Pojem kovových stopových prvků neboli ETM má tendenci nahrazovat pojem těžkých kovů špatně definovaný, protože méně toxické kovy, které jsou pro ostatní (metaloidy) opravdu těžké . Všechny ETM jsou toxické nebo toxické nad určitou prahovou hodnotu a některé jsou radioaktivní ( radionuklidy ). Jejich koncentrace v životním prostředí (voda, vzduch, půda, organismy) jsou výsledkem antropogenních (průmysl, doprava atd.) A přírodních vstupů (vulkanismus a změna primárních minerálů); emitované do životního prostředí, jsou tam redistribuovány v půdních profilech pomocí pedogeneze a bioturbace a v ekosystémech prostřednictvím jevů bioassimilace a biokoncentrace. Teoretické předpokládané přirozené koncentrace ETM se nazývají „ geochemické pozadí “.
V závislosti na prvky a kontextu ( kyselosti prostředí, součinnost mezi ETM nebo mezi ETM a jiných znečišťujících látek, chemické speciace , atd ), jsou více či méně bioassimilable a mohou být bioconcentrated do potravinového řetězce. To je důvod, proč některé podléhají monitorování (regulační nebo dobrovolné) ve vodě, vzduchu (spojené s aerosoly nebo prachem), půdě, jídle, čistírenským kalům atd. Nové problémy představují kovové nanočástice kvůli jejich novým vlastnostem (a zatímco některé byly nedávno široce používány; například nanosilver ).
Některé kovy jsou nezbytné v nízkých dávkách ( stopové prvky ) a jiné jsou vysoce toxické; proto bylo nedávno (2010) navrženo doplnit krevní testy a klasické zdravotní kontroly kovovým profilem .
Průměrná globální normalizovaná hojnost prvku ve skále z kůry se nazývá „value Clarke“ ( Clarke hodnota pro angličtinu), což pro daný kov v půdě nebo v sedimentu nebo v geologickém materiálu rozumí jeho průměrný obsah ve světě v tomto substrátu.
Někdy odkazujeme na tuto průměrnou hodnotu prostřednictvím faktoru obohacení (EF) pro daný chemický prvek v environmentální složce, abychom odhadli, že úroveň takového nebo takového prvku je v této složce abnormálně vysoká, což může být známkou znečištění .
Pojem „ heavy metal “ je věcný, průmyslový koncept , především empirický , bez přesné vědecké definice nebo jednomyslně uznávané techniky.
Například v informační zprávě pro francouzský Senát Účinky těžkých kovů na životní prostředí a zdraví bylo uvedeno: „Název těžké kovy je však běžný název, který nemá vědecký základ ani právní aplikaci. "
Evropa dospěla k rozhodnutí tím, že v roce 2000 navrhla definici platnou pro evropské právo a definici členských států, zejména v oblasti odpadu: „těžký kov“ znamená „jakoukoli sloučeninu antimonu , arsenu , kadmia , šestimocného chromu , měď , olovo , rtuť , nikl , selen , telur , thalium a cín, jakož i tyto materiály v kovové formě , pokud jsou klasifikovány jako nebezpečné látky " a obecněji je„ nebezpečnou látkou " látka který byl nebo bude klasifikován jako nebezpečný směrnicí 67/548 / EHS nebo jejími následnými změnami “ .
Mnoho ETM má využití v biologickém procesu: například železo je základní složkou hemoglobinu , zinek , měď a selen jsou základní stopové prvky .
Všechny kovové stopové prvky jsou přirozeně přítomny ve stopových množstvích v půdě. Lidská aktivita mohla tuto přítomnost posílit; mnoho ETM hraje v každodenním životě důležitou roli:
Při spalování pevných nebo kapalných fosilních paliv (uhlí, ropné produkty) se také pravděpodobně uvolňují kovy do popela (hydrobinátu), par a dýmů. Ze všech paliv je energie dřeva v metropolitní Francii hlavním zdrojem těžkých kovů do atmosféry (kromě rtuti a niklu).
Dostupnost a biologická dostupnost ETM zavedeného do životního prostředí závisí na mnoha faktorech a především na následujících procesech:
... a za druhé, dalšími faktory dostupnosti jsou:
MTE, které představují nejpřímější a bezprostřední problémy pro životní prostředí a zdraví, jsou ty, které jsou nejtoxičtější a jsou emitovány ve formě iontů nebo nanočástic nebo jsou spojeny s malými aerosoly .
Jsou-li přítomny ve vzduchu ( znečištění silnic , průmyslové znečištění , spalování atd.), Jsou převážně evakuovány z atmosférického prostoru mokrou depozicí. Poté se nacházejí v půdách, sedimentech a pórových vodách, poté v organismech a ekosystémech, pro které mohou představovat problém. Někteří bezobratlí (například červi) je mohou fixovat díky chelatujícím molekulám ( metaloproteiny obecně) a vylučovat část z nich prostřednictvím hlenu nebo exkrementů ; pak je mohou vynést na povrch půdy nebo sedimentů; tyto kovy nebo metaloidy jsou pak znovu biologicky dostupné pro bakterie, rostliny nebo jiné druhy, které je mohou znovu bioakumulovat .
Stejně jako organochlorines na nichž mohou přidávat své negativní účinky, ETMS masivně propuštěn lidmi do vody, vzduchu a půdy jsou významné kontaminanty z ekosystémů a do potravního řetězce . Na rozdíl od většiny ostatních znečišťujících látek nejsou biologicky odbouratelné ani rozložitelné.
Najdou je zejména zvířata velmi koncentrovaná v čele potravinového řetězce; zejména dravých mořských ptáků a superdravých kytovců ), a tudíž někdy v potravinovém řetězci člověka.
Kovové stopové prvky mohou být také bioakumulovány v rostlinných tkáních a vyvolávat poruchy v jejich metabolismu . V důsledku fenoménu biokoncentrace lze TME ve skutečnosti nalézt v rostlinách v koncentracích vyšších, než jsou koncentrace přítomné v životním prostředí. Uvědomte si, že akumulace ETM v rostlině nemusí nutně mít za následek změnu zdravotního stavu rostliny nebo výskyt viditelných příznaků kontaminace. Toxický účinek těchto prvků se liší především podle druhu přítomného kovu, jeho koncentrace v rostlině, doby expozice a podle ovlivněných druhů rostlin.
Kovové stopové prvky mohou vyvolat negativní účinky na celkové zdraví rostlinných druhů interferencí s několika mechanismy: vstřebávání živin v půdě, fotosyntéza , klíčení , dělení buněk , růst .
ETM přítomné v půdě ve formě kationtů ( např. Cd +2 , Cr +6 , Cu +2 , Ni +2 ) mohou soutěžit s jinými kationty v půdě, které normálně slouží jako základní živiny pro rostlinu. ( Např .: Ca 2+ , K + , Mg 2+ ). Absorpce ETM kořenovým komplexem jedince tak vede k inhibici nebo stimulaci absorpce kationtů z půdy, což modifikuje metabolismus rostliny. Například absorpce kadmia by mohla vést k menší asimilaci draslíku (v důsledku konkurenčního účinku) a způsobit nedostatek této živiny.
Tyto kovy také způsobit pokles chlorofylu koncentrace v rostlině, snížení fotosyntézy následující změnou v dopravě elektronů a narušení těchto enzymů v Calvinově cyklu ( například:. Přerušení Rubisco , enzym, který řeší CO 2atmosférický nutný pro fotosyntézu). Snížení obsahu chlorofylu lze vysvětlit skutečností, že TME mají za následek degradaci tylakoidní membrány .
Na úrovni klíčení indukují kovové stopové prvky snížení rychlosti klíčení rostlinných semen. Bylo skutečně prokázáno, že například nikl ovlivňoval aktivitu několika enzymů ( amylázy , proteázy a ribonukleázy ), což zpomalovalo klíčení a růst v různých studovaných rostlinách. Kadmium samo o sobě indukuje poškození membrán semen kromě toho, že snižuje nutriční rezervy rostlinného embrya obsaženého v dělohách .
Tyto ETM také způsobují poruchy buněčného dělení rostlin. Ve skutečnosti bylo prokázáno, že kadmium, rtuť a olovo (mimo jiné) mají schopnost poškodit jádro buněk a inhibovat enzymatické aktivity DNázy a RNázy , což v konečném důsledku způsobuje narušení syntézy DNA .
V závislosti na míře stresu způsobeného TME může rostlina snížit svůj růst a na povrchu listů vykazovat známky nemoci (skvrn). Tyto příznaky chlorózy jsou důsledkem ztráty chlorofylu a nedostatku železa v rostlinném organismu. Z nekrózy jsou také pozorovatelné v průběhu těžké intoxikace.
Některé rostliny si v průběhu evoluce vyvinuly mechanismy odolnosti proti přítomnosti kovových stopových prvků v životním prostředí. První rostlinná strategie spočívá v jednoduchém oddálení absorpce kovů a tím v maximální možné míře snížení koncentrace toxických prvků v těle. Jiné rostliny izolují kovy ve svých listových vakuolách, zatímco jiné je hromadí v trichomech (rostlinných výrůstcích) přítomných v epidermis . V obou případech tak rostliny zabraňují toxickým prvkům v kontaktu s mezofylem (vnitřní část listu) a působením na metabolismus. Další strategií je vysrážení ETM nebo vytvoření komplexu mezi ligandem a kovovým kationtem ( chelatace ), který rostlinu detoxikuje.
Extrakce vyluhováním (poté úprava vody) spočívá v zaplavení půdy vodou nebo chemickými látkami, poté v regeneraci vody, obvykle následované úpravou. Znečišťující látky lze také izolovat v pěnách vytvořených provzdušňováním a vhodnými chemikáliemi.
Biologická léčba Bylinná léčbaBylinná léčba ( Phytoremediace ) je použití rostliny na chelát kovů. Rostlin jako biologických prostředků již existuje několik.
Sanace řasSanace řas nebo fykoremediace je použití řas k očištění prostředí. Řasy tvoří zajímavé pole; zejména pro svou známou toleranci k TME a perzistentním organickým polutantům, jejich rychlému růstu, vysokému poměru povrch / objem (což umožňuje větší absorpční povrch), fytochelatinům (proteiny, které chelatují kovy a zabraňují jejich toxičnosti) a jejich potenciálu genetická manipulace.
Odolnost proti řasámČetné studie ukazují, že řasy jsou účinnými bioindikátory . Například koncentrace kadmia, olova, zinku v tkáni řas Enteromorpha a Cladophora roste úměrně s koncentrací kovů ve vodě. Chlorophyta a Cyanophyta mají ve srovnání s jinými druhy vysoké biokoncentrační a bioakumulační faktory. Phacophyta (hnědé řasy) má silnou afinitu k těžkým kovům díky sulfátovým a alginátovým polysacharidům.
Níže uvedená tabulka představuje několik druhů řas a kovů, vůči kterým jsou rezistentní.
Druh | Akumulovaný kov |
---|---|
Ascophyllum nodosum | (Au), (Co), (Ni), (Pb) |
Caulerpa racemosa | (B) |
Cladophora glomerata | (Zn), (Cu) |
Fucus vesiculosus | (Ni), (Zn) |
Laminaria japonica | (Zn) |
Micrasterias denticulata | (CD) |
Oscillatoria sp. | (Cd), (Ni), (Zn) |
Phormedium bohner | (Cr) |
Phormedium ambiguum | (Hg), (Cd), (Pb) |
Phormedium corium | (Cd), (Ni), (Zn) |
Platymonas subcordiformis | (Sr) |
Sargassum filipendula | (Cu) |
Sargassum fluitans | (Cu), (Fe), (Zn), (Ni) |
Sargassum natans | (Pb) |
Sargassum vulgare | (Pb) |
Scenedesmus sp. | (Cd), (Zn) |
Spirogyra hyalina | (Cd), (Hg), (Pb), (As), (Co) |
Spirogyra halliensis | (Co) |
Tetraselmis chuil | (Tak jako) |
Studie ukazují, že účinnost skladování ETM v rostlinných tkáních je lepší než u organismů, které nadměrně exprimují chelatující proteiny těžkých kovů (zejména fytochelatiny, nikotianamin a zejména metalothionin).
Kov | Mechanismus detoxikace řasami |
---|---|
(Cd), (Cu), (Ag), (Hg),
(Zn), (Pb) |
Metalothioniny (MT), fytochelatiny
(PC) |
Nebo | Histidin |
(Pb), (Cu), (Cd), (Zn), (Ca) | Sloučeniny buněčných stěn (algináty, kyselina guluronová, sulfátované polysacharidy) |
Bylo provedeno několik projektů na dekontaminaci ETM řasami.
Živel | Miligramů | |
---|---|---|
Žehlička | 4000 | |
Zinek | 2 500 | |
Vést | 120 | |
Měď | 70 | |
Cín | 30 | |
Vanadium | 20 | |
Kadmium | 20 | |
Nikl | 15 | |
Selen | 14 | |
Mangan | 12 | |
jiný | 200 | |
Celkový | 7 000 |
Některé ETM (zařazené hlavně do období 4 ) jsou nezbytné - ve stopových množstvích - pro určité životně důležité biologické procesy.
Patří mezi ně železo , zinek a měď .
Železo a měď jsou nezbytné pro transport kyslíku a elektronů, zatímco zinek se podílí na hydroxylaci a spermatogenezi .
Rtuť a olovo nemají žádné známé použití. Toxické pro buňku bez ohledu na jejich dávku jsou čistými kontaminanty organismu. Olovo negativně ovlivňuje metabolismus vápníku.
Kobalt (přes Vitamin B12 se účastní syntézy určité komplexní a buněčný metabolismus EU. Vanadu a manganu jsou mimo kontrolu enzymových kofaktorů, malá dávka chrómu je nezbytné pro využití glukózy a nikl se podílí na růstu buněk ) ; arsen podporuje velmi nízké dávky metabolický růst některých zvířat a možná i lidé. Selen je antioxidant funkční a ukazuje důležité pro výrobu určitých hormonů .
Období 5 a doba 6 Mendeleev tabulky obsahují méně než stopových prvků těžkých kovů. To je v souladu s předpokladem, že těžší kovy mají tendenci být na zemském povrchu méně hojné, a proto je méně pravděpodobné, že budou nezbytné pro metabolismus.
V období 5 najdeme molybden, který katalyzuje redoxní reakce . Kadmia (vysoce toxické pro člověka) jeví jako nezbytné v některých rozsivek ] moře pro stejný účel; Cín je nezbytný pro růst mnoha druhů.
Během období 6 vyžaduje metabolismus některých archaeí a bakterií wolfram .
Nedostatek esenciálních kovů v kterémkoli z období 4 až 6 může zhoršit citlivost na otravu těžkými kovy ( otrava olovem , hydrargyrismus , Itai-itaiova choroba ). Naopak jakýkoli přebytek těchto kovů může mít velmi škodlivé účinky na zdraví.
V průměru současné lidské tělo o hmotnosti 70 kg obsahuje 0,01% těžkých kovů, neboli asi 7 g (méně než hmotnost dvou čtverečků cukru). Většina z toho je železo (~ 4 g), zinek (~ 2,5 g) a je kontaminována olovem (~ 0,12 g), 2% lehkých kovů (~ 1,4 kg) a téměř 98% nekovů ( hlavně vody ) (mezi prvky obecně uznávané jako metaloidy, B a Si byly počítány jako nekovy; Ge, As, Sb a Te jako těžké kovy).
Některé ETM nebo jiné než podstatné těžké kovy mají biologické účinky. Tak galium , germanium ( nekovové ), indium a většina z lanthanoidů jsou schopné stimulovat metabolismus, zatímco titan by podpořilo růst rostlin.
Bylo prokázáno mnoho škodlivých fyziologických účinků u TME přesahujících určité prahové hodnoty, které jsou někdy velmi nízké (například v případě olova nebo metylortuti), u lidí a na zvířecích modelech, u velkého počtu druhů (savci, ptáci, plazi, obojživelníci, ryby atd. ).
Toxikologický dopad ETM však do značné míry závisí na jejich chemické formě (nazývané „chemické druhy“), jejich koncentraci, environmentálním kontextu (proto se snažíme zmapovat znečištění, zejména v bývalých průmyslových oblastech), jejich biologické dostupnosti. a možnost průchodu v řetězci živých věcí ( trofická síť ). Existuje také určitá genetická složka, díky níž je tělo více či méně schopné vylučovat určité toxické kovy (například olovo). A konečně mezi různými ETM mohou existovat přitěžující synergické účinky.
Jeden rozlišuje zejména tři kovy rtuť , olovo , kadmium , u nichž na jedné straně nelze prokázat pozitivní roli pro biologickou aktivitu a které na druhé straně mohou být původcem těžké otravy nebo chronického onemocnění, dokonce v nízkých dávkách; například absorpce olova způsobuje otravu olovem , zvláště závažnou u dětí, kadmium ničí ledviny a degraduje játra a rtuť je silný neurotoxikant. Hliníku může představovat neurotoxicitu u lidí, ale jsou stále zkoumány limity látek a rozsah těchto účinků.
Naopak, jiné kovy jsou nezbytné ( stopové prvky ) a ještě další se zdají, přinejmenším v kovové formě (v iontové formě tomu tak není) bez účinků na organismus; tyto látky jsou považovány za „biologicky kompatibilní“ a používají se v chirurgii nebo stomatologii, jako je titan a zlato , nebo běžné kovy, jako je železo , nelze srovnávat s rtutí, olovem a kadmiem. Jiné kovy mohou být v určitých formách velmi toxické ( chrom VI, oxidovaná měď ( Verdigris )…).
Používání určitých ETM je proto v určitých aplikacích přísně regulováno nebo dokonce zakázáno. Je třeba zabránit uvolňování do životního prostředí na konci použití a tyto kovy recyklovat.
Ve studii o zdraví bylo kromě tradičních krevních testů nebo analýz moči nedávno navrženo nemocničními lékaři, aby zvážili kovový profil jednotlivců.
Tyto amalgámové výplně (s názvem „náplně“) a které jsou široce používány ve frankofonních zemích a anglosaský jsou nyní předmětem diskuse, protože obsahují některé toxické těžké kovy: rtuť , ale také stříbro a cín . Některé země jako Švédsko, Německo, Dánsko, Japonsko, Rusko a Norsko jejich používání omezují a poslední tři je jednoduše zakázaly. Ve Francii a Belgii se mělo za to, že důkazy o jejich toxicitě nejsou dostatečné pro odvození škodlivosti, která není vyvážena výhodami rtuti.
Teploměry rtuť byly zakázány z prodeje v EU .
Tyto baterie rtuti jsou zakázány v Evropě (směrnice 98/101 / ES), jelikožprosince 1998 pro otázky životního prostředí.
V roce 2021 je 97 až 100% Francouzů (dospělých a dětí) infikováno ETM s mírou vyšší nebo rovnou míře zaznamenané v letech 2006-2007. Potraviny a tabák jsou hlavní zdroje znečištění. Veřejné zdraví Francie doporučuje jíst ryby dvakrát týdně, včetně tučných ryb (pro jejich nutriční výhody ), ale diverzifikací druhů a lovišť (omezit koncentrace znečišťujících látek).
Kromě chorob, jako je otrava olovem , makrofágová myofasciitida , hydrargyrie nebo Itai-itaiova choroba přímo vyvolaná jediným kovem, jsou patologie vyvolané kovy pravděpodobně nejčastěji multifaktoriální, přičemž několik kovů může působit synergicky (pozitivně nebo negativně) a může také interagují s jinými toxickými látkami nebo přirozeně chelatujícími nebo ochrannými látkami .
Zdá se, že faktory prostředí jsou zapojeny do řady případů neurodegenerativních onemocnění. Některé toxické a neurotoxické těžké kovy patří mezi první podezřelé.
Zejména rtuť a olovo by mohly působit synergicky a inhibovat nebo zabíjet nervové buňky. Určité pesticidy jsou také podezřelé ze schopnosti jednat v synergii s kovy.
Monnet-Tschudi a jeho tým v roce 2006 zveřejnili dlouhý seznam důkazů o odpovědnosti za těžké kovy jako o iniciátorech neurodegenerativních onemocnění nebo o jejich zhoršování.
V mnoha zemích je pravidelně analyzována přítomnost TME (zejména olova, rtuti a kadmia) ve vodě, ovzduší, zemědělské půdě a některých potravinách, materiálech (např. Barvy) a předmětech (např. Dětské hračky).
Ve Francii jsou zemědělské půdy, které mohou být znečištěny různými zdroji ETM (mokré nebo suché usazeniny ze znečištění ovzduší , hnojiva, rozmetání kejdy, kontaminovaný hnůj nebo komposty, olovo z lovu, válečné následky atd. ) Sledovány půdou observatoř kvality a síť pro měření kvality půdy (RMQS) na základě pravidelného odběru vzorků prováděného sítí experimentálních lokalit a pozemků považovaných za reprezentativní. Vertikální oběh ETM je důležitým prvkem jejich znalostí. Například byl studován na Midi-Pyrénées a v experimentálním povodí ( Auradé , Gers), což potvrzuje rozdíly v chování v závislosti na prvku a typu půdy v souvislosti s hydrologií a určitými pedogenetickými procesy. V těchto oblastech je geochemické pozadí lokálně obohaceno o anomální ETM (a priori antropického původu). 2 až 5% lokalit je tedy obohaceno o kadmium (přítomno v určitých hnojivech) a 5 až 8% o měď (přítomno v určitých pesticidech, kalu a splaškových kalích). Tam se organismy, jako jsou okouni, bioakumulují (pro labilní část ETM a hlavně v půdách s nízkým pH, to znamená kyselým). Na těchto územích kritická zátěž (dávka, nad kterou se očekávají nenapravitelné škodlivé účinky (kritická zátěž)) silně závisela na typu zemědělství, ale studie dospěla k závěru, že „kritický tok“ byl překročen současným tokem u 34% lokalit RMQS pro kadmium a na 80% míst pro olovo.