Metale ciężkie

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

Drogi przedostawania się do organizmu:

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

Drogi przedostawania się do organizmu:

-  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

Drogi przedostawania się do organizmu:

- 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

Drogi przedostawania się do organizmu:

-  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

Drogi przedostawania się do organizmu:

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

Drogi przedostawania się do organizmu:

- 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

Drogi przedostawania się do organizmu:

- 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

Wchłanianie i

stosunek do

organizmu

Skutki szkodliwego działania na

organizm

NDS w:

powietrzu

wodzie

glebie

Skóra, usta, drogi
oddechowe,

Bóle głowy, osłabienie pamięci, agresja,
otępienie umysłowe, zaburzeni

toksyczny

psychiczne, bezsenność

0,05 mg/m3
0,1 mg/dm3

15 mg/kg

Cd Układ oddechowy i

pokarmowy,
toksyczny i
rakotwórczy

Odwapnienie i deformacja kości, zanik
mięśni („itai-itai”) i węchu, nadciśnienie,
nowotwory płuc, gruczołów rodnych, jamy
ustnej

0,05 ppm
0,05 ppm

0,1 ppm

Ni Układ oddechowy i

pokarmowy,
mikroelement,
rakotwórczy

Niedobór - zmiana pigmentacji,
zniekształcenia kości, obrzęk stawów,
zwyrodnienie wątroby;
Nadmiar – rak, egzema

1000 ng/m3

5 ppb

Fe Układ pokarmowy,

mikroelement,

Niedobór – niedokrwistość, chloroza, zanik

błon śluzowych
Nadmiar – odkłada się wszędzie

5 mg/m3

0,5 mg/m3

Zn Układ oddechowy i

pokarmowy,
mikroelement,

Niedobór – łysienie, mały wzrost,
ograniczenie funkcji rozrodczych
Nadmiar – niedokrwistość, chloroza roślin,
zaburzenia w metaboliźmie

5 g/m3
5 g/m3

Skóra, usta, drogi
oddechowe,

U człowieka dojrzałego upośledzenie
narządów zmysłów u dzieci ponadto
niedorozwój umysłowy, u płodu:
niedorozwój mózgu, zmysłów, paraliż
kończyn, drżenie rąk i nóg, paraliż mowy

toksyczny

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
(VI)

0,1 0,02

0,02

0,5 0,05

0,05

0,5 0,05

0,05

0,5 0,05

0,05

0,2

brak danych

0,05

0,1

10 0,3

0,1 0,05

0,05

2 3

0,4 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

Huta Zawiercie
piec 140 ton

20,48 43,86 38,51 34,44

3,90 2,30 9,40 11,00

1,10 0,40 2,90 3,00

0,14 0,21 0,32 0,29

0,052 0,040 0,027 0,026

0,33 0,43 0,23 0,13

10,75 3,40 2,95 3,07

0,026 0,011 0,044 0,06

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