Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Zdjęcie na okładce Vassiliy Prikhodko/123RF

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja i korekta Ewa Charitonow

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Karol Ossowski/Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2020

ISBN 978-83-01-21180-6

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (wyd. I)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Wstęp

Postępująca degradacja środowiska to ciemna strona rewolucji przemysłowej, choć niewątpliwie spowodowała największy skok cywilizacyjny w historii ludzkości i stała się podstawą do rozwoju wielu technologii. W związku z niezwykle dynamicznym rozwojem wielu gałęzi przemysłu priorytetem było wykorzystanie wielu surowców, m.in. metali ciężkich i ropy naftowej. Jednak stosowane w XX wieku technologie to też źródło szybkiego i postępującego skażenia środowiska. Obecnie jasne jest, że zmiany antropogeniczne to zjawisko wielowymiarowe, działające na zasadzie naczyń połączonych – wprowadzenie zanieczyszczeń spowodowało nie tylko skażenie gleby, ale także szybką ich degradację i utratę funkcji, co w efekcie ma konsekwencje przyrodnicze, społeczno-ekonomiczne i kulturowe. W skali świata oszacowanie całkowitej zdegradowanej powierzchni okazało się trudnym zadaniem. Podaje się, że waha się ona od mniej niż 1 do ponad 6 mld hektarów, przy szerokim braku zgody co do rozmieszczenia przestrzennego [Gibbs i Salmon, 2015]. Ocenę zdegradowanych gruntów w skali globalnej przeprowadzono czterema metodami, wykorzystując odpowiednio ekspertyzy, obserwacje satelitarne, modele biofizyczne i inwentaryzację porzuconych gruntów rolnych.

IPCC Special Report on Climate Change, Desertification, Land Degradation, Sustainable Land Management, Food Security, and Greenhouse gas fluxes in Terrestrial Ecosystems, przygotowany przez Intergovernmental Panel for Climate Change w 2019 roku, wskazuje na ścisłą zależność między zmianami klimatu a bezpieczeństwem żywnościowym oraz pustynnieniem i degradacją ziemi w wielu regionach świata.

Znaczenie roślin w środowisku wydaje się być znane i niezaprzeczalne. Są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania ekosystemów, produkują biomasę, stanowią źródło energii dla innych organizmów, a poprzez usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery zmniejszają efekt cieplarniany i globalne ocieplenie. Lista funkcjonalności roślin jest, oczywiście, o wiele dłuższa: są źródłem makro- i mikroelementów, substancji aktywnych w lekach, habitatem wielu organizmów, surowcami dla przemysłu. Dzięki swoim szczególnym właściwościom i różnorodności mogą być naturalnymi pestycydami, pasożytami, a nawet drapieżcami.

Światowa mapa terenów zdegradowanych [Gibbs i Salmon, 2015]

Fitoremediacja to słowo utworzone od greckiego przedrostka fito, oznaczającego roślinę, i łacińskiego remedium – „oczyszczenie” lub „przywrócenie”. Termin ten tak naprawdę odnosi się do różnorodnego zestawu technologii, które wykorzystują rośliny – występujące w naturze lub modyfikowane genetycznie – do degradacji, ekstrakcji, magazynowania lub unieruchamiania zanieczyszczeń z gleby i wody, w tym metali, pestycydów, węglowodorów i chlorowanych rozpuszczalników. Fitoremediacja, dookreślana także jako zielona, botano-roślinna, agroremediacyjna lub wegetatywna, jest uważana za technologię atrakcyjną, ponieważ jest tania, wydajna, przyjazna dla środowiska i społecznie akceptowalna.

Obecnie rośliny w środowisku zanieczyszczonym czy zdegradowanym zaczynają odgrywać coraz częściej rolę inną niż tylko instalacji do wychwytu i magazynowania zanieczyszczeń czy ich degradacji. Odpowiednio dobrane zbiorowiska na takich terenach stają się swoistymi okrywami pełniącymi wielorakie funkcje: przeciwerozyjne, retencyjne, ekologiczne. W przypadku stosowania green technologies coraz rzadziej najważniejszym celem jest długotrwałe usunięcie wyłącznie jednego zanieczyszczenia, a coraz częściej rewitalizacja całego ekosystemu, w którym zbiorowiska roślinne są jej podstawą. Zjawisko masowego przenoszenia się społeczeństw do miast sprawiło, że o roślinach zaczyna się mówić nie tylko w kontekście globalnych zmian klimatu, ale także mikro – inteligentnych zielonych domów, dachów i środowiska wewnętrznego. A tereny wymagające naprawy to nie tylko poprzemysłowe brownfields o ekstremalnym poziomie zanieczyszczeń, na które wprowadzenie roślin często kończyło się niepowodzeniem ze względu na zbyt wysoką toksyczność. Obecne technologie są coraz częściej szyte na miarę, a rośliny niewykorzystywane w łańcuchu pokarmowym mogą stać się, na przykład, źródłem energii.

Rozdział 1

Źródła, charakterystyka i sposoby migracji zanieczyszczeń obecnych w środowisku

Słowa Paracelsusa, że „wszystko jest trucizną i nic nie jest trucizną, bo tylko dawka czyni truciznę”, są w dzisiejszych czasach wciąż bardzo aktualne.

Terminy „zanieczyszczenie” (ang. contaminant) i „skażenie” (ang. pollutant) są często używane zamiennie dla określenia substancji, które po wprowadzeniu do środowiska stają się toksyczne dla ludzi i ekosystemów. Substancje te są zatem antropogeniczne, to znaczy, że ich pojawienie się w środowisku jest wynikiem działalności człowieka. Jednak „antropogeniczny” nie oznacza, że wszystkie zanieczyszczenia są syntetycznymi chemikaliami (jak np. DDT lub pluton). Mogą to być substancje naturalnie występujące w środowisku w nadmiarze, na skutek funkcjonowania przemysłu lub rolnictwa. Najbardziej rozpowszechnione grupy zanieczyszczające środowisko obejmują właśnie związki naturalne (choćby np. dwutlenek węgla) albo nawozy (takie jak azotany). Ponadto termin „zanieczyszczenie” odnosi się nie tylko do konkretnych substancji, ale również do strat energii, hałasu czy odorów. We wszystkich przypadkach obecność zanieczyszczeń zmienia chemiczną, fizyczną, biologiczną lub radiologiczną integralność ekosystemu, niszcząc populacje lub zmieniając ich tempo wzrostu, zakłócając łańcuch pokarmowy i w efekcie niekorzystnie wpływając na zdrowie i dobre samopoczucie organizmów (przede wszystkim ludzi). Szacuje się, że ze 136 mln kilometrów kwadratowych powierzchni Ziemi, około 10% stanowią grunty orne, a 25% użytki zielone i lasy, które można przekształcić w grunty rolne. Dążenie do coraz wyższych plonów, możliwe dzięki innowacjom technologicznym i uprawie obszarów marginalnych, doprowadziło do powszechnej degradacji gruntów rolnych. Obecnie około 40% ziemi rolnej na świecie to grunty zdegradowane w wyniku przyśpieszonej erozji wywołanej przez takie czynniki, jak: wiatr, woda, zasolenie, zagęszczenie, wyczerpanie składników odżywczych, zanieczyszczenie i urbanizacja [van der Perk, 2013].

Wszelkie substancje stają się zanieczyszczeniami, jeśli są szkodliwe lub nawet trujące, a zostały wprowadzone do środowiska przez ludzi lub w wyniku działalności człowieka. Istnieje jednak wiele substancji nieuznawanych powszechnie za zanieczyszczenia, choć mogą powodować zanieczyszczenie, jeśli zostaną uwolnione do środowiska w nadmiernych ilościach lub w niefortunnym miejscu i czasie. Ich przykłady to mleko, sok owocowy czy cukier, które na ogół nie są uważane za zanieczyszczenia, jeśli są bezpośrednio uwalniane do wód powierzchniowych, tymczasem stają się szkodliwe dla organizmów wodnych, ponieważ utlenianie węglowodanów w nich zawartych wyczerpuje tlen rozpuszczony w wodzie. Z drugiej strony wiele substancji, które są uważane za szkodliwe zanieczyszczenia, mogą naturalnie występować w środowisku: pierwiastki śladowe (w tym metale ciężkie), azotany i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA).

Oceniając wpływ zanieczyszczeń na środowisko naturalne, nie wystarczy wziąć pod uwagę ich toksyczności. Należy również wziąć pod uwagę ich biodostępność. Biodostępność oznacza szybkość i stopień pobierana lub wchłaniana substancji do tkanek organizmów, a zatem wpływa na ich fizjologię. Jest to prawdopodobnie najważniejszy czynnik determinujący stopień, w jakim zanieczyszczenie z powietrza, gleby lub wody wejdzie w łańcuch pokarmowy, stając się zagrożeniem dla populacji organizmów żywych.

1.1
Grupy zanieczyszczeń w środowisku

1.1.1. Pierwiastki śladowe a metale ciężkie. Występowanie, toksyczność

Zgodnie ze stosowaną obecnie definicją, pierwiastki śladowe, czyli mikroelementy (ang. trace elements) albo biopierwiastki – to pierwiastki chemiczne, które w organizmach żywych występują w bardzo małych (śladowych) ilościach. Ich zawartość w organizmie człowieka nie przekracza 0,01%, a ich zalecane dzienne spożycie nie przekracza dawki 100 mg/osobę. Do pierwiastków śladowych niezbędnych, na przykład, organizmowi ludzkiemu zalicza się jod, fluor, miedź, kobalt, selen, molibden, chrom, nikiel, selen, żelazo, cynk, bor.

Natomiast termin „metale ciężkie” to nieprecyzyjne pojęcie określające różnie definiowany zbiór metali i półmetali charakteryzujących się dużą gęstością i zwykle właściwościami toksycznymi. W publikacjach spotkać można znacząco różniące się wartości graniczne gęstości, powyżej których dany pierwiastek uznawany jest za metal ciężki: 3,5, 4, 4,5, 5 g/cm³. Stosowane są także definicje metali ciężkich bazujące na:

a) liczbie atomowej – na przykład metale i półmetale o liczbie atomowej większej od 11 (sód) lub 20 (wapń) – lub liczbie masowej,

b) wybranych własnościach chemicznych, na przykład na liczbie akceptorowej (kwasowość Lewisa)

c) właściwościach toksycznych dla organizmów żywych.

Do grupy nazwanej „metale ciężkie” zaliczane bywają metale (np. Cu, Co, Cr, Cd, Fe, Zn, Pb, Sn, Hg, Mn, Ni, Mo, V, W), półmetale (np. As, Te), a nawet metale lekkie (Al) czy – mylnie – niemetale (Se). Z punktu widzenia ich funkcjonalności w środowisku należą tu zarówno mikroelementy (Cu, Zn, Ni, Cr), które powinny występować w ściśle określonych ilościach, ponieważ zarówno ich niedobór, jak i nadmiar są szkodliwe dla zdrowia, oraz pierwiastki o nieznanej roli fizjologicznej (np. Cd, Hg, Pb, As). Ważna biochemiczna rola metali związana jest przede wszystkim z procesami metabolizmu białek, transportu pierwiastków i substancji, zarówno na poziomie komórek, jak i organów, oraz aktywnością enzymów (zwłaszcza tych, które biorą udział w procesach utleniania i redukcji). Druga grupa obejmuje w większości metale szkodliwe, które po wniknięciu do organizmów żywych drogą oddechową, pokarmową lub przez skórę mogą wywołać albo natychmiastowe efekty toksyczne, albo (co zdarza się najczęściej) wskutek kumulowania się i przemian metabolicznych – efekty długookresowe. Toksyczność metali ciężkich dla mikroorganizmów wzrasta w szeregu: Cu, Cd, Ni, Zn, Pb. Ich bardziej szczegółowy podział, ze względu na biologiczną rolę metali, zaproponowali Kabata-Pendias i Pendias (1999):

— o bardzo wysokim stopniu potencjalnego zagrożenia (Cd, Hg, Pb, Cu, Zn),

— o wysokim stopniu potencjalnego zagrożenia (Mo, Mn, Fe),

— o średnim stopniu potencjalnego zagrożenia (Ni, Co),

— o niskim stopniu potencjalnego zagrożenia (Sr, Zr).

W komórkach metale są magazynowane głównie w jądrze komórkowym, mitochondrium i błonie komórkowej. Większość metali jest wydalana tylko w niewielkim stopniu, co prowadzi do ich bioakumulacji. W miarę upływu czasu reakcje na zanieczyszczenie obserwowane są na coraz wyższym poziomie – na początku są to zmiany w organizmach, później w poszczególnych populacjach, a następnie w całym narażonym ekosystemie. Ponieważ na rzeczywiste skażenie składa się zwykle szereg metali, na coraz to wyższych poziomach ekosystemu obserwowana jest wzrastająca trudność przypisania reakcji działaniu konkretnych substancji (istotny jest też wpływ innych czynników), a także – chociaż toksyczność ma zazwyczaj charakter addytywny – wystąpienie zjawiska synergizmu [Kacprzak, 2007].

Zgodnie z opracowaniem IARC (Międzynarodowej Agencji Badań nad Rakiem) kadm (Cd) został zaklasyfikowany do grupy 1, obejmującej substancje rakotwórcze dla człowieka, natomiast związki nieorganiczne ołowiu (Pb), uprzednio klasyfikowane w grupie 2B jako możliwie rakotwórcze dla człowieka, w 2006 roku zakwalifikowano do grupy 2A, w której znajdują się substancje prawdopodobnie rakotwórcze dla człowieka [Kozłowska i in., 2015].

Metale ciężkie są używane przez ludzkość od tysięcy lat. Ołów stosowany jest przez co najmniej od 5000 lat, między innymi w materiałach budowlanych, pigmentach do ceramiki (np. żółcień neapolitańska) i rurach wodociągowych. Egipcjanie stosowali go w medycynie jako środek poronny, a siarczek ołowiu jako barwnik do brwi i rzęs. W starożytnym Rzymie octanem ołowiu słodzono stare wino, więc niektórzy Rzymianie mogli spożywać nawet gram ołowiu dziennie. Podobno używali rtęci jako składnika maści do łagodzenia bólu ząbkowania u niemowląt, a także jako lekarstwa na syfilis. Podobnie związki arsenu były stosowane w medycynie dzięki swoim właściwościom antyseptycznym, przeciwgorączkowym, żółciopędnym, rozkurczowym, uspokajającym i tonizującym. Hipokrates dwusiarczkiem i trójsiarczkiem arsenu leczył owrzodzenia skóry, a w medycynie chińskiej trójtlenek arsenu używany był do leczenia kiły, łuszczycy i chorób stawów [Kulik-Kupka i in., 2016]. Charakterystyczne jaskrawości w dziełach Muncha, Moneta czy van Gogha powstały za sprawą pigmentów kadmowych. Chociaż od wielu lat znane są niekorzystne odziaływania metali ciężkich na zdrowie, narażenie na nie trwa, a nawet – w niektórych obszarach – rośnie. Ołów jest wykorzystywany do wyrobu płyt do akumulatorów oraz aparatury do produkcji kwasu siarkowego (w ok. 1/3 całej produkcji), do produkcji osłon do kabli, w przemyśle farbiarskim i ceramicznym, w przemyśle chemicznym i budownictwie, w materiałach lutowniczych, do produkcji łożysk i czcionek drukarskich, osłon w reaktorach atomowych, produkcji benzyny lotniczej, fartuchów i pojemników do osłony radioaktywnej i wielu innych [Krzywy i in., 2010]. Rtęci wciąż używa się w wielu kopalniach złota, arsen jest powszechnym składnikiem środków ochrony drewna, nikiel i kadm baterii, a kadm składnikiem fosforytów, stosowanych do produkcji mineralnych nawozów fosforowych, czy węglanów stosowanych do odkwaszania gleb. Według danych literaturowych, w ciągu niemal stu lat monitorowania zużycie nawozów fosforowych zwiększyło się z 1 mln ton w przeliczeniu na fosfor (w latach 30. XX wieku) do 42 mln ton na rok (w roku 2014). Organizacja Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa FAO szacuje, że zapotrzebowanie i zużycie nawozów fosforowych zwiększy się w nadchodzących latach o kolejne 2,2% [World fertilizer trends and outlook to 2018, raport FAO 2015]. W przypadku metaloidów zwraca uwagę fakt, że organizacja Food and Drug Administration w roku 2000 zarejestrowała preparat trójtlenku arsenu do leczenia chorych z ostrą lub nawrotową białaczką promielocytową [Kulik-Kupka i in., 2016].

Do zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi przyczyniają się przede wszystkim:

— przemysł chemiczny (garbarstwo, produkcja chemii gospodarczej, kosmetyków preparatów ochrony roślin, tworzyw sztucznych, farb, rozpuszczalników i lakierów oraz wyrobów gumowych),

— przemysł nawozów sztucznych,

— przemysł celulozowo-papierniczy,

— przemysł elektrotechniczny,

— rafinerie ropy naftowej,

— elektrownie węglowe i przemysł koksowniczy,

— hutnictwo i metalurgia żelaza oraz metali nieżelaznych,

— przemysł szklarski, ceramiczny, cementowy i azbestowy,

— zakłady składowania i przeróbki odpadów,

— produkcja lamp, mikroporocesorów i urządzeń pomiarowych,

— ruch uliczny.

Badania Trojanowskiej i Świetlika (2017) wykazały, że największe zagrożenie zdrowotne, wynikające z obecności metali ciężkich w pyłach ulicznych, wynika z przypadkowego połknięcia zanieczyszczonych pyłów. W mniejszym stopniu o zagrożeniu decyduje wnikanie metali przez skórę, w najmniejszym ich wnikanie drogą inhalacyjną (HQing > HQderm > HQinhal), a ołów i chrom są źródłem znacznie większego zagrożenia zdrowia niż miedź, nikiel czy cynk.

Pomimo że najbardziej powszechną jest tak zwana całkowita zawartość metali, współczesne techniki analityczne umożliwiają precyzyjne określenie stężeń poszczególnych form metali ciężkich. Rozpuszczalność związków metali i występowanie ich w formie jonowej ma duże znaczenie w biodostępności i migracji zanieczyszczeń w głąb profilu glebowego.

Tabela 1.1. Podstawowe rozpuszczalne formy wybranych metali ciężkich [Kacprzak, 2013]

Symbol pierwiastka | Formy rozpuszczalne
Cd | CdCl⁺, CdOH⁺, CdHCO₃⁺, CdCl₃–, CdCl₄2–, Cd(OH)₃–
Cr | Cr(OH)²⁺, CrO₄2–, CrO₃3–
Cu | Cu²⁺, Cu⁺, CuOH⁺, Cu(OH)₂²⁺, Cu(CO₃)₂2–, Cu(OH)₄2–, Cu(OH)₃–, CuO₂2–, HCuO₂–
Mn | Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁴⁺, MnOH⁺, MnOH²⁺, MnOH³⁺, Mn(OH)₃⁺, MnHCO₃⁺, Mn(OH)₄2–, Mn(OH)₃–, HMnO₂–, MnO₄2–, MnO₄–
Ni | Ni²⁺, NiOH⁺, HNiO₂–, Ni(OH)₃–
Pb | Pb²⁺
Zn | Zn²⁺
Fe | Fe³⁺, Fe(OH)₂⁺, FeOH²⁺, Fe²⁺, Fe(OH)₃–, Fe(OH)₄2–

W procedurze analitycznej funkcjonuje szereg metod ekstrakcji sekwencyjnych, gdzie stosuje się różne związki odpowiedzialne za ekstrakcję poszczególnych frakcji metali (tab. 1.2).

W metodzie Tessiera wyróżnia się sześć frakcji: rozpuszczalną w wodzie, wymienną, węglanową, związaną z tlenkami żelaza i manganu, związaną z frakcją organiczną oraz frakcję pozostałościową. Do badań gleb najczęściej polecana jest metoda ekstrakcji sekwencyjnej (ang. Community Bureau of Reference, BCR), uznana za metodę standardową w ramach Standard Measurement and Testing Programme, polegająca na czteroetapowej ekstrakcji:

Tabela 1.2. Poszczególne frakcje metali i odpowiadające im wyekstrahowane składniki [Kacprzak, 2013]

Frakcja | Wyekstrahowane składniki | Stopień fizykochemicznej mobilności | Potencjalna biodostępność | Ekstrahenty
Rozpuszczalna w wodzie | Wolne jony | 1 | Łatwo dostępna | Woda dejonizowana
Wymienna | Jony wymienne | 1 | Łatwo dostępna | Ca(NO₃)₂, Mg(NO₃)₂, CaCl₂, MgCl₂, CH₃COONH₄
Rozpuszczalna w słabych kwasach lub solach | Węglany (dla gleb niewęglanowych inne specyficznie zaadsorbowane formy metali) | 2 | Łatwo dostępna | CH₃COOH, CH₃COONa (pH < 6)
Łatwo redukująca | Uwodnione tlenki manganu | 3 | Dostępna | NH₂OH ∙ HCl
Łatwo utleniająca | Kompleksy metaloorganiczne | 3 | Dostępna | K₄P₂O₇, Na₄P₂O₇, NaOH
Umiarkowanie redukująca | Amorficzne wodorotlenki żelaza | 4 | Słabo dostępna | Bufor szczawianowy, NH₂OH ∙ HCl
Umiarkowanie i słabo utleniająca | Trwałe związki organiczne i siarczki | 4 | Słabo dostępna | H₂O₂/CH₃COONH₄
Słabo redukująca | Krystaliczne wodorotlenki żelaza | 4 | Słabo dostępna | (NH4)₂C₂O₄/kwas askorbinowy
Rezydualna |  | 5 | Niedostępna | HF, HNO₃, HClO₄

1) Etap I: ekstrakcja CH₃COOH – mająca na celu zidentyfikowanie i pomiar zawartości metali przyswajalnych i związanych z węglanami (frakcja I – mobilna).

2) Etap II: ekstrakcja NH₂OH ∙ HCl – w celu zidentyfikowania i pomiaru zawartości metali związanych z amorficznymi tlenkami żelaza i manganu (frakcja II – niestabilna).

3) Etap III: ekstrakcja H₂O₂/CH₃COONH₄ – w celu zidentyfikowania i pomiaru zawartości frakcji metaloorganicznej i siarczkowej (frakcja III – metastabilna).

4) Etap IV: mineralizacja frakcji rezydualnej mieszaniną stężonych kwasów (HCl, HNO₃) – w celu zidentyfikowania i pomiaru zawartości metali związanych z krzemianami (frakcja IV – stabilna).

Analiza sekwencyjna gleb w strefie oddziaływania Huty Cynku „Miasteczko Śląskie”, przeprowadzona przez autorów opracowania, wskazała na różnice w zawartości poszczególnych frakcji metali w zależności od poru roku, w którym próbki gleb były pobierane [Kacprzak, 2013] (ryc. 1.1).

Rycina 1.1. Wyniki ekstrakcji sekwencyjnej gleby z terenu oddziaływania huty cynku w Miasteczku Śląskim. I – frakcja łatwo rozpuszczalna, II – frakcja wymienna, III – frakcja związana z tlenkami manganu, IV – frakcja związana z substancją organiczną, V – frakcja okludowana na amorficznych tlenkach żelaza, VI – frakcja okludowana na krystalicznych tlenkach żelaza, VII – frakcja pozostałościowa. A – pobór wiosenny, B – pobór jesienny

Jednak o stabilności czy mobilności danego pierwiastka decydują głównie warunki środowiskowe, bowiem wskutek przemian biogeochemicznych (np. procesów wietrzenia, zmiany pH, zmiany zawartości substancji organicznej, aktywności mikroorganizmów) zostanie on uwolniony do środowiska. Może także zaistnieć sytuacja odwrotna, to znaczy w wyniku zastosowanych procesów przetwarzania jony metali mogą związać się w we frakcje mniej dostępne (ryc. 1.2).

Ołów

Duże ilości ołowiu uwalniane są do środowiska na terenach uprzemysłowionych przy produkcji żelaza, stali i cementu, choć niewątpliwie największe narażenie na ten metal występuje w pobliżu hut cynku, ołowiu i miedzi. W hutach cynku i ołowiu występuje też narażenie na pyły i pary cynku, kadmu, arsenu i talu, stąd prowadzi się monitoring stężenia tych substancji w powietrzu. W krajach uprzemysłowionych biała farba ołowiowa została całkowicie wycofana ze sprzedaży, jednak nadal używany jest żółty chromian ołowiu. Narażenie zawodowe jest głównym źródłem zatrucia ołowiem u dorosłych, choć do organizmu ołów może przedostawać się także poprzez rośliny uprawiane na skażonej glebie. Źródłami ekspozycji na ołów mogą być osłony radiacyjne, amunicja, niektóre urządzenia chirurgiczne, promienie rentgenowskie, monitory płodu, urządzenia hydrauliczne, silniki odrzutowe i szkliwa ceramiczne. Ponadto na toksyczne działanie ołowiu mogą być narażeni przedstawiciele wielu grup zawodowych, jak górnicy, hutnicy hydraulicy, monterzy, mechanicy samochodowi, producenci szkła, pracownicy budowlani, producenci akumulatorów, instruktorzy strzeleccy oraz producenci tworzyw sztucznych czy pracownicy zakładów zajmujących się recyklingiem. Rodzice, którzy są narażeni na ołów w miejscach pracy, zwykle przynoszą do domu na ubraniach lub na skórze pył ołowiowy, zwiększając tym samym szanse na kontakt dzieci z tym metalem. Zatrucie organicznymi związkami ołowiu zdarza się obecnie na świecie bardzo rzadko, ponieważ zaprzestaje się ich wykorzystywania jako dodatku do benzyny. Niemniej jednak są nadal stosowane w warunkach przemysłowych. Organiczne związki ołowiu łatwo i szybko przenikają przez skórę i drogi oddechowe, wpływając głównie na centralny układ nerwowy. Stwierdzono również, że także tradycyjne leki zawierają metale ciężkie, w tym ołów (np. leki ajurwedyjskie). Badając poziom ołowiu we krwi u konsumentów takich leków, stwierdzono, że spośród 115 uczestników badania 40% ma podwyższony poziom ołowiu we krwi, wynoszący 10 μg/dl, a 9,6% poziom ołowiu we krwi powyżej 50 μg/dl [Wani i in., 2015].

Rycina 1.2. Udział poszczególnych frakcji jonów metali w komunalnych osadach ściekowych oraz w nawozach z tych osadów wytworzonych technologią OrCal (badania własne)

Wartość najwyższego dopuszczalnego stężenia ołowiu w powietrzu wynosi NDS = 0,05 ng/m³, a dopuszczalne stężenie w materiale biologicznym ołowiu we krwi: dla mężczyzn DSB = 50 μg/dl, dla kobiet w wieku rozrodczym DSB = 30 μg/dl. Większość firm farmaceutycznych ustanowiła limit maksymalnego dziennego spożycia ołowiu na 1,0 μg/g masy ciała, jednak przedłużone przyjmowanie dawek nawet na tak niskim poziomie ołowiu jest niebezpieczne dla ludzi. Nie licząc zawartości Pb-B we krwi pełnej, markerami narażenia są również stężenie cynkoprotoporfiryny ZPP we krwi i stężenie kwasu delta-aminolewulinowego (ALA) w moczu [Kozłowska i in., 2015]. Ołów to jeden z najintensywniej badanych metali ciężkich. Jego toksyczność objawia się na wielu poziomach organizacji organizmów. W komórkach ołów wiąże się z grupami tiolowymi białek i inaktywuje je, jest czynnikiem generującym tworzenie się wolnych rodników, które uszkadzają m.in. DNA, enzymy, białka, i prowadzą do peroksydacji lipidów, a w konsekwencji – do niszczenia błon komórkowych. Poprzez obniżenie aktywności glutationu doprowadza do zaburzenia równowagi między produkcją wolnych rodników i wytwarzaniem przeciwutleniaczy, a w efekcie do wytworzenia stresu oksydacyjnego. Natomiast na skutek zwiększenia aktywności m.in. cyklooksygenazy 2 (COX-2) oraz białka C-reaktywnego (CRP) wywołuje stan zapalny organizmu.

U ludzi ołów zaburza syntezę hemoglobiny poprzez hamowanie syntezy hemu i opóźnienie dojrzewania krwinek czerwonych. Ten, dostający się do organizmu drogą pokarmową, stopniowo wywołuje różne, często niespecyficzne objawy: podwyższone ciśnienie, uszkodzenie nerek, bezpłodność, zaburzenia hormonalne, anemię oraz zaburzenia neurotoksyczne i neurobehawioralne. Ze strony układu nerwowego są to bóle głowy, trudności w koncentracji, drażliwość, utrata pamięci i otępienie. Wysoki poziom tego metalu we krwi, przekraczający 100 μg/dl, daje objawy bardzo poważne, takie jak symptomy encefalopatii, stanu charakteryzującego się obrzękiem mózgu, któremu towarzyszy zwiększone ciśnienie w czaszce, majaczenie, śpiączka, drgawki i ból głowy. Ołów odkłada się w tkance kostnej przez całe życie, a okres jego półtrwania wynosi ponad 20 lat.

Kadm

Kadm dostaje się do środowiska głównie wskutek procesów przemysłowych, ale także jako składnik nawozów i pestycydów. Naturalnymi źródłami jego emisji do środowiska są wietrzejące skały, pożary lasów i erupcje wulkanów. Uznany został przez IARC za mutagen i kancerogen I grupy. Na to, w jakiej formie chemicznej występuje, ma przede wszystkim wpływ wartość pH. Przy pH około 7, jako wolny jon (Cd²⁺) jest najłatwiej pobierany przez żywe komórki, przez co jest najbardziej toksyczny. Natomiast powyżej wartości pH = 7, metal ten jest nietoksyczny, gdyż tworzy kompleksy (tlenki i wodorotlenki), które są niedostępne dla żywych komórek. Na biodostępność kadmu mają też wpływ inne czynniki środowiskowe, na przykład zasolenie, obecność związków chelatujących i jonów innych metali. Jest kumulowany w tkankach, gdyż cechuje go długi okres półtrwania (10–30 lat u człowieka). Toksyczność kadmu wynika z jego wysokiego powinowactwa do wielu grup chemicznych o istotnym znaczeniu biologicznym. Kadm tworzy wiązania kowalencyjne i jonowe z atomami tlenu, wodoru i siarki, cynku, żelaza, miedzi, magnezu, selenu i wapnia, w grupach sulfhydrylowych, disiarczkowych, karboksylowych, imidiazolowych czy aminowych [Kaczyńska i in., 2015]. Jego dopuszczalne stężenie w materiale biologicznym (DSB) wynosi 5 µg/l we krwi oraz 5 µg/g kreatyniny w moczu. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Pracy i Polityki Społecznej najwyższe dopuszczalne stężenie kadmu w pyłach i dymach wynosi 0,01 mg/m³. Koncentracja kadmu w powietrzu atmosferycznym może sięgnąć 5,23 ng/m³, a w glebie 290 mg/kg, w pobliżu hut cynku i ołowiu zlokalizowanych w województwie śląskim [Kozłowska i in., 2015].

Uważa się, że z roślin uprawnych najlepiej kumulują kadm warzywa korzeniowe i zboża uprawne, ale stosunkowo duże ilości tego metalu są znajdowane w warzywach liściastych, na przykład w sałacie i szpinaku. Przyczynia się on do zmian w funkcjonalności błon komórkowych, hamowania podziałów komórkowych oraz obniżenia efektywności fotosyntezy i wydzielania tlenu. Stwierdzany jest w mięsie ryb, mięczaków, skorupiaków i ostryg, w podrobach [Gambuś, Rak, 2000]. Do ludzkiego organizmu kadm i jego związki dostają się głównie drogą pokarmową, ale także drogą oddechową. Ta druga sytuacja ma miejsce głównie na skutek zawodowego narażenia na pyły, choć istotnym źródłem kadmu jest dym papierosowy. Powszechnie wiadomo, że wypalenie jednego papierosa to dawka kadmu wynosząca około 0,1–0,3 μg. Przy czym badania dowiodły, że poziom tego metalu w surowicy krwi osób palących jest 45-krotnie wyższy niż u niepalących. Powoduje uszkodzenia wątroby, nerek, płuc, osteoporozę, anemię i liczne nowotwory.

Kadm gromadzi się w organizmie przez długi czas, a jego stężenie może stopniowo wzrosnąć kilka lat po ekspozycji. Poziomy kadmu we włosach mają różne wartości referencyjne w różnych krajach – na przykład we Włoszech 0,03 mg/kg, w Anglii 0,11 mg/kg, a w Japonii 0,05 mg/kg. Ponadto podaje się, że ilość kadmu we włosach może wynosić 0,61 ± 1,13 µg/g, a na paznokciach 1,11 ± 0,83 µg/g [Rahimzadeh i in., 2017].

Kadm wpływa na proliferację, różnicowanie i apoptozę komórek. Działania te współistnieją z mechanizmem naprawy DNA, wytwarzaniem reakcyjnych form tlenu (ang. Reactive Oxygen Species, ROS) i indukcją apoptozy. Do wnętrza mitochondriów jony kadmu dostają się poprzez kanały wapniowe, a tam łączą się z grupami –SH transporterów nukleotydów adeninowych znajdujących się w ich wewnętrznej błonie, co wpływa na zmiany konformacyjne tych białek, a w konsekwencji powoduje wzrost przepuszczalności błon mitochondrialnych i może hamować zarówno oddychanie komórkowe, jak i fosforylację oksydacyjną.

Rtęć

Rtęć w środowisku występuje w wielu stanach fizycznych i chemicznych: ciekłym (rtęć elementarna), stałym (sole rtęciowe, ugrupowania rtęci w związkach organicznych) i gazowym (pary rtęci). Rtęć gazową zwykle wydzielają rozłupane (odgazowane) skały i wulkany w trakcie aktywności, której produkty ostatecznie przechodzą z atmosfery do środowiska wodnego. Prowadzi to do powstania organicznych związków rtęci (metylo- czy etylortęci), które są następnie akumulowane przez organizmy żywe, głównie ryby. Zanieczyszczenie antropogeniczne rtęcią zwykle powstaje w wyniku procesów przemysłowych, w tym wydobycia węgla, spalania paliw i odpadów przemysłowych oraz komunalnych, a także produkcji akumulatorów czy nawet wytwarzania substancji dermatologicznych (np. leków homeopatycznych) (ryc. 1.3). Rtęć jest szczególnym metalem, ponieważ w temperaturze pokojowej występuje jako ciecz. Przedostając się do atmosfery w formie gazowej, pyłu lub aerozoli może być transportowana na bardzo duże odległości, stąd też skażenie środowiska tym pierwiastkiem nie musi być związane z lokalną imisją. Dodatkowo gleby rolne mogą być skażone poprzez pozostałości stosowanych nawozów mineralnych i środków ochrony roślin.

Rtęć, obok kadmu i ołowiu, zaliczana jest do tak zwanej trójki metali śmierci, ponieważ u stałocieplnych kręgowców nie pełni żadnej fizjologicznej funkcji [Raport WWF, 2015]. Wchłanianie rtęci do organizmu człowieka zależy od postaci, w jakiej ona występuje. Pary rtęci mogą wniknąć przez drogi oddechowe, natomiast związki tego pierwiastka przez przewód pokarmowy, skórę oraz gruczoły potowe i łojowe. Nieorganiczne i organiczne pochodne rtęci łatwo rozpuszczają się w tłuszczach, dlatego szybko penetrują przez błony biologiczne [Moniczewski i in. 2016]. Właściwości fizykochemiczne rtęci sprawiają, że jest silnym pośrednim induktorem stresu oksydacyjnego w układach biologicznych, przy czym za najbardziej toksyczne uważane są jej związki organiczne, zwłaszcza dimetylortęć (CH₃)₂Hg. Zdolność rtęci do łatwego tworzenia kompleksów z ligandami zawierającymi siarkę, grupę tiolową i azot jest powiązana z pośrednią produkcją reaktywnych form tlenu. Nieco mniejszy udział w wiązaniu rtęci biorą atomy tlenu i azotu grup karboksylowej i aminowej. Z drugiej strony rtęć nieorganiczna, zwykle w postaci rtęci w postaci par, ma tendencję do wywoływania chemicznych zmian w trzeciorzędowych i czwartorzędowych strukturach białek, które wynikają z powinowactwa tego pierwiastka do grup sulfhydrylowych/selenohydrylowych. Rtęć zmienia funkcjonalność enzymów (dezaktywując je lub stymulując), co prowadzi do dramatycznych zmian w procesach metabolicznych organizmów.

Rycina 1.3. Szacowana roczna emisja rtęci do powietrza ze źródeł naturalnych, wyrażona w tonach [Pirrone i in., 2010]

U człowieka rtęć wywołuje wiele objawów chorobowych. Na skórze sole rtęci mogą powodować wysypki skórne, oparzenia, podrażnienia, blizny. Wzrasta także podatność skóry na infekcje bakteryjne i grzybicze [Moniczewski i in., 2016]. Chlorki rtęci są znane z tego, że atakują przewód pokarmowy i nerki, prowadząc do objawów od niejednoznacznego bólu brzucha po krwawą biegunkę wywołaną martwicą tkanki jelitowej. U dzieci częstym objawem chronicznego zatrucia rtęcią jest akrodynia (choroba Seltera, Feera i Swifta), zespół chorobowy charakteryzujący się wzmożoną pobudliwością nerwową, rozdrażnieniem, apatią i nadmiernym ślinieniem. Charakterystycznymi jej objawami są: duża potliwość, czerwone zabarwienie skóry, rumień, wysypka oraz obrzęk dłoni i stóp przy nadmiernym złuszczaniu naskórka. Związki rtęci najczęściej kumulują się w nerkach. Skutkuje to białkomoczem, zespołem nerczycowym oraz zapaleniem kłębuszków nerkowych.

Nikiel

W naturze nikiel występuje głównie w postaci jonu niklowego Ni²⁺. Około 20% światowej podaży niklu pochodzi z gleb Ontario (Kanada) bogatych w pentlandyt, rudę niklu zawierającą także siarczek miedzi i żelazo. Nikiel jest pozyskiwany z rudy do różnych zastosowań przemysłowych, chemicznych i biologicznych. Uwalnianie ścieków komunalnych i przemysłowych znacząco przyczynia się do obecności niklu w glebie i wodzie, ale jego względne stężenie zależy od źródła ścieków. Szacuje się, że stężenie niklu w wodzie rzecznej i osadach górnego Gangesu (Indie) wynosi odpowiednio od 35 do 211 oraz od 70,9 do 511 ppm. Nikiel jest pierwiastkiem niezbędnym dla organizmów. W bakteriach acetogennych redukcja tlenku węgla do octanu zależy od niklu potrzebnego do aktywacji i syntezy dehydrogenazy tlenku węgla.

Miedź

Związki miedzi jednowartościowej są słabo rozpuszczalne w wodzie, ale łatwo ulegają utlenieniu, a następnie przechodzą w rozpuszczalne w wodzie siarczany Cu²⁺. Podstawową funkcją miedzi w organizmie jest udział w procesach oksydacyjno-redukcyjnych, gdzie występuje jako składnik koenzymu, reguluje przemianę materii, transport żelaza i metabolizm kolagenu. Miedź stanowi niezbędny składnik wielu białek i enzymów. We krwi występuje w kompleksach z histydyną, treoniną, kwasem glutaminowym, a w postaci kompleksów z aminokwasami i albuminami transportowana jest do wątroby, nerek, jelit i innych tkanek [Piontek i in., 2014]. Toksyczność tego pierwiastka zależy głównie od jego zasadowości. Mniej toksyczny jest on w wodach twardych, zasadowych, w których powstają węglanowe kompleksy miedzi. W wyniku obniżenia pH (zasadowości) i twardości wody, czynników chelatujących oraz zawartości kwasów humusowych wzrasta także toksyczność miedzi [Gawlik i in., 2019]. Objawy to między innymi boleści i skurcze jelit, biegunka, uszkodzenia naczyń jelit, nerek, wątroby.

Rycina 1.4. Mechanizm homeostazy cynku w komórce [za: Plum i in., 2010, zmienione]

Cynk

Cynk dostaje się do środowiska głównie w efekcie spalania węgla, ropy naftowej i jej produktów oraz wraz ze ściekami komunalnymi czy odciekami ze składowisk odpadów górniczych i przemysłowych. Może być zawarty w preparatach ochrony roślin, a także w nawozach mineralnych, głównie fosforowych. Występuje najczęściej jako tlenek cynkowy, siarczan lub siarczek cynkowy. Jako aktywny składnik wielu enzymów bierze udział w metabolizmie węglowodanów, białek, związków fosforowych, reguluje procesy powstawania rybosomów, wpływa na przepuszczalność błon komórkowych. Komórkowa homeostaza cynku ma wpływ na cytotoksyczność (ryc. 1.4). W homeostazie cynku komórkowego pośredniczą trzy główne mechanizmy: a) transport przez błonę plazmową – przez importery z rodziny Zip i eksport białek z rodziny ZnT, b) poprzez białka wiążące cynk, takie jak metalotioneina, oraz c) poprzez sekwestrację za pośrednictwem transportera do wewnątrzkomórkowych organelli, w tym retikulum endoplazmatycznego, aparatu Golgiego i lizosomów. Do utrzymania żywotności komórek jest wymagana ścisła kontrola homeostazy cynku, podczas gdy deregulacja prowadzi do śmierci komórek (ryc. 1.4). Szczególną rolę w wewnątrzkomórkowej homeostazie cynku odgrywa układ metalotioneina/tioneina. Wolne i luźno powiązane jony cynku są związywane przez apobiałkową tioneinę (Tred), tworząc metalotioneinę (MT). Podwyższony poziom wolnych jonów cynku może wiązać się ze strukturami palca cynkowego regulującego czynnik transkrypcyjny metalu (MTF)-1, indukując w ten sposób ekspresję tioneiny. Dodatkowo utlenianie tioli przez reaktywne formy tlenu (ROS) lub azotu (RNS) powoduje tworzenie się utlenionego białka tioniny (Tox) z jednoczesnym uwalnianiem cynku. Unieszkodliwienie cynku polega na związaniu go w błonach komórkowych oraz wytrąceniu w połączeniu z białkami, dzięki czemu jest on wyłączany z procesów metabolicznych.

Istnieją trzy główne drogi wnikania cynku do organizmu ludzkiego: inhalacyjna, dermalna lub pokarmowa. Narażenie na cynk ma miejsce w procesach przemysłowych, takich jak cynkowanie, co dotyczy przede wszystkim pracowników produkcyjnych. Zarówno zatrucie poprzez nadmierną ekspozycję na cynk lub jego spożycie, jak i niedobór cynku wynikający z niedożywienia lub chorób mają szkodliwy wpływ na różne układy narządów. Efekty, których nie można przypisać do określonego układu narządów lub które wpływają na kilka narządów, są klasyfikowane jako objawy ogólnoustrojowe (ryc. 1.5).

Rycina 1.5. Porównanie efektów zatrucia cynkiem z jego niedoborem w organizmie ludzkim [za: Plum i in., 2010, zmienione]

Arsen

W skali światowej naturalną emisję arsenu szacuje się na 7900 ton rocznie, natomiast emisje antropogeniczne są niemal trzy razy większe [Skoczyńska, 2018]. Największe ilości arsenu przedostają się do środowiska w wyniku działalności antropogenicznej: hutnictwa miedzi (ok. 50%), górnictwa, zwłaszcza wskutek spalania niskiej jakości węgla brunatnego (ok. 20%), przetwórstwa metali kolorowych (ok. 10%) i stosowania pestycydów (20%). Światowa produkcja arsenu kształtuje się na poziomie około 35 tysięcy ton rocznie, z czego huty miedzi emitują go w ilości około 12 tysięcy ton rocznie [Skoczyńska, 2018]. Arsen może występować w żywności, szczególnie w rybach. Jest to głównie arsen w związkach organicznych. Unia Europejska nie wprowadziła jak dotąd przepisów określających maksymalną zawartość arsenu w żywności. Połączony Komitet Ekspertów FAO/WHO do spraw Substancji Dodatkowych (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, JECFA) ustalił dawkę BMDL (ang. Benchmark Dose Lower Confidence Limit) w wysokości 3 µg/kg masy ciała/dzień, która powoduje 0,5-procentowy wzrost ryzyka zachorowania na raka płuc [Kulik-Kupka i in., 2016]. Związki arsenu można podzielić na trzy grupy: a) nieorganiczne (arsen związany z tlenem, siarką i chlorem), b) organiczne (arsen związany z węglem i wodorem) oraz c) arsen w postaci gazowej (często zabsorbowany na cząstkach pyłu zawieszonego PM10).

W środowisku człowieka występuje wiele grup substancji zawierających arsen [Skoczyńska, 2018]:

1. Nieorganiczne rozpuszczalne w wodzie związki: tlenki As³⁺ i As⁵⁺ oraz rozpuszczalne sole As³⁺ i As⁵⁺.

2. Związki nieorganiczne arsenu o małej rozpuszczalności w wodzie: niektóre sole As³⁺ i As⁵⁺, arsenidy, selenidy arsenu i siarczek arsenu.

3. Związki organiczne występujące naturalnie lub jako pestycydy (np. kwas. dimetyloarsenowy lub kwas kakodylowy).

4. Związki organiczne występujące naturalnie w organizmach morskich (np. arsenobetaina, arsenocholina).

5. Związki organiczne stosowane jako dodatki do pasz (np. kwas arsanilowy).

6. Gazowe związki nieorganiczne i organiczne (np. arsyna).

Arsen w odmianie metalicznej ma zastosowanie w mikroelektronice, wykorzystywany jest także w produkcji szkła kryształowego. Stężenia arsenu w powietrzu w drugiej połowie XX wieku wynosiły od 0,2 do 1,5 ng/m³ na obszarach wiejskich, od 0,5 do 3 ng/m³ w miastach i nie więcej niż 50 ng/m³ na obszarach przemysłowych.

Toksyczne działanie arsenu w prawidłowych komórkach wynika z jego zdolności do reagowania z grupami sulfhydrolowymi białek, co prowadzi do zaburzeń w procesach utleniania i cyklu Krebsa. Arszenik generuje także powstawanie nadtlenku wodoru i hamuje reduktazę glutationową, doprowadzając do obniżenia w komórce stężenia glutationu [Kulik-Kupka i in., 2016]. Indukuje też wiele procesów w komórce prowadzących do jej apoptozy, czyli programowanej śmierci. Arsen może dostać się do organizmu ludzkiego drogą inhalacyjną, pokarmową lub dermalną. Dawka arsenu dostarczona przez wypalenie 20 sztuk papierosów w ciągu doby wynosi 0,8–2,4 µg. Jednak główną drogą wnikania tego metalu jest układ pokarmowy. Wino wytwarzane z winogron opryskanych pestycydami z dodatkiem aktywnych związków arsenu może zawierać znaczne ilości tego pierwiastka (do 0,5 mg/l) w postaci związków nieorganicznych arsenu trójwartościowego. Pierwiastek ten kumuluje się w tkankach bogatych w keratynę: we włosach i w paznokciach (tzw. pasma Meesa), przenika przez barierę łożyska i gromadzi się w tkance nabłonkowej płodu w początkowym okresie ciąży [Skoczyńska, 2018].

Selen

Selen jest mikropierwiastkiem niezbędnym do prawidłowego funkcjonowania organizmów. Ze względu na bardzo niewielką różnicę między poziomem dawki minimalnej koniecznej do prawidłowego funkcjonowania a poziomem dawki toksycznej uważany jest za jeden z najbardziej toksycznych pierwiastków śladowych. Niedobór selenu powoduje znaczne zaburzenia układu immunologicznego, rozrodczego, antyoksydacyjnego, układu nerwowego i krążenia, zwiększa podatność na nowotwory i infekcje wirusowe. Z kolei jego nadmiar prowadzi do selenozy, choroby której typowe objawy to między innymi: czosnkowy zapach z ust, wypadanie włosów, dekoloryzacja płytki paznokciowej, biegunka, zaburzenia neurologiczne. Zatrucie selenem prowadzi do marskości wątroby, obrzęku płuc i zgonu. Uważa się, że może także przyczyniać się pośrednio do rozwoju cukrzycy typu II oraz indukować w komórkach stres oksydacyjny [Ratajczak, Gietka-Czernel, 2016]. Niedobór selenu to stężenie tego pierwiastka w osoczu niższe niż 85 µg/l, dawka dopuszczalna to 450 µg/dzień, natomiast dawka toksyczna – 900 µg/dzień. Stężenie selenu w osoczu osób zdrowych w populacji europejskiej waha się średnio od 38,71 do 432 µg/l. Optymalne stężenie selenu we krwi to 92–108 mikrogramów (µg) na litr surowicy krwi. Natomiast najwyższe dopuszczalne stężenie w powietrzu (NDS) w miejscu pracy wynosi 0,1 mg/m³ [Kozłowska i in., 2015; Klecha, Bukowska, 2016].

1.1.2. Substancje organiczne

Zanieczyszczenia organiczne to substancje składające się z węgla, wodoru i tlenu oraz kilku innych pierwiastków. Z wyjątkiem wytworzonych przez człowieka radionuklidów i syntetycznych związków organicznych, wszystkie one występują naturalnie w środowisku, ale są uważane za główne zanieczyszczenia, ponieważ występują w wysokich stężeniach i są szeroko rozpowszechnione, co w dużej mierze jest wynikiem działalności człowieka. Część tych substancji lub ich metabolitów wykazuje silne działanie toksyczne (kancerogenne, mutagenne, teratogenne) dla organizmów żywych. O właściwościach toksycznych związków organicznych decyduje przede wszystkim ich struktura (układ atomów w cząsteczce), obecność niektórych grup funkcyjnych (aminowej, nitrowej, nitrozowej, nitrozoaminowej, cyjanowej, winylowej i fenylowej), a także ich wzajemne położenie (np. para grup metylowych w związkach aromatycznych) [Gałuszka, 2000]. Toksyczne związki organiczne składają się prawie wyłącznie z biopierwiastków: węgla, wodoru, azotu, fosforu, siarki i tlenu. Druga ważna właściwość zanieczyszczeń organicznych to ich trwałość w środowisku. Trwałe zanieczyszczenia organiczne (ang. Persistent Organic Pollutants, POP) to związki niepodlegające szybkiej biodegradacji, mogące przebywać w środowisku przez dłuższy czas.

Najczęstszymi zanieczyszczeniami organicznymi występującymi w środowisku są: węglowodory alifatyczne (WA), jedno- i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (JWA i WWA), polichlorowane bifenyle (PCB), polichlorowane dibenzodioksyny (PCDD), polichlorowane dibenzofurany (PCDF), polichlorowane bifenyle (PCB), składniki aktywne w środkach ochrony roślin (pestycydy, insektycydy) oraz substancje endokrynnie aktywne (EDC) – farmaceutyki, środki zapobiegające zapłonowi (FRS), kosmetyki (PCP).

Węglowodory alifatyczne

Najbardziej znanym spośród nich jest metan (CH₄), naturalny produkt rozkładu materii organicznej, a jednocześnie gaz przyczyniający się do powstania efektu cieplarnianego. Szkodliwość węglowodorów alifatycznych dotyczy możliwości wywołania u ludzi chorób skóry, zaburzeń ze strony układu nerwowego, a nawet nowotworów [Gałuszka, 2000]. Z kolei pochodne halogenowe węglowodorów alifatycznych – na przykład chloroform (CHCl₃), bromoform (CHBr₃), czterochlorek węgla (CCl₄), dibromoetan (C₂H₄Br₂), dichloroetan (C₂H₄Cl₂), chlorek winylu (C₂H₃Cl) czy heksachlorobutadien (C₄Cl₆) – mogą wywoływać efekty kancerogenne. A różnorodne związki fluoroorganiczne są powszechnie stosowane między innymi jako media chłodzące, czynniki spieniające i gaśnicze, propelenty, substancje smarujące, plastyfikatory, przepony w elektrolizerach, membrany jonowymienne, anestetyki, środki uspokajające i przeciwlękowe, substytuty krwi, radiofarmaceutyki, kosmetyki, środki bakterio- i grzybobójcze, środki ochrony roślin czy barwniki [Żebrowska, 2013]. Freony to grupa chloro- i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych (przede wszystkim metanu i etanu). Freon 12 (CCl₂F₂), freon 11 (CCl₃F), freon 113 (CCl₂F–CClF₂) w największym stopniu przyczyniły się do zubożenia warstwy ozonu w stratosferze.

Węglowodory aromatyczne

Najprostszy jednopierścieniowy węglowodór aromatyczny to benzen, wysokoenergetyczny składnik benzyny silnikowej. Otrzymywany jest z ropy naftowej w trakcie katalitycznego reformingu, w procesach alkalizacji i odwodornienia swoich pochodnych oraz podczas cyklizacji i aromatyzacji węglowodorów parafinowych. W przemyśle chemicznym jest stosowany jako produkt wyjściowy w syntezie organicznej. Uważa się, że ponad 75% populacji jest narażone na benzen zawarty w powietrzu atmosferycznym, a głównym źródłem narażenia są zakłady emitujące benzen, pary benzyny i spaliny samochodowe [Lebrecht i in., 2003]. Benzen wchłaniany jest drogą oddechową, a w postaci ciekłej przez skórę. U ludzi ostre zatrucia benzenem o dużych stężeniach (od 10 000 do 65 200 mg/m³ w powietrzu, przy czasie ekspozycji 5–10 min) prowadzą do śmierci poprzedzonej objawami narkotycznymi, arytmią i zaburzeniem oddychania [Lebrecht i in., 2003]. Długotrwałe narażenie na benzen powoduje spadek produkcji immunoglobulin, obniżenie odporności komórkowej i zdolności do fagocytozy. W zaawansowanych przypadkach dochodzi do szybkiego spadku liczby wszystkich elementów morfotycznych krwi – pancytopenii, często poprzedzającej wystąpienie białaczki.

Wielopierścieniowe (policykliczne) węglowodory aromatyczne (WWA, PWA) (ang. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH, Polynuclear Aromatics, PNAS, lub Polycyclic Organic Matter, POM) to liczna grupa związków organicznych (ok. 10 000), które w swojej cząsteczce zawierają co najmniej dwa pierścienie aromatyczne. Do środowiska najczęściej dostają się one jako produkty niepełnego spalania materii organicznej. Głównym źródłem WWA są kopaliny: węgiel i ropa naftowa, asfalt. Ważnym źródłem ich emisji do atmosfery są gazy spalinowe, dymy z kotłowni, urządzeń grzewczych i zakładów przemysłowych, hut, koksowni, ale także dym papierosowy (ryc. 1.6).

Rycina 1.6. Globalna emisja WWA, wg źródeł [Kuppusamy i in., 2017]

Amerykański Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii (National Institute of Standards and Technology, NSIT) w NIST Special Publication 922/2011 zestawił Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Structure Index, czyli ponad 660 wzorów strukturalnych WWA. Jak podaje Kubiak (2013), obecnie znanych jest około 100 związków z tej grupy, ale w środowisku najbardziej rozpowszechnionych jest 17 (ryc. 1.7). Nie są one syntetyzowane chemicznie do celów przemysłowych, choć istnieje wiele zastosowań komercyjnych dla wielu WWA. Są stosowane głównie do wytwarzania intermediatów farmaceutycznych, w produktach rolnych, produktach fotograficznych, termoutwardzalnych tworzywach sztucznych, materiałach smarowych i w wielu innych gałęziach przemysłu chemicznego. Jednak ogólne zastosowania niektórych WWA to:

— acenaften: produkcja pigmentów, barwników, tworzyw sztucznych, pestycydów i farmaceutyków,

— antracen: rozcieńczalnik do środków do konserwacji drewna oraz produkcja barwników i pigmentów,

— fluoranten: produkcja agrochemikaliów, barwników i farmaceutyków,

— fluoren: produkcja farmaceutyków, pigmentów, barwników, pestycydów i tworzyw termoutwardzalnych,

— fenantren: produkcja żywic i pestycydów,

— piren: składnik pigmentów, pestycydów i środek plastyfikujący tworzywa sztuczne.

Rycina 1.7. WWA najczęściej występujące w środowisku

W środowisku WWA występują w postaci mieszanin związków homo- i heterocyklicznych, i to zarówno w glebie, jak i w wodzie, roślinach czy żywności. W grupie związków homocyklicznych mieszczą się węglowodory, w których skład wchodzi węgiel, wodór oraz podstawniki alkilowe, a także grupy aminowe i nitrowe. W skład układów heterocyklicznych wchodzą atomy tlenu, azotu i siarki. Obie grupy związków są niepolarne i wykazują słabą lipofilowość. WWA są wrażliwe na działanie światła, tlenu, ozonu i innych utleniaczy, ulegając reakcji fotochemicznej z utworzeniem w końcowym etapie dioli, chinonów i aldehydów.

Monitorowanie biologicznego narażenia na WWA jest szczególnie ważne ze względu na rozpowszechnioną dyfuzję tych związków i ich znaczenie toksykologiczne. Narażenie zawodowe na wysokie poziomy zawierających WWA mieszanin substancji zanieczyszczających wywołuje szereg objawów, jak podrażnienie oczu, nudności, wymioty, biegunka i splątanie. Wiadomo również, że mieszaniny WWA (szczególnie antracenu, benzo[a]pirenu i naftalenu) wywołują podrażnienia i stany zapalne skóry. Niektóre WWA są dobrze znane jako substancje rakotwórcze, mutageny i teratogeny, dlatego stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia i jakości życia ludzi. Najbardziej znaczącym efektem zdrowotnym, jakiego można się spodziewać po narażeniu przez wdychanie na WWA, jest nadmierne ryzyko raka płuc. Jednak skutki zdrowotne poszczególnych związków WWA nie są dokładnie takie same. Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (International Agency for Research on Cancer) wyróżnia:

— grupa 1: substancje rakotwórcze dla człowieka,

— grupa 2A: substancje prawdopodobnie rakotwórcze dla człowieka,

— grupa 2B: substancje możliwie rakotwórcze dla człowieka (obecnie PEM),

— grupa 3: substancje niemożliwe do zaklasyfikowania jako rakotwórcze dla człowieka,

— grupa 4: substancje prawdopodobnie nierakotwórcze dla człowieka.

Spośród WWA najwyżej sklasyfikowany został benzo[a]piren – w grupie 1B, a na przykład naftalen, chryzen, benzo[a]antracen, benzo[k]fluoranten i benzo[b]fluoranten – w grupie 2B. WWA łatwo wchodzą w łańcuch pokarmowy, ponieważ są pobierane przez rośliny – zarówno przez liście, jak i przez system korzeniowy (ryc. 1.8). Jednak narażenie na WWA nigdy nie jest związanie z działaniem tylko pojedynczego związku. Dopiero zrozumienie, jakie efekty mogą wystąpić w mieszaninach WWA, daje dokładną ocenę związanych z nimi zagrożeń. Ze względu na wysoką lipofilowość tej klasy związków ich biodostępność po spożyciu czy wdychaniu jest znacząca.

Po dostaniu się do organizmu zwierzęcego czy ludzkiego, podobnie jak inne hydrofobowe ksenobiotyki, WWA mogą kumulować się w tkance tłuszczowej, między innymi w tłuszczu mleka [Kubiak, 2013], a w mniejszym stopniu w wątrobie i nerkach, w nadnerczach, jajnikach i śledzionie. Narządy te mogą służyć jako magazyny, z których węglowodory mogą być stopniowo uwalniane. Po dostaniu się do organizmu WWA wymagają wieloetapowej aktywacji metabolicznej przez określone enzymy. Układem enzymatycznym przede wszystkim odpowiedzialnym za ich metabolizm jest układ oksydazy o mieszanej funkcji. Pierwsza reakcja to epoksydacja. Epoksydy WWA mogą następnie sprzęgać się z glutationem, co uważane jest za prawdziwą reakcję detoksykacji. Epoksydy niesprzężone z glutationem są przekształcane w fenole i diole. Takie metabolity WWA nie są jednak czasami wystarczająco polarne, aby mogły zostać wydalone. Żeby wydalanie mogło zajść, muszą być one sprzężone z kwasem glukuronowym lub siarkowym. Większość metabolitów WWA jest wydalana z kałem i moczem (ryc. 1.8).

Rycina 1.8. Drogi rozprzestrzeniania się i wnikania WWA do ludzkiego organizmu

Degradacja WWA w środowisku obejmuje: biodegradację, fotoutlenianie, chemiczne utlenianie po adsorpcji na cząstkach gleby, wymywanie, bioakumulację. Każdy z tych procesów wpływa na poszczególne WWA inaczej. Wynika to głównie z faktu, że każdy WWA ma unikatową strukturę i zestaw właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych.

Polichlorowane bifenyle

Są to związki syntetyczne o sumarycznym wzorze C₁₂H10-nCln, gdzie 1 ≤ n ≤ 10. Możliwych jest 209 kongenerów PCB, numerowanych wg IUPAC od 1 do 209, z których 180 występuje w mieszaninach handlowych, a około 130 identyfikowanych jest w próbkach środowiskowych [Ficek, Czupioł, 2013]. Produkcję PCB zapoczątkowała amerykańska firma Monsanto w 1929 roku. Obecnie są stosowane do produkcji tworzyw sztucznych, plastyfikatorów, farb, smarów, transformatorów, chłodziw układów elektrycznych. Są bardzo trudno rozpuszczalne w wodzie. Przez wiele lat nie dostrzegano dużej szkodliwości środowiskowej tych związków Dopiero masowe zatrucie olejem ryżowym zanieczyszczonym PCB, które miało miejsce w 1969 roku w japońskiej miejscowości Yusho, oraz zbiorowe zatrucie tymi związkami w 1979 roku na Tajwanie zwróciły uwagę toksykologów i opinii publicznej na całym świecie. Rozpuszczalność PCB maleje ze wzrostem liczby atomów chloru w cząsteczce, a długi okres połowicznego rozkładu (10–15 lat) powoduje, że około 0,5 z 1,5 mln ton wyprodukowanych między w latach 1929–1970 wciąż pozostaje w środowisku [Ficek, Czupioł, 2013]. PCB latwo ulegają kumulacji w łańcuchu pokarmowym. Ich stężenia w środowisku przedstawiono w tabeli 1.3.

Tabela 1.3. Średnie zakresy stężeń PCB w różnych matrycach [Ficek, Czupioł, 2013]

Środowisko | Stężenie PCB
Powietrze | 0,1–20 ng/m³
Woda | 0,001–908 ng/l
Osady | 1,1–6000 μg/kg suchej masy osadu
Organizm | Stężenie PCB
Plankton | 0,01–20 mg/kg
Bezkręgowce | 0,01–10 mg/kg
Ryby | 0,01–25 mg/kg
Jaja ptaków | 0,01–500 mg/kg
Organizm człowieka | 0,01–10 mg/kg

Właściwości lipofilowe sprawiają, że PCB łatwo przenikają przez błony komórkowe organizmów i są włączane w łańcuchy pokarmowe. Ich wchłanianie następuje przez drogi oddechowe i skórę, są także zjadane, głównie z żywnością pochodzenia zwierzęcego. Jednak ze względu na fakt, że ich stężenia w środowisku nie są zbyt wysokie, mechanizm ich toksycznego działania nie jest w pełni poznany. Problemem są skutki biokoncentracji i/lub biomagnifikacji. PCB działają immunosupresyjnie, wywołują powstawanie guzów i powodują zaburzenia w gospodarce wapniowej, wpływając na kierunek procesów enzymatycznych. Mogą być także przyczyną bezpłodności.

Dioksyny

To powszechnie używana nazwa polichlorowanych dibenzo-para-dioksyn i polichlorowanych dibenzofuranów. Stosowane skróty, odpowiednio: PCDDs (lub PCDD) i PCDFs (lub PCDF), pochodzą od angielskich nazw – PolyChlorinated DibenzoparaDioxins i PolyChlorinated DibenzoFurans – związków, które należą do grupy aromatycznych związków chloroorganicznych. Ponieważ atomy chloru mogą zajmować dowolne pozycje w ich cząsteczkach, istnieje 75 kongenerów PCDD i 135 kongenerówPCDF. Dioksyny powstają jako produkty uboczne w wielu procesach technologicznych (np. w produkcji substancji ochrony roślin, w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, metalurgicznym, tekstylnym, w trakcie recyklingu plastiku i utylizacji odpadów medycznych, recyklingu sprzętu komputerowego), a także jako produkty spalania substancji organicznych. Źródłem emisji dioksyn są także składowiska odpadów tworzyw sztucznych poddawane narażeniu na działanie promieniowania słonecznego, gdzie w efekcie reakcji fotochemicznych dochodzi do emisji tych związków. Zainteresowanie ich toksycznością wzbudził wypadek zatrucia drobiu olejem z paszy zawierającej dioksyny w Belgii w kwietniu 1999 roku. Znaczącym źródłem emisji dioksyn do atmosfery był atak terrorystyczny na World Trade Center, gdy zauważalny wzrost stężeń węglowodorów aromatycznych odnotowano również poza bezpośrednią strefą katastrofy. Dioksyny rozpuszczają się w tłuszczach, dzięki którym mogą być transportowane i magazynowane w organizmie. Przyjmuje się, że około 90% dioksyn wchodzi do organizmu drogą pokarmową, 8% w procesie oddychania, wraz z zanieczyszczonym powietrzem, a najmniej przenika poprzez skórę [Sarnowska, Gach, 2017]. W organizmach zwierzęcych związki te przedostają się do wątroby i tkanki tłuszczowej, w której są gromadzone dzięki lipidom osocza krwi (tab. 1.4). Kompleksy z węglowodorami arylowymi (AhR) przedostają się do jądra komórki, łącząc się z łańcuchem DNA. Degradacja dioksyn w komórce prowadzi do tworzenia i uwalniania wolnych rodników, a w efekcie do stresu oksydacyjnego. Dioksyny mają znaczny wpływ na procesy białkowe hepatocytów i układu krwiotwórczego, zakłócając syntezę białek osoczowych i zmieniając obraz krwi. Zaburzają wydzielanie TSH oraz hormonów tarczycy (T3, T4), co niesie ryzyko uszkodzeń w układzie immunologicznym i rozrodczym oraz licznych procesów odpornościowych [Sarnowska, Gach, 2017]. W 1997 dioksyny zostały uznane przez Międzynarodową Agencję do Badań nad Nowotworami IARC w Lyonie za kancerogen grupy A, podobnie jak benzo[a]piren, aflatoksyny i nitrozoaminy.

Tabela 1.4. Stężenie PCB i PCDD/PCDF wyrażone w tzw. równoważnikach toksyczności TEQ (ang. Toxic Equivalent), będących sumą iloczynów stężeń poszczególnych kongenerów i ich współczynników toksyczności TEF (ang. Toxicity Equivalency Factor) dla próbek środków spożywczych pochodzących od polskich producentów [Grochowalski, 2006]

Produkt | Oznaczone stężenie [ngTEQ/kg tłuszczu]
Mleko | 0,1–4,0
Mleko w proszku | 0,3–5,0
Masło | 0,6–6,5
Ser żółty | 0,2–7,7
Jogurty niskotłuszczowe | poniżej 0,01
Jogurty o zawartości powyżej 2% tł. | 0,1–1,8
Wieprzowina | 0,05–1,3
Wieprzowina grillowana na otwartym ogniu (węgiel drzewny) | 20–25
Drób | 0,6–12,8
Wołowina | 2,4–8,5
Ryby słodkowodne polskie | 1,2–9,4
Ryby morskie (bałtyckie) | 7,0–40,0
Olej rybny | 11,2–40
Olej rybny (import ze Skandynawii) | 12,6–50
Jaja (żółtko) | 0,6–7,4
Olej roślinny świeży | 0,02–0,1
Olej roślinny zużyty (po smażeniu frytek) | 0,15–0,8
Mączka rybna (import ze Skandynawii) | 6,5–20
Mączka kostna polska | 0,25–4,25
Wyroby czekoladowe | 0,05–0,75
Mięso kurczaków belgijskich karmionych zanieczyszczoną paszą (luty–marzec 1999) | 700