Тема 5 Геохимия окружающей среды и здоровье человека

Тема 5. Геохимия окружающей среды и здоровье человека Резкий дефицит или избыток элементов в среде приводит к заболеваниям не только животных и растений, но и человека. Такие болезни А. П. Виноградов назвал биогеохимическим эндемиями, а районы их распространения — биогеохимическими провинциями с патогенными геохимическими аномалиями. На территории нашей страны изучены биогеохимические провинции с дефицитом J в почвах и кормах, дефицитом и избытком F в питьевой воде, избытком В в кормах, избытком и дефицитом Сu, дефицитом Со в почвах и т. д.

5. 1. Распространенность химических элементов в организме человека Из 92 химических элементов, встречающихся в природе, 81 обнаружен в организме человека. Из них 12 элементов называют структурными, так как именно они в основном (на 99%) формируют элементный состав человеческого организма. Это углерод С, кислород О, водород Н, азот N, кальций Са, магний Мg, натрий Na, калий К, сера

Содержание неорганических элементов в организме человека

Химические элементы концентрируются в организме человека неравномерно. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях (Li, Se, Mo, Zn, Ca, Mg, K, Cu и др. ). Это депо (запасники) микроэлементов. В крови накапливаются Fe, Na, Li, Ca, К, в сердце - Ca, К, в лёгких - Li, Na, в поджелудочной железе - Mg, в пищеварительных соках – Na.

Геохимические особенности органов и тканей человека и зольного остатка организма человека, отражают ландшафтно-геохимические и эколого-геохимические особенности регионов их проживания. Специфическими элементами зольного остатка организма человека для жителей некоторых городов России являются: г. Новосибирск - Au, Sn, Sb, Bi, Ti, V; г. Новокузнецк - Na, Al, P, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Ba, Cu, Ga, As, Nb, Y, Zr, Ce, Sm, Br, Se; г. Ростов-на-Дону - Zn, Cd, Pb, La, Yb, Lu, Hf, Та, Th, U.

5. 2. Биологическая роль химических элементов В. И. Вернадский считал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в клетках и тканях организмов, вероятно, играют определённую физиологическую роль. Такие элементы как Н, С, N, О, Р, S, входят в состав органических соединений клетки. Все углеводы и липиды содержат Н, С, О; белки, кроме того, содержат N и S, а нуклеиновые кислоты - N и Р. Многие макроэлементы выполняют роль катализаторов в различных реакциях организма, регулируют осмотические процессы, являются составными частями буферных систем и регуляторами проницаемости биологических мембран.

Значимость химических элементов для жизнедеятельности организмов не определяется величиной их концентрации. Очень часто малораспространенные в живом веществе элементы обладают большей ценностью для организма, чем содержащиеся в нем в значительных количествах. Например, кобальт, содержащийся в количестве 0, 00001 - 0, 000001%, играет не менее важную роль в физиологических процессах, чем стронций, содержание которого в тысячу раз больше.

Классификация химических элементов по их биологической роли в организме человека

Элемент считается жизненно необходимым (эссенциальным), если при его отсутствии или недостаточном поступлении организм перестает расти и развиваться, не может осуществлять свой биологический цикл, в частности неспособен к репродукции. Введение недостающего элемента устраняет признаки его дефицита и возвращает организму жизнеспособность. Группа жизненно важных элементов включает в себя все макроэлементы, а также часть микро- и ультрамикроэлементов (в частности, селен) Это еще раз подтверждает мысль о том, что уровень концентрации того или иного микроэлемента в организме еще не определяет его биологического значения.

Натрий и калий поддерживает нормальную сократимость мышц, тонус сосудистых стенок, процессы возбудимости и расслабления. При малейшем нарушении обмена калия страдает сердечная мышца, что проявляется в слабости, головокружении, сердцебиении, отёках. Хлор участвует в регуляции водного равновесия в организме, в регуляции функции почек. Значение кальция в обмене веществ организма человека трудно переоценить. Он участвует в функционировании сердечно-сосудистой и нервной систем, в процессе свёртываемости крови, в выработке гормонов, ферментов и белков, в сокращении и расслаблении мышц и особенно - в обеспечении прочности костей скелета. Фосфор - элемент энергетики и ума. Входит в состав высокоэнергетических соединений, выполняет функцию топлива, универсального носителя энергии. Магний также очень важен для организма, так как в его присутствии работают почти все ферменты - вещества, с помощью которых проходят процессы обмена веществ.

Роль и функции микроэлементов в различных организмах также весьма разнообразны. Многие микроэлементы (Zn, Сu, Мn и др. ), наряду с магнием, входят в состав ферментов (всего известно около 200 металлоферментов), витаминов (Со — в состав витамина В 12), гормонов (J — в тироксин, Zn и Со — в инсулин), дыхательных пигментов (Fe — в гемоглобин и др. железосодержащие пигменты, Сu — в гемоцианин). Йод необходим для нормальной функции щитовидной железы, фтор способствует укреплению зубов. Действие микроэлементов, входящих в состав биологически активных соединений, проявляется главным образом в их влиянии на обмен веществ. Некоторые микроэлементы влияют на рост (Mn, Zn, J— у животных, В, Mn, Zn, Сu — у растений), размножение (Mn, Zn — у животных, Мn, Сu, Мо — у растений), кроветворение (Fe, Сu, Со), на процессы тканевого дыхания (Сu, Zn), внутриклеточного обмена и т. д. Биологический эффект того или иного микроэлемента часто зависит от присутствия в организме другого элемента (синергизм и антагонизм). Так, Со эффективно действует на кроветворение при наличии в организме достаточных количеств Fe и Сu; Мn повышает усвоение Сu; Сu по некоторым эффектам является антагонистом Mo; F влияет на метаболизм Sr. Типичные антагонисты - Zn и Сd.

Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Суточная потребность человека в макро- и микроэлементах

Сложность проблемы состоит в том, что эссенциальные элементы при определенных условиях могут вызывать токсические реакции, а отдельные токсичные элементы при определенной дозировке и экспозиции могут обнаруживать свойства эссенциальных, то есть оказываются полезными и даже жизненно важными. Это подтверждает справедливость слов Парацельса: «Нет токсичных веществ, есть токсичные дозы» .

5. 3. Токсическое воздействие химических элементов на организм человека Токсичностью называется способность различных химических элементов или их соединений оказывать вредное воздействие на биоту (микроорганизмы, грибы, растения, животных и человека), что ведет к заболеваниям или, в тяжелых случаях, к гибели. Два типа токсичных веществ: - абсолютно токсичные – вещества, токсичные при любых концентрациях (ксенобиотики); - ограниченно токсичные –химические вещества, для которых существует плато приспособляемости.

n

Ксенобиотики - чужеродные для организмов химические вещества, не входящие в естественный биотический круговорот. Попадая в живые организмы, могут вызывать нежелательные эффекты: -токсические или аллергические реакции; -изменения наследственности; -снижение иммунитета; -специфические заболевания; -нарушение обмена веществ; -нарушение естественного хода природных процессов в экосистемах. Тяжелые металлы, фреоны, нефтепродукты, пластмассы, полициклические и ароматические углеводороды и др. .

Опасность для здоровья населения загрязнения атмосферного воздуха обусловлена объективным действием следующих факторов. Во-первых, чрезвычайно широким спектром загрязняющих веществ. Считается, что на человека, проживающего в промышленном районе города, потенциально может воздействовать несколько сотен тысяч химических элементов и их соединений. Реально же, в атмосферном воздухе конкретного района в повышенных по отношению к ПДК количествах присутствует ограниченное число химических веществ. Однако совместное ( комбинированное) их воздействие может приводить к усилению вызываемых ими токсических факторов.

Во-вторых, возможностью массированного воздействия, так как процесс дыхания является беспрерывным и человек за сутки вдыхает до 20 тыс. литров воздуха. При таком объеме дыхания даже небольшие концентрации химических веществ могут привести к значительному поступлению вредных веществ в организм. В-третьих, непосредственным доступом загрязнителей во внутреннюю среду организма. Поверхность легких составляет около 100 м , воздух при дыхании входит почти в непосредственный контакт с кровью, которая ассимилирует почти все, что присутствует в воздухе. Из легких кровь поступает в большой круг кровообращения, минуется печень основной детоксикационный барьер. Установлено, что яд, поступивший в организм ингаляционным путем, действует в 80 -100 раз сильнее, чем при поступлении через желудочно кишечный тракт.

В-четвертых, трудностью защиты от токсиканта. Если человек в той или иной мере может отказаться от употребления в пищу экологически уязвимых продуктов питания, заменив их более качественными, а также недоброкачественной воды, организовав улучшение ее качеств, то не дышать загрязненным воздухом, он не может.

Окись углерода Пыль Фенол Сероводород Двуокись азота Формальдегид Заболевания Болезни системы пищеварени я 0, 76 -0, 9 Болезни органов дыхания 0, 5 Болезни органов слуха 0, 69 -0, 8 Болезни кожи и подкожной клетчатки Болезни верхних дыхательны х путей Ишемическа я болезнь сердца 0, 5 -0, 54 0, 69 -0, 78 0, 5 -0, 9 0, 49 -0, 51 Ревматизм 0, 53 -0, 8 0, 52 0, 67 -0, 7

В последние десятилетия в результате интенсивного антропогенного воздействия химический состав поверхностных и подземных вод существенно изменился. При этом особо острой проблемой стало загрязнение этих вод тяжелыми металлами, что нередко приводит к крайне нежелательным последствиям для человека.

В качестве типичного примера таких последствий следует привести болезнь Минамата. В начале 50 -х годов компания «Чиссо» сбрасывала ртутьсодержащие сточные воды в бухту Минамата (Япония). Жители бухты употребляли в пищу рыбу, содержащую наиболее токсичное соединение ртути - метилртуть, вследствие чего произошла гибель десятков людей, а сотни получили тяжелое поражение нервной системы. Кроме того, на протяжении пяти лет (с 1955 по 1959 годы) каждый третий ребенок в Минамате рождался с психическим расстройством и физическими аномалиями. Негативные последствия этой трагедии продолжались еще многие годы — у детей наблюдалось отставание в физическом развитии.

Опасность загрязнения почвы для здоровья населения зависит в первую очередь от ее функционального использования. Для городских почв эта опасность связана с загрязнением их тяжелыми металлами и, прежде всего, свинцом. При этом одним из определяющих факторов является возможность попадания свинца с частицами почв в организм детского населения. По мнению американских исследователей, защита организма маленького ребенка от избыточного поступления свинца через загрязненные игрушки и руки обеспечивается при его концентрации в городских почвах не более 100 мг/кг. В реальных же условиях содержание свинца в почве часто значительно превышает этот уровень.

Для почв сельскохозяйственного назначения наибольшую опасность представляет переход загрязняющих веществ в выращи ваемые на них сельскохозяйственные культуры. Так, наиболее тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь «Итай-Итай» . Впервые это заболевание было обнаружено в 1946 году у женщин старше 45 лет в японском городе Фуху. Кадмий в организм попадал с рисом, выращенным на полях, орошавшихся водой из реки, в которую кадмий попадал из рудника, расположенного выше по течению. При концентрации кадмия в рисе около 1 мкг/г поступление элемента в организм человека на протяжении многих лет достигало 300 мкг и более. Следствием болезни является поражение почек, деформация скелета с заметным уменьшением роста, болезненные явления в мышцах ног, утиная походка.

Известны также случаи неблагоприятного воздействия ртутьсодержащих пестицидов. В частности, в Иране было описано большое число отравлений и летальных исходов в связи с потреблением загрязненного хлеба, выпеченного из пшеницы и других злаков, обработанных ртутьсодержащими пестицидами. Всего было зарегистрировано более 6000 пострадавших, из которых 495 человек скончались.

Тяжелые металлы обычно воздействуют на организм человека совместно. При этом установлены синергизм и антагонизм такого комплексного воздействия. При синергизме эффект действия многократно усиливается. Так, токсичность иона свинца усугубляется недостатком по кальций — иону, а лития - по натрию. Из-за антагонизма цинка и кадмия введение избыточных количеств первого приводит к уменьшению содержания последнего, отличающегося очень высокой токсичностью. Нужно также иметь в виду, что токсичность тяжелых металлов сильно зависит от форм их нахождения в ландшафте. Наибольшую опасность представляют лабильные формы, характеризующиеся высокой биохимической активностью и способностью накапливаться в живых организмах.

Биоконцентрация (биоаккумуляция) - процесс увеличения концентрации вещества в организмах при переходе от низших трофических уровней данной экосистемы к высшим. Типичный пример: в планктоне содержание диметилртути составляет примерно 0, 01 мкг/г, в мышечной ткани рыб достигает 1, 5, а у птиц-рыболовов – 3 -14 мкг/г.

Допустимое количество тяжелых металлов, которое человек может потреблять с продуктами питания без риска для здоровья, колеблется в зависимости от вида металла: свинец -3 мг, кадмий - 0, 4 -0, 5 мг, ртуть - 0, 3 мг в неделю. Хотя эти уровни условны, тем не менее, они служат основой для контроля содержания тяжелых металлов в пищевых продуктах.

Из всего сказанного в данном разделе следует, что антропогенное загрязнение окружающей среды значительно расширяет и усложняет клинику неинфекционных болезней. В таких условиях экологическая оценка территории и тем более ее районирование возможны лишь на основе комплексного подхода, в котором экологогеохимические и медико-биологические исследования, проводимые совместно, занимают ключевые позиции. Именно они позволяют выявить влияние химического состава различных природных сред на характер возникновения и развития многих неинфекционных заболеваний для решения важнейшей проблемы - охраны окружающей среды, охраны здоровья людей.