Фев 19 2002

Токсикология тяжёлых металлов –

Токсикология тяжёлых металлов –

облигатных контаминантов природных вод

Е.Г. Пыхтеева, Д.В. Большой, Н.Г. Селиваненко, Л.М. Шафран

Украинский научно-исследовательский институт

медицины транспорта, г. Одесса

В 1974 г. на основании рассмотрения глобальных и региональных экологических проблем были определены 8 классов приоритетных загрязнителей природных сред, наиболее влияющих на изменение экологической обстановки. При выработке системы приоритетов учитывались: фактический и потенциально возможный эффекты негативного воздействия на человека, экосистемы и климат, способность накопления в пищевых цепочках, биохимические свойства загрязнителей и продуктов их химической трансформации, подвижность в окружающей среде, частота и степень воздействия, а также ряд других факторов. Из тяжёлых металлов в список приоритетных загрязнителей вошли два – свинец и ртуть [1,2]. Кадмий, относящийся к числу тяжёлых металлов первого класса опасности, не был упомянут в этом списке.

Однако чрезвычайная токсичность кадмия для всех типов живых организмов хорошо известна как из литературных данных [3], так и из наших собственных исследований [4,5].

В общественном сознании опасность этих металлов неравноценна, ртуть считается более ядовитой, кумулятивной и распространённой. Значения ПДК в различных средах и продуктах питания для ртути значительно (порой на порядок, а то и на два) ниже, чем для кадмия (табл. 1). Тот же характер отношения к токсичности Cd и Hg наблюдается и в других областях.

В течение многих лет лаборатория токсикологии УкрНИИ медицины транспорта занимается проблемами токсикологии тяжёлых металлов, в том числе кадмия и ртути, поэтому негативное воздействие ионов этих металлов на органы-мишени лабораторных животных нами изучено на практике. Мы считаем, что токсичность этих двух элементов сравнима, более того – близка.

Таблица 1. Значения ПДК для ртути и кадмия в различных средах и продуктах питания*

ПДК

Кадмий

Ртуть

Вода питьевая (СанПиН 2.1.4.559.-96)

1,0 мкг/л

0,5 мкг/л

Вода водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового

водопользования

1,0 мкг/л

0,5 мкг/л

Рыбохозяйственные водоёмы

5,0 мкг/л (10 мкг/л для морских водоёмов)

0,01 мкг/л (0,1 мкг/л для морских водоёмов)

Почва

1,0-10,0 мг/кг (ОДК — в завис. От вида почв)

2,0 мг/кг

Продукты питания

Кондитерские изделия

0,1

0,02

Сахар

0,05

0,01

Хлеб

0,05

0,01

Масло сливочное

0,03

0,03

Масло растительное

0,05

0,03

Сыр, творог

0,2

0,02

Специи

0,2

0,02

Чай

1,0

0,1

Рыба

0,2

0,3–0,6

Детское питание (молочное)

0,02

0,005

* По данным 6, 7.

Ртуть и кадмий совместно с цинком составляют отдельную подгруппу в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, каждый член которой весьма токсичен. В связи со сходством электронного строения, кадмий и ртуть, похоже, действуют на многие биохимические системы организма. Например, ртуть и кадмий потенцируют выход кальция из нефроцитов и гепатоцитов, что ведёт к падению мембранного потенциала [8]. Кадмий и ртуть обладают высокой нефротоксичностью, что связано с их способностью депонироваться в паренхиматозных органах, особенно в корковом веществе почки [9, 10], и медленным выведением из организма. По данным Malis и Bonventre [8], под действием ртути усиливается перекисное окисление липидов в эритроцитах человека, что выражается в повышении уровня малонового диальдегида и снижении фракции восстановленного глутатиона крови. Аналогичные результаты были получены в нашей лаборатории для солей кадмия [4].

В проведенных исследованиях по изучению действия солей кадмия на свободнорадикальные процессы у крыс было установлено, что изменение соотношения между системами, генерирующими активные формы кислорода (АФК), и активностью ферментов антиоксидантной защиты является наиболее существенным фактором, ответственным за инициацию процессов перикисного окисления липидов (ПОЛ) и степень повреждения различных органов. Так, при действии кадмия (0,375-7,5 мг/кг) в печени и почках крыс снижается интенсивность образования АФК в ферментативной (НАДФН-оксидаза) и меньшей степени неферментативной (аскарбат) системах. Однако наряду с этим еще в большей степени снижается активность супероксидисмутазы (СОД), глутатионпероксидазы(ГП) и каталазы. Поэтому в условиях кадмиевой интоксикации антиоксидантная защита становится недостаточной [4].

Перекисное окисление липидов, индуцированное действием солей ртути и кадмия, наиболее интенсивно протекало в митохондриях, вызывая нарушение их функции [11]. Нарушение функции митохондрий при воздействии ртути и кадмия, в конечном итоге проявляется снижением продукции макроэргов, уменьшением соотношения АТФ/АДФ [12], падением активности АТФ-зависимых ферментных систем и прежде всего К-Na-АТФазы, на долю которой приходится около 1/3 всей клеточной АТФ [13], Са-Mg-АТФазы – за счет нарушения фосфорилирования фермента [14]. Под действием кадмия и ртути отмечено уменьшение концентрации фосфатидилинозитола, что сопровождается снижением стимулированной пролиферации Т-лимфоцитов, экспрессии IL-2 рецепторов клеток [15,16].

В статье Beattie с соавторами [17] на культуре гепатоцитов (с использованием цитотоксических и не-цитотоксических уровней металлов) показано, что кадмий является даже более сильным ядом, чем ртуть (0,2мкг/мл Cd и 2,0 мкг/мл Hg), а комбинация их более токсична, чем предсказывалось при суммировании.

По данным [18], у ртути наибольшая токсичность для разного вида организмов при минимальной молярной величине в ряду металлов (таб. 2). Молярность определяется отношением количества введенного вещества (элемента), выраженного в молях, к массе организма.

Таблица 2. Последовательности молярной токсичности металлов для различных типов живых организмов

Организмы

Ряды токсичности

1

2

Водоросли

Hg > Сu > Cd > Fe > Cr > Zn > Co > Mn

Грибки

Ag > Hg > Сu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe

Цветущие растения

Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn

1

2

Кольчатые черви

Hg > Сu > Zn > Pb > Cd

Рыбы

Ag > Hg > Сu > Pb > Cd > Al > Zn > Ni > Cr > Co > Mn > Sr

Млекопитающие

Ag, Hg, Cd > Сu, Pb, Co, Sn, Be > Mn, Zn, Ni, Fe, Cr > Sr > Cs, Al

Следует обратить внимание, что, согласно табл. 2, для млекопитающих, в том числе человека, токсичность кадмия максимальна и сравнима с токсичностью ртути. В то же время, период полувыведения для кадмия составляет более 10 лет [3], а ртуть выводится из организма в течение нескольких месяцев [19]. Это говорит о том, что при длительном воздействии малых доз кадмий может быть более опасен для человека, чем ртуть.

Нами получены данные о значении LD50 для различных неорганических соединений ртути (крысы, пероральное введение). Сравнивая их с литературными данными для аналогичных соединений кадмия, можно увидеть, что эти величины близки, различаясь не более, чем в 1,5-2,0раза. Так, значение LD50 нитрата ртути равно 31 мг/кг, в то время как LD50 нитрата кадмия [7] составляет 47 мг/кг.

Общепризнанным методом индикации отравления и носительства Hg и Cd для групп риска, т.е. людей, имеющих производственно-обусловленный контакт с этими элементами, является прямое определение содержания их в биологических субстратах (крови, моче). Как видно из таб. 3, граница безопасного содержания кадмия в организме человека лежит гораздо ниже, чем ртути.

Таблица 3. Допустимое содержание в биологических средах

Кровь

10,0

50,0 (100,0)

Моча

2,0 мкг/сут.

25,0

Из приведенной выше информации следует, что ртуть и кадмий сопоставимы по токсичности, а по данным некоторых исследований кадмий даже более опасен. Кроме того, согласно литературным данным, период полувыведения кадмия намного больше, чем у ртути, что говорит о более выраженном кумулятивном эффекте этого элемента.

Рассматривая существующие нормативные документы по уровням содержания тяжёлых металлов в различных средах и объектах, можно заметить следующее противоречие: в то время, как ПДК в воде, почве и продуктах питания по ртути гораздо строже, чем по кадмию, допустимые содержания ртути в крови и моче значительно выше. И это притом, что кадмий, как уже было сказано, обладает более выраженными кумулятивными свойствами и хуже выводится из организма.

Из обозначенного факта следует вывод, что существующие значения ПДК не отвечают объективной картине опасности этих металлов и являются отражением субъективных представлений.

Поступление ртути и кадмия в природные экосистемы приводит к преимущественному накоплению этих веществ отдельными её звеньями, создавая тем самым неблагоприятные условия для их жизнедеятельности и функционирования всей экосистемы и непосредственно человека как её составной части.

Учитывая вышесказанное, понятна необходимость разработки высокочувствительных и селективных методик индикации ртутного отравления на ранних стадиях. Уровни ртути в этих биологических жидкостях, традиционно принимаемые за допустимые (50 мкг/л в крови и 25 мкг/л в моче) могут рассматриваться, как предельная граница, после которой необходимо принимать срочные меры по детоксикации. Однако, и это подтверждено многочисленными исследованиями, как экспериментальными, так и клиническими, в том числе проведёнными сотрудниками нашей лаборатории, как правило жалобы на самочувствие и объективная оценка состояния почек как главной мишени действия ртути не всегда коррелируют с содержанием ртути в крови.

Как показывают наши исследования, повышение белка в моче (протеинурия) наблюдается при содержании кадмия и ртути в моче уже при 10-15 мкг/л. Однако, протеинурия может быть вызвана множеством разных факторов, причем действие тяжёлых металлов лишь один из них.

Нами показано, что при хроническом введении малых доз кадмия и ртути, значительно ниже соответствующих LD50 (1/50 от LD50), содержание металлов в крови и моче стабилизируется на определенном уровне, а в органах мишенях (почках, печени) монотонно возрастает, вызывая нарушения биохимических процессов. Для более объективной оценки состояния лиц, подвергавшихся профессиональному контакту с кадмием, нами было предложено использовать наряду с данными о содержании металлов-токсикантов в крови и моче также данные о количестве в крови низкомолекулярного белка – металлотионеина, т.к. именно он может выступать биологическим маркеров нарушений, произошедших в организме при воздействии тяжёлых металлов.

Как следует из литературных данных, воздействие ртути на организм также вызывает повышенный синтез металлотионеинов, которые связывают и транспортируют ртуть так же, как и кадмий. Учитывая высокие значения допустимого содержания ртути в крови (табл. 3), нам кажется весьма актуальной задача параллельного анализа крови людей, контактировавших с ртутью, на наличие повышенного содержания металлотионеинов. При наличии превышающего уровня металлотионеинов и показателях ртути в крови и моче выше 25 и 10 мкг/л соответственно, человек может быть занесён в группу риска по носительству тяжёлых металлов.

Литература

1. Гигиенические критерии состояния окружающей среды. 118. Неорганические соединения ртути ВОЗ. Женева, 1994.

2. Н.Р. Машьянов. Минерал. № 1, 1999. .5 – 64.

3. Enviromental Health Criteria 134. Cadmium. World Health Organization. – Geneva, 1992. -280 p.

4. Третьяков А.М., Скридоненко А.Д. Свободнорадикальные процессы в реализации токсического действия тяжёлых металлов // Тези доповідей І з’їзду токсикологів України. Киев, 2001.

5. Скридоненко А.Д., Шафран Л.М. Роль лизосом в механизме действия и детоксикации тяжёлых металлов // Тези доповідей І з’їзду токсикологів України. Киев, 2001.

6. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды / Под ред. проф. Л.К. Исаева.- С.-Петербург, Эколого-аналитический информационный центр, 1998. -896 с.

7. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I-IV групп. / Под ред. проф. В.А. Филова. Л.: "Химия", 1988. -512 с.

8. Malis C.D., Bonventre J. Susceptibility of mitochondrial membrans to calcium and reactive oxygen species: implication for ishemic and toxic tissue damage. //Pros.Clin.Biol.Res. 1988. Р. -282; 235-259.

9. Franchini I., Mutti A. Tubulointerstitial nephropaties by industrial chemicals. Proceedings of the 4th Bari seminar in Nephrology, Bary, 1990; Р. 119-127.

10. Ambrosi l., Lomonte C., Soleo L. et al. Nephropathy induced by heavy metals. Proceedings of the 4th Bari Seminar in Nephrology, Bari,Italy, apr.1990; 85-100.

11. Lund B.O., Miller D.M. Studies in Hg-induced H2O2 production and lipid peroxidation in vitro in rat kidney mitochondria. Biochem. Pharmacol., -1993; -45; -2017-24.

12. Kesseler A., Brand M.D. Localisation of the sites of action of cadmium on oxydative phosphorilation in potato tuber mitochondria using top-down elasticity analisis. Eur.J.Biochem., 1994; 225; 897-906.

13. Martel J., Marion M., Denizenu F. Effect of cadmium on membrane potential in isolated rat hepatocytes. Toxicol., 1990; 60; 161-172.

14. Inesi G. Mechanism of calcium transport. A. Rev. Physiol.,1985; 47; 573-601.

15. Cifone M.G., Alesse E., Procopio A. Effect of cadmium on lymphocyte activation. Biochem. Biophys. Acta, 1989; 1011(1): 25-32.

16. Schaich K.M. Metals and lipid oxidation. Contemporary issues. Lipids, 1992; 27(3): 209-18.

17. Beattie J.H., Marion M., Schmit, J.P., Denizeau F. The cytotoxic effects of cadmium chloride and mercuric chloride mixtures in rat primary hepatocyte cultures.// Toxicology. 1990. V 62, № 2. P. 161-173.

18. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов: Пер. с англ. / Под ред. X. Зигеля, А. Зигеля. — М.: Мир, 1993. — 368 с.

19. И.М.Трахтенберг Хроническое воздействие ртути на организм. Киев: Здоровье, 1969.-391 с.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.