Химические элементы в биосфере. Классификация биогенных элементов по функциональной роли и содержанию в организме. Биогеохимические цикл

Уровская болезнь - эндемическое заболевание, характеризующееся развитием деформирующего остеоартроза суставов верхних и нижних конечностей с ограничением подвижности, развитием сгибательных контрактур (ограничение нормальной амплитуды движений в суставе). Уровская болезнь определена по названию р. Уров, где она впервые была выявлена; иначе именуется болезнью Кашина-Бека, по именам подробно описавших её врачей.

Развитие болезни связывают с нарушением минерального обмена, возникающим при дисбалансе ряда химических элементов (прежде всего фосфатов и марганца, а по данным китайских учёных - селена) в почве, воде, растениях и соответственно в продуктах питания

Эндемичные районы: Читинской область, районы среднего течения реки Зеи Амурской области. Болезнь также известна в Северном Китае и КНДР, спорадически встречается в Якутии, Бурятии и других регионах России.

Мочекаменная болезнь - заболевание, проявляющееся образованием камней в почках и других органах мочевыделительной системы. Заболевание встречается у людей самых разных возрастов, от детей до пожилых людей.

Районы распространения: Республика Коми, Республика Башкортостан, Белгородская, Курская, Орловская, Липецкая, Тамбовская области.

В возникновении этого заболевания играет роль состав воды (жесткая вода с большим содержанием кальциевых солей способствует появлению уролитиаза), пищи (острая и кислая пища повышает кислотность мочи, от чего камни образуются легче). Постоянный недостаток витаминов в пище и ультрафиолетовых лучей может способствовать камнеобразованию.

Болезнь Кешана - это эндемическая кардиомиопатия, которая наиболее часто встречается в тех районах, где отмечено низкое содержание селена в почве.

Для болезни Кешана характерны аритмии, увеличение размеров сердца, фокальные некрозы миокарда, за которыми следует сердечная недостаточность. Иногда наблюдаются признаки тромбоэмболии.

Районы распространения: Пермский край, Свердловская область, Китай, Финляндия.

Национальные и географические особенности питания людей также обуславливают специфические заболевания. Даже сама потребность в пище у людей в разных странах разная. То, что нормально по количеству калорий для индусов, привело бы к голодной смерти европейца. Недостаток белка в пище вызывает квашиоркор — тяжелую форму дистрофии у детей — в странах Южной Африки, Мексике, Центральной Америке, Индии.

Недостаток витамина А приводит к ксерофтальмии (сухость конъюнктивы и роговицы). Она распространена в Индии, Кампучии и других странах.

Особенности приема пищи национальные, традиционные, религиозные и пр. тоже могут стать причиной ряда серьезных заболеваний. Например, пристрастие к употреблению очень горячей пищи и жидкости, характерное для народов Севера нашей страны, где любят пить почти кипящий бульон из оленьих костей — шыдьяй, не проходит бесследно. Возникает рак слизистой пищевода.

Высока заболеваемость раком печени на юге Африки из-за афлатоксина — яда из плесени, поражающей пищевые продукты [6].

 

 

 

8. ТОКСИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

 

В организме атомы одного и того же элемента могут входить в состав самых различных соединений или находиться в растворе в виде катионов. Токсичность элемента определяется на общем его содержании в различных химических состояниях, а количеством его наиболее токсичных форм. Отсюда следует, что для прогнозирования токсичности вещества, помимо, элементарного состава и его превращения при взаимодействии с внутренней средой организма. Необходимо точно оговорить о токсичности какой формы элемента идет речь.

Многие данные по количественной токсикологии неорганических соединений получены на основе их терапевтического применения.

Неорганические соединения различных элементов демонстрируют широкий спектр биологической активности, определяемой химическими свойствами этих соединений. Необходимо иметь в виду, что некоторые элементы, рассматриваемые в настоящее время лишь как биологически неактивные или даже токсичные, могут оказаться жизненно необходимыми для человека в соответствующих условиях.

Суммарные токсические и стимулирующие действия элементов в организмах или в органах-мишенях являются результатом множества сложных процессов. Характер этих процессов определяется химическими свойствами элемента и биологическими особенностями вида животных или растений.

Отравление тем или иным элементом наступает при достижении в критическом органе (органах) дозы, достаточной для нарушения нормального функционирования органа [7].

 

 

 

 

1. Барий

 

Широкое применение соединений бария металлургической, полиграфической, резиновой,текстильной, нефтяной промышленности, а также в сельском хозяйстве вызывает необходимость глубокого изучения его токсичности. Данные исследований последних лет свидетельствуют о том, что барий оказывает неблагоприятное влияние на многие функции организма теплокровных животных и человека.

Поскольку ионы бария и стронция обладают токсическим действием, их соединения практически не применяют в медицине. Исключение составляет бария сульфат, который не подвергается гидролизу и не растворяется в соляной кислоте желудочного сока,вследствие чего отсутствует токсическое воздействие при приеме внутрь. Эта соль находит применение для рентгенодиагностики заболеваний пищеварительного тракта в качестве контрастного вещества, так как сульфат бария сильно поглощает рентгеновские лучи. Некоторые люди обладают повышенной чувствительностью к этому соединению.

Водорастворимые соли бария достаточно хорошо абсорбируются организмом, что определяет их токсичность. В организм барий поступает ингаляционно (в производственных условиях) и через желудочно-кишечный тракт. Всасывание в желудочно-кишечном тракте из пищи составляет 0,06%. Суточное поступление бария зависит от пищевого рациона и в среднем составляет 0,75-1 мг в сутки. С водой поступает 82 мкг/сутки, с воздухом - 10-30 мкг/сутки. Во всем организме человека содержание бария считают равным 22 мг (из них в скелете 20 мг).

Все растворимые соли бария токсичны. Механизм действия этих солей заключается в том, что ионы Ва2+ , имея одинаковый радиус с ионами К+, конкурирует с ним в биохимических процессах. В результате такой взаимозамещаемости возникает гипокалиемия; ионы бария могут проникать и в костные ткани, вызывая эпидемические заболевания (например, болезнь па-пинг).

Барий по физико-химическим характеристикам подобен кальцию. Попадая в больших количествах в организм, он может замещать ионы кальция в костной ткани. Такое замещение имеет место, так как растворимость фосфатов щелочноземельных металлов уменьшается в ряду - Ca-Sr-Ba. Именно в результате замещения кальция в костной ткани на стронций развивается «стронциевый» рахит - повышенная ломкость костей.

Хлориду бария присущ гонадотоксический эффект. При действии вещества в дозе 0,5 мг/кг отмечены физиологические и морфологические изменения со стороны гонад:уменьшение количества и подвижности сперматозоидов, уменьшение нормальных сперматогоний.

Эпидемиологические наблюдения показали, что в местностях с высоким содержанием бария в воде (2-10мг/л) выше смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Избыток бария в почве, воде и кормах, особенно в сочетании с избытком там же стронция, может привести к нарушению кальциевого обмена и тяжелому поражению костной системы,известному под названием уровской болезни [8].

 

2. Таллий

 

Талий является нервно-протоплазматическим ядом. Интерес к токсичности таллия связан с его повышенной концентрацией вокруг металлургических заводов, в районе электростанций, работающих на угле.

Соли таллия широко применяются в быту в качестве инсектицидов и родентицидов. Иногда таллий обнаруживают в биосредах при химико-токсикологическом исследовании на свинец, и как случайную находку при экспертизе живых лиц или судебно-химическом исследовании. Встречаются все типы отравлений: транскутанные (соли таллия способны проникать трансдермально и даже через резиновые перчатки), ингаляционные, пероральные. Описаны случаи отравлений таллием, купленным вместо кокаина.

Этот элемент находят во всех растительных продуктах. Особенно высока концентрация таллия в капусте (125 нг/г массы сухой ткани). Содержание его в хлебе и говяжьей печенке составляет соответственно 0,5-1 и 0,3 нг/г массы сухой ткани. В пищевом рационе человека может содержаться около 1,5 мкг/сутки. Дополнительным источником поступления таллия через желудочно-кишечный тракт и легкие может служить табак, в котором его содержится до 100 нг/г.

В организме взрослого человека содержится около 100 мкг таллия. Поступление с пищей - около 1,5 мкг в сутки. Таллий и его соединения попадают в организм человека через рот, дыхательные пути и кожу, так как адсорбируются неповрежденной кожей.

Минимальная доза таллия, приводящая к смертельному исходу составляет 12- 15 мг/кг,смертельное отравление возникает при приеме более 1,0 г внутрь. Распределение яда неравномерное, максимальные концентрации обнаруживают в почках, костях,кишечнике, селезенке, минимальные — в мозге

Часть таллия аккумулируется в эритроцитах. В крови таллий находится преимущественно в форме свободных ионов таллия (+1), так как не связывается с альбумином и другими белками, проявляет слабую комплексообразовательную способность.

Накопление таллия с возрастом в костях, мозге и других тканях указывает на отсутствие эффективного механизма гомеостатического регулирования этого элемента у млекопитающих.

Таллий нарушает функционирование различных ферментных систем, разобщает окислительное фосфорилирование, нарушает синтез белков, ингибирует щелочную фосфатазу и сукцинат дегидрогеназу.

При избыточном поступлении таллия патологические изменения в скелете напоминают рахит, вызываемый такими элементами, как алюминий и бериллий.

Таллий в значительной мере накапливается в волосяных луковицах и волосяных сосочках. В результате нарушения образования кератина в волосяных луковицах происходит выпадение волос. Поэтому таллий нашел применение в медицине как депилирующее средство. Избыток цистеина в пищевом рационе позволяет частично устранить этот вредный эффект таллия [8].

 

3. Мышьяк

 

Мышьяк относится к микроэлементам, принимающим активное участие в биохимических процессах живого организма. Он оказывает положительное влияние на процессы кроветворения, участвуя в синтезе гемоглобина.

Содержание мышьяка в организме человека зависит от количества его в пищевых продуктах. В большинство пищевых продуктов мышьяк входит в качестве естественной составной части. С дневным рационом в организм человека поступает до 1 мг мышьяка. В норме в сырых овощах и фруктах мышьяк содержится в количестве 0,007 мг/кг, в сухих овощах и фруктах 0,03 мг/кг, в мясе 0,01 мг/кг. Много мышьяка в морских организмах, особенно ракообразных и моллюсках — до 40 мг/кг. Богатейшим источником мышьяка в пищевом рационе является морская и речная рыба (0,13мг/кг). В странах, где рацион питания основан на морской рыбе и морепродуктах,обнаруживают увеличение количества мышьяка в крови и тканях людей. В табаке содержится до 40 мг/кг мышьяка; в зависимости от сорта табака при курении ингалируется до 100 мкг мышьяка в сутки.

В организме содержится около 18 мг мышьяка. Он содержится в основном в белках тканей и участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Основное количество мышьяка содержится в эритроцитах (в 6,4 раз больше, чем в плазме), где он связан с гемоглобином. При этом с глобином он связывается больше, чем с гемом.

Мышьяк накапливается в печени, почках, легких. В волосах и костях он задерживается на годы, что имеет значение для судебной медицины.