IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

МЕТАЛЛЫ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
Муллаянова А.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Целью данной работы является изучить роль металлов как биогенов и как загрязнителей природной среды, их положительное и отрицательное воздействие на биологические системы и на организм человека.

Задачи:

1) Расширить представления о специфических свойствах металлов, их двойственной роли в природе, последствиях воздействия металлов или их соединении на биологические системы.

2) Раскрыть причины и основные источники загрязнения окружающей среды металлами.

3) Изучить влияние гипо- и гиперконцентрации металла на состояние здоровья человека.

Предметом исследования является:

1) Почва и растения на парковой зоне возле Татарской государственной филармонии на пересечении улиц Павлюхина и Эсперанто г. Казани, вода из озера «Кабан» на наличие тяжелых металлов, влияние их на здоровье человека.

2) Медицинские карты людей, проживающих в этом районе

Актуальность рассматриваемой темы заключается в том, что металлы вызывают глобальные экологические проблемы. А экология в свою очередь влияет на здоровье человека.

1. Нахождение металлов и их соединений в природе

Менделеевская таблица химических элементов, составляющие все живое и неживое во Вселенной, на три четверти состоит из металлов. Десятки из них широко применяются в технике и быту. Остальные с каждым годом все глубже внедряются в практику.

Большинство металлов в природе встречаются в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее:

алюминия — 8,8 %

железа — 5 %

кальция — 4,1 %

натрия — 2,3 %

магния — 2,3 %

калия - 2,1 %

титана — 0,56 %

Большое количество натрия и магния содержится в морской воде: до 1,05%. В малых количествах они присутствуют в растениях, живых организмах (играя при этом важную роль).

В природе металлы встречаются в различном виде:

— в самородном состоянии: серебро, золото, платина, медь, иногда ртуть (золото, серебро и платина относятся к драгоценным металлам).

— в виде оксидов: магнетит Fe3O4, гематит Fe2О3 и др.

— в виде смешанных оксидов: каолин Аl2O3*2SiO2*2Н2О, алунит (Na,K)2O*АlО3*2SiO2 и др.

— различных солей:

сульфидов: галенит PbS, киноварь НgS

хлоридов: сильвин КСl, галит NaCl, сильвинит КСl*NаСl, карналлит КСl*МgСl2*6Н2О

сульфатов: барит ВаSO4, ангидрид Са8О4

фосфатов: апатит Са3(РО4)2

карбонатов: мел, мрамор СаСО3, магнезит МgСО3. [2,c 624]

Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий — в качестве примеси в цинковые руды, ниобий и тантал — в оловянные. Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан, германий, ванадий. Бронза, как известно, сохраняется в земле, точнее - в ее культурном слое, тысячелетия. Железо, напротив, довольно быстро возвращается в первозданное состояние - ржавление превращает его снова в соединения железа с кислородом.

Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия.

Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Исключением можно назвать около 16 элементов: это благородные металлы (золото, серебро и др.), и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей. [3]

2. Металлы в организме человека

В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Организм человека – это сложная система, похожая на химическую лабораторию. Трудно себе представить, но ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезным оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.

Рис. 1. Металлы в организме человека. [7]

2.1. Биологическая роль некоторых металлов в организме человека.

Золото. В средневековье алхимики считали золото совершенством, а остальные металлы – ошибкой в акте творения и, как известно, прикладывали большие усилия для ликвидации этой ошибки. Идею введения золота в медицинскую практику приписывают Парацельсу, который провозгласил, что целью химии должно быть не превращение металлов в золото, а приготовление лекарств. Лекарственные препараты из золота и его соединений пытались применять при многих заболеваниях. Им лечили волчанку, туберкулез. У людей, чувствительных к золоту, оно может вызвать нарушение состава крови, реакцию со стороны почек, печени, влиять на настроение, рост зубов, волос.

Алюминий. Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, так как этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается.

Цинк. Оптимальная интенсивность поступления цинка в организм 15 мг/сут, суточная потребность составляет 50 мг. Дефицит цинка может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента в организм (1 мг/сут и менее), а порог токсичности составляет 600 мг/сут. В организм человека 99 % цинка попадает с пищей. Особенно много цинка содержится в говядине, печёнке, устрицах (400 мг в 100 г продукта), пшеничных зародышах. Цинк поступает в растение в виде иона Zn2+. Для лучшего усвоения цинка организмом необходимы витамины А и В6. Усвоению цинка препятствуют медь, марганец, железо и кальций. В организме взрослого человека содержится 3 г цинка на 70 кг. Цинк можно обнаружить во всех органах и тканях.

Ежедневно около 11 мг цинка выводится из организма, 5 % из этого количества выводится с мочой.

Таблица. 1. Содержание Zn в органах и тканях.

Органы и ткани

Содержание цинка, мг в 1кг

Мышцы

240

Кости

170

Ногти

300

Печень

150

Волосы

400

В медицине цинкосодержащий препарат сульфат цинка используется при дефиците цинка, для лечения болезней кожи, волос, ногтей, цирроза печени и при заживлении ран. Препарат несовместим с карбонатами, сульфитами – осаждение нерастворимых солей цинка; с восстановленным магнием выпадает осадок цинка.

Медь. Среднее содержание меди в человеческом организме 150 мг на 70кг. В организм медь поступает в основном с пищей. Много меди содержится в морских продуктах, бобовых, капусте, картофеле, крапиве. Содержание меди в 100 г огурцов составляет 8,4 мг. В желудочно-кишечном тракте адсорбируется до 95 % поступившей в организм меди. В крови медь связывается с сывороточным альбумином (12-17%), аминокислотами (10-15%), транспортным белком (12-14%). Оптимальная интенсивность поступления меди в организм составляет 2-3 мг/сут. Суточная потребность организма в меди – 2 мг.

При ожогах кожи фосфором её обильно смачивают 5 %-ным раствором сульфата меди (II).

Марганец. Соединения марганца в основном поступают в организм с пищей. Много марганца содержится в ржаном хлебе, пшеничных и рисовых отрубях, сое, горохе, свёкле (содержание марганца в 100 г свёклы составляет 0,65 мг). Марганец поступает в растение в виде ионов Mn2+. В теле человека содержится 2,2·1020 атомов марганца. Среднесуточная потребность человека в марганце составляет 5-9 мг. Биоусвояемость марганца невысока, всего 3-5 %. Оптимальная интенсивность поступления марганца в организм 5-9 мг/сут; уровень, приводящий к дефициту, и порог токсичности оцениваются в 1 и 40 мг/сут соответственно.

В медицинской практике для промывания ран применяют раствор перманганата калия.

Калий. Число атомов калия в теле человека составляет 2,2·1024. Содержание калия в пище жителей разных стран колеблется от 1800 до 5600 мг. В США рекомендуемая минимальная величина суточного потребления калия установлена в размере не менее 2000 мг для лиц 18-летнего возраста. Для людей старшего возраста к этой величине прибавляют количество лет отдельного индивидуума: например, для людей в возрасте 50 лет этот показатель равен 2050 (2000+50). Биоусвояемость калия организмом составляет 90-95 %. Соли калия легко всасываются и быстро выводятся из организма с мочой, потом и через желудочно-кишечный тракт.

Калийсодержащий препарат перманганат калия несовместим в жидких лекарственных формах с восстановителями – происходит взаимное разложение; с бромидами, иодидами, хлоридами – выделяются галогены; с солями двухвалентного железа – образуется трёхвалентное железо; с соляной кислотой и её солями образует свободный хлор, с аммиаком – нитраты.

Железо. В организме содержится 3г железа, из них 2 г в крови. Железо входит в состав гемоглобина. Недостаточное содержание железа приводит к головной боли, быстрой утомляемости. Академик Ферсман говорил, что железо – не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы. Оно основа культуры и промышленности. Оно орудие войны и мирного труда, и во всей таблице Менделеева невозможно найти другой такой элемент, который был бы так связан с прошлыми, настоящими и будущими судьбами человечества. [1,c 99-105]

2.2. Влияние гипо- и гиперконцентрации металла на состояние здоровья человека

Нарастающее производство металлов имеет далеко идущие последствия.

Во-первых, на отдельных участках биосферы создаются такие значительные концентрации металлов, которые не могли возникнуть в результате природных геохимических процессов.

Во-вторых, в результате производственной деятельности объединяются такие металлы, геохимия которых существенно различается и которые в природе стремятся к разделению.

В-третьих, человек захватывает и концентрирует металлы в совершенно иных соотношениях, чем они находятся в земной коре. В результате непропорциональной по отношению к кларкам добычи на поверхности суши нарушаются соотношения между металлами.

Человечество затрачивает колоссальные усилия и энергию на то, чтобы выделить и сконцентрировать металлы, но при этом вступает в противоречие с направленностью геохимических процессов и законной химии. Однако в процессе хозяйственного использования металла восстанавливается равновесие, нарушенное человеком.

Помимо этого, огромное количество железа истирается, распыляется во время работы различных машин. Люди борются с этим, возвращая часть испорченного металла на переплавку, но при этом также происходят невосстанавливаемые потери.

В результате сжигания больших масс каменного угля микропримеси металлов поступают с дымом в атмосферу и разносятся по всей поверхности земного шара. Если рассеяние металлов, производящиеся горно-металлургической промышленностью, протекает с умеренной скоростью, то распыление металлов через атмосферу посредством сотен тысяч дымовых труб происходит очень быстро. Каждый год сотни тысяч тонн металлов рассеиваются в атмосфере. При сжигании угля распространённые металлы в значительно меньшем количестве, чем они добываются из недр.

Токсическими свойствами обладают практически все тяжелые металлы, когда их содержание превышает верхний порог концентрации. Ниже представлена таблица, в которой отражены биологическая роль металлов и их токсическое действие. [4]

Табл. 2. Влияние гипо- и гиперконцентрации металла на состояние здоровья человека [4]

Металл

Биологическая роль

Токсическое действие избытка металла

Литий

Дефицит приводит к психическому расстройству.

Избыток вызывает общую заторможенность, нарушение дыхания и сердечного ритма, слабость, сонливость, потерю аппетита, жажду, а также дерматит лица и рук.

Натрий

Поддерживает у человека нормальную возбудимость мышечных клеток, поддерживает кислотно-щелочной баланс в организме, принимает участие в регуляции сердечной деятельности, удерживает воду в организме.

Избыток приводит к нарушению водного баланса, сгущению крови, нарушению функции почек, сердечно-сосудистой системы, а также к общему нарушению обмена веществ.

Калий

Регулирует белковый и углеводный обмен, влияют на процессы фотосинтеза и рост растений. Необходим для нормального функционирования всех мышц, особенно сердечной, способствует выделению избыточного натрия, избавляя организм от лишней воды и устраняя отеки.

При избытке происходит усиление двигательной активности, нарушение сердечного ритма, нарушение углеводного, жирового и белкового обмена.

Магний

Проявляет антисептическое и сосудорасширяющее действие, понижает артериальное давление и содержание холестерина в крови, играет большую роль в профилактике рака. Благотворно влияет на органы пищеварения.

Повышенное содержание приводит к нарушению минерального обмена. Нарушение баланса обмена магния вызывает повышенную смертность от сердечно-сосудистых заболеваний и болезней желудочно-кишечного тракта.

Кальций

Необходим для процессов кроветворения, обмена веществ, для уменьшения проницаемости сосудов, нормального роста скелета, благотворно влияет на состояние нервной системы, оказывает противовоспалительное действие.

При избытке кальция возникает цистит. Если кальций попадает в организм в виде цементной пыли, то страдают органы дыхания, у детей снижается возбудимость нервной системы и обонятельного анализатора.

Стронций

Влияет на процесс образования костей.

При избытке стронция поражаются костная ткань, печень, кровь; наблюдается повышенная ломкость костей, выпадение волос.

Алюминий

Содержится в легких, печени, костях, головном мозге; действует на пищеварительную и нервную систему.

Избыток приводит к нарушению минерального обмена

Цинк

Входит в состав крови и мышечной ткани, является катализатором многих реакций; входит в состав инсулина, участвует в белковом обмене.

При высоких концентрациях является мутагеном и онкогеном.

Рис. 2. Количество гипо- и гиперконцентрации металла [8]

3. Состояние природной среды региона. Наличие тяжелых металлов в природе.

3.1. Исследование проб почвы и воды на наличие тяжелых металлов

Отбираем пробы на следующих территориях:

1) На берегу озера Кабан,

2) на парковой зоне возле Татарской государственной филармонии на пересечении улиц Павлюхина и Эсперанто г. Казани,

3) Вода из озера Кабан.

1 этап: Отбор пробы почвы и подготовка образцов к химическому анализу.

Для проведения химического анализа отбираем почву на глубине 10 см. Затем почву высушиваем, измельчаем в ступке, затем просеиваем через сито.

2 этап: Приготовление вытяжки.

Сухую, измельченную почву заливаем 1 М раствором азотной кислоты (10г почвы на 50 мл кислоты) и оставляем на сутки, потом смесь фильтруем и упариваем до необходимого объёма.

3 этап: Определение содержания железа (ионов Fe3+), меди (ионов Cu2+), никеля (ионов Ni2+), свинца (ионов Pb2+) в почвенной вытяжке.

1) Определение железа (Fe3+)

В две пробирки вливаем по 3 мл вытяжки. В первую пробирку приливаем несколько капель раствора желтой кровяной соли K4[Fe(CN)6] , во вторую несколько капель красной кровяной соли.

Наблюдаем: в первой пробирке темно-синий осадок берлинской лазури, во второй зелёное окрашивание.

4Fe3++3[Fe(CN)6]4-=↓Fe4[Fe(CN)6]3

Вывод: В почве имеются соединения железа.

2) Определение меди (Cu2+)

В две пробирки наливаем по 5 мл фильтрата. В первую пробирку добавляем раствор аммиака. Во вторую раствор желтой кровяной соли.

Наблюдения: В первой пробирке раствор окрашивается в интенсивно-синий цвет, во второй красно-бурый осадок.

2Cu2++Fe[(CN)6]4-=Cu2[Fe(CN)6]↓

Выводы: В фильтрате есть ионы меди.

3) Определение никеля (Ni2+)

В две пробирки, содержащие по 3 мл фильтрата, приливаем:

1 - раствор щелочи с бромной водой;

2 - реактив Чугаева (диметилглиоксима)

Наблюдения: изменений нет.

Выводы: В почве нет соединений никеля.

4) Определения свинца (Pb2+)

Берем две пробы по 5 мл. В одну добавляем 3%ный раствор иодида калия KI, а во вторую – 10 %-ный раствор хромата калия (K2CrO4)

Наблюдения: Выпадает осадок желтого цвета.

Выводы: В пробе почвы из территории берега озера Кабан и парковой зоны на парковой зоне возле Татарской государственной филармонии на пересечении улиц Павлюхина и Эсперанто г.Казани соединения свинца не обнаружено.

Табл. Содержание тяжелых металлов в почве.

Пробы почв с различных территорий

Содержание ионов тяжелых металлов

Fe3+

Cu2+

Ni2+

Pb2+

Берег озера Кабан

+

+

-

-

Вода из озера Кабан

+

+

-

-

Парковая зона возле Татарской государственной филармонии на пересечении улиц Павлюхина и Эсперанто г.Казани

+

-

-

-

Анализ проб почвы показал повышенное содержание железа и свинца. Соединения железа могут присутствовать в почве и по естественным причинам – выветривание горных пород и размывание их водой. Причина загрязнения почвы соединениями свинца кроется в попадании в окружающую среду отходов мастерской по ремонту аккумуляторов, а также в близости выбранных нами зон к автомобильным дорогам. Повышенное содержание свинца в овощах и фруктах, выращенных вблизи автострад, а также в молоке коров, которые выкармливались загрязнённой травы, представляет опасность для здоровья человека. Нельзя собирать и использовать ягоды и грибы вблизи автострад.

Наиболь­ший вклад в загрязнение "биосферы вносит свинец (94-97 %). Его содержание в окружаю­щей среде растёт в силу увеличения антропо­генных нагрузок и его выброса и сброса с отходами производства и потребления. Сви­нец — кумулятивный яд высокой токсичности, т. е. он постепенно накапливается в живых организмах, поскольку скорость его естествен­ного выведения очень низка. Это и определяет нежелательность его присутствия, как в абио­тических, так и в биотических объектах. Мировое производство свинца со­ставляет 34 млн. тонн в год и постоянно воз­растает, причём выбросы свинца в атмосферу достигают 4,3 млн. тонн в год, и его антропо­генное поступление значительно превышает природное. С начала 1930-х гг. к большинству бензинов стали добавлять тетраэтилсвинец РЬ(С2Н5)4 (этиловую жидкость). Эта добавка увеличива­ет октановое число и действует в качестве антидетонатора, т. е. предотвращает взрывное сгорание бензина. Тетраэтилсвинец представляет собой бесцветную летучую, очень ядови­тую жидкость. До 75 % свинца, содержащегося в бензине, выделяется в воздух с выхлопными газами автомобилей. При сгорании 1 л горю­чего в воздух попадает от 200 до 500 мг свин­ца. В течение года с выхлопными газами ав­томобиля в окружающую среду выбрасывает­ся около 1 кг этого метала. С увеличением числа автомобилей опасность свинцового загрязнения атмосферы возрастает. Исследо­вания состава аэрозолей, проводившиеся на территории, примыкающей к автомобильным дорогам, позволили выявить драматическое положение, связанное с накоплением на по­верхности растительности значительного ко­личества аэрозолей свинца.

Свинец активно поглощается в воде взве­шенными веществами и осаждается с ними в донных отложениях, а также в почвах, бога­тых глинисто-гумусовыми компонентами. В почве он находится в валовой и подвижной форме. Почвы по-разному удерживают сви­нец. В тяжёлых почвах свинец малоподвижен, а в лёгких он быстро перемещается в растения. Всё это и определяет необходимость мо­ниторинга свинца практически во всех объ­ектах окружающей среды. [5]

3.2. Определение наличия свинца в растениях, растущих вдоль автотрассы

Для этого собираем 100 г растительной пробы вдоль оживлённой автотрассы на расстоянии 0, 10, 20, 30,40, 50, 100 и 200 м от неё.

Измельчаем её, помещаем в чашку Петри и добавляем 50 мл воды и 50 мл этилового спирта. Полученную смесь кипятим или упариваем на бане, чтобы свинец пере­шёл в раствор. Затем полученную смесь филь­труем и помещаем фильтрат в пробирку. По­сле этого в полученный экстракт по каплям добавляем раствор сульфида натрия.

Расстояние от дороги, (м)

Интенсивность окраски осадка

0

Интенсивный чёрный осадок

10

Интенсивный чёрный осадок

20

Интенсивный чёрный осадок

30

Менее интенсивный чёрный осадок

40

Менее интенсивный чёрный осадок

50

Слабо выраженный чёрный осадок

100

Осадок почти не выражен

200

Осадок отсутствует

Вывод: В ре­зультате выпадает чёрный осадок, что указы­вает на наличие свинца в исходной смеси:

Pb2+ + S2- = PbS↓.

Чем меньше расстояние от автотрассы , тем интенсивнее осадок

Большое загрязнение свинцом происходит от сгорания этилированного бензина!

3.3.Определения свинца в бензине, в воде из озера Кабан

3.3.1. Экспресс-метод определения свинца в бензине

Берём несколько капель бензина, сжигаем на часовом стекле. Продукты сгорания нанесём на индикаторную бумагу.

Результаты исследования: Окраска индикатора бумаги не изменяется.

Вывод: Метод позволяет обнаружить свинец при его содержании 10 мг на 1 л бензина. Индикаторная бумага должна изменить окраску на розово-малиновый. Значит, в данной пробе бензина НЕТ СВИНЦА. Это очень актуально сейчас в связи с частными нарушениями запрета на использование этилированного бензина на территории РФ.

3.3.2. Исследование питьевой воды из озера Кабан

Результаты: Запах (в баллах) 2

Цветность (градусы) 5

Мутность (Мг/л) 1,28

РН=6,76

Хлориды (Мг/дм3)=6

Наливаем в стеклянный цилиндр на 100 мл анализируемую воду до метки 2 мл HNO3(к.) и 2 мл раствора K2CrO4. Другой цилиндр 100 мл дистиллированной воды и те же реактивы. Из бюретки, но по каплям прибавляем основной стандартный раствор соли свинца. Тестирование проводим до получения окраски, сходный с окраской исследуемой пробы.

Вывод: Содержание свинца в природной воде не превышает ПДК. Проба воды по исследуемым показателям соответствует требованиям СанПин 2.1.4.1074-01.ГН2.1.5.1315. [6]

Заключение

Мы провели исследования на тему: «Металлы и здоровье человека». И пришли к выводу, что, несмотря на запрет на использование свинца в бензине, этот запрет часто нарушается. Это подтверждается наличием соединения свинца в растениях и в почве вдоль дороги. Мы думаем, что частные компании применяют тетраэтилсвинец. В воде из озера Кабан в пробе бензина свинца не обнаружили.

Изучение медицинских карт населения, что количество больных с некоторыми заболеваниями в последние годы уменьшается, а некоторые увеличиваются. Мы полагаем, что этому увеличению заболевания способствовало ухудшение экологической обстановки.

Литература

1. Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека / Зинина О.Т. /Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2001. — №4. — С. 99-105.

2. Металлы и их соединения / А. В. Суворов, А. Б. Никольский. Общая химия. - СПб.: Химия, 1994. – 624 с.

3. Металлы и их соединения [электронный ресурс] – режим доступа: https://ru.wikipedia.org /wiki/Металлы

4. Металлы, их соединения и влияние на организм человека / Э.Гроссе, Х.Вайсмантель. Химия для любознательных. -1978 русское издание. – глава № 3.

5. Методы нахождения металлов в почве, воде, бензине [электронный ресурс] – режим доступа: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/575/59575/29643?p_page=3

6. Отравление соединениями тяжелых металлов / Аджиев Б.Л. /Судебно-медицинская экспертиза. — 1965. — №4. — С. 50-51.

7. Рисунок 1 [электронный ресурс] – режим доступа: http://pandia.ru/text/78/475/36149.php

8. Рисунок 2 [электронный ресурс] – режим доступа: https://otravleno.ru/wp-content/uploads/2017/06/metall-4.jpg