Химические элементы в окружающей среде и в организме человека

 

ZnO(т) + 2H+ = Zn2+(p) + Н2О

 

При работе двигателя внутреннего  сгорания выделяются оксиды азота, продуктом  превращения которых является озон:

 

 

N2 + О2 « 2NO (в цилиндре  двигателя)

 

Большую озабоченность общества вызывают экологические проблемы, химическая суть которых состоит в охране биосферы от избытка оксидов углерода и метана, создающих «парниковый  эффект», оксидов серы и азота, приводящих к «кислотным дождям»; галогенпроизводных (хлор, фтор) углеводородов, нарушающих «озоновый щит Земли»; канцерогенных  веществ (полиароматических углеводородов  и продуктов их неполного сгорания) и других продуктов. В наши дни  становится актуальной не только проблема охраны окружающей среды, но и охрана внутренней среды. Растет число веществ, поступающих в живой организм, которые являются чужеродными, чуждыми  жизни и называемых ксенобиотиками. По данным всемирной организации  здравоохранении их насчитывается  около 4 млн. Они попадают в организм с пищей, водой и воздухом, а  также в виде лекарств (лекарственных  форм).

 

Это связано с низкой культурой  производителей и потребителей химических препаратов, которые не обладают профессиональными  химическими знаниями. Действительно, лишь незнание свойств веществ, неспособность  предвидеть последствия их чрезмерного  применения может служить причиной невосполнимых потерь природы, составным  элементом которой является человек. Ведь до сих пор некоторые производители, да и медицинские работники, уподобляются булгаковскому мельнику, который  хотел сразу вылечиться от малярии  неимоверной (ударной) дозой хинина, но не успел – умер. Роль различных  химических элементов в загрязнении  окружающей среды и возникновении  заболеваний, в том числе и  профессиональных, до сих пор недостаточно изучена. Необходимо проанализировать поступление в окружающую среду  различных веществ в результате деятельности человека, пути попадания  их в организм человека, растения, взаимодействие их с живыми организмами на разных уровнях и разработать систему  эф­фективных мероприятий, направленных как на предотвращение дальнейшего  загрязнения окружающей среды, так  и создание необходимых биологических  средств защиты внутренней среды  организма. Медицинские работники  обязаны принимать участие в  разработке и внедрении технических, профилактических, санитарно-гигиенических и лечебно-оздоровительных мероприятий.

 

3.2 Биохимические провинции.  Эндемические заболевания.

 

Зоны, в пределах которых  животные и растения характеризуются  определенным химическим элементным составом, называют биогеохимическими провинциями. Биогеохимические провинции - это таксоны  биосферы третьего порядка - территории различных размеров в составе  субрегионов биосферы с постоянными  характерными реакциями организмов (например эндемические заболевания). Различают - два рода биогеохимических провинций - естественные и техногенные, возникающие в результате |разработки рудных месторождений, выбросов металлургической и химической промышленности, применения удобрений в сельском хозяйстве. Нужно обращать внимание на роль микроорганизмов  в создании геохимических особенностей окружающей среды. Дефицит и избыток  элементов может приводить к  формированию биогеохимических провинций, обусловленных как недостатком  элементов (йодные, фторные, кальциевые, медные и др. провинции) так и их избытком (борные, молибденовые, фторные, медные и пр.). Интересна и важна  проблема дефицита брома внутри континентальных  областей, горных районов и избытка  брома в прибрежных и вулканических  ландшафтах. В этих регионах и эволюция центральной нервной системы  протекала качественно по разному. На Южном Урале открыта биогеохимическая провинция на породах обогащенных  никелем. Для нее характерны уродливые  формы трав, болезни овец, связанные  с повышенным содержанием никеля в среде.

 

Соотношение биогеохимических провинций с их экологическим  состоянием позволило выделить следующие  территории: а) с относительно удовлетворительной экологической обстановкой - (зона относительного благополучия); б) с обратимыми, ограниченными, и в большинстве случаев устранимыми  экологическими нарушениями - (зона экологического риска); в) с достаточно высокой степенью неблагополучия наблюдаемого в течении  длительного периода на значительной территории, устранение которого требует  значительных затрат и времени - (зона экологического кризиса); г) с очень  высокой степенью экологического неблагополучия, практически необратимыми экологическими нарушениями, имеющими четкую локализацию  –( зона экологического бедствия).

 

По фактору воздействия, его уровня, длительности действия и площади распространения выделены как зоны риска и кризиса следующие  природно-техногенные биогеохимические провинции:

 

1. полиметаллические (РЬ, Cd, Hjg, Сu, Zn) с доминирующими ассоциациями  Сu–Zn, Сu–Ni, Рb–Zn, в том числе:

 

·          обогащенные медью (Южный Урал, Башкортостан, Норильск, Медногорск);

 

·          обогащенные никелем (Норильск, Мончегорск, Никель, Полярный, Тува, Южный Урал) ;

 

·          обогащенные свинцом (Алтай, Кавказ, Забайкалье) ;

 

·          обогащенные фтором (Кировск. Красноярск, Братск);

 

·          с повышенным содержанием урана  и радионуклидов в среде (Забайкалье, Алтай, Южный Урал).

 

2. биогеохимические провинции  с недостатками микроэлементов (Se, I, Cu, Zn и др.).

 

3. 2. 1. Эндемические заболевания

 

Наряду с заболеваниями, обусловленными антропогенными факторами  загрязнения ок­ружающей среды, существуют заболевания связанные  с особенностями биогеохимических провинций.

 

Заболевания и синдромы, в  этиологии которых главную роль играет недостаток биогенных (эссенциальных) элементов или избыток как  биогенных, так и токсических  микроэлементов, а также их дисбаланс, в том числе аномальные соотношения  микро- и макроэлементов. Предложена рабочая классификация микроэлементозов человека (таблица 9).

 

Таблица 9. Микроэлементозы  человека

Основные группы 

Основные формы заболеваний 

Краткая характеристика

 

1. Природные, эндогенные 

Врожденные, наследственные 

В основе заболевания микроэлементоз матери. Недостаток, избыток, дисбаланс  МЭ вызван патологией хромосом или  генов.

 

2. Природные, экзогенные 

Вызванные

 

а) МЭ – дефицитом

 

б) МЭ – избытком

 

в) МЭ - дисбалансом  

Природные, не связанные с  деятельностью человека и приуроченные к определенным географическим локусам. Эндемические заболевания людей, сопровождающиеся теми или иными признаками у животных и растений.

 

3. Техногенные 

Промышленные (профессиональные) 

Заболевания связанные с  производственной деятельностью человека; болезни и синдромы, вызванные  избытком микроэлементов в зоне производства

 

Соседские 

По соседству с производством  за счет воздушного или водного переноса МЭ

 

4. Ятрогенные 

Вызванные

 

а) МЭ – дефицитные

 

б) МЭ – избытком

 

в) МЭ - дисбалансом 

Быстро увеличивающееся  число заболеваний связанных  с интенсивным лечением разных болезней препаратами, содержащими микроэлементы, а также с поддерживающей терапией не обеспечивающей организм необходимым  уровнем МЭ.

 

 

Установлено, что в некоторых  биогеохимических провинциях бывает избыток  или недостаток определенных микроэлементов, не обеспечивается сбалансированное ми­неральное питание организма, что приводит к возникновению заболеваний  на данной территории. Заболевания, вызываемые избытком пли недостатком элементов  в определенной зоне, называют эндемическими  заболеваниями. Они носят характер эндемий. Симптомы заболеваний, вызванных  недостатком химических элементов  в организме  -  гипомикроэлементозов, представлены в таблице 10.

 

Таблица 10. Характерные симптомы дефицита химических элементов в  организме человека.

Элемент 

Типичный симптом при  дефиците

 

Co 

Замедление роста скелета

 

Mg 

Мышечные судороги

 

Fe 

Анемия, нарушение иммунной системы.

 

Zn 

Повреждение кожи, замедление росга, замедление сексуального созревания

 

Cu 

Слабость артерий, нарушение  деятельности печени, вторичная анемия

 

Mn 

Бесплодность, ухудшение  роста скелета

 

Mo 

Замедление клеточного роста, склонность к кариесу.

 

Co 

Злокачественная анемия

 

Ni 

Учащение депресия, дерматиты

 

Cr 

Симптомы диабета

 

Si 

Нарушение роста скелета

 

F 

Кариес зубов

 

I 

Нарушение работы щитовидной железы.

 

Se 

Мускульная (в частности  сердечная) слабость

 

 

Как следует из таблицы, при  недостатке железа в организме развивается  анемия, так как оно входит в  состав гемоглобина крови. Суточное поступление в организм этого  элемента должно быть 12 мг. Однако, избыток  железа вызывает сидероз глаз и легких, что связано с отложением соединений железа в тканях этих органов на Урале в горных районах Сатки. В Армении в почвах повышенное содержание молибдена, поэтому 37% населения  страдает подагрой. Недостаток в организме  меди приводит к деструкции кровеносных  сосудов, патологическому росту  костей, дефектам в соединительной ткани. Кроме того, дефицит меди способствует раковым заболеваниям у людей  пожилого возраста. Избыток меди в  организме (гипермикроэлементоз) приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Дефицит меди вызывает заболевание  мозга у детей (синдром Мениеса), так как в мозге не хватает  цитохромоксидазы. На Урале дефицит  в пище йода – от недостатка йода развивается «базедова болезнь». В Забайкалье, Китае, Корее население  поражается деформирующими артрозами (уровская болезнь). Особенность болезни  – размягчение и искривление  костей. Почвы этих территорий имеют  повышенное содержание Sr, Ва, и пониженное - концентрации Со, Са, Сu. Установлено  существование корреляции между  пониженным содержанием Са и повышенным содержанием Sr, аналога кальция, который  более химически активный. Поэтому  нарушается Са- Sr обмен в костной  ткани при уровской болезни. Происходит внутреннее перераспределение элементов, кальций вытесняется стронцием. В результате развивается стронциевый  рахит. Замена одних элементов другими  обусловлено близостью их физико-химических характеристик (радиус иона, энергия  ионизации, координационное число), разностью их концентраций и химической активности. Натрий замещается литием, калий-рубидием, барием, молибден-ванадием. Барий имея одинаковый радиус с калием, конкурирует в биохимических  процессах. В результате такой взаимозамещаемости развивается гипокалиемия. Ионы бария, проникая в костные ткани, вызывают эндемическое заболевание – Па-пинг.

 

3. 3. Возможные случаи нарушения  металлолигандного гомеостаза организма

 

Для организма характерно поддержание на постоянном уровне концентрации ионов ме­таллов и лигандов, то есть поддержание металлолигандного  равновесия (металло-лигандного гомеостаза). Нарушение его возможно по ряду причин.

 

Первая причина. В организм поступают ионы токсиканта (Мт) из окружающей среды (Be, Не, Сd, Те, Рb, Sr и другие). Они  образуют более прочные комплексные  соединения с биолигандами, чем биометаллы. В результате более высокой химической активности и меньшей растворимости  образующихся соединений, в узлах  кристаллической решетки наряду с гидроксидфосфатом кальция  Са5(РО4)3ОН и взамен его могут осаждаться соединения и других металлов, близких  по свойствам к кальцию (изоморфизм): бериллия, кадмия, бария, стронция. В  этом конкурирующем комплексообразовании за фосфат ион они выигрывают у  кальция, Присутствие даже небольших  концентраций данных элементов в  окружающей среде вызывает патологические изменения в организме. Предельно  допустимая концентрация соединений кадмия в питьевой воде, равна 0, 01 мг/л, бериллия - 0,0002 мг/л, ртути 0,005 мг/л, свинца – 0,1 мг/л. Ионы бериллия нарушают процесс включения  кальция в костную ткань, вызывая  её размягчение, что приводит к бериллозу (бериллиевому рахиту). Замещение ионов  кальция стронцием приводит к  образованию менее растворимого соединения Sr5(РO4)3ОН. Особенно опасно замещение ионов кальция ионами радионуклида стронция – 90. Радионуклид включаясь в костную ткань, становится внутренним источником облучения, что приводит к развитию лейкемии, саркомы.

 

Ионы Нg, Pb, Fe являются мягкими  кислотами и с ионами серы образуют более прочные соединения, чем  ионы биометаллов, представляющие собой  жесткие кислоты. Таким образом  возникает конкуренция за лиганд – S – Н между токсикантом и  микроэлементом. Первый выигрывает конкуренцию, блокирует активные центры ферментов  и исключает их из управления метаболизмом. Металлы Hg, Pb, Bi, Fe и As называют тиоловыми  ядами. Соединения мышьяка (V), и особенно, мышьяка (III) очень токсичны. Химизм токсичности можно объяснить  способностью мышьяка блокировать  сульфгидрильные группы фермен­тов и других биологически активных соединений.

 

 

Вторая причина. В организм поступает микроэлемент, необходимый  для жизне­деятельности организма, но в значительно больших концентрациях, что может быть связанно с особенностями  биогеохимических провинций, либо в  результате неразумной деятельности человека. Например, для борьбы с вредителями  винограда используются препараты, действующим началом которых  являются ионы меди. В результате в  почве, воде и винограде повышенное содержание ионов меди. Повышенное содержание меди в организме приводит к поражению ряда органов (воспаление почек, печени, инфаркт миокарда, ревматизм, бронхиальную астму). Заболевания, вызванные  повышенным содержанием меди в организме, называют гиперкупремиями. Имеет место  и профессиональный гиперкупреоз. Избыточное содержание железа в организме приводит к развитию сидероза.

 

Третья причина. Нарушение  баланса микроэлементов, возможно в  результате не поступления или недостаточного поступления, что также может  быть связано и с особенностями  биогеохимических провинций, либо с  производством. Например, почти две  трети территории нашей страны характеризуются  недостатком йода, в частности, в  гори­стых местностях, по долинам  рек это вызывает эндемическое увеличение щитовидной же­лезы и зоба у людей  и животных. Профилактическое йодирование  способствует предотвращению эндемий  и эпизоотии. Недостаток фтора приводит к флюорозу. В местах добычи нефти  наблюдаются дефицит иона кобальта.

 

Четвертая причина. Повышение  концентрации токсичных комплексообразуюших  групп, содержащих азот, фосфор, кислород и серу, способных образовывать прочные  связи с ионами биометаллов (СО, CN-, –SH). В системе несколько лигандов и один ион металла способный  образовывать комплексное соединение с данными лигандами. При этим наблюдаются конкурирующие процессы – конкуренция между лигандами  за ион металла. Преобладающим будет  процесс образования наиболее прочного комплекса.

 

MбLб + Lт « MбLт + Lб 

 

Комплекс образует лиганд, обладающий большей комплексообразующей  способностью. Кроме того имеется  возможность образования разнолигандного  комплекса например, ион железа (II) гемоглобином – Fe (ННbН2О) образует с  монооксидом углерода – СО разнолигандный комплекс, который в триста раз  прочнее, чем комплекс  с кислородом, т.е.

 

KyFe(НHbH2O) < KyFe(ННbО2) < KyFe(НHbCO)

 

Токсичность монооксида углерода объясняется с точки зрения конкурирующего комплексообразования, возможности  смещения лиганднообменного равновесия.

 

Пятая причина. Изменения  степени окислении центрального атома микроэлемента или изменения  конформационной структуры биокомплекса, изменения его способности к  образованию водородных связей. Например, токсичное действие нитратов и нитритов проявляется и в том, что под  их воздействием гемоглобин превращается в метгемоглобин, который не способен транспортировать кислород. Попадая  в кровь они приводят к гипоксии организма.

 

3. 4. Механизм защиты внутренней  среды организма от ксенобиотиков

 

Природа проявила большую  заботу о поддержании металлолигандного  гомеостаза ор­ганизма, о сохранении чистоты внутренней среды организма. Обеспечить удаление отхо­дов, порой  даже важнее, чем накормить клетку. Питательные вещества доставляет одна система – кровеносная, а отходы удаляют две: кровеносная и лимфатическая. Мелкий «мусор» как бы уходит прямо  в кровь, а крупный – в лимфу. В лимфатических узлах лим­фа очищается от токсических отходов.