§ 3.3. Токсичные элементы

В результате воздействия загрязненной окружающей среды, а также при нарушении технологической обработки или условий хранения в пищевых продуктах могут появиться токсичные вещества. К их числу относятся и токсичные элементы. Тяжелые металлы чрезвычайно токсичны даже в микроскопических дозах. Поэтому важной задачей является постоянный контроль пищевого сырья и готовой продукции, чтобы обеспечить выпуск безвредных для здоровья продуктов питания.

Понятие «токсичность» в экологическом контексте относится к химическому влиянию веществ, которые понижают жизнеспособность отдельной популяции и изменяют взаимоотношения между популяциями. Главный интерес при изучении токсичности сконцентрирован на возможном летальном эффекте. Однако, для того чтобы понять долговременные последствия загрязнений экосистемы, весьма существенно распознать и сублетальные эффекты. Такие эффекты следует различать по морфологическим изменениям; скорости роста организма, половому развитию и репродуктивной скорости; поведенческим изменениям, т.е. понижению способности спасаться от хищников или эффективно конкурировать с другими организмами; генетическим модификациям.

Основа токсического действия лежит в самом общем случае во взаимодействии между металлами и биологически активными белками. И механизм токсичности аналогичен механизму, ответственному за действие необходимых металлов.

Отрицательный эффект взаимодействия токсичных ионов металлов с биологически активными макромолекулами связан со следующими процессами:

• вытеснение необходимых металлов из их активных мест связывания токсическим металлом;

• связывание части макромолекулы, необходимой для нормальной жизнедеятельности организма;

• сшивание с образованием биологических агрегатов, вредных для организма;

• деполимеризация биологически важных макромолекул;

• неправильное спаривание оснований нуклеотидов и ошибки в белковых синтезах.

В состав организма человека входит 81 элемент. 99% массы тела представлены 4 основными элементами:

1. Углеродом (от лат. carboneum – C),

2. Водородом (от лат. hydrogenium – H),

3. Кислородом (от лат. oxgenium – O),

4. Азотом (от лат. nitrogenium – N)

и 8 макроэлементами, содержащимися в относительно больших количествах, а так же 69 микроэлементами. Содержание макро и микроэлементов в продуктах питания, а также их функции в организме были рассмотрены в разделе «Минеральные вещества». В данном разделе будут рассмотрены элементы, опасные в токсикологическом отношении.

Дозы токсичных металлов обозначены в международных требованиях, предъявляемых к пищевым продуктам объединенной комиссией ФАО (Продовольственная организация ООН) и ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения), в документе под названием «Кодекс алиментариус». В соответствии с этим документом наиболее важными в гигиеническом контроле пищевых продуктов являются восемь элементов – ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, медь, цинк, олово и железо. В нашей стране в этот перечень включают также никель, хром, селен, алюминий, фтор и йод. Разумеется, не все перечисленные элементы являются ядовитыми, некоторые из них необходимы для нормальной жизнедеятельности человека и животных. Поэтому часто трудно провести четкую границу между биологически необходимыми и вредными для здоровья человека веществами.

В большинстве случаев реализация того или иного эффекта зависит от концентрации. При повышении оптимальной физиологической концентрации элемента в организме может наступить интоксикация, а дефицит многих элементов в пище и воде может привести к достаточно тяжелым и трудно распознаваемым явлениям недостаточности.

Накопление химических элементов во внутренних органах человека приводит к развитию различных заболеваний. Больше всего в организме человека накапливаются кадмий, хром – в почках; медь – в желудочно-кишечном тракте; ртуть (от лат. hydrargyrum – Hg) – в центральной нервной системе; цинк – в желудке, двигательном аппарате; мышьяк – в почках, печени, легких, сердечно-сосудистой системе; селен – в кишечнике, печени, почках; бериллий – в органах кроветворения, нервной системе. Наибольшую опасность среди всех перечисленных элементов представляют ртуть, свинец и кадмий. И даже если тяжелые металлы не являются основной причиной каких-либо заболеваний, они, наряду с другими токсинами, могут быть сопутствующим фактором, вызывающим лавину эффектов, приводящих к расстройству иммунной системы индивида. Спровоцированная металлами иммунная недостаточность может просто давать возможность одному из вирусов остаться активным или неконтролируемым. Корь, вирусы-невидимки, герпес или другой вирус, так же как и дрожжи получают прочного союзника в лице тяжелых металлов. Более того, это может заставить иммунную систему направить свои усилия по ложному руслу. Отравленная токсинами ртути иммунная система может спровоцировать борьбу против ни в чем неповинных пыльцы, пыли или продуктов питания в форме сильной аллергии, игнорируя при этом болезнетворные организмы, с которыми ей следовало бы вести борьбу. Токсичные металлы могут также способствовать укреплению и стимулированию дрожжевых и бактериальных проблем. Некоторые люди попросту не могут справиться с брожением в организме, пока не очистятся от металлов. После этого дрожжи как будто исчезают. То же касается попыток избавиться от пищевых проблем. Очищение организма от металлов может помочь избавиться от многих пищевых непереносимостей – еще одна причина улучшить ситуацию с токсинами вместо того, чтобы затратить огромное количество времени, выискивая иллюзорно-проблематичные продукты.

Для большинства продуктов питания установлены ПДК токсичных элементов, к детским и диетическим продуктам предъявляются более жесткие требования. ПДК некоторых тяжелых металлов в продуктах питания приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4. – Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в продуктах питания (мг/кг)

Свинец (Pb) – является одним из самых распространенных в окружающей среде и одним из весьма токсичных элементов, в связи с чем действие его избытка на организм человека изучено наиболее подробно.

История применения его очень древняя, что связано с относительной простотой его получения и большой распространенностью в земной коре. Соединения свинца – Pb₃O₄ и PbSO₄ – основа широко применяемых пигментов: сурика и свинцовых белил. Глазури, которые используются для покрытия керамической посуды, также содержат соединения свинца. Металлический свинец со времен Древнего Рима применялся при прокладке водопроводов. В настоящее время перечень областей его применения очень широк: производство аккумуляторов, электрических кабелей, химическое машиностроение, атомная промышленность, производство эмалей, замазок, лаков, хрусталя, спичек, пластамасс и т.п. В результате производственной деятельности человека в природные воды ежегодно попадает 500–600 тыс. т свинца, а в атмосферу около 450 тыс. т, подавляющее большинство которого оседает на поверхности Земли. Основной источник загрязнения атмосферы – выхлопные газы автотранспорта (260 тыс. т) и сжигание каменного угля (около 30 тыс. т). В тех странах, где использование бензина с добавлением тетраэтилсвинца сведено к минимуму, содержание свинца в воздухе удалось многократно снизить. Следует подчеркнуть, что многие растения накапливают свинец, который передается по пищевым цепям и обнаруживается в мясе и молоке сельскохозяйственных животных, особенно активное накопление свинца происходит вблизи промышленных центров и крупных автомагистралей.

Свинец попадает в организм человека с пищей. Например, в консервированных в металлической таре плодоовощных продуктах содержание свинца может увеличиваться в 10 раз по сравнению с естественным уровнем. В основном повышение содержания свинца наблюдается в консервах, помещенных в сборную жестяную тару, которая крепится сбоку и с крышкой припоем, содержащим определенное количество свинца. К сожалению, пайка не всегда бывает качественная (образуются брызги припоя). И, хотя консервные банки еще дополнительно покрывают специальным лаком, это не всегда помогает. Имеются случаи, правда довольно редкие (всего 2%), когда в консервах из этой тары накапливается, особенно при длительном хранении, до 3 мг/кг свинца, что уже представляет опасность для здоровья. По этой причине продукты в сборной жестяной таре не рекомендуется хранить более 5 лет. Нельзя хранить и приготавливать пищу в декоративной фарфоровой или керамической посуде (т.е. в посуде, предназначенной для украшения, но не для пищи), поскольку очень часто глазурь, особенно желтого и красного цветов, содержит соли свинца и кадмия, которые легко переходят в пищу. Мощным источником попадания свинца в организм человека является и питьевая вода. Доказано, что повышение содержания свинца в воде обусловливает, как правило, увеличение его концентрации в крови.

Особенно опасны для человека отравления, вызванные органическим соединением свинца – тетраэтилсвинцом Pb(C₂H₅)₄, который представляет собой маслянистую бесцветную жидкость со специфическим резким запахом, более токсичную, чем сам свинец. Тетраэтилсвинец, добавленный в бензин в количестве 0,1% для повышения его октанового числа, при сгорании моторного топлива выбрасывается в атмосферу. Он легко попадает в почву и загрязняет пищевые продукты, поэтому продукты сельского хозяйства, выращенные вдоль автострад, содержат повышенное количество свинца. В зависимости от интенсивности движения эта опасная зона может простираться от 10 до 500 м. Вдоль дорог следует выращивать только лесные породы деревьев. Однако этим иногда пренебрегают и часто вдоль дорог высаживают плодовые деревья, которые дают загрязненные свинцом плоды. В Дании запрещено использование в автомобилях этилированного бензина, и естественный уровень свинца в основных овощных продуктах (картофель, морковь, лук) сократился в 2–3 раза. В США с введением жестких нормативов на выхлопные газы и действенных методов контроля содержание свинца в продуктах с 1970 г. по 1980 г. удалось снизить примерно в 10 раз.

Свинец, как уже говорилось, незаменим во многих отраслях промышленности. Изготовление аккумуляторов для автомобилей, использование содержащих свинец сплавов в типографском деле, производство кабелей и многие другие отрасли промышленности являются потребителями этого элемента. Профессиональные отравления свинцом людей, работающих в этих отраслях, происходят в основном путем ингаляции. Случаи острого отравления в настоящее время встречаются редко. Хронические отравления наблюдаются при вдыхании воздуха с высоким содержанием свинца (например, выхлопные газы), а также при поступлении с пищей и питьевой водой небольших количеств свинца в течение длительного времени. При хронических отравлениях отмечается общая слабость, бледность кожных покровов, боли в животе, «свинцовая кайма» по краям десен, анемия, нарушение функции почек. Отмечены также снижение умственных способностей, агрессивное поведение и другие симптомы. Установлено, что хроническая интоксикация наступает при потреблении 1–8 мг свинца в сутки. Свинец, подобно ртути, обладает кумулятивными свойствами. Отравление свинцом вызывает астено-невротический синдром, анемию, артериальную гипертонию, заболевания желудочно-кишечного тракта, злокачественные образования. Поглощенный свинец содержится в крови и других жидкостях организма, накапливается в костях в виде нерастворимых трифосфатов. Основными мишенями при воздействии свинца являются кроветворная, нервная и пищеварительная системы, а также почки. Свинцовая интоксикация может приводить к серьезным нарушениям здоровья, проявляющимся в частых головных болях, головокружении, утомляемости, ухудшении сна, в наиболее тяжелых случаях к параличам, умственной отсталости. В наибольших количествах свинец накапливается, как упомянуто выше в костях, а также в печени, почках и поджелудочной железе. Свинец, отложившийся в костях в виде нерастворимого соединения, не оказывает непосредственного ядовитого действия. Однако под влиянием определенных условий запасы его в костях становятся мобильными, свинец переходит в кровь и может вызвать отравление даже в острой форме. К факторам, способствующим мобилизации свинца, относятся повышенная кислотность, недостаток кальция в пище, злоупотребление спиртными напитками. Неполноценное питание, дефицит в рационе кальция, фосфора, железа, пектинов, белков увеличивают усвоение свинца. Выделение свинца из организма происходит через пищеварительный тракт и почки, причем повышенное содержание свинца в моче (более 0,05 мг/л) служит одним из показателей отравления свинцом. Установлено выделение свинца и с женским молоком. Исследованиями, проведенными в США, доказано, что в значительной степени риску свинцового отравления подвержены дети, особенно младшего возраста. Это объясняется тем, что детский организм сорбирует до 40% поглощенного с пищей свинца, в то время как организм взрослого человека – всего от 5 до 10%.

В настоящее время в качестве гигиенического норматива утверждена ПДК свинца в питьевой воде на уровне 0,03 мг/л, а в воздухе так же, как и для ртути, составляет 0,0003 мг/м³. Комитет экспертов ФАО и ВОЗ установил, что допустимый еженедельный прием свинца для человека составляет 3 мг, а ДСД свинца – 0,007 мг/кг. Это основано на данных о токсичности для взрослых людей и на предположении, что поглощается только 10% принятого с пищей свинца. Установленная величина не относится к грудным и маленьким детям, поскольку не известна степень отрицательного воздействия свинца на эту возрастную группу, хотя существует предположение, что в организме детей усваивается 30–40% поступившего свинца. Ежедневное поступление свинца в организм человека с пищей составляет 0,1–0,5 мг, с водой – 0,02 мг. Содержание свинца в различных продуктах таково: фрукты 0,01–0,6, овощи 0,02–1,6, мясо и рыба 0,01–0,78, молоко 0,01–0,1 (мг/кг).

Для определения свинца используют различные методы, чаще методы атомной абсорбции, эмиссионной спектроскопии, рентгеновской флуоресценции. Для анализа продуктов питания на содержание свинца и кадмия используют также метод переменнотоковой полярографии с ртуным капельным электродом. Для пробоподготовки используется как сухое озоление с добавкой нитрата маг­ния или алюминия и кальция, так и мокрое – смесью азотной и хлорной кислот, применение серной кислоты не реко­мендуется.

Ртуть (Hg) по своим свойствам резко отличается от других металлов: в нормальных условиях ртуть находиться в жидком состоянии, обладает очень слабым сродством к кислороду, не образует гидроксидов. Это высокотоксичный, кумулятивный яд. В организм человека может поступать различными способами, например, при производстве хлора электролитическим методом возможно образование сточных вод, загрязненных хлором, ртутью и ее солями. Присутствие в таких водах ртути даже в ничтожно малых концентрациях (менее 0,001%) способствует подавлению и полному прекращению в них всех биологических процессов. Это делает невозможной очистку воды на полях орошения, на сооружениях искусственной биологической очистки и в естественных водоемах. Ртутные соединения, сбрасываемые в водоемы, имеют свойство накапливаться в рыбе, обычно пропорционально ее возрасту и размеру. Особенно велико содержание ртути в хищных рыбах. При этом метилртуть в рыбе составляет от 50 до 90% общей ртути, а кулинарная тепловая обработка снижает содержание ртути в рыбе лишь на 20%. Иногда источником повышенного содержания ртути в продуктах становится зерно, обработанное ртутьорганическими препаратами, такими как гранозан. Этилмеркурхлорид, являющийся действующим веществом гранозана, обладает большой стойкостью, вследствие чего ошибочное использование протравленного им зерна или продуктов из него для пищевых или кормовых целей может привести к тяжелым отравлениям, даже спустя много времени после его переработки. Токсичность зерна в этом случае сохраняется и после многократного промывания его в воде. Из растительных продуктов ртути более всего содержится в какао-бобах, а, следовательно, и в шоколаде (до 0,1 мг/кг), изготовленном на их основе.

Ртуть и ее соединения поражают кроветворную, ферментативную, нервную системы и почки, вызывают множество различных патологических состояний, и вредны в любых количествах. Ртуть относится к числу элементов, постоянно присутствующих в окружающей среде и живых организмах. Содержание ее в организме человека составляет 13 мг. Кодексным комитетом объединенной комиссии ФАО и ВОЗ установлена недельная безопасная доза присутствия общей ртути – 5 мкг, т.е. пять миллионных долей грамма (!) на каждый килограмм массы человеческого тела. Допустимая суточная доза – 0,3 мг, причем не более 0,2 мг в виде метилртути. Допустимая концентрация металлической ртути в воздухе – 0,0003 мг/м³; для воды хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения ПДК – 0,0005 мг/л, а для водных объектов рыбохозяйственного назначения – 0,0001 мг/л. Что же касается метилртути, то ее доля еще меньше – всего 3,3 мкг/кг массы тела. Прием 1 г ртутной соли смертелен.

Ртуть, как уже говорилось, один из самых опасных и высокотоксичных элементов, обладающий способностью накапливаться в растениях, т.е. является ядом кумулятивного действия. Наиболее токсичны алкилртутные соединения с короткой цепью – метил-, этил- и диметил ртуть. Механизм токсичного действия ртути связан с ее взаимодействием с сульфгидрильными группами белков. Блокируя их, ртуть изменяет свойства или инактивирует ряд жизненно важных ферментов. Неорганические соединения ртути нарушают обмен аскорбиновой кислоты, кальция, меди, цинка, селена, обмен белков, токоферолов и др.

Метилированная форма ртути из-за большей растворимости в жирах быстрее проходит через биологические мембраны по сравнению с неорганической ртутью. Например, метилированная ртуть легче проникает через плаценту, в результате чего воздействует на развивающиеся эмбрион и плод. Выявлены случаи высокой концентрации метилртути в крови новорожденных, в то время как содержание ртути в материнской крови соответствовало норме. При поступлении в организм из окружающей среды ртуть распределяется по органам и субклеточным структурам. В организме ртутные соединения проникают в различные органы и ткани, но больше всего их обнаруживают в крови, печени, почках и головном мозге. В клетках наблюдается неравномерное распределение ртути: 54% накапливается в растворимой фракции, 30% – в ядерной, 11% – в митохондриальной, 6% – в микросомальной. В крови снижается количество эритроцитов, в печени и почках развиваются дегенеративные изменения. В желудочно-кишечном тракте возникают сильные воспалительные процессы. При остром отравлении ртутными соединениями отмечаются характерный металлический вкус во рту, слюнотечение, боли в деснах, зубах, животе, жидкие выделения из желудка, содержащие кровь. В дальнейшем вследствие поражения почек наступает полное прекращение мочеотделения, в организме накапливаются вредные вещества, усугубляющие тяжелое состояние, что приводит к смертельному исходу через 5–6 дней, а иногда и ранее. Выделение ртути из организма осуществляется различными путями, но очень медленно: через желудочно-кишечный тракт (18–20%), почками (40%), слюнными железами (20–25%) и т.д.

Некоторые сильнодействующие соединения ртути (гранозан, меркуран и другие) длительное время использовали в качестве обеззараживающих средств, например для протравливания семян. Хлорид ртути (II) HgCI₂, или сулему, применяли для дезинфекции медицинского инвентаря, лабораторной посуды, поверхностного обеззараживания кожи. Естественно, что при этом не были исключены случаи попадания ее в организм. Использовали растворы с концентрацией от 1:1000 до 1:5000. Однако сулема даже в столь низких концентрациях очень токсична, оказывает повреждающее действие на животные ткани, обладает коррозионными свойствами. Сейчас применение сулемы для дезинфекции строго ограничено. Более эффективными и менее токсичными оказались некоторые органические соединения ртути. Для наружного применения рекомендованы, например, нитрат фенилртути и амидохлорид ртути. Последний применяют в виде 10%-й мази при лечении ран и грибковых поражений кожи. Следует помнить, что применение любых ртутных препаратов требует строгого соблюдения правил предосторожности, поскольку ртуть способна проникать в организм и через кожу.

Защитным эффектом при воздействии ртути на организм обладают цинк и, особенно, селен. Предполагают, что защитное действие селена обусловлено деметилированием ртути и образованием нетоксичного соединения – селено-ртутного комплекса.

В организм человека ртуть поступает в наибольшей степени с рыбопродуктами, в которых ее содержание может многократно превышать ПДК. Мясо рыбы отличается наибольшей концентрацией ртути и ее соединений, поскольку активно аккумулирует их из воды и корма, богатых ртутью. Например, хищные пресноводные рыбы могут содержать от 107 до 509 мкг/кг, нехищные пресноводные рыбы от 78 до 200 мкг/кг, а океанские нехищные рыбы от 300 до 600 мкг/кг ртути. Организм рыб способен синтезировать метилртуть, которая накапливается в печени. У некоторых видов рыб в мышцах содержится белок – металлотионеин, который с различными металлами, в том числе и со ртутью, образует комплексные соединения, способствуя тем самым накапливанию ртути в организме и передаче ее по пищевым цепям. У таких рыб содержание ртути достигает очень высоких концентраций: рыба сабля содержит от 500 до 20 000 мкг/кг. Для других продуктов характерно следующее содержание ртути (мкг/кг). В продуктах животноводства: мясо – 6–20, печень 20–35, почки 20–70, молоко 2–12, сливочное масло 2–5%; в съедобных частях сельскохозяйственных растений: овощи 3–59, фрукты 10–124, зерновые 10–103; в шляпочных грибах 6–447, в перезрелых до 2000 мкг/кг, причем в отличие от растений в грибах может синтезироваться метилртуть. При варке рыбы и мяса концентрация ртути в них снижается, при аналогичной обработке грибов остается неизменной. Это различие объясняется тем, что в грибах ртуть связана с аминогруппами азотсодержащих соединений, в рыбе и мясе – с серосодержащими аминокислотами. Потребление человеком рыбы, даже при концентрации в ней ртути 0,8–1,6 мг/кг приводит к отложению в волосах металла до 50 мг/кг, при этом начинают проявляться признаки отравления. Содержание ртути в волосах более 300 мг/кг угрожает жизни человека.

Наилучшие результаты определения ртути дает метод атомной абсорбции с использованием техники низкотемпературного холодного пара. Этот метод является арбитражным. Для текущих исследований может быть использована колориметрия с иодидом меди (фотометрируют раствор тетрайодмеркуриата меди). Колориметрия с дитизоном не рекомендуется, так как для большин­ства продуктов не позволяет определять величины ПДК. Метилртуть определяют методом газожидкостной хроматографии.

Из-за летучести элемента возможны потери даже при хранении и сушке образца. Поэтому в качестве пробоподготовки рекомендуют только мокрое озоление смесями азотной, серной, иногда хлорной кислот с добавкой перманганата или молибдата при невысоких темпера­турах и в специальной герметичной аппаратуре.

Кадмий (Cd) – высокотоксичный элемент. Кадмий широко применяется в различных отраслях промышленности. В воздух кадмий поступает вместе со свинцом при сжигании топлива на ТЭЦ, с газовыми выбросами предприятий, производящих или использующих кадмий. Загрязнение почвы происходит при оседании кадмий-аэрозолей из воздуха и дополняется внесением минеральных удобрений: суперфосфата (7,2 мг/кг), фосфата калия (4,7 мг/кг), селитры (0,7 мг/кг). Заметно содержание кадмия в навозе, где он обнаруживается в результате следующей цепи переходов: воздух-почва-растения-травоядное животное-навоз. В определенных условиях ионы кадмия, обладая большой подвижностью в почвах, легко переходят в растения, накапливаются в них и затем поступают в организм животных и человека. Содержание кадмия в растительных продуктах зависит от дозы удобрения полей суперфосфатом. Избыток суперфосфата смывается дождями в реку. Туда же несут его и грунтовые воды. Другой могучий источник кадмия – сточные воды гальванических цехов и производств. Кадмий может появиться и в консервном производстве при использовании жестяной тары (соединение деталей которой осуществляется пайкой) при нарушении технологии пайки, применении случайных припоев или некачественных покрытий. Возможны загрязнения пищи кадмием, применяемым для окрашивания пластмасс.

Содержание кадмия в некоторых продуктах (в мкг/кг): горох 15–19, картофель 12–50, помидоры 10–30, растительное масло 10–50, грибы 100–500, молоко 2,4. Установлено, что примерно 80 % кадмия поступает в организм человека с пищей, 20% – через легкие из атмосферы или при курении (в одной сигарете 1,5–2,0 мкг кадмия). С рационом получаем до 150 мкг/кг и выше кадмия в сутки. Кадмий может накапливаться в печени рыб до весьма значительного количества. Установлено и большое содержание его в устрицах. Он может накапливаться и в печени животных.

Подобно ртути и свинцу кадмий не является жизненно необходимым элементом. Попадая в организм, кадмий проявляет сильное токсичное действие, главной мишенью которого являются почки. Отмечены канцерогенный, мутагенный и тератогенный эффекты кадмия. ДСД – 1 мкг/кг массы тела. ПДК кадмия в воде хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения – 0,001 мг/л, в объектах рыбо-хозяйственного назначения 0,005 мг/кг.

Исследования, проведенные на животных различных уровней организации – от микроорганизмов до млекопитающих, – показали, что соли кадмия обладают мутагенными, тератогенными и канцерогенными свойствами и представляют потенциальную генетическую опасность. Кадмий блокирует работу ряда важных для жизнедеятельности организма ферментов. Кроме того, он поражает печень, почки, поджелудочную железу, способен вызвать эмфизему или даже рак легких. Вредность кадмия усугубляется его исключительной кумулятивностью. В связи с этим даже при незначительном количестве поступающего элемента его содержание в почках или в печени может через некоторое время достигнуть опасной концентрации. Кадмий плохо выводится, и от 50 до 75% его от попавшего количества удерживается в организме. Наиболее типичным проявлением отравления кадмием является нарушение процессов поглощения аминокислот, фосфора и кальция в почках. После прекращения действия кадмия повреждения, вызванные его действием в почках, остаются необратимыми. Учеными доказано, что нарушение процессов обмена в почках может привести к изменению минерального состава костей. Следует заметить, что на токсичность кадмия влияет содержание цинка в пищевых продуктах. При достаточном поступлении цинка в организм токсичность кадмия снижается.

Определяют кадмий в продуктах питания методами атомной абсорбции, полярографии, нейтронной активации.

Мышьяк (As) – химический элемент из группы неметаллов, содержится в небольших количествах во всех животных и растительных организмах. Мышьяк – высокотоксичный кумулятивный яд, поражающий нервную систему. Попадает в организм с пищей и накапливается главным образом в печени, селезенке, почках и крови (в эритроцитах), а также волосах и ногтях. Этот факт используется в судебной медицине для проведения анализа волос и ногтей при подозрении на отравление мышьяком. Выделяется мышьяк с потом, мочой и другими продуктами обмена веществ.

Разовая доза мышьяка 30мг является смертельной для человека. Хроническая интоксикация наблюдается при потреблении 1–5 мг в сутки. При остром отравлении симптомы его обычно наступают через 20–30 мин. При этом наблюдаются резко выраженные признаки расстройства желудочно-кишечного тракта, чувство жжения и металлического вкуса во рту. Отмечается резкая общая и сердечная слабость, резкое снижение кровяного давления, потеря сознания. Нередко отравление заканчивается летальным исходом. Если пострадавшего удается вывести из тяжелого состояния, у него наблюдаются угнетение центральной нервной системы, изнурительные боли в конечностях. ФАО и ВОЗ установлена недельная безопасная доза – 5 мкг/кг массы тела. Для более токсичных неорганических соединений мышьяка установлена норма 2 мкг/кг массы тела в сутки.

Поступая из желудочно-кишечного тракта, мышьяк и различные мышьяковистые соединения быстро поглощаются тканями организма, особенно печенью. Токсическое действие мышьяка связано с нарушением им окислительных процессов в тканях вследствие блокады ряда ферментных систем организма (блокированием сульфгидрильных групп ферментов, с которыми мышьяк образует стойкие токсические соединения).

Наиболее быстро под влиянием мышьяка разрушается нервная ткань. Долгое время мышьяк считался классическим ядом, и это привело к постоянному ужесточению его ПДК. В многолетних опытах на животных при определении недостатка мышьяка наблюдались неоднократные случаи внезапной смерти от сердечной недостаточности. Кроме того, дефицит мышьяка вызывает задержку роста животных и деформацию их конечностей. Медики установили, что в малых количествах мышьяк оказывает благотворное действие на организм человека: улучшает кроветворение, повышает усвоение азота и фосфора, ограничивает распад белков и ослабляет окислительные процессы. Эти свойства мышьяка используются при назначении с лечебной целью мышьяковистых препаратов. Неорганические препараты (раствор арсената (III) натрия, мышьяковистый ангидрид и др.) назначают при истощении, малокровии, некоторых кожных заболеваниях. В зубоврачебной практике применяют пасту с мышьяковистым ангидридом («белый мышьяк»). Органические препараты мышьяка применяются при лечении возвратного тифа, малярии и ряда других инфекционных заболеваний.

По действующим нормативам содержание мышьяка в продуктах питания не должен превышать 1 мг/кг. Повышенное содержание мышьяка отмечается в рыбе, ракообразных. ДСД – 0,05 мг/кг массы тела. ПДК в воде хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения – 0,05 мг/л.

Арбитражным методом определения мышьяка является колориметрия с диэтилдити­окарбаматом серебра после отгонки мышьяка из гидролизата (или раствора золы) в виде гидрида или трихлорида мышьяка. В последнее время все чаще используется атомно-абсорбционное определение, но оно возможно только пос­ле предварительного концентрирования мышьяка в виде гидрида AsH₃ и с ис­пользованием графитовой кюветы.

Селен (Se) – один из наиболее токсичных элементов таблицы Менделеева. Попадая в организм селен разрушает стенки мембран эритроцитов. По современным данным, токсическое действие избытка селена проявляется в нарушении им обмена серы в организме. Селен вытесняет серу из серосодержащих аминокислот – метионина, цистина и др. Наряду с этим отрицательное действие избытка селена зависит от свойственного ему химического сродства с гемоглобином. Селен нарушает функции гемоглобина и снижает уровень тканевого дыхания в организме. Имеются сообщения о канцерогенных свойствах селена для человека и животных. В тоже время селен является компонентом глютатионпероксидазы и других ферментов и рассматривается как необходимый элемент для жизнедеятельности организма. Селен открыт около 20 лет назад и его роль в организме раскрывается в последние годы все шире и глубже. Уже известна роль селена в снижении риска сосудистых заболеваний (особенно кардиомиопатии), повышении сопротивляемости к онкологическим заболеваниям, улучшении кровоснабжения кожи. Особенно эффективен селен в сочетании с витамином Е и β-каротином, с которыми проявляет синергичность, что делает их важными компонентами антиоксидантных программ. Селен помогает в сохранении эластичности тканей, предупреждает появление перхоти. Селен – антагонист ртути и мышьяка и способен защищать организм от этих элементов и кадмия, в меньшей степени от свинца и таллия (в последнем случае особое значение имеет витамин Е), обладает выраженным защитным действием по отношению к сперматозоидам и обеспечивает их подвижность. Селен управляет снижением риска рака кожи, легких, желудка и женских половых органов; а умеренное изменение содержания селена ведет к возникновению чувства тревоги и усталости.

Селен поступает в организм человека из почвы с продуктами растениеводства и животноводства, что определяет зависимость уровня обеспеченности микроэлементом от геохимических условий проживания. Содержание селена в продуктах питания городов России (с учетом привозных продуктов) колеблется в пределах (в мкг/кг): мука пшеничная – 80–600, мука ржаная – 6–70, крупы – 10–200, хлеб пшеничный и ржаной (в пересчете на сухую массу) – 60–400 и 50–300 соответственно, говядина – 100–100, колбасы – 60–200, цыплята – 200, рыба 150–450, морепродукты – 300–600, молоко сухое – 10–150, молоко цельное – 10–15, творог, сыры – 100–150, яйца – 100–250. Интересно, что накопителем селена является бледная поганка, очень много селена также в красном мухоморе. Овощи и фрукты содержат крайне мало селена и являются поэтому плохими источниками микроэлемента для человека. Отдельные органы животных (особенно печень, почки) могут накапливать микроэлемент в высоких концентрациях.

ПДК в воде хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения – 0,001 мг/л.

Алюминий (Al) – элемент, который с недавних пор обнаруживает неприятные для человека свойства. Например, проведенные в Англии исследования показали наличие связи между содержанием алюминия в питьевой воде и болезнью Альцгеймера (дегенерация нервных клеток). Алюминий нашел широкое применение в технике и в быту. Поставщиками алюминия в организм человека является алюминевая посуда, если она контактирует с кислой или щелочной средой, причем содержание алюминия может увеличиться в продуктах почти два раза; вода, которая обогащается ионами алюминия при обработке ее сульфатом алюминия на очистительных станциях. Не следует злоупотреблять содержащими гидрооксид алюминия лекарствами (например, понижающими кислотность желудочного сока).

При нарушении деятельности почек происходит накапливание алюминия, сопровождающееся ростом хрупкости костей, развитием различных форм анемии, что связано с нарушением метаболизма кальция, магния, фосфора и фтора. Кроме того, были обнаружены и более грозные проявления токсичности алюминия: нарушения речи, провалы в памяти, нарушение ориентации. Все это позволяет приблизить «безобидный», считавшийся нетоксичным до недавнего времени алюминий, к «мрачной тройке» супертоксикантов: ртуть, свинец, кадмий.

Для определения алюминия может быть использована колориметрия с ауринтрикарбоновой кислотой, 8-оксихинолином, алюминоном или эриохромцианом. Однако в последнее время алюминий чаще всего определят методом атомной абсорбции. Подготовку пробы осуществляют только мокрым озолением.

Хром (Cr) часто относят к вероятно необходимым организму элементам. Его токсическое действие было установлено в 1826 г. Gmelin C.G. вскоре после открытия этого металла, а жизненно важная необходимость для животного организма доказана только в 1956–1957 гг. в опытах K.Schwarz и W.Mertz. Хром может защитить от клинически выраженного диабета, путем усиления способности организма регулировать содержание сахара в крови; создание запасов хрома может помочь в преодолении стресса и расщеплении избыточного жира. Безусловно доказана незаменимость трехвалентного хрома (содержание которого преобладает перед другими его формами в продуктах питания) в процессах обмена углеводов, липидов, утилизации глюкозы в организме. Хром усиливает эффект действия инсулина в периферических тканях организма человека. Дефицит хрома проявляется у подопытных животных угнетением роста и признаками нарушения обмена глюкозы, что приводит к развитию симптомов диабета.

С другой стороны хром известен как мутагенный и канцерогенный металл, что и обусловило его рассмотрение в разделе «Токсичниые элементы». Сам хром и его трехвалентные соединения малотоксичны. Неорганические соединения минимально проходят сквозь кишечный барьер и с трудом проникают в клетки, поэтому Cr (III) фактически нетоксичен и немутагенен. Хроматы в больших дозах токсичны. Наиболее ядовиты соединения шестивалентного хрома. Они характеризуются раздражающим и прижигающим действием на слизистые оболочки и кожу, вызывая их изъязвления. Хром, поступая через дыхательные пути и кожу, может накапливаться в печени, почках (повреждаются почечные канальца), эндокринных железах. В отличие от цинка и меди, хром очень медленно выводится из организма. При незначительных концентрациях хрома в воздухе возникает раздражение слизистой оболочки верхних дыхательных путей, что вызывает насморк, першение в горле, сухой кашель. При более высоких концентрациях могут появиться кровотечения из носа и даже разрушение носовой перегородки. Наряду со специфическим действием на слизистые оболочки соединения хрома обладают общетоксическим действием, поражая желудочно-кишечный тракт. Хронические отравления хромом сопровождаются головными болями, снижением массы тела, поражением почек. Организм приобретает большую склонность к воспалительным и язвенным изменениям желудочно-кишечного тракта и катаральному воспалению легких.

В растениях обнаруживается следующее количество хрома (мкг/кг): во фруктах – 0–200, овощах – 0–360, злаках – 10–520, в моло­ке – 10, мясопродуктах – 20–560, морепродуктах – 10–440. Суточное потребление хрома с пищей в США колеблется от 10 до 100 мкг. Усваивается он примерно на 10%. Этот элемент выделяется из организма преимущественно с мочой, хорошо накапливается в волосах, где его обычно содержится 2 мкг/г.

ПДК в воде, хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения – Cr³⁺ – 0,5 мг/л; Cr⁺⁶ – 0,05 мг/л.

Исследуют хром разнообразными физико-химическими и физическими методами: эмиссионная спектроскопия, атомная абсорбция, нейтронная активация, фотометрически с дифенилкарбазидом.

Олово (Sn) – элемент средней токсичности. Наблюдались случаи массового отравления при потреблении различных соков с содержанием олова 300–500 мг/кг. В консервированных продуктах, особенно в присутствии нитратов, содержание олова из-за жестяной коррозии при длительном хранении может достичь величины, опасной для здоровья.

В разделе «Минеральные вещеста» были рассмотрены важнейшие макро- и микроэлементы, потребность в них и отрицательное влияние на организм. Завершая рассмотрение токсичных элементов, представляется полезным указать причины дефицита и избытка как токсичных, так и жизненно необходимых и вероятно или условно необходимых макро- и микроэлементов.

Причины дефицита и избытка макро- и микроэлементов:

1. Прием очищенных, обработанных и консервированных пищевых продуктов, обработка и смягчение питьевой воды, употребление алкоголя.

2. Прием продуктов с дефицитом или избытком того или иного микроэлемента в зависимости характера земледелия и от того, на какой почве он произрастал. Беларусь – территория, эндемичная по йоду, селену и другим микроэлементам. Так, 50% территории Республики относится к биогеохимическому региону, в котором уровень селена ниже критического (0,1 мкг/кг), особенно Минская, Гродненская и Витебская области (0,05 мкг/кг). Кроме того, даже у мигрантов из других климатогеографических районов, прибывших на обучение в Беларусь, в первые 2–3 года происходит интенсивное снижение микроэлементов в биосредах (например, у студентов из стран Юго-Восточной Азии на 2–3 году обучения снижается на 20–70% содержание марганца, меди, серебра, кобальта). В настоящее время актуальными становятся проблемы влияния геохимической среды на организм человека и животных (промышленное загрязнение почв, воздуха и воды, использование удобрений). Тяжелые металлы являются основным активным ингридиентом в большинстве пестицидов из-за их действенности.

3. Напряжение – физическое или эмоциональное – может вызвать дефицит жизненно-необходимых макро-микроэлементов, а затем на фоне этого и накопление токсичных металлов.

4. Генетика и наследственность – предрасположенность к нарушению обмена микроэлементов. Обычные здоровые люди должны быть способны регулярно выводить из организма определенное количество этих токсичных элементов. Однако иногда организм оказывается настолько перегруженным ими, что уже не может сопротивляться. Некоторые люди биологически более уязвимы, тогда как другие оказываются более стойкими. Это генетический фактор. Сколько ртути или мышьяка, или чего-либо другого достаточно, чтобы отравить организм, зависит от уникальной биохимии каждого конкретного индивида.

5. Лечение ксенобиотиками, чужеродными для человека веществами (синтезированными химическими соединениями). Токсичные элементы присутствуют в некоторых вакцинах (ртуть и алюминий используются в качестве консервантов). Так, мочегонные средства вызывают дефицит калия, магния, кальция, избыток натрия; антациды, цитрамон содержат алюминий; аспирин, контрацептивы, антиаритмические препараты вызывают дисбаланс меди.

6. Тяжелые металлы являются важной составляющей в различных областях современных технологий. Тяжелые металлы присутствуют в амальгамовых пломбах («серебряная» пломба с растворимыми металлами содержит как минимум 50% ртути, 35% алюминия, серебро, олово и иногда медь); во многих антиперсперантах (алюминий); некоторых матрацах и огнезащитных пижамах (мышьяк и сурьма); водопроводной воде; и во многих видах рыбы. Мышьяк используется для предотвращения гниения изделий из дерева (зеленоватое дерево – это дерево, обработанное мышьяком). Если такая древесина используется вблизи садов, то выращенные там «здоровым методом» овощи могут содержать поразительное количество мышьяка. В табаке содержится значительное количество кадмия, в средствах для окрашивания волос присутствует никель.

7. Биологически активные добавки. Неконтролируемый прием большого количества того или иного элемента может вызвать макро- и микроэлементный дисбаланс. Существует большое количество биологически активных минорных компонентов пищи, которые, в отличие от основных нутриентов не восполняют энергетические затраты, а выступают катализаторами обменных процессов. Поэтому прием пищевых добавок должен быть согласован с врачом!