Występowanie i cyrkulacja metali ciężkich w środowisku jest zjawiskiem powszechnym, związanym z procesami naturalnymi (glebotwórczymi, erupcją wulkanów, wietrzeniem skał) [Piontek i in. 2012]. Potencjalne zagrożenie sta- nowią pierwiastki, których stężenie przekracza naturalny poziom, między in- nymi w wyniku działalności człowieka. Środowisko może być skażone metalami przez:  działalność przemysłową np. górnictwo i hutnictwo,  rolnictwo, w tym stosowanie pestycydów zawierających metale, które były szeroko stosowane przed rozwojem syntetycznych związków organicznych,  gospodarkę komunalną i komunikację-emisja spalin. 74 M. Piontek, Z. Fedyczak, K. Łuszczyńska, H. Lechów naturalnego i człowieka [Czeczot i Majewska 2010]. W środowisku występuję w rudach: cynkowych i ołowiowych. Emitowany do atmosfery podczas poża- rów lasów, erupcji wulkanów oraz w wyniku wietrzenia skał. Znalazł zastoso- wanie w ochronie przed korozją, w produkcji baterii niklowo-kadmowych oraz elektrotechnice i reaktorach jądrowych. Do antropogenicznych źródeł dyspersji kadmu w ogólnym środowisku i artykułach spożywczych zalicza się produkcję przemysłową, stosowanie rolniczo nawozów fosforowych oraz kadm obecny w osadach ściekowych. [Satarug i in.2003]. Kadm dostaje się do organizmu człowieka głównie z pożywieniem, wodą oraz wziewnie w wyniku palenia tytoniu. Spalenie 1 papierosa powoduje zaab- sorbowanie przez organizm ok. 0,1-0,15 μg kadmu. Palacze przeciętnie mają 4-5 razy wyższe stężenie kadmu we krwi niż osoby niepalące [Written i Hu 2002]. Zawartość tego pierwiastka w organizmie ludzi zdrowych wynosi ok. 5-40 mg. Kadm gromadzi się przede wszystkim w nerkach – ok. 80% oraz w wątro- bie. Narażenie zawodowe na związki kadmu wiąże się ze zwiększonym ryzy- kiem zachorowania na raka nerki [Il'yasova i Schwarz 2005]. Toksyczne działa- nie w organizmie wykazują jony kadmu nie związane z białkiem (metalotionei- ną). Kadm wpływa na procesy metabolizmu innych pierwiastków w organi- zmie, takich, jak : cynk, miedź, magnez, żelazo i inne, zmieniając morfologię i czynności określonych narządów. Przykładowo zastępując cynk w reakcjach biologicznych, zaburza syntezę DNA, RNA i białek, a także aktywność enzy- matyczną enzymów zawierających Zn [Cousins i in. 2003]. Po spożyciu skażonej kadmem żywności u zatrutych występowały nudno- ści, wymioty, ślinotok, bóle brzucha, uszkodzenie nerek oraz niewydolność krążenia. Ekspozycja na dymy tlenku kadmu, w stężeniu powyżej 0,5 mg Cd/m3 powoduje m.in.: rozedmę płuc, uszkodzenie czynności nerek, zmiany w układzie kostnym, bóle kończyn i kręgosłupa. Rtęć Rtęć nawet w niskich stężeniach stanowi zagrożenie dla organizmów ży- wych, ponieważ nie są znane jakiekolwiek funkcje metaboliczne tego pier- wiastka. Formy organiczne rtęci są zwykle bardziej szkodliwe (nawet 10- krotnie) niż nieorganiczne. Stężenie 5 µg/l wywołuje już toksyczne efekty w środowisku wodnym [Boening 2000] .Głównym źródłem zanieczyszczenia środowiska jest spalanie produktów ropy naftowej oraz węgla [Pirrone i in. 2010]. Rtęć po utlenieniu do rtęci dwuwartościowej tworzy związki metylo- CH3Hg + i dimetylortęciowe (CH3)2Hg. Metylacja rtęci zwiększa możliwości pokonywania bariery biologicznej. Następstwem czego jest jej bioakumulacja w organizmach żywych (szczególnie w rybach i morskich ssakach) do pozio- mów tysiące razy większych niż w wodzie. Do organizmu rtęć dostaje się głównie z żywnością przez układ pokarmowy oraz wziewnie, poprzez układ Toksyczność miedzi, cynku oraz kadmu … 75 oddechowy. Rozmieszczenie w organizmie zależy od rodzaju związku oraz czasu ekspozycji. Związki rtęci mogą zakłócać większość reakcji enzymatycz- nych, ponieważ reagują z białkami zawierającymi grupy sulfhydrylowe. Naj- wyższe stężenie rtęci występuje w nerkach, natomiast najbardziej podatny na uszkodzenia jest mózg, w którym stężenia metylortęci potrafi osiągnąć poziom 5-krotnie wyższy od stężenia we krwi. Opary rtęci toksycznie oddziaływują na płuca, powodując ostatecznie niewydolność oddechową i zgon. Przewlekłe na- rażenie na małe stężenia par rtęci powoduje uszkodzenie ośrodkowego układu nerwowego z objawami osłabienia, zaburzeniami pamięci, zmiennością nastro- jów, bólem głowy i kończyn, zapaleniem błony śluzowej i dziąseł oraz innymi [Seńczuk 2006]. Ołów Pierwiastek silnie toksyczny w stosunku do organizmów żywych, działający wielonarządowo. Głównym źródłem zanieczyszczenia są huty ołowiu, cynku, miedzi, zakłady produkujące akumulatory, kable, druty, przemysł chemiczny, przemysł transportowy. Ołów dostaje się do organizmu człowieka przez układ pokarmowy z wodą i żywnością oraz wziewnie. Wchłonięty przechodzi do układu krążenia, a następnie do innych narządów w zależności od ich ukrwie- nia. Początkowo gromadzi się w wątrobie, sercu, nerkach, następnie w skórze i mięśniach. Zaburzenia układu krwiotwórczego i ośrodkowego systemu ner- wowego są bardzo charakterystycznym objawem zatrucia organizmu ludzkiego ołowiem [Krzywy i in. 2010]. W końcowym etapie pierwiastek odkłada się w tkance kostnej, w której kumuluje się przez całe życie, stanowiąc wyznacznik wielkości ekspozycji na ołów [Seńczuk 2006]. Ołów jest mutagenny i może powodować raka, ponadto ma możliwość przechodzenia przez łożyskowo. SZKODLIWOŚĆ WYBRANYCH METALI W DAWKACH W literaturze podane są wyniki badań nad toksycznością metali ciężkich w stosunku m.in. do organizmów wodnych, kręgowców czy człowieka. W tabe- li 1 zestawiono dane toksyczności Cu, Zn oraz Cd, Hg i Pb wybrane z kilku pozycji literaturowych, natomiast w tabeli 3 przedstawiono najwyższe dopusz- czalne steżenie Cu, Cd, Hg i Pb w miejscu pracy. 76 M. Piontek, Z. Fedyczak, K. Łuszczyńska, H. Lechów Tab. 1. Zestawienie przykładowych danych literaturowych toksyczności Cu, Zn oraz Cd, Hg i Pb dla kręgowców i człowieka [Seńczuk 2006, Karty Charaktery- styki Substancji Niebezpiecznych POCh zgodnych z aktualnymi Ustawami] Tab.1. Summary of literature data sample toxicity of Cu, Zn and Cd, Hg and Pb for vertebrates and human [Seńczuk 2006, Material Safety Data Sheets POCh compatible with current Acts] Związek Dawka Organizm Objawy CuCl2 584 mg/kg m.c. doustnie jako substancja bezwodna szczur śmierć CuSO4 50 mg/kg m.c. doustnie człowiek śmierć 500 mg doustnie człowiek wymioty 4-5 mg/kg m.c. dożylnie królik śmierć 50 mg/kg m.c. doustnie królik śmierć 300 mg/kg m.c. doustnie szczur śmierć ZnCl2 3000-5000 mg doustnie człowiek śmierć 200-300 mg/kg m.c. świnka mor- ska, szczur zaburzenia czynnościo- we organizmu ZnSO4 5000-10 000 mg doustnie człowiek śmierć 750 mg/kg paszy owce zmiany embriotoksyczne i teratogenne 1260 mg/kg m.c. szczur śmierć CdCl2 668 mg/kg doustnie szczur śmierć Cd(NO3)2 300 mg/ kg m.c. doustnie szczur śmierć Dymy Cd 5 mg/ m 3 inhalacja 8 h człowiek śmierć HgCl2 29 mg/kg doustnie człowiek śmierć 41 mg/ kg przez skórę królik śmierć 1 mg/kg doustnie szczur śmierć Pb 2+ 100 µg Pb/ cm 3 we krwi człowiek zatrucie ostre- pieczenie w ustach, wymioty, kolka jelitowa, biegunka, spadek ciśnienia krwi i temp. ciała >70 µg Pb/ 100 cm 3 krwi >50 µg Pb/ 100 cm 3 krwi człowiek niedokrwistość u: -dorosłych -u dzieci Toksyczność miedzi, cynku oraz kadmu … 79 Tab.4. Wyniki toksyczności ostrej sześciu wybranych substancji dla Daphnia magna Tab.4. The results of acute toxicity of six selected substances to Daphnia magna Lp. Badana substancja 24-h LC 50 Klasyfikacja trucizn [mg dm -3 ] wg Liebmanna [1962] 1. Azotan kadmu 0,4 I klasa (wysoko trująca) Cd(NO3)2 2. Chlorek kadmu 0,37 I klasa (wysoko trująca) CdCl2 3. Chlorek cynku 1,99 II klasa (mocno trująca) ZnCl2 4. Siarczan cynku 2,81 II klasa (mocno trująca) ZnSO4 5. Chlorek miedzi 0,04 I klasa (wysoko trująca) CuCl2 6. Siarczan miedzi 0,18 I klasa (wysoko trująca) CuSO4 Rys. 2. Toksyczność substancji dla D. magna Fig. 2. Toxicity of substances for D. magna Tab. 5. Toksyczny wpływ wybranych trucizn na D. magna i D. tigrina [Piontek 1996, 1999,2001] Tab. 5. Toxic effect of some poisons on D. magna i D. tigrina [Piontek 1996, 1999, 2001] Substancja D. magna 48-h LC 50 [mg dm -3 ] D. tigrina 240-h LC 50 [mg dm -3 ] Siarczan cynku ZnSO4 2,40 5,20 Chlorek kadmu CdCl2 0,06 1,20 Siarczan miedzi CuSO4 0,04 0,50 Azotan ołowiawy Pb(NO3)2 0,16 2,48 Chlorek ołowiawy PbCl2 0,28 3,42 Octan ołowiowy C4H6Pb·3H2O 7,80 5,20 Chlorek rtęciowy HgCl2 0,007 0,015 67% 33% I wysoko trująca II mocno trująca 80 M. Piontek, Z. Fedyczak, K. Łuszczyńska, H. Lechów PODSUMOWANIE Działanie toksyczne metali śladowych w stosunku do organizmów żywych jest związana z możliwością ich kumulacji. Nawet pierwiastki niezbędne mogą okazać się toksyczne w momencie osiągnięcia stężenia granicznego – dawki progowej. Zjawisko jest niebezpieczne i przyczynia się do powstania szeregu objawów patologicznych, w tym zmian i uszkodzeń narządów wewnętrznych, a nawet śmierci. Intensywność oddziaływania toksycznego zależy od szeregu czynników, w tym od: rodzaju, stężenia, postaci chemicznej i trwałości związku zawierającego metal oraz jego rozpuszczalności w wodzie i tłuszczach, obecno- ści substancji towarzyszących, odczynu pH oraz od kondycji organizmu i czasu ekspozycji. Toksyczne działanie zanieczyszczeń bezpośrednio na organizm człowieka jest trudne do oszacowania. Z danych literaturowych wynika, że dla człowieka oraz kręgowców najbardziej toksyczna jest rtęć. Następnie, z różnym nasile- niem, trujące są kolejno metale: ołów, kadm, miedź i cynk. Toksykologia wody ma kluczowe znaczenie w toksykologii środowiskowej. Wyniki badań prowadzone przy użyciu różnych organizmów mogą być ekstra- polowane na człowieka. W oszacowaniu zagrożenia toksycznego stosowane są bioindykatory, czyli gatunki roślin i/lub zwierząt, wykazujące wrażliwość i charakterystyczne reakcje na określony czynnik toksyczny. Jedną z metod stosowanych w toksykologii są biotesty, w których za kryterium oceny toksycz- nego wpływu trucizn przyjmuje się LC 50 - stężenie letalne, powodujące śmierć 50 % organizmów testowych po ściśle określonym czasie ekspozycji w powie- trzu (mg/m 3 ) lub w wodzie (mg/dm 3 ). Przeprowadzone badania bioindykacyjne z wykorzystaniem rozwielitek Dapnia magna i wypławków Dugesia tigrina wykazały, że rtęć jest równie wysoce trująca w stosunku do zastosowanych organizmów wodnych. Następne w szeregu toksyczności znalazły się związki: miedzi, kadmu, ołowiu i cynku. Różnice w kolejności szeregu toksyczności omawianych pierwiastków dla or- ganizmów testowych oraz dla człowieka i kręgowców wynikają z posiadania odmiennych organów detoksykacyjnych, kumulacji metali, masy ciała, a także długości życia. LITERATURA 1. AOYAGI S., BAKER D.;1993. Copper-Amino Acid Complexes Are Par- tially Protected against Inhibitory Effects of L-Cysteine and L-Ascorbic Acid on Copper Absorption in Chicks . Jour. of Nutrition, 388-395. 2. BOENING D. W.; 2000. Ecological effects, transport, and fate of mercury: a general review Chemosphere 40, 1335-1351. Toksyczność miedzi, cynku oraz kadmu … 81 3. COUSINS R.J., BLANCHARD R. K. , MOORE J. B., CUI L., GREEN C. LIUZZI J. P., CAO J., BOBO J.A.; 2003. Regulation of zinc metabolism and genomic outcomes. JN The Journal of Nutrition, Volume: 133, 1521S- 1526S. 4. CZECZOT H., MAJEWSKA M.; 2010. Kadm- zagrożenie i skutki zdro- wotne. Farm Pol., 66(4), 243-250. 5. FIJAŁKOWSKI K., KACPRZAK M., GROBELAK A., PLACEK A.; 2012. Wpływ wybranych parametrów na mobilność metali ciężkich, Inży- nieria i Ochrona Środowiska, 15(1), 81-92. 6. L’YASOVA D., SCHWARTZ G.G.;2005. Review. Cadmium and renal cancer. Toxicology and Applied Pharmacology 207, 179–186. 7. JANSSEN, C.R., HEIJERICK, D.G., DE SCHAMPHELAERE, K.A.C., ALLEN,H.E.; 2003. Environmental risk assessment of metals: tools for- incorporating bioavailability. Environ. Int. 28, 793–800. 8. KABATA-PENDIAS A., PENDIAS H.;1979. Pierwiastki śladowe w śro- dowisku biologicznym. Wydawnictwo Geologiczne. Warszawa. 9. KRZYWY I,, KRZYWY E., PASTUSZAK-GABINOWSKA M., BROD- KIEWICZ A.; 2010. Ołów-czy jest się czego obawiać? Annales Acade- miae Medicae Stetinensis. Roczniki Pomorskiej Akademii Medycznej w Szczecinie, 56(2), 118-128 10. LIEBMANN H.; 1962. Handbuch der Frischwasser und Abwasserbiologie. G. Fischer Verlag, Jena. 11. MANAHAN S.E.; 2006. Toksykologia środowiska, Wyd. PWN, Warsza- wa, 268-276. 12. NAŁĘCZ-JAWECKI G.; 2003. Badanie toksyczności środowiska wodne- go metodą bioindykacji. Biul.Wydz. Farm. AMW (2). 13. OMAYE S.T.;2004. Food and Nutritional Toxicology. CRC Press LLC. http://www.sciencelib.net/592/food-and-nutritional-toxicology-s-omaye- crc-2004-ww.html 14. PIONTEK M.; 1983/1984. The regenerative ability of the planarian Dugesia tigrina (Girard) and the possibility of its use in reproduction of this species. Acta Hydrobiologica, 25/26:81-88. 15. PIONTEK M.; 1997. Ocena stopnia toksyczności wybranych związków chemicznych na podstawie testów z Daphnia magna Straus. [Toxicity as- sessement of 28 mineral and organic chemical compounds on the basis of tests with D. magna Straus]. Zeszyty Naukowe Politechniki Zielonogór- skiej, 111, Inżynieria Środowiska 5: 49-59. 16. PIONTEK M.; 1997 a. Rozwój biologicznych metod oceny stopnia tok- syczności trucizn w środowisku wodnym. Zeszyty Naukowe Politechniki Zielonogórskiej, nr 111, Inżynieria Środowiska 5, 31-47. 17. PIONTEK M.; 1998. Application of Dugesia tigrina Girard in toxicologi- cal studies of aquatic environments. Pol. Arch. Hydrobiol. 45: 565-572.