Токсическое и канцерогенное действие тяжелых металлов на организм человека

Исследования показали, что в организме человека металлы составляют около 3% по массе, т.е. при массе человека 60…70 кг это – 1,8…2кг. Большую часть составляют: кальций (1700г), калий (250г), натрий (70г), магний (42г), железо (5г), цинк (3г). Остальное приходится на микроэлементы. Если концентрация элемента в организме превышает 10^-2%, то его считают макроэлементом. Микроэлементы находятся в организме в концентрациях 10^-5…10^-3%. Если концентрация элемента ниже 10^-5%, то его считают ультрамикроэлементом.

Представление об обязательной токсичности всех ТМ в допустимых концентрациях не соответствует действительности, поскольку доказано, что токсические металлы в низких дозах не оказывают вредного действия. В то же время все микроэлементы, даже жизненно необходимые, в избыточных дозах токсичны. Такие металлы, как Hg, Cd, Pb, As, Ве, сильно токсичны при самых низких концентрациях и не выполняют какой-либо полезной функции.

По токсичности тяжелые металлы делятся на три класса:

I – наиболее токсичные (Cd, Hg, Ni, Pb, Co, Ве, As);

II – умеренно токсичные (Cu, Zn, Mn, Cr, Mo, Sb);

III – малотоксичные (Ba, V, Sr и другие).

К химическим канцерогенам относят хром, мышьяк, никель, кадмий бериллий; потенциальными канцерогенами являются кобальт, ртуть, свинец и некоторые другие металлы. Понятие «канцерогенность металла» относится не к элементу как таковому в виде простого вещества, а к его определенному физико-химическому состоянию.

Канцерогенез – это способность вещества (металла) проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, вызывая хромосомные нарушения клетки. Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ в клетку, так и от их количества в клетке.

Канцерогенные вещества можно разделить на три категории: металлсодержащие частички, водорастворимые соединения металлов, жирорастворимые соединения. Наибольшей проникающей способностью обладают водорастворимые соединения.

В наибольшей степени на механизм канцерогенеза влияют: рН среды, температура, наличие в клетке аминокислот. В кислой области рН наблюдается наибольшая растворимость канцерогенов в клетке. Если в клетках находятся аминокислоты, которые хорошо связывают металлы (например, цистеин, гистидин), то существенно снижается способность канцерогенов (в частности, никеля) проникать в такие клетки. Повышение температуры ускоряет процесс канцерогенеза.

Особенности воздействия ТМ на организм приведены ниже.

Железо – жизненно важный биомикроэлемент. Участвует в образовании гемоглобина и некоторых ферментов. Суточная потребность в железе для взрослого человека составляет 14…20 мг. Неорганические соединения железа могут проявлять токсичность в зависимости от дозы, растворимости, способности к комплексообразованию при конкретных условиях. Много железа содержится в белом хлебе, печени, почках и бобовых. Летальная доза – 7…35 г/сутки.

Медь – жизненно необходимый биомикроэлемент. Оказывает разностороннее влияние на организм человека, так как связан с гормонами, витаминами и ферментами. Медь имеет большое значение для процессов роста и развития организма. Недостаток меди в организме ведет к серьезным нарушениям обмена веществ. Суточная потребность взрослого человека составляет 35…40 мкг/кг массы тела, детей – 80 мкг/кг. Обычно в пищевых продуктах растительного происхождения содержание меди составляет 1…10 мг/кг. Пищевое оборудование, изготовленное из меди, является основным источником загрязнения пищевых продуктов и готовых блюд. Концентрация меди 5…15 мг/кг может придать металлический прикус питьевой воде, напиткам и готовым блюдам. Она окисляет аскорбиновую кислоту, снижая ее содержание в овощах, фруктах и соках.

Токсикологическое значение соединений меди невелико. Отравления медью нередко являются комбинированными (в большинстве случаев при сочетании меди с цинком или меди со свинцом). Обычно ион двухвалентной меди может связываться с SH-содержащими соединениями и обратимо реагировать с образованием одновалентной меди и дисульфида. Вызывает нарушение функции печени и почек, расстройство нервной системы, боли в мышцах, мутагенное действие. Летальная доза – 10 г/кг.

Кобальт – жизненно необходимый биомикроэлемент. Известно его благотворное влияние на кроветворение, активность витаминов, гормонов, белковый, жировой, углеводный и минеральный обмен, а также на функцию размножения и роста. Кобальт в организме не накапливается в больших количествах, и поэтому необходимо, чтобы он регулярно поступал с пищей. Содержание кобальта в пищевых продуктах растительного происхождения варьирует в пределах 8…100 мг/кг сухой массы, при этом наиболее высокие значения характерны для капусты (100…160 мг/кг), томатов (60…200 мг/кг), а наиболее низкие – для яблок (8…16 мг/кг) и апельсинов (19…45 мг/кг). Этот микроэлемент занимает особое место в комплексе средств для профилактики рака желудка. Во-первых, он является составной частью (до 4%) витамина В₁₂ и имеет непосредственное отношение к лечению такого предракового заболевания, как пернициозная анемия. Суточная доза витамина В₁₂ для человека равна 0,001 мг. Во-вторых, при добавлении в пищу оказывает заметное положительное влияние на секреторную деятельность желудка. В-третьих, он замедляет рост опухолей: у больных раком отмечается существенное снижение содержания кобальта и витамина В₁₂ в сыворотке крови.

В токсичных дозах кобальт вызывает полицитемию. Его избыток ингибирует абсорбцию железа, блокируя его транспортные системы. Ионы двухвалентного кобальта подавляют потребление кислорода в митохондриях клеток сердца. Соли двухвалентного кобальта ингибируют окислительные ферменты. Токсичность кобальта связывают с инактивацией тиоловых групп (например, липоевой кислоты) в тканях. Оказывает общетоксическое, аллергическое и мутагенное действие. Летальная доза – более 0,5 г/сутки.

Марганец является биологически необходимым микроэлементом и тесно связан с ферментами, витаминами и гормонами. Он играет важную роль в процессах образования соединительной ткани и костей, роста организма, в липидном и углеводном обмене и необходим для реализации репродуктивной функции организма. Основные пути поступления марганца в организм – респираторный и желудочно-кишечный тракт. Степень абсорбции марганца, поступившего ингаляционным путем, неизвестна, но в желудочно-кишечном тракте всасывается не более 5%. Марганец быстро обновляется в организме, период его полувыведения из организма составляет 22,5 суток. Во многих биологических системах он действует как окислитель. В малых дозах соли марганца повышают окислительные процессы, в больших – оказывают обратный эффект.

Загрязнение атмосферного воздуха марганцем вызывает аллергические реакции и респираторные заболевания, в том числе пневмонию.

Никель – в небольших количествах для организма человека необходим. В пищевых продуктах обычно средняя концентрация никеля не превышает 0,5 мг/кг, хотя в отдельных случаях он содержится и в больших количествах: в маргарине – 1 мг/кг, в орехах – 5,1 мг/кг, какао – 0,98 мг/кг, чае – 8 мг/кг. Попавший внутрь с пищевыми продуктами и питьевой водой никель всасывается в количестве 3…10%.

Вследствие переменной степени окисления этого химического элемента соли двухвалентного никеля являются ингибиторами окислительных ферментов. Изменяя химические свойства РНК и нуклеопротеинов при комплексообразовании, никель может оказывать канцерогенное действие. Вызывает рак носоглотки, бронхов, дерматит, нарушение кроветворения, эмбриотоксикоз; проявляет мутагенное и тератогенное действие.

Свинец – его присутствие обнаружено в любом виде пищевых продуктов, выпускаемых в различных странах. Картофель, капуста, огурцы, томаты, морковь и лук, выращенные на почвах с содержанием свинца 220…480 мг/кг, содержат его в 2…5 раз больше, чем овощи, выросшие в тех же климатических условиях, но на грунте с меньшим содержанием (18 мг/кг) указанного токсиканта. В организм человека (массой 70кг) с пищевыми продуктами в сутки поступает в среднем 0,2…0,3 мг, а с водой – около 0,02 мг свинца. В качестве максимально допустимого количества свинца для взрослого человека установлена доза, равная 3 мг в неделю.

В теле человека содержится 0,7…70 мг свинца, что примерно в 10000 раз меньше, чем железа и марганца и во столько же раз больше, чем сурьмы и висмута. В организме свинец преимущественно обнаруживается в скелете (90%), головном мозге, печени, почках, поджелудочной железе, надпочечниках, половых железах, крови. Следует отметить, что содержание свинца в костных останках современных жителей в 500 раз больше, чем у людей, живших 1800 лет назад.

Ионы двухвалентного свинца образуют прочные связи с сульфгидрольными группами органических веществ. Эта реакция вызывает блокирование SH-содержащих ферментов. Свинец образует также стабильные комплексы с карбоксильными и фосфатными группами биополимеров. Указанные процессы обусловливают токсическое влияние соединений свинца: поражение печени, почек, сосудов, половых органов, центральной и периферической нервной системы, церебральный паралич, выкидыши, мертворождения, анемии, параличи, атрофию зрительного нерва, тератогенный эффект. Летальная доза – 10 г/сутки.

Олово. Свыше 50% добываемого количества его во всем мире идет на производство оловянных покрытий и пайку. В соответствии с временными гигиеническими нормативами допускается содержание олова во фруктах, соках и безалкогольных напитках 100 мг/кг, а в овощных консервах около 200 мг/кг. Повышенная концентрация олова в пищевых продуктах может привести к острому отравлению. Реакция людей на определенное количество поглощенного олова может быть различной. Катионы олова взаимодействуют с донорными группами белков. Ион двухвалентного олова, как мягкая кислота Льюиса, прочно связывается с мягким основанием – SH-группой. Оказывает общетоксическое действие. Летальная доза – 2 г/сутки.

Кадмий – растворяется в органических кислотах и легко переходит в пищевые продукты. Из всех тяжелых металлов, загрязняющих пищевые продукты и напитки, кадмий относится к наиболее опасным не только

из-за высокой токсичности, но и в связи с его широким распространением и применением. К биомикроэлементам кадмий не относится. При поступлении с пищевыми продуктами организмом усваивается 6…8% кадмия. У детей и подростков процесс всасывания кадмия происходит в

5 раз интенсивнее, чем у взрослых. Период полувыведения последнего из организма достигает 15…47 лет. В пищевых продуктах кадмий содержится, мкг/кг: в зерновых – 28…35; в хлебе – 2…4; картофеле – 12…50; капусте – 2…26; томатах – 10…30; салате – 17…23; сахаре – 5…31; фруктах – 9…42, растительном масле – 10…50. Значительное количество кадмия содержат грибы – 0,1…5,0мг/кг, а также устрицы, омары, крабы – 3…16мг/кг. С пищевым рационом взрослый человек получает 15…30мкг кадмия в сутки.

Токсическое действие кадмия, поступающего в организм с пищевым рационом и питьевой водой, связано с его кумулятивным действием и физиологическим антагонизмом к цинку. Вызывает повышение кровяного давления, анемию, болезни почек и легких, рак поджелудочной и предстательной железы, цирроз печени, распад костной ткани. Проявляет мутагенное, гонадотропное, эмбриотропное и тератогенное действие. Летальной дозой для человека могут оказаться 30…40 мг кадмия. Поэтому даже потребление напитков из пластмассовой тары, материал которой содержит кадмий, является чрезвычайно опасным. При отравлении кадмием большие дозы витамина D действуют как противоядие.

Цинк, является незаменимым биомикроэлементом и принимает активное участие в обменных процессах как составная часть 80-ти ферментов. Суточная потребность в цинке взрослого человека составляет 15 мг. В пищевых продуктах содержание цинка составляет, мг/кг: фрукты, овощи – 5; картофель, морковь – 10; яйца – 15…20; зерно и орехи – 25…30, мука – 5…8. Больше всего цинка содержится в печени и бобовых культурах. В вареных овощах количество цинка снижается на 30…70%. В биологической среде ион цинка легко образует комплексы с аминокислотами, пептидами и белками, а также с нуклеотидами, и его обнаруживают в РНК. Входит в состав гормона инсулина, принимающего участие в углеводном обмене, а также в ряде многих важных ферментов. Недостаток цинка у детей задерживает рост и половое развитие. При избытке может вызывать малокровие, опухоли, интоксикацию, отек легких, поражения кожи (новообразования). Летальная доза – 6 г/сутки.

Ртуть не входит в число биомикроэлементов. Уровень ртути в суточном рационе человека не превышает 25 мкг. Период полувыведения соединений ртути из организма составляет: неорганических – 40, органических – 76 суток. Поступление ртути в организм взрослого человека не должно превышать 0,3мг в неделю. Наибольшее количество ртути содержится: в какао-порошке и шоколаде – 0,1мг/кг, в чае –

0,1мг/кг, в яичном порошке – 0,1мг/кг, в рыбе – 0,1…0,2мг/кг.

Ртуть в целом отрицательно влияет на организм. Блокируя SH-группы белков, ртуть нарушает биологические свойства тканевых белков и инактивирует ряд гидролитических и окислительных ферментов. Ртуть, проникнув в клетку, может включиться в структуру ДНК, что отражается на потомстве. Мозг проявляет особое сродство к ртути и может аккумулировать её в 6 раз больше, чем другие органы. Весьма характерно отложение ртути в волосах, что является одним из первых признаков отравления. Ее неорганические соединения, растворимые в воде, нарушают обмен аспарагиновой кислоты, пиридоксина, кальция, меди, цинка, селена; органические – ряда белков, цистеина, аскорбиновой кислоты, токоферола, железа, меди, марганца. С точки зрения токсикологии, наиболее важным из металлоорганических соединений является подкласс алкилртутных препаратов с короткой цепью: метил-, этил-, пропилртуть. Метилртуть обладает способностью проникать через клеточные мембраны.

Ртуть вызывает интоксикацию, болезнь Минамата, параличи, поражение центральной нервной системы и периферических нервов, стоматиты, нарушение репродуктивных функций, поражение почек и печени, некоторые онкологические заболевания.

Хромприсутствует в биологических объектах преимущественно в трехвалентной форме, поэтому некоторые исследователи относят его к биомикроэлементам, поскольку он является кофактором инсулина и необходим для оптимального использования организмом глюкозы. В растениях и пищевых продуктах содержание хрома может колебаться, мкг/кг: во фруктах – 0…200; овощах – 0…360; злаках – 10…520. Причиной повышенного содержания хрома (особенно его наиболее токсичных форм с высшей степенью окисления элемента, Cr⁺⁶) могут быть материалы пищевого оборудования и консервных банок.

Как микроэлемент, хром необходим для нормального жирного и углеводного обмена. При его недостатке развивается диабет и заболевания сердечнососудистой системы. Кроме того, скорость вымывания холестерина из отложений в аорте прямо зависит от содержания хрома в организме. Его дефицит отмечается в основном у лиц пожилого возраста. Снижение содержания хрома в организме провоцируют различные стрессы и физические травмы. Обычно стрессы вызывают изменения в метаболизме глюкозы, что приводит к снижению реабсорбции хрома почками и быстрому выведению его из организма с мочой. Вымыванию хрома из организма способствуют также и тяжелые физические нагрузки. Материнство (особенно на первых его этапах) сопряжено с частичной потерей хрома женским организмом и для полного восстановления его прежнего уровня может потребоваться более чем три года.

Для организма человека ядовитыми являются соединения шестивалентного хрома. Менее токсичны соединения трехвалентного хрома. Воздействие соединений шестивалентного хрома на организм человека носит разносторонний характер.

Канцерогенные свойства шестивалентного хрома объясняют следующим образом. С помощью сульфатной транспортной системы этот элемент в виде хромат-аниона проникает через клеточную мембрану, тогда как ион трехвалентного хрома через нее не проходит. Клеточная метаболическая система восстанавливает хромат до трехвалентного хрома, который в отличие от оксоаниона шестивалентного хрома образует прочные комплексы внутри клетки с нуклеиновыми кислотами, протеинами и нуклеозидами, вызывая повреждение ДНК.

Соединения шестивалентного хрома оказывают тератогенное и канцерогенное действие (рак бронхов), вызывают аллергическую экзему, патологические изменения в почках, дерматиты, бронхиальную астму.

Исходное сырье для пищевой продукции должно соответствовать требованиям нормативно-технической документации и перед поступлением в пищевое производство проверяется на соответствующие компоненты в химической лаборатории. Установленное в результате анализа содержание солей тяжелых металлов (железа, кадмия, кобальта, меди, никеля, олова, свинца, ртути, цинка, хрома) в поступающей партии сырья служит основанием для оценки его качества.

Исследования продуктов питания на содержание металлов, остатков пестицидов и других веществ осуществляют стандартными методами. Для выяснения степени потребления вредных веществ населением исследуются все продукты питания, но главным образом проводится анализ средней рыночной корзины питания, а также готовые блюда в ресторанах, кафе, столовых. Такого рода анализы позволяют, однако, определить потребление вредных веществ населением лишь в общих чертах, так как до настоящего времени проблема отбора репрезентативных проб не решена.