Тяжелые металлы

Медь и цинк – элементы, характеризующиеся высокой биохимической активностью и являющиеся главными составляющими многих металлоферментов.

Цинк присутствует во многих пищевых продуктах и напитках, особенно в продуктах растительного происхождения.

Суточная потребность организма в меди – 4-5 мг. Однако, при нормальном содержании в пище молибдена и цинка – физиологических антагонистов меди – по оценке экспертов ФАО, суточное потребление меди может составлять не более 0,5 мг/кг массы тела (до 30 мг в рационе). Ее дефицит приводит к анемии, недостаточности роста, и возникновению заболеваний. В организме имеются различные механизмы биотрансформации меди. При длительном воздействии высоких концентраций меди разрушаются механизмы адаптации организма, приводящие к интоксикации и специфическому заболеванию.

Цинк как кофактор входит в состав около 80 ферментов, участвуя тем самым в многочисленных реакциях обмена веществ. Типичными симптомами недостаточности цинка являются замедление роста у детей, половой инфантилизм у подростков, нарушение вкуса (гипогезия) и обоняния (гипосмия) и др.

Суточная потребность в цинке взрослого человека составляет 15 мг, при беременности и лактации – 20-25 мг. Цинк, содержащийся в растительных продуктах, менее доступен для организма, поскольку фитин растений и овощей связывает цинк (10% усвояемости). Цинк из продуктов животного происхождения усваивается на 40%. Содержание его в пищевых продуктах составляет: в мясе – 20-40 мг/кг, рыбопродуктах – 15-30 мг/кг, устрицах – 60-1000 мг/кг, яйцах – 15-20 мг/кг, фруктах и овощах – 5 мг/кг, картофеле, моркови – около 10 мг/кг, орехах, зерновых – 25-30, муке высшего сорта – 5-8, молоке – 2-6 мг/л. В суточном рационе взрослого человека содержание цинка составляет 13-25 мг.

Никель и кобальт. Эти металлы являются биологически активными и канцерогенными. В отличие от других тяжелых металлов для никеля и кобальта склонность к комплексообразованию выражена менее ярко.

Суточная норма поступления никеля и кобальта в организм человека с пищей составляет 0,3-0,6 мг.

Источниками загрязнения никелем и кобальтом пищевых продуктов могут являться почва и применяемое в пищевой промышленности оборудование.

Свинец– один из самых распространенных и опасных токсикантов.

Механизм токсического действия свинца определяется по двум основным направлениям:

блокада функциональных SH-групп белков, что приводит к ингибированию многих жизненно важных ферментов. Наиболее ранний признак свинцовой интоксикации (сатурнизма) – снижение активности гидротазы – аминолевулиновой кислоты – фермента, катализирующего процесс формирования протобилиногена и гемсинтетазы;

проникновение свинца в нервные и мышечные клетки, образование лактата свинца путем взаимодействия с молочной кислотой, затем фосфатов свинца, которые создают клеточный барьер для проникновения в нервные и мышечные клетки ионов кальция. Развивающиеся на основе этого парезы, параличи служат признаками свинцовой интоксикации. Основными мишенями при воздействии свинца являются кроветворная, нервная, пищеварительная системы и почки. Отмечено отрицательное влияние на половую функцию организма (угнетение активности стероидных гормонов, гонадотропной; активности, нарушение сперматогенеза и др.).

Дефицит в рационе кальция, железа, пектинов, белков или повышенное поступление кальциферола увеличивают усвоение свинца, а следовательно, его токсичность, что необходимо учитывать при организации диетического и лечебно-профилактического питания.

Взрослый человек получает ежедневно с пищей 0,1-0,5 мг свинца, с водой – около 0,02 мг. Экспертами ВОЗ было зафиксировано увеличение содержания свинца в продуктах питания до 2 мг/кг, прежде всего в листовых и стеблевых овощах. Общее его содержание в организме составляет 120 мг. В организме взрослого человека усваивается в среднем 10% поступившего свинца, у детей – 30-40%. Из крови свинец поступает в мягкие ткани и кости, где депонируется в виде трифосфата. Биологический период полвыведения свинца из мягких тканей и органов около 20 дней, из костей – до 20 лет.

По данным ФАО, допустимая суточная доза (ДСД) свинца составляет около 0,007 мг/кг массы тела, его ПДК в питьевой воде 0,05 мг/л.

ГОСТ 2874-82 лимитирует содержание свинца в водопроводной воде не выше 0,03 мг/кг, в атмосферном воздухе – 1,5 мг/м³.

Содержание свинца в продуктах питания оценивается на уровне концентраций, представленных в табл.8.

Таблица 23

Содержание свинца в продуктах питания

Продукт	Концентрационный диапазон содержания свинца, мг/кг	Среднее содержание свинца, мг/кг
Мясо Молоко Хлебобулочные изделия Рыба Крупы Овощи Фрукты	0,01 - 0,78 0,01 - 0,10 0,03 - 0,82 0,01 - 0,78 0,03 - 3,00 0,02 - 1,60 0,01 - 0,60	0,16 0,027 0,16 0,16 0,21 0,19 0,1

Кадмий склонен к активному биоконцентрированию, что приводит в достаточно короткое время к накоплению этого элемента в избыточных биодоступных концентрациях. Поэтому кадмий по сравнению с другими тяжелыми металлами является наиболее сильным токсикантом почв (Cd > Ni > Cu > Zn).

Кадмий не образует собственных минералов, а присутствует в основном в виде примесей. В отличие от цинка, большая часть его в почвах представлена обменными формами (56-84%). Главная отличительная особенность его поведения в почвах заключается в том, что он практически не связывается гумусовыми веществами.

В результате накопления кадмия в почвах происходит его биоконцентрирование в продовольственном сырье и пищевых продуктах растительного и животного происхождения. В нормальных геохимических регионах с относительно чистой экологией содержание кадмия в зерновых культурах составляет 28-95 мкг/кг; хлебе – 2-4,3 мкг/кг, горохе – 15-19 мкг/кг, фасоли – 5-12 мкг/кг, картофеле – 12-60 мкг/кг, капусте – 2-26 мкг/кг, помидорах – 10-30 мкг/кг, салате – 17-23 мкг/кг, фруктах – 9-42 мкг/кг, растительном масле – 10-60 мкг/кг, сахаре – 6-31 мкг/кг. Среднее содержание кадмия в продуктах животного происхождения составило: в молоке – 2,4 мкг/кг, твороге – 6 мкг/кг, яйцах – 23-260 мкг/кг.

В организме человека с пищей поступает примерно 80% кадмия, 20% через легкие из атмосферы и при курении. С рационом взрослый человек получает в сутки 30-160 и более мкг кадмия на 1 кг массы тела, а в кадмиевых геохимических районах – 300 мкг/кг. Попадая в организм, он находится в органах и тканях в ионной форме или в комплексе с низкомолекулярным белком – металлотионеином.

В виде этого соединения кадмий не токсичен, поэтому синтез металлотионеина является защитной реакцией организма при поступлении небольших количеств кадмия. Здоровый организм человека содержит около 50 мг кадмия. В организме новорожденных он отсутствует и появляется к 10-ому месяцу жизни.

Ртуть является самым токсичным элементом в природных экосистемах. По токсикологическим свойствам соединения ртути классифицируются на следующие группы: элементная ртуть, неорганические соединения, алкилртутные (метил- и этил-) соединения с короткой цепью и другие ртутьорганические соединения, а также комплексные соединения ртути с гумусовыми кислотами.

Загрязнение пищевых продуктов ртутью может происходить в результате:

естественного процесса ежегодного ее испарения из земной коры в количестве 25-125 тыс.т;

• использования ртути в народном хозяйстве – производство хлора и щелочей, амальгамная металлургия, электротехническая промышленность, медицина и стоматология, сельское хозяйство, например, применение каломели (HgCl₂) в качестве антисептика, раствора сулемы (HgCl₂) – для дезинфекции, ртутной серной мази – при кожных заболеваниях, фунгицидов (алкилированные соединения ртути) – для протравливания семян.

Второй тип круговорота, связанный с метилированием неорганической ртути,является наиболее опасным, поскольку приводит к образованию метилртути, диметилртути, других высокотоксичных ее соединений, поступающих в пищевые цепи. Метилирование ртути осуществляют аэробные и анаэробные микробы, а также микромицеты, обитающие в почве, в верхнем слое донных отложений водоемов. Предполагают, что метилирование ртути микроорганизмами может осуществляться при определенных условиях в кишечнике животных и человека.

Фоновое содержание ртути в съедобных частях сельскохозяйственных растений составляет от 2 до 20 мкг/кг, редко до 50-200 мкг/кг. Среднее содержание в овощах – 3-59 мкг/кг, фруктах – 10-124 мкг/кг, бобовых – 8-16 мкг/кг, зерновых – 10-103 мкг/кг. Наибольшая концентрация ртути обнаружена в шляпочных грибах – 6-447 мкг/кг, в перезрелых – до 2000 мкг/кг. В отличие от растений, в грибах может синтезироваться метилртуть.

Фоновое содержание ртути в продуктах животноводства составляет: в мясе – 2-5 мкг/кг, яйца – 2-15 мкг/кг.

Мясо рыбы отличается наибольшей концентрацией ртути и ее соединений, которые активно аккумулируются в организме из воды и корма, содержащих другие гидробионты, богатые ртутью. В мясе хищных пресноводных рыб уровень ртути составляет 107-509 мкг/кг, нехищных – 79-200 мкг/кг, океанских – 300-600 мкг/кг. Организм рыбы способен синтезировать метилртуть, которая накапливается в печени при достаточном содержании в корме цианкобаламина (витамина В). У некоторых видов рыб в мышцах содержится белок металлотионеин, с которым ртуть и другие металлы образуют комплексные соединения и накапливаются в организме. У таких рыб содержание ртути достигает 500-20000 мкг/кг (рыба-сабля) или 5000-14000 мкг/кг (тихоокеанский марлин). При загрязнении рек, морей и океанов ртутью ее уровень в гидробионтах намного увеличивается и становится опасным для здоровья человека.

При варке рыбы и мяса концентрация ртути в них снижается, при аналогичной обработке грибов – остается без изменений. Это различие объясняется тем, что в грибах ртуть связана с аминогруппами азотсодержащих соединений, в рыбе и мясе – с серосодержащими аминокислотами.

Безопасным уровнем содержания ртути в крови считают 50-100 мкг/л, волосах – 30-40 мкг/г, моче – 5-10 мкг/сут. Человек получает с суточным рационом 0,045-0,060 мг ртути, что примерно соответствует рекомендуемой ФАО/ВОЗ по ДСП – 0,05 мг. ПДК ртути в водопроводной воде, идущей для приготовления пищи, составляет 0,005 мг/л, международный стандарт – 0,01 мг/л (ВОЗ, 1974).

Олово. Необходимость олова для организма человека не доказана. Вместе с тем пищевые продукты содержат этот элемент до 1-2 мг/кг, организм взрослого его участия в обменных процессах.

Неорганические соединения олова малотоксично, а органические – более токсичны. Они находят применение в сельском хозяйстве в качестве фунгицидов, в химической промышленности – как стабилизаторы поливинилхлоридных полимеров. Основным источником загрязнения пищевых продуктов оловом являются консервные банки, фляги, железные и медные кухонные котлы, другая тара и оборудование, которые изготавливаются с применением лужения и гальванизации. Активность перехода олова в пищевой продукт возрастает при температуре хранения выше 20^о С, высоком содержании в продукте органических кислот, нитратов и окислителей, которые усиливают растворимость олова.

Имеются данные, что токсичная доза олова при его однократном поступлении – 5-7 мг/кг массы тела, т.е. 300-500 мг. Отравление оловом может вызвать признаки острого гастрита (тошнота, рвота, и др.) и снижение активности пищеварительных ферментов.

Железо. Занимает четвертое место среди наиболее распространенных в земной коре элементов (5% земной коры по массе).

Этот элемент необходим для жизнедеятельности как растительного, так и животного организма. У растений дефицит железа проявляется в желтизне листьев, у человека вызывает железодефицитную анемию, поскольку двухвалентное железо – кофактор в гемсодержащих ферментах, участвует в образовании гемоглобина. Железо выполняет целый ряд других жизненно важных функций: перенос кислорода, образование эритроцитов, обеспечивает активность негемовых ферментов – альдолазы, триптофаноксигеназы и т.д.

В организме взрослого человека содержится около 4,5 г железа. Содержание железа в пищевых продуктах колеблется в пределах 0,07-4 мг/100 г. Основным источником железа в питании являются печень, почки, бобовые культуры (6-20 мг/100 г). Потребность взрослого человека в железе составляет около 14 мг/сут, у женщин в период беременности и лактации она возрастает.

Железо из мясных продуктов усваивается организмом на 30%, из растений – 10%. Последнее объясняется тем, что растительные продукты содержат фосфаты и фитин, которые образуют с железом труднорастворимые соли, что препятствует его усвояемости. Чай также снижает усвояемость железа в результате связывания его с дубильными веществами в труднорастворимый комплекс.

Мышьяк. Мышьяк широко распространен в окружающей среде. Он содержится во всех объектах биосферы: морской воде – около 5 мкг/кг, земной коре – 2 мг/кг, рыбах и ракообразных – в наибольших количествах. Природный мышьяк находится в элементном состоянии, в виде арсенидов и арсеносульфидов тяжелых металлов.

Наиболее распространенными неорганическими соединениями мышьяка являются оксид трехвалентного мышьяка (III) As₂O₃ и оксид пятивалентного мышьяка (V) As₂O₅.

По степени токсичности соединения мышьяка располагаются в следующий ряд: AsН₃> As³⁺> As⁵⁺> RАsX.

В результате широкого распространения в окружающей среде и использования в сельском хозяйстве мышьяк присутствует в большинстве пищевых продуктов. Обычно его содержание в пищевых продуктах достаточно мало – менее 0,5 мг/кг и редко превышает 1 мг/кг, за исключением некоторых морских организмов, которые аккумулируют этот элемент. При отсутствии значительных загрязнений, содержание мышьяка в хлебных изделиях составляет до 2,4 мг/кг, фруктах до 0,17 мг/кг, напитках до 1,3 мг/кг, мясе до 1,04 мг/кг, молочных продуктах до 0,23 мг/кг. В морских продуктах содержится больше мышьяка, обычно на уровне 1,5-15,3 мг/кг.

Фоновый уровень мышьяка в продуктах питания из нормальных геохимических регионов составляет в среднем 0,5-1 мг/кг: в овощах и фруктах – 0,01-0,2 мг/кг, зерновых 0,006-1,2 мг/кг, говядине и свинине – 0,005-0,05 мг/кг, яйцах 0,003-0,03, коровьем молоке и кисломолочных продуктах – 0,005-0,01 мг/кг, твороге – 0,003-0,03 мг/кг. Высокая концентрация мышьяка, как и других химических элементов, отмечается в печени, пищевых гидробионтах, в частности морских. В организме человека обнаруживается около 1,8 мг мышьяка.

По данным экспертов ФАО/ВОЗ, суточное поступление мышьяка в организм взрослого человека составляет в среднем 0,05-0,42 мг, т.е. около 0,007 мг/кг массы тела, и может достигать 1 мг в зависимости от его содержания в потребляемых продуктах питания и его проникновения из других объектов окружающей среды, а допустимая суточная доза мышьяка составляет для взрослого человека около 3 мг/сутки.

Хром и алюминий. Хром в небольших количествах находится во многих пищевых продуктах и напитках. Средне суточное потребление хрома с пищей составляет приблизительно 50-80 мкг. По данным отечественного гидромониторинга алюминий содержится в природных водах в концентрациях 0,001-10 мг/л. В промышленных стоках его концентрация достигает 1000 мг/л.

Продукты растительного происхождения содержат алюминия 10-100 мг/кг, редко – 300 мг/кг, продукты животного происхождения – 1-20 мг/кг. По данным исследований, в суточных рационах в разных городах России и странах СНГ содержится алюминия 18,8-85 мг, а в среднем – 25 мг.

Отечественными токсикологами установлено, что даже растворимые соли алюминия отличаются слабым токсическим действием. Поступление алюминия в организм человека в дозе 0,5 мг/кг массы тела не оказывает на него негативного воздействия.