Pojęcie metalicznych pierwiastków śladowych lub ETM ma tendencję do zastępowania słabo zdefiniowanych metali ciężkich, ponieważ uwzględnianie metali toksycznych, które są naprawdę ciężkie dla innych (metaloidów), jest mniej. Wszystkie ETM są toksyczne lub toksyczne powyżej pewnego progu, a niektóre są radioaktywne ( radionuklidy ). Ich stężenia w środowisku (woda, powietrze, gleba, organizmy) wynikają z czynników antropogenicznych (przemysł, transport itp.) i naturalnych (wulkanizm i zmiany minerałów pierwotnych); emitowane do środowiska ulegają tam redystrybucji w profilach glebowych poprzez pedogenezę i bioturbację oraz w ekosystemach poprzez zjawiska bioasymilacji i biokoncentracji. Teoretyczne domniemane naturalne stężenia ETM nazywane są „ tło geochemiczne ”.
W zależności od elementów i związku ( kwasowości środowiska, synergia ETM lub pomiędzy ETM i innych zanieczyszczeń, składu chemicznego , itd ), są one bardziej lub mniej bioassimilable i może być bioconcentrated przez łańcuch pokarmowy. Dlatego niektóre podlegają monitoringowi (regulacyjnemu lub dobrowolnemu) w wodzie, powietrzu (związanym z aerozolami lub kurzem), glebie, żywności, osadach ściekowych itp. Nowe problemy stwarzają nanocząstki metaliczne ze względu na ich nowe właściwości (choć niektóre z nich są ostatnio szeroko stosowane; na przykład nanosrebro ).
Niektóre metale są niezbędne w małych dawkach ( pierwiastki śladowe ), a inne są wysoce toksyczne; dlatego niedawno (2010) zaproponowano uzupełnienie badań krwi i klasycznych kontroli zdrowia o metalowy profil .
Średni globalny znormalizowana obfitości elementu w skale w skorupie nazywany jest „wartość Clarke” ( wartość Clarke dla języka angielskiego), która dla danego metalu w glebie lub w osadzie lub w materiale geologicznym oznacza jej średnią zawartość w świecie w tym podłożu.
Czasami odwołujemy się do tej średniej wartości poprzez współczynnik wzbogacenia (EF) dla danego pierwiastka chemicznego w przedziale środowiska, aby oszacować, że poziom takiego lub takiego pierwiastka jest nienormalnie wysoki w tym przedziale, co może wskazywać na zanieczyszczenie .
Pojęcie „ metalu ciężkiego ” jest konceptem faktycznym, przemysłowym , przede wszystkim empirycznym , bez precyzyjnej definicji naukowej czy jednogłośnie uznanej techniki.
Na przykład w raporcie informacyjnym do francuskiego Senatu Wpływ metali ciężkich na środowisko i zdrowie wskazano: „Nazwa metale ciężkie jest jednak nazwą zwyczajową, która nie ma podstaw naukowych ani prawnych. "
Europa podjęła decyzję, proponując w 2000 r. definicję obowiązującą dla prawa europejskiego i państw członkowskich, w szczególności w dziedzinie odpadów: „metal ciężki” oznacza „każdy związek antymonu , arsenu , kadmu , sześciowartościowego chromu , miedź , ołów , rtęć , nikiel , selen , tellur , tal i cyna, jak również te materiały w postaci metalicznej , pod warunkiem, że są sklasyfikowane jako substancje niebezpieczne” , a w sposób bardziej ogólny „substancja niebezpieczna” jest „substancją który został lub zostanie zaklasyfikowany jako niebezpieczny na mocy dyrektywy 67/548/EWG lub jej późniejszych zmian" .
Wiele ETM ma zastosowanie w procesie biologicznym: na przykład żelazo jest podstawowym składnikiem hemoglobiny , cynk , miedź i selen są niezbędnymi pierwiastkami śladowymi .
Wszystkie metaliczne pierwiastki śladowe występują naturalnie w śladowych ilościach w glebie. Działalność człowieka mogła wzmocnić tę obecność; w rzeczywistości wiele ETM odgrywa ważną rolę w życiu codziennym:
Spalanie stałych lub płynnych paliw kopalnych (węgiel, produkty ropopochodne) może również powodować uwalnianie metali do popiołu (hydrobinat), oparów i dymów. Spośród wszystkich paliw energia drzewna jest we Francji metropolitalnej głównym emitentem metali ciężkich do atmosfery (z wyjątkiem rtęci i niklu).
Dostępność i biodostępność wprowadzonego do środowiska ETM zależy od wielu czynników, a przede wszystkim od następujących procesów:
... a po drugie, inne czynniki dostępności to:
Najbardziej bezpośrednie i natychmiastowe problemy dla środowiska i zdrowia stanowią MTE, które są najbardziej toksyczne, emitowane w postaci jonów lub nanocząstek lub związane z małymi aerozolami .
Gdy są obecne w powietrzu ( zanieczyszczenia dróg, zanieczyszczenia przemysłowe, spalanie itp.), są głównie usuwane z przestrzeni atmosferycznej przez mokrą depozycję. Znajdują się one następnie w glebach, osadach i wodzie porowej, a następnie w organizmach i ekosystemach, dla których mogą stanowić problem. Niektóre bezkręgowce (na przykład robaki) mogą je naprawiać dzięki cząsteczkom chelatującym ( ogólnie metaloproteinom ) i wydalać część z nich przez śluz lub odchody ; mogą następnie wynieść je na powierzchnię gleby lub osadów; te metale lub metaloidy są następnie ponownie biodostępne dla bakterii, roślin lub innych gatunków, które mogą je ponownie bioakumulować .
Jak chlorowanych węglowodorów do których mogą dodawać swoje negatywne skutki, ETMS masowo wydany przez ludzi do wody, powietrza i gleby są ważne zanieczyszczenia z ekosystemów i sieci pokarmowej . W przeciwieństwie do większości innych zanieczyszczeń nie ulegają biodegradacji ani degradacji.
Są one w szczególności bardzo skoncentrowane przez zwierzęta znajdujące się na czele łańcucha pokarmowego; w szczególności drapieżnych ptaków morskich i superdrapieżnych waleni ), a zatem czasami w łańcuchu pokarmowym człowieka .
Metalowe pierwiastki śladowe mogą również ulegać bioakumulacji w tkankach roślinnych i wywoływać zaburzenia w ich metabolizmie . W wyniku zjawiska biokoncentracji TME w rzeczywistości można znaleźć w roślinach w stężeniach większych niż te występujące w środowisku. Należy zauważyć, że nagromadzenie ETM w roślinie niekoniecznie spowoduje zmianę stanu zdrowia rośliny lub pojawienie się widocznych objawów zanieczyszczenia. Toksyczne działanie tych pierwiastków zależy przede wszystkim od rodzaju obecnego metalu, jego stężenia w roślinie, czasu ekspozycji oraz od dotkniętych gatunków roślin.
Metalowe pierwiastki śladowe mogą mieć negatywny wpływ na ogólny stan zdrowia gatunków roślin poprzez ingerencję w kilka mechanizmów: wchłanianie składników odżywczych z gleby, fotosynteza , kiełkowanie , podział komórek , wzrost .
ETM obecne w glebie w postaci kationów ( np. Cd +2 , Cr +6 , Cu +2 , Ni +2 ) mogą konkurować z innymi kationami w glebie, które normalnie służą roślinie jako niezbędne składniki odżywcze ( np. Ca 2+ , K + , Mg 2+ ). Wchłanianie ETM przez kompleks korzeniowy osobnika powoduje zatem zahamowanie lub stymulację wchłaniania kationów z gleby, co modyfikuje metabolizm rośliny. Przykładowo przyswajanie kadmu mogłoby prowadzić do mniejszej przyswajalności potasu (w wyniku efektu konkurencyjnego) i powodować niedobór tego składnika odżywczego.
Metale te również powodować spadek chlorofilu stężenia w instalacji, spadek fotosyntezy w następstwie zmian w transporcie elektronów i rozerwanie enzymów w cyklu Calvin ( np. Zakłócenia RUBISCO , enzymu, który poprawia CO 2atmosferyczne niezbędne do fotosyntezy). Spadek zawartości chlorofilu tłumaczy się tym, że TME powodują degradację błony tylakoidów .
Na poziomie kiełkowania metaliczne pierwiastki śladowe powodują zmniejszenie szybkości kiełkowania nasion roślin. Rzeczywiście, wykazano, że na przykład nikiel wpływa na aktywność kilku enzymów ( amylazy , proteazy i rybonukleazy ), co opóźnia kiełkowanie i wzrost różnych badanych roślin. Z kolei kadm uszkadza błony nasion, a także zmniejsza zapasy składników odżywczych zarodka roślinnego zawartego w liścieniach .
Te ETM powodują również zakłócenia w podziale komórek roślin. Rzeczywiście wykazano, że kadm, rtęć i ołów (między innymi) mają zdolność uszkadzania jąder komórkowych i hamowania aktywności enzymatycznej DNazy i RNazy , ostatecznie powodując zakłócenia syntezy DNA .
Roślina, w zależności od poziomu stresu wywołanego przez TME, może mieć ograniczony wzrost i wykazywać oznaki choroby (plamy) na powierzchni liści. Te objawy chlorozy wynikają zarówno z utraty chlorofilu, jak i niedoboru żelaza w organizmie roślinnym. Z martwicą są również obserwowane podczas ciężkiego zatrucia.
Niektóre rośliny wykształciły w toku ewolucji mechanizmy odporności na obecność metalicznych pierwiastków śladowych w środowisku. Pierwsza strategia roślinna polega po prostu na opóźnianiu wchłaniania metali, a tym samym zmniejszaniu stężenia pierwiastków toksycznych w organizmie tak bardzo, jak to możliwe. Inne rośliny sekwestrują metale w wakuolach liści, podczas gdy inne gromadzą je we włoskach ( naroślach roślinnych) obecnych w naskórku . W obu przypadkach rośliny zapobiegają w ten sposób kontaktowi toksycznych pierwiastków z mezofilem (wewnętrzna część liścia) i oddziaływaniu na metabolizm. Inną strategią jest wytrącanie ETM lub tworzenie kompleksu między ligandem a kationem metalu ( chelatacja ), który odtruwa roślinę.
Wydobywanie przez ługowanie (następnie uzdatnianie wody) polega na zalaniu gruntu wodą lub środkami chemicznymi, a następnie na odzysku wody, po którym następuje zazwyczaj uzdatnianie. Zanieczyszczenia można również odzyskać w piankach powstałych w wyniku napowietrzania i odpowiednich środków chemicznych.
Leczenie biologiczne Remediacja ziołowaRemediacja ziołowa ( fitoremediacja ) to wykorzystanie roślin do chelatowania metali. Istnieje już kilka zastosowań roślin jako biośrodków.
Rekultywacja algRemediacja alg lub fikoremediacja to wykorzystanie alg do oczyszczenia środowiska. Glony stanowią interesującą dziedzinę; w szczególności ze względu na ich znaną tolerancję na TME i trwałe zanieczyszczenia organiczne, ich szybki wzrost, wysoki stosunek powierzchni do objętości (co pozwala na uzyskanie większej powierzchni chłonnej), fitochelatyny (białka, które chelatują metale i zapobiegają ich toksycznym) manipulacja genetyczna.
Odporność na glonyLiczne badania pokazują, że glony są skutecznymi bioindykatorami . Na przykład stężenie kadmu, ołowiu, cynku w tkance alg Enteromorpha i Cladophora wzrasta proporcjonalnie do stężenia metali w wodzie. Chlorophyta i Cyanophyta mają wysokie współczynniki biokoncentracji i bioakumulacji w porównaniu z innymi gatunkami. Phacophyta (algi brunatne) mają silne powinowactwo do metali ciężkich dzięki polisacharydom siarczanowym i alginianowym.
Poniższa tabela przedstawia kilka gatunków glonów i metale, na które są odporne.
Gatunki | Nagromadzony metal |
---|---|
Ascophyllum nodosum | (Au), (Co), (Ni), (Pb) |
Caulerpa racemosa | (B) |
Cladophora glomerata | (Zn), (Cu) |
Morszczyn pęcherzykowaty | (Ni), (Zn) |
Laminaria japonica | (Zn) |
Micrasterias denticulata | (PŁYTA CD) |
Oscylatory Sp. | (Cd), (Ni), (Zn) |
Phormedium bohner | (Cr) |
Phormedium ambiguum | (Hg), (Cd), (Pb) |
Corium fosforanowe | (Cd), (Ni), (Zn) |
Platymonas subcordiformis | (Sr) |
Sargassum filipendula | (Cu) |
Sargassum fluitans | (Cu), (Fe), (Zn), (Ni) |
Sargassum natans | (Pb) |
Sargassum vulgare | (Pb) |
Scenedesmus sp. z o.o. | (Cd), (Zn) |
Spirogyra hialina | (Cd), (Hg), (Pb), (As), (Co) |
Spirogyra halliensis | (Współ) |
Tetraselmis chuil | (Tak jak) |
Badania wykazują, że wydajność przechowywania ETM w tkankach roślinnych jest lepsza w przypadku organizmów z nadekspresją białek chelatujących metale ciężkie (w szczególności fitochelatyny, nikotianaminy i metalotioniny).
Metal | Mechanizm detoksykacji przez glony |
---|---|
(Cd), (Cu), (Ag), (Hg),
(Zn), (Pb) |
Metalotioniny (MT), Fitochelatyny
(komputer) |
Lub | Histydyna |
(Pb), (Cu), (Cd), (Zn), (Ca) | Związki ściany komórkowej (alginiany, kwas guluronowy, siarczanowane polisacharydy) |
Zrealizowano kilka projektów dotyczących odkażania ETM przez glony.
Element | Miligramy | |
---|---|---|
Żelazo | 4000 | |
Cynk | 2500 | |
Prowadzić | 120 | |
Miedź | 70 | |
Cyna | 30 | |
Wanad | 20 | |
Kadm | 20 | |
Nikiel | 15 | |
Selen | 14 | |
Mangan | 12 | |
Inny | 200 | |
Całkowity | 7000 |
Niektóre ETM (głównie sklasyfikowane w okresie 4 ) są niezbędne - w śladowych ilościach - dla pewnych życiowych procesów biologicznych.
Należą do nich żelazo , cynk i miedź .
Żelazo i miedź są odpowiednio niezbędne do transportu tlenu i elektronów, natomiast cynk uczestniczy w hydroksylacji i spermatogenezie .
Rtęć i ołów nie mają znanego zastosowania. Toksyczne dla komórki, niezależnie od dawki, są czystymi zanieczyszczeniami organizmu. Ołów negatywnie wpływa na metabolizm wapnia.
Kobaltu (przez Witamina B12 jest zaangażowany w syntezę niektórych złożonych i metabolizmu komórkowego The. Wanadu i manganu są poza kofaktory enzymatyczne kontrolnych, mała dawka chromu jest konieczne do wykorzystania glukozy , a niklu jest zaangażowany w wzrostu komórek ) ; arsen promuje bardzo niskie dawki wzrost metabolizmu u niektórych zwierząt i ewentualnie ludzi. Selen jest przeciwutleniaczem funkcjonalne i pokazuje zasadniczą rolę w wytwarzaniu pewnych hormonów .
Tablica Mendelejewa z okresu 5 i 6 zawiera mniej niż śladowe pierwiastki metali ciężkich. Jest to zgodne z założeniem, że cięższe metale zwykle występują w mniejszej ilości na powierzchni ziemi, a zatem są mniej prawdopodobne, że są niezbędne do metabolizmu.
W okresie 5 znajdujemy molibden, który katalizuje reakcje redoks . Kadm (wysoce toksyczny dla ludzi), wydaje się konieczne w niektórych okrzemki ] morza w tym samym celu; Cyny jest niezbędne do wzrostu niektórych gatunków.
W okresie 6 metabolizm niektórych archeonów i bakterii wymaga wolframu .
Niedobór niezbędnych metali w którymkolwiek z okresów od 4 do 6 może nasilić wrażliwość na zatrucia metalami ciężkimi ( zatrucie ołowiem , hydrargyryzm , choroba Itai-itai ). Ale odwrotnie, nadmiar tych metali może mieć bardzo szkodliwy wpływ na zdrowie.
Średnio ważący 70 kg organizm człowieka zawiera 0,01% metali ciężkich, czyli około 7 g (mniej niż waga dwóch kwadratów cukru). Większość z nich to żelazo (~4g), cynk (~2,5g) i jest zanieczyszczony ołowiem (~0,12g), 2% metalami lekkimi (~1,4 kg) i prawie 98% niemetalami ( głównie wodą ) (wśród pierwiastki powszechnie uznawane za metaloidy, B i Si były zaliczane do niemetali, a Ge, As, Sb i Te do metali ciężkich).
Niektóre ETM lub nieistotne metale ciężkie mają działanie biologiczne. Tak więc gal , german ( metaloid ), ind i większość lantanowców są w stanie stymulować metabolizm, podczas gdy tytan sprzyjałby wzrostowi roślin.
Wykazano wiele szkodliwych skutków fizjologicznych dla TME przekraczających pewne progi, które czasami są bardzo niskie (na przykład w przypadku ołowiu lub metylortęci), u ludzi i w modelu zwierzęcym dla dużej liczby gatunków (ssaki, ptaki, gady, płazy, ryby itp . ).
Jednak wpływ toksykologiczny ETM zależy w dużej mierze od ich postaci chemicznej (zwanej „gatunkami chemicznymi”), ich stężenia, kontekstu środowiskowego (dlatego staramy się mapować zanieczyszczenia, w szczególności w byłych regionach przemysłowych), ich biodostępności. oraz możliwość przejścia w łańcuchu żywych istot ( sieć troficzna ). Istnieje również pewien składnik genetyczny, który sprawia, że organizm mniej lub bardziej może wydalać pewne toksyczne metale (na przykład ołów). Wreszcie, pomiędzy różnymi ETM mogą występować pogarszające się efekty synergiczne.
Wyróżnia się w szczególności trzy metale rtęć , ołów , kadm , dla których z jednej strony nie można było wykazać pozytywnej roli dla aktywności biologicznej, a które z drugiej strony mogą być przyczyną ciężkich zatruć lub chorób przewlekłych, a nawet w niskich dawkach; na przykład wchłanianie ołowiu powoduje zatrucie ołowiem , szczególnie poważne u dzieci, kadm niszczy nerki i degraduje wątrobę, a rtęć jest silnym neurotoksykiem. Aluminium może stanowić neurotoksyczności u ludzi, jednak ograniczenia narażenia i zakres tych efektów wciąż badana.
Odwrotnie, inne metale są potrzebne ( pierwiastki śladowe ), a jeszcze inne wydają się, przynajmniej w postaci metalicznej (nie w postaci jonowej) bez wpływu na organizm; te ostatnie są uważane za „biokompatybilne” i stosowane w chirurgii lub stomatologii, takie jak tytan i złoto , lub metale pospolite, takie jak żelazo , nie mogą być zrównane z rtęcią, ołowiem i kadmem . Inne metale mogą być bardzo toksyczne w pewnych formach ( chrom VI, utleniona miedź ( patyna )…).
Stosowanie niektórych ETM jest zatem ściśle regulowane, a nawet zabronione w niektórych zastosowaniach. Należy unikać uwolnienia do środowiska po zakończeniu użytkowania, a metale te należy poddać recyklingowi.
W badaniach nad zdrowiem , oprócz tradycyjnych badań krwi lub analizy moczu, lekarze szpitalni zaproponowali ostatnio uwzględnienie profilu metalicznego poszczególnych osób.
Do wypełnień amalgamatowych (nazywane „nadzienia”) i które są powszechnie stosowane w krajach francuskojęzycznych i anglosaskich są obecnie przedmiotem kontrowersji, ponieważ zawierają one pewne toksyczne metale ciężkie: rtęć , ale także srebra i cyny . Niektóre kraje, takie jak Szwecja, Niemcy, Dania, Japonia, Rosja i Norwegia, ograniczają ich używanie, a trzy ostatnie po prostu je zabroniły. We Francji i Belgii uznano, że dowody na ich toksyczność są niewystarczające, aby wywnioskować szkodliwość, której nie przewyższają korzyści płynące z rtęci.
W UE zakazano sprzedaży termometrów rtęciowych .
Te baterie rtęciowe są zakazane w Europie (dyrektywa 98/101 / WE), ponieważgrudzień 1998 w kwestiach środowiskowych.
W 2021 r. 97 do 100% Francuzów (dorosłych i dzieci) jest zarażonych ETM ze wskaźnikami wyższymi lub równymi wskaźnikom odnotowanym w latach 2006-2007. Żywność i tytoń są głównymi źródłami zanieczyszczeń. Public Health France zaleca spożywanie ryb dwa razy w tygodniu, w tym ryb tłustych (ze względu na ich wartości odżywcze ), ale poprzez dywersyfikację gatunków i łowisk (w celu ograniczenia stężenia zanieczyszczeń).
Oprócz chorób takich jak zatrucie ołowiem , makrofagowe zapalenie mięśnia powięziowego , hydrargyria lub choroba Itai-itai bezpośrednio wywoływane przez pojedynczy metal, patologie wywoływane przez metale są prawdopodobnie najczęściej wieloczynnikowe, kilka metali może działać synergicznie (pozytywnie lub ujemnie) i może oddziałują również z innymi substancjami toksycznymi lub naturalnie chelatującymi lub ochronnymi.
Wydaje się, że czynniki środowiskowe są zaangażowane w szereg przypadków chorób neurodegeneracyjnych. Jednymi z pierwszych podejrzanych są niektóre toksyczne i neurotoksyczne metale ciężkie .
W szczególności rtęć i ołów mogą działać synergistycznie, hamując lub zabijając komórki nerwowe. Podejrzewa się również, że niektóre pestycydy mogą działać w synergii z metalami.
Monnet-Tschudi i jego zespół w 2006 r. opublikowali długą listę dowodów na odpowiedzialność za metale ciężkie jako inicjatory chorób neurodegeneracyjnych lub ich zaostrzanie.
W wielu krajach regularnie analizowana jest obecność TME (zwłaszcza ołowiu, rtęci i kadmu) w wodzie, powietrzu, glebach rolniczych i niektórych artykułach spożywczych, materiałach (np. farby) i przedmiotach (np. zabawki dla dzieci).
We Francji gleby rolnicze, które mogą być zanieczyszczone różnymi źródłami ETM (mokre lub suche osady z zanieczyszczenia powietrza , nawozów, rozrzucania gnojowicy, skażonego obornika lub kompostu, ołowiu z polowań, następstw wojny itp. ) są monitorowane przez glebę obserwatorium jakości i Sieć Pomiarów Jakości Gleby (RMQS) na podstawie regularnego pobierania próbek przez sieć placówek doświadczalnych i poletek uznanych za reprezentatywne. Pionowy obieg ETM jest ważnym elementem ich wiedzy. Na przykład został przebadany w Midi-Pyrénées oraz w doświadczalnym zlewni ( Auradé , Gers), potwierdzając różnice w zachowaniu w zależności od pierwiastka i rodzaju gleby w związku z hydrologią i pewnymi procesami pedogenetycznymi. W tych regionach tło geochemiczne jest lokalnie wzbogacone w anomalne ETM (a priori pochodzenia antropicznego). Od 2 do 5% miejsc jest więc wzbogaconych w kadm (obecny w niektórych nawozach) i od 5 do 8% w miedź (obecny w niektórych pestycydach, gnojowicy i osadach ściekowych). Tam organizmy takie jak skoczogonki bioakumulują je (dla labilnej części ETM i głównie w glebach o niskim pH, czyli kwaśnych). Na tych terytoriach ładunek krytyczny (dawka, powyżej której spodziewane są nieodwracalne szkodliwe skutki (obciążenie krytyczne) silnie zależał od rodzaju rolnictwa, ale badanie wykazało, że „przepływ krytyczny” został przekroczony przez bieżący przepływ dla 34% obszarów RMQS dla kadmu, a dla 80% miejsc na ołów.