Text
                    А.В. СКАЛЬНЫЙ
ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В ФИЗИОЛОГИИ
И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА
Рекомендуется Учебно-методическим объединением
по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России
в качестве учебного пособия для студентов
медицинских и фармацевтических вузов
Москва
ОНИКС 21 век
Мир
2004


УДК 615.01 ББК 24.12 С 42 Скальный А. В. С 42 Химические элементы в физиологии и экологии человека. — М.: Издательский дом «ОНИКС 21 век»: Мир, 2004. — 216 с, ил. ISBN 5-329-00942-1 (ОНИКС 21 век) ISBN 5-03-003648-5 (Мир) В книге представлены сведения о свойствах наиболее изученных химических элементов и области их применения в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, фармации. Описаны их физиологиче- ская роль, экологическое значение, распространенность в биосфере. Материал представлен в удобной для пользователя структурированной форме, облегчающей усвоение материала. Книга предназначена для преподавателей и учащихся медицинских и фармацевтических вузов, а также будет полезна врачам всех специ- альностей, провизорам, научным сотрудникам, аспирантам и соиска- телям ученых степеней в медицине, биологии, химии и экологии, специалистам спортивной медицины, физической культуры, природо- охранных организаций и учреждений. УДК 615.01 ББК 24.12 ISBN 5-329-00942-1 (ОНИКС 21 век) © А. В. Скальный, 2004 ISBN 5-03-003648-5 (Мир) © ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век», дизайн обложки, 2004
Содержание Химические элементы в физиологии и экологии человека 6 Глава 1. Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека 1.1. История открытия эссенциальности химических элементов 8 1.2. Учение о биосфере 12 1.3. Биогеохимические провинции 13 1.4. Химические элементы и их биологическая классификация 18 1.5. Взаимодействие химических элементов в организме 25 1.4.1. Взаимодействия между макро-и микроэлементами ... 25 1.4.2. Взаимодействие минеральных элементов с другими нутриентами 30 1.6. Роль химических элементов в механизмах адаптации человека к воздействиям неблагоприятных факторов 31 1.7. Поступление и распределение химических элементов в организме человека 37 1.8. Биосфера как источник химических элементов. Роль природных факторов в поддержании элементного гомеостаза в организме 39 1.9. Регуляция баланса химических элементов между внутренней и внешней средами организма человека 44 Глава 2. Химические элементы в современной медицине 2.1. Учение о биотиках 47 2.2. Микроэлементозыиатомовитозычеловека 49 2.3. Концепция биоэлементов — новое направление в естествознании 55 2.4. Современные методы определения химических элементов в биосубстратах человека 55 2.5. Клинико-лабораторные методы оценки элементного статуса человека 60 2.6. Система мероприятий, направленных на оптимизацию элементного баланса на индивидуальном и популяционном уровнях 62
Глава 3. Химические элементы — органогены 0. Кислород 65 С. Углерод 68 N. Азот 72 Глава 4. Химические элементы — макроэлементы Са. Кальций 79 Р. Фосфор 84 К. Калий 89 Na. Натрий 94 Mg. Магний 99 Глава 5. Химические элементы — жизненно необходимые элементы Fe. Железо 104 Цинк. Zn 109 Си. Медь 114 Мп. Марганец 119 Мо. Молибден 123 Со. Кобальт 127 Сг. Хром 131 Se. Селен 136 1. Йод 140 Глава 6. Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы F. Фтор 146 В. Бор 150 Si. Кремний 154 Ni. Никель 158 V. Ванадий 161 Вг. Бром 164 As. Мышьяк 166 Li. Литий 171 Глава 7. Химические элементы — токсичные микроэлементы Sn. Олово 174 Ag. Серебро 177 Sr. Стронций 180 Ti. Титан 183 А1. Алюминий 185 РЬ. Свинец 190
Cd. Кадмий 194 Hg. Ртуть 198 Tl. Таллий 202 Bi. Висмут 205 Be. Бериллий 208 Литература к главам 1-2 211 Литература к главам 3-6 214
Наблюдай, изучай и читай, чтобы ты был в состоянии преодолеть еще оставшиеся у тебя сомнения и продвигался к дальнейшему изучению и постижению, ибо жизнь без познания означает смерть и бесславное погребение (Сенека) ПРЕДИСЛОВИЕ Для успешного решения задач по улучшению качества жиз- ни населения России необходимо иметь представление об «эколо- гическом портрете» каждого человека, группы, контингентов и всего населения в целом. Определение экологического портрета было дано Н. А. Агад- жаняном в 1981 году. Экологический портрет — это совокупность генетически обусловленных свойств и наследственных морфо- функциональных признаков, характеризующих специфическую адаптацию индивидуума к конкретному набору основных факто- ров среды обитания. Химические элементы являются одним из компонентов экологического портрета человека. Обмен химичес- ких элементов между внешней и внутренней средами организма являются системообразующим фактором гомеостаза, что в значи- тельной степени обусловливает актуальность их изучения в меди- цине, физиологии и экологии человека. В последние десятилетия отмечается ухудшение состояния общественного здоровья, связанное с воздействием факторов со- циально-экономического и экологического характера. Этот нега- тивный процесс с одной стороны, выражается в увеличении коли- чества хронических заболеваний и росте смертности, особенно в трудоспособных группах и у детей, а с другой — в снижении рож- даемости и средней продолжительности жизни населения. Учитывая тот факт, что здоровье населения является инерт- ным показателем и разрыв между влиянием факторов и неблагоп- риятными эффектами в здоровье составляет продолжительное вре- мя, можно с большой долей уверенности прогнозировать дальнейшее ухудшение состояния здоровья населения России.
Особое место в нарушении физиологических процессов и фор- мировании патологических проявлений у человека принадлежит окружающей среде. Более двух третей населения нашей страны проживают в условиях загрязненной атмосферы, не соответству- ющей гигиеническим нормативам, более 50 млн. человек испы- тывают воздействие вредных веществ, превышающих ПДК в 10 раз. Повышенные концентрации тяжелых металлов в окружаю- щей среде, таких как Pb, Cd, Hg и ряда других, антропогенно и природно обусловленные дефициты жизненно важных микроэле- ментов Fe, J, Se, Zn и других создали во многих регионах страны неблагоприятные условия для жизнедеятельности человека, рос- та и развития детского населения. В настоящее время в Российской Федерации применяются разнообразные системы мониторинга процессов и явлений, име- ющих отношение к здоровью населения и среды его обитания. К таким системам в первую очередь относятся социально-гигиени- ческий мониторинг Минздрава России, единая государственная система экологического мониторинга Госкомэкологии России, го- сударственная система мониторинга окружающей природной сре- ды Роскомгидротеста и ряд других. Вместе с тем, указанные системы наблюдения, оценки и про- гнозов нацелены на решение различных задач. В результате, как на федеральном, так и на региональном уров- не отсутствует единая информация о влиянии природных, антро- погенных и социальных факторов на здоровье граждан России. Отсутствие комплексного подхода в решении такой задачи при- водит к дублированию, излишним тратам материальных ресур- сов, созданию многочисленных региональных программ и, тем самым, к снижению эффективности решений по минимизации воздействия отдельных факторов или их сочетания на здоровье населения, особенно в неблагополучных регионах страны. Необ- ходимость детального рассмотрения нарушений баланса химичес- ких элементов у человека под влиянием внешних и внутренних неблагоприятных факторов и продиктовано создание данного учеб- ного пособия. А. В. Скальный
Так много надо знать, так мало дано жить, а жизнь без знания - не жизнь (Б. Грасиан) Глава 1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ИХ РОЛЬ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА 1.1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЭССЕНЦИАЛЬНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Применение минералов и металлов в лечебных целях было из- вестно еще со времен древнейших цивилизаций Китая, Индии и Месопотамии. Новый импульс применению солей в качестве ле- карств отмечен во времена Парацельса (XV век). Вплоть до начала XX века металлы и их соединения широко использовались в ме- дицине (табл. 1). Огромное влияние на развитие учения о микро- элементах оказало создание в 1869 Д.И. Менделеевым периоди- ческой системы элементов. Всплеск интереса к изучению биологической роли микроэле- ментов в СССР наблюдался с конца 50-х и до начала 80-х годов XX века, после выхода в свет монографии профессора В. И. Войнара, которого по праву можно считать основателем медицинской эле- ментологии в нашей стране. Учениками В. И. Вернадского, А. П. Виноградова и В. В. Ковальского (Институт геохимии и ана- литической химии АН СССР) и В. И. Войнара (Донецкий меди- цинский институт), а также Г. А. Бабенко (Ивано-Франковский медицинский институт), Б. А. Ягодиным (Тимирязевская сельс- кохозяйственная академия) и А. П. Авцыным (НИИ морфологии человека РАМН), были созданы научные школы, активно исполь- зовавшие полученные в научных лабораториях данные в интере- сах практической медицины, биологии и сельского хозяйства. В течение 60-80-х годов в СССР были проведены 10 Всесоюзных сим- позиумов «Микроэлементы в медицине, биологии и сельском хо- зяйстве», выпускались ежегодные бюллетени «Микроэлементы в медицине» и «Микроэлементы в СССР». Однако с распадом СССР 8
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека Дата Таблица 1 История изучения роли химических элементов в питании животных и человека (noPais, Jones, 1997 с доп. А. В. Скального, 2003) Событие 29 Падение Фив ускорилось из-за падежа крупного рога- того скота (вызванного неизвестными факторами), хотя его пасли на прекрасных пастбищах 40-120 Домашних животных во времена Плутарха кормили солью 23-79 Виргилий и Плиний рекомендовали различные соли для увеличения производства молока 1295 Клинические случаи отравления селеном пастбищного скота в Китае были подробно описаны Марко Поло до 1680 Сиденхэм лечил анемию железными опилками 1747 Менгини обнаружил в крови железо 1748 Ганн сообщил, что в костях присутствует фосфор 1770 Шили обнаружил, что в костях содержится фосфат кальция 1784 Шили нашел в протеинах серу 1791 Фордис показал, что помимо зерен, канарейки нужда- ются в добавках «известковой земли». 1811-1825 Исследования Курту а, Койнде и Буссингаля привели к открытию йода и, особенно, того, что йод является единственным средством против заболеваний щитовид- ной железы 1823 Пруст обнаружил хлор в соляной кислоте желудочного сока 1842 Шосса установил, что голубям необходим кальций для роста костей 1847 Либиг обнаружил калий в тканях животных 1850-1854 Шатен опубликовал результаты исследований связи дефицита иода в окружающей среде со случаями эндемических заболеваний щитовидной железы у человека и животных 1869 Создание периодической системы элементов Д.И.Мен- делеевым
Глава 1 1869 Ролан открыл важность цинка для микроорганизма Aspergillus niger 1873 Фон Бюнге выдвинул гипотезу об антагонизме между натрием и калием и между натрием и хлором 1880 Форстер показал, что животным требуются микроэле- менты, и что кормление собак только мясом приводит к дефицитам 1893-1899 Фон Бюнге и Абдерхальден показали, что молодые животные, получающие только молоко, дополнительно нуждаются в железе 1905 Бэбкок изучил потребности крупного рогатого скота в соли, отмечая ее особенное значение для дойных коров 1919 Кенделл выделил и назвал тироксин щитовидной железы; было обнаружено, что этот гормон содержит 65% йода 1920 Бертран во Франции и МакХаргью в Соединенных Штатах начали использовать очищенные диеты для изучения роли различных минералов и потребности в них 1922 Бертран и Берзон показали, что цинк необходим для развития крыс и роста волос 1924 Тейлер и его коллеги изучили дефицит фосфора у пастбищного скота и обнаружили, что добавки коррек- тируют поражения костей (?), предотвращают потери от ботулизма и увеличивают показатели роста и воспроизводства 1926 Лерой показал, что магний ускоряет рост мышей 1928 Харт с коллегами показал, что медь, помимо железа, необходима для образования гемоглобина 1928-1933 Уорберг установил, что дыхательные ферменты живот- ных содержат группу ферропорфирина 1931 Нил, Беккер и Шили установили, что медь является важным элементом для жвачных животных 1931 Кимерер и МакКоллум показали, что марганец необхо- дим для крыс и мышей и что их дефицит вызывает тетанию 1920-1932 В. И. Вернадский — основатель биогеохимии, опубли- ковал работы, показавшие связь между химическим составом живых организмов и химией земной коры 10
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека 1933 Сьолемма связал болезнь опорно-двигательного аппа- рата у скота («лизуха») с дефицитом меди 1935 Фрэнк и Поттер определили наличие селена в корме как фактора, отвечающего за щелочную болезнь домашнего скота 1935 Дункан и Хоффман наблюдали случаи тетании у телят, вызванные низким содержанием магния в молоке 1935 Андервуд и Фильмер и, независимо от них, Марстон и Лине обнаружили, что энзоотический маразм у овец вызван дефицитом кобальта 1936-1937 Вильгус, Норрис и Хаузер сообщили, что дефицит марганца приводит к перозису у цыплят 1937 Беккер и коллеги установили, что состояние «соляной болезни» скота во Флориде вызвано комбинацией дефицитов кобальта, меди и железа на пастбищах 1937 Беннетс и Чепмен показали, что энзоотическая атак- сия новорожденных ягнят вызвана тем, что овцы получали недостаточно меди во время беременности 1938 Фергюсон, Льюис и Уотсон показали, что токсичность молибдена приводит к сильной диарее пастбищного скота 1938-1942 Хевеши и другие начали использовать радиоизотопы для изучения минерального обмена 1940 Лейли и Манн сообщили, что цинк является компо- нентом фермента карбоангидразы 1946 Маултон установил, что малые концентрации фтора в питьевой воде предотвращают кариес зубов 1946-1949 А. П. Виноградов сформулировал понятие о биогеохи- мических провинциях 1948 Рикс и коллеги и, независимо от них, Смит показали, что кобальт является неотъемлемой частью витамина В12 1950-1954 Дик отметил метаболическую взаимосвязь между медью, молибденом и неорганическими сульфатами у жвачных животных 1953 Ричерт и Вестерфилд выделили молибден из металло- фермента ксантиновой оксидазы 1954 Ниди и Хорбах обнаружили, что высокие концентра- ции фтора в питьевой воде приводят к пятнам на зубной эмали _ 11
Глава 1 1955 Тукер и Сальмон открыли, что паракератоз и глубокие поражения кожи вызваны дефицитом цинка в свинине 1957 Шварц и Фольц определили, что селен является фактором, предотвращающим некроз печени у крыс. Выход первой в СССР монографии по биологической роли микроэлементов (В. И. Войнар) 1958-1959 Скотт предотвратил развитие эксудативного диатеза у домашней птицы с помощью селена, в то время как Мут, Олдфилд, Реммерт, МакЛин, Томпсон, Клакстон и другие предотвратили «беломышечную болезнь» у жвачных животных с помощью этого элемента 1959 Шварц и Мерц показали, что хром необходим для метаболизма глюкозы 1961 А. И. Венчиков создал учение о биотиках 1960-1980 Активная деятельность В. В. Ковальского и его шко- лы в СССР в области биогеохимии 1970-1984 Данные об эссенциальности ряда микроэлементов (мышьяк, бор, свинец, литий, никель, кремний, олово и ванадий) (Анке, Нильсен и др.) 1983 Создание учения о микроэлементозах (А. П. Авцын, А. А. Жаворонков, М. А. Риш, Л. С. Строчкова) активная деятельность по развитию учения о биологической роли микроэлементов была, к сожалению, приостановлена и едва не пре- рвалась нить, связующая старшее и молодое поколения ученых. Несмотря на тяжелейшие условия неразберихи, разброда и шата- ния 90-х годов мне и моим коллегам, а также профессору В. Л. Сусликову из Чувашского государственного университета, уче- никам А. П. Авцына из НИИ морфологии человека и ряду других ученых удалось выстоять и продолжить научную работу на этом важнейшем направлении науки. 1.2. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ Биосфера (от греч, bios — жизнь и sphaira — шар), область су- ществования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы (аэробиосфера), всю гид- росферу (гидробиосфера), поверхность суши (террабиосфера) и вер- 12 _
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека хние слои литосферы (литобиосфера). Термин «биосфера» введен австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 году. Биосфера является активной оболочкой Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор пла- нетарного масштаба. Термин и понятие биосфера включает в себя как живые организмы (живое вещество), так и среду их обитания. При этом организмы, взаимодействуя друг с другом, представля- ют органически целостную и динамическую систему, составляю- щую единое целое с абиотическими сферами (атмосферой, литос- ферой и гидросферой). Биосфера это сложная функциональная структура. Собственно как над, так и под биосферой (эубиосфе- рой) лежат слои, куда живое попадает лишь случайно (парабиос- фера и мета-биосфера), за их пределами жизнь невозможна. По последним данным общая толща эубиосферы оценивается в 12-17 км — она простирается максимально на 5-6 км в глубь ли- тосферы, до дна Мирового океана, и на 6-7 километров над повер- хностью Земли. Биосфера является самой крупной экосистемой земного шара. Помимо морфологических структур, она делится на подсистемы более низкого иерархического уровня: экосисте- мы суши, океана, верхнего слоя литосферы и нижнего слоя атмос- феры. Экосистема суши делится в свою очередь на биогеографи- ческие области, а они на природные пояса — биомы и т. д. Биосфера характеризуется большим кругом биотического обмена веществ. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли было со- здано и сформулировано в законченном виде гениальным мысли- телем XX столетия В. И. Вернадским. Безусловно, это учение яв- ляется одним из крупнейших и фундаментальных обобщений в области естествознания. Его оригинальные воззрения на жизнь и все живое произвели переворот в современных представлениях о природе. Весьма актуальное и первостепенное значение приобре- тают точные и объективные данные о закономерностях функцио- нирования и пределах устойчивости биосферы, как жизненно важной глобальной экологической системы. 1.3. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОВИНЦИИ В процессе эволюции организмы адаптировались к определен- ному химическому составу среды. Это объясняет, с одной стороны, разнообразие химического состава флоры и фауны, а с другой опре- 13
вышенную чувствительность организмов к изменениям деляе ии в среДе тех или иных элементов, и особенно микро- и ультрамикроэлементов (Е. J. Underwood, 1971; В. Momcilovic, 1987; В. В. Ковальский, 1987, Н. А. Агаджанян, А. В. Скальный, 2001). Несмотря на очевидные успехи в области геохимии литосфе- ры, океана, космохимии и биологии, мы плохо знаем среду своего обитания, ее свойства и тенденции эволюции. Хозяйственная и геологическая деятельность человека настолько велика, что охва- ченная техногенезом биосфера уже не является оптимальной, что ставит под угрозу существование человека как вида (В. В. Ерма- ков, 1999). Поскольку состав поверхности земли неоднородный, на ней обнаруживаются области с повышенным или пониженным содер- жанием тех или иных химических элементов. Эти области, отли- чающиеся от соседних областей по содержанию в них химичес- ких элементов (соединений) и вследствие этого вызывающие различную биологическую реакцию со стороны местной флоры и фауны, получили название биогеохимических провинций (А. П. Виноградов, 1935; В. В. Ковальский, 1974; Т. И. Алексеева, 1977; А. А. Кист, 1987; В. В. Ермаков, 1999). Учение о геохимических провинциях сформировалось в Ин- ституте геохимии и аналитической химии на основе биосферных идей В. И. Вернадского. В 1928 году этот великий ученый создал в Москве биогеохимическую лабораторию АН СССР, которая ус- пешно функционирует и в настоящее время. Работы этой лабора- тории выявили гетерогенность геохимической среды и живого ве- щества, а также тесную связь между содержанием химических элементов в пищевых цепях и состоянием жизнедеятельности организмов. Биологические реакции организмов на изменение геохими- ческих факторов могут проявляться в следующих формах: а) толерантности (приспособляемости); б) образовании новых рас, видов, подвидов; в) эндемических заболеваний; г) уродств и гибели организмов. Последние формы проявляются в случаях резкой недостаточнос- ти или избыточности какого-либо элемента в среде (рис. 1, по В. В. Ковальский, 1974; В. И. Георгиевский, Б. Н. Анненков, В. Т. Самохин, 1979; А. П. Авцын с соавт., 1991; В. Л. Сусликов, 1999). 14 ^^^^^^^^^
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека Как показано руководителем биогеохимической лаборатории В. В. Ермаковым, биогеохимические провинции являются центра- ми выраженной изменчивости обмена веществ организмов. В экст- ремальных геохимических условиях возможны мутации различ- ных организмов и обостренный естественный отбор, в результате чего могут возникать популяции с новыми биохимическими и мор- фологическими признаками. Существенную роль играют такие факторы, как чувствительность видов или индивидуумов в преде- лах популяций, а также возможность накопления микроэлементов и процесс синтеза элементорганических соединений. Наиболее органичная связь между геохимической средой и организмом на- шла свое отражение в гоехимической экологии — новом направле- нии, созданном В. В. Ковальским (В. В. Ермаков, 1999). 15
жения биогеохимии и геохимической экологии легли в сновугеохимического районирования биосферы. °С По мнению В. В. Ковальского (1974), основным критерием биогеохимического районирования должна быть изменчивость биохимических пищевых цепей в различных геохимических ус- ловиях. Согласно выдвинутой им концепции, накопление хими- ческих элементов организмами определяется не только их биоло- гической природой и геохимией среды, но и пищевыми цепями, через которые осуществляется связь организмов и среды (почво- образующие породы, почвы, микроорганизмы, вода, воздух, рас- тения, животные, человек). В пищевой цепи может происходить уменьшение концентрации одних химических элементов и на- копление других (рис. 2). Изучение влияния недостатка или избытка элементов на из- менчивость биогеохимических пищевых цепей, промежуточный обмен веществ, адаптацию организмов к условиям среды и воз- никновение эндемий составляет предмет и задачи нового раздела науки — биогеохимической экологии (В. В. Ермаков, 1999). Доказано, что от химического элементного состава среды обитания организмов зависит их морфологическая и физиологи- ческая изменчивость, размножение, рост и развитие. Поэтому нарушение баланса химических элементов в среде, как это про- исходит в биогеохимических провинциях, вызывает патологи- ческие изменения в организме животных и человека (Л. И. Жук, Микроэлементы почвы Растения Микроэлементы горных пород Микроэлементы воздуха Корма и пищевые растительные вещества \ Организмы человека и животных Микроэлементы воды Животные (промежуточные) звенья Корма и пищевые вещества животного происхождения Рис. 2. Биогеохимические пищевые цепи химических элементов (В.В.Ковальский, 1974) 16
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека А. А. Кист, 1990; Ю. Г. Покатилов, 1993; Экогеохимия Запад- ной Сибири, 1996). Становится очевидным, что наряду с биогео- химическими эндемиями природного происхождения, следует изучать эндемические болезни, являющиеся реакцией на ано- мальный состав природной среды, измененной техногенной де- ятельностью человека — антропобиогеохимические провинции и заболевания (Т. М. Белякова, 1999). Использование огромных масс химических элементов, обус- ловленное техногенезом, пока не сказывается на глобальных цик- лах химических элементов, поддерживающих целостность био- сферы. Но в будущем ряд техногенных процессов может оказать заметное влияние на миграцию элементов в биосфере (блокирова- ние атмосферного азота, окисление серы и углерода, повышение кислотности природных вод), способствуя образованию техноген- ных провинций в результате изменения биогеохимических цик- лов отдельных химических элементов и их групп. Несомненно, более глубокого подхода требует и оценка биоло- гических реакций организмов на экстремальные техногенные и природные факторы среды. Для этого кроме клинических, мор- фологических и биохимических исследований уместно использо- вать генетический скрининг, включая микросомальное активи- рование, исследовать мутагенное действие на организмы, в частности на млекопитающих, применять токсикологические и иммунологические методы. Следует подчеркнуть комплексность биогеохимических к биосферных проблем, которое может быть решено только совмест- ными усилиями самых разных специалистов. Еще В. И. Вернад- ский отмечал: «Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам. Это позволяет, с одной стороны, чрезвычайно уг- лубляться в изучаемые явления, а с другой — расширять охват их со всех точек зрения». Поэтому для решения той или иной биоге- охимической проблемы целесообразно создавать комплексные биогеохимические группы или научные объединения, имеющие в своем составе специалистов различного профиля. Умело сочетая геологические, химические и биологические начала биогеохимии, В. В. Ковальский наиболее полно выразил значение последних, дав мощный импульс развитию прикладных направлений в медицине, ветеринарии, растениеводстве, эволю- ционной биогеохимии. 17
антропогенного фактора, отрицательно влия- Среди ввщесмь1> наибольшее значение имеют некоторые виды ющихна°Рга^оМПОненты минеральных удобрений (проблемы пестицид ^итрОЗаминов), радионуклиды и некоторые токсич- яятра^иЧеские элементы (ртуть, кадмий, свинец, таллий, мы- ЯЫ<як, селен, фтор), а также их соединения. Многие из них канце- рогенны и обладают мутагенным действием. А генетические изменения проявляются не сразу. Однажды возникнув, патоло- гические и полезные мутации длительное время сохраняются и переходят из поколения в поколение. Следует отметить, что в зависимости от характера загрязне- ния среды, у человека поражаются те или иные системы органов (P. Grandjean, S. H. Saudel, R. D. Kimbraush, 1991; Е. В. Савилов, С. И. Колесников, Г. Н. Красовский, 1996). Материалы исследо- вания многих авторов свидетельствуют, что структура патологи- ческих процессов имеет как общие моменты, так и особенности, связанные с эколого-географической характеристикой региона (Л. А. Решетник, 2000; А. А. Жаворонков, Л. М. Михалева, 1999; А. В. Скальный, 2000, А. В. Скальный, А. Т. Быков, 2003). 1.4. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ Микроэлементы (МЭ) — это группа химических элементов, которые содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах, в пределах 10~3-10~12% от общей массы тела. Единственной характерной чертой МЭ является их низкая кон- центрация в живых тканях. МЭ это не случайные ингредиенты тканей и жидкостей живых организмов, а компоненты законо- мерно существующей очень древней и сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития. Вторую значительную группу элементов составляют токсичные микроэлементы. Если при гипомикроэлементозах (заболеваниях, вызываемых дефицитом эссенциальных МЭ) мы сталкиваемся с болезнями недостаточности, то при контакте организма с токсич- ными МЭ, возникает синдром интоксикаций (токсикопатий). Сложность проблемы состоит в том, что сами эссенциальные МЭ при определенных условиях могут вызывать токсичные реак- 18
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека ции, а отдельные токсические МЭ при определенной дозировке и экспозиции могут обнаруживать свойства эссенциальных МЭ, т. е. оказываться полезными и даже жизненно важными. Поэтому при приеме препаратов, содержащих минералы и микроэлементы очень важно знать суточную потребность челове- ка, а также усвояемость каждого из них в желудочно-кишечном тракте и взаимодействие основных элементов при их одновремен- ном потреблении. По классификации, основанной на количественном призна- ке, все минеральные элементы делятся на три группы в соответ- ствии с их содержанием в организме: макроэлементы, микроэле- менты (МЭ) и ультрамикроэлементы (табл. 2). Система классификации по количественному признаку про- ста и удобна, но она не дает ответа на главный вопрос — какова биологическая роль того или иного элемента в организме. Кроме того, количественное содержание некоторых элементов в организ- ме может значительно варьироваться в зависимости от среды оби- тания человека, его рациона питания и трудовой принадлежнос- ти (это утверждение, в частности, относится к фтору, ванадию, селену, стронцию, молибдену и кадмию). По мнению ряда исследователей, микро- и ультрамикроэле- менты вообще не следует отождествлять с минеральными веще- Таблица 2 Среднее содержание минеральных элементов в организме млекопитающих Концентрация в % к массе тела 1-9 0,1-0,9 0,01-0,09 0,001-0,009 0,0001-0,0009 0,00001-0,00009 0,000001-0,000009 Элементы Са Р, К, Na, S, C1 Mg Fe, Br, Cd, Se, Ti, Sc, Zn, F, Sr, Mo, Cu Si, Cs, J, Mn, Al, B, Rb Pb Co, V, Cr, As, Ni, Li, Ba, Ag, Sn, Be, Ga, Ge, Hg, Zr, Bi, Sb, U, Th, Rh Группа Макроэлементы Микроэлементы Ультрамикроэлементы 19
Глава 1 ствами по той причине, что в организме они содержатся главным образом в виде органических соединений или комплексов, обла- дающих биологической активностью. Однако это обстоятельство, по-видимому, не может быть основанием для обособления микро- элементов в особую группу биологически активных веществ. При современном уровне знаний метаболизм любого мине- рального элемента нельзя рассматривать только лишь в аспекте динамики его неорганических солей. С точки же зрения науки о питании микроэлементы являют- ся столь же необходимыми компонентами питания, как и другие минеральные элементы, независимо от того, в какой форме они поступают в организм. Классификация, основанная на биологической роли элемен- тов, представляет наибольший интерес для физиологов, биохими- ков и специалистов в области питания человека (табл. 3). Согласно этой классификации, минеральные элементы, об- наруженные в организме делят на три группы: 1) жизненно необходимые (биогенные, эссенциальные элементы); 2) вероятно (условно) необходимые (условно эссенциальные эле- менты); 3) элементы с малоизученной или неизвестной ролью. Таблица 3 Классификация МЭ по биологической роли для млекопитающих животных Жизненно необходимые элементы Кальций Фосфор Калий Хлор Натрий Цинк Марганец Молибден Йод Селен Сера Магний Железо Медь Кобальт Вероятно необходимые элементы Фтор Кремний Титан Ванадий Хром Никель Мышьяк Бром Стронций Кадмий Элементы с малоизученной ролью Литий Бор Алюминий Германий Цирконий Олово Цезий Ртуть Висмут Торий Бериллий Скандий Галлий Рубидий Серебро Сурьма Барий Свинец Радий Уран 20
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека Для большинства млекопитающих животных, в том числе и человека, эту классификацию можно представить следующим образом (рис. 3, по В. И. Георгиевскому, Б. Н. Анненкову, В. Т. Самохину, 1979): Группа эссенциальных элементов включает в себя все макро- элементы, часть микро- и ультамикроэлементов. Это подтвержда- ет мысль о том, что порядок концентрации того или иного микро- элемента в организме еще не определяет его биологического значения. Элемент может быть отнесен к группе эссенциальных, если он удовлетворяет следующим требованиям: • постоянно присутствует в организме в количествах, сходных у разных индивидуумов; • ткани по содержанию данного элемента всегда располагаются в определенном порядке; Биоэлементы Органические ^-~~~" ******* Неорганические Ультрамикроэлементы С неустановленной ролью Са.Мд K,Na Р (фосфат) S (сульфат) CI (хлорид) Fe.Zn, Mn Си, Со 1 (ЙОДИД) Мо(молибдат) Se (селенит) Sr, Ti, Ni Cd Cr F (фторид) Si (сликат) Br (бромид) \/(ванадат) As(арсенат) Cs.AI Pb, В Rb Li, Bi, Sc Ga.Ge.Zr Ag.Sn.Sb Ba, Hg, Re Th Рис. З. Схема классификации элементов тела с учетом их концентрации и биологической роли в организме, (по В. И. Георгиевский, Б. Н. Анненков, В. Т. Самохин, 1979) 21
Глава 1 • синтетический рацион, не содержащий этого элемента, вызы- вает у животных характерные симптомы недостаточности и оп- ределенные биохимические изменения в тканях; • эти симптомы и изменения могут быть предотвращены или ус- транены путем добавления данного элемента в пищу. Всем перечисленным требованиям в свете современных дан- ных удовлетворяют 15 элементов, представленных на рис. 3 как «жизненно необходимые» (оговоримся, что речь идет о высших позвоночных животных и человеке). Даже такой элемент, как фтор, обладающий очевидным профилактическим эффектом про- тив кариеса зубов и, по-видимому, способствующий костеобразо- ванию, не включен в эту группу. Дело в том, что до настоящего времени не удалось воспроизвести симптомы недостаточности фтора в эксперименте при содержании на рационе, дефицитном по этому элементу. Необходимо отметить, что воспроизведение пищевой недостаточности иногда затруднительно вследствие чрез- вычайно малой потребности организма в изучаемых элементах и наличия их следов в компонентах очищенного рациона (соевом белке, глюкозе, сахарозе, желатине, казеине и пр.). Среди 15 жизненно необходимых элементов девять являются катионами — это кальций (Са2+), натрий (Na+), калий (К^), маг- ний (Mg2+), марганец (Мп2+), цинк (Zn2+), железо (Fe2+), медь (Си2+) и кобальт (Со2+). Шесть других являются анионами или со- держатся в сложных анионных группировках, — хлорид (СГ), йодид (J~), фосфат (РО43~), сульфат (SO24~), молибдат (МоО23~) и селенит (SeO23~). Вероятно, что необходимые элементы (или условно эссенци- альные) также можно обнаружить в различных биосредах в отно- сительно стабильных количествах, однако они не удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям. Участие этих элементов в обменных процессах может ограничиваться отдельными тканя- ми и в ряде случаев требует экспериментального подтверждения. Что касается элементов, роль которых в организме мало изу- чена или неизвестна, то многие из них, по-видимому, случайно накапливаются в организме, поступая с пищей и не выполняя какой-либо полезной функции. Однако строго ограничивать груп- пу биогенных элементов тоже нельзя, поскольку возможно откры- тие биологической роли новых элементов. Например, в последние годы установлена биотическая роль селена, появились экспери- 22 ^^^^^^^^^^
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека ментальные и клинические данные об участии в метаболических процессах фтора, хрома, кремния, мышьяка. Классификация элементов по степени их биогенности, как и две предыдущие, имеет существенные недостатки: она имеет слиш- ком общий вид, не отражает механизма влияния минеральных эле- ментов на организм и не позволяет достаточно точно предвидеть возможную биологическую роль или токсикологический эффект того или иного элемента. В настоящее время исследователи вынуж- дены давать индивидуальную оценку каждому элементу. Основу живых систем составляют 6 элементов, так называе- мых органогенов. К ним относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Органогены по своему содержанию в организ- ме относятся к макроэлементам, составляя 97,4% массы живого организма, и играют важнейшую роль в поддержании жизнедея- тельности. Для органогенов характерно образование водораство- римых соединений, что способствует их концентрированию в живых организмах. Разнообразие биомолекул в живых организ- мах определяется способностью органогенов к образованию мно- жества различных химических связей. Из органогенов, или «орга- нических макроэлементов», в основном состоят углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Главная функция макроэлементов состоит в построении тка- ней, поддержании постоянства осмотического давления, ионно- го и кислотно-основного состава. Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов и биологически активных ве- ществ в качестве комплексообразователей или активаторов, уча- ствуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом ды- хании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления-восста- новления, проницаемость сосудов и тканей (Ю. А. Ершов с со- авт., 1989). По данным F. Kieffer (1990) (табл. 4), содержание основных элементов в теле человека, таких как ванадий, хром, марганец, ко- бальт, никель, медь, селен, молибден, олово, йод находится в пре- делах между 3 и 100 мг на 70 кг веса. Возникает вопрос: могут ли столь незначительные количества выполнять биологические фун- кции? Проще найти ответ, если выразить вес в молярных количе- ствах (колонка 4. табл. 4). Величины этих показателей свидетель- ствуют, что тело человека содержит, по меньшей мере, 1019 ионов ============^^ 23
Глава 1 Таблица 4 Приблизительный состав тела человека при весе 70 кг (Kieffer, 1990) Элемент Н В с N О F Na Mg Al Si P S Cl к Ca Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Rb Sr Zr Nb Mo Cd Sn Sb I Ba Pb Относительная атомная масса 1 10,8 12 14 16 19 23 24,3 27 28 31 32 35,5 39,1 40,1 47,9 50,9 52 55 56 59 58,7 63,5 65,4 74,9 78,9 85,5 87,6 91,2 92,9 95,9 112,4 118,7 121,7 126,9 137,3 207,2 Граммы на 70 кг 7000 0,01 12600 2100 45500 0,8 105 35 0,1 1,4 700 175 105 140 1050 0,01 0,02 0,005 0,02 4,2 0,003 0,01 0,11 2,33 0,014 0,02 1,1 0,14 0,3 0,1 0,005 0,03 0,03 0,07 0,03 0,016 0,08 Количество в молях на 70 кг массы тела 3500 0,00092 1050 75 1425 0,021 4,6 1,44 0,0037 0,05 22,5 5,5 2,96 3,58 26,2 0,00021 0,00039 0,0001 0,00036 0,075 0,00005 0,00017 0,0016 0,036 0,00019 0,00025 0,013 0,0016 0,0033 0,0011 0,00005 0,00027 0,00025 0,00057 0,00024 0,00012 0,00038 Число атомов в теле 4,2хЮ27 5,5хЮ20 6,4хЮ26 9,1хЮ25 1,7хЮ27 2,6хЮ22 2,8хЮ24 8,7хЮ23 2,2хЮ21 3,0хЮ22 1,4хЮ25 3,ЗхЮ24 1,8хЮ24 2,2хЮ24 1,6хЮ25 1,ЗхЮ20 2,4хЮ20 0,6хЮ20 2,2хЮ20 4,5хЮ22 0,ЗхЮ20 1,0хЮ20 1,0хЮ21 2,2хЮ22 1,1хЮ20 1,5хЮ20 7,9хЮ21 1,0хЮ21 2,0хЮ21 7,0хЮ20 0,32хЮ20 1,6хЮ20 1,5хЮ20 3,5хЮ20 1,5хЮ20 0,73хЮ20 2,ЗхЮ27 Число атомов в клетке 4,2хЮы 5,5хЮ6 6,4хЮ12 9,1хЮи 1,7хЮ13 2,6хЮ8 2,8хЮ10 8,7x10° 2,2хЮ7 3,0хЮ8 1,4хЮп 3,ЗхЮ10 1,8хЮ10 2,2хЮ10 1,6x10" 1,ЗхЮ6 2,4хЮ6 6,0хЮ5 2,2хЮ6 4,5хЮ8 3,0хЮ5 1,0x10° 1,0хЮ7 2,2хЮ8 1,1хЮ6 1,5хЮ6 7,9хЮ7 1,0хЮ7 2,0хЮ7 7,0хЮ6 3,2хЮ5 1,6хЮ6 1,5хЮ6 3,5хЮ6 1,5хЮ6 7,ЗхЮ5 2,ЗхЮ6 24
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека каждого из этих элементов. Если принять за факт, что в теле чело- века находится примерно 1014 клеток (эту цифру приводят многие учебники биологии) и что каждая клетка должна содержать от 105 до 106 ионов этих элементов. Метаболически активные клетки бу- дут содержать даже большее количество, тогда как в случае жиров, хрящей и костей — наблюдается противоположная картина. Та- ким образом, даже самые редкие из элементов способны оказывать физиологическое воздействие на каждую клетку организма. 1.5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ Минеральные вещества могут взаимодействовать как между собой, так и с другими элементами. Это взаимное влияние типа синергизма или антагонизма осуществляется в самой пище, пи- щеварительном канале, а также в процессе тканевого и клеточно- го метаболизма. С практической точки зрения знание этих закономерностей позволяет предупреждать нежелательные формы взаимодействия и явления так называемой вторичной минеральной недостаточно- сти у млекопитающих. 1.4.1. Взаимодействия между макро- и микроэлементами Вероятность взаимодействия между минеральными вещества- ми вследствие их лабильности и способности к образованию свя- зей значительно больше, чем между другими питательными ве- ществами (Е. Е. Криссссоавт., 1986; Ю. А. Ершов, Т. В. Плетенева, 1989; Metal toxicology, 1995). Что касается синергизма и антагонизма минеральных элемен- тов в организме, то эти понятия в литературе освещены недоста- точно. По-видимому, синергистами можно считать такие элемен- ты, которые (В. В. Ковальский, 1974; В. И. Георгиевский, Б. И. Анненков, В. Г. Самохин, 1979): а) взаимно способствуют абсорбции друг друга в пищеваритель- ном канале; б) взаимодействуют в осуществлении какой-либо обменной функ- ции на тканевом и клеточном уровне. - 25
Глава 1 . Синергизм минеральных элементов в области желудочно-ки- шечного канала предполагает возможность следующих механиз- мов взаимодействия: • непосредственное взаимодействие элементов (Са и Р, Na и С1, Zn и Мо) когда уровень абсорбции определяется их оптималь- ным соотношением в рационе и химусе; • взаимодействие, опосредованное через процессы фосфорилиро- вания в стенке кишечника и активность пищеварительных фер- ментов (например, влияние Р, Zn, Co на освобождение из корма и абсорбцию других элементов); • непрямое взаимодействие путем стимуляции роста и активнос- ти микрофлоры в желудке и кишечнике. На уровне тканевого и клеточного метаболизма также воз- можны разные механизмы синергического взаимодействия: • прямое взаимодействие элементов в структурных процессах (взаимодействия Са и Р в образовании костей, совместное учас- тие Fe и Си в образовании гемоглобина, взаимодействие Мп и Zn в конформации молекул РНК печени); • одновременное участие элементов в активном центре какого- либо фермента Fe и Мо в составе ксантин- и альдегидоксидаз, Си и Fe в составе цитохромоксидаз); • активирование ферментных систем и усиление синтетических процессов, требующих для своего осуществления присутствия других минеральных элементов (активация синтеза ионами Mg++ с последующим включением в синтез Р, S, и других эле- ментов); • активирование функций эндокринных органов и опосредство- ванное влияние через гормоны на обмен других макро- или мик- роэлементов (йод — тироксин — усиление анаболических про- цессов — задержка калия и магния в организме). Антагонистами можно считать элементы, которые: а) тормозят абсорбцию друг друга в пищеварительном канале; б) оказывают противоположное влияние на какую-либо биохими- ческую функцию в организме. В отличие от синергизма, который чаще бывает взаимным, антагонизм может быть либо обоюдным, либо односторонним. Так, фосфор и магний, цинк и медь взаимно тормозят абсорбцию друг друга в кишечнике, а кальций ингибирует абсорбцию цинка и марганца (но не наоборот). 26 ^^^^^^^^^^^
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека Антагонистические взаимосвязи также предполагают не- сколько возможных механизмов взаимодействия. В частности, эффект ингибирования абсорбции одних элементов другими в пищеварительном канале может быть обусловлен следующими механизмами: • простым химическим взаимодействием элементов (образование фосфата магния при избытке последнего в рационе, взаимодей- ствие меди с сульфатом, образование тройной соли Са—Р—Zn при повышенных дозах кальция в рационе); • адсорбцией на поверхности коллоидных частиц (фиксация Мп и Fe на частицах нерастворимых солей магния или алюминия); • В, Pb, T1 и др. на окислительное фосформлирование, сокоотде- ление и активность ферментов (что ухудшает расщепление кор- мовых ингредиентов, освобождение и всасывание неорганичес- ких ионов); • конкуренцией за вещество-переносчик ионов в кишечной стен- ке (например, Со2+—Fe2+). В процессе тканевого метаболизма, где минеральные элемен- ты находятся в основном в ионной форме, возможны следующие механизмы антагонистических взаимосвязей: • непосредственное взаимодействие простых и сложных неорга- нических ионов (напр., медь-молибден); • конкуренция ионов за активные центры в ферментных формах (Mg2+ и Мп2+ в металлоферментных комплексах щелочной фос- фатазы, холинэстеразы и др.); • конкуренция за связь с веществом-переносчиком в крови (Fe2+ и Zn2+ как конкуренты за связь с трансферрином плазмы); • активирование ионами ферментных систем с противоположной функцией (активация ионами меди аскорбиноксидазы, окис- ляющей аскорбиновую кислоту, и активация ионами цинка и марганца лактоназ, способствующих синтезу этого витамина); • анатагонистическое влияние ионов на один и тот же фермент (активация АТФ-азы ионами Mg2+ и торможение ионами Са2+); • смягчение ионами биотических элементов токсического влия- ния тяжелых металлов, присутствующих в корме и средах оргаз- ма (напр., уменьшение уровня РЬ в организме при добавках в рацион меди, цинка, марганца). Все вышесказанное свидетельствует о том, что антагонизм минеральных элементов является сложным комплексом биотичес- __ 27
гаУ «ааимоотношений. Его итогом не всегда является снижение клА дою иного элемента или его повышенная экскреция ЛДООВНЯ ТОГО ИЛИ 1ла.\л. У*^ анИзма. Иногда антагонизм выполняет проекторную роль в отношении биохимических функций и лишь при резком наруше- нии соотношения ионов наблюдаются отклонения в уровне обмен- ных процессов (В. И. Георгиевский, Б. И. Анненков, В. Г. Само- хин, 1979). Возможность антагонистических взаимоотношений элемен- тов можно в известной мере предвидеть исходя из их положения в периодической системе. В основе этих взаимодействий лежат физико-химическая аналогия элементов, их способность к комп- лексообразованию, большее или меньшее сродство к соответству- ющим активным группам биополимеров. В целом можно предположить, что антагонистами являются химические аналоги и гомологи (например, Са—Mg), а также эле- менты, имеющие одинаковую валентность и способность к обра- зованию аналогичных комплексов. Анионы и катионы способству- ют связыванию соответственно катионов и анионов, как простых, так и сложных. Это объясняет, в частности, антагонизм таких эле- ментов, как Zn и Cd, V и Cr, As и Se, Zn и Си, Са и Fe. На рис. 4 изображены биохимические взаимосвязи (слева — синергические, справа — антагонистические) 15 жизненно необ- ходимых минеральных элементов. В схеме учтены взаимосвязи, осуществляемые как в пищеварительном канале, так и в процессе промежуточного метаболизма. Как это следует из рис. 4, количество обнаруженных положи- тельных связей значительно меньше, чем антагонистических. Воз- можно, это связано с тем, что последние более отчетливо выявляют- ся в эксперименте, а в практике питания животных вызывают характерные симптомы недостаточности. Синергические же взаи- моотношения нередко ускользают из поля зрения исследователей. Необходимо подчеркнуть, что перечисленные взаимосвязи зависят от верхнего и нижнего уровня физиологических границ. Это важно потому, что характер взаимодействия между минераль- ными веществами может меняться при недостатке или избытке изучаемых элементов, равно как и других элементов в рационе. Так, медь может оказаться токсичной для организма даже при ее нормальном содержании в рационе (10-11 мг/кг), если в нем не- достаточно молибдена. 28
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека Рис. 4. Метаболические взаимосвязи жизненно необходимых элементов: / — синергизм; II — антагонизм; — односторонний, взаимный (по: В. И. Георгиевский, Б. И.Анненков, В. Г. Самохин, 1979) Слишком высокие дозы меди не могут не вызывать токсикоза и являются причиной паракератоза, вследствие нарушенной аб- сорбции цинка (такое взаимодействие отсутствует в обычных ус- ловиях). Обычные взаимодействия могут нарушаться также при недо- статке или избытке в корме витаминов, жира, протеина и других питательных веществ. Также нельзя не учитывать и возможную специфику взаимосвязей у разных видов млекопитающих и их разное физиологическое состояние. Схема на рисунке, разумеется, не отражает всех возможных вариантов взаимодействия, так как в ней отсутствуют условно не- обходимые элементы. В частности, в плане антагонизма заслужи- вают внимания такие вероятные взаимодействия, как Mg-F, F-J, Al-F, As-J, Al-P, Be-P, Pb-Cu, Sr-Ca, Ag-Cu, Cd-Cu, Ti-Zn, B-Zn, B-Mo. На рис. 5 представлена наиболее совершенная, на наш взгляд схема, отражающая синергизм и антагонизм макро- и микроэле- ментов в организме (направление стрелки отражает характер вза- имодействия). Схема, разумеется, не отражает всех возможных вариантов взаимодействия. Кроме того, следует также учитывать возмож- 29
Глава 1 Рис. 5. Взаимодействие химических элементов (по В. Momcilovic, 1987) ную специфику таких взаимосвязей у представителей разного пола, различные физиологические состояния, влияние психо-эмо- циональных и физиологических нагрузок и временной фактор. 1.4.2. Взаимодействие минеральных элементов с другими нутриентами Приведенная на рис. 5 схема взаимодействия элементов не полна еще и потому, что в ней не учтен ряд других факторов, кото- рые оказывают влияние на утилизацию или метаболизм минераль- ных элементов. К таким факторам следует отнести: уровень и состав протеина в рационе, содержание жиров, углеводов, а также кормовых, сти- мулирующих или лекарственных добавок (витаминов, антибио- тиков, антиоксидантов, комплексообразующих веществ, алкало- идов, глюкозидов и т. д.). Так, витамин D оказывает влияние на всасывание кальция, фосфора, магния, цинка и других элементов. Жир влияет на аб- сорбцию магния и кальция. Уровень и источник протеина обус- ловливают степень использования фосфора, магния, цинка, меди и других элементов. Возможна и обратная связь. Так, избыток 30
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека молибдена усиливает выведение из организма азота мочевины, снижает биосинтез мышечного белка. В пищеварительном тракте минеральные элементы могут всту- пать в новые связи с органическими соединениями, причем проч- ность этих связей зависит не только от элемента, но и от субстрата. 1.6. РОЛЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕХАНИЗМАХ АДАПТАЦИИ ЧЕЛОВЕКА К ВОЗДЕЙСТВИЯМ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ФАКТОРОВ Адаптацию человека к новым природным и производственным условиям можно кратко охарактеризовать как совокупность соци- ально-биологических свойств и особенностей, необходимых для устойчивого существования организма в конкретной экологичес- кой среде обитания (Р. 3. Меерсон, 1981). Фундаментальной зада- чей здесь является достижение сознательной гармонизации взаи- модействия людей с физической средой их жизни, чтобы это взаимодействие совершалось адекватно человеческой природе. Необходимо управлять адаптацией, способствовать повышению выносливости организма. Одним из условий для этого является сво- евременное, полноценное и рациональное питание (Л. Е. Панин, 1983). Недостаточность или избыточность минеральных веществ, микроэлементов в рационе сказываются на деятельности организ- ма, снижают его сопротивляемость, а, следовательно, и способность к адаптации (А. И. Венчиков, 1967, В. И. Смоляр, 1989). На основе многофакторности следует разработать научно-обоснованные под- ходы к оценке нормы здоровья. Если норма здоровья это равновесие со средой обитания, то любое устойчивое нарушение гомеостаза есть болезнь. Одна из главенствующих задач экологической физиологии и медицины состоит в глубоком изучении механизмов адаптации с целью использования защитных эффектов для лечения и профи- лактики болезней, а также изыскания адекватных методов воспро- изведения защитных эффектов адаптации с помощью фармаколо- гических средств и природных адаптогенов (Ю. П. Гичев, 1986). Заболевания человека развиваются чаще на фоне определен- ного запаса здоровья, и в этой связи особенно важно распознавать заболевания на доклинических стадиях и по возможности стиму- лировать в организме собственные механизмы защиты, оказыва- _ 31
Глава 1 ющие в этих случаях наиболее полный и стойкий лечебный эф- фект (М. П. Захарченко, В. Г. Маймулов, А. В. Шабров, 1997). В состояниях с выраженным дефицитом резервов здоровья, при ма- нифестирующих заболеваниях, требуется рациональное сочета- ние традиционных и немедикаментозных методов лечения (Ин- тегративная медицина и экология человека, 1998). В настоящее время стало очевидным, что клиническое диагно- стирование, имеющее целью распознавание начавшейся болезни и, тем самым, измерение не количества здоровья, а величины его утраты, не может обеспечить решения основной задачи — органи- зации первичной профилактики. Для ее решения необходимо уметь определять состояние здоровья, начиная от его максимального уров- ня и до границ болезни, включая предболезненное или, так назы- ваемое, третье состояние, то есть весь спектр донозологических со- стояний (Интегративная медицина и экология человека, 1998). Для развития профилактической медицины необходимы «ба- зовые методики», которые не только помогают оценить состояние, но и играют своеобразную диспетчерскую роль, при которой для уточнения состояния той или иной системы органов будут назна- чаться методы обследования только по показаниям, что принесет немалую экономию средств и времени (В. Г. Маймулов, С. В. На- горный, А. В. Шабров, 2000). Это позволит на практике осуществ- лять принцип рациональной комплексной морфо-функциональ- ной диагностики (Н. А. Агаджанян с соавт., 2000). Почему же в современной медицинской науке и практике, несмотря на радикальные изменения в социальном устройстве, мы не видим целостного подхода к решению проблем здоровья, организации эффективного повышения уровня здоровья населе- ния, как одного из основных показателей качества жизни? Ответ лежит в плоскости методологии, узкого, разобщенного и непред- метного подхода к рассмотрению состояния человека в среде его обитания (Н. Ф. Измеров, И. В. Саноцкий, 2000). По мнению лауреата Нобелевской премии в области медици- ны М. Н. F. Wilkis (1983), когда мы говорим о решении вопросов медицины, молекулярной биологии и будущего человеческого существования, мы должны говорить о философии и на языке философии. «Большинству ученых, я знаю, не нравится, когда я говорю о философии, но мой опыт в молекулярной биологии пока- зывает, что очень много находится вне пределов нашего понима- 32 ^^^^^^^^^^^^^^
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека ния... Нередко на этом пути ученые выключают свой слух при слове философия, потому что это явление находится вне их понимания, потому что они не могут и не знают, как ими воспользоваться и поэтому его игнорируют. Что касается роли микроэлементов в возникновении и под- держании жизни, здоровья, то ученый, измеряющий содержание обычного металла в человеческом организме, должен уделять вни- мание культурной и социальной основе жизни человека, генети- ке и традициям питания, привычкам, геохимии и метеорологии, всему, что окружает человека. Необходимо определить содержи- мое человека и все из чего он состоит... Такой подход требует от ученого рассматривать проблему в целом; и главное помнить, что человек не может быть изолирован от своей среды обитания». М. Н. F. Wilkis продолжает: «...Сейчас требуется взгляд на целое не как на совокупность частей. (Целостность — включать все и не исключать ничего). Ученые ищут общие принципы: и чем шире эта общность, тем она является более важной». Цель науки — установление (открытие) правил гармонии и порядка. «Субъектом медицины является человеческое тело, его здоровье и болезнь. Но если целью медицины является лечение и сохранение здоровья, тогда прежде чем получить сохранение здо- ровья и удалить причину причин, необходимо знать, какие эле- менты сотворили тело, как эти элементы распадаются, где и в ка- кой точке этот процесс подойдет к концу и какие изменения элементов могут вызвать болезнь в будущем» (М. Said, 1983). В настоящее время накоплено множество данных (М. Anke, 1979-2000; В. В. Ермаков, 1989-2000; Ю. Е. Сает с соавт., 1990; В. Л. Сусликов, 2000 и др.)> подтверждающие зависимость эле- ментного состава живых организмов, в т.ч. человека, от содержа- ния химических элементов в среде обитания, т. е. состав внутрен- ней среды организма испытывает влияние внешней среды. В цикле работ (А. В. Скальный с соавт., 1988-2003) показано, что повышенное содержание в почве, воде, атмосферном воздухе мак- ро- и микроэлементов согласуется с повышением уровня элемен- тов в волосах, моче и крови детей, пуповинной крови, плаценте. Правда, следует оговориться, что эта зависимость прослежи- валась не во всех случаях. Так, концентрации As, Pb, Ni, Mn и Си в волосах детей поло- жительно коррелируют одновременно с уровнем этих элементов в =========^^ 33
Глава 1 почве и питьевой воде, отобранных в местах их проживания, а кон- центрации Cd и Мо — только с уровнем их в воде, Zn, Cr и В — только с уровнем их в пробах почвы (рис.6, по Н. А. Агаджанян, А. В. Скальный, 2001). 34
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека При подробном рассмотрении общих закономерностей связи элементного состава внешней и внутренней сред учеными уста- новлено, что во всех природных системах (и объектах) концентра- ция элемента уменьшается с увеличением его относительной атом- ной массы или порядкового номера (заряда) (А. А. Кист, 1987). Прямую связь элементных составов внешней и внутренней сред можно предполагать лишь на начальной стадии зарождения жиз- ни, когда внешняя и внутренняя среды протобионтов могли быть практически идентичными в отношении элементного состава. По мере усложнения живых организмов зависимость стано- вится более сложной и нелинейной. Вначале концентрация элемента в живом организме растет с увеличением его концентрации во внешней среде. По достижении определенных уровней накопления элемента во внутренней среде организм уменьшает долю поступающего элемента (снижение абсорбции и усиление экскреции), в резуль- тате включения защитных механизмов и естественных барьеров. Впоследствии, как показывает А. А. Кист (1987), в зависимости от вида организма, изучаемого органа, способа введения элемента и его соединения и ряда других факторов, наблюдается либо не- значительный дальнейший рост концентрации, либо его прекра- щение и сохранение постоянства, либо новое резкое, но кратков- ременное увеличение концентрации во внутренней среде. Во всех этих случаях отмечаются выраженные патофизиологические из- менения и, наконец, гибель организма. Следует отметить, что живые организмы, в том числе чело- век, имеют различную чувствительность к изменению концент- рации во внешней среде различных химических элементов. Как показано нами (А. В. Скальный, 2000), макро- и микро- элементы активно участвующие в регуляции обменных процес- сов в организме человека, можно условно разделить на элементы с низкой, средней и высокой гомеостатической емкостью. Сделан вывод о приоритетности коррекции отклонений от нормальных значений в метаболизме Р, Zn, Си, Se, Cr, Fe, J — элементов с установленной нами минимальной гомеостатической емкостью, еще более уменьшающейся с возрастом, как основного направления массовой профилактики микроэлементозов и связан- ных с ними отклонений в состоянии здоровья населения. К на- коплению в организме таких элементов как Pb, Cd, Be, As, Ti, U, a -^^r-^^^rr-^rr^^ 35
Глава 1 также дисбалансу Na, К, Li (элементы с высокой гомеостатичес- кой емкостью) в основном следует относиться как к вторичным состояниям, изначально обусловленным дисбалансом элементов с меньшей гомеостатической емкостью. Таким образом, нарушения при поступлении в организм хи- мических элементов с низкой гомеостатической емкостью пред- ставляют большую опасность для здоровья человека. Лечебно-про- филактические мероприятия следует начинать с учетом таких нарушений (А. В. Скальный, А. Т. Быков, 2003). На сегодняшний день также существует мнение (А. А. Кист, 1987), что живые организмы существенно более толерантны к из- менению содержания во внешней или (и) внутренней средах мик- ро- и особенно ультра-микроэлементов и исключительно чувстви- тельны к изменению макроэлементов, причем толерантность уменьшается с увеличением степени организованности живых систем. Иными словами, человек более чувствителен к дисбалан- сам элементов, чем остальные, «нижестоящие» представители живого мира и особенно низшие организмы. По-видимому, этот факт способствует увеличению специфич- ной роли химических элементов и степени совершенства гомеос- татических механизмов по мере развития эволюции. Тем самым живые организмы становятся «подготовленными» к изменению содержания химических элементов во внешней и (или) внутрен- ней среде. Предполагается, что аналогичная зависимость должна наблюдаться и для других видов внешнего воздействия — темпе- ратуры, атмосферного давления, радиации, кислотности и т. п. Таким образом, поступление химических элементов из внешней среды во внутреннюю, в данном случае в организм че- ловека, посредством пищевой цепочки, является системообра- зующим фактором жизнедеятельности и гомеостаза организ- ма. Поэтому, с позиций учения о нообиосфере и нооэкологии, важнейшими факторами являются контроль (мониторинг) за своевременным поступлением химических элементов в орга- низм в оптимальных соотношениях, формах, условиях и его направленная коррекция (А. В. Скальный с соавт., 2003). Нормальное, то есть достаточное содержание химического элемента ведет к оптимизации жизнедеятельности индивидуума и популяции в целом, повышению качества жизни человека и обес- печивает его дальнейшее нормальное развитие. 36 ^^^^^^^^^^^^
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека 1.7. ПОСТУПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА Пути поступления химических элементов в организм челове- ка разнообразны, что схематично представлено на рис. 7. Следует подчеркнуть, что основные количества химических элементов попадают в организм с пищей и питьевой водой, меньшие — с вды- хаемым воздухом и через кожу. В случаях длительного лечения препаратами, содержащими макро- или микроэлементы, основ- ным путем поступления могут становиться фармакологические средства и биологически активные добавки к пище, вводимые в организм энтеральным или парентеральным путем. В результате неконтролируемого приема подобных препаратов у части людей могут возникать так называемые «ятрогенные» (вызванные лече- нием) микроэлементозы. На рис. 8 представлена схема обмена микроэлементов в орга- низме человека. Как следует из этой схемы, обмен химических элементов зависит от их поступления из окружающей среды, а также взаимодействия внутри организма, особенностей нейроэн- докринной регуляции и выведения из организма. 37
Глава 1 Попав в организм человека, химические элементы распреде- ляются между органами и тканями, избирательно накапливаясь в них. Макро- и микроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Самые большие концентра- ции химических элементов можно обнаружить в костной ткани, коже и ее придатках, печени и мышцах. Концентрация того или иного химического элемента в определенной части тела, как пра-
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека вило, отражает его значимость для функционирования органа или ткани. Так, йод максимально накапливается в щитовидной желе- зе, что определяет его основополагающее влияние на деятельность этого органа эндокринной системы. Фтор накапливается в эмали зубов; цинк в половых органах, коже, волосах, поджелудочной железе; железо в эритроцитах и т. д. 1.8. БИОСФЕРА КАК ИСТОЧНИКХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. РОЛЬ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ В ПОДДЕРЖАНИИ ЭЛЕМЕНТНОГО Г0МЕ0СТАЗА В ОРГАНИЗМЕ Химические элементы распространены в окружающей среде очень неравномерно. Обращает на себя внимание огромное содер- жание таких микроэлементов (по отношению к человеческому организму) как Si, Al, Fe, Zr, Mu, Zn, а также макроэлементов К, Ca в земной коре (верхней литосфере) и их небольшие концентра- ции в пресной, морской воде и атмосфере. Однако в биосфере про- исходит накопление многих из этих элементов, их концентриро- вание, что свидетельствует о высокой потребности в них живых организмов для осуществления процессов жизнедеятельности. В биосфере концентрируются такие химические элементы, как О, К, S, С, Р, Cl, N, Sn, As, относительно высоко содержание Са, В, Zn, Ba, Sr, Rb, Cu, Pb. В связи с различными средами обитания существенно разли- чаются концентрации химических элементов в морских и назем- ных растениях и животных. Так, в «дарах моря» растительного и животного происхожде- ния сконцентрированы такие элементы, как Са, К, Na, Mg, S, Cl, О, Zn, Cu, Mu, Fe, J, Ni, Ti, Sr, Zr, Cr, Li, B, La. Предоставляемые человеку на суше «дары природы», в целом менее богаты макро- и микроэлементами, однако следует выде- лить N, С, F, а также Мп и А1, содержание которых в наземных растениях выше, чем в морских в 10 раз. Наземные растения являются основным источником такого важного микроэлемента, как Мп, а морские — Са, Fe, Zr, Si, Li и J. Представители наземной фауны служат основным резервом для обеспечения человека Р, N, Н, т. е. макроэлементами и чрез- вычайно бедны Сг, V, Мп, элементами, принимающими активное 39
Глава 1 участие в регуляции углеводного и жирового обмена, толерантно- сти к глюкозе. В свою очередь, представители морской фауны накапливают в себе повышенные количества Zn, Co, Си. Таким образом, поступление химических элементов с пищей может существенно различаться в зависимости от режима пита- ния, доступности, например, морепродуктов для широких слоев населения. Все это не может не сказываться на суточном балансе поступления элементов в организм человека. Таким образом, в основном химические элементы поступают в организм человека с пищевой водой и пищей. Исключение со- ставляет только Si, большие количества которого могут попадать в организм ингаляционным путем в виде пыли, песка, или в виде различных соединений этого элемента (SiO2, Si2O3 и др.). В приморских районах и на небольших островах в виде аэрозо- лей и испарений в организм могут попадать существенные коли- чества йода. Выделение же химических элементов происходит более раз- нообразными путями. Так, с мочой преимущественно выделяется Se, Fe, I, Co, Cd, В, Br, Ge, Mo, Nb, Rb, Cs, Те и Sb. С потом в основном выделяется Se, F, Pb, Sn, Ni, а с волосами Hg. И все же основные количества химических элементов элими- нируются из организма с калом. Если обратить внимание, то выявляется следующая законо- мерность: анионы (I, F, Se, C1) относительно легко абсорбируются (70-95%) и их гомеостаз регулируется в основном за счет выделе- ния через мочевыделительные пути; катионы микроэлементы (Сг, Zn, V, Mn и др.) абсорбируются значительно хуже и их гомеостаз регулируется в основном за счет выделения через ЖКТ. Катионы нуждаются в специфических путях абсорбции, в их гомеостазе принимает участие ЖКТ и желчная секреция. Многие микроэле- менты лучше усваиваются в виде органических комплексов (ас- парагинаты, глутаматы, цитраты, ацетаты, глюконаты металлов). Как указывают Ю. А. Ершов с соавторами (2000), в процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим, основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистемы является естественный отбор. В табл. 5 приведены дан- ные о содержании химических элементов в земной коре, морской 40 ===========^^
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека Таблица 5 Содержание химических элементов (мае. доля,: %) в земной коре, почвах, морской воде, растениях, животных (по А. П. Виноградову) Элемент О Si А1 Fe С Са К Na Mg Ti N Н Р S Мп Zr Sr Ва Се Сг F V С1 Rb Zn Ni Си Со Li Pb В Земная кора 49,4 27,6 7,45 5,0 0,15 3,5 2,5 2,6 2,0 0,6 0,02 1,0 0,08 0,05 0,09 0,04 0,04 0,04 0,02 0,02 0,027 0,03 0,048 0,03 5хЮ3 ю-2 ю-2 4x10 3 6,5x10 3 1,5x10 4 3x10 4 Почвы 49,0 33,0 7,12 3,8 2,0 1,37 1,36 0,63 0,6 0,46 0,1 — 0,08 0,05 0,085 0,62 0,03 0,04 0,02 0,019 0,02 0,01 0,01 5х10"3 5хЮ3 5x10 3 2хЮ3 103 ЗхЮ3 5x10 4 5хЮ4 Морская вода 85,82 5хЮ5 ю-6 5хЮ~6 0,002 0,04 0,038 1,06 0,14 ю-7 10"3 10,72 5x10 6 0,09 4х107 — ю-3 5х106 10"7 — ю-4 5х108 1,89 2x10 5 5x10 6 3x10 7 2x10 6 10 7 1,5x10 5 5x10 7 5x10 4 Растения 70,0 0,15 0,02 0,02 18 0,3 0,3 0,02 0,07 10 7 0,3 10 0,07 0,05 103 5хЮ"4 ю-4 104 — 5х104 ю-5 10"4 ю-2 5хЮ4 ЗхЮ4 5x10 5 2x10 4 2x10 5 10 5 10 5 10 4 Животные 62,4 10 5 ю-5 0,01 21 1,9 0,27 0,1 0,03 10 б_10-5 3,1 9,7 0,95 0,16 10 5 — 10~3 ю-5 ю-6 10"5 10-5_10-4 10"5 0,08 105 103 10 6 10 4 10 6-105 10 4 10 6 10 5 41
Глава 1 Продолжение таблицы 5 Элемент I Мо As Вг Cd Th W и Se Bi Hg Ag Au Ra Земная кора 3x10 5 1,5x10 2 5x10 ' l,5xlO~4 5x10 "' 10 3 — 2x10' 6x10"' 1,7x10 6 7x10 6 lO5 5xlO-7 2xlO10 Почвы 5x10 4 3xlO~4 4x10 4 2x10 * 5x10 6 6x10 4 10 4 10 ' 10 6 2xlO8 10 6 — — 8xlO1] Морская вода ю-6 10 7 1,5x10 6 7x10 3 — 4x10 8 — 2xlO7 4xlO"7 2xlO~8 3xlO'9 109 4xlO10 1014 Растения 10- 2x10- 3x10 5 — 10 6 6xlO4 — — 10 7 — ю-7 — — 10 14 Животные 10 M.0 -» 10 e-10 5 10 6-10 » 10 l 10 * 10 7 — 10 8 — 2x10 6 10 e-10 7 3xl05-5xl0 6 10 7 1012 воде, растительных и животных организмах. Из таблицы видно, что большую долю вещества живых организмов составляют элемен- ты, которые имеют довольно высокую распространенность в зем- ной коре. Однако эта закономерность соблюдается не всегда. Так, в земной коре содержится много кремния (27,6%), а в живых орга- низмах его мало. Аналогичная ситуация прослеживается и для алю- миния, который в большом количестве содержится в земной коре (7,45%) и в очень незначительном в живых организмах (1х 10~8%). Непропорциональное содержание элементов в организме и среде связано с тем, что на усвоение элементов влияет растворимость их природных соединений в воде. Природные соединения кремния (SiO2), алюминия (А12О3) практически нерастворимы, поэтому они не усваиваются живыми организмами. Наблюдается и обратная картина. Например, органоген углерод в незначительных количе- ствах содержится в земной коре (0,35%), а по содержанию в живых организмах занимает второе место (21%). Таким образом, по мере движения ряда химических элементов по пищевой цепи происходит их биологическое концентрирование, как, например, в случаях с углеродом, азотом, кислородом, фосфо- 42 =
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека ром или кальцием, который извлекается из окружающей среды для построения скелета живого организма (см. табл. 6). В целом, как справедливо отмечали В. А. Книжников с соавт. (1981) «для населения развитых стран характерно включение в рацион разнообразных продуктов питания, часть из которых про- изводится в других биохимических районах, в виду чего ликви- дируются условия, способствующие воздействию на человека био- химических особенностей данной местности». То есть, разнообразная пища со значительной долей привоз- ных продуктов не только предупреждает возникновение эндеми- ческих дефицитов или избытков макро- и микроэлементов, но и является одним из мощных средств ликвидации эндоэкологичес- ких заболеваний биохимического происхождения (А. П. Авцын с соавт., 1991). В современной России присутствуют необходимые техничес- кие предпосылки (наличие аналитических лабораторий, персо- нала, новых скрининговых технологий многоэлементного анали- за) (А. В. Скальный с соавт., 2000) для улучшения показателей здоровья населения и качества жизни в целом путем нормализа- ции поступления жизненно важных компонентов с пищей, во- дой, БАДП. Однако наблюдается не совсем полное осознание ру- ководителей пищевой промышленности, сельского хозяйства и медицинской отрасли существующей проблемы, игнорирование наличия реальных путей ее решения, воли со стороны правитель- ственных органов к осуществлению нооэкологических по своей сути подходов к обеспечению населения полноценным набором питательных веществ, особенно микронутриентов (витаминов, минеральных веществ и микроэлементов) и повышения тем са- мым уровня общественного здоровья. Пока не удалось воспитать в человеке не только бережного отношения к окружающей приро- де, как среде обитания и источнику жизни, но и к своей внутрен- ней среде, к составу своего организма, обеспеченности его необхо- димыми материалами для осуществления жизнедеятельности. Вышеперечисленные факторы свидетельствуют не просто об актуальности, а о жизненно важной необходимости формирова- ния и воспитания во всем обществе, особенно в социально актив- ной его части, нооэкологического мировоззрения — основного и, пожалуй, одного из немногих резервов, которые продуцируются исключительно человеком. 43
Глава 1 Только в соединении таких факторов с ресурсами природы можно достичь дальнейшего гармоничного развития человечества, исключающего его самоуничтожение. 1.9. РЕГУЛЯЦИЯ БАЛАНСА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕЖДУ ВНУТРЕННЕЙ И ВНЕШНЕЙ СРЕДАМИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА Питательные вещества поступают в организм человека раз- личными путями. В ходе эволюции желудочно-кишечный тракт сформировался как основной путь поступления питательных ве- ществ, включающий в себя и макро и микроэлементы. Именно в желудочно-кишечном тракте, а точнее в верхнем отделе тонкой кишки — двенадцатиперстной кишке, возник «осо- бый специализированный резорбционный аппарат», широко свя- занный с кровеносными и лимфатическими сосудами, а также с центральной и вегетативной нервной и эндокринной системами. Отличительной особенностью абсорбции микроэлементов в данной зоне является многократность этого процесса, который начинается в проксимальных отделах тонкой кишки и неоднок- ратно повторяется в более дистальных отделах (А. П. Авцын, А. А. Жаворонков, 1989). Специальные исследования с радиоак- тивными изотопами показали, что способностью к абсорбции хи- мических элементов обладают и другие отделы кишечника. Ка- кая-то часть абсорбции происходит и в ободочной кишке. Основными переносчиками металлов по пути от кишечника до органов и систем организма является низкомолекулярный бе- лок металлотионеин, 1 моль которого способен связывать 7-10 моль металлов (!), таких как U, Zn, Cu, Cs, As, Sn и др. Потребность организма в металлах, а также инфекция, голо- дание, физическая нагрузка, гипотермия, оперативные вмеша- тельства, введение протоксинов, эстрогенов, глюкокортикоидов, глюкозы, удаление надпочечников стимулируют синтез метал - лотионеина (М. Webb, 1982). По мнению большинства исследователей, металлотионеин обладает обезвреживающим свойством, предохраняющим орга- низм от интоксикации металлами. Некоторые считают его внут- риклеточным «депо» цинка, служащим для активации фермен- тов, регуляции обмена Zn и Си. Таким образом, металлотионеин 44 - =^
Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека является одним из важнейших регуляторов элементного гомеос- таза, а также, первым из эндогенных веществ, осуществляющих «селекцию» необходимых для организма и «обезвреживание» из- быточных количеств микроэлементов. Более глубокое изучение механизмов обмена макро- и микро- элементов приносит все новые доказательства участия в них регу- лирующих систем организма — нервной, эндокринной и иммун- ной (А. В. Кудрин, А. В. Скальный, А. А. Жаворонков с соавт., 2000), а в последние годы — лимфатической. По мнению многих ученых, в ближайшие годы эта схема, по- видимому, будет дополнена новыми данными о роли распредели- тельного курса микроэлементов и в лимфатической системе. В результате систематических научных исследований И. А. Морозова с соавторами (1988), сделано заключение о том, что так называемый надэпителиальный слизистый слой обладает пищеварительными и транспортными функциями, так как в его слизистых наложениях содержатся панкреатические и собствен- но кишечные ферменты. Особенно подчеркивается значение мик- ровазикулярных механизмов всасывания и секреции в тонкой кишке, которые недооценивались исследователями. Новыми фак- тами, важными для понимания сложной функции энтероцитов, являются установление динамики транспорта нутриентов через цитоплазму энтероцитов, а также реакции иммунекомпетентных клеток слизистой оболочки тонкой кишки на пищевые вещества (подробнее см. А. В. Кудрин, А. В. Скальный, А. А. Жаворонков с соавт., 2000). Количество лимфоцитов в межклеточном простран- стве очень велико и составляет от 10 до 30% всех клеточных эле- ментов, что позволяет говорить о «лимфоидной» системе кишеч- ника (А. Т. Быков и др., 1997). Таким образом, на протяжении всего процесса всасывания нутриентов имеет место тесный кон- такт введенных в организм веществ с лимфоцитами эпителиаль- ного пласта, а также с другими иммунокомпитентными клетка- ми. Особенно активны в этом отношении средние лимфоциты (А. В. Кудрин, А. В. Скальный, А. А. Жаворонков и др., 2000). Таким образом, в ЖКТ человека в ходе эволюции сформиро- вался своеобразный «пищеварительный конвейер», в своем роде непрерывно движущаяся транспортная система для последова- тельной обработки в организме пищевых веществ, в том числе хи- мических элементов. 45
Глава 1 Из вышеизложенного следует вывод о перспективности изу- чения участия лимфоиднои системы кишечника в регуляции го- меостаза питательных веществ, включая макро- и микроэлемен- ты. Воздействуя на эту систему с помощью различных эндоэкологических методик, можно существенно повысить эф- фективность всасывания в ЖКТ химических элементов, в первую очередь, в катионной форме, и добиться включения механизмов усиленной элиминации из межуточной ткани этих элементов, оказывающих угнетающее или токсическое действие на процес- сы жизнедеятельности человека. 46
Медик без довольного познания химии совер- шенен быть не может (М. В. Ломоносов) Глава 2. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СОВРЕМЕННОЙ МЕДИЦИНЕ 2.1. УЧЕНИЕ О БИОТИКАХ Термин «биотики» впервые был введен А. И. Венчиковым в 1942 году. Биотики — это химические вещества экзогенного про- исхождения, входя в биохимические структуры и системы орга- низма способны не только участвовать в качестве жизненно необ- ходимых агентов в ходе физиологических процессов, но и нормализовать их, а также повышать сопротивляемость организ- ма действию на него вредных агентов. По характеру действия они относятся в основном к биологическим катализаторам. К биотикам могут быть отнесены микроэлементы, витамины, а также в определенных случаях и некоторые макроэлементы (на- пример, железо, кальций, сера). Не исключена возможность при- числения к ним и других веществ. Термин «биотики» был введен в обращение в связи с необходи- мостью охарактеризовать принцип лечения, основанный на приме- нении микроэлементов в качестве естественных (физиологических) агентов. Микроэлементы входят во внутренние биохимические сис- темы организма и обладают свойством повышать сопротивляемость — стимулировать его общую жизнедеятельность. Тем самым биотики противопоставляются другим средствам, действующим путем подав- ления жизнедеятельности организмов (например, микробов) и в силу этого приводящих их к гибели. В итоге возникает два кардинально противоположных принципа возможного воздействия на организм, пораженного болезнетворными микробами: либо путем прямого вли- яния на микробы («антибиотиками»), либо с помощью повышения защитных свойств организма (« биотиками »). Антибиотики в той или иной мере обладают токсическими свойствами в отношении орга- низма человека, биотики их полностью лишены. ======^^ 47
Глава 2 —_ В свою очередь, не каждый встречающийся в организме эле- мент является одновременно и биотиком. Если элемент играет роль пластического материала или создает в организме лишь опреде- ленное физико-химическое состояние среды (физико-химический «остов» для протекания жизненных процессов), то нет оснований назвать его биотиком. Однако, с того момента, как он начинает принимать активное участие непосредственно в самом ходе жиз- ненного процесса, например, во внутриклеточном обмене веществ или его гормональной регуляции, способствовать повышению со- противляемости организма действию вредоносных агентов, то в таких случаях естественно причислять соответствующий элемент к биотикам. В этом отношении биотики необязательно должны принадлежать только к группе микроэлементов. Некоторые из макроэлементов могут также обладать их свойствами. Примером может служить хотя бы сера — биотик, входящий в состав сульфгидрильных групп, а также некоторых витаминов, например, Bj — тиамина, гормонов (инсулина), т. е. продуктов, участвующих в ферментативных и гормональных процессах об- мена веществ, и сера как пластический материал, входящая в по- строение белков различных образований, где она является как бы «инертным» материалом (напр., в рогах, шерсти). Процессы, совершающиеся в организме, отличаются высокой динамичностью, и элемент, входящий в его состав в качестве пла- стического материала, участвует, конечно, в какой-то мере и в об- щем обмене веществ (кальций костей, сера белков). Такие свой- ства элементов необходимо иметь в виду при поисках биотиков. В силу того, что агенты, обладающие свойствами биотиков, имеют принципиально важное значение, их необходимо особо вы- делить, дав соответствующее наименование. Свойством биотиков могут обладать продукты, принадлежащие к разным группам ве- ществ (например, к макро-, микро-, ультрамикроэлементам и ви- таминам), но они приобретают эти свойства лишь при определен- ных условиях их применения. Микроэлементы, например, как таковые имеют разные качества: в больших концентрациях облада- ют токсическими свойствами, а в малых концентрациях наоборот, биотическими. Их наименование по количественному признаку содержания в организме вообще удобно, так как оно является об- щим и не предрешает их физиологических свойств. Как считал А.И. Венчиков, при изучении физиологических свойств микроэле- 48 ^^^^^^^^^
Химические элементы в современной медицине ментов надо выискивать их качества биотиков. Для всех ли микро- элементов можно найти такие свойства и всех ли их тогда называть биотиками, — это вопрос будущих исследований. 2.2. МИКРОЭЛЕМЕНТОЗЫ И АТОМОВИТОЗЫ ЧЕЛОВЕКА По предложению академика РАМН А. П. Авцына и его кол- лег (А. П. Авцын А. А. Жаворонков, 1983) для обозначения всех патологических процессов, вызванных дефицитом, избытком или дисбалансом макро- и микроэлементов, введено понятие микро- элементпозов (табл. 6). Медицинские последствия микроэлементозов продемонстри- рованы на рис. 9. Антропогенное загрязнение окружающей человека природ- ной среды, во многом связанное с микроэлементами из группы тяжелых металлов и радиоактивными изотопами химических эле- ментов, вызывает серьезную озабоченность своими негативными последствиями для здоровья различных групп населения и нации в целом. В настоящее время все большее значение приобретают техногенные микроэлементозы. Известно, что в непосредствен- ной близости от многих промышленных предприятий образуют- ся зоны с повышенным содержанием свинца, мышьяка, ртути, кадмия, никеля и других токсичных микроэлементов, в том чис- ле радиоизотопов, представляющих угрозу для здоровья и даже жизни человека. В то же время, в результате водного и воздушно- го переноса этих токсикантов могут загрязняться территории, находящиеся на значительном отдалении от источника загрязне- ния (трансагрессивные МТОЗы по А. П. Авцыну с соавт. 1991). Некоторые промышленные регионы с особо интенсивным заг- рязнением окружающей среды могут стать зонами сильных тех- ногенных микроэлементозов. Одна из таких зон — зона, под- вергшаяся воздействию вредных выбросов в результате аварии в 1986 г. на Чернобыльской АЭС (так называемая «Чернобыльская зона») (Н. А. Васильев с соавт, 1999). Микроэлементозы довольно широко распространены в России и странах СНГ, как и во всем мире. По данным специалистов автономной некоммерческой орга- низации «Центр Биотической медицины» (ЦВМ) (руководи- ======^^ 49
Глава 2 Таблица 6 Рабочая классификация микроэлементозов (МТОЗ) человека (по А. П. Авцын., А.А. Жаворонков., М.А. Риш, Л.Н. Строчкова, 1991) МТОЗы Основные формы заболеваний Краткая характеристика Природные Эндогенные Природные Экзогенные Техногенные Ятрогенные 1. Врожденные 2. Наследственные Вызванные дефицитом МЭ , Вызванные избытком МЭ Вызванные дисбалансом МЭ 1. Промышленные (профессиональные) 2. Соседские 3. Трансгрессивные 1. Вызванные дефицитом МЭ 2. Вызванные избытком МЭ 3. Вызванные дисбалансом МЭ При врожденных микроэлемен- тозах в основе заболевания может лежать микроэлементоз матери При наследственных микро- элементозах недостаточность, избыток или дисбаланс МЭ вы- зываются патологией хромосом или генов Природные, т. е. не связанные с деятельностью человека и приу- роченные к определенным геогра- фическим локусам эндемические заболевания людей, нередко со- провождающиеся теми или ины- ми патологическими признаками у животных и растений Связанные с производственной деятельностью человека болезни и синдромы, вызванные избытком определенных МЭ и их соединений непосредственно в зоне самого про- изводства; по соседству с производ- ством; в значительном отдалении от производства за счет воздушно- го или водного переноса МЭ Быстро увеличивающееся число заболеваний и синдромов, свя- занных с интенсивным лечением разных болезней препаратами, содержащими МЭ а также с под- держивающей терапией(напри- мер, с полным парентеральным питанием) и с некоторыми лечеб- ными процедурами — диализом, не обеспечивающим организм необходимым уровнем жизненно важных МЭ 50
Глава2__ тель — к.м.н. М. Г. Скальная), наиболее распространенными ги- перэлементозами в индустриальных районах России являются: • избыток свинца (РЬ), превышение биологически допустимого уровня (БДУ) в волосах у детей дошкольного возраста в среднем от 5% в г. Москве, до более чем 30% в городах Южного Урала (Златоуст, Карабаш, Челябинск); • избыток Mn, As, Hg, Cd, превышение БДУ в 1-10% случаев, а также повышение фоновых значений по таким элементам как Fe, Zn, Al, Cu, Cr в 10-30% случаев. Распространенность микроэлементозов у детей в возрасте 5-7 лет в различных городах России представлена в табл. 7 (А. В. Скальный, 2000). Наиболее распространенными гипомикроэлементами являют- ся цинк, медь и железодефицитные состояния. Низкий уровень Таблица 7 Распространенность микроэлементозов у детей (5-7 лет) в различных городах России (А. В. Скальный, 2000) Элемент БДУ Москва Новосибирск Иркутск Челябинск Саратов Курганская обл. Гипомикроэлементозы Fe Zn Си Mn Se Cr Co <15 <125 <8 <0,5 <0,8 <0,5 <0,l 37 49 51 45 14 24 29 16 30 52 15 18 14 20 16 42 59 35 26 12,3 20 10 81,3 39,6 — — — — 3,7 92 91 8,6 35 — 20 4 32 90 7,4 35 — 20 Гипермикроэлементозы Pb* Cd* Sn Al Ni Cr As* Hg Mn >9 >1 >4 >5 >3 >3 >1 >1 >5 5 8 12 8 2 13 2 — 4 18 17 11 18 4 19 4 — 17 11 4,9 6 8,6 0 33,3 1 — 2,4 35 23 — 21 9 30 13 1,6 4 19 43 — — — — 1,5 — 20 12 1,2 25 3,7 72 — — 54 52
Химические элементы в современной медицине Zn в волосах, признанный в качестве индикатора дефицита цин- ка, встречается в России в среднем у 30-90% детей. Формирование загрязнения свинцом окружающей среды го- родов происходит в результате деятельности промышленных пред- приятий и работы автомобильного транспорта, использующего этилированный бензин. По данным Б. А. Ревич и Р. Е. Сает (1990), в городах с преобладанием машиностроительной промышленнос- ти содержание свинца в волосах детей в 13% случаев превышает БДУ, тогда как в незагрязненном районе превышение БДУ отме- чается у 6,6% детей. При этом отмечено, что среднее содержание свинца в волосах детей рабочих в среднем в 1,8 раза больше, чем у детей административного персонала. В зоне максимального воз- действия выбросов медеплавильного комбината избыток свинца обнаружен в 64% случаев. Среди взрослого населения элементозы также являются до- вольно распространенным явлением. Так, в частности, при обсле- довании работников в количестве 320 человек, занятых на агре- гатном заводе АО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны), который в целом является благополучным, современным предприятием в плане охраны труда, выявлена типичная для России ситуация с распространенностью элементозов (табл. 8 и 9). Как следует из табл. 8, для работников современных предпри- ятий характерна частота избытка элементов в пределах от 2 до 19% случаев (в среднем 9%), тогда как частота дефицитов каждого из элементов (табл. 9) колеблется от 7,5 до 27,6% (в среднем 17%). Таблица 8 Гипермикроэлементозы у рабочих КАМАЗа Таблица 9 Гипомикроэлементозы у рабочих КАМАЗа Элемент Hg Сг Мп As Fe Си Со А1 В целом, % 12 10 7 2 17 3 4 19 Элемент Zn Fe Си Са Р Mg К Na Допустимый уровень, мкг/г 120 20 8 400 110 50 40 30 В целом, % 7,5 21,3 21,6 19,4 13,1 17,5 27,6 10,3 53
Глава 2 Таким образом, микроэлементозы представляют в современ- ной России проблему национального масштаба, причем в боль- шей степени среди населения распространены дефициты мак- ро- и микроэлементов. В целом, по данным наших обследований, в среднем в России около 2/3 взрослых и 3/4 детей могут быть отнесены в группы риска по гипоэлементозам, т. е. дефицитам от одного до нескольких важнейших макро- и микроэлементов одновременно. Около 1/3 населения в той или иной степени подвержено ги- перэлементозам — избыточным накоплением одного или несколь- ких элементов в организме, а в индустриальных районах и особен- но зонах экологического бедствия, гиперэлементозы могут встречаться у 90% детского и взрослого (по отдельным професси- ональным группам) населения. Таким образом, предложенная А. П. Авцыным и А. А. Жаво- ронковым классификация МТОЗов позволяет систематизировать наши данные в области изучения биологической роли химичес- ких элементов, понять место медицинской элементологии в ком- плексе наук о здоровье человека. Не так давно профессором В. Л. Сусликовым был предложен новый термин -»атомовиты», т. е. атомы жизни. Этот термин об- разован от корней классических языков всех научных термино- логий: от лат. atom (атом химического элемента) и лат. vita (жизнь). Заостряя терминологический вопрос, необходимо при- нять во внимание задачи медицины и ветеринарии, так как но- вый термин, вероятно, найдет отражение в названии болезней че- ловека и животных, обусловленных участием в их развитии отдельных атомов химических элементов. Таким образом, в последние десятилетия в России созданы и развиваются два прогрессивных направления в учении о биологи- ческой роли микроэлементов — учение о микроэлементозах (А. П. Авцын, А. А. Жаворонков, 1983-1991 гг.) и атомовитозах (В. Л. Сусликов, 1999-2002). Созданные российскими учеными новые подходы в классификации микроэлементов являются при- оритетными в мировой науке, они основаны на глубоком понима- нии химической сути процессов возникновения и поддержания жизнедеятельности организма и служат методической основой ме- дицинской элементологии. 54
Химические элементы в современной медицине 2.3. КОНЦЕПЦИЯ БИОЭЛЕМЕНТОВ - НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ Е. Е. Крисе, И. И. Волченскова, А. С. Григорьева и др. (1986) отнесли к биоэлементам К, Na, Mg, Ca, P, N, О, С, S, Cl, Fe, Mn, Zn, Co, V, Cr, Ni, Си, Zn, Mo, I, Se, Si, F, Br, As и возможно Sn. Биоэлемен- ты — это химические элементы, играющие определенную биологи- ческую роль в организме (А. Т. Биккулова, Г. М. Ишмуратова, 1999). По нашему мнению (А. В. Скальный, 2003), к биоэлементам может быть отнесен любой химический элемент, находящийся в живом организме в количестве, пропорциях и состоянии, свойствен- ном живой материи или, иначе, совместимым с жизнью. В этих количествах и состоянии биоэлемент становится биотическим фак- тором среды обитания, в отличие от минералов, руд неорганичес- ких солей, в составе которых он является абиотическим фактором. По нашему мнению, необходимость разделения химических эле- ментов на два различных состояния естественно вытекает из уче- ния В. И. Вернадского о биосфере и даже развивает его (химичес- кие элементы и «биологические» (биотические) элементы). Таким образом, термин биоэлемент «оживляет» химический элемент, находящийся в абиотическом состоянии, в процессе кру- гооборота химических элементов в биосфере и делает его более конкретным, т. к. акцентирует внимание на биологической (био- тической) роли химических элементов. В принципе, любой химический элемент, пройдя биогеохими- ческие барьеры, приобретает «биотический вид», то есть, становит- ся биоэлементом. Например, кларк Si и А1 в цепочке «почва — расте- ния — животные организмы и человек» прогрессирующе снижается, при этом уменьшается роль и значение этих двух элементов для жи- вых (биотических) систем. По мере продвижения по пищевой (тро- фической) цепи у некоторых элементов происходит процесс акку- муляции в живых организмах, (напр., цинка), а других элементов (Si, Al, Ti) в количественном выражении становится меньше. 2.4. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСУБСТРАТАХ ЧЕЛОВЕКА Оценка элементного статуса человека является основным воп- росом определения влияния на здоровье человека дефицита, из- ^==^=^====^^^==^=^^ 55
Глава 2 бытка или нарушения тканевого перераспределения макро- и микроэлементов. Эта оценка производится либо путем прямого определения содержания химических элементов в органах и тканях человека, либо косвенно — путем изучения различных биохимических ре- акций и процессов, в которые вовлечены эти элементы. Главной задачей всегда является выбор наиболее подходящих для целей исследования биосубстратов и методов анализа. Наиболее информативными для целей гигиенической, доно- зологической диагностики следует считать те ткани или органы, которые вовлечены в процессы «хранения» (депонирования) и «аккумуляции» (концентрирования) для дальнейшего функцио- нального использования (см. табл. 10). Кратковременные по экспозиции и значительные по степени отклонения элементного статуса изменения, отражены в их кон- центрации в жидких средах организма, тогда как твердые ткани (волосы, ногти, кости) представляют элементный статус, форми- рующийся в течение длительного времени (месяцы, годы) и более пригодны для целей как клинической, так и гигиенической доно- зологической диагностики. Серьезные изменения баланса хими- ческих элементов отражаются на элементном составе внутренних органов и тканей, которые в первую очередь являются информатив- ными биосредами для целей клинической диагностики. Таблица 10 Информативность определения химических элементов в крови, моче и волосах (Krause С. et al., 1989; Sabbioni E. et al., 1992) Элемент Кровь Моча Волосы As + + + Al + Ва + Bi + В + Cd + + + Са + + + Сг + + Со + Си + + + Элемент Кровь Моча Волосы Fe + Pb + + Mg + Hg + + P + Se + Ag + Sr + Tl + Zn -f + 56
Химические элементы в современной медицине Проведение элементного анализа волос позволяет с высокой степенью надежности выделить группы риска по гипер- и гипо- элементозам для их дальнейшего углубленного изучения и сво- евременно принять меры профилактического характера, кото- рые способны восстановить нарушения гомеостаза элементов и связанных с ним биохимических и физиологических функций организма. Показания к проведению лабораторной диагностики Определение элементного состава биосред организма челове- ка может использоваться: • при мониторинге состояния здоровья, оценке уровня работос- пособности и эффективности лечения; • формировании групп риска по гипо- и гиперэлементозам; • скрининг-диагностических исследований больших групп на- селения; • подборе рациональной диеты как здоровому, так и больному человеку; • составлении карт территорий риска заболеваний по нозологи- ческим и системным формам патологии различных возрастных групп населения; • оценке взаимозависимости многосторонних связей цепи «че- ловек—среда обитания»; • составлении карт экологического природного и техногенного неблагополучия регионов; • изучении воздействия на организм вредных привычек детей и их родителей; • экспертно-криминалистических исследованиях (идентифика- ция личности в судебной медицине, метод выбора в подтверж- дение исследований по молекуле ДНК и генному коду). Методы определения элементов Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) Этот метод позволяет определить порядка 70 индивидуальных элементов с помощью атомизации пробы в пламени, графитовой кюветы или с использованием специальной техники (напр., ме- тод холодного пара, определения в виде гидридов). В настоящее время данный метод наиболее распространен в Российской Феде- рации, странах СНГ и Балтии. =============^^ 57
Глава 2 Достоинства данного метода: чрезвычайно высокая специфич- ность при определении элементов, позволяющая использовать упрощенную пробоподготовку. В графитовых кюветах: низкие пределы обнаружения, малый расход пробы. Недостатки: ААС — одноэлементный метод, имеющий огра- ниченную линейность области измерений (обычно 1:10). В гра- фитовых кюветах: эффекты матрицы, летучесть соединений. Плазменная атомно-эмиссионная спектрометрия (ИСП-АЭС) Многоэлементный метод, пригодный для одновременного определения многих элементов, в то время как в ААС можно опре- делять лишь отдельные элементы. Перспективный метод для скрининговых биомедицинских и экологических исследований. Достигаемые пределы обнаружения элементов лежат в интер- вале между пламенной и графитовой ААС (0,1-100 мкг/л). К достоинствам данного метода следует отнести: относитель- но малые матричные эффекты, широкий диапазон измерений (1:10000), высокую производительность (значительно выше, чем при использовании ААС). Недостатки: вероятность появления спектральных помех, перекрывание эмиссионных линий некоторых элементов. Плазменная масс-спектрометрия (ИСП-МС) Многоэлементный метод. В последние годы считается наибо- лее перспективным методом для определения микро- и ультра- микроэлементов в биосубстратах. Используется в научно-иссле- довательских и клинических лабораториях. Достоинства данного метода: чрезвычайно низкие пределы об- наружения (по большинству элементов ниже 0,01 мкг/л) и высо- кая производительность. Относится к специальным методам иссле- дования из-за возможности определения изотопов элементов. Позволяет проводить исследования с искусственно обогащенными устойчивыми изотопами и анализ методом изотопного разбавления. К недостаткам относятся: высокая стоимость оборудования, повышенные требования к обслуживающему персоналу. Чрезвы- чайно низкие пределы обнаружения должны сочетаться с соот- ветствующими высокими трудозатратами во избежание загряз- нения проб. 58 _
Химические элементы в современной медицине Ионная хроматография Относительно новый метод. При благоприятных условиях пределы обнаружения достигают 1 мкг/л. Достоинства: совместное определение присутствующих эле- ментов из одной пробы. Прежде всего, это относится к щелочным и щелочноземельным металлам в водных растворах. Недостатки метода: полная минерализация пробы, малый имеющийся практический опыт применения. Полярографический метод (инверсионная амперометрия) Метод определения небольшого числа отдельных или совмес- тно присутствующих элементов, в первую очередь для водных ра- створов. Достоинства данного метода: незначительные затраты на обо- рудование. Недостатки: полная минерализация пробы, большая вероят- ность внесения загрязнений за счет реагентов или потерь, дан- ный метод требует большого количества пробы. Нейтроно-активационный анализ (НАА) Многоэлементный метод. Применяется главным образом в научных исследованиях. Используется при подтверждении ре- зультатов других, более производительных методов, например, для аттестации стандартных образцов и в арбитражном анализе. К достоинствам относятся: простая пробоподготовка, малый расход пробы, высокая селективность. Пределы обнаружения от- дельных элементов достигают 0,001-1 нг/г, имеет варианты не- разрушающего контроля, не требует контрольного опыта. Недостатки: дорогостоящее оборудование и расходные мате- риалы, значительные временные затраты. Время от анализа до получения результатов исследования по отдельным элементам может достигать 6 месяцев. Пламенная фотометрия Атомно-эмиссионный спектрометрический метод использу- ется для рутинного определения некоторых элементов (напр., Na, К, Li) в пробах хорошо известных объектов, таких как плазма кро- ви или моча. Применяется в клинических лабораториях. 59
Глава 2 К достоинствам этого метода следует отнести: простоту, про- изводительность, умеренные требования к обслуживанию. Недостатки: ограниченно пригоден для некоторых элементов, имеет невысокую чувствительность (1-100 мг/л). Спектрофотометрический метод Измерение молекулярного поглощения окрашенными комп- лексными соединениями исследуемых элементов с подходящи- ми реагентами, например, с дитизоном. Достоинства метода: малые затраты на оборудование. Недостатки: полная минерализация пробы, большая вероят- ность внесения загрязнений (проба, посуда, реагенты), требует большого количества пробы и временных затрат. Рентгено-флуоресцентная спектрометрия (РФА) Многоэлементный метод определения основных компонентов. Используют два типа приборов: с дисперсией по длинам волн и энергиям. Применение данного метода в медицине ограничено. К достоинствам относятся: высокая производительность за счет относительно простой пробоподготовки. Приборы с диспер- сией по энергиям позволяют быстро выполнить качественный и количественный обзорный анализ. Недостатки: количественное определение содержащихся в пробе элементов ограничено за счет одновременного усиления и ослабления рентгенофлуоресцентного излучения. 2.5. КЛИНИКО-ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭЛЕМЕНТНОГО СТАТУСАЧЕЛОВЕКА Кроме прямого определения химических элементов в тканях, судить об их статусе можно и с помощью определения соответству- ющих биохимических показателей (табл. 11). Эти показатели за- висят от концентрации химических элементов в тканях и орга- нах, поэтому косвенно отражают их дефицит или избыток. Например, при дефиците цинка может изменяться активность Zn- зависимых карбоангидразы, щелочной фосфатазы, карбоксипеп- тидазы и других ферментов. Классическими биохимическими индикаторами интоксикации свинцом являются показатели пор- фиринового обмена, гипохромная анемия, анизоцитоз и другие 60 =============^^
Химические элементы в современной медицине Таблица 11 Элементспецифические индикаторные функции (по Н.Р. Bertram, 1992, с доп. А.В. Скального, 2000) Элемент А1 Sb As Pb Cd Cr Fe F Au I Cu Li Mn Mo Pt Кинетические индикаторы установленные Плазма крови Моча и волосы Моча и волосы, ногти Цельная кровь и моча Моча и цельная кровь Эритроциты Плазма крови Моча Волосы, ногти Моча, плазма крови Плазма крови, волосы Плазма крови Моча и плазма крови Моча и плазма крови возможные Моча, волосы Цельная кровь кровь Волосы, зубы Волосы Волосы Волосы Волосы Моча и плазма крови Волосы Моча, ногти Моча, волосы Волосы и моча Волосы, ногти Волосы Динамические индикаторы Р, Са щелочная фосфатаза Картина крови Аминолевулиновая кислота, фетальный эритропротеин 5, аудиограмма Аминолевулиновая кислота в моче, нервно-мышечная проводи- мость, цинк-протопорфирин, копропорфирин Р2-микроглобулин в моче гиалуронидаза плазмы крови, насыщенность трансферрина хромом, тест на толерантность к глюкозе Ферритин плазмы, свободный эритропорфирин, насыщен- ность железом трансферрина Рентгенография костей Картина крови йод, связанный с белком Церулоплазмин, лизилоксида- за, дофамин-Р-гидроксилаза ЭЭГ, ЭМГ, агглютинация эри- троцитов, 17-кетостероиды в моче Церулоплазмин, медь в моче, мочевая кислота в плазме и моче, активность ксантинокси- дазы в эритроцитах 61
Глава 2 Продолжение таблицы 11 Элемент Se Ag Tl Bi Zn Кинетические установленные Моча и волосы, плазма крови Моча Моча и волосы Суточная моча Моча, плазма крови и волосы индикаторы возможные Ногти Волосы и плазма крови Кровь, кал Волосы Слюна, ногти Динамические индикаторы Глютатионпероксидаза в эрит- роцитах Исследования корней волос под микроскопом Ретинолсвязывающий белок, активность карбоангидразы, изменение вкуса и обоняния гематологические показатели. Статус селена можно определить с помощью активности глутатионпероксидазы эритроцитов и по- казателей перекисного окисления липидов. 2.6. СИСТЕМАМЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ОПТИМИЗАЦИЮ ЭЛЕМЕНТНОГО БАЛАНСА НА ИНДИВИДУАЛЬНОМ И ПОПУЛЯЦИОННОМ УРОВНЯХ В направлении оптимизации микроэлементного баланса у населения мы предлагаем трехэтапную систему мероприятий (рис. 10). Данная система мероприятий может быть эффективной как в случае мономикроэлементозов (йоддефицитные, селендефи- цитные, железодефицитные состояния), так и полимикроэле- ментозов (сочетанный дефицит эссенциальных и избыток ток- сичных МЭ). Внедрение подобной системы в России необходимо, т. к. подобные мероприятия, к сожалению, никог- да не приводились, а уровень заболеваемости микроэлементо- зами растет. Опыт ликвидации селендефицитных состояний в США, Финляндии, Китае говорит сам за себя. Ведущий амери- канский биохимик W. Mertz (1997) отмечал, что снижение ча- стоты рака молочных желез и кожи у американцев в последние годы, находится в прямой зависимости от роста концентрации селена в их крови. 62
Химические элементы в современной медицине Рис. 10. Этапность проведения мероприятий по снижению распространенности микроэлементозов в регионах Таким образом, концепция стабилизации здоровья населения России не может рассматриваться без тщательно разработанных программ по коррекции элементного статуса населения. Приведенная схема (рис. 11) наглядно демонстрирует эта- пы изучения распространенности элементозов на уровне стра- ны, региона и место анализа волос в системе скрининга и ме- роприятий по нормализации микроэлементного статуса популяции. Использование данного метода позволяет разрабо- тать региональные рекомендации к коррекции микроэлемент- ного статуса популяции. 63
Главах клиническая диагностика (углубленное кпинико-биохимическое исследование с определением макро- ш микрэяемвнтов в крови, сыворотке, моче {§,001-0,01%)) еническая (донозологическая) дшагн©сти«а и количественная о;ценка рентного статуса (инструментальный многозлементаый анализ волос (0,01~0t2%| с шшртамшеы фупп риска по микроэлементозам, индивидуальными и групповыми мендациями по их профилактике) «cipy ментальная (расчетная) оценка обеспеченности групп, населения региона ю- и микроэлементами (опрос, анкетирование» биоматематическое моделирование) I %) формирование контингентов риска; проведение санитарно-гигиенических ш лечебно пиофилакгических иврощшштшш на ровне крупных населенных пунктов и массовая профилактика микроэлементозов на уровне региона (с учетом региональных особенностей элементного статуса популяции) Рис. 11. Схема выявления и коррекции элементозов в регионе 64
Человек - группа атомов, вполне зависимая в своих движениях от всех сил, делений и изменений целого; и с другой стороны, как каждый отдельный атом, чело- век непостижим и существует сам для себя и по себе (Ф. Ницше) ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОРГАНОГЕНЫ О. КИСЛОРОД лат.: oxygenum, англ.: oxygen, нем.: Sauerstoff Кислород — элемент VI группы периодической системы; атом- ный номер 8, атомная масса 16. Название происходит от греч, оху genes (образующий кислоты). Открыт в 1774 г. Дж. Пристли (Ан- глия) и независимо от него К. Шееле (Швеция). Кислород является самым распространенным элементом на Земле и существует в основном в виде двух элементных форм: О2 (кислород) и О3 (озон). Кислород в свободном состоянии — газ без цвета и запаха. Кислород вступает во взаимодействие почти со все- ми химическими элементами и образует с ними множество соеди- нений. Наиболее распространены следующие: оксиды, перокси- ды, гидроксиды (кислоты и основания) и их многочисленные производные. Кислород входит в состав практически всех мине- ралов, основные из которых — силикаты: кварц, полевой шпат и др. Основным резервуаром свободного кислорода является атмос- фера Земли, а связанного — земная кора, морская и пресная вода. Атомный номер: 8 Атомная масса: 15,9994 Основные степени окисления в естественных условиях: —2, —1,0, 1,2 Место в системе элементов: VI группа Мировые запасы (т): 1,2х 1015(в атмосфере) [8]* Мировое производство (т/год): 1х 108 [8] 3 Химические элементы в физиологии и экологии человека 65
ГлаваЦ Виды промышленности, металлургическая где используется элемент: промышленность, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 63,2 [1] Содержание в атмосфере: 23,1 % Содержание в литосфере: 465000 мг/кг [ 10] Содержание в почве: 490000 мг/кг [10] Содержание в гидросфере: 859000 мг/л [10] Применение кислорода и его соединений Кислород является жизненно важным химическим элемен- тов почти для всех живых организмов, кроме анаэробных бакте- рий и обитателей специализированных глубоководных биоцено- зов, чья энергетика основана на продуктах вулканической деятельности. Для большинства живых существ основная функ- ция кислорода — обеспечение дыхания путем окисления органи- ческих соединений с образованием в конечном итоге углекислого газа и воды. Освобожденная при этом энергия используется для протекания жизненных процессов. В промышленности кислород используется для сварки и рез- ки металлов, как окислитель ракетного топлива, в качестве реак- тива в химических процессах и т. д. Кислород применяется в ап- паратах дыхания, в так называемых «кислородных подушках». Обогащенный кислородом воздух используется в различных ме- таллургических процессах, для газификации бурого угля под дав- лением и др. Химическое присоединение кислорода называется окислением (медленное окисление — это процесс усвоения пищи организмом, гниения органических остатков, образования ржав- чины и старения резины, а быстрое окисление — это горение). Озон О3 — используется для обеззараживания питьевой воды (озо- нирование), обезвреживания промышленных сточных вод, в ка- честве дезинфицирующего средства в медицине. Озоновый слой в стратосфере обеспечивает защиту жизни на Земле от ультрафио- летового излучения. Изотоп кислорода 15О входит в состав соеди- нений, с помощью которых проводят исследования функции лег- ких (их вентиляцию), изучают скорость кровотока, процесс Здесь и далее в квадратных скобках приведены ссылки на источники согласно списка литературы для глав 3-7. 66
Химические элементы - органогены поглощения кислорода организмом, его метаболизм в миокарде и головном мозге. В медицине кислород используют для ингаляций при затрудненном дыхании, состояниях кислородной недостаточности, отравлении угарным газом и цианидами. В лечебных целях применяют дозированное воздействие кислорода на организм под повышенным давлением (гипербарическая оксигенация), в результате чего улучшается гемодинамика и кислородное снабжение тканей. При сердечно-сосудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене. Также применяется искусственное обогащение озоном воздуха для его обеззараживания и дезодорации. Озонирование питьевой воды используется для ее очистки и обеззараживания. Радиоактивный изотоп кислорода 15О используют для исследований скорости кровотока, легочной вентиляции и обмена кислорода в миокарде и головном мозге. Атомы кислорода являются составной частью молекул множества лекарственных средств. Физиологическая роль кислорода Содержание кислорода в организме взрослого человека состав- ляет около 62% от массы тела (43 кг на 70 кг массы тела). Вместе с водородом кислород образует молекулу воды, содер- жание которой в организме взрослого человека в среднем состав- ляет около 55-65%. Кислород входит в состав белков, нуклеиновых кислот и дру- гих жизненно-необходимых компонентов организма. Кислород необходим для дыхания, окисления жиров, белков, углеводов, ами- нокислот, а также для многих других биохимических процессов. Обычный путь поступления кислорода в организм лежит че- рез легкие, где этот биоэлемент проникает в кровь, поглощается гемоглобином и образует легко диссоциирующее соединение — оксигемоглобин, а затем из крови поступает во все органы и тка- ни. Кислород поступает в организм также и в связанном состоя- нии, в виде воды. В тканях кислород расходуется преимуществен- но на окисление различных веществ в процессе их метаболизма. В дальнейшем почти весь кислород метаболизируется до углерода диоксида и воды, и выводится из организма через легкие и почки. ^^=====^==-=====^^ 67
Глава 3 Кислород: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 2600 г (муж.), 1800 г (жен.) [9] Суточное поступление своздухом: 920 г (муж.), 600 г (жен.) [9] Резорбция (%): -100% [7] Суточное выведение [7]: с воздухом: 920 г (муж.), 600 г (жен.) с мочой: 1300 г (муж.), 1100 г (жен.) скалом: 100 г (муж.), 90 г (жен.) с потом: 580 г (муж.), 370 г (жен.) прочие: 780 г (муж.), 530 г (жен.) Период полувыведения из организма: 14 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,7х 1027 Число атомов в одной клетке: 1,7х 1013 Среднее содержание в человеческом организме [2]: кг/70 кг: 43 [8] волосы: 300000 мг/кг [12] Токсическая доза для человека: токсичен в виде О3 [8] ПДК: Озон ПДКрз 0,1 мг/м3 ПДКсс 10"5мг/м32 С. УГЛЕРОД лат.: carboneum, англ.: carbon, нем.: Kohlenstoff Углерод известен с доисторических времен, его название про- исходит от лат. carbo (уголь). Углерод при обычных условиях химически инертен. В природе в чистом виде встречается в виде графита, угля, алмаза. Значительное количество углерода содержится в горючих ископаемых (природный газ, нефть, уголь, горючие сланцы), в углеродсодержащих минералах (кальцит, арагонит, доломит и др.). В круговороте углерода в природе участвуют растения, животные, человек, горючие ископаемые и не- горючие минералы, а также углекислый газ атмосферы. 68 _
Химические элементы - органогены Атомы углерода обладают способностью образовывать цепи типа «углерод-углерод» любой длины и различной степени раз- ветвленности; эти цепи могут замыкаться в кольца (циклические разновидности углеводородов). Углерод способен к образованию неограниченного количества структурных и пространственных соединений с электронположительными и электронотрицатель- ными элементами. В настоящее время известно несколько мил- лионов органических соединений; на углеродной основе построе- на вся жизнь на земле. Соединения углерода (углеводы, белки, жиры, ДНК и РНК, гормоны, амино- и карбоновые кислоты) уча- ствуют в построении всех тканей организма, обеспечении жизне- деятельности животных и растений. Атомный номер: 6 Атомная масса: 12,0107 Основные степени окисления в естественных условиях: -4, 2, 4 Место в системе элементов: IV группа Мировые запасы [1 ] (т): Зх 106 (природный газ); 1,1хЮ12 (уголь); 1,1x1011 (нефть) Мировое производство [1] (т/год): 8хЮ9 Виды промышленности, Практически все виды где используется элемент: промышленности Среднее содержание в окружающейсреде (%, биосфера): 0,44 [1 ] Содержание в литосфере: 320 мг/кг Содержание в почве: 20000 мг/кг [10] Содержание в морской воде: 28 мг/л [10] Содержание в пресной воде: 11 мг/л [10] Применение углерода и его соединений в промышленности и медицине В отличие от атомов других элементов, атомы углерода могут соединяться в цепи и циклы, что является причиной образования огромного количества углеродсодержащих соединений, которых насчитывается свыше 5 миллионов. Ежегодно синтезируется око- ло 250000 новых соединений углерода. ===============^^ 69
Глава 3 . Алмаз применяют для изготовления бриллиантов, режу- щих инструментов (напр., для резки стекла), в качестве опоры для подшипников. Графит — используют для изготовления стержней в каранда- шах, плавильных тиглей, электродов, в качестве замедлителя в ядер- ных реакторах, пигмента, добавок в антикоррозионные краски. Сажа — используется в качестве компонента при изготовле- нии резины, в том числе автопокрышек, крема для обуви, печат- ных красок, туши, а также сухих гальванических элементов. Активный уголь — применяется для очистки, разделения и извлечения различных веществ, таких как бензол, ксилол, раство- рители и ряд других, для очистки этанола от сивушных масел, обесцвечивания паточного сиропа, обеззараживания воздуха (напр., в противогазах). В медицине активный уголь использует- ся как сорбирующее средство и широко применяется в токсико- логии и гастроэнтерологии. Монооксид углерода СО — очень ядовитое соединение (смер- тельная доза в вдыхаемом воздухе составляет всего 0,2%). Моле- кула монооксида углерода прочнее кислорода и способна связы- ваться с гемоглобином, что нарушает поступление кислорода в ткани организма. Используется в производстве метанола, карбо- нилов,углеводородов. Технические газы, содержащие СО, применяют в качестве горючего газа и в синтезе аммиака (воздушный или генератор- ный газ, смешанный газ, коксовый газ, бытовой газ). Диоксид углерода (углекислый газ, СО2) — ассимиляция этого соединения в процессе фотосинтеза при поглощении солнечной энер- гии приводит к образованию органических веществ (в первую оче- редь — глюкозы) и выделению в атмосферу кислорода. Использует- ся для промышленного синтеза многих химических продуктов (карбамида, салициловой кислоты и др.), для сварки, приготовле- ния газированных напитков и как охлаждающий агент (сухой лед). Карбиды — используются для выделения ацетилена С2Н2 (карбид кальция СаС2), метана СН4 (карбид алюминия А14С3). Кар- бид является компонентом стали и чугуна (карбид железа FeC3). Угольная кислота и ее соли — карбонат натрия Na2CO3 (каль- цинированная сода), карбонат калия К2СО3 (поташ), гидрокарбо- нат натрия NaHCO3 (питьевая сода), гидроксид-карбонат свинца 2РЬСО3*РЬ(ОН)2 (свинцовые белила). 70 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Химические элементы — органогены Фосген CCI2O — применяется в синтезе полиуретанов. Карбамид (мочевина) CO(NH2)2 — азотное удобрение и до- бавка в корма, используется в производстве моющих средств, для получения меламинных и карбамидных смол. У людей и млеко- питающих карбамид является конечным продуктом белкового обмена (в норме человек ежедневно выделяет 25-30 г мочевины). Циан C2N2 и его производные, циановодород HCN, цианиды (NaCN, KCN) — очень ядовитые соединения, 50 и 150 мг соответ- ственно, являются смертельными дозами для человека. Цианиды применяются для изготовления гальванических электролитов, вы- деления золота и серебра цианидо-щелочными способами, для по- лучения синильной кислоты, берлинской лазури, красной кровя- ной соли и др. В фармации и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбо- новых кислот, полимеры и др. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции газов и выведения из организ- ма различных токсинов, графит (в виде мазей) — для лечения кож- ных заболеваний, радиоактивные изотопы углерода — для науч- ных медицинских исследований и т. д. Изотоп 14С применяется в радиоиндикации, а также в археоло- гии (для установления возраста археологических находок). В медико- биологических исследованиях используют продукты, меченые 14С. Физиологическая роль углерода В организм человека углерод поступает с пищей (около 300 г в сутки). Общее содержание углерода достигает около 21% (15 кг на 70 кг общей массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимуществен- но с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина). В биомолекулах углерод образует полимерные цепи и прочно соединяется с водородом, кислородом, азотом и другими элемен- тами. Физиологическая роль углерода определяется тем, что этот элемент входит в состав всех органических соединений и прини- мает участие практически во всех биохимических процессах в орга- низме. Окисление соединений углерода под действием кислоро- да приводит к образованию воды и углекислого газа; этот процесс служит для организма источником энергии. Двуокись углерода СО2 (углекислый газ) образуется в процессе обмена веществ и яв- — 71
Глава 3 ляется стимулятором дыхательного центра, играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения. В свободном виде углерод не токсичен, но многие его соедине- ния обладают значительной токсичностью: окись углерода СО (угарный газ), четыреххлористый углерод СС14, сероуглерод CS2, соли цианистой кислоты HCN, бензол СбНб и ряд других. Угле- кислый газ в концентрации свыше 10% вызывает ацидоз (сниже- ние рН крови), одышку и паралич дыхательного центра. Длительное вдыхание каменноугольной пыли может привести к антракозу — заболеванию, которое сопровождается отложением угольной пыли в ткани легких и лимфатических узлах, склероти- ческими изменениями легочной ткани. Токсическое действие угле- водородов и других соединений нефти у рабочих, занятых в нефтедо- бывающей промышленности может проявиться в огрубении кожи, появлении трещин и язв, развитии хронических дерматитов. Суточное поступление с продуктами питания: 300 г [7] Суточное поступление своздухом: 3,7 г [7] Резорбция (%): 10% [7] Суточное выведение с воздухом: -300 г [7] Период полувыведения из организма: 37 суток [7] Число атомов в теле человека: 6,4х 10 [26] Число атомов в одной клетке: 6,4х 10 [12] Среднее содержание в человеческом организме: кг/70 кг: 16 [8] кровь: 25000 мг/л [12] кости: _т 280000 мг/кг [10] Токсическая доза для человека: может быть токсичен в форме СО [8] или цианидов (CN-) [2] Летальная доза для человека: N.A30T лат.: nitrogenium, англ.: nitrogen, нем.: Stickstoff Название происходит от греч, nitron genes (образующий се- литру); a — отрицательная частица, zoe — жизнь («не поддержи - 72 ============^
Химические элементы - органогены вающий дыхания и горения»). Открыт в 1772 г. Д. Резерфордом (Шотландия). Азот — газ без цвета и запаха. N2 в молекулярной форме зани- мает 78% объема земной атмосферы. Неорганические соедине- ния азота встречаются в природе в небольших количествах, что связано с хорошей растворимостью многих их них. Видимо, по- этому содержание азота в почве относительно невелико (около 1 г на 1 кг). Тем не менее, азот один из основных биоэлементов. Буду- чи незаменимым компонентом молекулы белка, азот является строительным материалом для всего живого. Поэтому азот иногда называют «органогеном». Азот постоянно извлекается из почвы растениями, в результате чего почва может истощаться и стано- вится менее плодородной. При соединении с водородом азот образует аммиак NH3, а при соединении с кислородом — ряд окислов. Получают азот из сжи- женного воздуха. Азот широко используется в производстве ми- неральных (азотных) удобрений, в металлургии и при металлооб- работке, в химической промышленности, при производстве пластмасс, взрывчатых и отравляющих веществ. Атомный номер: 7 Атомная масса: 14,0067 Основные степени окисления в естественных условиях: -3, -2, -1, 0, 2, 3, 4, 5 Место в системе элементов: V группа Мировые запасы (т): 3,9х 1015 (в атмосфере) [8] Мировое производство (т/год): 44х 106 [8] Виды промышленности, химическая промышленность, где используется элемент: сельское хозяйство, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 0,12 [1] Содержание в атмосфере: 78% Содержание в литосфере: 0,002 г/кг [1 ] Содержание в почве: 1000 мг/кг [ 1 ] Содержание в морской воде: 0,5 мг/л [10] Содержание в пресной воде: 0,23 мг/л [10] Применение азота и его соединений Азот в газообразном состоянии используется для создания условий для хранения и перевозки огнеопасных продуктов, при =============^^ 73
Глава 3 формировании полиамидных волокон. Жидкий азот широко при- меняется в медицине: в косметологии при удалении гемацитом, миндалин, невусов, других доброкачественных новообразований; а также для хранения спермы, тканей и органов. Аммиак NH3 — главный продукт естественного гниения органических веществ, важнейшее сырье для производства различных химических про- дуктов (азотной кислоты и ее производных, в том числе удобре- ний, взрывчатых веществ, солей аммония, красителей, карбами- да, аминов, амидов, соды, циановодорода, карилоэмтрила и др.). Аммиак используют в качестве хладагента в холодильных маши- нах, для проявления светокопировальной бумаги и как промыш- ленный растворитель. Соединения аммония NH4+ (водный амми- ак, аммиачная вода, нашатырный спирт), используются в медицине в качестве лекарственных средств, а в промышленнос- ти для нейтрализации кислот, производстве удобрений, чистки медных изделий. Хлорид аммония NH4C1 используют как компо- нент для изготовления сухих гальванических элементов, мине- ральных удобрений, а в медицине — в качестве муколитического средства. Сульфат аммония (NH4)2SO4 применяют при производ- стве минеральных удобрений, выработке дрожжей и для огнеза- щитной пропитки бумаги. Нитрат аммония (аммонийная селит- ра) NH4NO3 является компонентом удобрений и взрывчатых веществ, гидрокарбонат аммония NH4HCO3 _ химический разрых- литель теста. Оксид азота (I) N2O («веселящий газ») используется в медицине в смеси с кислородом как наркотическое средство. Азотная кислота HNO3 — один из основных продуктов использу- емых в химической промышленности (75% производимой азот- ной кислоты используется в производстве удобрений, а 15% — взрывчатых веществ). Азид свинца (II) Pb(N3)2 применяется как детонатор взрывчатых веществ, гидразин и его производные вхо- дят в состав ракетного топлива. Жидкий аммиак, карбамид, суль- фат аммония являются азотными удобрениями (см. выше). Изо- топ 13N используется при исследовании сталей методом активационного анализа. В медицине соединения азота применяют в качестве наркотических (закись азота), мочегонных (хлорид аммония), антиангинальных (нитроглицерин), противоопухолевых (эмбихин), радиозащитных (меркамин) средств. Метиламин, диметиламин, диэтиламин и другие 74 _ __ ^
Химические элементы — органогены представители алифатических аминов используются в синтезе лекарственных веществ. Анилин, метил- и диметиланилины также применяются при производстве лекарственных препаратов. Огромное значение в функционировании ЦНС имеют физиологически активные вещества, относящиеся к биогенным моноаминам — адреналин, норадреналин, дофамин. Адреналин, эфедрин, фенамин используют при падении кровяного давления, шоке, остановке сердца, — в качестве средств, возбуждающих нервную систему. Водный раствор аммиака — нашатырный спирт, широко используется как средство для возбуждения дыхательного центра, для оказания первой помощи при угаре, для мытья рук перед операцией и т. д. Физиологическая роль азота Азот необходим всем живым организмам для синтеза азотсо- держащих строительных блоков — аминокислот, из которых об- разуются белки и нуклеиновые кислоты. Сине-зеленые водорос- ли усваивают газообразный азот из атмосферного воздуха. Растения добывают азот из почвы, в виде растворимых нитратов и соединений аммиака. Схема обмена азота в организме человека представлена на рис. 12. Содержание азота в организме взрослого человека составляет около 3% от массы тела (2,1 кг на 70 кг массы тела). Азот поступает в организм с пищевыми продуктами, в состав которых входят белки и другие азотсодержащие вещества. Эти вещества расщепляются в желудочно-кишечном тракте и затем всасываются в виде аминокислот и низкомолекулярных пепти- дов, из которых организм строит собственные аминокислоты и белки. Вместе с тем, организм человека не способен синтезиро- вать некоторые необходимые для жизни аминокислоты и получа- ет их с пищей «в готовом виде». Азот (в виде аминогруппы -NH2) входит в состав различных биолигандов, играющих огромную роль в процессах жизнедеятель- ности (аминокислоты, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты). Од- ним из конечных продуктов метаболизма этих веществ является аммиак NH3. Из организма азот выводится вместе с мочой, калом, выдыхаемым воздухом, а также с потом, слюной и волосами. В моче азот содержится в основном в виде мочевины. =========^^ 75
Глава 3 . Физиологическая роль азота в организме ассоциируется, прежде всего, с белками и аминокислотами, их метаболизмом, участием в жизненно-важных процессах и влиянием на эти про- цессы. Аминокислоты являются исходными соединениями при биосинтезе гормонов, витаминов, медиаторов, пигментов, пури- новых и пиримидиновых оснований и т. д. Белки в пересчете на сухой вес составляют 44% от массы тела. Изменения в содержании белков и аминокислот, расстройства их метаболизма могут быть вызваны различными причинами. Среди этих причин — их недостаточное (или избыточное) поступ- ление, нарушение переваривания и всасывания белка в желудоч- но-кишечном тракте, расстройство процессов экскреции азота и его соединений. 76
Химические элементы — органогены Интегральным показателем состояния белкового обмена явля- ется азотистый баланс, т. е. разница между количествами азота, поступающего извне и выводимого из организма за сутки. Сдвиги в обмене белков сопровождаются разнообразными клиническими проявлениями. Известны многочисленные аминоацидопатии — последствия нарушения промежуточного обмена аминокислот (фе- нинилаланина, лейцина, валина и др.). Подробное рассмотрение сложных и многогранных проблем физиологии и патофизиологии белкового обмена не входит в зада- чи настоящего справочника. В то же время нельзя не остановить- ся на некоторых новых данных, характеризующих биорегулиру- ющую роль азота в организме. В последние годы оксид азота (N0) воспринимается как один из важнейших иммунотропных медиаторов. N0 синтезируется из аминокислоты L-аргинина в присутствии фермента NO-синтета- зы. Главным источником и местом образования N0 в организме является эндотелий, общая масса которого в теле человека дости- гает 1,5 кг. Функции оксида азота в организме весьма многообразны. N0 участвует в поддержании системной и локальной гемодинамики, способствует снижению повышенного тонуса гладкой мускула- туры сосудов и обеспечивает поддержание нормального уровня артериального давления. N0 выступает в роли нейротрансмитте- ра в желудочно-кишечном тракте, мочевыводящей и половой сис- теме, активируя цГМФ. При иммунном ответе N0 является сти- мулятором фагоцитоза и киллинга внутриклеточных паразитов. При сепсисе, под влиянием цитокинов, происходит высвобожде- ние N0 в больших количествах, что способствует развитию септи- ческого шока. Оксид азота играет важнейшую роль медиатора, в патогенезе бронхиальной астмы, хронического гломерулонефри- та, туберкулеза, рассеянного склероза, болезни Крона, различных опухолей, а также СПИДа. NO участвует в деструкции и метаболизме ферментов, содер- жащих железо, кобальт, марганец, цинк. Именно благодаря спо- собности N0 инактивировать Fe-содержащие ферменты происхо- дит гибель внутриклеточных микроорганизмов, жизнедеятель- ность которых зависит от присутствия железа и других биоэлементов. Очевидно, что эта функция N0 является универ- сальной и отводит NO решающую роль в элиминации «старею- =============^^ 77
Глава 3 щих» молекул цитохромов, каталазы, гемоглобина, а также в ин- дукции апоптоза в клетках, где повышается уровень свободного, нехелированного железа. Азот: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 16 г (муж.), 13 г (жен.) [9] Суточное выведение [7]: с мочой: 15 г (муж.), 13 г (жен.) скалом: 16 мг (муж.), 13 мг (жен.) с потом: 32 мг (муж.), 26 мг (жен.) Период полувыведения из организма: 90 суток [7] Число атомов в теле человека: 9,1 х 1025 Число атомов в одной клетке: 9,1 х 1011 Среднее содержание в человеческом организме: кг/70 кг 1,8 [8] эритроциты: 52000 мг/кг кровь: 3077 мг/л [12] плазма крови: 13000 мг/кг [17] волосы: 140000-157000 мг/кг [12] ногти: 146000-148000 мг/кг [12] ПДК: Азот диоксид ПДКм.р. ПДКс.с. Азот оксид ПДКм.р. ПДКс.с. Азоттрифторид ПДКм.р. ПДКс.с. Азотная кислота ПДКм.р. ПДКс.с. 0,085 0,04 0,04 0,06 0,4 0,2 0,4 0,15 Токсическая доза для человека: некоторые соединения токсичны 78
Глава 4. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ - МАКРОЭЛЕМЕНТЫ Са. КАЛЬЦИЙ лат.: calcium, англ.: calcium, нем.: Calcium Кальций впервые выделен в 1808 гг. Дэви (Англия). Назва- ние элемента происходит от лат. calx (известь). Кальций представляет собой щелочно-земельный металл. Кальций химически активен, взаимодействует с водой и с кис- лородом на воздухе, занимает 5-е место по распространенности в земной коре (минералы кальцит, гипс, флуорит, доломит и др.)- Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 20 40,078 2 II группа практически неограниченны 20008 Цветная металлургия, строительная промышленность, сельское хозяйство, медицина и др. Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): Содержание в атмосфере3: океаны: южный полюс: острова: материки: пригород города (макс): Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 1.6 [1] 0,44мкг/м3 0,49 нг/м3 0,6 мкг/м3 28 мкг/м3 52400 мг/кг 13700 мг/кг 400 мг/л [8] 40-80 мг/л [8] 79
Глава 4 . Применение кальция и его соединений в промышленности и медицине Кальций, как компонент, входит в различные сплавы, напри- мер в антифрикционный сплав (0,73% кальция, 0,55% натрия, 0,04% лития, остальное — свинец) и используется для получения редких металлов. Карбонат кальция СаСО3 (природный известняк, туф, мел, мрамор) служит сырьем в производстве строительных материалов, азотных минеральных удобрений, в металлургии, химической промышленности, а также в качестве наполнителя при производстве бумаги. Однородный мелкодисперсный поро- шок мела входит в состав зубных паст, различных гелей и порош- ков, а в виде таблеток используется в производстве препаратов кальция. Оксид кальция СаО (негашеная известь) служит важ- нейшим сырьем для многих отраслей промышленности, в частно- сти, для производства известковых удобрений; чистый доломит CaO*MgO — материалом для полировки и обезжиривания метал- лических поверхностей в гальванотехнике. Сульфат кальция CaSO4, ангидрит — безводный CaSO4, гипс — CaSO4*2H2O и его разновидности: алебастр, селенит, мариенгонс являются важней- шими строительными материалами и используются при штука- турных работах и отделке, а также в качестве сырья для получе- ния серной кислоты и сульфата аммония. Обожженный гипс служит материалом для изготовления гипсовых отпечатков, раз- личных форм, строительных плит, панелей и т. д. Гипс применя- ется в медицине, в частности в травматологии и стоматологии. Гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашеная известь, известковое моло- ко) применяется в качестве основного материала для приготовле- ния известкового строительного раствора, производства хлорной извести и других соединений кальция, защитных средств для культурных растений, известковых удобрений, умягчения воды, дубления кож, каустирования поташа и соды, нейтрализации сточных вод, выделения органических солей кальция из расти- тельных соков, получения органических кислот. Карбид кальция СаС2 это сырье для получения ацетилена, цианамида кальция. Фторид кальция CaF2 (в природе минерал — плавиковый шпат) служит сырьем для получения соединений фтора и флюсов в цвет- ной и черной металлургии. Сульфид кальция CaS — реагент для удаления волосяного покрова шкур перед дублением. Полисуль- фиды кальция служат пестицидами для борьбы с клещами. 80 ======================^
Химические элементы — макроэлементы В медицине используют многие соединения кальция (хлорид, глюконат, оксид, цитрат, аспартат, доломит, глицерофосфат, комбинация солей кальция с витамином D, карбонат). Кальций входит в состав витамина В15.Искусственные радиоактивные изотопы кальция применяются в медико-биологических исследованиях при изучении кальциевого обмена.Соединения, меченые 45Са, применяются в биологии и медицине в качестве изотопного индикатора при изучении процессов минерального обмена в живом организме, обменных процессов в почвоведении, изучении усвоения кальция растениями. Изотоп 45Са используется в металлургии при исследовании движения газов, металла, легирующих элементов в доменных и мартеновских печах. Физиологическая роль кальция Кальций в больших количествах содержится во многих пище- вых продуктах и ежедневно поступает в организм с пищей. Зна- чительное количество кальция присутствует в молочных продук- тах (сливки, молоко, сыр, творог), меньшее — в огородной зелени (петрушка, шпинат), овощах (бобы, фасоль), орехах и рыбе. Су- точная потребность организма в кальции (800-1500 мг) обычно покрывается за счет пищи. Биоусвояемость кальция составляет 25-40%. Всасывание кальция происходит в тонком кишечнике, глав- ным образом в двенадцатиперстной кишке. Здесь желчные кис- лоты образуют с солями кальция комплексные соединения, кото- рые затем проходят через стенку ворсинок. Кальций является важной составляющей частью организ- ма; его общее содержание составляет порядка 1,4% (1000 г на 70 кг массы тела). В организме кальций распределен неравно- мерно: около 99% его количества приходится на костную ткань и лишь 1% содержится в других тканях (1 г в плазме крови, 6-8 г в мягких тканях). В цельной крови концентрация каль- ция достигает 2,25-2,5 ммоль/л (90-100 мг/л), из них 40-45% связаны с белками плазмы, 8-10% находятся в комплексе с ионами, например, цитратом, 45-50% диссоциированы в виде свободных ионов. Кальций обеспечивает опорную функцию ко- стей. В то же время костная ткань выполняет функцию «депо» кальция в организме. Выводится кальций из организма через кишечник и почки. 81
Глава 4 Главная функция кальция состоит в организации жестких конструкций (СаСОз, Са2(РО4)2) и в обеспечении функционирова- ния вторичных месенджеров в клетке, включая мышечные сокра- щения. Кальций в составе Са3(РО4)2*Са(ОН)2 находится в костной ткани, обеспечивает прочность ногтей и зубов. Катионы Са2+, входящие в состав плазмы крови и тканевых жидкостей, участву- ют в поддержании гомеостаза (ионное равновесие, осмотическое давление в жидкостях организма), а также в регуляции сердеч- ных сокращений и свертываемости крови. Кальций входит в состав многих биомолекул, связываясь че- рез атом кислорода с анионами фосфорной, угольной и карбоно- вой кислот. Кальций очень активен: доминирующее положение этого элемента в конкуренции с другими металлами и соединени- ями за активные участки белков определяется химическими осо- бенностями иона кальция — наличием двух валентностей и срав- нительно небольшим атомным радиусом. Поэтому кальций может успешно конкурировать с радионуклидами и тяжелыми металла- ми на всех этапах метаболизма. Метаболизм кальция находится под влиянием околощитовид- ных желез, кальцитонина (гормон щитовидной железы), кальци- феролов (витамин D). Кальций обладает высокой биологической активностью, вы- полняет в организме многообразные функции, среди которых: • формирование костной ткани, минерализация зубов; • регуляция внутриклеточных процессов; • регуляция процессов нервной проводимости и мышечных со- кращений; • участие в процессах свертывания крови; • регуляция проницаемости клеточных мембран; • поддержание стабильной сердечной деятельности. Схема обмена кальция в организме человека представлена на рис. 13. Кальций: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,07 мг [7] Суточное поступление с воздухом: — Резорбция (%): 10-30 (ЖКТ) [7] 82
Химические элементы - макроэлементы Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) Период полувыведения из организма: 0,008 мг 0,06 мг 0,0004 мг 0,00065 мг 2100 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,6х 1025 Число атомов в одной клетке: 1,6х 1011 Среднее содержание в человеческом организме кг/70 кг: костная ткань: цельная кровь: сыворотка/плазма: молоко: мышцы: почки: печень: волосы: ногти: 1,00 (25 моль) [8,11] 108-166 мг/кг сырого веса [7] 60,5±0,2 мг/л [7] 90-108 мг/л (2,3-7,7 ммоль/л) [12] / 97±0,1 [7] 150-481 мг/л [7] 0,04-0,05 мг/кг сырого веса [7] 0,1-0,17 мг/кг [7] 0,05-0,1 мг/кг [7] 200-2000 мг/кг [7] 368-3400 мг/кг [12] поступление с пищей и водой (500-1500 мг/сутки) X КОСТНАЯ" (99% паратгормон сывороточный Са (свободный) 60% связанный с белком Са 40% реабсорбция 1,25 ди-ОН-витамин Д Нпочки J паратгормон выведение с калом (70-80%) выведение с мочой (-200 мг/сутки) Рис. 13. Обмен кальция в организме человека 83
Глава 4 зубы (эмаль): зубы (дентин): моча: слюна: Токсическая доза для человека: ПДК: Кальций ацетат ПДКс.с. Кальций гидроксид ПДКм.р. ПДКс.с. Кальций нитрат ПДКм.р. ПДКс.с. Кальций фторид ПДКм.р. ПДКс.с. 0,012 0,03 0,01 0,03 0,01 0,2 0,03 250000-282000 мг/кг12 360000-374000 мг/кг12 180мг/л14 75мг/л14 нетоксичен ПДК в атмосферном воздухе: CaO, CaF2, СаВ4О7 — 0,2 мг/м3 (разовая), Са3(РО4)2) Ca3(As04)2 — 0,009 мг/м3 (разовая), 0,004 мг/м3 (среднесуточная) ПДК в. 180 мг/л (рыбохоз. водоемы) Р. ФОСФОР лат.: phosphorus, англ.: phosphorus, нем.: Phosphor Название фосфора происходит от греч, phosphorus (несущий свет). Открыт алхимиком X. Брандом (Германия) в 1669 г. По- зднее Либих установил, что фосфор и фосфорная кислота имеют огромное значение для жизнедеятельности растений. Фосфор представляет собой металлоид в двух формах. Белый фосфор мягок и легко воспламеняется. Красный фосфор это по- рошок, который, как правило, не горюч. Ни одна из форм не ре- агирует с водой или разбавленными кислотами, но со щелочами взаимодействует с образованием газообразного фосфина. Из двух форм только белый фосфор представляет собой токсическое ве- щество. 84 =============^^
Химические элементы — макроэлементы Фосфор широко распространен в земной коре, главным обра- зом, в виде фосфата кальция. В природе фосфор находят в виде мало растворимых фосфатов (минералы фосфорит, фторапатит, гидроксилапатит и др.)- Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 15 30,3761 -3,-2,0,1,2,3,5 V группа 5,7x109 [8] 1,2x106 [8] химическая промышленность, сельское хозяйство 5x10-2[1] 1200мг/кг 800мг/кг[10] 0,071 мг/л [10] 0,02 мг/л [10] Применение фосфора и его соединений Так называемый «белый фосфор» очень ядовит — смертель- ная доза для человека составляет 50-500 мг. Хроническое пора- жение белым фосфором приводит к снижению веса и изменениям в костях. «Белый фосфор» используется для получения соедине- ний фосфора, фосфорных кислот и фосфатов, а также как боевое зажигательное средство. В свою очередь, «красный фосфор» — не ядовит и используется при производстве спичек, а также в каче- стве наполнителя в лампах накаливания. Оксид фосфора (V) Р2О5 — эффективное водопоглощающее средство. Ортофосфорная кислота Н3РО4 используется для получения ортофосфатов, фосфатирования железа и цинка, при производ- стве безалкогольных напитков, лекарственных средств и ката- лизаторов. Ортофосфаты применяются в качестве минеральных удобрений, умягчителей воды, огнестойких пропиток, в процес- сах фосфатирования (защиты металлов от коррозии), изготовле- ния косметических и фармацевтических препаратов, а также как =============^^ 85
Глава 4 составная часть питательной среды для дрожжей и в сыроваре- нии. Полифосфат натрия (соль Грэма) — средство для умягче- ния воды, является ионообменником (связывает ионы Са2+ Mg2+) и используется при производстве моющих средств. Фосфорные удобрения (суперфосфат и др.) содержат фосфор в качестве ос- новного питательного элемента для растений. Изотоп фосфора 32Р используется в медицине с диагностическими целями в виде Na2HPO4 и СгРО4 для определения характера некоторых новооб- разований и эффективности лечения опухолей, осуществления тропической диагностики в онкологии, а также в качестве ле- чебного средства (при воздействии Я-излучения на опухолевые клетки при прямом контакте с областями злокачественного рос- та используют коллоид СгРО4). Этот же изотоп применяют при использовании метода меченых атомов и в металлургии при кон- троле качества получаемой продукции в доменных и мартеновс- ких процессах. В медицине множество соединений фосфора используется в виде лекарственных препаратов для лечения заболеваний сердца, печени, желудка. Фосфаты цинка используются в качестве пломбировочного материала в стоматологии. Физиологическая роль фосфора Фосфор в больших количествах присутствует во многих пи- щевых продуктах (молоко, мясо, рыба, хлеб, овощи, яйца). Боль- шая часть потребляемого с пищей фосфора всасывается в прокси- мальном отделе тонкого кишечника. Всасывание, распределение и выведение фосфора в организме в значительной мере связано с кальциевым обменом. Содержание фосфора в теле взрослого человека около 1% (при- мерно 700 г на 70 кг массы тела). Суточная потребность человека в фосфоре составляет 1,3 г. В организме основное количество фосфора содержится в кос- тях (около 85%), много фосфора в мышцах и нервной ткани. Вме- сте с кальцием, фтором и хлором фосфор формирует зубную эмаль. В организме человека около 14% фосфора содержат внутрикле- точные компартменты мягких тканей и только 1% находится в внеклеточной жидкости. Из организма фосфор выводится с мо- чой и калом. 86
Химические элементы — макроэлементы Значение фосфора для организма человека огромно. Фосфор находится в биосредах в виде фосфат-иона, который входит в со- став неорганических компонентов и органических биомолекул. Фосфор присутствует во всех тканях, входит в состав белков, нук- леиновых кислот, нуклеотидов, фосфолипидов. Соединения фос- фора АДФ и АТФ являются универсальным источником энергии для всех живых клеток. Значительная часть энергии, образую- щаяся при распаде углеводов и других соединений, аккумули- руется в богатых энергией органических соединениях фосфор- ной кислоты. Растворимые соли фосфорной кислоты формируют фосфатную буферную систему, ответственную за постоянство кислотно-щелочного равновесия внутриклеточной жидкости. Труднорастворимые (кальциевые) соли фосфорной кислоты со- ставляют минеральную основу костной и зубной ткани. Фосфор играет важную роль в деятельности головного мозга, сердца, мышечной ткани. Основная функция фосфора в виде фосфат-иона (РО4)3" состо- ит в образовании информационных (нуклеиновые кислоты), структурных (фосфолипиды и фосфаты кальция) и энергонесу- щих (АТФ и КФ) молекул. Схема обмена фосфора в организме человека представлена на рис. 14. Органический фосфор пищи фосфаты Неорганический фосфор пищи _ _пп/ всасывание 60-70% 4-8% JQ X <о Хсо 8 Выведение с калом органические фосфаты ДНК, —► коэнзимы, р°4~ и др. (20%) Выведение с мочой Рис. 14. Обмен фосфора в организме человека 87
Глава 4 Фосфор: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 1000-2500 мг [7] 1200-3000 мг[9] Резорбция (%): 60-70 [7] Период полувыведения из организма: 0,5 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,4х 1025 Число атомов в одной клетке: 1,4х 1011 Среднее содержание в человеческом организме г/70 кг: 780 [8] костная ткань: 50 мг/кг [7] почки: 1,6-1,8 мг/кг [7] мышцы: 1,4-1,8 мг/кг [7] печень: 2-3 мг/кг [7] цельная кровь: 345±5 мг/л [7] плазма крови: 112-130 мг/л [7] сыворотка крови: 14Z±0,5 [7] молоко: 170 мг/л [7] волосы: 83-165 мг/кг [7] ногти: 160000-990000 мг/кг [12] зубы (эмаль): 121000-135000 мг/кг [12] зубы (дентин): 1000-183000 мг/кг [12] ПДК: Фосфор (V) оксид ПДКм.р. ПДКс.с. Фосфор сульфид трихлорид ПДК в. Фосфор элементный ПДК в. 0, 0, 0, 0, 15 05 05 00 Токсическая доза для человека: фосфаты нетоксичны Летальная доза для человека: 60 мг Р48 88
Химические элементы - макроэлементы К. КАЛИИ лат.: kalium, англ.: potassium, нем.: Kalium Название калия происходит от лат. kalium, или англ. potash (поташ). Открыт и впервые выделен в чистом виде Г. Дэви (Анг- лия) в 1807 г. Калий представляет собой серебристо-белый мягкий металл и принадлежит к семейству одновалентных щелочных металлов. Калий энергично образует перекиси с кислородом, вступает в реакции с большинством неметаллов, растворим в жидком ам- миаке. Вследствие чрезвычайно большой химической активности, в природе в свободном состоянии не встречается. Калий входит в состав многих минералов и горных пород (полевой шпат, слюда, нефелин, элеолит, лейцит, алунит и др.). Эти минералы представ- ляют собой нерастворимые в воде алюмосиликаты, из которых осо- бенно распространен калиевый полевой шпат — ортоклаз. Морс- кая вода содержит в среднем 0,06% хлористого калия. В месторождениях растворимых калийных минералов главную часть составляют сульфаты и хлориды калия. Калий непосредственно вступает в реакции с большим чис- лом неметаллов. Как правило, эти реакции сопровождаются зна- чительным выделением тепла. Взаимодействие калия с галоида- ми может сопровождаться взрывом. Калий энергично соединяется с кислородом в присутствии воды. Калий содержится во всех растениях, особенно много калия в плодах. Природным источником калия являются минералы. Ка- лий получают взаимодействием Na и КС1. Атомный номер: 19 Атомная масса: 39,0983 Основные степени окисления в естественных условиях: -1,1 Место в системе элементов: I группа Мировые запасы (т): > 1010 [8] Мировое производство (т/год): 200 [2] Виды промышленности, сельское хозяйство, военная, где используется элемент: стекольная промышленность, медицина 89
Глава 4 Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 1,6 [1] Содержание в литосфере: 18000 мг/кг 21300 мг/кг[3] Содержание в почве: 12500 мг/кг [3] Содержание в морской воде: 300 мг/л [3] Содержание в пресной воде: 0,0023-23 мг/л [3] Применение калия и его соединений Гидроксид калия КОН служит источником для получения ряда солей калия и некоторых красителей, он является электро- литом в никель-кадмиевых аккумуляторах, используется как при- жигающее средство в хирургии. Карбонат калия К2СО3 (поташ) используется для получения калиевых стекол, мыла, проявите- лей в фотографии, полисульфида калия. В пищевой промышлен- ности применяется в качестве разрыхлителя теста при производ- стве хлебобулочных изделий и пряников. Нитрат калия KNO3 (калийная селитра) служит сырьевым компонентом при произ- водстве минеральных удобрений и стекла, входит в состав черного пороха (75% нитрата калия, 15% древесного угля, 10% серы). Хлорид калия КС1 используется для получения всех других солей калия, входит в состав калийных удобрений, применяется в каче- стве лекарственного средства в медицине и ветеринарии. Бромид калия КВг входит в состав успокоительных средств, используется для получения бромида серебра и в качестве реагента в фотогра- фии, как компонент проявителей. Йодид калия KI применяется для йодирования соли, при производстве препаратов йода для ле- чения заболеваний щитовидной железы, с его помощью получают йодид серебра. Калийные удобрения служат источником калия для питания растений (особенно картофеля, льна, бобовых куль- тур, подсолнечника). Изотоп калия 24К используется в аналити- ческой химии, биологии и медицине. В медицине применяют несколько солей калия в качестве мочегонных и слабительных средств (азотно-натриевая соль, винно-калиевая, уксусно-калиевая соль); широко используются йодистый, бромистый, марганцевокислый калий, аспарагинат, оротат, хлорид калия и другие соединения. 90
Химические элементы — макроэлементы Физиологическая роль калия В организм соединения калия поступают с пищей. Много ка- лия содержится в молочных продуктах: мясе, какао, томатах, бобо- вых, картофеле, петрушке, абрикосах (кураге, урюке), изюме, чер- носливе, бананах, дыне и черном чае. Считается, что взрослый человек потребляет в день 2200-3000 мг калия. Содержание калия в пище жителей разных стран колеблется от 1800 до 5600 мг. В США рекомендуемая минимальная величина суточного потребле- ния калия установлена в размере не менее 2000 мг для лиц 18-летнего возраста. Для людей старшего возраста к этой величине прибавляют количество лет отдельного индивидуума (напр., для людей в возрасте 50 лет этот показатель равен 2000 + 50 = 2050 мг). В организме взрослого человека содержится 160-180 г калия (около 0,23% от общей массы тела). Биоусвояемость калия орга- низмом составляет 90-95% . Соли калия легко всасываются и бы- стро выводятся из организма с мочой, потом и через желудочно- кишечный тракт. Схема метаболизма калия в организме человека представлена на рис. 15. Калий является основным внутриклеточным катионом. Его концентрация в клетках на порядок выше, чем вне клеток. Глав- поступление с пищей абсорбция -95% внутрикле- точный пул К+ 90% внеклеточная жидкость: плазма, лимфа, секрет тонкого кишечника 1,4% выведение с калом костная ткань 7,6% перспирация 10% клиренс почечной фильтрации (-20%) моча 90% Рис. 15. Обмен калия в организме человека 91
Глава 4 ной функцией калия является формирование трансмембранного потенциала (Kin > Kout) и распространение изменения потенциала по клеточной мембране путем обмена с ионами натрия по гради- енту концентраций. Вместе с натрием и хлором, калий является постоянным составным элементом всех клеток и тканей. В орга- низме эти элементы содержатся в определенном соотношении и обеспечивают постоянство внутренней среды. В виде катиона К+ калий участвует в поддержании гомеостаза (ионное равновесие, осмотическое давление в жидкостях организма). Хлориды калия и натрия, будучи сильными электролитами, участвуют в генера- ции и проведении электрических импульсов в нервной и мышеч- ной ткани. Таким образом калий участвует в поддержании элект- рической активности мозга, функционировании нервной ткани, сокращении скелетных и сердечных мышц. Калий регулирует активность таких важнейших ферментов как К+-АТФ-аза, ацетил - киназа, пируватфосфокиназа. Терапевтическое значение калия связано с его раздражающим действием на слизистые оболочки и повышением тонуса гладких мышц (кишечник, матка), в силу чего его соединения использу- ются в качестве слабительных средств. Калий вызывает расшире- ние сосудов внутренних органов и сужение периферических со- судов, что способствует усилению мочеотделения. Калий замедляет ритм сердечных сокращений и, действуя аналогично блуждающему нерву, участвует в регулировании деятельности сердца. Ниже приведены основные функции калия в организме: • поддержание постоянства состава клеточной и межклеточной жидкости; • поддержание кислотно-щелочного равновесия; • обеспечение межклеточных контактов; • обеспечение биоэлектрической активности клеток; • поддержание нервно-мышечной возбудимости и проводимости; • участие в нервной регуляции сердечных сокращений; • поддержание водно-солевого баланса, осмотического давления; • роль катализатора при обмене углеводов и белков; • поддержание нормального уровня кровяного давления; • участие в обеспечении выделительной функции почек. 92
Химические элементы — макроэлементы Калий: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: Резорбция (%): Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) Период полувыведения из организма: 3-4 г [5] 95 (ЖКТ) [7] 2,7-3,4 г 0,3-0,4 г до 0,3 г — 58 суток[7] Число атомов в теле человека: 2,2х 1024 Число атомов в одной клетке: 2,2х 1010 Среднее содержание в человеческом организме г/70 кг: 140 [7] моча: 1900 мг/л [14] цельная кровь: 1622±15 мг/л сыворотка/плазма крови: 190 мг/л [14] 157±1 мг/л молоко: 700 мг/л костная ткань: 1470 мг/кг сырого веса почки: 1,4-2,4 мг/кг сырого веса печень: 2,2 мг/кг сырого веса слюна: 900 мг/мл [14] волосы: 150-663 мг/кг [12] ногти: 357-2800 мг/кг [12] зубы (дентин): 400 мг/кг [12] Токсическая доза для человека: Летальная доза для человека: ПДК: Калий карбонат ПДКм.р. ПДКс.с. Калий пероксосульфат ПДК в. Калий силикат ПДК в. 6 г [8] 14 г [8] 0,01 0,05 0,5 30
Глава 4 Калии хлорид ПДКм.р. ПДКс.с. ПДКп. Калийная магнезия ПДКм.р. ПДКс.с. 0,03 0,01 560 0,5 0,15 Na. НАТРИИ лат.: natrium, англ.: sodium, Нем.: Natrium Название натрия происходит от латинского слова natrium. Открыт Г. Дэви (Англия) в 1807 г. Натрий это блестящий, серебристый мягкий металл, быстро тускнеющий на воздухе. Натрий устойчив к коррозии благодаря образованию защитной оксидной пленки. Бурно реагирует с во- дой и с концентрированными кислотами. В природе, в силу своей большой химической активности, встречается только в виде хи- мических соединений. Источником натрия является поваренная соль NaCl, — одно из самых распространенных соединений натрия в природе. Вода морей и океанов содержит до 3% хлорида натрия. На земле име- ются огромные залежи каменной соли. Этот элемент входит в со- став всех организмов растительного и животного мира. Атомный номер: 11 Атомная масса: 22,989770 Основные степени окисления в естественных условиях: -1,1 Место в системе элементов: I группа Мировые запасы (т): почти неограниченны [8] Мировое производство (т/год): 200 000 (металлический натрий) [8] Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 1,9 [1] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 3,5 мкг/м3 южный полюс: 3,3 нг/м3 острова: — 94
Химические элементы — макроэлементы материки: — пригород 0,3 мкг/м3 города (макс): 11 мкг/м3 Содержание в литосфере: 23800 мг/кг [ 10] Содержание в почве: 6200 мг/кг [ 10] Содержание в морской воде: 10800 мг/л [10] Содержание в пресной воде: до 4,9 мг/л [ 10] Применение натрия и его соединений Натрий используется в качестве наполнителя для натриевых газоразрядных ламп, жидкого теплоносителя в ядерных реакто- рах, осушителя обычного эфира и других органических раствори- телей, а также для получения оксида и хлорида натрия. Гидро- ксид натрия NaOH применяется при получении различных натриевых солей: нитратов, нитритов, сульфидов, фосфатов, ги- похлоритов, силикатов, фторидов, хроматов и др., а также при производстве целлюлозы, мыла, моющих средств, искусственных волокон, красителей, оксида алюминия из боксита, фенолов; это соединение входит в состав электролитных растворов. Карбонат натрия NaCO3 (кальцинированная сода) используется для произ- водства стекла, мыла, синтетических моющих средств, ультрама- рина и эмалей, в качестве средства для устранения жесткости воды, обезжиривания металлов и десульфуризации доменного чугуна. Сульфат натрия Na2SO4 (кальцинированный сульфат, Na2SO4*10Н2О — глауберова соль) используется при производстве стекла, сульфида натрия, вискозного волокна, фармацевтических препаратов, при сульфатной варке целлюлозы и крашении хлоп- чатобумажных тканей. Пероксид натрия Na2O2 применяют для отбеливания тканей, регенерации кислорода в кислородных изо- лирующих приборах. Тиосульфат натрия Na2S2O3*5H2O исполь- зуется в медицине для детоксикации, в бумажном производстве (при отбеливании хлором применяют «антихлор»), входит в со- став фотографических закрепителей. Нитрит натрия NaNO2 при- меняется при производстве азокрасителеи и как средство для при- дания естественной окраски мясным изделиям при их подсаливании. Нитрат натрия NaNO3 используется в качестве ком- понента удобрений и взрывчатых веществ, окислителя при про- изводстве стекла и эмалей. Гидрокарбонат натрия NaHCO3 (пи- щевая сода) служит компонентом искусственных минеральных ===^==========^^ 95
Глава 4 вод и лимонадов, входит в состав отдельных лекарственных пре- паратов, которые служат для нейтрализации повышенной кис- лотности желудочного сока, а также используется в хлебной про- мышленности и при производстве моющих средств и огнетушителей. Изотоп 24Na применяется в медицинских иссле- дованиях при определении скорости кровотока и проницаемости сосудов. В медицине хлористый натрий применяют в виде изотонического 0,9% раствора при обезвоживании организма и как дезинтоксикационное средство, а также для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа; для поднятия осмотического давления крови, в виде гипертонического 3-5% раствора в хирургии — для очищения ран и при чрезмерно развившихся грануляциях, перед операциями пересадки кожи. Гипертонический 10% раствор применяют внутривенно при легочных, желудочных, кишечных кровотечениях, а также для усиления диуреза (осмотический диурез) и в качестве полосканий при заболеваниях горла. В послеоперационном периоде 2-5% раствор назначают в микроклизмах при атонии кишечника, а также для промывания желудка при отравлении нитратом серебра. Физиологическая роль натрия В организм человека натрий поступает ежедневно в виде NaCl в достаточно больших количествах: 12-15 г (или 4-6 г «чистого» натрия). NaCl содержится во многих пищевых продуктах: колба- са, сало, соленая рыба, икра, сыр, соленья, маслины, кетчуп, ку- курузные хлопья. Ионы натрия быстро и полностью всасываются на всех учас- тках желудочно-кишечного тракта и в местах парентеральных инъекций. Ионы натрия легко проникают также через кожу и легочный эпителий. Натрий в виде катиона Na+ участвует в под- держании гомеостаза (ионное равновесие, осмотическое давле- ние в жидкостях организма). Натрий распределяется по всему организму: крови, мышцам, костям, внутренним органам и коже. Около 40% натрия находится в костной ткани, в основном, во внеклеточной жидкости. Содержание натрия в теле взрослого че- ловека составляет 0,08% (55-60 г на 70 кг массы тела), а суточ- ное потребление около 4-7 г. 96 ^
Химические элементы — макроэлементы Выводится натрий из организма, в основном, с мочой (95%), калом, потом. Максимальная экскреция натрия с мочой отмеча- ется с 9 до 12 часов дня, тогда как минимальная — в ночные часы. Натрий играет весьма важную роль в регуляции осмотическо- го давления и водного обмена, при нарушении которых отмечают- ся следующие признаки: жажда, сухость слизистых оболочек, отечность кожи. Натрий оказывает значительное влияние и на белковый обмен. Обмен натрия находится под контролем щито- видной железы. При гипофункции щитовидной железы проис- ходит задержка натрия в тканях. При гиперфункции количество натрия в коже уменьшается, а выделение его из организма усили- вается. Обмен натрия регулируется в основном альдостероном. В организме человека натрий выполняет «внеклеточные» функции, среди которых: • поддержание осмотического давления и рН среды; • формирование потенциала действия путем обмена с ионами калия; • транспорт углекислого газа; • гидратация белков; • солюбилизация органических кислот. Внутри клеток натрий необходим для поддержания нейромы- шечной возбудимости и работы Na+-K+ насоса, обеспечивающих регуляцию клеточного обмена различных метаболитов. От натрия зависит транспорт аминокислот, Сахаров, различных неоргани- ческих и органических анионов через мембраны клеток. Натрий: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 4,4 г [7] Резорбция (%): 90% (ЖКТ) [7] Период полувыведения из организма: 11 суток [7] Число атомов в теле человека: 2,8х 1024 Число атомов в одной клетке: 2,8х 1010 Среднее содержание в человеческом организме: г/70кг: 100 [8] костная ткань: 6970-1400 мг/кг сырого веса [7] почки: 2000 мг/кг сырого веса [7] печень: 564-1735 мг/кг сырого веса [7] 4 Химические элементы в физиологии и экологии человека 97
Глава 4 мышцы: цельная кровь: плазма крови: сыворотка крови: молоко: волосы: ногти: зубы (эмаль): зубы (дентин): моча: сыворотка: слюна: 730-1770 мг/кг сырого веса [7] 1969±5мг/л [7] 3162±5мг/л [7] 3251±10мг/л [7] 400 мг/л [7] 18-1720 мг/кг [7] 332-3010 мг/кг [12] 5300-7500 мг/кг [12] 3900-11600 мг/кг [12] 3100 мг/л [14] 3350 мг/л [14] 250 мг/л [14] Токсическая доза для человека: нетоксичен8 ПДК: Натрий ПДК в. 200 Натрий вольфрамат ПДКс.с. 0,1 Натрий силикат ПДК в. 30 Натрий сульфат ПДКм.р. 0,3 ПДКс.с. 0,1 Натрий сульфит ПДКм.р. 0,3 ПДКс.с. 0,1 Натрий фторид ПДКм.р. 0,03 ПДКс.с. 0,01 Натрий хлорид ПДКм.р. 0,5 ПДКс.с. 0,15 Натрий хлорид ПДКв. 0,2 Фториды неорганические плохо растворимые ПДКм.р. 0,2 ПДКс.с. 0,03 Фториды неорганические хорошо растворимые ПДКм.р. 0,03 ПДКс.с. 0,01
Химические элементы — макроэлементы Мд. МАГНИЙ лат.: magnesium, англ.: magnesium, нем.: Magnesium Название элемента происходит от греч, magnesia — полуост- рова в Греции (карбонат магния представляет собой рыхлый бе- лый порошок, который получают при прокаливании минерала, который издавна находили в окрестностях города Магнезия). От- крыт в 1755 г. Джозефом Блэком (Шотландия), выделен Гемфри Дэви в 1808 г. Магний — легкий щелочноземельный металл белого цвета, на воздухе покрывается тонкой пленкой оксидов, придающей ему матовый вид. При нагревании легко сгорает, превращаясь в окись магния — жженую магнезию. При сгорании магния происходит сильное выделение света и тепла, т. н. магниевая вспышка. Легко соединяется с галоидами, а при нагревании — с серой и азотом. Окись магния представляет собой белый порошок, легко раство- римый в кислотах. Большинство солей магния хорошо раствори- мо в воде. Присутствие в жидкости ионов магния придает ей горь- кий вкус. Магний является одним из весьма распространенных элементов в природе. Верхний слой земли глубиной до 16 км содержит в сред- нем около 3,45% магния. Магний входит в состав различных горных пород: магнезита, доломита, карналлита. Особенно много хлористо- го и сернокислого магния в морской воде. Питьевая вода содержит соли магния; если количество магния в воде увеличивается, такую воду называют «жесткой». Магний входит также в состав поварен- ной соли. Серая неочищенная соль содержит до 1,7% хлорида маг- ния и сульфата магния, а белая очищенная всего 0,35-0,45%. Атомный номер: 12 Атомная масса: 24,305 Основные степени окисления в естественных условиях: 2 Место в системе элементов: II группа Мировые запасы (т): > 2х 1017 в виде руд, > 1024 в морской воде [8] Мировое производство (т/год): 325 000 [8] Виды промышленности, Авиа-, автостроение, медицина, гДе используется элемент: цветная металлургия, машиностроение 99
Глава 4 Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 0,9 [1] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 0,48 мкг/м3 южный полюс: 0,72 нг/м3 пригород 0,4 мкг/м3 города (макс): 10 мкг/м3 Содержание в литосфере: 22600 мг/кг Содержание в почве: 6300 мг/кг [ 17] Содержание в морской воде: 1200 мг/л [17] Содержание в пресной воде: 4,1 мг/л [9] Применение магния и его соединений Магний является компонентом конструкционных сплавов в авиа и автомобилестроении, входит в состав пиротехнических средств, используется для изготовления растворимых анодов, при антикоррозионной обработке металлов. Оксид магния (жженая магнезия) MgO используется в медицине как мягкое нейтрализу- ющее средство, применяемое при повышенной кислотности же- лудочного сока, а также для производства огнеупорных конструк- ционных материалов, изготовления керамической химической посуды и магнезиального цемента — легкого строительного мате- риала. Сульфат магния MgSO4 — в виде кристаллогидрата MgSO4*7H2O («английская соль»), используется в медицине как спазмолитическое, желчегонное, слабительное и успокоительное средство; также применяется при производстве минеральных удобрений. Карбонат магния MgCO3 (в природе минерал магне- зит) используется в парфюмерии (компонент пудры, зубного по- рошка), медицине (компонент фармакологических средств и ме- дицинского цемента), при производстве каучука и бумаги (наполнитель), в качестве средства для очистки металлоизделий. Хлорид магния MgCl2 служит сырьем для получения магния, хо- лодильных смесей и магнезиального цемента, входит в состав средств, применяемых при борьбе со снегом и льдом. В медицине хлорид магния применяют в составе лечебных ванн. Магнийсо- держащие удобрения удовлетворяют потребность культурных ра- стений в магнии. Для изучения обмена магния в организме чело- века и животных методом меченых атомов применяется изотоп магния 28Mg.
Химические элементы — макроэлементы Способность магнезиальных солей вызывать наркоз была впервые обнаружена американскими учеными Мелыдером и Ауэром в 1905 году. В медицине карбонат магния, окись магния применяют в качестве средств, нейтрализующих соляную кислоту желудка, а также как легкие слабительные. Перекись магния назначают в качестве дезинфицирующего средства при диспепсии, брожении в желудке и при поносах. Сульфат магния (английскую соль) применяют в качестве слабительного, желчегонного (введение через дуоденальный зонд) и болеутоляющего средства при спазмах желчного пузыря. Раствор сернокислой магнезии вводят парентерально в качестве противосудорожного средства при эклампсии, эпилепсии, хорее, тетании и в качестве антиспастического лекарства при задержке мочеиспускания, бронхиальной астме, гипертонической болезни. Аспарагинат, цитрат и другие органические соли магния используют при изготовлении БАДП и лекарственных препаратов с широким спектром лечебно- профилактического действия (хронический стресс, заболевания сердечно-сосудистой системы, мочекаменная болезньи др.). Физиологическая роль магния Магний поступает в организм с пищей (в частности с поварен- ной солью) и водой. Как правило, норма поступления обычно со- ставляет 200-400 мг в течение суток. Особенно богата магнием рас- тительная пища. Часть ионизированного магния отщепляется от магнезиальных солей пищи еще в желудке и всасывается в кровь. Основная часть трудно растворимых солей магния переходит в ки- шечник и всасывается только после их соединения с жирными кис- лотами. В желудочно-кишечном тракте абсорбируется до 40-45% поступившего магния. В крови человека около 50% магния нахо- дится в связанном состоянии, а остальная часть в ионизированном. Концентрация магния в крови у человека составляет 2,3-4,0 мг%. Комплексные соединения магния поступают в печень, где исполь- зуются для синтеза биологически активных соединений. В организме взрослого человека содержится около 140 г маг- ния (0,2% от массы тела), причем 2/3 от этого количества прихо- дится на костную ткань. Главное «депо» магния находится в кос- тях и мышцах. Выводится магний из организма в основном с мочой (50-120 мг) и с потом (5-15 мг). Магний является важнейшим внутриклеточным элементом. Магний участвует в обменных процессах, тесно взаимодействуя с ^===============^^ 101
Глава 4 калием, натрием, кальцием; является активатором для множества ферментативных реакций. Нормальный уровень магния в орга- низме необходим для обеспечения «энергетики» жизненно важ- ных процессов, регуляции нервно-мышечной проводимости, то- нуса гладкой мускулатуры (сосудов, кишечника, желчного и мочевого пузыря и т. д.). Магний стимулирует образование бел- ков, регулирует хранение и высвобождение АТФ, снижает воз- буждение в нервных клетках. Магний известен как противострес- совый биоэлемент, способный создавать положительный психологический настрой. Магний укрепляет иммунную систему, обладает антиаритми- ческим действием, способствует восстановлению сил после физи- ческих нагрузок. Ближайшим соседом магния в группе периодической систе- мы является кальций, с которым магний вступает в обменные ре- акции. Эти два элемента легко вытесняют друг друга из соедине- ний. Дефицит магния в диете, богатой кальцием, обусловливает задержку кальция во всех тканях, что ведет к их обызвествлению. Магний выполняет в организме следующие функции: • участие в синтезе белка и нуклеиновых кислот; • участие в обмене белков, жиров и углеводов; • участие в переносе, хранении и утилизации энергии; • участие в митохондриальных процессах; • участие в регуляции нейрохимической передачи и мышечной возбудимости (уменьшает возбудимость нейронов и замедляет нейромышечную передачу); • является кофактором многих ферментативных реакций (гид- ролиз и перенос фосфатной группы, функционирование Na+ — К+ — АТФ насоса, Са2+ — АТФ насоса, протонного насоса); • препятствует поступлению ионов кальция через пресинапти- ческую мембрану; • является физиологическим антагонистом кальция; • контролирует баланс внутриклеточного калия; • снижает количество ацетилхолина в нервной ткани; • расслабляет гладкую мускулатуру; • снижает артериальное давление (особенно при его повышении); • угнетает агрегацию тромбоцитов; • повышает осмотическое давление в просвете кишечника; • ускоряет пассаж кишечного содержимого. 102 _ =
Химические элементы — макроэлементы Магний: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: Резорбция (%): Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) Период полувыведения из организма: 120 суток [7] 240-720 мг [7] 310 мг (муж.), 270 мг (жен.) [9] 30 (ЖКТ) [7] до 240 мг до 400 мг до 40 мг Число атомов в теле человека: 8,7х Число атомов в одной клетке: 8,7х 109 Среднее содержание в человеческом организме г/70 кг: костная ткань: кровь: плазма/сыворотка: эритроциты: слюна: почки: печень: мышцы: молоко: моча: волосы: ногти: зубы (эмаль): зубы (дентин): 19 [6], 20 [11] 980-9370 мг/кг сырого веса [17] 37,8 мг/л [12] 19-25 мг/л [11] 21±1 мг/л 21-29 мг/кг [2] 57,2±0,2 мг/кг 43 мг/кг 14 мг/л [14] 0,17-0,22 мг/кг сырого веса 0,1 -0,2 мг/кг сырого веса 0,19-0,27 мг/кг сырого веса 35 мг/л 90 мг/л [7] 19-163 мг/кг [12] 16-125 мг/кг [12] 6180-8700 мг/кг [12] 1670-2800 мг/кг [12] ПДК: Магний оксид ПДКм.р.0,4 ПДКс.с. 0,05 Магний хлорат ПДКс.с. 0,3 ПДК в. 20 Токсическая доза для человека: нетоксичен8 103
Глава 5. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ - ЖИЗНЕННО НЕОБХОДИМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Fe. ЖЕЛЕЗО лат.: ferrum, англ.: iron, нем.: Eisen Название этого элемента произошло от лат. ferrum (твердый). Железо известно человеку со времен древних цивилизаций. Железо это блестящий, серебристо-белый, мягкий металл. Растворяется в разбавленных кислотах; во влажном воздухе по- крывается ржавчиной. Входит в состав сотен минералов, встре- чается и в виде самородного железа. Атомный номер: 26 Атомная масса: 55,845 Основные степени окисления в естественных условиях: -2, -1, 0, 2, 3, 4, 5, 6 Место в системе элементов: VIII группа Мировые запасы (т): 1,1x1011 [8] Мировое производство (т/год): 7,16х 108 [8] Виды промышленности, цветная и черная металлургия, где используется элемент: электронная промышленность Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 2,2 [1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 8х 10~2 мкг/м3 южный полюс: 0,6 нг/м3 острова: 0,6 мкг/м3 материки: 6,8 мкг/м3 пригород 0,5 мкг/м3 города (макс): 0,24 мкг/м3 Содержание в литосфере: 50000 мг/кг Содержание в почве: 38000 мг/кг 7000-42000 мг/кг [9] Содержание в морской воде: (1 -4)х 10"4 мг/л [ 17] (4-30)х104мг/л[9] Содержание в пресной воде: 0,04-6200 мг/л [17] <0,03 мг/л [9] 104
^___ Химические элементы - жизненно необходимые элементы Применение железа и его соединений в промышленности Железо используется при производстве стали (содержание углерода составляет 0,02-2,06%), чугуна (содержание углерода более 2,06%), а также при производстве специальных сплавов, сердечников трансформаторов и электромагнитов в машиностро- ении, в черной металлургии. Оксид железа (III) Fe2O3 применя- ется при термитной сварке, в качестве полирующего материала для сталей и стекла, в качестве красителя (железный сурик), маг- нитного носителя в магнитных лентах и накопителях. Ферриты (напр., феррит бария BaOx6Fe2O3) применяются в качестве маг- нитных материалов. Гексацианоферрат (II) калия (желтая кровя- ная соль) K4[Fe(CN6)6]x3H2O используется для приготовления красной «кровяной» соли и служит в качестве отбеливателя в цвет- ной фотографии, ослабителя в черно-белой фотографии и берлин- ской лазури (синий пигмент). Сульфат железа (III) в виде крис- таллогидрата (FeSO4x 7H2O — железный купорос) используется в качестве консерванта древесины, пестицида, пигмента, мягкого восстановителя, компонента электролитов в гальванотехнике, а также как исходный материал для получения других соединений железа. В медицине сульфат железа используют в качестве ле- карственного средства для лечения малокровия, а хлорид железа (III) FeCl3x6H2O — как компонент кровеостанавливающих средств. Широко применяются различные железные пигменты: железный желтый (FeO)OH, железный красный (Fe2O3), желез- ный черный ((FenFeni2)O4, железный сурик (Fe2O3) и охра — при- родная смесь лимонита ((FeO)OH) и глины. В медицине препараты на основе различных солей двух- и трехвалентного железа, а также железосодержащие БАДП применяются для восполнения относительного или абсолютного дефицита железа в ситуациях, связанных с увеличенной потребностью организма в этом биоэлементе (беременность, лактация, кровопотери, периоды роста и развития). Основное назначение препаратов железа — их использование в качестве профилактики и терапии железодефицитных состояний, главным образом при лечении железодефицитных (гипохромных) и хронических постгеморрагических анемий. Разработаны многочисленные комплексные препараты для усиления всасывания железа из желудочно-кишечного тракта, улучшения синтеза 105
Глава 5 железосодержащих метаболитов (в т. ч., гемоглобина), стимуляции эритропоэзаит. д. Радиоактивные изотопы железа (Fe-59) применяются при исследованиях обмена железа в организме. Препараты, меченые 59Fe и другими изотопами железа, используются в радиоизотопной диагностике, для изучения эритропоэза, обмена и всасывания железа. 52Fe (короткоживущий изотоп) применяется при сканировании головного мозга. Физиологическая роль железа В организм человека железо поступает с пищей. Пищевые продукты животного происхождения содержат железо в наиболее легко усваиваемой форме. Некоторые растительные продукты так- же богаты железом, однако его усвоение организмом происходит тяжелее. Считается, что организм усваивает до 3 5 % « животного » железа. В то же время другие источники сообщают, что этот пока- затель составляет менее 3%. Большое количество железа содер- жится в говядине, в говяжьей печени, рыбе (тунец), тыкве, устри- цах, овсяной крупе, какао, горохе, листовой зелени, пивных дрожжах, инжире и изюме. В организме взрослого человека содержится около 3-5 г желе- за; почти две трети этого количества входит в состав гемоглобина. Считается, что оптимальная интенсивность поступления железа составляет 10-20 мг/сутки. Дефицит железа может развиться, если поступление этого элемента в организм будет менее 1 мг/сутки. Порог токсичности железа для человека составляет 200 мг/сутки. Важная роль железа для организма человека установлена еще в XVIII в. Основной функцией железа в организме является перенос кислорода и участие в окислительных процессах (посредством де- сятков железосодержащих ферментов). Железо входит в состав ге- моглобина, миоглобина, цитохромов. Большая часть железа в орга- низме содержится в эритроцитах; много железа находится в клетках мозга. Железо играет важную роль в процессах выделения энер- гии, в ферментативных реакциях, в обеспечении иммунных функ- ций, в метаболизме холестерина. Насыщение клеток и тканей же- лезом происходит с помощью белка трансферрина, который способен переносить ионы трехвалентного железа. Лигандные ком- плексы железа стабилизируют геном, однако в ионизированном состоянии могут являться индукторами ПОЛ, вызывать поврежде- 106 ,
Химические элементы — жизненно необходимые элементы ние ДНК и провоцировать гибель клетки. Дефицит, так же как и избыток железа, отрицательно влияют на здоровье человека. Схема метаболизма железа в организме человека представле- на на рис. 16. Железо: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 6-40 мг [2] Суточное поступление с воздухом: Резорбция (%): Суточное выведение [9]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) 16 мг (мужчины), 12 мг (женщины) [9] 0,03 мг [7] 10% [7] 0,25 мг (мужчины), 0,2 мг (женщины) 15 мг (мужчины), 11 мг (женщины) 0,5 мг (мужчины), 0,6 мг (женщины) 0,01 мг (мужчины), менструальные потери (женщины) Период полувыведения из организма: 2000 суток [7] 107
Глава 5 Число атомов в теле человека: 4,5х 1022 Число атомов в одной клетке: 4,5х 108 Среднее содержание в человеческом организме г/70 кг: мышцы: кости: кровь: плазма: молоко: печень: моча: слюна: волосы: ногти: зубы (эмаль): зубы (дентин): 4,2 [8,17] 3,9-5 (0,07-0,09 М) [11] 180 мг/кг [8,17] 3-380 мг/кг [8,17] 447 мг/л [8,17] 309-521 мг/л [13] жен.: 0,6-1,45 мг/л [11] муж.: 0,8-1,68 мг/л [11] (0,45)0,8-1,4(1,7) мг/л [9] 0,75-1,5 мг/л [13] 0,26 мг/л [8,17] 0,202-1,71 мг/л [13] (20)50-75(400) мг/кг сырого веса [9] 46-307 мг/кг [13] 0,081 мг/л [8,17] (<0,01)0,01-0,025(0,1) мг/л [9] 0,0012-0,6 мг/л [13] 0,4 мг/л [14] 10,1 мг/кг [8,17] (3)5-25(75) мг/кг [9] 13-177 мг/кг [13] 27-79 мг/кг [12] 32-110 мг/кг [12] 4,4-338 мг/кг [12] Токсическая доза для человека: Летальная доза для человека: ПДК: Железо и его соединения ПДКс.с. 0,04 ПДК в. 0,3 Железо(И) сульфат ПДКс.с. 0,07 Железо(И) хлорид ПДКс.с. 0,04 200 мг [8] 7000-35000 мг[8] 108
Химические элементы - жизненно необходимые элементы UMHK.Zn. лат: zincum, англ.: zinc, нем.: Zink Цинк представляет собой голубовато-белый металл, хрупкий при литье. На воздухе покрывается оксидной пленкой, реагиру- ет с кислотами и щелочами. Используется при гальванизации железа, в сплавах, таких напр., как латунь; в аккумуляторных батареях и как стабилизатор полимеров. Природным источни- ком цинка являются минералы (сфалерит). Соединения цинка используются при гальванизации железа, для получения спла- вов, антикоррозийной обработки, в щелочных аккумуляторах и т. д. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): 30 65,39 2 II группа 120x106 [8] Мировое производство (т/год): 4,9х 106 [8] Виды промышленности, металлургия, химическая где используется элемент: промышленность, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 4,6х 10~3 [ 1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 3,8х 10"3 мкг/м3 южный полюс: 0,03 нг/м3 острова: 0,01 мкг/м3 материки: 0,8 мкг/м3 пригород 0,08 мкг/м3 города (макс): 2,2 мкг/м3 Содержание в литосфере: 70 мг/кг [9] Содержание в почве: 3-50 мг/кг [8] 10-300 мг/кг [17] Содержание в морской воде: 0,0006 мг/л [8] 0,0005-0,001 мг/л [17] Содержание в пресной воде: 0,0005-0,01 мг/л [8] 0,0001-0,24 мг/л [17] 109
Глава 5 Применение цинка и его соединений Цинк является одним из основных антикоррозионных метал- лов, им покрывают изделия из железа и стали. Цинк входит в со- став различных сплавов, анодов (электролиз и гальваника), пе- чатных форм для цинкографии. Латунь и нейзильбер содержат до 50% цинка. Сплавы цинка для прокатки и литья содержат бо- лее 90% цинка в смеси с медью, алюминием и магнием. Оксид цинка ZnO используют в качестве цинковых белил (один из наи- более распространенных красителей), добавки при вулканизации каучука. В медицине оксид цинка является компонентом мазей, паст для лечения ран, ожогов и грибковых заболеваний. В виде порошка с сахаром применяется внутрь для устранения дефици- та цинка, выпадения волос, при различных болезнях кожи, а так- же входит в состав витаминно-минеральных комплексов. Хлорид цинка ZnCl2 входит в состав так называемой «травильной жидко- сти» , получаемой из цинка и соляной кислоты, флюсов при луже- нии и горячем цинковании. Сульфид цинка используется в каче- стве компонента хромофорного слоя цветных кинескопов, а в смеси с радиоактивными веществами — для производства светящихся меток. Сульфат цинка (кристаллогидрат ZnSO4x 7H2O), известный под названием цинковый купорос, используется как компонент в производстве вискозного волокна и для гальванического цинко- вания проводов. Литопон, смесь сульфата цинка и сульфида ба- рия, используется в качестве белой краски. В медицине сульфат цинка используется как компонент фармпрепаратов которые при- меняются для лечения дефицита цинка, болезней кожи, волос, ногтей, цирроза печени и при заживлении ран. Так называемые «хелатные комплексы» цинка (аспарагинат, глюконат, гистиди- нат, дипиколинат цинка) обладают повышенной биоусвояемос- тью, что определяет их применение при лечении многих заболе- ваний: диабета, различных иммунодефицитов, включая СПИД, алопеции, бесплодия, болезней кожи, волос, ногтей и печени. «Хелатные комплексы» цинка используются при профилактике простудных заболеваний у детей, для улучшения аппетита, рос- та, развития и концентрации внимания. Радиоактивные изотопы цинка применяются в аналитической химии и биологии в каче- стве изотопного индикатора, в частности, для изучения метабо- лизма цинка в организме в норме и при различных внешних воз- действиях. 110 =
_ Химические элементы — жизненно необходимые элементы В медицине цинк применяют в радиоизотопной диагностике, в том числе, в качестве метки для цинксодержащих ферментов. Сульфат цинка используют при определениях свертываемости крови. В последние годы соединения Zn (глюконат, аспарагинат, пиколинат и др.) стали широко применяться в дерматологии, эндокринологии, при лечении иммунодефицитных состояний. Физиологическая роль цинка Считается, что оптимальная интенсивность поступления цин- ка в организм 10-15 мг/день. Дефицит цинка может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента в организм (1 мг/день и менее), а порог токсичности составляет 600 мг/день. В организм цинк попадает с пищей. Особенно много цинка содержится в говядине, печени, морских продуктах (устрицы, моллюски, сельдь), пшеничных зародышах, рисовых отрубях, овсяной муке, моркови, горохе, луке, шпинате и орехах. Для лучшего усвоения цинка организмом необходимы вита- мины А и В6. Усвоению цинка препятствуют медь, марганец, же- лезо и кальций (в больших дозах). Кадмий способен вытеснять цинк из организма. В организме взрослого человека содержится 1,5-3 г цинка. Цинк можно обнаружить во всех органах и тканях; но наибольшее его количество содержится в предстательной железе, сперме, коже, волосах, мышечной ткани, клетках крови. Цинк является кофактором большой группы ферментов, уча- ствующих в белковом и других видах обмена, поэтому он необхо- дим для нормального протекания многих биохимических процес- сов. Этот элемент требуется для синтеза белков, в т.ч. коллагена и формирования костей. Цинк принимает участие в процессах де- ления и дифференцировки клеток, формировании Т-клеточного иммунитета, функционировании десятков ферментов, инсулина поджелудочной железы, антиоксидантного фермента суперокси- да дисмутазы, полового гормона дигидрокортикостерона. Цинк играет важнейшую роль в процессах регенерации кожи, роста во- лос и ногтей, секреции сальных желез. Цинк способствует всасы- ванию витамина Е и поддержанию нормальной концентрации это- го витамина в крови. Немаловажную роль он играет в переработке организмом алкоголя, поэтому недостаток цинка может повышать предрасположенность к алкоголизму (особенно у детей и подрост- — 111
Глава 5 ков). Цинк входит в состав инсулина, ряда ферментов, участвует в кроветворении. Цинк необходим для поддержания кожи в нормальном состоя- нии, роста волос и ногтей, а также при заживлении ран, поскольку он играет важную роль в синтезе белков. Цинк укрепляет иммун- ную систему организма и обладает детоксицирующим действием — способствует удалению из организма двуокиси углерода. Схема обмена цинка в организме человека представлена на рисунке 17. Цинк: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: Суточное поступление с воздухом: Резорбция (%): Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) 13 мг [7] 0,1 мг[7] 20-30 [7] 0,5 мг 11 мг 0,8 мг (2-3 мг в жарком климате) 0,03 мг Период полувыведения из организма: 245 суток [7] 112
Химические элементы — жизненно необходимые элементы Число атомов в теле человека: 2,2х 1022 Число атомов в одной клетке: 2,2х 108 Среднее содержание в человеческом организме: г/70 кг: мышцы: кости: кровь: сыворотка/плазма крови: моча: печень: волосы: ногти: зубы (эмаль): зубы (дентин): молоко: ПДК: Цинк ПДК в. ПДК п. Цинкацетат ПДКс.с. Цинккарбонат ПДКс.с. Цинк нитрат ПДКс.с. Цинкоксид ПДКс.с. Цинк сульфат ПДКс.с. 1 23 0,005 0,02 0,03 0,05 0,008 Токсическая доза для человека Летальная доза 4 цля человека: 1,3-2 [11] 1,4-2,3 [2] 240мг/кг[8, 17] 75-170 мг/кг [8, 17] 7мг/л [17] 4-7,5 мг/л [11] 4,4-8,6 мг/л [13] (0,55)0,7-1,1/1,3 мг/л [9] 0,6-1,2 мг/л [11] 0,7-1,2 мг/л [13] 0,005-0,015 мг/л [9] 0,25-0,85 мг/л [11] 0,361-0,599 мг/л [13] (15)30-100(150) мг/кг [8, 9, 17] 3,23-7 мг/кг [13] (50)100-250(400) мг/кг [9] 124-320 мг/кг [13] 73-304 мг/кг [12] 173-250 мг/кг [12] 200-365 мг/кг [12] 0,75-4 мг/л [13] : 150-600 мг (при хроническом поступлении) [8] 6000 мг8 113
Глава 5 Си. МЕДЬ лат.: cuprum, англ.: copper, нем.: Kupfer Название элемента произошло от лат. Cuprum (Кипр). Медь известна со времен древних цивилизаций. Медь это ковкий и пластичный металл красноватого цвета, с высокой электро и теплопроводностью. Медь устойчива к дей- ствию воздуха и воды. Природным источником меди являются минералы борнит, халькопирит, малахит, также встречается и самородная медь. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год) Виды промышленности, где используется элемент: Среднее содержание 29 63,546 0, 1,2,3,4 I группа 310х106<8> I: >7х106<8> электронная промышленность, цветная металлургия, сельское хозяйство, машиностроение в окружающей среде (%, биосфера): Зх 10~3 [1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: южный полюс: острова: материки: пригород города (макс): Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 1,1x10"3 мкг/м3 0,03 нг/м3 0,01 мкг/м3 0,4мкг/м3 0,03 мкг/м3 1,2 мкг/м3 55 мг/кг 2-100 мг/кг [17] 1 -20(30) мг/кг сухого веса [9] 8,0410-5 мг/л [17] < 0,003 мг/л [9] 0,01-2,8 мг/л [17] 0,002-0,01 мг/л [9]
Химические элементы - жизненно необходимые элементы Применение меди и ее соединений Медь применяют при изготовлении многих сплавов (см. ниже), в качестве проводника в электротехнике. Медь является основной составной частью анодов, используется при изготовле- нии монет, охлаждающих труб, различных емкостей, в том чис- ле для пивоваренной промышленности. Меднение и латуниро- вание проводится гальваническим способом и используется в печати, при никелировании, нанесении декоративного слоя на металл. Сульфат меди (II) CuSO4 и его кристаллогидрат (медный купорос) служит в качестве компонента электролитических ванн при меднении, применяется как средство защиты растений от насекомых, является составной частью растворов в производстве ацетатного волокна. В 60-80 годы медный купорос использова- ли в медицине для лечения анемии, гипотрофии, тогда как в на- стоящее время в большей степени используются хелатные соеди- нения меди. Смесь гидроксоацетатов меди (II) является сырьем для производства медных красок (смесь «ярь-медянка»). Спла- вы меди широко применяются в промышленности. К таким спла- вам в первую очередь относятся латунь, бронза (оловянная, алю- миниевая, свинцовая, бериллиевая, литейная и др.)» нейзильбер (45-67% меди, 12-45% цинка и 10-26% никеля) и твердый при- пой (медь и 1-70% мышьяка). Изотоп меди 64Си применяется в радиоизотопной диагностике опухолей мозга, ь радиобиологи- ческих исследованиях. В медицине применяют сернокислую медь (как противомикробное и прижигающее средство). Препараты различных солей меди используют наружно для промываний, спринцеваний, в виде мазей при воспалительных процессах слизистых оболочек, в физиотерапии. Медь в сочетании с железом используется при лечении детей с гипохромной анемией. Медьсодержащие препараты и БАДП используются также в лечении и профилактике заболеваний опорно-двигательного аппарата, гипотиреоза. Широкое распространение получило использование медной внутриматочной спирали в качестве средства контрацепции. Физиологическая роль меди В организм медь поступает в основном с пищей. В некоторых овощах и фруктах содержится от 30 до 230 мг% меди. Много меди -=========^^ 115
Глава 5 содержится в морских продуктах, бобовых, капусте, картофеле, крапиве, кукурузе, моркови, шпинате, яблоках, какао-бобах. В желудочно-кишечном тракте абсорбируется до 95% посту- пившей в организм меди (причем в желудке ее максимальное ко- личество), затем в двенадцатиперстной кишке, тощей и подвздош- ной кишке. Лучше всего организмом усваивается двухвалентная медь. В крови медь связывается с сывороточным альбумином (12-17%), аминокислотами — гистидином, треонином, глутами- ном (10-15%), транспортным белком транскуприном (12-14%) и церулоплазмином (до 60-65%). Считается, что оптимальная интенсивность поступления меди в организм составляет 2-3 мг/сутки. Дефицит меди в организме может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента (1 мг/сутки и менее), а порог токсичности для человека равен 200 мг/сутки. Медь способна проникать во все клетки, ткани и органы. Мак- симальная концентрация меди отмечена в печени, почках, мозге, крови, однако медь можно обнаружить и в других органах и тка- нях. Схема обмена меди в организме представлена на рис. 18. Ведущую роль в метаболизме меди играет печень, посколь- ку здесь синтезируется белок церулоплазмин, обладающий фер- ментативной активностью и участвующий в регуляции гомеос- таза меди. Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвует в процессах обмена веществ, в тканевом ды- хании и т. д. Медь имеет большое значение для поддержания нор- мальной структуры костей, хрящей, сухожилий (коллаген), элас- тичности стенок кровеносных сосудов, легочных альвеол, кожи (эластин). Медь входит в состав миелиновых оболочек нервов. Дей- ствие меди на углеводный обмен проявляется посредством ускоре- ния процессов окисления глюкозы, торможения распада гликоге- на в печени. Медь входит в состав многих важнейших ферментов, таких как цитохромоксидаза, тирозиназа, аскорбиназа и др. Медь присутствует в системе антиоксидантной защиты организма, яв- ляясь кофактором фермента супероксиддисмутазы, участвующей в нейтрализации свободных радикалов кислорода. Этот биоэлемент повышает устойчивость организма к некоторым инфекциям, свя- зывает микробные токсины и усиливает действие антибиотиков. 11В
Химические элементы — жизненно необходимые элементы Медь обладает выраженным противовоспалительным свойством, смягчает проявления аутоиммунных заболеваний (напр., ревмато- идного артрита), способствует усвоению железа. Медь: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: Суточное поступление с воздухом: Резорбция (%): Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) 3,5 мг [7] 0,02 мг [7] 5-30% [7] 0,05 мг 3,37 мг 0,04-0,4 мг 0,003 мг Период полувыведения из организма: 12-61 час [7] Поступление меди с пищей (2-4 мг/сутки) медьсодержащие белки ч^ всасывание (40%) ■► ^^выделение с желчью пул меди выведение с калом (до 90%) Си-металлотионеин_ (депо в печени) ^ выведение с мочой (до 90%), выделение с потом, выдыхаемым воздухом, выделениями (месячные у женщин) сывороточный альбумин (плазма) церулоплазмин Рис. 18. Обмен меди в организме человека 117
Глава 5 Число атомов в теле человека: 1,0х 1021 Число атомов в одной клетке: 1,0х 107 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 80-150 [11], 73 [17] мышцы: 10 мг/кг [8, 17] кости: 1-26 мг/кг [8, 17] кровь: 1,01 мг/л [8, 17] 0,8-1,3 мг/л [13] сыворотка: жен.: 0,85-1,55 мг/л [11] муж.: 0,7-1,4 мг/л [11] (0,6)0,75-1,3(150) мг/л [9] 0,8-1,75 мг/л [13] печень: (1,5)2,5-10(35) мг/кг сырого веса [9] 3,2-9,9 мг/кг [13] почки: 1,07-4,19 мг/г [8, 17] моча: 6,1-30,3 мг/л [8, 17] (0,0005)0,002-0,025(0,04) мг/л [9] 0,012-0,08 мг/л [13] слюна: 0,12 мг/л [14] волосы: 26,0 мг/кг [8, 17] (5,0)7,5-80 мг/кг [9] 6,8-39 мг/кг [13] ногти: 6,2 мг/кг [12] зубы (эмаль): 0,005-2 мг/кг [12] зубы (дентин): 0,005-3,2 мг/кг [12] молоко: 0,197-0,751 мг/л [13] Токсическая доза для человека: >250 мг [8] ПДК: Медь ПДК в. 1 ПДКп.З Медь( II) оксид ПДКс.с.0,02 Медь(И) сульфид ПДК м.р. 0,003 ПДКс.с.0,001 Медь(1) хлорид ПДКс.с.0,02 Медь(И) хлорид ПДК м.р. 0,003 ПДК с.с. 0,001 11Я
Химические элементы — жизненно необходимые элементы Мп. МАРГАНЕЦ лат.: manganum, англ.: manganese, нем.: Mangan Название марганца произошло от нем. Manganerz (марганце- вая руда) и от лат. Magnes (магнит). Открыт Ю. Ганом в 1774 г. (Швеция). Марганец это твердый, хрупкий металл серебристо-белого цве- та, который окисляется на воздухе и реагирует с водой. Природ- ным источником марганца служат марганцевые руды, минералы манганит, пиролюзит, железомарганцевые конкреции. В виде сплавов с железом (ферромарганец) и кремнием (силикомарганец), марганец используется в сталелитейной и химической промыш- ленности, при производстве кормов для животных и удобрений. Атомный номер: 25 Атомная масса: 54,938 Основные степени окисления в естественных условиях: -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Место в системе элементов: VII группа Мировые запасы (т): 3,6х 109 [8] Мировое производство (т/год): 4,85х 106 [8] Виды промышленности, цветная и черная металлургия, где используется элемент: электротехника Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 4,4х 10"2 [1] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 1,4х 10"3 мкг/м3 южный полюс: 0,01 нг/м3 острова: Зх 10"3 мкг/м3 материки: 0,3 мкг/м3 пригород 0,03 мкг/м3 города (макс): 0,76 мкг/м3 Содержание в литосфере: 950 мг/кг Содержание в почве: 200-3000 мг/кг [ 17] 80-500(850) мг/кг [9] Содержание в морской воде [3]: (0,4-1,0)х 10"4мг/л [17] 0,3x10"4 мг/л [9] Содержание в пресной воде [3]: 0,1-110 мг/л [17] 0,0002-0,008 мг/л [9] 119
Глава 5 . Применение марганца и его соединений Марганец применяется при изготовлении специальных спла- вов в металлургии: ферромарганец (80% марганца и 20% желе- за), зеркальный чугун (железо с 6-20% марганца, 4-6% углеро- да и до 1% кремния), марганцевые стали (1-15% марганца) и др. Стеарат марганца (II) Мп(С17Н35СОО)2 используется в произ- водстве олифы. Полигидрат оксида марганца (III) Мп2ОзХпН2О используется в качестве компонента коричневой малярной крас- ки (умбра). Оксид марганца (IV) МпО2 применяют в качестве де- поляризатора в сухих гальванических батареях и белителя рас- плавленной стекольной массы. Перманганат калия КМпО4 применяют в химическом анализе (перманганатометрия), а в ме- дицине как дезинфицирующее средство и противоядие для циа- нидов и боевых отравляющих веществ, компонент витаминно- минеральных комплексов, препаратов, БАДП и органических соединений марганца (аспарагинат марганца). Изотопы 52Мп, 54Мп, 56Мп используются в методе меченых атомов. В медицине в качестве антисептического средства широко применяют марганцовокислый калий — в виде водных растворов для полосканий, спринцеваний, смазывания язвенных и ожоговых поверхностей, промываний мочевого пузыря и мочевыводящих путей. В последние годы органические соединения марганца используются в минерально-витаминных комплексах, БАДП, для лечения и профилактики различных заболеваний (напр., в назальных спреях при лечении аллергического ринита). Радиоактивные изотопы марганца применяют в исследовательских целях. Физиологическая роль марганца Марганец является эссенциальным элементом для человека и животных. Соединения марганца в основном поступают в орга- низм с пищей. Много марганца содержится в ржаном хлебе, пше- ничных и рисовых отрубях, сое, горохе, картофеле, свекле, поми- дорах, чернике и в некоторых лекарственных растениях (багульник, вахта трехлистная, лапчатка, эвкалипт). Всасывание марганца происходит в организме на всем протя- жении тонкого кишечника. Марганец быстро покидает кровяное 120
^__ Химические элементы — жизненно необходимые элементы русло и в тканях присутствует главным образом в митохондриях клеток («силовых станциях» клетки, в которых вырабатывается энергия). В повышенных количествах он присутствует в печени, трубчатых костях, поджелудочной железе, почках. Выводится марганец преимущественно с калом, потом и мочой. Среднесуточная потребность в марганце человека составляет 2-5 мг. Биоусвояемость марганца невысока, всего 3-5%. Оптималь- ная интенсивность поступления марганца в организм 3-5 мг/день; уровень, приводящий к дефициту, и порог токсичности оценива- ются в 1 и 40 мг/день соответственно (Pais, Jones, 1997). Марганец относится к важнейшим биоэлементам (микроэле- ментам) и является компонентом множества ферментов, выпол- няя в организме многочисленные функции: • участвует в синтезе и обмене нейромедиаторов в нервной системе; • препятствует свободно-радикальному окислению, обеспечива- ет стабильность структуры клеточных мембран; • обеспечивает нормальное функционирование мышечной ткани; • участвует в обмене гормонов щитовидной железы (тироксин); • обеспечивает развитие соединительной ткани, хрящей и костей; • усиливает гипогликемический эффект инсулина; • повышает гликолитическую активность; • повышает интенсивность утилизации жиров; • снижает уровень липидов в организме; • противодействует жировой дегенерации печени; • участвует в регуляции обмена витаминов С, Е, группы В, холи- на, меди; • участвует в обеспечении полноценной репродуктивной функ- ции; • необходим для нормального роста и развития организма. Схема обмена марганца в организме человека представлена на рис. 29. Марганец: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 3,7 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,002 мг [7] Резорбция (%): 1 -4 (ЖКТ) [7] 121
Глава 5 Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.): Период полувыведения из организма: 0,03 мг 3,6 мг 0,04 мг 0,002 мг 4-40 суток [7] Число атомов в теле человека: 2,2х 1020 Число атомов в одной клетке: 2,2х 106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70 кг: мышцы: печень: кости: кровь: сыворотка: моча: 12 [8, 17] 10-20 мг (0,18-0,36 ммоль) [11] 0,2-2,3 мг/кг [8, 17] (0,02)0,5-2,0(5,0) мг/кг сырого веса [9] 0,5-2,1 мг/кг [13] 0,2-100 мг/кг [8, 17] 0,0016-0,075 мг/л [8, 17] 0,007-0,0105 мг/л [11] 0,008-0,0187 мг/л [13] <0,0008 мг/л [11] (0,0002)0,0003-0,001 мг/л [9] 0,00054-0,00176 мг/л [13] 0,0001-0,0015 мг/л [9, 11] 0,0005-0,0098 мг/л [13] поступление с пищей плазма, глобулин, трансманганин Мп- супероксидцисмутаза, пируваткарбоксилаза выведение с мочой (-0%) Рис. 19. Обмен марганца в организме человека 122
Химические элементы — жизненно необходимые элементы молоко: волосы: ногти: зубы (эмаль): зубы (дентин): 0,01 мг/л[8, 17] 0,0032-0,042 мг/л [13] (0,05)0,1-1,0(2,0) мг/к[9] 0,2-4,4 мг/кг [13] 0,04-2,1 мг/кг [12] 0,19-10,5 мг/кг [12] 0,28-30 мг/кг [12] Токсическая доза для человека: 10-20 мг (для крыс) [8] ПДК: Марганец ПДК в. 0,1 Ванадий + Марганец ПДК п. 100+100 Мо. МОЛИБДЕН лат.: molibdenum, англ.: molybdenum, нем.: Molibdaen Название молибдена произошло от греч, molybdos (свинец). Выделен П. Гьельмом в 1781 г. (Швеция). Молибден представляет собой серебристый, блестящий, мяг- кий металл. В природе молибден встречается в виде сульфидных руд и молибдатов свинца или железа. Природным источником молибдена является минерал молибденит; а получают молибден обычно как побочный продукт при производстве меди. Соедине- ния молибдена применяются в производстве различных сплавов, электродов, минеральных удобрений, используются в качестве катализаторов при биологической фиксации азота. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 42 95,94 -2,0, 1,2,3,4,5,6 VI группа 5x106 [8] 80000 [8] цветная и черная м< 123
Глава 5 Содержание в атмосфере [3]: океаны: 6,1х 10"6 мкг/м3 острова: 2х 10"4 мкг/м3 материки: Зх 10"3 мкг/м3 пригород 1,4х 10"3 мкг/м3 города (макс): 0,01 мкг/м3 Содержание в литосфере: 1,5 мг/г Содержание в почве: 0,5-40 мг/кг [17] 0,2-5 мг/кг [9] Содержание в морской воде: 0,01 мг/л [9, 17] Содержание в пресной воде: 0,3 мг/л [17] <0,001 [9] Применение молибдена и его соединений Молибден используется для изготовления спиралей в лампах накаливания. Ферромолибден (содержит 60-80% молибдена) применяется при изготовлении специальных сталей. Молибдат аммония (NH4)6MO7O24X 4H2O используется в качестве аналити- ческого реактива на фосфаты. Тетрамолибдат аммония применя- ется в медицине для лечения опухолей мозга. Сульфид молибдена MoS2 используется в качестве сухой смазки и присадки к мотор- ным маслам. Изотоп "Мо используется в радиоизотопной диаг- ностике в качестве материнского радионуклида для получения 99шТс, а также для сканирования печени и изучения циркуляции крови в мышцах. В медицине применяют радиоизотопы молибдена; изучается эффективность тетрамолибдата аммония в терапии новообразований головного мозга, а также при мужском бесплодии. Физиологическая роль молибдена Соединения молибдена попадают в организм с пищей. Раство- римые соединения легко всасываются из желудочно-кишечного тракта, абсорбируются из легких, поступают в кровь из мест па- рентерального введения. За сутки в организм взрослого человека поступает вместе с пищей 75—250 мкг молибдена. Более половины поступившего в желудочно-кишечный тракт молибдена всасывается в кровь. За- тем, около 80% поступившего в кровь молибдена, связывается с 194
Химические элементы — жизненно необходимые элементы белками (в первую очередь, с альбуминами) и транспортируется по всему организму. В организме молибден скапливается в пече- ни, а в крови распределяется равномерно между форменными эле- ментами и плазмой. Накопления молибдена в организме млеко- питающих не происходит. Растворимые соединения молибдена выводятся из организма с мочой и калом Физиологическое значение молибдена для организма живот- ных и человека было впервые показано в 1953 г, с открытием вли- яния этого элемента на активность фермента ксантиноксидазы. Молибден входит в состав ряда ферментов (альдегидоксидаза, суль- фитоксидаза, ксантиноксидаза и др.), выполняющих важные физиологические функции, в частности, регуляцию обмена мо- чевой кислоты. Недостаток молибдена в организме сопровожда- ется уменьшением содержания в тканях ксантиноксидазы. Тио- молибдат аммония (растворимая соль молибдена), является антагонистом меди и нарушает ее утилизацию в организме. Схема обмена молибдена в организме человека представлена на рис. 20. поступление с пищей (75-250 мкг/сутки) всасывание (-100%) нуклеиновые кислоты АМФ) \ ™Ф гипоксантин ► ксантин ксантиноксидаза мочевая кислота белок выведение с калом метионин- сульфатоксидаза I set- sof- моча Рис. 20. Обмен молибдена в организме человека 125
Глава 5 Молибден: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,3 мг (0,05-0,35 мг) [7] Суточное поступление с воздухом: 0,1х 10~3мг[7] Резорбция (%): 50 (ЖКТ) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,15 мг скалом: 0,12 мг с потом: 0,02 мг прочие (волосы и др.): 0,01хЮ"3мг Период полувыведения из организма: 30 суток [7] Число атомов в теле человека: 0,32х 1020 Число атомов в одной клетке: 0,32х 106 Среднее содержание в человеческом организме: мг/70кг: 8-1011 мышцы: 0,018 мг/кг [8, 17] печень: (0,1)0,3-0,5(1,5) мг/кг [9] 0,36-0,8 мг/кг [13] кости: < 0,7 мг/кг [8, 17] кровь: 0,001 мг/л [17] 0,0008-0,0033 мг/л [13] сыворотка: <0,001 мг/л [11] (0,0002)0,0003-0,0012 [9] 0,00055-0,003 мг/л [13] моча: 0,01-0,016 мг/л [11] 0,033-0,034 мг/л [13] молоко: 0,02 мг/л [17] 0,001-0,0195 мг/л [13] волосы: 0,02-0,15(0,5) мг/кг [9] 0,1-0,49 мг/кг [13] ногти: 0,15-5,6 мг/кг [12] зубы (эмаль): 2,3 мг/кг [12] зубы (дентин): 0,054-7,2 мг/кг [12] 126
Химические элементы — жизненно необходимые элементы ПДК: Молибден ПДКс.с. 0,02 ПДК в. 0,05 Токсическая доза для человека: 5 мг [8] Летальная доза для человека: 50 мг (для крыс) [8] Со. КОБАЛЬТ лат.: cobaltum, англ.: cobalt, нем.: Cobalt Название этого элемента произошло от нем. kobald (гном). Открыт в 1735 гг. Брандтом (Швеция). Кобальт это твердый, серебристо-белый металл красноватого оттенка. При нормальных условиях химически стоек. Обладает ферромагнитными свойствами. Природным источником кобаль- та являются руды никеля, минералы кобальтин, линнеит, скут- терудит. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 27 8,9332 -1,0, 1,2,3,4,5 VIII группа данные отсутствуют 19000 [8] цветная и черная металлургия, стекольная промышленность, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 2,2410"3 [1] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 6,1 х 10"5 мкг/м3 южный полюс: 5х 10"4 нг/м3 острова: 2х 10"5 мкг/м3 материки: 0,03 мкг/м3 пригород 0,5х 10"3 мкг/м3 города (макс): 0,038 мкг/м3 127
Глава 5 Содержание в литосфере: 25 мг/кг Содержание в почве: 1-40 мг/кг [17] 0,5-5( 15) мг/кг сухого веса [9] Содержание в морской воде: 6,9х 10"6 мг/л [17] 0,0001-0,0002 мг/л [9] Содержание в пресной воде: 0,01-0,18 мг/л [17] около 2x10"6 [9] Применение кобальта и его соединений в промышленности и медицине Кобальт используется при легировании железа (для полу- чения быстрорежущих сталей) и для производства победита (особо твердый сплав из кобальта и вольфрама). Оксид кобальта (III) Со2О3х пНгО используется в качестве синего красителя для стекла, эмалей и фарфора (напр., для получения синего кобаль- тового стекла). Стеарат кобальта (II) Со(С17Н35СОО)2 входит в состав масляных красок. С помощью различных соединений кобальта получают краски синего, голубого, зеленого и желто- го цвета. В медицине соли кобальта в составе витаминно-минеральных комплексов используются для лечения и профилактики различных заболеваний. В России синтезирован аспарагинат кобальта —легко усвояемая соль этого микроэлемента. Содержащий кобальт витамин В12 (цианокобаламин), один из широко распространенных витаминов, применяемых в медицинских целях. Цианокобаламин используют при лечении анемий: постгеморрагических и железодефицитных, вызванных токсическими и лекарственными веществами, апластическихудетей. Этот витамин применяют также при многих заболеваниях нервной системы, кожных болезнях и ряде других патологических процессов. Хлористый кобальт в виде 20% раствора используется при лечении гипертонической болезни. Радиоактивные изотопы кобальта применяются в радиоизотопной диагностике и для лучевой терапии (Со-60). В технике и медицине в качестве источника гамма-излучения используется 60Со. Этот изотоп используется в медико- биологических исследованиях в качестве индикатора при исследовании динамики биохимических процессов. 128
___ Химические элементы - жизненно необходимые элементы Физиологическая роль кобальта Кобальт является жизненно необходимым элементом для жи- вотных и человека. В организм человека кобальт поступает с пи- щей. Особенно много кобальта в печени, молоке, красной свекле, редисе, зеленом луке, капусте, петрушке, салате и чесноке. В сред- нем в желудочно-кишечном тракте всасывается около 20% посту- пившего кобальта. Оптимальная интенсивность поступления ко- бальта в организм человека составляет 20-50 мкг/сутки. Дефицит кобальта наблюдается при недостаточном поступлении этого эле- мента в организм (10 мкг/сутки и менее), а порог токсичности составляет 500 мг/сутки. Кобальт входит в состав молекулы цианокобаламина, активно участвует в ферментативных процессах и образовании гормонов щитовидной железы, угнетает обмен йода, способствует выделе- нию воды почками. Кобальт повышает усвоение железа и синтез гемоглобина, является мощным стимулятором эритропоэза. Процесс кроветворения у человека и животных может осуще- ствляться только при нормальном взаимодействии трех биоэле- ментов — кобальта, меди и железа. Следует отметить, что меха- низм влияния кобальта на гемопоэз продолжает оставаться неясным. Известно, что при введении кобальта в костный мозг увеличивается образование молодых эритроцитов и гемоглобина. Однако для этого необходимо наличие в организме достаточного количества железа. Витамин Bi2, помимо своего воздействия на процессы крове- творения, весьма эффективно влияет на обмен веществ, в первую очередь на синтез белков, а также обладает способностью восста- навливать -S-S группы, участвующие в процессах блокирования и утилизации токсичных элементов. Кобальт: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,3 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,12410-3-0,04 мг [7] Резорбция (%): 20 [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,2 мг 5 Химические элементы в физиологии и экологии человека 129
Глава 5 скалом: 0,1 мг с потом: 0,004 мг прочие (волосы и др.) 0,002 мг Период полувыведения из организма: 30-40 лет [7] Число атомов в теле человека: 0,Зх 1020 Число атомов в одной клетке: 0,3x105 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 14 [6, 9], 1,1 мг[11] мышцы: 0,028-0,65 мг/кг [8, 17] кости: 0,01-0,04 мг/кг [8, 17] кровь: 0,0002-0,04 мг/л [8, 17] сыворотка: <0,0005 мг/л [11] (0,00002)0,00005-0,0001(0,00035) мг/л [9] 0,00011-0,00045 мг/л [13] моча: 0,02 мг/л [8, 17] 0,0001-0,001(0,002) мг/л [9] 0,0012-0,00135 мг/л [13] волосы: 0,195 мг/кг [8, 17] (0,01)0,05-0,5(1) мг/кг [9] 0,0004-0,5 мг/кг [13] ногти: 11-530 мг/кг [12] зубы(эмаль): 0,006-1,1 мг/кг [12] зубы (дентин): 0,004-0,13 мг/кг [12] почки: 0,5-15 мг/г [8, 17] печень: (0,0005)0,01-0,1(0,15) мг/кг сырого веса [9] 0,006-0,151 мг/кг [13] молоко: 1,3-3,0 мг/л [8, 17] 0,0002-0,003 мг/л [13] Токсическая доза для человека: ПДК: Кобальт 2)ПДКс.с. 0,001 3)ПДКв. 0,1 Кобальт ацетат 2)ПДКс.с. 0,001 Кобальт оксид 2)ПДКс.с. 0,001 500 мг [9] 130
Химические элементы — жизненно необходимые элементы Кобальт( II) сульфат 1)ПДКм.р. 0,001 2)ПДКс.с. 0,0004 Трикобальт тетраоксид 3)ПДКв. 0,1 Сг.ХРОМ лат.: chromium, англ.: chromium, нем.: Chrom Хром открыт и выделен Н. Вокленом в 1780 г. (Франция). Название произошло от греч, chroma (краска, цвет), из-за яркой окраски соединений хрома. Хром — твердый, голубовато-серебристый металл, не окисля- ющийся на воздухе. Природным источником хрома являются ми- нералы (хромиты). Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): 24 51,9961 -2,-1,0, 1,2,3,4,5,6 VI группа 109[8] Мировое производство (т/год): 9,6х 106 (хромит) [8] Виды промышленности, цветная и черная металлургия, где используется элемент: электронная и кожевенная промышленность, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 5х 10~3 [1] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 5,3х 10"4 мкг/м3 южный полюс: 6х 10~5нг/м3 острова: 7х 10"4 мкг/м3 материки: 0,4 мкг/м3 пригород — города (макс): — Содержание в литосфере: 100 мг/кг Содержание в почве: 5-1000 мг/кг [17] 2-50 мг/кг [9] 131
Голеожание в морской воде: 0,16 мг/л [17] СодерЖ 0,0003-0,0005 мг/л [9] Содержание в пресной воде: 0,18 мг/л [ 17] 0,0005-0,001 мг/л [9] Применение хрома и его соединений в промышленности и медицине Хром применяется в металлургии для получения легиро- ванных сталей, для нанесения защитных покрытий на повер- хности других металлов (хромирование гальваническим мето- дом). Оксид хрома (III) Сг2О3 используется в качестве малярного пигмента и полировочного материала. Хромокали- евые квасцы KCr(SO4)2>< 12H2O используют в кожевенном про- изводстве при дублении кожи для получения так называемой «хромовой кожи». Оксид хрома (IV) СгО2 применяется для изготовления магнитных лент р,ля звуковой и видеозаписи. Оксид хрома (VI) СгО3 используется в качестве компонента гальванических ванн. Дихроматы калия и натрия (К2Сг2О7, Na2Cr207) применяют в качестве окислителей в производстве антрахинона, получения хромовых пигментов и других соеди- нений хрома, для задубливания желатина. Хромовая смесь («хромпик»), раствор дихромата калия в серной кислоте, ис- пользуется в лабораторном деле для мытья и обезжиривания лабораторной посуды и приборов. В медицине отдельные изотопы хрома используют в радиоизотопной диагностике. Пиколинатиаспарагинатхрома применяют в качестве биологически активной добавки к пище, а также как компонент витаминно-минеральных комплексов. Изотоп хрома 51Сг входит в состав препаратов для определения продолжительности жизни эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, объема плазмы крови и эритроцитов, объема циркулирующей крови, для диагностики желудочно-кишечных кровотечений, а также при изучении метаболизма в организме. Физиологическая роль хрома Естественным источником хрома для человека являются рас- тения. Хром содержится во многих овощах, ягодах и фруктах; в некоторых лекарственных растениях (сушеница топяная, гинк- 139
Химические элементы — жизненно необходимые элементы го билоба, мелисса); а также в рыбе, креветках, крабах, печени, куриных яйцах, пивных дрожжах и черном перце. В организме человека содержится около 6 мг хрома. Один из биологических эффектов хрома связан с его влиянием на так назы- ваемый фактор толерантности к глюкозе, активность которого па- дает при дефиците хрома и восстанавливается после его добавле- ния. Синдром нарушения толерантности к глюкозе сопутствует сахарному диабету и проявляется в виде гипергликемии и глюко- зурии на фоне дефицита хрома. Наблюдается снижение поглоще- ния глюкозы хрусталиком глаза, утилизации глюкозы для липо- генеза, повышение выработки СО2 и снижение синтеза гликогена из глюкозы. Все эти нарушения купируются введением хрома и инсулина. Имеются данные, свидетельствующие о том, что хром потенцирует действие инсулина в периферических клетках. Хром способен влиять на гомеостаз сывороточного холестеро- ла и предупреждать тенденцию к его росту с увеличением возрас- та. При дефиците хрома у животных нарушается способность включения аминокислот глицина, серина, метионина и б-амино- изомасляной кислоты в сердечную мышцу. На обмен других ами- нокислот хром не оказывает эффекта. При беременности наблюдается существенное снижение кон- центрации хрома в волосах и моче. Уровень хрома в волосах также понижен у недоношенных детей и при задержке развития. Сни- жение содержания хрома и усиление его экскреции с мочой отме- чено при повышенных физических нагрузках у спортсменов. В организм соединения хрома поступают с пищей, водой и воздухом. Всасывание хрома происходит преимущественно в то- щей кишке, при этом не усвоенный хром выводится с калом. В тканях органов содержание хрома в десятки раз выше, чем в кро- ви. Наибольшее количество хрома присутствует в печени (0,2 мкг/кг) и почках (0,6 мкг/кг), кишечнике, щитовидной же- лезе, хрящевой и костной ткани, в легких (в случае поступления соединений хрома с воздухом). Усвоенный хром выводится из орга- низма главным образом через почки (80%) и в меньшей степени через легкие, кожу и кишечник (около 19%) Потребность человеческого организма в хроме составляет 50-200 мкг в сутки. Биоусвояемость хрома из неорганических со- единений в желудочно-кишечном тракте невысока, всего 0,5-1% , однако она возрастает до 20-25% при поступлении хрома в виде ================^^ 133
Глава 5 комплексных соединений (пиколинаты, аспарагинаты). Шести- валентный хром усваивается в 3-5 раз лучше, чем трехвалентный. В легких оседает до 70% поступившего хрома. Считается, что оптимальная интенсивность поступления хрома в организм 50-200 мкг/день. Дефицит хрома в организме может раз- виться при недостаточном поступлении этого элемента (20 мкг/день и менее). Порог токсичности хрома составляет 5 мг/день. Хром — жизненно важный микроэлемент, который является постоянной составной частью клеток всех органов и тканей. Пере- числим основные функции хрома в организме: • хром участвует в регуляции синтеза жиров и обмена углеводов, способствует превращению избыточного количества углеводов в жиры; • входит в состав низкомолекулярного органического комплек- са — фактора толерантности к глюкозе, обеспечивающего под- держание нормального уровня глюкозы в крови; • вместе с инсулином действует как регулятор уровня сахара в крови, обеспечивает нормальную активность инсулина; • способствует структурной целостности молекул нуклеиновых кислот; • участвует в регуляции работы сердечной мышцы и функцио- нировании кровеносных сосудов; • способствует выведению из организма токсинов, солей тяже- лых металлов, радионуклидов. Схема обмена хрома в организме человека представлена на рис. 21. Хром: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,15 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,0001 мг [7] Резорбция (%): 0,5-2 (ЖКТ), 70 (легкие) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,07 мг скалом: 0,08 мг с потом: 0,001 мг прочие (волосы и др.): 0,0006 мг 134
Химические элементы — жизненно необходимые элементы Число атомов в теле человека: 0,6х 1020 Число атомов в одной клетке: 0,6х 105 Среднее содержание в человеческом организме: мышцы: кости: печень: почки: кровь: сыворотка: моча: волосы: ногти: зубы (эмаль): зубы (дентин): 0,024-0,84 мг/кг [8, 17] 0,1-33 мг/кг [8, 17] (0,002)0,01-0,05(0,2)мг/кг сырого веса [9] 0,2 мг/кг сырого веса [18] 0,008-0,072 мг/кг [13] 0,6 мг/кг [18] 0,006-0,11 мг/л [8, 17] 0,0028-0,045 мг/л [13] <0,0005 мг/л [11] (0,00005)0,0001-0,0005(0,001) мг/л [9] 0,00012-0,0021 мг/л [13] 0,02 мг/л [17] (<0,00005)0,0001-0,0015(0,002) мг/л [9] 0,00024-0,0018 мг/л [13] 0,195 мг/кг [17] (0,01)0,1-2,0(5,0) мг/кг [9] 0,06-4,1 мг/кг [13] 6,2 мг/кг [12] 0,005-2 мг/кг [12] 0,005-3,2 мг/кг [12] выведение с калом (98-99%) выведение с мочой (~1 мкг/сутки) Рис. 21. Обмен хрома в организме человека 135
Глава 5 Ток^^ 200 мг8 Летальная доза для человека: > 3000 мг8 ПДК: Хром(Ш) ПДК в. 0,5 XpoM(IV) ПДК с.с. 0,0015 ПДК в. 0,05 ПДК п. 6 Se. СЕЛЕН лат.: selenium, англ.: selenium, нем.: Selen Селен открыт Й. Берцелиусом в 1817 г. (Швеция), его назва- ние произошло от греч. Selene (Луна). Селен получают в виде серебристой металлической аллотроп- ной модификации или в виде красного аморфного порошка. Се- лен горит на воздухе, не взаимодействует с водой, растворяется в концентрированной азотной кислоте и щелочах. Во многих отно- шениях селен является аналогом серы. Природным источником селена служат следы в некоторых сульфидных рудах, получают селен как побочный продукт очистки меди. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 34 78,96 -2,-1,0, 1,2,4,6 VI группа данные отсутствуют 1650 [2] электронная промышленность Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 2,8х 10"5 [1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 2,3х 10"4 мкг/м3 южный полюс: 0,8 нг/м3 острова: Зх 10~4 мкг/м3 материки: 0,01 мкг/м3 136
Химические элементы - жизненно необходимые элементы пригород 2х 10~3 мкг/м3 города (макс): 0,022 мкг/м3 Содержание в литосфере: 0,05 мг/кг Содержание в почве: 0,1-2,0 мг/кг [ 17] 0,1-1,0 мг/кг сухого веса [9] Содержание в морской воде: (1,8-0,47)х 10"7 мг/л [ 17] (0,5-2)х10"4мг/л[9] Содержание в пресной воде: 0,0006-0,002 мг/л [ 17] < 0,0001 мг/л [9] Применение селена и его соединений Селен используется при производстве фотоэлементов, свето- чувствительных барабанов копировальных аппаратов и лазерных принтеров и выпрямителей электрического тока. Изотоп 15Se используется для радиоизотопных исследований в медицине (в форме селената и селенита натрия, раствора для инъекций селенометионина), при сканировании поджелудочной и паращитовидныхжелез (селенометионин), для визуализации хондросаркомы (внутривенное введение селенида). В медицине с конца 80-х годов широко применяются соединения селена (селенит натрия, селен-метионин, селен-цистеин, обогащенныеселеном дрожжи и др.) для лечения и профилактики многих заболеваний, поскольку селен является природным антиоксидантом. В дерматологии и косметологии используют селенсодержащие шампуни, крема, мыла и гели. Физиологическая роль селена Оптимальной интенсивностью поступления селена в организм считают 20-70 мкг/день. Дефицит селена в организме развивает- ся при поступлении этого элемента в количестве 5 мкг/день и ме- нее, порогом токсичности является 5 мг/день. Суточная потребность организма человека в селене составля- ет 20-100 мкг. Естественным источником селена для человека являются пищевые продукты. Высоко содержание селена в чес- ноке, свином сале, пшеничных отрубях и белых грибах. Также много селена содержится в оливковом масле, морских водорос- лях, пивных дрожжах, бобовых, маслинах, кокосах, фисташках и кешью. =^==============^ 137
Глава 5 Всасывание селена происходит в дистальном отделе тонкого кишечника, где из растворимых соединений селена, образуются соединения селена с метионином и цистеином. Накапливается селен, прежде всего, в почках и печени, костном мозге, сердеч- ной мышце, поджелудочной железе, легких, коже и волосах. При парентеральном питании в организм человека должно поступать не менее 30 мкг селена в сутки. В организме селен стимулирует процессы обмена веществ. Его важной биохимической функцией является участие в построении и функционировании глутатионпероксидазы, глицинредуктазы и цитохрома С — основных антиоксидантных соединений Селен участвует как в первой фазе биохимической адаптации (окисление чужеродных веществ с образованием органических окисей и перекисей), так и во второй (связывание и выведение активных метаболитов). Селен является основным компонентом фермента пероксидазы глютатиона, который защищает организм от вредных веществ, образующихся при распаде токсинов. Селен антагонист ртути и мышьяка, способен защитить организм от кад- мия, свинца, таллия. Селен участвует и в других формах антиок- сидантной защиты. Селен является элементом, выполняющим многочисленные защитные функции в организме. Селен усиливает иммунную за- щиту организма, способствует увеличению продолжительности жизни. Значение селена в механизмах поддержания гомеостаза хоро- шо иллюстрируется эффективностью применения препаратов се- лена при самых разнообразных патологических процессах. Селен оказывает лечебный эффект при кардиопатиях различной этио- логии, при гепатитах, панкреатитах, заболеваниях кожи, уха, горла и носа. Общеизвестна роль селена в профилактике и лече- нии злокачественных новообразований. Схема обмена селена в организме человека представлена на рис. 22. Селен: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,15 мг [7] Резорбция (%) 50-70 [7] 138
Химические элементы - жизненно необходимые элементы Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) Период полувыведения из организма: 0,05 мг 0,02 мг 0,08 мг 0,001 мг 50-60 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,5х 1020 Число атомов в одной клетке: 1,5x106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70 кг: мышцы: печень: кости: моча: волосы: 14 [6, 9], 10-15 [11] 0,42-1,9 мг/кг [8, 17] (0,1 )0,2-0,5(0,75) мг/кг сырого веса [9] 0,19-0,7 мг/кг [13] 1-9 мг/кг [8, 17] 0,01-0,05 мг/л [11] 0,007-0,16 мг/л [13] 0,3-1,8 мг/кг [11] 0,2)0,5-1,5(2,5) мг/кг [9] 0,2-1,4 мг/кг [13] 139
Глава 5 ногти: 0,3-1,8 мг/кг [11] зубы (эмаль): 12,8 мг/кг [141] зубы (дентин): 0,27-0,87 мг/кг [12] кровь: 0,171 мг/л [8, 17] 0,058-0,234 мг/л [13] сыворотка: 0,05-0,12 мг/л [9,11] 0,046-0,143 мг/л [13] молоко: 0,01-0,062 мг/л [13] ПДК: Селен ПДК в. 0,01 Селен (IV) оксид ПДК м.р. 0,0001 ПДК с.с. 0,00005 Токсическая доза для человека: 5 мг [8, 17] 1.ЙОД лат.: iodum, англ.: iodine, нем.: lod Название этого элемента происходит от греч, iodes (фиолето- вый), поскольку такой цвет имеют пары йода. Открыт в 1811 г. Б. Курту а (Франция). Йод это твердый, черный, блестящий неметалл. Йод испаря- ется при обычной температуре, а при нагревании возгоняется. Йод плохо растворим в воде, значительно лучше он растворяется в орга- нических растворителях. Обладает высокой химической актив- ностью и способностью к перемене валентности. В природе йод встречается в виде солей (йодидов и йодатов) и в составе морской соли, преимущественно в виде йодистого натрия и йодистого магния. В морской воде содержится до 50 мкг/л йода. Морские водоросли, такие как ламинария и др., могут содержать до 1% йода. Атомный номер: 53 Атомная масса: 126,90447 Основные степени окисления в естественных условиях: -1,0, 1, 3, 5, 7 Место в системе элементов: VII группа 140
Химические элементы — жизненно необходимые элементы Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: промышленность 2,6x106 [8] 12000 [8] медицина, пищевая Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 2х 10~5 [1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: южный полюс: острова: материки: пригород города (макс): Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 3,5x10"3 мкг/м3 0,74 нг/м3 2хЮ-Змкг/м3 0,05 мкг/м3 6хЮ-Змкг/м3 0,14 мкг/м3 0,5 мг/кг 0,1-40 мг/кг [17] 1-2 мг/кг [9] 0,049 мг/л [17] 0,06 мг/л [8] 3,0 мг/л [17] 0,007 мг/л [8] 0,003 мг/л [17] Применение йода и его соединений Йод широко применяется для массовых (в виде йодированной соли, йодированного масла и йодсодержащих морепродуктов) и индивидуальных (препараты йодида калия и морских водорослей) мероприятий, направленных на профилактику и лечение йододе- фицитных заболеваний щитовидной железы, таких как зоб, ги- потиреоз и кретинизм. Йод используется как местное дезинфи- цирующее средство (в виде раствора йода, раствора Люголя, бетадина и др.) в хирургии, отоларингологии, гинекологии, этот элемент способен уменьшать накопления радиоактивного йода в организме. Изотопы йода 125J и 131J широко применяют в физи- ческой химии, биологии и медицине, в диагностике заболеваний щитовидной железы. В медицинских целях йод используется в лекарственных препаратах, применяемых, в частности, при заболеваниях щитовидной железы 141
Глава 5 («Йодтирокс»). Йод входит в состав «бытовой» настойки йода в спирте, раствора Л юголя, ряда препаратов, таких как «Йокс», «Калий- йодид», «Йодипол». Радиоактивный йод применяется для диагностики заболеваний щитовидной железы. Некоторые препараты йода служат в качестве рентгеноконтрастных веществ при исследовании сосудов и сердца («Йодамид»), матки и фаллопиевых труб («Йодолипол»), печени и желчного пузыря («Билигност»). Йод используют в гинекологической практике для профилактики и лечения инфекционных заболеваний как средство для местного применения. Физиологическая роль йода Йод является жизненно-важным элементом, не генотоксичес- ким. Полагают, что оптимальная интенсивность поступления йода в организм составляет 100-150 мкг/день. Дефицит йода может развиться при поступлении этого элемента в организм в количе- стве менее чем 10 мкг/день, а порог токсичности равен 5 мг/день. Основными источниками йода для организма человека яв- ляются морепродукты, а также применяемые в пищевой про- мышленности йодофоры и йодированная соль. Содержание йода в пищевых продуктах и питьевой воде значительно варьируется. Количество йода во фруктах и овощах зависит от состава почвы и удобрений, а также от того, какую обработку прошли эти про- дукты. Наиболее богаты йодом такие морепродукты, как трес- ка, красные и бурые водоросли, пикша, палтус, сельдь, сарди- ны, креветки. Таким образом, йод поступает в организм с продуктами рас- тительного и животного происхождения и отчасти с водой. Всасы- вается йод преимущественно в верхнем отделе желудочно-кишеч- ного тракта. Прием натуральных продуктов не вызывают побочных эффектов, даже при избыточном содержании в них йода. В норме в организме человека содержится 15-25 мг йода, причем половина от этого количества находится в щитовидной железе. В щитовидной железе концентрация йода составляет 1000-12000 мкг/г, тогда как в печени — 0,2 мкг/г, в яичниках, легких — 0,07 мкг/г, в почках — 0,04 мкг/г, в лимфоузлах — 0,03 мкг/г, в мозге, семенниках и мышцах — 0,02 мкг/г. По нашим данным, норма содержания йода в волосах человека со- ставляет около 4 мкг/г. Вероятно, йод накапливается также в 14?
Химические элементы — жизненно необходимые элементы слизистой оболочке желудка, слюнных и молочных железах во время лактации. Выводится йод из организма преимуществен- но через почки. Йод обладает высокой физиологической активностью и явля- ется обязательным структурным компонентом тиреотропного гор- мона и тиреоидных гормонов щитовидной железы. Перечислим основные функции йода в организме: • участие в регуляции скорости биохимических реакций; • участие в регуляции обмена энергии, температуры тела; • участие в регуляции белкового, жирового, водно-электролитно- го обмена; • участие в регуляции обмена некоторых витаминов; • участие в регуляции дифференцировки тканей, процессов рос- та и развития организма, в том числе нервно-психического; • индукция повышения потребления кислорода тканями. Схема обмена йода в организме человека представлена на рис. 23. 143
Глава 5 Йод: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,1-0,2 мг [7] Суточное поступление с воздухом: Резорбция (%): Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.): Период полувыведения из организма: 0,5х10"3-0,04мг[7] 95-100% [7] 0,17 мг 0,05 мг 0,006 мг 0,02 мг 138 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,5х 1020 Число атомов в одной клетке: 1,5х 106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70 кг: мышцы: кости: кровь: сыворотка: молоко: волосы: зубы (эмаль): зубы (дентин): 12-20 [8, 17] 0-20 [11] 0,05-0,5 мг/кг [8, 17] 0,27мг/кг[8, 17] 0,057 мг/л [8, 17] 0,04-0,08 мг/л [11] (0,03)0,05-0,07(0,1) мг/л [9] 0,058-0,073 мг/л [13] 0,041-0,168 мг/л [13] 0,27-4,2 мг/кг [13] 670 мг/кг [12] 0,036 мг/кг [12] ПДК: Иод ПДКс.с. Йодоформ ПДК в. Кадмий иодид ПДКс.с. Натрий иодид ПДКс.с. Ртуть иодид ПДКс.с. 0,03 0,0002 0,0003 0,03 0,0003 144
Химические элементы — жизненно необходимые элементы Цезий иодид ПДКс.с. 0,04 Токсическая доза для человека: 2 мг [8] Летальная доза для человека: 35-350 г [8] 145
Глава 6. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ - УСЛОВНО ЖИЗНЕННО НЕОБХОДИМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ F. ФТОР лат.: fluorum, англ.: fluorine, нем.: Fluor Название фтора произошло от лат. fluere (течь). Впервые вы- делен А. Муасаном (Франция) в 1886 г. Фтор представляет собой бледно-желтый газ с резким запа- хом. Фтор является самым активным неметаллом и реагирует со всеми элементами, кроме гелия и неона. Фтор содержится в мине- ралах флюорит, криолит, фторапатит. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 9 18,9984032 -1 VII группа 123x106 (флюорит) [8] 4,7x106 [8] атомная, химическая промышленность, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 3,5х 10-2 [1 ] Содержание в литосфере: 625 мг/кг Содержание в почве: < 10-1200 мг/кг [17] 10-100(250) мг/кг [8] Содержание в морской воде: 1,3 мг/л [17] Содержание в пресной воде: 0,1-250 мг/л [17] около 0,1 мг/л [9] Применение фтора и его соединений Фтор используется в атомной промышленности при полу- чении гексафторида урана UF6 для разделения изотопов урана по летучести их фторидов, для фторирования органических со- единений, получения высокотемпературного пламени
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы (до 3700°С). Этот элемент широко используется для массовой (фторирование питьевой воды) и индивидуальной (использова- ние фторида натрия в виде таблеток, в составе лаков для зубов и компонента зубных паст) профилактики и лечения кариеса зу- бов. Плавиковая кислота HF, представляющая собой концент- рированный раствор фтороводородной кислоты, применяется в лабораторном деле для минерализации проб перед их анализом и изготовления надписей на стекле. Она также используется для травления чугуна и получения других соединений фтора. Фторид натрия NaF предохраняет древесину от гниения. Фто- рид кальция CaF2 используется в металлургии как компонент флюсов. Гексафторалюминат натрия Na3[AlF6] (в природных ус- ловиях — минерал криолит) используют в качестве среды при производстве алюминия из оксида алюминия. Растворимые со- единения фтора ядовиты для человека, тогда как фторуглероды CC12F2 — безвредны и используются как носители кислорода в крови (т. н. «голубая кровь»). Изотоп 18F используется в биоло- гических исследованиях с целью изучения физиологии костей с помощью хелатных соединений. Для изучения физиологии щитовидной железы синтезируют фторбораты, а для исследо- вания проницаемости мембран ароматические красители, со- держащие фтор. В медицине фторсодержащие препараты служат для лечения гипофтороза, выпускаются в виде таблеток, лечебных пленок, лаков для зубов, используются как наркотические средства, кровезаменители и т. д. Радиоактивные изотопы фтора применяются в медико-биологических исследованиях. Физиологическая роль фтора Соединения фтора поступают в организм с пищей и водой. Много фтора содержится в рисе, говядине, яйцах, молоке, луке, шпинате, яблоках и других продуктах. Особенно богат фтором чай (100 мкг/г) и морская рыба (5-10 мкг/г). В организме фтор находится в связанном состоянии, обычно в виде труднорастворимых солей с кальцием, магнием, железом. Соединения фтора входят в состав всех тканей человеческого тела. Особенно много фтора, 99% всего его количества, приходится на 147
Глава 6 кости и зубную эмаль. Из организма фтор удаляется преимуще- ственно с мочой. Содержание фтора в теле взрослого человека составляет около 2,6 г., а среднесуточное поступление фтора с пищей — 0,5-1,5 мг. Фтор жизненно необходим для нормального роста и развития. В организме фтор участвует во многих важных биохимических реакциях — активирует аденилатциклазу, ингибирует липазы, эстеразу, лактатдегидрогеназы и т. д. Схема обмена фтора в организме человека представлена на рис. 24. Фтор: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,002 мг [7] Резорбция (%): -100% [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,001 мг скалом: 0,0002 мг с потом: 0,001 мг прочие (волосы и др.) — Период полувыведения из организма: 808 суток [7] Число атомов в теле человека: 2,6х 1022 Число атомов в одной клетке: 2,6х 108 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 2600 [8, 17], 2-3 [11] мышцы: 0,05 мг/кг [8, 11, 17] кости: 200-12000 мг/кг [8, 17] кровь: 0,Змг/л [8, 17] сыворотка: 0,005-0,02 мг/л [11] 0,005-0,02(0,2) мг/мл [9] моча: <0,5мг/л [9, 11] волосы: 10-200 мг/кг [9] 53-72 мг/кг [3] молоко: 0,007-0,0168 мг/л [13] зубы (эмаль): 140-157 мг/кг [12] зубы (дентин): 293-2640 мг/кг [12] 148
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы пдкГ "~"~ Фтор ПДКп. 2 Фтор (для климатических районов I-III) ПДКв. 1,5 Фтор (для климатических районов IV) ПДКв. 0,7 Фториды неорганические плохо растворимые ПДКм.р. ПДКс.с. 0,2 0,03 Фториды неорганические хорошо растворимые ПДКм.р. ПДКс.с. Фтороводород ПДКм.р. ПДКс.с. Кальций фторид ПДКм.р. ПДКс.с. Натрий фторид ПДКм.р. ПДКс.с. Азот трифторид ПДКм.р. ПДКс.с. 0,03 0,01 0,02 0,005 0,2 0,03 0,03 0,01 0,4 0,2 поступление с пищей (4 мг/сутки) выделен кости и зубы (99%) резорбция • ▼ J~100%) ^——* пул Фтора 1 не с калом (-0%) Рис. мягкие ткани (1%) II ► плазма крови I выделение с мочой (-100%) 24. Обмен фтора в организме человека
Глава 6 Алюминий фторид ПДКм.р. 0,2 ПДКс.с. 0,03 Токсическая доза для человека: 20 мг [8] Летальная доза для человека: 2000 мг (F") [2] В. БОР лат.: borum, англ.: boron, нем.: Вог Название бора произошло от лат. borax (бура). Открыт в 1808 г. Ж.Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром (Франция) и Г. Дэви (Ан- глия). Бор является неметаллом, похожим по своим характеристи- кам на кремний. В аморфном состоянии представляет собой тем- ный порошок, не взаимодействующий с кислородом, водой, кис- лотами и щелочами. В природе встречается преимущественно в виде боратов (природные соли борных кислот). Атомный номер: 5 Атомная масса: 10,811 Основные степени окисления в естественных условиях: 3 Место в системе элементов: III группа Мировые запасы (т): 270х 106 (в пересчете на В2О3) [8] Мировое производство (т/год): 1х 106 (в пересчете на В2О3) [8] Виды промышленности, цветная и черная металлургия, где используется элемент: стекольная промышленность, сельское хозяйство Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 5х 10~3[1] Содержание в литосфере: 10 мг/кг Содержание в почве: 5-80 мг/кг [17] 1-5(30) мг/кг [9] Содержание в морской воде: 4,41 мг/л [17] 0,0045 мг/л [9] Содержание в пресной воде: 10 мг/л [17] 0,01 мг/л [9] 150
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы Применение бора и его соединений Соединения бора применяют для насыщения поверхности стальных изделий с целью повышения их твердости, жаропроч- ности и износостойкости; при строительстве атомных реакторов, ракет; в химической промышленности, при производстве синте- тических моющих средств; в стекольной промышленности и т. д. Ферробор (железо с примесью 10-20% бора) служит компонентом для получения специальных сплавов и борирования поверхности при антикоррозионной обработки и упрочнении стальных изде- лий. Гидроксид бора В(ОН)3 используют в качестве наружного дезинфицирующего средства (борная мазь, борная вода), как ми- неральное удобрение для растений. Гидроксид бора служит сырь- ем для получения эмалей и специального стекла, устойчивого к перепаду температур (йенское стекло); его используют как буфер- ную среду в никелевых электролитах. Тетраборат натрия (бура) Na2B407x 10H2O служит сырьем для синтеза соединений бора, яв- ляется компонентом минеральных удобрений, применяется при паянии и сварке металлов, для получения глазурей, эмалей и спе- циальных сортов стекла. Тетрафторборат (III) водорода H[BF4] в виде солей применяется в гальванотехнике для изготовления элек- тролитов. Карбид бора В4С по своим прочностным характеристи- кам приближается к алмазу. Нитрид бора BN в форме белого гра- фита используется как огнеупорный материал при производстве ракет, а в виде боразона используется как абразив. В медицине издавна применяют соединения бора, такие как борная кислота, бура. Известно, что соединения бора обладают противовоспалительным, гиполипидемическим и противоопухолевым действием. Препараты бора оказывают лечебный эффект при остеопорозе, артритах и костном флюорозе. Бура назначается при начальных стадиях развития эпилепсии. Физиологическая роль бора В настоящее время известно, что бор особенно необходим для растений, в частности из-за активного участия этого биоэлемента в синтезе биофлавоноидов. В организм человека бор поступает с пищей. Соединения бора, находящиеся в пищевых продуктах (борат натрия и борная кис- лота), быстро всасываются в желудочно-кишечном тракте. Усвое- =т=====^==^====^ 151
Глава 6 ние бора очень организмом велико и составляет более 90% . Выво- дится из организма бор в основном с мочой. Среднесуточная потребность человека в боре составляет 1-2 мг (минимум поступления бора — 0,2 мг). В организме взрос- лого человека содержится около 20 мг бора. Больше половины об- щего количества бора находится в скелете, а около 10% приходит- ся на мягкие ткани. В среднем в тканях человека и животных содержится от 0,05 до 0,6 мкг/кг бора, однако в зубах и ногтях его концентрация в несколько раз выше. В организме бор можно об- наружить в клетках нервной ткани, паренхиматозных органах, жировой клетчатке. В плазме крови средняя концентрация бора составляет 0,02-0,075 мкг/мл. В некоторых регионах мира, из-за повышенного содержания бора в окружающей среде, в организм человека попадает ежедневно 17-27 мг бора, и тогда концентра- ция этого биоэлемента в крови возрастает до 0,45-0,66 мкг/мл. Бор играет существенную роль в обмене углеводов и жиров, ряда витаминов и гормонов, влияет на активность некоторых фер- ментов. Показано, что введение борнокислого натрия в дозе 5-10 мг/кг вызывает повышение уровня сахара в крови. Под вли- янием боратов инактивируются витамины В2 и Bi2, угнетается окисление адреналина. In vitro бор ингибирует активность двух классов ферментов. Во-первых, это тирозиннуклеотидзависимые и флавиннуклеотидзависимые оксиредуктазы (алкогольдегидро- геназа, альдегиддегидрогеназа, ксантиндегидрогеназа и цитох- ром-В5-редуктаза). Бораты конкурируют с ферментами за НАД и ФАД. Во-вторых, бораты (или производные соединений бора), могут связываться с активными центрами таких ферментов как химотрипсин, субтилизин, глицеральдегид-3-фосфатдегидроге- наза. У женщин в период постменопаузы устранение дефицита бора сопровождается повышением уровня 17 бета-эстрадиола в сыво- ротке крови и меди в плазме крови. Улучшаются показатели ЭЭГ, память, нормализуются поведенческие реакции. Имеются данные, свидетельствующие о том, что бор играет регуляторную роль по отношению к паратгормону и поэтому мо- жет косвенным образом влиять на метаболизм кальция, магния, фосфора и витамина D. Способность бора вытеснять медь из орга- низма может быть использована с целью лечения гепато- и цереб- ральной дистрофии (болезнь Коновалова-Вильсона). 152 =
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы Токсический эффект бора (сублетальные дозы) проявляется в виде снижения веса. Бор: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 1,3 мг (1,1 мг — с пищей, 0,23 мг — с водой) [7] Резорбция (%): -100% [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 1,0 мг скалом: 0,22 мг с потом: — прочие (волосы и др.) 0,001 мг Период полувыведения из организма: 11 суток [7] Число атомов в теле человека: 5,5х 1020 Число атомов в одной клетке: 5,5х 106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70 кг: мышцы: кости: кровь: моча: почки: печень: молоко: волосы: ногти: зубы (дентин): 12 [8, 17] 0,33-1 мг/кг[17] 1,1-3,3 мг/кг [17] 0,013 мг/л [17] 0,13мг/л[8] 0,04-6,6 мг/л [17] 0,6мг/г[17] -0,2 мг/кг сырого веса [9] 0,27 мг/л [17] 0,1-3,5(7,5) мг/кг [9] 33 мг/кг [12] 5 мг/кг [12] Токсическая доза для человека: 4 г [6] Летальная доза для человека: — ПДК: Бор аморфный и кристаллический ПДКс.с. 0,01 ПДК в. 0,5 Борная кислота ПДКс.с. 0,02 153
Глава 6 Si. КРЕМНИЙ лат.: silicium, англ.: silicon, нем.: Silicium Название кремния происходит от лат. silicis (кремень). От- крыт Й. Берцелиусом (Швеция) в 1824 г. Кремний устойчив к химическим воздействиям. Занимает 2- е место среди других элементов по распространенности в земной коре. Природным источником кремния служит кремнезем, кварц и множество разнообразных силикатов. Черный аморфный крем- ний можно получить при восстановлении песка SiO2 углеродом. Аморфный кремний не реагирует с кислородом, водой и кислота- ми (за исключением плавиковой кислоты). Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): 14 28,0855 -2,4 IV группа неограниченны Мировое производство (т/год): 3,4х 106 (феррокремний) [8] Виды промышленности, электронная, стекольная где используется элемент: промышленность, строительство, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 16,5 [1] Содержание в литосфере: 277000 мг/кг Содержание в почве: 300000 мг/кг [17] Содержание в морской воде: 0,03-4,09 мг/л [17] Содержание в пресной воде: 6,5 мг/л [17] Применение кремния и его соединений Кремний является одним из важнейших металлов, исполь- зуемых при производстве полупроводников в микроэлектрони- ке, различных сплавов, полимеров и солнечных батарей. Техни- ческий кремний служит сырьем для производства силиконов. Диоксид кремния (кремнезем) SiO2 широко распространен в природе в виде кварца, составной части гранитов, гнейсов, пес- чаника, морского песка, диатомитов, горного хрусталя, топазов, аметистов, цитринов, морионов, опалов, халцедонов (агата и яшмы). Кристаллы диоксида кремния в больших количествах 154
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы содержатся в составе диатомовых водорослей, кремнистых губ- ках, некоторых видов злаков, хвощей, топинамбура, бамбука и камыша. Кварцевый песок используют для получения кремния, изготовления стекольных изделий, строительных растворов, формовочной земли в металлургии. Горный хрусталь применя- ют при изготовлении ювелирных изделий, кристаллы кварца используются в кварцевых резонаторах, в электронных часах. Кварцевое стекло, прозрачное для ультрафиолета, используется в лабораторной технике, при изготовлении ультрафиолетовых ламп, лабораторной посуды. Гексафторсиликаты (IV) металлов (натрия, кальция, калия и бария) используются для пропитки древесины с целью ее защиты от гниения и огня, а также в каче- стве замутнителей эмалей; аммония — для уплотнения содер- жащих известь строительных растворов, кальция Ca[SiF6] — для закрытия пор в строительных кирпичах и камнях. Монокарбид кремния (карборунд) SiC используется как шлифовальное и по- лировальное средство, при производстве силитовых стержней сопротивления. Силиконы (кремнийорганические соединения) используются в медицине в качестве протезов и различных на- полнителей, при производстве эластичных материалов и изде- лий, в том числе и бытового назначения. Способность цеолитов (алюмосиликаты кальция, натрия, бария) избирательно вклю- чать и удерживать катионы определенных размеров (своеобраз- ные «молекулярные сита») широко используется в современной промышленности. Цеолиты являются природными ионообмен- никами и применяются в медицине при профилактике и лече- нии таких заболеваний (интоксикации, атеросклероз, иммуно- дефициты и т. д.), в патогенезе которых принимают активное участие химические элементы. Шпаты, базальты, глины исполь- зуются в строительстве, при производстве строительных мате- риалов. Слюда служит для изготовления электроизолирующих покрытый и жаропрочных стекол. Тальк используется в каче- стве смазки, препятствуя слипанию резиновых изделий (в том числе в хирургии, гигиене и санитарии, при обследовании па- циентов в поликлиниках и стационарах); входит в состав косме- тических средств и наполнителей для бумаги, средств дератиза- ции и дезинсекции; используется вместе с ядохимикатами в качестве носителя. Асбесты (минералы с волокнистым строени- ем) 3MgOx 2SiO2x 2H2O служат материалом для изготовления ог- ,==========^^==^ 155
Глава 6 неупорных сеток, покрывал, технических диафрагм, термостой- ких и химически инертных соединений для химических лабо- раторий. Асбест может вызвать у человека профессиональное за- болевание — асбестоз. Топаз, гранат, берилл, изумруд, циркон, серпентин и другие силикаты используются для изготовления ювелирных изделий. Из цемент (порошкообразного алюмосили- ката кальция) готовится важнейшие строительные материалы — бетон, пенобетон и железобетон. В медицине используется мно- го разновидностей цементов в качестве пломбировочного мате- риала в стоматологии. Стекло является смесью силикатов щелоч- ных металлов и кальция, структура которых соответствует аморфному состоянию вещества. Силикатная керамика изготов- ляется путем обжига сырой глины до полного спекания, где ос- новным компонентом является силикат алюминия. Из силикат- ной керамики изготовляют химическую и техническую посуду (тонкостенная керамика) и огнеупорные строительные изделия (толстостенная керамика). При спекании глины при температу- ре 900-1200°С получают пористую керамику К красной порис- той керамике относится кирпич, кровельная черепица, дренаж- ные трубы, цветочные горшки. К белой — фаянс, сантехнические и бытовые изделия, посуда, облицовочная плитка. Красная ке- рамика отличается от белой примесью оксида железа. Изотоп кремния 32Si используется для определения возраста ледников. В медицине кремний применяется в составе силиконов, — высокомолекулярных инертных соединений, которые используются в качестве покрытий для медицинской техники. В последние годы появились БАДП и лекарственные препараты, обогащенные кремнием, используемые для профилактики и лечения остеопороза, атеросклероза, заболеваний ногтей, волос и кожи. Физиологическая роль кремния Кремний относится к числу эссенциальных для человека и животных элементов. Хотя кремний является одним из наиболее распространенных в земной коре химических элементов, в обыч- ных условиях он усваивается организмом в очень малых количе- ствах. Всего в организме взрослого человека содержится около 1 г кремния. Полагают, что оптимальная интенсивность поступле- ния кремния составляет 50-100 мг/день.
Химические элементы - условно жизненно необходимые элементы В организме усваивается около 4% от общего количества по- ступившего кремния. Содержание кремния в цельной крови со- ставляет около 1 мкг/мл. Несмотря на существенные колебания в количестве поступающего в организм кремния, его содержание в крови остается стабильным. В наиболее высоких концентрациях кремний содержится в соединительной ткани: стенках аорты, трахеи, связках, костях, коже (особенно в эпидермисе), волосах и лимфоузлах. В мышцах и паренхиматозных органах содержание кремния существенно ниже. Кремний в виде различных соединений входит в состав боль- шинства тканей, влияет на обмен липидов и на образование колла- гена и костной ткани. Особенно важна роль кремния как структур- ного элемента соединительной ткани. Концентрация кремния в аорте с возрастом снижается, что косвенно указывает на значимость биоэлементного статуса кремния в патогенезе атеросклероза. Кремний: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление (чел.): 18-1200 мг [8] до 40 мг [9] 9-14 мг [16] Суточное поступление с продуктами питания: 3 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 15 мг [7] Резорбция (%): менее 4 [ 16] 1-4 [9] Период полувыведения из организма: 5-100 суток [7] Число атомов в теле человека: 3,0х 1022 Число атомов в одной клетке: 3,0х 108 Среднее содержание в человеческом организме: мышцы: 100-200 мг/кг [8, 17] печень: 10-30 мг/кг сырого веса [9] кости: 17 мг/кг [17] кровь: 3,9 мг/л [17] молоко: 0,47 мг/л [17] моча: (0,0025)0,005-0,025(0,04) мг/л [9] волосы: 20-1950 мг/кг [19] ногти: 310-3550 мг/кг [12] зубы (эмаль): 78-138 мг/кг [12] 157
Глава 6 ПДК: Кремний ПДК в. Юмг/л Токсическая доза для человека: нетоксичен8 Ni. НИКЕЛЬ лат.: niccolum, англ.: nickel, нем.: Nickel Название никеля произошло от нем. kupiernickel («дьявольс- кая медь»). Открыт А. Кронштедтом (Швеция) в 1751 г. Никель представляет собой серебристо-белый металл, блестя- щий, ковкий и пластичный. Устойчив к коррозии, растворяется в кислотах, не реагирует с щелочами. Природным источником ни- келя служат руды гарниерит, пенландит. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год] Виды промышленности, где используется элемент: Среднее содержание 28 58,6934 -1,0, 1,2,3,4,6 VIII группа 70x106 [8] ): 510000 [8] электронная промышленность, черная и цветная металлургия *~. «»'1 <-Ч**-> ^w^fc^Xv?"^.»-"^, «."wwvswxvw* *». «WW-X «ЛОСЯМИ! <Г< :>Л>«Я» ^«W^wt в окружающей среде (%, биосфера): 1x10~3 [ 1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: южный полюс: острова: материки: пригород города (макс): Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: ЗхЮ"4мкг/м3 — 2х10-3мкг/м3 0,2мкг/м3 0,01 мкг/м3 0,32мкг/м3 75 мг/кг 1-200 мг/кг [17] 2-20 мг/кг сухого веса [9] 0,000236 мг/л [17] 0,0001-0,006 мг/л [9] Юмг/л [17] 0,0003 мг/л [9]
Химические элементы - условно жизненно необходимые элементы Применение никеля и его соединений Никель используется в производстве никель-кадмиевых акку- муляторов, входит в состав монетного сплава, многих специальных сталей, является материалом для изготовления анодных пластин (при гальваническом никелировании). Никель служит для изготовления лабораторного оборудования, посуды и бижутерии. Сплавы никеля — нихром, инвар, пермаллой, нейзильбер, никелевые и хромо-нике- левые стали, широко применяются в промышленности. Никелевый купорос NiSO4x 7H2O применяется при никелировании. Из изотопов никеля практическое значение имеют 57Ni, 63Ni, 65Ni. В медицине никель применяется при изготовлении имплантатов. Физиологическая роль никеля В организм соединения никеля поступают с пищей. Много никеля содержится в чае, какао, гречихе, моркови и салате. В желудочно-кишечном тракте человека всасывается от 1 до 10% поступившего никеля. Между тканями организма никель распределяется равномерно, только в легких его содержание с воз- растом увеличивается. Полагают, что оптимальная интенсивность поступления ни- келя в организм составляет 100-200 мкг/день. Дефицит никеля в организме может развиться при поступлении этого элемента в количестве 50 мкг/день и менее. Порог токсичности никеля для организма человека составляет 20 мг/день. Из организма никель выводится в основном с фекалиями (до 95%) и в незначительных количествах с мочой и потом. В начале XX в. было установлено, что поджелудочная железа богата никелем. При введении вслед за инсулином никеля, про- длевается действие инсулина, и тем самым повышается гипогли- кемическая активность. Никель оказывает влияние на фермента- тивные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Под влиянием никеля в организме вдвое возрастает выведение кортикостероидов с мочой, усиливается антидиуретическое дей- ствие экстракта гипофиза. Избыточное поступление в организм никеля может вызывать депигментацию кожи (витилиго). ^===========^^ 159
Глава 6 В плазме крови никель находится в основном в связанном со- стоянии с белками никелоплазмином (альфа-2-макроглобулин) и альфа- 1-гликопротеином. Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидных железах. Никель: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,4 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,6х 10"3 мг [7] Резорбция (%): 1 -40 (ЖКТ) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,01 мг скалом: 0,37 мг с потом: 0,02 мг прочие (волосы и др.) 0,001 мг Период полувыведения из организма: 350 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,0х 1020 Число атомов в одной клетке: 1,0х 106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 1 [8, 17] мышцы: 1-2 мг/кг [8, 17] печень: (0,002)0,005-0,1(0,2) мг/кг [9] 0,009-0,078 мг/кг [13] кости: < 0,7 мг/кг [8, 17] плазма/сыв.: <0,0001-0,001 (0,0015) мг/л [9] 0,0026-0,0075 мг/л [13] кровь: 0,001-0,05 мг/л [17] 0,0045-0,028 мг/л [13] моча: 0,0005-0,002(0,005) мг/мл [9] 0,0022-0,0027 мг/л [6] волосы: (<0,05)0,1 -2,0(5,0) мг/кг [9] 0,0021-1,25 мг/кг [13] ногти: 0,033-12 мг/кг [12] зубы (эмаль): 1,35 мг/кг [12] молоко: 0,0015-0,039 мг/л [13] _. Никель ПДКс.с. 0,001 ПДКв. 0,1 160
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы V. ВАНАДИЙ лат.: vanadium, англ.: vanadium, нем.: Vanadium Название этому элементу дано в честь скандинавской богини Vanadis (лат.). Открыт Андресом Мануэлем дель Рио (Мексика) в 1801 г. Ванадий представляет собой блестящий серебристый ме- талл, мягкий в чистом виде. Природным источником ванадия служат минералы патонит и ванадинит. Ванадий устойчив к коррозии благодаря образованию защитной оксидной пленки. Реагирует с концентрированными кислотами, но не с распла- вами щелочей. Атомный номер: 23 Атомная масса: 50,9415 Основные степени окисления в естественных условиях: -3, —1,0, 1,2, 3, 4, 5 Место в системе элементов: V группа Мировые запасы: данные отсутствуют Мировое производство: 7000 т/год [8] Виды промышленности, где используется элемент: металлургическая промышленность Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 7х 10"3 [1] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 4,5х 10"4 мкг/м3 южный полюс: 1-10 нг/м3 острова: 2х 10"3 мкг/м3 материки: 0,02 мкг/м3 пригород 7х 10"3 мкг/м3 города (макс): 2 мкг/м3 Содержание в литосфере: 135 мг/кг Содержание в почве: 2-230 мг/кг [17] 5-20(100) мг/кг сухого веса [9] Содержание в морской воде: 2,4х 10~3 мг/л [17] около 0,003 мг/л [9] Содержание в пресной воде: Зх 10"4-2х 10~2 мг/л [17] ЗхЮ-4-9х10-4мг/л[9] 161 6 Химические элементы в физиологии и экологии человека
Глава 6 Применение ванадия и его соединений Ванадий используется для получения особо твердых и прокат- ных ванадиевых сталей, содержащих до 1% ванадия. Изотопы ванадия 48V, 49V используются в методе меченых атомов (при изу- чении метаболизма ванадия в организме), а изотоп 52V — при ак- тивационном анализе. Соединения ванадия издавна применялись в медицине в качестве стимулирующих средств при анемии, а также при лечении туберкулеза, сифилиса, ревматизма. В настоящее время в медицине изучается вопрос о перспективности применения солей ванадия в лечении сахарного диабета, поскольку ванадаты обладают инсулиноподобным эффектом. Физиологическая роль ванадия В организм человека ванадий поступает с пищей. Большое количество ванадия содержится в растительном масле, грибах, петрушке, печени, жирном мясе, морской рыбе, сое, укропе и хлебных злаках. В организме взрослого человека содержится около 100 мкг ванадия. Этот элемент входит в состав мышечной и костной тка- ни, может накапливаться в сердечной мышце, селезенке, щито- видной железе, легких, почках. Физиологическая роль ванадия недостаточно изучена. Пола- гают, что ванадий участвует в регуляции углеводного обмена и сердечно-сосудистой деятельности, а также в метаболизме тканей костей и зубов. Считается, что ванадию свойственны функции ка- тализатора окислительно-восстановительных процессов. Ванадий является ингибитором и, возможно, регулятором Na+-K+, АТФ- азы, рибонуклеазы и других ферментов. Ванадий усиливает по- глощение кислорода тканями печени, катализирует окисление фосфолипидов изолированными ферментами печени, и возмож- но, оказывает влияние на уровень сахара в крови. Ванадий оказы- вает действие на некоторые функции глаз, печени, почек, мио- карда, нервной системы. 162
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы Ванадий: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 2 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,2х 10-3 мг [7] Резорбция: 0,1 -2% (ЖКТ) [9] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,015 мг (0,015-0,03 мг) скалом: 1,94 мг Число атомов в теле человека: 2,4х 1020 Число атомов в одной клетке: 2,4х 106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 0,11 [8, 17] 18 [2] мышцы: 0,02 мг/кг [8] кровь: <0,1 мг/л [8, 17] <2хЮ'4мг/л[8] сыворотка: 1,5х 10~5-1 (1,3)х 10~3 мг/л [9] кости: 0,8-8,3 нг/г [8, 17] 0,0035 мг/кг [9] печень: 2,53-13,4 нг/г [8, 17] 0,002-0,015 мг/кг сырого веса [9] моча: <0,0002-0,001 (0,002) мг/л [9] волосы: 0,005-0,5(2,0) мг/кг [9] зубы (дентин): 0,017 мг/кг [12] ПДК: Ванадий V5+ ПДК в. 0,1 ПДК п. 150 Ванадий + марганец ПДКп. 100+ 100 Ванадий (V) оксид ПДКс.с. 0,002 Токсическая доза для человека: 0,25 мг [8] Летальная доза для человека: 2-4 мг [8] 163
Глава 6 Вг. БРОМ лат.: bromum, англ.: bromine, нем.: Brom Название брома произошло от греч, bromos (зловоние). Открыт в 1826 г. А.Ж. Беларом (Франция) и С. Левигом (Германия). Бром это тяжелая (в 6 раз тяжелее воздуха) жидкость красно- бурого цвета, парящая на воздухе, с резким и неприятным запахом. Природным источник брома служат соляные озера, природные рас- солы, подземные скважины и морская вода, где бром находится в виде бромидов натрия, калия и магния. Соединения брома использу- ются в фотографии, при производстве пестицидов и инсектицидов. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): 35 79,904 -1,1,3,4,5,7 VII группа практически неограничены Мировое производство (т/год): 330000 [7] Виды промышленности, где используется элемент: медицинская промышленность Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): Содержание в атмосфере [3]: океаны: южный полюс: острова: материки: пригород города (макс): Среднее содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 2,6хЮ"3[1] 1,5x10'2 мкг/м3 2,6нг/м3 0,02 мкг/м3 0,9 мкг/м3 0,03 мкг/м3 1,5 мкг/м3 1,7мг/кг 5-40мг/кг[10] 65мг/л[10] 0,021 мг/л [10] Применение брома и его соединений в промышленности и медицине Бром используется для получения бромсодержащих лекар- ственных средств, монобромэтана и 1,2-дибромэтана, которые до- 164
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы бавляют в этилированный бензин для перевода свинца в летучий бромид свинца (II) РЬВг2, бромидов и органических бромзамещен- ных соединений (например, краситель иозин). Изотопы 80шВг и 82Вг широко используют в методе меченых атомов в физической химии, биологии и промышленности. 82Вг применяется в онко- логии для лечения некоторых злокачественных опухолей и для исследования механизма действия бромсодержащих лекарствен- ных препаратов. В медицине широко применяются лекарственные средства, содержащие соединения брома. К их числу относятся комплексные препараты, оказывающие выраженное седативное, снотворное и противосудорожное действие. Йодобромные ванны используются в физиотерапии. Основной областью применения бромидов является лечение истерии и неврастении. Физиологическая роль брома Физиологическая роль брома еще мало изучена. Бром относят к условно-эссенциальным элементам. В организм человека бром попадает с растительной пищей, главным образом, с зерновыми и орехами, и с рыбой. Суточное поступление этого биоэлемента в организм человека составляет 2-8 мг. Бром можно обнаружить в крови (до 10 мг/л), костной и мышечной ткани; наиболее высока концентрация брома в почках, гипофизе, щитовидной железе. В организме взрослого человека содержится около 260 мг брома. Выделение брома происходит преимущественно с мочой и потом. Бромид натрия (NaBr) участвует в активации пепсина, акти- визирует некоторые ферменты, в частности, липазы и амилазы поджелудочной железы, которые участвуют в переваривании жиров и углеводов. Ионы Вг угнетают деятельность щитовидной железы, являясь антагонистами йодидов, и при хроническом воз- действии замедляют их усвоение. Бромиды участвуют в регуля- ции ЦНС, усиливая процессы торможения. Бром: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 7,5 мг [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 7 мг 165
скалом: 0,07 мг с потом: 0,2 мг прочие (волосы и др.) 0,002 мг Период полувыведения из организма человека: 10 суток [7] Среднее содержание в человеческом организме мг/70 кг: волосы: цельная кровь: плазма крови: сыворотка крови: моча: кости: мышцы: ногти: зубы (эмаль): зубы (дентин): Токсическая доза для человека Летальная доза для человека: ПДК: Бром ПДКс.с. 0,04 ПДКв. 0,2 Бромоводород ПДКм.р. 1 ПДКс.с. 0,1 As. 260 [8] 2-8 мг/кг [7] 1,3-8,1 мг/л[7] 3,1-12,5 мг/л [7] 3,9 [7] 1300-5300 мг/л [7] 6,7 мг/кг [7] 7,7 мг/кг [7] 9-10 мг/кг [12] 4,2-114 мг/кг [12] 1,12-34 мг/кг [12] ;^_._,________ >35 г [8] мышьяк лат.: arsenicum, англ.: arsenic, нем.: Arsen Мышьяк открыт Альбертом Великим в XIII в. Название про- изошло от греч, arsenikon (желтый пигмент). Русское название этому элементу дало слово «мышь», поскольку препараты мышь- яка применялись для истребления мышей и крыс. Мышьяк встречается в природе в элементном состоянии, а также в виде арсенидов и арсеносульфидов тяжелых металлов. Мышьяк является неметаллом и существует в нескольких аллот- ропных формах. Серая форма мышьяка по своему внешнему виду 166
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы представляет собой мягкий и хрупкий металл. Мышьяк устойчив к воздействию воды, кислот и щелочей. Добывают мышьяк из суль- фидных руд, к которым относятся минералы арсенопирит, аури- пигмент, реальгар. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 33 74,92160 -3, 3, 5 V группа 47000 (As2O3) [8] стекольная, ювелирная, военная, электронная промышленности, сельское хозяйство Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): Зх 10"4 [1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: — южный полюс: 0,03 нг/м3 острова: 10"3 мкг/м3 материки: 5х 10~3 мкг/м3 пригород 4х 10"3 мкг/м3 города (макс): 0,11 мкг/м3 Содержание в литосфере: 1,5 мг/кг [10] Содержание в почве: 0,1-48 мг/кг [17] 0,05-1,5 мг/кг [9] Содержание в морской воде: 1,45х 10"3 мг/л [ 17] 0,002-0,004 мг/л [9] Содержание в пресной воде: 0,1-800 нг/г [17] 0,0005^^ Применение мышьяка и его соединений в промышленности и медицине Мышьяк в виде трех аллотропных модификаций (желтая, се- рая, черная) реагирует при высокой температуре со многими неме- таллами (хлор, сера и др.)» сплавляется с тяжелыми металлами, час- то образуя с ними арсениды (например, Zn3As2, Cu3As2), которые используются в стекольной, ювелирной и военной промышленнос- ти. Арсенид галлия — один из наиболее распространенных полу- ^===============^^ 167
Глава 6 проводников. Оксид мышьяка (III) «белый мышьяк» As2O3 исполь- зуется для получения различных соединений мышьяка, в том числе гербицидов и лекарственных средств, а также в стоматологии и галь- ванотехнике, в качестве добавки в электролитах при латунировании. Ортомышьяковистая кислота (H3As03) и ее соли широко использу- ются как компонент защиты растений. Оксид, гидрид (арсин) и дру- гие соединения мышьяка очень ядовиты для человека, что опреде- ляет их применение в качестве боевых отравляющих веществ (иприт, люизит и т. д.). Мышьяк и его соединения также применяется для производства различных красителей, аккумуляторов, пестицидов, составов для пропитки древесины, а также в кожевенной, текстиль- ной и стекольной промышленности. Соединения мышьяка используются в медицинских целях уже более 2000 лет. В настоящее время неорганические соединения мышьяка в незначительных количествах входят в состав общеукрепляющих, тонизирующих средств, содержатся в лечебных минеральных водах и грязях, а органические соединения мышьяка используются как антимикробные и противопротозойные препараты. Изотопы мышьяка 74As, 76As используются в онкологии для уточнения локализации опухоли мозга, степени радикальности проведенной операции. Изотоп 76Азтакже используется в онкогематологии в качестве терапевтического средства при лейкозах и полицитемии, при лечении хронического лимфолейкоза с кожными поражениями (благодаря выраженному тропизму к коже), в некоторых случаях множественной миеломы, фунгоидного микоза, при кожных локализациях лимфогранулематоза. 76AsS3 в виде коллоидного раствора используется при лечении поверхностного папилломаттоза мочевого пузыря. 76As используется в методе меченных атомов и активационном анализе. Потенциально подходит для клинических исследований изотоп 77As Физиологическая роль мышьяка В организм человека соединения мышьяка поступают с пи- тьевой и минеральной водой, виноградными винами и соками, морепродуктами, медицинскими препаратами, пестицидами и гербицидами. Депонируется мышьяк преимущественно в рети- куло-эндотелиальной системе. 1RR
Химические элементы - условно жизненно необходимые элементы Полагают, что оптимальная интенсивность поступления мы- шьяка в организм составляет 50-100 мкг/день. Дефицит этого элемента в организме может развиться при его недостаточном по- ступлении (1 мкг/день и менее), а порог токсичности равен 20 мг. Мышьяк может поступать в организм в повышенных количе- ствах с атмосферным воздухом. Так, в городах при сжигании угля, концентрация мышьяка в воздухе составляет порядка 1-20 нг/м3; около медеплавильных предприятий, котельных и ТЭЦ, работаю- щих на угле, это значение может достигать 70-500 нг/м3, тогда как в экологически чистых районах концентрация мышьяка не превышает 1 нг/м3. В почвах около медеплавильных комбинатов, обжиговых заводов, где налажено производство сплавов мышья- ка, его концентрация достигает 100-3000 и более мкг/г, тогда как норма не должна превышать 40 мкг/г. Риск арсеноза также повы- шен у курильщиков табака. Значительные количества мышьяка содержатся в рыбьем жире и морской рыбе (до 10 мг/кг), винах (до 1 мг/л и более). В питьевой воде содержание мышьяка составляет менее 10 мкг/л, однако в некоторых регионах мира (Индия, Бангладеш, Тайвань, Мексика) содержание этого элемента достигает более 1 мг/л, что является причиной массовых хронических отравлений мышьяком и вызывает так называемую болезнь «черной стопы». Около 80% мышьяка всасывается в желудочно-кишечном тракте, 10% посту- пает через легкие и около 1% — через кожу. Через 24 часа после поступления, из организма выводится 30% мышьяка с мочой и порядка 4% с фекалиями. Мышьяк накапливается в легких, пе- чени, коже и тонком кишечнике. Мышьяк относят к условно эссенциальным, иммунотоксич- ным элементам. Известно, что мышьяк взаимодействуют с тиоло- выми группами белков, цистеином, глутатионом, липоевой кис- лотой. Мышьяк оказывает влияние на окислительные процессы в митохондриях и принимает участие во многих других важных био- химических процессах. Мышьяк: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 1 мг [7] 0,01-0,05 мг [9] 169
Глава 6 * . Суточное поступление с воздухом: °>001 мг И р|зорбция(%): 80(ЖКТ), Ю(легкие), 1 (кожа) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,05 мг скалом: 0,08 мг с потом: — прочие (волосы и др.) 0,5x10~3мг Период полувыведения из организма: 1-10 дней [7] Число атомов в теле человека: 1,1x1020 Число атомов в одной клетке: 1,1 х 106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 18 [8, 17] мышцы: 0,009-0,65 мг/кг [8, 17] кости: 0,08-1,6 мг/кг [8, 17] кровь: 0,0017-0,09 мг/л [8, 17] 0,002-0,005 мг/л [9] 0,0002-0,0005 мг/л [12] 0,002-0,023 мг/л [13] плазма: 0,0017-0,0154 мг/л [13] печень: 1-13 нг/г [8, 17] (0,001)0,002-0,015(0,05) мг/кг [9] 0,005-0,053 мг/кг [13] молоко: 1,6-6,0 мг/л [8, 17] 0,00025-0,024 мг/л [13] волосы: 0,005-0,1 (0,5) мг/кг [9] 0,05-0,085 мг/кг [13] ногти: 0,2-3,3 мг/кг [12] зубы(эмаль): 0,022-0,1 мг/кг [12] зубы (дентин): <0,02-0,07 мг/кг [12] моча: 0,0005-0,015 мг/л [9] 0,01-0,03 мг/л [13] Токсическая доза для человека: 5-50 мг [8] Летальная доза для человека: 50-340 мг (As2O3) [8] ПДК: Мышьяк ПДК в. 0,05 ПДК п. 2 170 __ _
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы Li. ЛИТИЙ лат.: lithium, англ.: lithium, нем.: Lithium Название произошло от греч, lithos (камень). Открыт А. Арф- ведсоном (Швеция) в 1817 г. Литий — самый легкий щелочной металл, белый, мягкий, серебристого цвета. Литий имеет сродство к кислороду, водороду и азоту, с которыми он активно взаимодействует. Природным источником лития служат минералы сподумен, лепидолит и др. Соединения лития широко используются в атом- ной промышленности, металлургии, органическом синтезе, про- изводстве стекол, глазурей и эмалей. Атомный номер: 3 Атомная масса: 6,941 Основные степени окисления в естественных условиях: 1 Место в системе элементов: I группа Мировые запасы (т): 7,3х 106 [8] Мировое производство (т/год): 39000 (Li2CO3) [8] Виды промышленности, где используется элемент: Атомная промышленность Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 1,9х 10"3 [ 1 ] Содержание в литосфере: 20 мг/кг Содержание в почве: 1,2-98 мг/кг [17] Содержание в морской воде: 0,18 мг/л [17] 15x10"6 мг/л [9] Содержание в пресной воде: 0,0011 мг/л [17] 0,003 мг/л [9] Применение лития и его соединений Изотоп 7Li используется в качестве теплоносителя в реакто- рах из-за малого сечения захвата тепловых нейтронов. Соедине- ния лития используются при изготовлении элементов питания. Медицинское применение соединений лития ограничено. Соли лития (лития карбонат, литонит и др.) используются при лечении маниакально-депрессивных психозов. В последние годы появились 171
Глава 6 сведения об эффективности препаратов лития при лечении новообразований, сахарного диабета и алкоголизма. Физиологическая роль лития В течение суток в организм взрослого человека поступает око- ло 100 мкг лития. Ионы лития Li+ быстро и практически полнос- тью абсорбируются из желудочно-кишечного тракта, по-видимо- му, из тонкого кишечника, а также из мест парентерального введения. Ионы лития легко проникают через биологические мембраны. Среднее содержание лития (в мкг/г), в различных орга- нах значительно различается: в лимфоузлах — 200, легких — 60, печени — 7, цельной крови — 6, мышцах — 5, мозге — 4. Литий можно обнаружить в костях, кишечнике, надпочечниках и дру- гих тканях. Выведение лития осуществляется преимущественно через почки и в меньшей степени с калом и потом. В организме литий, по-видимому, способствует высвобожде- нию магния из клеточных «депо» и тормозит передачу нервного импульса, тем самым, снижая возбудимость нервной системы. Физиологическое действие лития обнаруживается при его кон- центрации в плазме крови от 0,14 до 1,4 ммоль/л, фармакологи- ческое — при концентрации свыше 1 ммоль/л, токсическое — при превышении уровня в 2 ммоль/л. Высокие концентрации лития в плазме крови (2-3 ммоль/л) вызывают светобоязнь, пора- жение почек и щитовидной железы, диарею, усиление функции паращитовидных желез (гиперпаратиреоз), поражение перифе- рических нервов. При достижении концентрации лития в плазме крови 4-5 ммоль/л наблюдались летальные исходы (США). Имеются данные о воздействии лития на структурные компо- ненты организма на различных уровнях. Одним из органов-мише- ней лития может быть скелет и щитовидная железа. В костной тка- ни при длительном воздействии лития его концентрация оказыва- ется более высокой, чем в других органах. Скелет, несомненно, яв- ляется местом активного взаимодействия лития с магнием, каль- цием и другими минеральными компонентами костной ткани. Имеются данные о влиянии лития на нейроэндокринные про- цессы, жировой и углеводный обмен. В обменных процессах ли- тий активно взаимодействует с ионами К+ и Na+. Назначение пре- паратов лития на фоне дефицита натрия опасно для здоровья, т. к. может вызывать поражение почек. Кроме того, к побочным эф-
Химические элементы — условно жизненно необходимые элементы фектам терапии препаратами лития, можно отнести угнетение функции щитовидной железы путем блокирования литием выс- вобождения ТТГ-рилизинг фактора, ТТГ и тироксина. Под влия- нием лития возрастает поглощение глюкозы, синтез гликогена и уровень инсулина в сыворотке крови больных диабетом, приме- няющих препараты лития, снижается уровень глюкозы и кетоно- вых тел в моче. Литий обладает инсулиноподобным эффектом. Литий: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 2 мг [7] Резорбция (%): >90% [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,85 мг скалом: 1,2 мг с потом: следы прочие (волосы и др.) — Период полувыведения из организма: 1 -2 суток [7] Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 0,67 [8,17] мышцы: 0,023 мг/кг [8, 17] печень: около 0,001 мг/кг сырого веса [9] кровь: 0,004 мг/л [8, 17] 0,019 мг/л[3] слюна: 0,02 мг/л [14] плазма: 0,0001-0,001 мг/л [8, 17] сыворотка: 0,009-0,027 мг/л [3] моча: 0,002-0,01 мг/л [9] волосы: 0,01-0,25 мг/кг [9] кости: 0,19 мг/кг сухого веса [ 13] зубы(дентин): 1,13 мг/кг [12] Токсическая доза для человека: 92-200 мг [8] 173
Глава 7. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ - ТОКСИЧНЫЕ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ Sn. ОЛОВО лат.: stanпит, англ.: tin, нем.: Zinn Название олова произошло от лат. stannum. Олово известно со времен древних цивилизаций. Олово представляет собой мягкий, пластичный, серебристо- белый металл. Олово не реагирует с кислородом и водой, посколь- ку защищено оксидной пленкой, но растворимо в кислотах и ще- лочах. Основным источником олова для промышленности являются минералы касситерит и станин. Олово используется в смазках, сплавах, защитных покрытиях, а также в качестве до- бавки к полимерам. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год Виды промышленности, где используется элемент: Среднее содержание 50 118,710 2,4 IV группа 4,5x106 ): 165000 электронная промышленность, цветная металлургия в окружающей среде (%, биосфера): 5х 10~4 [1 ] Содержание в атмосфере15: океаны: материки: Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 4,6х10"5мкг/м3 0,5мкг/м3 2 мг/кг [9] 0,3-200 мг/кг [17] 1 -5 мг/кг сухого веса [9] 4хЮ"6мг/л[17] Зх10'8-1,7х10-6мг/л[17] 6хЮ"6мг/л[9]
Химические элементы - токсичные микроэлементы Применение олова и его соединений Металлическое олово служит материалом для изготовления так называемой «белой жести» из которой изготавливают раз- личную тару, в том числе и хорошо всем известные консервные банки. Олово используется при лужении многих материалов, изготовления припоев (2-90% олова и 98-100% свинца), анти- фрикционных сплавов, литейных оловянно-цинковых бронз. Этот элемент необходим при производстве типографских спла- вов, фольги (станиоли), баббита (70-90% олова, медь и сурьма) и оловянной бронзы (80-90% меди и 10-20% олова). Хлорид олова (IV) SnCl4 служит сырьем в красильном производстве, где в качестве протравы используется «розовая соль». Изотопы оло- ва 113Sn и 121Sn применяется при исследованиях методом мече- ных атомов. Физиологическая роль олова Олово поступает в организм человека преимущественно с пи- щей. В молоке и в свежих овощах концентрации олова невелики и обычно составляют 1 мкг/г и ниже. Значительно выше содержа- ние олова в жирах и жирной рыбе (до 130 мкг/г). Олово может присутствовать в консервах и упаковочной фольге. В течение суток в организм взрослого человека поступает до 50 мг олова; 3-10% от этого количества всасывается в желудочно- кишечном тракте. В организме в основном олово находится в виде жирорастворимых солей. В тканях олово присутствует в концент- рациях от 0,5 до 4,0 мкг/г. На кости приходится 0,8 мкг/г олова, на почки, сердце и тонкий кишечник — 0,1 мкг/г. В мозге ново- рожденных олово не обнаруживается. Выделяется олово из орга- низма с желчью и мочой. Полагают, что оптимальная интенсивность поступления оло- ва в организм составляет 2-10 мг/день. Дефицит олова может раз- виваться при недостаточном поступлении этого элемента (1 мг/день и менее), а порог токсичности равен 20 мг/день. Олово входит в состав желудочного фермента гастрина, ока- зывает влияние на активность флавиновых ферментов, способно усиливать процессы роста. 175
Глава 7 Олово: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,004 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,0004х 10~3 мг [7] Резорбция: 3% (Sn2+, ЖКТ) [7] <1%(Sn4+,XKT) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,0002 мг скалом: 0,0035 мг с потом: 0,0005 мг прочие (волосы и др.) — Период полувыведения из организма: 90-100 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,5х 1020 Число атомов в одной клетке: 1,5х 106 Среднее содержание в человеческом организме: мышцы: 0,33-2,4 мг/кг [8] кости: 1,4 мг/кг [8] кровь: до 0,002 мг/л [9] 0,38 мг/л [8] печень: 0,1-1,0 мг/кг сырого веса [9] моча: 0,0005-0,0015 мг/л [9] волосы: 0,05-1,5 мг/кг [9] ногти: 12 мг/кг [12] зубы (эмаль): 93 мг/кг [12] зубы (дентин): 0,21-120 мг/кг [12] ПДК: Олово (II) оксид ПДКс.с. 0,02 Олово (IV) оксид ПДКс.с. 0,02 Олово (II) сульфат ПДКс.с. 0,02 Олово хлорид ПДКм.р. 0,5 ПДКс.с. 0,05 Токсическая доза для человека: 2 г 176
Химические элементы - токсичные микроэлементы Ад.СЕРЕБРО лат.: argentum, англ.: silver, нем.: Silber Название серебра происходит от англ.-сакс, siolfur (серебро) и от лат. argentum. Металл, известный со времен древних циви- лизаций. Серебро представляет собой мягкий, ковкий металл с харак- терным «серебристым» блеском. Устойчиво к действию воды и большинства кислот, но на воздухе взаимодействует с соединени- ями серы с образованием черного сульфидного слоя. Растворяется в соляной кислоте, образуя хлористое серебро. Хорошо проводит электрический ток. В природе встречается в виде сернистого се- ребра вместе со свинцом и цинком, а также в самородной форме. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): 47 107,8682 0,1,2,3 I группа 106 [2] Мировое производство (т/год): 99502 Виды промышленности, где используется элемент: электронная промышленность, ювелирное дело, фотография, фармацевтика Среднее содержание в окружающей среде (биосфера, %): Содержание в атмосфере [3]: океаны: южный полюс: 5хЮ"6[1] 2,ЗхЮ"5мкг/м3 4х10"5нг/м3 острова: материки: пригород города (макс): Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 0,4x10~4мкг/м3 0,053 мкг/м3 0,07 мг/кг [9] 0,03-0,9 мг/кг [17] 0,1-1 мг/кг сух. веса [9] 4х 10"5 мг/кг [17] 2x10"6 [9] 0,13мг/л[17] ЗхЮ-4-1,5х10-3мг/л[9] 177
Глава 7 Применение серебра и его соединений Серебро в основном используется как металл для изготовле- ния ювелирных изделий, монет, столовой и химической посуды, фильтров, зеркал, электрических контактов, анодов, фотографи- ческой пленки. Сплавы серебра с медью (90% серебра и 10% меди) используют для изготовления ювелирных изделий. В технике применяют серебряный припой, содержащий помимо серебра медь и цинк. Амальгама серебра используется в стоматологии, в частности в зубном протезировании. Дисцианоаргентат (I) натрия Na[Ag(CN)2] применяют в про- цессе серебрения гальваническим методом для изготовления сто- ловых приборов и других изделий. Нитрат серебра (I) AgNO3 ис- пользуют при изготовлении зеркал и получении токопроводящего слоя, с целью получения других соединений серебра и как меди- цинский препарат («ляпис»). Нитрат серебра входит в состав ле- карственных препаратов протаргола и колларгола. Хлорид сереб- ра (I) AgCl, бромид серебра (I) AgBr и йодид серебра (I) Agl используются в качестве светочувствительных покрытий в фото- графических пленках. Аммиачный раствор нитрата серебра [Ag(NH3)2]NO3 применяется при изготовлении серебряных зер- кальных изделий. Сульфид серебра (I) Ag2S обеспечивает темне- ние «под старину» новых серебряных изделий с помощью раство- ра полисульфида калия. С древних времен люди применяют серебро для изготовления посуды и емкостей для хранения воды и пищи, поскольку оно обладает бактериостатическим действием (так называемым «олигодинамическим эффектом»). В медицине используется бактерицидное, антацидное, вяжущее действие серебра. В XVIII — XIX вв. препараты серебра применялись в качестве средств лечения при нервных болезнях (невралгии и эпилепсии) и желудочно-кишечных заболеваниях (холера, диареи). В настоящее время лекарства на основе серебра (протаргол, колларгол и др.) используют при эрозиях, язвах, избыточных грануляциях, трещинах, остром конъюнктивите, трахоме, хроническом гиперпластическом ларингите, а также для промывания мочеиспускательного канала и мочевого пузыря. Некоторые изотопы радиоактивного серебра нашли свое применение в лучевой терапии. 178
Химические элементы - токсичные микроэлементы Физиологическая роль серебра Серебро поступает в организм с водой и пищевыми продукта- ми. Возможна резорбция серебра через кожу и слизистые оболоч- ки. Серебро в незначительных количествах содержится во всех органах и тканях; среднее содержание этого элемента в теле мле- копитающих достигает 20 мкг на 100 г сухой массы. Наиболее богаты серебром мозг, легкие, печень, эритроциты, пигментная оболочка глаза и гипофиз. Выводится серебро из организма пре- имущественно через кишечник. Среднесуточное поступление серебра с пищей составляет 1-80 мкг. Биоусвояемость серебра определяют по величине вса- сывания из желудочно-кишечного тракта, эта величина состав- ляет порядка 5%. Вопрос о физиологической роли серебра изучен недостаточ- но. Серебро относят к потенциально-токсичным и к потенциаль- но-канцерогенным элементам. Известно, что в организме серебро образует соединения с белками, может блокировать тиоловые груп- пы ферментных систем, угнетать тканевое дыхание. В плазме крови серебро связывается с глобулинами, альбуминами и фибри- ногеном. При длительном контакте с серебром в производствен- ных условиях этот элемент может накапливаться в печени, поч- ках, коже и слизистых оболочках. Установлено, что лейкоциты могут фагоцитировать серебро и доставлять его к очагам воспале- ния. При попадании на кожу соли серебра оставляют черные, труд- но удаляемые следы. Также возможно подкожное накопление се- ребра. Накопление серебра в коже в виде особых образований получило название «аргирия». Серебро: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,07 мг [7] Резорбция (%): 10 (ЖКТ) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,008 мг скалом: 0,06 мг с потом: 0,0004 мг прочие (волосы и др.) 0,00065 мг Период полувыведения из организма: 80-160 суток [7] 179
Глава 7 Среднее содержание в человеческом организме: кровь: < 2,7 мг/л [17] < 0,003 мг/л [8] сыв., плазма крови: 0,0004-0,0012 [9] моча: 0,0003-0,001(0,003) мг/кг [9] волосы: 0,005-0,2(2) [9] ногти: 0,003-1,4 мг/кг [12] зубы (эмаль): 0,004-2,2 мг/кг [12] зубы (дентин): 0,005-0,56 мг/кг [12] кости: 1,1 мг/кг [17] 0,001-0,44 мг/кг [17] мышцы: 0,009-0,28 мг/кг [8] печень: 5-32 нг/г [17] 0,005-0,02 мг/кг [9] Токсическая доза для человека: 60 мг [8] Летальная доза для человека: 1,3-6,2 г [8] ПДК Серебро: ПДК в. 0,05 Sr. СТРОНЦИЙ пат.: strontium, англ.: strontium, нем.: Strontium Открыт А. Крофордом (Шотландия) в 1790 г, выделен Деви в 1808 г. Назван в честь лат. Strontian (Шотландия). Стронций — мягкий металл серебристо-белого цвета, относит- ся к щелочноземельным металлам. Химически очень активен. Реагирует с водой, горит на воздухе. Применяется при производ- стве кинескопов телевизионной аппаратуры. При взрыве ядерно- го заряда образуются радиоактивные изотопы стронция, опасные для жизни человека. Атомный номер: 38 Атомная масса: 87,62 Основные степени окисления в естественных условиях: 2 Место в системе элементов: II группа Мировые запасы: данные отсутствуют 180
Химические элементы - токсичные микроэлементы Мировое производство: 137000 т/год [8] Виды промышленности, где используется элемент: электронная и пищевая Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 4х 10"3 [1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 4,6х 10"3 мкг/м3 южный полюс: 0,052 нг/м3 пригород 4х 10"3 мкг/м3 города (макс): 0,05 мкг/м3 Содержание в литосфере: 375 мг/кг [9] Содержание в почве: 50-1000 мг/кг [17] 50-1000(150) мг/кг [17] 50-100 мг/кг [9] Содержание в морской воде: 7,6 мг/л [17] <1х10"5мг/л[9] Содержание в пресной воде: 50 мг/л [17] 0,05 мг/л [17] около 0,07 мг/л [9] Применение стронция и его соединений Нитрит стронция Sr(NO3)2 и хлорат стронция Sr(C103)2 исполь- зуется в качестве красителя красного цвета в пиротехнике. Гид- роксид стронция Sr(OH)2 и карбонат стронция SrCO3 используют- ся для извлечения сахара из мелассы (кормовая патока). Сульфид стронция SrS является люминофорным материалом и имеет голу- бовато-зеленое свечение. Сульфат стронция SrSO4 — саморегули- рующийся электролит при хромировании. Изотопы 86Sr и 89Sr широко используются в методе меченых атомов. В медицине радиоактивный изотоп 89Sr применяют в лучевой терапии костных опухолей, а также в качестве аппликатора при лечении некоторых кожных и глазных болезней. Физиологическая роль стронция Вместе с пищей в организм взрослого человека поступает 0,8-3,0 мг стронция в сутки. При избыточном поступлении строн- ция возникает так называемый «стронциевый рахит» или «уровс- =^============^ 181
Глава 7 кая болезнь». Это эндемическое заболевание, впервые обнаружен- ное у населения, проживающего вблизи реки Уров в Восточной Сибири. «Уровская болезнь» возникает вследствие вытеснения ионов кальция ионами стронция из костной ткани. Стронций, поступающий с пищей, относительно плохо усва- ивается организмом (около 5-10%). В основном богаты стронци- ем растительные продукты, а также кости и хрящи. Абсорбция стронция происходит в основной, 12-перстной и подвздошной кишке. Абсорбированный в организме стронций затем выводит- ся, в основном с мочой, в меньшей степени с желчью. В фекалиях находится неабсорбированный стронций. В организме взрослого человека массой 70 кг находится около 320 мг стронция, причем его основное количество (до 99%) депо- нировано в костях. Относительно высоки концентрации стронция в лимфатических узлах (0,30±0,08 мкг/г), легких (0,20±0,02), яичниках (0,14±0,06), печени и почках (0,1±0,03). В цельной кро- ви обнаружено около 0,03 мг/л стронция. Соединения стронция ядовиты незначительно. Стронций: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 1,9 мг [7] Резорбция (%): 10-60 [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,34 мг скалом: 1,5 мг с потом: 0,02 мг прочие (волосы и др.) 0,0002 мг Период полувыведения из организма: до 900 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,0x1021 Число атомов в одной клетке: 1,0 х 107 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 320 [8, 17] мышцы: 0,12-0,35 мг/кг [8, 17] кости: 36-100 мг/кг [8, 17] кровь: 0,031 мг/л [8, 17] сыворотка: (0,010)0,020-0,070(0,100) мг/л [9] печень: 0,05-0,15 мг/кг сырого веса [9] 182
Химические элементы — токсичные микроэлементы моча: (0,020)0,030-0,250(0,350) мг/л [9] слюна: 0,01 мг/л [14] волосы: (0,25)0,50-5,0(15) мг/кг [9] ногти: 0,017-0,65 мг/кг [12] зубы (эмаль): 70-100 мг/кг [12] зубы (дентин): 81-110 мг/кг [12] ПДК: Стронций ПДК в. 7 Токсическая доза для человека: нетоксичен [8] Ti. ТИТАН лат: titanium, англ.: titanium, нем.: Titan Титан открыт У. Грегором (Англия) в 1791 г и назван в честь титанов, сыновей богини Геи. Титан это легкий, плавкий и прочный металл. Химически стоек, благодаря наличию защитной пленки. По распространен- ности в земной коре занимает среди металлов 9 место. Основными минералами, содержащими титан, являются рутил и анатаз. Ти- тан широко используется в химической, авиационной, ракетной промышленности, а также в судостроении, благодаря своей проч- ности, легкости, коррозионной стойкости и биологической инер- тности. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 22 47,867 3,4 IV группа 440x105 99000 (металл.), Зх 105 (оксид) [8] самолето-, судо-, ракетостроение, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 0,26 [1] Содержание в атмосфере [3]: 183
Глава 7 океаны: 0,013 мкг/м3 южный полюс: 0,1 нг/м3 острова: 5x10"3 мкг/м3 материки: 0,3 мкг/м3 пригород 0,08 мкг/м3 города (макс): 0,14 мкг/м3 Содержание в литосфере: 4400 мг/кг [9] Содержание в почве: 1800-3600(2400) мг/кг [17] около 5000 мг/кг [9] Содержание в морской воде: 4,8х 10~4-1х 10~3 мг/л [17] около 0,001 мг/л [9] Содержание в пресной воде: 8х 10"6 мг/л [17] около 0,003 мг/л [9] Применение титана и его соединений Титан используется в медицине при изготовлении различных инструментов, применяется в качестве биосовместимого матери- ала при производстве имплантантов в ортопедии, челюстно-лице- вой хирургии и нейрохирургии. В медицине оксид титана TiO2 применяется в дерматологической практике при лечении свето- чувствительного хейлита, простого герпеса, угрей, воспалений губ и полости рта, а также при удалении гемангиом лица методом та- туировки, в виде компонента входит в состав различных лекар- ственных препаратов. Этот элемент широко применяется в химии, в авиа и ракетостроении. Оксид титана (IV) TiO2 используется в качестве пигмента («титановые белила»), замутнителя стекла («молочное письмо») и полиамидного волокна. Смесь титанатов стронция и кальция (SrTi)O3 и (CaTi)O3 используется в качестве диэлектрика и электроакустического преобразователя (напр., для получения ультразвука). Изотоп титана 44Ti используется в меди- ко-биологических исследованиях, a 51Ti — а активационном ана- лизе. Титан: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,85 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,001 мг [7] Резорбция: до 5% (ЖКТ) [3] 184,
Химические элементы — токсичные микроэлементы Суточное выведение [7]: с мочой: 0,33 мг скалом: 0,01 мг с потом: — прочие (волосы и др.) 0,08х 10"3 мг Период полувыведения из организма: 600 суток [7] Число атомов в теле человека: 1,3х 1020 Число атомов в одной клетке: 1,3х 106 Среднее содержание в человеческом организме: г/70 кг: 0,01 [17] кости: < 1 мг/кг [8] мышцы: 0,9-2,2 мг/кг [8] кровь: 5,4х 10~3 мг/л [8] волосы: 0,048-14 мг/кг [19] ногти: 0,28 мг/кг [12] зубы (эмаль): 11 -23 мг/кг [12] зубы (дентин): 0,19 мг/кг [12] ПДК: Титан ПДК в. 0,1 AI. АЛЮМИНИЙ лат.: aluminium, англ.: aluminium, нем.: Aluminium Название получило от лат. alumen (квасцы). Открыт Х.К. Эр- стедом (Дания) в 1825 г. Алюминий — легкий серебристо-белый металл с высокой элек- тропроводностью. Химически активен, на воздухе покрывается оксидной пленкой, которая защищает металл от взаимодействия с кислородом и водой. Растворим в горячих концентрированных растворах НС1 и NaOH. По распространенности в природе алюминий занимает 3 мес- то среди химических элементов (после кислорода и кремния) и первое место среди металлов. На алюминий приходится более 8% массы земной коры. Оксид алюминия А12О3 (глинозем) является основой ряда минералов, таких как корунд, сапфир, рубин. Изве- стно несколько сотен минералов содержащих алюминий, к кото- ============ 185
Глава 7 рым в первую очередь относятся бокситы и алюмосиликаты. По- лучают алюминий путем электролиза глинозема. Соединения алю- миния широко используют в авиационной промышленности, ме- таллургии, электротехнике, пищевой промышленности и ряде других областей. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 13 26,981538 1,3 III группа 6x109 [8] 15x106 [8] электронная промышленность, самолето- и судостроение, часовая, текстильная, кожевенная Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): Содержание в атмосфере [3]: океаны: южный полюс: острова: материки: пригород города (макс): Содержание в литосфере: Содержание в почве (сухой вес): Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 6,1 [1] 0,07мкг/м3 0,8нг/м3 0,43 мкг/м3 5,6мкг/м3 0,6 мкг/м3 18 мкг/м3 81300 мг/кг [17] 71000 мг/кг [17] 0,000013-0,00097 мг/л [17], 0,0001-0,01 мг/л [10] 0,1-1200 мг/л [17] 0,0001-1,2 мг/л [10] Применение AI и его соединений Сплавы металлического алюминия используются как базовый материал в авиа и судостроении. Особо чистый алюминий служит для изготовления проводников в электротехнике. Чистый алю- миний является материалом для изготовления различных изде- лий — кухонной посуды, фольги и т. п. Алюминий служит для 186
Химические элементы - токсичные микроэлементы термитной сварки («термит»), алюмотермического получения ме- таллов, синтеза алюмоорганических катализаторов, производства полимеров (полиэтилен), пенобетона, сереброподобного пигмен- та для красок («серебрянка»); используется в пиротехнике. Ок- сид алюминия AI2O3 в виде мелкокристаллического глинозема используется как катализатор и носитель катализаторов, а в каче- стве корунда (крупнокристаллический) — как абразив, полиро- вальный порошок для металлов. Особо чистые синтетические мо- нокристаллы оксида алюминия применяются в качестве опоры' осей в часах, как компонент при изготовлении лазеров и драго- ценных синтетических камней (рубин, сапфир и др.). Гидроксид алюминия А1(0Н)3 — промежуточный продукт при получении алюминия, синтезе лаковых красок; в медицине применяется как средство против повышения кислотности желудочного сока. Суль- фат алюминия A12(SO4)3X 18Н2О и сульфат алюминия-калия KA1(SO4)2>< I2H2O служат коагулянтами при очистке воды, также используются в крашении при проклейке бумаги и других про- мышленных процессах. Ацетат алюминия А1(СН3СОО)3 или «ук- суснокислый глинозем» используется для водонепроницаемой и огнезащитной пропитки тканей. Хлорид алюминия А1С13 — пе- реносчик галогенов в органической химии. Триэтилалюминий А1(С2Н5)з является компонентом катализаторов при получении полиэтилена. В медицине используются адсорбирующие, обволакивающие, антацидные, защитные и обезболивающие свойства препаратов содержащих алюминий. Силикат алюминия (белая глина, каолин) и жженые квасцы применяют наружно, как правило, в виде присыпок, мазей и паст при лечении кожных заболеваний. Гидроокись алюминия используют внутрь как антацидное средство при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, острых и хронических гиперацидных гастритах и пищевых отравлениях. Гидроокись алюминия вместе с окисью магния входит в состав комбинированного препарата «Альмагель» и ряда других подобных лекарств, применяемых в качестве обволакивающего, антацидного средства. Фосфат алюминия обладает противоязвенным, адсорбирующим, обволакивающим действием, снижает кислотность желудочного сока. 187
Глава 7 Физиологическая роль алюминия В организм человека ежесуточно поступает от 5 до 50 мг алю- миния, в зависимости от региона проживания. Считается, что оп- тимальная среднесуточная интенсивность поступления алюминия в организм (с учетом степени всасываемости этого элемента) со- ставляет 20-100 мкг. Растительные продукты содержат в 50-100 раз больше алю- миния, чем продукты животного происхождения. Известно, что при горячей обработке пищевых продуктов или выпечке хлеба, за счет использования алюминиевой посуды, происходит загрязне- ние пищи этим металлом. Источником поступления алюминия является также и питьевая вода, где его содержание составляет 2-4 мг/л. В желудочно-кишечном тракте человека всасывается 2-4% поступившего алюминия, причем лучше усваиваются ра- створимые соли, такие как А1С13. Алюминий поступает в орга- низм и через легкие, что при высоких показателях загрязнения воздуха соединениями алюминия, может приводить к фиброзу. Содержание алюминия в организме взрослого человека неве- лико, — 30-50 мг. Концентрация алюминия в тканях колеблется от 0,2 до 0,6 мкг/г. Среднее содержание алюминия в яичниках составляет 0,4 (мкг/г), семенниках — 0,4 (мкг/г), мышцах — 0,5 (мкг/г), мозге — 0,4 (мкг/г), печени — 2,6 (мкг/г), легких — 18,2 (мкг/г), лимфатических узлах — 32,5 (мкг/г). В легких кон- центрация этого элемента, при условии вдыхания пыли, содер- жащей соединения алюминия, может достигать 20-60 мкг/г. Депонируется алюминий в костях, печени, легких и в сером веществе головного мозга. С возрастом содержание этого элемен- та в легких и головном мозге увеличивается. Алюминий выводит- ся из организма в основном с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом. Алюминий является постоянной составной частью клеток, где преимущественно находится в виде А13+. Его присутствие в том или ином виде обнаружено практически во всех органах человека. Алюминий играет в организме важную физиологическую роль, — он участвует в образовании фосфатных и белковых комп- лексов; процессах регенерации костной, соединительной и эпите- лиальной ткани; оказывает, в зависимости от концентрации, тор- мозящее или активирующее действие на пищеварительные ферменты; способен влиять на функцию околощитовидных желез. 188
Химические элементы - токсичные микроэлементы Алюминий в небольших количествах необходим для организма, и особенно для костной ткани, в случае же его избытка этот металл может представлять серьезную опасность для здоровья. В целом алюминий относят к токсичным (иммунотоксичным) элементам. Алюминий: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 45 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,01 мг [7] Резобция(%): 1 (ЖКТ), до 10 (легкие) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,01 мг скалом: 43 мг с потом: 0,1 мг прочие (волосы и др.) 0,0006 мг Период полувыведения из организма: 100 суток [7] Число атомов в теле человека: 2,2x1021 Число атомов в одной клетке: 2,2х 107 Среднее содержание в человеческом организме: мг/70кг: 61 [8, 17] мг/кг сырого веса: <0,8 мышцы: 0,7-28 мг/кг [8, 17] кости: 7-27 мг/кг [8,17] кровь: 0,39 мг/л [8,9, 17] сыв., плазмакрови: 0,01 мг/л [12] 0,002-0,03 мг/л [11] молоко: 0,12-0,33 мг/л [8, 17] почки: 0,4 мг/г [8, 17] мозг: 2 мкг/кг [9] легкие: 50 мг/кг [9] печень: 1-10 мг/кг сырого веса [9] зубы: 8-325 мг/г [8, 17] ногти: 132-927 мг/кг [12] зубы (эмаль): 62-136 мг/кг [12] зубы (дентин): 12,5-86 мг/кг [12] моча: 3,5-31 мг/л [8, 17] 0,001-0,02 мг/л [12] волосы: 0,813 мг/кг [8, 17] 1-10(20) мг/кг [9] 189
Глава 7 Токсическая доза для человека: 5 г [8] Летальная доза для человека: данные отсутствуют ПДК: Алюминий и его сплавы ПДКв. 0,5 Алюминий оксид ПДКс.с. 0,01 Алюминий оксид-хлорид ПДКв. 1,5 Алюминий фторид ПДКм.р. 0,2 ПДКс.с. 0,03 РЬ. СВИНЕЦ лат.: plumbum, англ.: lead, нем.: Blei Свинец известен еще со времен древних цивилизаций, его название произошло от лат.plumbum. Свинец это мягкий, ковкий, пластичный металл тускло-серо- го цвета. На влажном воздухе свинец покрывается оксидной плен- кой, однако устойчив к действию кислорода и воды; этот металл растворим в азотной кислоте. Свинец широко используется при производстве аккумуляторов, силовых кабелей, красок, стекла, керамики, различных смазок, этилированного бензина, средств защиты от радиации и т. д. Свинец входит в состав припоя, шли- фовальных паст для обработки кузовов автомобилей. В медицине применяют свинцовые примочки; а ацетат свинца в косметоло- гии, — для окраски седых волос. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 190 82 207,2 2,4 IV группа 85x106 [8] 4,1хЮ6[8] электронная промышленность, типографское дело
Химические элементы - токсичные микроэлементы Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 8х 10"7 [ 1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: 2,8х 10"3 мкг/м3 южный полюс: 0,5 нг/м3 острова: 0,02 мкг/м3 материки: 4 мкг/м3 пригород 0,2 мкг/м3 города (макс): 7 мкг/м3 Содержание в литосфере: 13 мг/кг Содержание в почве: 3-189 мг/кг [ 17] 0,1 -20 мг/кг сухого веса [9] Содержание в морской воде: ЗОх 10"6 мг/л (на поверхности) [8] (3-50)х10"6мг/л[9] Содержание в пресной воде: 0,01-5,6 мг/л [17] Применение свинца и его соединений Свинец металлический служит материалом для защиты от ра- диоактивного излучения, при изготовлении электродов аккуму- ляторов, оболочек кабелей, анодов (для хромирования). Свинец используется при получении тетраэтилсвинца, припоев, сплавов (в подшипниках, типографском шрифте), в качестве покрытия внутренней поверхности сосудов для хранения серной кислоты. Свинец широко используется в виде сплавов. Гартблей — сплав свинца и сурьмы, в пластинах аккумуляторов содержится до 9% сурьмы. Припой — ПОС, ПОСК содержит до 20-80% олова. Гарт — типографский сплав (свинец в смеси с 11-28% сурьмы и 3-9% олова). Свинцовый баббит — антифрикционный сплав (5-80% олова, 20% сурьмы). Свинцовая бронза содержит до 40% свинца в сочетании с медью и оловом. Оксид свинца (II) РЬО применяется при получении пигмента сурика. Оксид свинца РЬ3О4 служит пигментом (свинцовый су- рик), а также в качестве компонента при нанесении глазури, из- готовлении свинцового хрусталя, антикоррозионных покрытий. Ацетат свинца (II) РЬ(СН3СОО)2 применяется в качестве компо- нента индикаторной бумаги для обнаружения сероводорода, а так- же используется как компонент препаратов для устранения седи- ны. Тетраэтилсвинец РЬ(С2Н5)4 применяется в качестве ^============^^ 191
Глава 7 антидетонационной присадки к бензину, после применения ко- торой, бензин становится этилированным. Этилированный бен- зин является основным источником загрязнения атмосферного воздуха свинцом. Силикат свинца (II) используется при изготов- лении основы для красок по керамике. Азид свинца (II) РЬ(КзЬ служит в качестве детонатора. «Свин- цовый красный сурик», «свинцовый белый» — 2РЬСО3хРЬ(ОН)2, «хромовый желтый» — (РЬСгО4), «хромовый красный» — (PbxPbCrO4) являются пигментами, содержащими свинец. Изо- топ свинца 212РЬ используется в методе меченых атомов, изотоп 210РЬ — для определения возраста и подлинности художествен- ных картин. Физиологическая роль свинца Роль свинца в жизнедеятельности организма изучена недо- статочно. Известно, что свинец участвует в обменных процессах костной ткани. С другой стороны, свинец является канцерогеном и тератогеном для организма. Полагают, что оптимальная интенсивность поступления свин- ца в организм человека составляет 10-20 мкг/день. Дефицит свин- ца в организме может развиться при недостаточном поступлении этого элемента (1 мкг/день и менее), а порог токсичности равен 1 мг/день. В организме взрослого человека содержится 80-120 мг свинца. В желудочно-кишечном тракте всасывается 5-10% (а иногда и до 50%) от поступившего свинца. Много свинца может попадать в орга- низм с вдыхаемым воздухом (до 70% аэрозоля содержащего сви- нец оседает в легких). При больших концентрациях тетраэтилс- винца возникает риск его проникновения через кожу. У мужчин удержание свинца в организме выше, чем у женщин. Повышенное поступление с пищей кальция, фосфора, магния, цинка снижает абсорбцию свинца, тогда как на фоне дефицита железа и перечис- ленных элементов способность организма усваивать свинец увели- чивается. Токсическое действие свинца во многом обусловлено его способностью образовывать связи с большим числом анионов — лигандов, к которым относятся сульфгидрильные группы, произ- водные цистеина, имидазольные и карбоксильные группы, фосфа- ты. В результате связывания ангидридов со свинцом угнетается синтез белков и активность ферментов, например АТФ-азы. Сви-
Химические элементы — токсичные микроэлементы нец нарушает синтез гема и глобина, вмешиваясь в порфириновый обмен, индуцирует дефекты мембран эритроцитов. Основной путь поступления в организм свинца лежит через желудочно-кишечный тракт. Степень всасывания свинца зави- сит от растворимости его соединений. Выводится свинец из орга- низма со стулом (80-90%), а меньшая часть выделяется с мочой. В норме в костях содержание свинца равно 20 мг/кг, печени — 1 мг/кг, почках — 0,8 мг/кг, головном мозге — 0,1 мг/кг. Свинец и его соединения очень ядовиты. Свинец: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,44 мг (0,4-0,5 мг), с водой — до 0,1 мг [9] Суточное поступление с воздухом: 0,01 мг [7] Резорбция (%) 8-20% [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,05 мг скалом: 0,3 мг с потом: 0,65 мг прочие (волосы и др.) 0,03 мг Период полувыведения из организма: 12-12000 суток [7] Число атомов в теле человека: 2,3х 1020 Число атомов в одной клетке: 2,3х 106 Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 120 [8, 17] мышцы: 0,23-3,3 мг/кг [8, 17] печень: (0,05)0,1-1(2,5) мг/кг сырого веса [9] 0,37-2,3 мг/кг [13] кости: 3,6-30 мг/кг [8, 17] кровь: 0,21 мг/л [8, 17] (0,015)0,02-0,12(0,2) мг/л [9] 0,008-0,269 мг/л [13] моча: (0,0002)0,001-0,015(0,03) мг/л [9] 0,0063-0,013 мг/л [13] волосы: (0,05)0,1 -5,0 мг/кг [9] 4,2-52 мг/кг [13] ногти: 14-40 мг/кг [12] 193 1 Химические элементы в физиологии и экологии человека
Глава 7 зубы (эмаль): 7,3-23 мг/кг [12] зубы (дентин): 3,6-36 мг/кг [12] молоко: 0,0036-0,03 мг/л [13] Свинец ПДКм.р. 0,001 ПДКс.с. 0,0003 ПДКв. 0,01 ПДКп. 32 Токсическая доза для человека: 1 мг [8] Летальная доза для человека: 10000 мг [8] Cd. КАДМИЙ лат.: cadmium, англ.: cadmium, нем.: Cadmium Название этого элемента произошло от лат. cadmea (цинко- вая руда). Открыт Ф. Штроймером (Германия) в 1817 г. Кадмий представляет собой металл серебристого цвета. На воздухе покрывается оксидной пленкой. Растворим в кислотах, не растворим в щелочах. Добывают кадмий при переработке цин- ковых, медных, свинцовых руд, серебра. Атомный номер: 48 Атомная масса: 112,411 Основные степени окисления в естественных условиях: 1, 2 Место в системе элементов: II группа Мировые запасы (т): нет данных Мировое производство (т/год): 14000 [8] Виды промышленности, где используется элемент: электронная промышленность Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 1,6х 10"5 [ 1 ] Содержание в атмосфере [3]: океаны: — южный полюс: 0,015 нг/м3 острова: — 194
Химические элементы - токсичные микроэлементы материки: — пригород 2х 10"3мкг/м3 города (макс): 0,14мкг/м3 Содержание в литосфере: 0,2 мг/кг Содержание в почве: 0,01-3,0 мг/кг [17] 0,01-0,5(1) мг/кг сухого веса [9] Содержание в морской воде: (1,1 -38)х 10"6 мг/л [ 17] (1-15)хЮ-6(до5х10-5)мг/л[9] Содержание в пресной воде: 0,2 мг/л [17] <0,0001 мг/л [9] Применение кадмия и его соединений в промышленности и медицине Кадмий применяется для защиты металлов от коррозии (кадмирование), изготовления никель-кадмиевых аккумулято- ров, анодов при гальваническом кадмировании, производства легкоплавких сплавов. Кадмий входит в состав припоев (ПОСК), а также используется в атомной промышленности при изготов- лении регулирующих стержней ядерных реакторов, в которых изотоп кадмия (113) является поглотителем нейтронов. Суль- фид кадмия CdS и селенид кадмия являются соответственно красителем «кадмиевым желтым» и «кадмиевым красным». Сульфид кадмия используется также в качестве зеленого лю- минофора в цветных кинескопах. Радиоактивные изотопы кад- мия (109Cd, 108Cd, 106Cd и др.) используются в методе меченых атомов. В медицинских целях сульфат кадмия используют при проведении исследований свертываемости крови. Физиологическая роль кадмия Кадмий относится к токсичным микроэлементам, являясь одним из основных поллютантов окружающей среды. В организм взрослого человека в течение суток поступает 10-20 мкг кадмия. Однако считается, что оптимальная интенсив- ность поступления кадмия должна составлять 1-5 мкг. Пищевы- ми источниками кадмия являются морепродукты (особенно ми- дии и устрицы), злаки (зерновые) и листовые овощи. Дефицит кадмия в организме может развиться при недостаточном поступ- - 195
Глава 7 лении этого элемента (0,5 мкг/сутки и менее), а порог токсичнос- ти составляет 30 мкг/сутки. В тонком кишечнике адсорбируется менее 5% поступившего с пищей кадмия. На всасывание кадмия существенно влияет при- сутствие других биоэлементов и пищевых веществ, таких как Са, Zn, Си, пищевые волокна и др. Кадмий, поступающий в организм с вдыхаемым воздухом, усваивается значительно лучше (10-50%). В организме человека кадмий аккумулируется в основном в почках, печени и двенадцатиперстной кишке. С возрастом содер- жание кадмия в организме увеличивается, особенно у мужчин. Средняя концентрация кадмия у мужчин и женщин составляет соответственно в почках 44 и 29 мкг/г, печени — 4,2 и 3,4 мкг/г. Содержание кадмия в ребрах составляет 0,4-0,5 мкг/г. Кадмий выводится из организма преимущественно через ки- шечник. Среднесуточная скорость выведения этого элемента очень незначительна и составляет, по некоторым данным, не бо- лее 0,01% от общего количества кадмия содержащегося в орга- низме. Эстрогены усиливают выведение кадмия, что может быть связано с активизацией обмена меди. Физиологическая роль кадмия изучена недостаточно. Кадмий обнаруживается в составе так называемого «металлотионеина» — белка, для которого характерно высокое содержание сульфгид- рильных групп и тяжелых металлов. Функция тионеина заклю- чается в связывании и транспортировке тяжелых металлов и их детоксикации. In vitro кадмий активирует несколько цинкзави- симых ферментов: триптофан оксигеназу, ДАЛК-дегидратазу, карбоксипептидазу. Однако ферментов, которые бы активирова- лись только кадмием, не обнаружено. Соединения кадмия ядовиты. Кадмий: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,15 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,001 мг [7] Резорбция (%): 5(ЖКТ), 10-50 (легкие) [3, 11] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,1 мг 196.
Химические элементы - токсичные микроэлементы скалом: 0,05 мг с потом: — прочие (волосы и др.) — Период полувыведения из организма: 13-47 лет [7] Число атомов в теле человека: 1,641025 Число атомов в одной клетке: 1,641011 Среднее содержание в человеческом организме: мг/70кг: 502-10 мышцы: 0,14-3,2 мг/кг2-10 кости: 1,8 мг/кг2'10 печень: (0,1)0,2-2(3,5) мг/кг 0,3-4,1 мг/кг6 кровь: 0,0053 мг/л2'10 0,00003-0,007 мг/л6 сыв., плазмакрови: 0,0001-0,0015 мг/л3 0,0052 мг/л2 моча: 0,02 мг/л2'10 (0,00002)0,0001-0,0015(0,005) мг/л3 0,0005-0,0047 мг/л6 волосы: 0,354 мг/кг2-10 0,05-0,25 мг/кг 0,5 мг/кг3 0,35-2,43 мг/кг6 ногти: 0,08-3,4 мг/кг [141] зубы (эмаль): 0,1-0,12 мг/кг [141] зубы(дентин): <0,0001-0,51 мг/кг [141] молоко: 0,00007-0,0046 мг/л6 Токсическая доза для человека: 3-330 мг2 Летальная доза для человека: 1500-9000 мг2 ПДК: Кадмий ПДКв. 0,001 Кадмий иодид ПДКс.с. 0,0003 Кадмий нитрат ПДКс.с. 0,0003 Кадмий оксид ПДКс.с. 0,0003 197
Глава 7 Кадмий сульфат ПДКс.с. 0,0003 Кадмий хлорид ПДКс.с. 0,0003 Нд. РТУТЬ лат.: hydrargirum, англ.: mercury, нем.: Quecksilber Ртуть известна со времен древних цивилизаций и свое назва- ние получило в честь планеты Меркурий, от лат. hydrargyrum (жидкое серебро). Ртуть представляет собой жидкий металл серебристого цвета. Ртуть устойчива к действию воздуха и воды, не реагирует с кисло- тами и щелочами. Природным источником ртути служит кино- варь и другие сернистые соединения. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): 80 200,59 1,2 II группа 590000 [8] Мировое производство (т/год):8400 [8] Виды промышленности, электронная, добывающая где используется элемент: промышленность, машиностроение, сельское хозяйство, медицина Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): Содержание в атмосфере [3]: океаны: южный полюс: острова: материки: пригород города (макс): Содержание в литосфере: Содержание в почве: 2хЮ"5[1] Зх10"4мкг/м3 0,17нг/м3 5x10"4 мкг/м3 0,02 мкг/м3 0,7хЮ~3 мкг/м3 0,11 мкг/м3 0,08 мг/кг 0,01-1,0 мг/кг [17] 0,05-0,2(1,0) мг/кг [9] 198
Химические элементы - токсичные микроэлементы Содержание в морской воде: 4,9х 10"7 мг/л [ 17] 2х10"5мг/л[9] Содержание в пресной воде: <0,0001 мг/л [9] Применение ртути и ее соединений Ртуть используется при производстве манометров, баромет- ров, термометров, высоковакуумных насосов, полярографов и дру- гих измерительных приборов, а также ртутных ламп, способных излучать высокие дозы ультрафиолетового излучения и катодов для электроламп. Амальгамы ртути используются для извлече- ния из руды золота и серебра. Хлорид ртути (II) (сулема) и мно- гие органические соединения ртути используются для протрав- ки зерна, уничтожения спор и грибков. В медицине применяется амальгама серебра (в качестве пломбировочного материала) и ртутные мази. Хлорид ртути (I) (каломель) Hg2d2 служит лекар- ственным средством и используется также для изготовления ка- ломельных электродов в лабораторном деле. Хлорид ртути (II) (сулема) HgCl2, йодид ртути Hgl2 используются для дезинфек- ции, дератизации и стерилизации. «Белый преципитат» HgCl(NH2) — один из компонентов при изготовлении кожных мазей. Сульфид ртути HgS служит основой для изготовления красной художественной краски. Нитрат ртути (II) Hg(HNO3)2 и цианид ртути (II) Hg(CN)2 используют в растворах для амаль- гамирования (серебрение изделий из нейзильбера). Радиоактив- ные изотопы ртути (205Hg и др.) используются в аналитической химии (активационный анализ, гамма-спектрометрия), а также в методе меченых атомов. Применение ртутных соединений в качестве лечебных средств началось в глубокой древности при лечении кожных заболеваний и сифилиса. В современной медицине используется противовоспалительное, антисептическое и дезинфицирующее действие ртути. Ртуть используется в термометрах, манометрах, ртутно-кварцевых лампах и других приборах медицинского назначения. Физиологическая роль ртути Ртуть поступает в организм человека с морской рыбой, мореп- родуктами и рисом, общим количеством до 0,2 мг/кг в сутки. 199
Глава 7 Ртуть обнаружена во всех органах и тканях организма челове- ка. Хотя физиологическая роль ртути неясна, возможно, что этот элемент играет значительную роль в организме человека. Счита- ется, что оптимальная интенсивность поступления ртути в орга- низм составляет 1-5 мкг/день, однако при частом потреблении морепродуктов и рыбы этот показатель возрастает до 10-20 мкг/ день. Дефицит ртути в организме может развиться при недоста- точном поступлении этого элемента (0,5 мкг/день и менее), а по- рог токсичности равен 50 мкг. Токсичность ртути зависит от той химической формы, в кото- рой она попадает в организм. Металлическая ртуть (в жидком виде) при попадании в организм в целом нетоксична и всасывает- ся в желудочно-кишечном тракте практически полностью. Эле- ментарная ртуть в взвешенном состоянии очень хорошо резорби- руется в респираторном тракте (до 85-90%). С мочой из организма выводится до 52% поступившей ртути, с калом около 48%. Неор- ганические соединения Ag2+ всасываются в желудочно-кишеч- ном тракте в пределах 10% от поступившей дозы, причем 60% выводится с мочой и 40% — с калом. Органические соединения ртути (алкилртутные и арилртутные соединения) всасываются в ЖКТ практически полностью (90%), а выводятся из организма в основном с калом (80%) и мочой. Максимальная концентрация ртути отмечается в почках и составляет 2,7 мкг/г сырого веса. В других тканях эта концентрация ниже и равна 0,05-0,30 мкг/г. Повышенное содержание ртути может отмечаться в волосах (при 0,1-0,5 мкг/г в норме), ногтях и коже. Период полувыведения металлической ртути у человека составляет 70 дней, органичес- кой — 40 дней, паров — 50 дней. Ртуть: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,015 мг [7] 0,004-0,02 мг [15] Суточное поступление с воздухом: 0,001 мг [7] Резорбция (%): ~1% (элементарная) [7] 8-15% (неорганические соединения) [7] 80% (пары, легкие) [7] Суточное выведение [7]:
Химические элементы - токсичные микроэлементы с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) 0,004 мг 0,01 мг следы 0,0009 мг Период полувыведения из организма: 30-60 суток [7] Среднее содержание в человеческом организме: кровь: сыв. крови: кости: мышцы: печень: печень: моча: волосы: ногти: зубы (дентин): молоко: 0,003-0,011 мг/л [10] <0,0001-0,002(0,005) мг/л 0,0078 мг/л10 0,0006-0,059 мг/л [6] 0,0022-0,0058 мг/л [6] 0,04-1,04 мг/кг[10] 0,45 мг/кг[2] 0,02-0,7 мг/кг[2] 0,0019-0,14 мг/кг[10] (0,01)0,02-0,15(0,5) мг/кг 0,033-0,49 мг/кг [6] <0,0001-0,002(0,005) мг/л 0,0001-0,02 мг/л [6] (<0,01)0,05-2,0(5,0) мг/кг 0,5-12,2 мг/кг [6] 0,07-7,3 мг/кг [141] 0,11-3,2 мг/кг [141] 0,0002-0,013 мг/л [6] [3] [3] [3] [3] Токсическая доза для человека: 0,4 мг[2] Летальная доза для человека1: 150-300 мг[2] ПДК: Ртуть ПДК с.с. 0,0003 ПДК в. 0,0005 ПДКп.2,1 Ртуть(Н) амидохлорид ПДК с.с. 0,0003 Ртуть(П) иодид ПДК с.с. 0,0003 Ртуть( II) нитрат ПДК с.с. 0,0003 201
Глава 7 Ртуть( II) оксид ПДКс.с. 0,0003 Ртуть( I), Ртуть( 11) сул ьфат ПДКс.с. 0,0003 Ртуть( 11) тиоцианат ПДКс.с. 0,0003 Ртуть(1) хлорид ПДКс.с. 0,0003 Ртуть( II) хлорид ПДКс.с. 0,0003 TI. ТАЛЛИИ лат.: thallium, англ.: thallium, нем.: Thallium Открыт У. Круксом (Англия) в 1861 г, свое название получил от греч, thallos (зеленый). Таллий — мягкий металл серебристо-белого цвета с сероватым оттенком, образует сплавы с большим количеством других метал- лов. Соединения таллия с мышьяком и фосфором используются в качестве полупроводников. Соединения таллия очень ядовиты. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы: Мировое производство: Виды промышленности, где используется элемент: 81 204,3833 -1,3 III группа данные отсутствуют 30 т/год [2] практически не применяется (незначительно — электронная промышленность) Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 8х 10~5 [ 10] Содержание в литосфере: 0,5 мг/кг [9] Содержание в почве: 0,2-2,8 мг/кг [17] <0,1 -0,5 мг/кг сухого веса [9] Содержание в морской воде: 1,4х 10~5 мг/кг [17] Зх10-6-1х10"5мг/л[9] 202
Химические элементы - токсичные микроэлементы Содержание в пресной воде: Зх 10"5 мг/л [ 17] 1х10-3-1х10"5мг/л[9] Применение таллия и его соединений Таллий практически не применяется в технике. Таллий содер- жится в шламах свинцовых камер заводов по производству серной кислоты, является побочным продуктом при обработке некоторых сланцев и пирита. Изотоп 204Т1 является источником (3-излучения, а изотоп 206Т1 — используется в активационном анализе. Ряд изотопов таллия (199Т1,201Т1) используются в медицине (сцинтиография миокарда, исследования нарушений сердечно- сосудистой деятельности, втом числе микроциркуляции, венография, а также в качестве аппликатора в дерматологии и офтальмологии при лечении заболеваний с поверхностной локализацией процесса, таких как экзема, нейродермит, кератит и др.). Физиологическая роль таллия Таллий обладает выраженной токсичностью, которая обуслов- лена нарушением ионного баланса главных катионов организма — Na+ и К+. Ион Т1+ склонен образовывать прочные соединения с серосодержащими лигандами и таким образом подавлять актив- ность ферментов, содержащих тиогруппы. Поскольку ионные радиусы К+и Т1+ близки, они обладают сходными свойствами и способны замещать друг друга в ферментах. Катион Т1+ обладает большей по сравнению с К+ способностью проникать через кле- точную мембрану внутрь клетки. При этом скорость проникнове- ния Т1+ в 100 раз выше, чем у щелочных металлов. Это вызывает резкое смещение равновесия Na/K, что приводит к функциональ- ным нарушениям нервной системы. Кроме того, таллий наруша- ет функционирование различных ферментных систем, ингиби- рует их, препятствуя тем самым синтезу белков. Именно тот факт, что таллий является изоморфным «микроаналогом» К+, свидетель- ствует о том, что токсичность его соединений для человека суще- ственно выше, чем у свинца и ртути. В норме, суточное поступление таллия с питанием незначи- тельное, всего около 2 мкг, однако таллий очень хорошо резорби- руется в кишечнике. Так же, как и калий, таллий в организме аккумулируется внутри клеток. Как в норме, так и при интокси-
Глава 7 кации таллием, это элемент в основном сконцентрирован в поч- ках, печени, мышцах, органах эндокринной системы, щитовид- ной железе и в яичках. В основном таллий выводится с фекалиями, путем секреции из внутренней среды организма в кишечник. Сопровождается этот процесс конкуренцией К+/Т1+. Выделение таллия через почки в целом незначительно, даже на фоне отравления. Таллий: основные эколого-физиологические данные Суточное поступление с продуктами питания: 0,0015 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,05х 10"3 мг [7] Резорбция (%): 54 [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,0005 мг скалом: 0,001 мг прочие (волосы и др.) 0,1 х 10"6 мг Период полувыведения из организма: 10 суток [7] Среднее содержание в человеческом организме: мышцы: кровь: плазма крови: сыворотка крови: кости: печень: моча: волосы: ногти: зубы (эмаль): 0,07 мг/кг [8] 5хЮ"3мг/л[17] 5х 10"5-5х 10"4(1х 10"3) мг/л [9] 4,8хЮ"4мг/л[9] <2хЮ"4мг/л[8] <0,03 мг/л [8] 0,002 мг/кг [8, 17] 0,00056-0,00285 мг/кг [17] 0,0005-0,002 мг/кг сырого веса [9] <0,0001-0,001 (0,0015) мг/л [9] доО,01(0,02)мкг/кг[9] 0,002-1,6 мг/кг [12] 0,005 мг/кг [12] ПДК: Таллий ПДКм.р. 0,0001 Таллий карбонат ПДКс.с. 0,0004 Летальная доза для человека: 600 мг [8] 204
Химические элементы - токсичные микроэлементы Bi. ВИСМУТ лат.: bismuthum, англ.: bismuth, нем.: Bismut Название элемента произошло от нем. Bismutum. В литерату- ре висмут упоминается с XV века. Висмут это хрупкий, легкоплавкий металл серебристо-бело- го цвета. Он устойчив к действию кислорода и воды и растворим в концентрированной серной кислоте. Природным источником вис- мута являются минералы висмутин, бисмит и ряд других. Атомный номер: 83 Атомная масса: 208,98038 Основные степени окисления в естественных условиях: -3, -1, 3, 5 Место в системе элементов: V группа Мировые запасы (т): данные отсутствуют Мировое производство (т/год): 3000 [8] Виды промышленности, электронная промышленность, где используется элемент: цветная металлургия, медицинская промышленность Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): 6х 10"7 [1] Содержание в литосфере: 0,2 мг/кг Содержание в почве: 0,13-0,42 мг/кг [17] 0,1-1,0 мг/кг сухого веса [9] Содержание в морской воде: 5,1х 10"8 мг/л [17] <2хЮ"5[9] Содержание в пресной воде: 0,05 мг/л [17] Применение висмута и его соединений в промышленности и медицине Висмут используется в качестве компонента многих легкоп- лавких сплавов, как конструкционный материал в приборах для измерения магнитного поля, является составной частью элект- родов для рН-метрии. Дигидроксид-галлат висмута (III) Bi[C6H2(OH)3COO](OH)2 применяется в виде порошка для при- сыпки ран и ожогов. Субгаллат висмута при нанесении на кожу и слизистые оболочки вызывает уплотнение коллоидов внекле-
Глава 7 точной жидкости, слизи, экссудата и образует защитную плен- ку, предохраняющую окончания чувствительных нервов от раз- дражения, которая способна снижать болевые ощущения и пре- пятствовать развитию отека. Изотопы 206Bi, 207Bi, 210Bi, 212Bi используются в физико-химических, радиобиологических и дру- гих исследованиях с применением метода меченых атомов. Изо- топ 206Bi используется для лечения лимфогрануломатоза и лим- фатической лейкемии. Изотоп 209Bi используется для получения полония. Субнитрат висмута в виде мазей и присыпок используется как защитное и противовоспалительное средство при дерматите, экземе, эрозиях и язвах кожи. При назначении внутрь в виде суспензий, гелей или таблеток соли висмута (субсалицилат калия, дицитраттрикалия, субнитрат калия и ряд других), образуют на поверхности слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта защитную пленку, — хелатные соединения с белковым субстратом. Эта пленка способствует уменьшению местного воспалительного процесса, заживлению пептических язв и снижению числа рецидивов. Препараты висмута обладают антибактериальным действием (подавляют рост Helicobacter pylori). Комбинированные препараты, в состав которых входит нитрат висмута основной (викалин, викаир) оказывают вяжущее, противокислотное и умеренное слабительное действие. Соединения висмута используются при воспалительных заболеваниях желудка и кишечника, язве желудка и двенадцатиперстной кишки, диарее различного генеза и т. д. Физиологическая роль висмута Висмут относится к токсичным ультрамикроэлементам. В организм человека висмут поступает в основном с пищей, а так- же с воздухом и водой, в количестве 5-20 мкг/сутки. Всасыва- ние висмута, поступившего в желудочно-кишечный тракт, не- значительно и составляет около 5%. После всасывания висмут обнаруживается в крови в виде соединений с белками, а также проникает в эритроциты. Между органами и тканями висмут распределяется относительно равномерно. Некоторое накопле- ние висмута может наблюдаться в печени, почках (до 1 мкг/г), селезенке и костях. Обнаруживается висмут и в головном мозге. 206
Химические элементы - токсичные микроэлементы Висмут, прошедший через желудочно-кишечный тракт, вы- деляется в виде сульфида висмута, окрашивая кал в темный цвет. Резорбированный висмут выделяется с мочой. О физиологической роли висмута известно немного. Висмут индуцирует синтез низкомолекулярных белков, принимает уча- стие в процессах оссификации, образует внутриклеточные вклю- чения в эпителии почечных канальцев. Возможно, этот элемент обладает генотоксичными и мутагенными свойствами. Висмут: основные эколого-физиологические данные: Суточное поступление с продуктами питания: Суточное поступление с воздухом: Резорбция (%): Суточное выведение [7]: с мочой: скалом: с потом: прочие (волосы и др.) Период полувыведения из организма: 0,02 мг [7] 0,01хЮ~3мг[7] 5 (ЖКТ) [7] 0,002 мг 0,02 мг неизвестно неизвестно 0,6-5 суток [7] Среднее содержание в человеческом организме: кровь: <3мг/л[17] 0,016 мг/л [8] моча: 0,001-0,0025 мг/л [9] кости: <0,2мг/г[8, 17] мышцы: 0,032 мг/кг [8] печень: 0,005 мг/кг сырого веса [9] почки: 0,4±0,1 мг/г [17] волосы: 2 мг/кг [12] ПДК: Висмут и его неорганические соединения ПДК в. 0,1 Висмута оксид ПДКс.с. 0,03 207
Глава 7 Be. БЕРИЛЛИИ лат.: beryllium, англ.: beryllium, нем.: Beryllium Название элемента произошло от греч, beryllos (берилл). От- крыт Н.-Л. Воклендом (Франция) в 1797 г. Бериллий представляет собой блестящий, мягкий и самый лег- кий щелочно-земельный металл серебристо-белого цвета. Не взаи- модействует с воздухом и водой даже при высокой температуре. Природным источником бериллия служат руды и минералы бе- рилл, аквамарин и бертрандит. Атомный номер: Атомная масса: Основные степени окисления в естественных условиях: Место в системе элементов: Мировые запасы (т): Мировое производство (т/год): Виды промышленности, где используется элемент: 4 9,012182 2 II группа 400000 [8] 364 [8] атомная промышленность, приборостроение,авиационная и космическая техника, цветная металлургия Среднее содержание в окружающей среде (%, биосфера): Содержание в литосфере: Содержание в почве: Содержание в морской воде: Содержание в пресной воде: 1хЮ"4[1] 2,8мг/кг 0,1-15 мг/кг [17] 1 -5( 15) мг/кг сухого веса [9] 5,6нг/л[17] 2хЮ-6-1х10-6мг/л[9] менее 1 нг/л [17] 0,0001 мг/л [9] Применение бериллия и его соединений в промышленности и медицине Металлический бериллий используется как материал для из- готовления деталей атомных реакторов в качестве замедлителя и отражателя нейтронов. Бериллий служит легирующей добавкой для специальных сплавов, используется при изготовлении безыс- кровых контактов, входит в состав материала, из которого изго- 208
Химические элементы - токсичные микроэлементы тавливают «окошки» рентгеновских трубок. Оксид бериллия Ве- О применяется в качестве огнеупорного материала для изготовле- ния камер сгорания в ракетной технике. Карбид бериллия Ве2С - является источником химически чистого метана. Бериллий также используется в сплавах с медью и никелем для увеличения их теп- ло- и электропроводности, применяется в атомной промышлен- ности, в приборостроении, в авиационной и космической техни- ке, производстве люминесцентных ламп. Бериллий является компонентом ракетного топлива. Изготовленные из бериллия пру- жины могут выдерживать до 200 млрд. циклов нагрузки. Изотоп бериллия 7Ве используется в исследованиях с использованием метода меченых атомов и в качестве индикатора. Изотоп 9Ве ис- пользуется в геохимии и ядерной метрологии. В медицине бериллий применяется в рентгеновских установках. Физиологическая роль бериллия Бериллий относится к токсичным химическим элементам. В организм человека бериллий может поступать как с пищей, так и через легкие. Среднесуточное поступление бериллия со- ставляет 10-20 мкг. При поступлении в растворимой форме в желудочно-кишечный тракт, бериллий взаимодействует с фос- фатами и образует плохо растворимый Ве3(РО4)2 или связывает- ся белками эпителиальных клеток в прочные протеинаты. По- этому всасываемость бериллия в желудочно-кишечном тракте невелика и колеблется от 4 до 10% от поступившего количества. Следует отметить, что этот показатель зависит также и от кис- лотности желудочного сока. Общее количество бериллия в теле взрослого человека колеб- лется (по различным данным) от 0,4 до 40 мкг. Бериллий посто- янно присутствует в крови, костной и мышечной ткани (0,001-0,003 мкг/г) и других органах. Установлено, что берил- лий может депонироваться в легких, печени, лимфатических уз- лах, костях, миокарде. Выводится бериллий из организма пре- имущественно с мочой (более 90%). Физиологическая роль бериллия недостаточно изучена, одна- ко известно, что бериллий может принимать участие в регуляции фосфорно-кальциевого обмена, поддержании иммунного статуса организма. Установлено, что активность соединений бериллия 209 8 Химические элементы в физиологии и экологии человека
Глава 7 отчетливо проявляется в различных биохимических превращени- ях, связанных с участием неорганических фосфатов. Все соединения бериллия ядовиты. Тканями-мишенями для бериллия являются слизистые оболочки человека (легкие, верх- ние дыхательные пути), а также кожные покровы. Бериллий: основные эколого-физиологические данные: Суточное поступление с продуктами питания: 0,01 мг [7] Суточное поступление с воздухом: 0,009х 10~3 мг[7] Резорбция (%): 1-10 (ЖКТ) [7] Суточное выведение [7]: с мочой: 0,001 мг скалом: 0,01 мг с потом: — прочие (волосы и др.) — Период полувыведения из организма: 1040 суток [7] Среднее содержание в человеческом организме мг/70кг: 0,036 [8, 17] кровь: 1,0±0,4 мг/л [6,9] <0,00001 мг/л [9] кости: 0,0003 мг/кг [8, 17] волосы: 0,005-0,01 мг/кг [9] мышцы: 0,032 мг/кг [8, 17] 0,00075 мг/кг [11] моча: 0,4-0,9 мг/л [8, 17] 0,0004-0,001 мг/М9] ПДК в атмосферном воздухе: 0,00001 мг/м3(ВДК) ПДКв. 0,001 мг/л 210
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВАМ 1 -2 1. Авцын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэле- ментозы человека: этиология, классификация, органопатология. — М.: Медицина, 1991. 2. Агаджанян Н. А., Ермакова Н. В. Экологический портрет человека на Севере. — М.: Крук, 1997. 3. Агаджанян Н. А., Скальный А. В. Химические элементы в среде обита- ния и экологический портрет человека. — М.: КМК, 2001. 4. Агаджанян Н. А., Сусликов В. Л., Ермакова Н. В., Капланова А. Ш. Эколого-биогеохимические факторы и здоровье человека // Экология че- ловека. 2000. — №1. 5. Алексеева Г. И. Географическая среда и биология человека. — М.: Мысль, 1977. 6. Белякова Т. М. Антропобиогеохимические провинции и заболевания био- геохимической природы // Материалы 2 Российской школы «Геохими- ческая экология и биогеохимическое районирование биосферы», Москва, 25-28 января 1999. — М., 1999. 7. Биккулова А. Т, Ишмуратова Г. М. Биоэлементология s-, p-, d-элемен- тов. — Спб.: «Наука», 1999. 8. Быков А. Т., Диженина И. И., Левин Ю. М., Свириденко Л. П. Эндоэко- логия и аппаратная физиотерапия. — М.-Сочи: Сити-Сервис, 1997. 9. Венчиков А. И. Биотики. — Ашхабад: Илым, 1967. 10. Виноградов А. П. Химический элементный состав организмов и периоди- ческая система Д. Н. Менделеева // Тр. Биохим. лаб. АН СССР. — 1935, Вып.3. 11. Георгиевский В. И., Анненков Б. П., Самохин В. Т. Минеральное пита- ние животных. — М.: Колос, 1979. 12.Гичев Ю. П. Современные проблемы экологической медицины. — Ново- сибирск: СО РАМН, 1996. 13. Ермаков В. В. Геохимическая экология как следствие системного изуче- ния биосферы. // Тр. биогеохим. лаб. — 1999. 14. Ершов Ю. А., Плетенева Т. В. Механизмы токсического действия неорга- нических соединений. — М.: Медицина, 1989. 15. Ершов Ю. А., Попков В. А. Берлянд А. 3., Книжник А. 3. Общая хи- мия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. — М.: Выс- шая школа, 2000. 16. Жаворонков А. А., Михалева Л. М. Проблема микроэлементозов челове- ка // Материалы 2 Российской школы «Геохимическая экология и био- геохимическое районирование биосферы». Москва, 25-28 января 1999. — М.: 1999. 17. Жук Л. И., Кист А. А. Картирование элементного состава волос // Акти- вационный анализ. Методология и применение. — Ташкент: Фан, 1990. 18. Захарченко М. П., Маймулов В. Г., Шабров А. В. Диагностика в профи- лактической медицине. — Спб.: МФИН, 1997. 211
Литература 19.Измеров Н. Ф., Саноцкий И. В. Идеи Павлова в экологии // Экология человека. 2000. № 1. 20. Интегративная медицина и экология человека (Под ред. Н. А. Агаджа- няна, И. Н. Полунина). — Астрахань: АГМА, 1998. 21. Кист А. А. Феноменология биогеохимии и бионеорганической химии. — Ташкент: Фан, 1987. 22. Ковальский В. В. Геохимическая среда и жизнь. — М.: Наука, 1987. 23. Ковальский В. В. Геохимическая экология. — М.: Наука, 1974. 24. Крисе Е. Е., Волченскова, Григорьева А. С, Конахович Н.Ф. Координа- ционные соединения металлов в медицине. — Киев: Наукова думка, 1986. 25. Кудрин А. В., Скальный А. В., Жаворонков А. А., Скальная М. Г. Им- мунофармакология микроэлементов // КМК, 2000. 2б.Маймулов В. Г., Нагорный С. В., Шабров А. В. Основы системного ана- лиза в эколого-гигиенических исследованиях. — Спб.: Спб. ГМА им. И. И. Мечникова, 2000. 27.Меерсон Ф. 3. Адаптация, стресс и профилактика. — М.: Наука, 1981. 28. Панин Л. Е. Биохимические механизмы стресса. — Новосибирск: Наука, 1983. 29. Покатилов Ю. Г. Биогеохимия биосферы и медико-биологические проблемы. — Новосибирск: Наука, 1993. 30. Решетник Л. А. Клинико-гигиеническая оценка микроэлементных дис- балансов у детей Прибайкалья // Автор, дисс. ... докт. мед. наук. — Ир- кутск, 2000. 31.Савилов Е. Д., Колесников С. И., Красовский Г. Н. Инфекция и техно- генное загрязнение: подходы к управлению эпидемическим процессом. — Новосибирск: Наука, 1996. 32.Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. и др. Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990. 33. Скальный А. В. Эколого-физиологическое обоснование эффективности использования макро — и микроэлементов при нарушениях гомеостаза у обследуемых из различных климатогеографических регионов // Дисс. ... докт. мед. наук — М., 2000. 34. Скальный А. В. Микроэлементы для вашего здоровья — М.: Оникс XXI в, 2003. 35. Скальный А. В., Быков А. Т. Эколого-физиологический аспект примене- ния макро- и микроэлементов в восстановительной медицине. — Орен- бург: РИК ГОУ ОГУ, 2003. — 198 с. 36. Скальный А. В., Быков А. Т., Серебрянский Е. П., Скальная М. Г. Мето- дико-экономическая оценка риска гипермикроэлементозов у населения мегаполиса. — Оренбург, РИК ГОУ ОГУ, 2003. — 134 с. 37. Скальный А. В., Рудаков И. А. Биоэлементы в медицине. — М.: Мир, 2003. — 272 с. 38.Смоляр В. И. Гипо- и гипермикроэлементозы. — Киев: Здоровье, 1989. 39. Сусликов В. Л. Геохимическая экология болезней. Т.1. Диалектика био- сферы и ноосферы. — М.: Гелиос АРВ, 1999.
Литература 40. Сусликов В. Л. Геохимическая экология болезней. Т. 2. Атомовиты. — М.: Гелиос АРВ, 2000. 41.Экогеохимия Западной Сибири. Тяжелые металлы и радионуклиды // РАН, Сиб. отделение. Научн. ред. Г. В. Поляков. — Новосибирск: СО РАН, 1996. 42. Anke M. Trace elements intake and balance of adults in Central Europe // TEMA-10. Evian. 3-7 of May, 1999. — Evian. 1999. 43. Anke M., Rish M. Haaranalyze und Spurenelement status. — Jena: Gustav Fischer Verlag, 1997. 44. Chappuis P., Aral В., Ceballos-Picot I. Copper related diseases // Metal Ions in Biology and Medicine / Eds Ph. Collery, P.Bratter, V.Negretti de Bratter, L.Khassanova, J.C.Etienne. Paris: John Libbey Eurotext, 1998. — Vol. 5. 45.Grandjean P., Sandoe S.H., Kimbrough R.D. Non-specifity of clinical signs and symptonic caused by environmental chemicals. // Hum. and Exp. Toxicol. — 1991.-Vol.10. — N.3. 46. Kieffer F. Metals as essential trace elements for plants, animals and humans. // Metals and their composition in the environment. Ed. by E.Merian, VCH- Weinheim, 1990. 47. Kirchgessner M. Underwood memorial lecture. Homeostasis and homeorhesis in trace element metabolism // Trace Elements in Man and Animals-TEMA- 8 / Eds M.Anke, D.Meissner, C.F.Mills. Dresden, 1993. 48.Krause C, Chutsch M., Henke M. et al. // Umweltsurvey. — 1989. 49. Metal toxicology. / Ed. R.A.Goyer, C.D.Klassen. M.P.Waalkes. — San Diego: Academic Press, 1995 50. Momcilovic B. The epistemology of trace element balance and interaction. / / TEMA-6. Pacific Grove, California, May, 31 — June 5, 1987. New York: Plenum Press, 1988. 51. Negretti de Bratter V. Epidemiological occurrence of trace element deficiency in childhood and treatment concept. // TEMA-10. Evian. 3-7 of May, 1999. — Evian, 1999. 52.Prasad A.S. Zinc an overview // Nutr. 1995. — Vol. 11. 53.Sabbioni E., Minoia C, Pietra R. et al. Trace elements reference values in tissues from inhabitants of the European Community. // J. Sci. Total Environ. — 1992.— Vol.120. 54. Said M. The hypothesis of elements. // Proc. 1st Int. Confer, on elements in Health and Disease. New Dehli, 6-10 Feb. 1983. — Dehli, 1983. 55.Sandstead H.H. Zinc deficiency. A public health problem? // Am. J. Dis. Child. 1991. —Vol. 145. 56.Skalny A. V. Interelemental relationships and oncological morbidity in the extremely As-polluted area. // 8th Inter. Symp. on Trace Elements in Man and Animals «TEMA-8», May 16-21,1993, Dresden, Germany. 57. Underwood E. J. Trace elements in human and animal nutrition / 3th ed. — N.Y.: Academic Press, 1971. 213
Литература ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВАМ 3-7 1. Виноградов А. П. Химический элементный состав организмов и периоди- ческая система элементов Д. И. Менделеева // Тр. БИОГЕЛ АН СССР. — 1935. — №3. 2. Ершов Ю. А., Попков В. А. Берлянд А. 3., Книжник А. 3. Общая хи- мия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. — М.: Выс- шая школа, 2000. 3. Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов. Справочник в 6 кн. М.: Недра, 1994. 4. Ковальский В. В. Биосфера и ее ресурсы. — М.: Наука, 1971. 5. Химия окружающей среды / Под. ред Дж. О. М. Бокрис. М.: Химия, 1982. 6. Химия: Справочное издание / В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, X. Бибрак и др.: Пер. с нем. 2 е изд. — М.: Химия, 2000. 7. Человек. Медико-биологические данные. Публ. 23. МКРЗ. М.: Медици- на, 1977. 8. Эмсли Дж. Элементы. Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. 9. Bertram H.P. Spurenelemente: Analytik, okotoxikologische und medizinisch — klinische Bedeutung. Munchen, Wien, Baltimore: Urban und Schwarzenberg, 1992. 10. Bowen H. J.M. Trace elements in biochemistry. New-York-London. Academic Press. 1966. 11. Bratter P., Forth W., Fresenius W. et al. Mineralstoffe und Spurenelemente Hrsbg: Bertelsmann Stiftung. Gutersloh: Verlag Bertelsmann Stiftung, 1992. 12.1yengar G.V., Kollmer W.E., Bowen H.J.M. The elements composition of human tissues and body fluids. Weinheim — New-York. Verlag hemie. 1978. 13. Iyengar G.V., Woittiez J. Trace elements in human Clinical Specimens: Evalu- ation of Literature Date to identify Reference Values // Clin Chem 34/3, 1988. 14.Matusiewicz H. Analytica Chimica Acta, 207, 1988. 15. Modern nutrition in health and disease. 9th Edition. / M.L.Shils, J.A.Olson, M.Shike and A.C.Ross, eds. Philadelphia et al.: Lippincoff Williams & Wilkins, 1999.— 1951 p. 16. Oberleas D., Harland B.F., Bobilya D. J. Minerals: Nutrition and Metabolism. — New York: Vantage Press, 1999. 17. Pais I., Benton Jones J. The handbook of trace elements. — Boca Raton: St. Lucie Press, — 1997. 18. Reichl F.-X. Taschenatlas der Toxikologie: Substanzen, Wirkungen, Umwelt. akt. Auflage.-Stuttgart, N.Y.: Georg Thieme Verlag, 2002. 19. Ryabukhin Yu. S. Nuclear based methods for the analysis of trace elements puollutants in human hair. // J. Radioanalyt. Chem. — Vol.60. — No 1. 1980. 20. Suter P.M. Checkliste Ernahrung. — Stuttgart, N.Y.: Georg Thieme Verlag, 2002. 21.Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe / H.K.Biesalski, J.Kohrle, K.Schumann. — Stuttgart: Thieme, 2002. 214
СОКРАЩЕНИЯ ПДК р.з предельно допустимая концентрация химического ве- щества в воздухе рабочей зоны, мг/м3 ВДК р.з временно допустимая концентрация (ориентировоч- ный безопасный уровень воздействия) химического ве- щества в воздухе рабочей зоны, установленная расчет- ным путем, мг/м3 (временный норматив на 2 года) ПДК м.р предельно допустимая максимальная разовая концен- трация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3 ПДК с.с предельно допустимая среднесуточная концентрация хи- мического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3 ВДК а.в временно допустимая концентрация (ориентировоч- ный безопасный уровень воздействия) химического ве- щества в атмосферном воздухе, установленная расчет- ным путем, мг/м3 (временный норматив на 3 года) ПДК в предельно допустимая концентрация химического ве- щества в воде водоема, мг/л ВДК в временно допустимая концентрация (ориентировочно допустимый уровень) химического вещества в воде, ус- тановленная расчетным путем, мг/л (временный нор- матив на 3 года) ПДК р.х предельно допустимая концентрация химического ве- щества в воде рыбохозяйственного водоема, мг/л; ВДК р.х временно допустимая концентрация (ориентировочно допустимый уровень воздействия) химического веще- ства в воде рыбохозяйственного водоема, мг/л (времен- ный норматив на 2 года) ПДК п предельно допустимая концентрация химического ве- щества в почве, мг/кг ВДК п временно допустимая концентрация (ориентировочно допустимое количество) химического вещества в почве, мг/кг (временный норматив на 2 года) 215
Учебное пособие Скальный Анатолий Викторович ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ФИЗИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА Дизайн обложки С. В. Меркулова Оригинал-макет подготовлен О.К.Макаренко ИД №02795 от 11.09.2000 г. Общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 2; 953 004 — научная и производственная литература Подписано в печать 10.10.2003 Бумага офсетная. Печать офсетная. Формат 60x90 У,6. Усл. печ. л. 13,5. Уч.-изд. л. 20,2. Тираж 10 000 экз. Заказ № 3821. ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век» 105066, Москва, ул. Доброслободская, 5а Отдел реализации: тел. (095) 310-75-25, 110-02-50 Internet: www.onyx.ru; e-mail: mail@onyx.ru Издательство «Мир» Министерство РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций 107996, ГСП-6, Москва, 1-й Рижский пер., 2 Отпечатано на ФГУП Тверской ордена Трудового Красного Знамени полиграфкомбинат детской литературы им. 50-летия СССР Министерства Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций. 170040, г. Тверь, проспект 50-летия Октября, 46.