26
Mentor: Prof. Dr Šimon A. Đarmati Visoka škola strukovnih studija BEOGRADSKA POLITEHNIKA DIPLOMSKI RAD Student: Nebojša Ćurčić 0154/2008

Ekotoksicnost teskih metala

Embed Size (px)

DESCRIPTION

PPT

Citation preview

Page 1: Ekotoksicnost teskih metala

Mentor:Prof. Dr Šimon A. Đarmati

Visoka škola strukovnih studijaBEOGRADSKA POLITEHNIKA

DIPLOMSKI RAD

Student:Nebojša Ćurčić 0154/2008

Page 2: Ekotoksicnost teskih metala

TEŠKI METALI – POJAM I EKOTOKSIKOLOŠKI ZNAČAJ

,,metali specifične gustine > 5 g/cm3”

„metali atomske težine veće nego što je ima natrijum”

Teški metali mogu se svrstati u dve grupe: esencijalni i neesencijalni elementi

Page 3: Ekotoksicnost teskih metala

Brojni su faktori koji utiču na toksičnost metala: interakcija sa esencijalnim elementima (olovo/gvožđe ili kalcijum; kadmijum/gvožđe), formiranje kompleksa metal-protein, starost organizma, način života, hemijska forma, imuni status organizma i dr.

ORGANIZAM TOKSIČNOSTAlge Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Zn > Ni > Co > MnGljive Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pd > Co > Zn > Fe > Ca

Cvetnice Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > ZnProtozoe Hg, Pb > Ag > Cu, Cd > Ni, Co > Mn > Zn

Kičmenjaci Ag > Hg > Cu > Pb > Cd > Au > Al > Zn > H > Ni > Cr > Co > Mn > K > Ba > Mg > Sr > Ca > Na

Sisari Ag, Hg, Tl, Cd > Cu, Pb, Co, Sn, Be, In, Ba, Mn, Zn, Ni, Fe, Cr > La > Sr, Sc > Cs, Li, Al

Page 4: Ekotoksicnost teskih metala

Mehanizmi toksičnosti teških metala su raznovrsni i zavise kako od same prirode dejstva metala, tako i od biologije organizma, fizičkih, hemijskih i drugih faktora. Mesto kontakta ćelije i metala je ćelijska membrana. Ako metal prođe u protoplazmu onda je najvažniji mehanizam toksičnog delovanja inhibicija enzima.

Uopšteno uzevši, može se reći da postoje tri osnovna mehanizma toksičnosti, i to su:

1. Blokiranje osnovnih bioloških funkcionalnih grupa (npr. proteina i enzima)

2. Izmeštanje esencijalnih metalnih jona kod biomolekula

3. Modifikovanje aktivnih formi biomolekula.

Elektron-donori koji su najviše dostupni za vezivanje sa metalima su:

- amino grupe (R-NH2)

- karboksilne grupe (R-COO-)

- sulfhidrilne grupe (R-SH)

BIOHEMIJA TOKSIČNOSTI TEŠKIH METALA

Page 5: Ekotoksicnost teskih metala

Metalni jon u nekom enzimu metalo-proteinske građe, koji predstavlja kofaktor tog enzima, može biti lako zamenjen drugim metalnim jonom slične veličine. Tako, Cd2+

može zameniti Zn2+ u enzimima kao što su alkohol-dehidrogenaza i karboanhidraza, čime dolazi do inaktivacije enzima i inhibicije ili potpunog blokiranja važnih biohemijskih procesa za čije su odigravanje neophodni pomenuti enzimi.

Najtoksičniji joni teških metala (Zn2+, Pb2+, Cd2+, Hg2+) su ujedno i najstabilnija oksidaciona stanja, u kojima formiraju brlo stabilna biotoksična jedinjenja sa biomolekulima organizma, koja teško podležu disocijaciji.

Page 6: Ekotoksicnost teskih metala

ŽIVAŽIVA

Živa je srebrnasto beli metal. Pripada II B grupi periodnog sistema. Ona je jedini metal koji se na sobnoj temperaturi nalazi u tečnom stanju. Karakterišu je visoka specifična gustina (živa je najteži metal), dobra provodljivost električne energije i visoka linearnost pri širenju.

cinabarit

S razvojem tehnologije načini korišćenja žive su se razvijali i multiplikovali, što je dovelo i do njenog povećanog nivoa u životnoj sredini. Smatra se da je njen sadržaj u biosferi porastao, u poslednjih 100 godina, za tri puta.

Page 7: Ekotoksicnost teskih metala

Prirodni izvori: spiranje stena, otparavanje sa površine mora, erupcije vulkana ...

Antropogeni izvori:

- sagorevanje fosilnih goriva (45% atmosferske emisije)

- eksploatacija i metalurška obrada živinih ruda

- metalurški procesi dobijanja srebra i zlata

- proizvodnja hlora

- proizvodnja i primena živinih amalgama

- proizvodnja mernih instrumenata

- proizvodnja živinih i fluoroscentnih sijalica

- proizvodnja i upotreba pesticida ...

IZVORI ŽIVE U ŽIVOTNOJ SREDINIANTROPOGENI IZVORI : PRIRODNI IZVORI = 2-3 : 1

Page 8: Ekotoksicnost teskih metala

Kruženje žive u životnoj sredini ima četiri snažno povezana dela: atmosferski, zemljišni, akvatični i biotički. U atmosferi je dominantna gasovita elementarna živa HgO. Međutim, živa koja iz atmosfere dospeva u akvatične i terestijalne siteme je najčešće u svom dvovalentnom obliku - Hg2+ . U zemljištu, živa biva usvojena od strane prisutnih organskih komponenti. Aktivnošću zemljišnih bakterija redukcijom se prevodi u elementarni i lako isparljiv oblik žive. U vodenim ekosistemima neorganska živa Hg2+ iz atmosfere biva transformisana kroz različite procese od kojih je, sa ekotoksikološkog stanovišta, najznačajnija metilacija.

Kruženje žive u vodenim ekosistemima

Page 9: Ekotoksicnost teskih metala

TOKSIČNOST I EKOTOSKIČNOST ŽIVESva jedinjenja žive su izuzetno toksična za živi svet, ali se nivoi

tokisčnosti značajno razlikuju. Najmanje su toksični neorganski oblici žive, jer se teško resporbuju kroz probavni trakt. Kada su jednom apsorbovani, akumuliraju se u jetri i u bubrezima, ali se uglavnom veoma brzo ibacuju iz organizma putem urina. Od neorganskih formi najopasnija su isparenja žive, jer ekspozicijom preko respiratornog trakta brzo prodiru u krv i dalje se transportuju do mozga gde mogu prouzrokovati ozbiljna oštećenja. Organska jedinjenja žive imaju opštu formulu RHgX ili RHgR’, pri čemu oznaka R predstavlja organski radikal.

Metilživa ima sposobnost biomagnifikacije, što prouzrokuje njene veće koncentracija na višim trofičkim nivoima. Upravo biomagnifikacija ovog organoživinog jedinjenja izaziva najveću zabrinutost u pogledu dejstva ovog metala. Faktori koji utiču na povećanje koncentracije metilžive kroz lanac ishrane su biološka persistentnost i spora degradaciija CH3Hg u organizmu.

Page 10: Ekotoksicnost teskih metala

Trofički nivo Koncentracija metilžive

Voda 1 ppt

Bakterije i fitoplankton 10 ppt

Zooplankton 100 ppt

Larve insekata 1 ppb

Sardine 10 ppb

Sitne ribe 100 ppb

Ribe srednje veličine 1 ppm

Veliki predatori (ribe, ptice, ljudi) 10 ppm

Ribe i beskičmenjaci su podložniji usvajanju organskih oblika žive od neorganskih.Akutna toksičnost je obrnuto proporcionalna sa sadržajem rastvorenog kiseonika u vodi i tvrdoćom vode, a direktno proporcionalna sa temperaturom i kiselošću.

Neki od efekata dejstva žive na ribe su upale škrga, ubrzano disanje, gubitak ravnoteže, mlitavost kojoj može slediti i smrt, deformiteti…

Page 11: Ekotoksicnost teskih metala

Soko, jastreb i orao spadaju u najveće predatore u ptičijem svetu, i stoga su izloženi relativno visokim nivoima žive, kao i drugih zagađujućih supstanci koje pokazuju značajnu moć bioakumulacije (poput organohlornih pesticida i polihlorovanih bifenila). Ptice kao što su pelikan, kormoran, čaplja su takođe na visokom trofičkom nivou. Morske ptice poput albatrosa ili pingvina uglavnom naseljavaju staništa udaljena od izvora industrijskog zagađenja. Povećanje sadržaja žive u njihovim tkivima tokom 20. veka je jasan indikator globalnog transporta žive kroz životnu sredinu i zagađenja mora. Iz toga se može zaključiti da dobar deo žive u okeanima potiče iz antropogenih izvora. Smatra se da su morske ptice tolerantnije na više koncentracije žive i da imaju proporcionalno manji udeo organskih jedinjenja u ukupnom sadržaju žive.

Page 12: Ekotoksicnost teskih metala

Kada je u pitanju uticaj žive na ljudsko zdravlje, najveću opasnost predstavlja bioakumulacija metil žive u organizmu usled konzumiranja kontaminirane hrane. Dostupni podaci govore to da skoro sva količina unete metilžive potiče od ishrane ribom i drugom morskom hranom, kao i crvenim mesom. U zavisnosti od uzrasta eksponiranog organizma razlikuju se organi u kojima živa dostiže najveće koncentracije. Mozak fetusa i novorođenčeta je najosetljiviji u smislu toksičnosti metilživom.

Toksične osobine žive su uglavnom posledica inaktivacije enzima koji imaju sulfidrilne grupe (SH, tiol grupe). Do inaktivacije enzima dolazi zbog formiranja kovalentnih veza sa sumporom i nastanka merkaptana

RSH + CH3Hg → R-S-Hg-CH3 + H+

Blokiranje funkcionalnih tiol grupa enzima izaziva poremećaje, naročito ugljenih hidrata i kalcijuma. Takođe, može se ispoljiti neuriototksično dejsta usled oštećenja ćelijskih membrana u CNS. Isto se dešava i sa mitohondrijalnim aparatom.Mutageno dejstvo vezano je sa inhibiranjem sinteze proteina, tj. smanjenjem količine DNK u ćeliji.

Page 13: Ekotoksicnost teskih metala

MINAMATA

Page 14: Ekotoksicnost teskih metala

KADMIJUM

Kadmijum (Cd) je mek, srebrnasto beli metal. Pripada II B grupi periodnog sistema elemenata. Otkriven je tek 1817. godine. Otkrio ga je nemački lekar i hemičar Fridrih Štrosmajer u nečistoćama u uzorcima cink karbonata – kalamina, ZnCO3.

Kadmijum je relativno redak metal, koji se nalazi na 67. mestu po zastupljenosti u Zemljinoj kori – koncentracija mu je oko 0,1 mg/kg. Geohemijski, kadmijum je u vezi sa cinkom, jer oba elementa imaju jonsku struktruru i elektronegativni su.

Na vlažnom vazduhu postepeno se prekriva oksidom i gubi sjaj. U dodiru sa suvim vazduhom na sobnoj temperaturi ne menja svoje osobine, a zagrejani kadmijum sagoreva u oksid, crvenim plamenom. Ovaj oksid je skoro nerastvorljiv u vodi, a u kiselinama se lako rastvara gradeći odgovarajuće soli. Najpoznatije soli kadmijuma su halogenidi, cijanidi, nitrati, sulfati, sulfidi i karbonati.

Page 15: Ekotoksicnost teskih metala

IZVORI KADMIJUMA U ŽIVOTNOJ SREDINIPrirodni izvori: - spiranje i erozija stena (15 000 t godišnje)- vulkanske erupcije ( 8 – 20 t godišnje)- šumski požari ( 1 – 70 t godišnje)

Antropogeni izvori:Rudarska i topioničarska

industrija predstavlja glavni izvor zagađivanja kadmijumom. Veštačke emisije kadmijuma u životnu sredinu potiču iz proizvodnje, upotrebe i odlaganja proizvoda koji sadrže kadmijum ili onih proizvoda koji sadrže kadmijum samo kao nečistoću, dakle onih u kojima kadmijum nema funkcionalnu ulogu.

Page 16: Ekotoksicnost teskih metala

TOKSIČNOST I EKOTOKSIČNOST KADMIJUMA

MEDIJUM SADRŽAJ PERSISTENTNOST

VAZDUH 0,1 – 500 ng/m3 20 – 30 danaVODA

0,01 – 42 000 μg/l

1 - 2 godine (jezera) 250 000 godina (океani)

SEDIMENT 0,01 – 50 000 μg/g 2 – 5 x 108 godineBIOTA 0,001 – 1120 μg/g

Najbitniji mehanizmi toksičnog delovanja kadmijuma na živi svet, uopšteno uzevši, jesu:

-vezivanje kadmijuma za SH grupe molekula enzima - kompeticija kadmijuma sa cinkom, pri kojoj dolazi do istisnuća ovog metala u metaloenzimu od strane Cd.

Page 17: Ekotoksicnost teskih metala

Kod brojnih vrsta intenzitet transporta kadmijuma u nadzemnim organima je u korelaciji sa njegovom koncentracijom u hranljivoj podlozi. Kadmijum usvojen iz zemljišta uglavnom se zadržava u korenu. Udeo ovog elementa u stablu i listovima biljaka je približno isti, ali manji od njegove koncentracije u podzemnom delu biljke. Niže vrednosti pH pospešuju usvajanje kadmijuma. Kadmijum akumuliraju sve biljke, a stepen akumulacije zavisi od vrste i varijeteta.

Veće koncentracije u biljkama inhibiraju metabolizme gvožđa, izazivaju hlorozu i time smanjuju intenzitet fotosinteze. Isto tako, visoke koncentracije kadmijuma inhibiraju disanje i transport elektrona u procesu oksidativne fosforilacije.

Page 18: Ekotoksicnost teskih metala

Kao i u slučaju ostalih teških metala, tvrde vode inhibiraju usvajanje kadmijuma od strane riba, s obzirom da se javlja kompeticija Ca2+ i Mg2+ i dvovalentih metalnih jona za isto mesto vezivanja na škrgama. Ova pojava je naročitno bitna kod kadmijuma, jer je intenzitet njegove precipitacije proporcionalan tvrdoći vode. Stoga kalcijum, bilo u obliku sulfata bilo u obliku karbonata, predstavlja zaštitnu materiju od sorpcije kadmijuma.

Pri visokim koncentracijama, erozija škrga se smatra najverovatnijim mehanizmom ispoljavanja toksičnosti kadmijuma. Ovaj metal, međutim, ima sistematsko dejstvo pri nižim koncentracijama, izazivajući hiperaktivnosti i grčenje mišića. Ometanje metabolizma kalcijuma rezultira smanjenjem koncentracije Sa u plazmi (i do 50%), što se uz respiratornu paralizu (ihnibicijom za tu funkciju neophodnih enzima) smatra osnovnim putem dejstva akutne toksičnosti kadmijuma.

Page 19: Ekotoksicnost teskih metala

Glavni izvori ekspozicije kadmijumom, kod ljudi su: Hrana

Pušenje

Kadmijum se u organizmu prvenstveno deponuje u jetri, bubrezima, mišićima, pljuvačnim žlezdama, testisima i pankreasu. Od ukupne količine kadmijuma u organizmu u jetri se nalazi između 15 i 20 %, a u tkivu bubrega oko 30 %.

Koncentracija kadmijuma u duvanu je 1 – 2 μg/g, a pušači apsorbuju oko polovine ove količine, što otprilike inosi oko 0,1 – 0,2 μg po cigareti.

Page 20: Ekotoksicnost teskih metala

OLOVO

Olovo (Pb) je neesencijalni, visoko toksični teški metal, čiji su poznati efekti na biološke sisteme vrlo štetni. Pripada II B grupi periodnog sistema. To je metal plavkasto sivkastog sjaja i meke konzistencije. Retko se nalazi u čistom obliku u prirodi. Pojavljuje se u dve neorganske forme: najčešće kao Pb(II), a mnogo ređe kao Pb(IV), ali i u organskim formama.

Kako ima jak afinitet prema sumporu, koncentrisano je naročito u stenama i mineralima sulfida, posebno u rudi galenit, u obliku PbS. Prosečna koncentracija olova u Zemljinoj kori je 0,016 g Pb/kg zemljišta, što ovaj metal čini retkim.

Page 21: Ekotoksicnost teskih metala

IZVORI OLOVA U ŽIVOTNOJ SREDINI

Prirodni izvori:

vulkanske erupcije, požari, vegetacija, morska isparenja ...

Antropogeni izvori:- sagorevanje fosilnih goriva- topionice olova- livnice legura koje sadrže Pb- fabrike akumulatora- pogoni za presvlačenje metala olovom- deponije i požari gradskih deponija- proizvodnja boja- proizvodnja kablova- olovo iz fosfatnih đubriva- otpadni muljevi...

ANTROPOGENI : PRIRODNI = 10 : 1

Page 22: Ekotoksicnost teskih metala

TOKSIČNOST I EKOTOKSIČNOST OLOVAOlovo u većim koncentracijama inhibira klijavost

semena, izdužavanje korena i rast listova, utiče na morfološko-anatomsku građu biljaka, inhibitorno utiče i na procese fotosinteze i transpiracije.

Smatra se da pšenica i soja imaju relativno visoku tolerantnost prema olovu. Spanać se ubraja u osetljive biljke.

Za razliku od nekih drugih teških metala, poput žive, akumulacija olova u morskim i slatkovodnim ribama je po pravilu neznatna, što znači da olovo nije opasno po čoveka pri konzimiranju riba. Nivoi olova u mišićima obično su neznatno niži nego u organima, što ukazuje na relativno nizak stepen vezivanja olova sa SH grupom, kod riba. Hemijska forma olova je značajna za stepen toksičnosti.

tetrametil Pb (LC50=50 μg/ dm3) > tetraetil Pb > trietil Pb > trimetil Pb > dietil Pb > Pb2+ (LC50=180 000 μg/ dm3) > dimetil Pb

Page 23: Ekotoksicnost teskih metala

Olovo je najčešći uzrok trovanja teškim metalima kod ptica. Klinička slika otrovanja može biti različita, ali uopšteno, obuhvata sledeće simptome: gubitak apetita, tromost, slabost, promena boje izmeta u zelenu, crnu, roze, krvavu, povraćanje, povećana žeđ, neurološke smetnje poput slepila ili problema u koordinaciji.

Ishrana leševima životinja stradalih od olovne municije može biti smrtonosna za kalifornijskog kondora

Zabrinutost usled stope smrtnosti crvenokljunih labudova rezultovalo je uvođenjem zabrane korišćenja olova, kao dela ribolovačke opreme, u Velikoj Britaniji 1986. godine

Page 24: Ekotoksicnost teskih metala

Olovo se unosi u organizam inhalacijom i ingestijom. Aposrpcija preko kože moguća je samo u slučaju ekspozicije tetraetil-olovu i tetrametil-olovu.

Nakon apsorpcije, olovo se u obliku Pb2+

transportuje krvlju, i to najvećim delom, oko 95%, vezano za eritrocite. Oko 90 % olova se deponuje u kostima, i to uglavnom u obliku relativno stabilnih nerastvorljivih soli Pb3(PO4)2, što je srećna okolnost s obzirom na činjenicu da samo slobodni joni olova mogu izazvati trovanje, a vezani nemaju nikakav efekat. Međutim, u slučaju acidoze, povećana kiselost dovodi do pojačane mobilnosti olova iz kostiju. Ostatak olova se akumulira u mekim tkivima: jetra, bubrzi, aorta, pluća, slezina i dr. Koncentracije u mozgu su znatno manje, sem za organska jedinjenja olova.

Page 25: Ekotoksicnost teskih metala

ZAKLJUČAK

Dvojaka uloga teških metala - kao neophodni elementi i kao zagađujuće supstance

Ekotoksikologija – mlada nauka, kompleksan predmet izučavanja, stoga je i ekotoksično dejstvo teških metala i dalje nedovoljno poznato

Saznanjima, naročito u poslednjih nekoliko decenija, načinjen je veliki korak

Prevencija zagađenja neophodna, kao i sanacija nastalih ekoloških šteta

Page 26: Ekotoksicnost teskih metala

ZAKLJUČAK