Metale ciężkie to pierwiastki o gęstości większej od 4,5 g/cm3. w reakcjach chemicznych wykazują tendencję do oddawania elektronów. w stanie stałym i ciekłym charakteryzują się dobrą przewodnością cieplną i elektryczną. posiadają połysk metaliczny. mają wysoką temperaturę topnienie i wrzenia. są kowalne i ciągliwe, a ich pary są najczęściej jednoatomowe. wykazują właściwości redukujące. do metali ciężkich zaliczamy: Cu, Co, Cr, Cd, Fe, Zn, Pb, Sn, Hg, Mn, Ni, Mo Źródła zanieczyszczeń środowiska w metale ciężkie Naturalne: Obieg i migracja metali ciężkich w naturalnym środowisku przyrodniczym związane są głównie z takimi procesami jak: wietrzenie skał, erupcja wulkanów, parowanie oceanów, pożary lasów, procesy glebotwórcze. Antropogeniczne: różne gałęzie przemysłu, energetyka, komunikacja, gospodarka komunalna, wysypiska odpadów, przemysł chemiczny, nawozy i odpady stosowane do nawożenia, energetyka oparta na spalaniu węgla kamiennego i brunatnego, kopalnictwo rud i hutnictwo, spaliny Zawartość w skorupie ziemskiej [%] Żelazo 5,6 Mangan 0,095 Chrom 0,0102 Nikiel 0,0084 Cynk 0,007 Miedź 0,006 Kobalt 0,0025 Molibden 1,2.10-4 Kadm 1,5.10-5 Rtęć 8,5.10-6 Metale ciężkie mogą być u ludzi przyczyną zatruć ostrych jak i przewlekłych. Silne działanie toksyczne wykazują związki łatwo rozpuszczalne w wodzie i płynach ustrojowych. Metale ciężkie można podzielić na dwie grupy: 1. metale niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmów tzw. mikroelementy (należą do nich np. Zn, Cu, Fe) 2. metale całkowicie zbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmów, wręcz zaburzające procesy życiowe (należą do nich np. Pb, Cd, Hg, Cr, Ni) OŁÓW Pb łac. plumbum dostaje się do organizmu poprzez układ oddechowy, z pożywieniem i wodą. Najlepiej, bo w około 50% resorbowany jest przez układ oddechowy. Ołów jest metalem wydalającym się z organizmu powoli, dlatego następuje jego kumulacja w tkance kostnej i narządach. Transportowany przez krew odkłada się w kościach w postaci fosforanu Pb3(PO4)2, również w narządach miąższowych oraz w ośrodkowym układzie nerwowym.
Działanie toksyczne: - uszkadza procesy syntezy hemoglobiny, - negatywnie wpływa na funkcjonowanie szpiku kostnego i wątroby, - obniża poziom witaminy D w organizmie, - łączy się z grupami enzymów i białek powodując zmiany we krwi i naczyniach, - wpływa na poziom żelaza w organizmie, wywołuje anemię zaburzając biosyntezę hemoglobiny, - zatrucia ołowiem mogą być ostre jak i przewlekłe. Częściej spotykane są zatrucia przewlekłe, które początkowo objawiają się poprzez bóle głowy, pobudliwość, następnie pojawia się ostra kolka, tzw. ołowicza. Następstwem przewlekłego zatrucia ołowiem może być uszkodzenie mózgu, które pozostawia trwałe zmiany, zwłaszcza u dzieci charakteryzujące się opóźnionym rozwojem. W ciężkich przypadkach zatrucia ołowiem występują objawy śpiączkowe lub psychiczne, niekiedy kończące się zejściem śmiertelnym. Silną trucizną jest czteroetylek ołowiu (C2H5)4Pb, który jest doskonale wchłaniany przez skórę, a który powoduje ciężkie uszkodzenia układu nerwowego. U roślin ołów zaburza metabolizm, ponieważ lokując się w korzeniach ogranicza możliwość pobierania innych składników. Wzrost ilości ołowiu w glebie wpływa niekorzystnie na mikroorganizmy glebowe, hamując proces rozkładu materii organicznej. KADM Cd łac. cadmium - dostaje się do organizmu poprzez układ oddechowy lub pokarmowy, - bardzo dobrze wchłania się przez układ oddechowy, nawet do 40%, - odkłada się głównie w wątrobie i nerkach. Działanie toksyczne: - Działanie kadmu jest zależne nie tylko od jego stężenia w powietrzu, ale także od czasu narażenia na jego działanie, - Wg obliczeń zatrucie śmiertelne u ludzi przy stężeniu kadmu wynoszącym 10 mg/m3 powietrza następuje po upływie 5 godzin, - Dawki kadmu powodujące ostre jak i przewlekłe zatrucia wpływają niekorzystnie na układ odpornościowy organizmu, - choroba itai-itai, wynikła z zatrucia kadmem, oprócz uszkodzeń nerek objawia się rozmiękczeniem kości (osteomolacją), i wzrostem ich kruchości (osteoporozą). - U ludzi chorych obserwowano zaburzony metabolizm wapnia, fosforu, witaminy D oraz cukromocz. - W 1993 roku kadm i jego związki zostały uznane przez Międzynarodową Agencję do Walki z Rakiem (IARC) za czynniki rakotwórcze u ludzi. U roślin kadm kumulując się głównie w korzeniach powoduje zaburzenia fotosyntezy. W niektórych roślinach jak np. tytoniu kadm kumulowany jest również w liściach. Osoby palące są więc narażone na oddziaływanie aerozolu zawierającego kadm. CHROM Cr łac. chromium - związki chromu, które w warunkach przemysłowych występują w postaci par i mgieł wchłaniane są głównie przez układ oddechowy; - Chrom może być także pobierany z pokarmem ale nie jest wówczas toksyczny dla organizmu, gdyż pod wpływem soków trawiennych Cr (VI) jest redukowany do Cr (III) i w tej postaci nie wchłania się.
Toksyczne działanie - zależy głównie od postaci jego występowania; - związki Cr(VI) są 100-1000 razy bardziej toksyczne niż związki Cr(III); - długotrwałe działanie Cr (VI) powoduje zatrucie przewlekłe w postaci perforacji błony śluzowej nosa i jamy ustnej, a także stanów zapalnych płuc, zmiany mięśnia sercowego, owrzodzenie dwunastnicy, a nawet raka układu oddechowego zwłaszcza oskrzeli; - w toksykologii najbardziej niepokojące są właściwości kancerogenne i mutagenne Cr (VI). Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem zalicza Cr (VI) do I grupy, tj. do grupy o udowodnionym epidemiologicznie działaniu kancerogennym. U roślin chrom blokuje pobieranie innych składników potrzebnych do prawidłowego rozwoju roślin. Nadmiar tego pierwiastka powoduje chlorozę (zanik zielonego barwnika - chlorofilu), którego powodem jest zaburzenie gospodarki wodnej, uszkodzenie stożków wzrostu oraz systemu korzeniowego. NIKIEL Ni łac. niccolum - dostaje się do ludzkiego organizmu poprzez układ oddechowy i pokarmowy; - należy do mikroelementów, czyli pierwiastków, które spełniają w organizmie ważne funkcje; - spełnia rolę aktywatora niektórych enzymów oraz wpływa na aktywność hormonalną. Niedobory Ni - u ludzi powodują zahamowanie wzrostu, obniżenie poziomu hemoglobiny we krwi, zniekształcenia kości, obrzęk stawów, zwyrodnienia wątroby a także zaburzenia pigmentacji skóry. Nadmiar Ni - akumuluje się w węzłach limfatycznych i może powodować zaburzenia w strukturze kwasów nukleinowych, zmiany w szpiku kostnym i chromosomach, egzemę, a także może być przyczyną chorób nowotworowych. U roślin nie ma dowodów na to, że nikiel spełnia ważne funkcje metaboliczne. Mechanizm toksycznego działania też nie jest w pełni wyjaśniony, jednakże Ni jak większość metali ciężkich blokuje dostęp do organizmów roślinnych innych pierwiastków potrzebnych do prawidłowego funkcjonowania. Nadmiar Ni u roślin może powodować chlorozę, zaburzenia procesu fotosyntezy oraz zahamowanie wzrostu korzenia. MANGAN Mn łac. Manganium należy do mikroelementów, które pełnią istotne funkcje w ludzkim organizmie; jest on aktywatorem enzymów regulujących metabolizm węglowodanów, lipidów i białek, a jego niedobór powoduje deformację kości, zahamowanie wzrostu a także zaburzenia w koordynacji ruchów. Niedobór Mn może wpływać na zaburzenia syntezy hormonów płciowych i innych sterydów. Nadmiar Mn gromadzi się w wątrobie i może powodować jej uszkodzenie, jak również innych organów miąższowych. Zatrucie tym pierwiastkiem objawia się ogólnymi zaburzeniami związanymi z centralnym układem nerwowym. U roślin mangan spełnia ważne funkcje metaboliczne. Bierze udział w fotosyntezie oraz w procesach oksydacyjno-redukcyjnych, wchodzi w skład enzymów. Objawy niedoboru Mn u roślin to chlorowa, brunatnienie korzeni oraz więdnięcie. Nadmiar Mn u roślin powoduje zahamowanie wzrostu roślin, oraz zmiany nekrotyczne (miejscowe lub ogólne obumarcie i zbrunatnienie komórek i tkanek roślinnych) i chlorotyczne. CYNK Zn łac. zincum jest wchłaniany do organizmu poprzez układ oddechowy i pokarmowy. Rola w organiźmie: - pierwiastek ten również należy do mikroelementów;
- spełnia w organizmie człowieka bardzo ważne funkcje takie jak: tworzenie enzymów regulujących metabolizm węglowodanów i białek, reguluje funkcje układu krwionośnego, rozrodczego i kostnego; - przyspiesza gojenie się ran, a niedobór cynku powoduje choroby skóry, a także stany alergiczne i łysienie. Nadmiar Zn - odkłada się w nerkach i wątrobie, powoduje niedokrwistość, co wiąże się z obniżeniem przez ten pierwiastek przyswajalności innych pierwiastków takich jak żelazo, fosfor, miedź i wapń; - uważany jest również za czynnik rakotwórczy. U roślin: jest niezbędny do wegetacji roślin, ale jego duże stężenie powoduje że kumuluje się on w systemie korzeniowym powodując zaburzenia fotosyntezy, chlorozę, zaburzenia metabolizmu oraz wiąże wapń, miedź i żelazo - pierwiastki niezbędne do prawidłowego rozwoju roślin. ŻELAZO Fe łac. ferrum - jest mikroelementem wchłanianym głównie przez układ pokarmowy; - wchodzi w skład hemoglobiny, mioglobiny oraz wielu enzymów. Rola w organiźmie Fe: - chroni komórki przed toksycznymi produktami reakcji utleniania. Niedobór Fe powoduje anemię (niedokrwistość), zanik błon śluzowych, zahamowanie wzrostu oraz ogólne wycieńczenie organizmu. U dzieci brak żelaza zakłóca rozwój psychiczny. Nadmiar Fe odkłada się wszędzie powodując zakłócenie metabolizmu innych metali śladowych, szczególnie unieczynnia mangan. Dla roślin jest również niezbędny do prawidłowego funkcjonowania. Bierze udział w fotosyntezie, stymuluje powstawanie chlorofilu, bierze udział w metabolizmie kwasów nukleinowych oraz reguluje reakcje utleniania i redukcji. Niedobór u roślin powoduje chlorozę, zaburzenia metaboliczne, które objawiają się zahamowaniem rozwoju i obniżeniem plonu. Nadmiar powoduje zaburzenia związane z przyswajaniem innych pierwiastków takich jak mangan, nikiel, fosfor i potas. RTĘĆ Hg łac. hydrargyrum - rtęć i jej związki są wchłaniane przez układ oddechowy, skórę i przewód pokarmowy. Pary rtęci łatwo resorbują się przez pęcherzyki płucne; - rtęć przenika przez łożysko do płodu. Działanie toksyczne: przy ostrym zatruciu parami rtęci występują w płucach odczyny zapalne i zaburzenia ośrodkowego układu nerwowego (wzmożona pobudliwość). Przy zatruciach przewlekłych występują również zaburzenia ośrodkowego układu nerwowego, objawiające się drżeniem kończyn, zmianami osobowości, stanami depresji, a w ciężkich przypadkach halucynacjami. Zatrucie solami nieorganicznymi następuje głównie po ich doustnym przyjęciu. Jony rtęci przy wyższych dawkach działają żrąco na przewód pokarmowy. Hg odkłada się wówczas w nerkach i wątrobie, skąd powoli jest wydalany. Ostrym zatruciom towarzyszą wymioty, bóle żołądka, biegunka, później uszkodzenie nerek. Dawka śmiertelna wynosi ok. 1g.
Metal Pb Cd Ni Fe Zn Hg Wchłanianie i stosunek do organizmu Skutki szkodliwego działania na organizm Skóra, usta, drogi Bóle głowy, osłabienie pamięci, agresja, oddechowe, otępienie umysłowe, zaburzenia toksyczny psychiczne, bezsenność Układ oddechowy i Odwapnienie i deformacja kości, zanik pokarmowy, toksyczny i rakotwórczy mięśni ( itai-itai ) i węchu, nadciśnienie, nowotwory płuc, gruczołów rodnych, jamy ustnej Układ oddechowy i Niedobór - zmiana pigmentacji, pokarmowy, zniekształcenia kości, obrzęk stawów, mikroelement, zwyrodnienie wątroby; rakotwórczy Nadmiar rak, egzema Układ pokarmowy, Niedobór niedokrwistość, chloroza, zanik mikroelement, błon śluzowych Nadmiar odkłada się wszędzie Układ oddechowy i Niedobór łysienie, mały wzrost, pokarmowy, mikroelement, ograniczenie funkcji rozrodczych Nadmiar niedokrwistość, chloroza roślin, zaburzenia w metaboliźmie Skóra, usta, drogi U człowieka dojrzałego upośledzenie oddechowe, narządów zmysłów u dzieci ponadto toksyczny niedorozwój umysłowy, u płodu: niedorozwój mózgu, zmysłów, paraliż kończyn, drżenie rąk i nóg, paraliż mowy NDS w: powietrzu wodzie glebie 0,05 mg/m3 0,1 mg/dm3 15 mg/kg 0,05 ppm 0,05 ppm 0,1 ppm 1000 ng/m3 5 ppb 5 mg/m3 0,5 mg/m3 5 g/m3 5 g/m3 0,005 mg/m3 0,001 mg/dm3 Metal ciężki Najwyższa dopuszczalna zawartość w ściekach [mg/dm3] Wartości wskaźników dla wody (dopuszczalne) [mg/dm3] A1* A2* A3* Chrom 0,1 0,02 0,02 0,02 (VI) Cu 0,5 0,05 0,05 0,05 Pb 0,5 0,05 0,05 0,05 Ni 0,5 0,05 0,05 0,2 Mn brak danych 0,05 0,1 1 Fe 10 0,3 2 2 Cr 0,1 0,05 0,05 0,05 Zn 2 3 5 5 Cd 0,4 0,005 0,005 0,005 kategoria A1 woda wymagająca prostego uzdatniania fizycznego, w szczególności filtracji oraz dezynfekcji; kategoria A2 woda wymagająca typowego uzdatniania fizycznego i chemicznego,
w szczególności utleniania wstępnego, koagulacji, flokulacji, dekantacji, filtracji, dezynfekcji; kategoria A3 woda wymagająca wysokosprawnego uzdatniania fizycznego i chemicznego, w szczególności utleniania, koagulacji, flokulacji, dekantacji, filtracji, adsorpcji na węglu aktywnym, dezynfekcji. Skład chemiczny pyłów pochodzący z odpylania pieców łukowych Pierwiastek Zawartość, % wag. Huta Małapanew piec 10 ton Huta Ostrowiec piec 50 ton Huta Ostrowiec piec 140 ton Fe 20,48 43,86 38,51 34,44 Zn 3,90 2,30 9,40 11,00 Pb 1,10 0,40 2,90 3,00 Cu 0,14 0,21 0,32 0,29 Ni 0,052 0,040 0,027 0,026 Cr 0,33 0,43 0,23 0,13 Mn 10,75 3,40 2,95 3,07 Cd 0,026 0,011 0,044 0,06 Huta Zawiercie piec 140 ton Zawartość metali ciężkich w pyłach pochodzących z pieców elektrycznych i płomieniowych stosowanych do wytapiania brązów i mosiądzów: Zn (65%), Cu (15%) Przykładowa zawartość metali ciężkich w pyłach emitowanych z odlewni metali nieżelaznych (dane z odlewni polskiej) wynosiła (w mg/100g pyłu): Cr (7,5), Cd (19,4), Mn (67,7), Cu (918,9), Pb (63,9), Ni (6,9) Zawartość metali ciężkich w żużlach: z odlewni produkującej mosiądz ( w 100 g suchej masy) wynosiła: Zn 10 mg, Cr 300mg, Cu 40 mg, Mn 1400-3400mg, Ni 5mg, Pb 3mg z odlewni żeliwa: Zn 0,6 mg, Pb 2,8 mg, Cd 0,1 mg, Cu 0,45 mg, Fe 5200 mg, Mn 4360 mg, Cr 53,2 mg, Ni 0,05 mg Z odlewni staliwa: W żużlu czarnym (redukcyjnym): Zn 0,9 mg, Pb 5,7 mg, Cd 0,31 mg, Cu 3,5 mg, Fe 6150 mg, Mn 4350 mg, Cr 265mg, Ni 3 mg, Co 0,3 mg W żużlu białym (utleniającym): Zn 3,3 mg, Pb 5,1 mg, Cd 0,4 mg, Cu 3,3 mg, Fe 4400 mg, Mn 1475 mg, Cr 6,5 mg, Ni 8,1 mg, Co 0,7 mg Szlamy z odlewni staliwa wywożone na składowisko zawierały w 100 g: Zn 73 mg, Pb 41,5 mg, Cd 0,6 mg, Cu 7,3 mg, Fe 2625 mg, Mn 170 mg, Cr 5 mg, Ni 14,5 mg W wyciągu wodnym z tych szlamów zawartość metali ciężkich wynosiła: Zn 0,13 mg/dm3, Fe 0,59 mg/dm3, Mn 0,38 mg/dm3 Literatura 1. E. Bezak-Mazur, Elementy Toksykologii Środowiskowej, Skrypt, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Kielce 1999 2. T. Dutkiewicz, Chemia Toksykologiczna, Państwowy Zakład wydawnictw Lekarskich, Warszawa 1974