ГРУППА ВЕЩЕСТВ, ИЗОЛИРУЕМЫХ МИНЕРАЛИЗАЦИЕЙ («МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЯДЫ»)

Общая характеристика группы

Группа веществ, изолируемых минерализацией, включает так называемые «металлические яды». В настоящее время одной из актуальнейших проблем является ухудшение здоровья населения в связи с различными вредными факторами окружающей среды. Осложнение экологической обстановки приводит к увеличению суммарной токсигенной нагрузки на человека. Одним из наиболее неблагоприятных факторов является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Важнейшими в токсикологическом отношении «металлическими ядами» являются соединения Ba, Bi, Cd, Mn, Cu, Hg, Pb, Ag, Tl,Cr, Zn, которые, попадая в организм человека, вызывают отравления. Правилами судебно-химического исследования при проведении ненаправленного анализа предусмотрено обязательное исследование на указанные элементы.

Как известно, практически все металлы естественным образом содержатся в человеческом организме. Причем содержание элементов в норме в органах человека сильно варьирует: например, содержание мышьяка в 100 г печени равно 0,01 мг, а содержание цинка может достигать 14,5 мг. Поэтому при судебно-медицинской оценке результатов судебно-химического исследования на «металлические яды» особое значение придается их количественному определению. Ввиду незначительных количеств этих элементов их называют микроэлементами. Они играют важную роль в физиологических процессах в организмах людей и животных. Так, например, кобальт входит в состав витамина В₁₂ и некоторых ферментов, медь участвует в синтезе гемоглобина, медь, кадмий, цинк входят в состав около 60 ферментов. Содержание микроэлементов в организме можно прокомментировать следующими данными: магний обнаруживается в организме в количестве 0,04%, медь – 0,005%, марганец – 0,02%, молибден, цинк – в следовых количествах. В литературе не приведены данные о наличии и роли в организме соединений бария, висмута, сурьмы и таллия.

Не всегда возможно установить различие между жизненно необходимыми и токсичными металлами. Все металлы могут проявить токсичность, если они потребляются в избыточном количестве. Несмотря на важную положительную роль, которую играют микроэлементы в жизнедеятельности человека, например, медь или цинк, при избыточном поступлении их с пищей или какими-либо другими путями может наступить тяжелая интоксикация, признаками которой являются тошнота, рвота, диарея, боли в животе. Кроме того, токсичность металлов проявляется в их взаимодействии друг с другом. Например, физиологическое воздействие кадмия на организм, в том числе его токсичность, зависят от количества присутствующего цинка, селена, а функции железа в клетках определяются присутствием меди, кобальта и в некоторой степени молибдена и цинка.

Негативное действие «металлических ядов» на организм человека проявляется в их выраженном нейротоксическом действии. Токсичность объясняется тем, что в организме они связываются с соответствующими функциональными группами белков, аминокислот, пептидов и других жизненно важных веществ, в результате чего нарушаются нормальные функции клеток и тканей. Образующиеся в организме комплексы металлов очень прочные, поэтому изолировать металлы и обнаружить их невозможно без предварительного разрушения органического вещества, с которым они связаны. Для этого применяются методы минерализации.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

По вопросу металлических загрязнений существует несколько точек зрения. Согласно одной из них металлы периодической системы делят на 3 группы: металлы как незаменимые факторы питания (эссенциальные макро- и микроэлементы); неэссенциальные или необязательные для жизнедеятельности металлы; токсические металлы. Согласно другой точке зрения все металлы необходимы для жизнедеятельности, но в определенных количествах. Эта точка зрения выражается формулой: «Все вещества токсичны, но отсутствие веществ также вредно».

По воздействию на организм человека металлы классифицируют следующим образом:

1. металлы, необходимые при питании человека и животных (Co, Cu, Cr, Ce, Fe, Mn, Mo, Ni, Se, Si, V, Zn).
2. металлы, имеющие токсикологическое значение (As, Be, Cd, Cu, Co, Cr, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Pd, Se, Sn, Ti, V, Zn).

При этом следует отметить, что 10 из перечисленных элементов отнесены к обеим группам.

Биологически эссенциальные металлы имеют пределы доз, определяющих их дефицит, оптимальный уровень и уровень токсического действия. Токсические металлы в низких дозах не оказывают вредного действия и не несут биологических функций, однако в высоких дозах оказывают токсическое действие. Тем не менее, существуют металлы, которые проявляют сильно выраженные токсикологические свойства при самых низких концентрациях и не выполняют какой-либо полезной функции. К таким токсичным элементам относят ртуть, кадмий, свинец, мышьяк. Они не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворными, но даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций организма.

Ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, стронций, цинк, железо Объединенная комиссия ФАО/ВОЗ по пищевому кодексу (Codex Alimentarius) включила в число компонентов, содержание которых контролируется при международной торговле продуктов питания. В России и СНГ подлежат контролю еще 6 элементов (сурьма, никель, хром, алюминий, фтор, йод), а при наличии показаний могут контролироваться и некоторые другие металлы. Медико-биологическими требованиями СанПиН 1078-01 определены критерии безопасности для следующих металлов: свинец, кадмий, ртуть, медь, цинк, олово, железо.

РТУТЬ

Ртуть сравнительно легко извлекается из руд и, несмотря на относительно ограниченное практическое применение, широко известна в течение многих веков. Ртуть – своеобразный металл, в нормальных условиях это жидкость. Именно из-за этого ртуть была названа «жидким серебром».

В эпоху Ренессанса ртуть в основном ценилась своими медицинскими свойствами, а также использовалась в смеси с другими металлами как средство серебрения зеркал. Для средневековых алхимиков ртуть имела особую ценность и играла важную роль в поисках философского камня – таинственного вещества, которое превращает простые металлы в золото. Только в последнее столетие доказано, что ртуть участвует во многих химических реакциях как катализатор.

Благодаря своим свойствам она находит широкое применение в промышленности. Ежегодно в мире получают более 10 тыс. Тонн ртути. Из них примерно 25% используют для производства электродов при получении хлора и щелочей, 20% — в электрическом оборудовании, 15% — при производстве красок, 10% — для производства ртутных приборов, таких как термометры, 5% — в производстве зеркал, в агрохимии и 3% — в качестве ртутной амальгамы при лечении зубов. Еще около 25% производимой ртути используется в других отраслях промышленности: при получении детонаторов, катализаторов (например, для производства ацетальдегида и поливинилхлорида), в производстве бумажной пульпы, фармации и косметике, а также в военных целях. Промышленное значение имеют высокотоксичные неорганические соединения ртути, в частности сулема, из которой получают другие соединения и которая применяется при травлении стали. Сулема вызывает смертельные отравления при приеме внутрь в количестве 0,2-0,3г. Органические соединения ртути применяли в качестве фунгицидов рои обработке зерна. Однако с тех пор, как стало известно об опасности подобных соединений, во многих странах их использование было запрещено.

Подсчитано, что кроме 10 тыс. тонн ртути, добываемых в мире при горнорудных разработках, еще 10 тыс. тонн металла выделяется в окружающую среду при сгорании угля, нефти и газа, добыче пустой породы и других индустриальных разработках. Естественным образом ежегодно от 30 до 150 тыс. тонн ртути выделяется при дегазации земной коры и океанов.

Ртуть относится к числу рассеянных в природе микроэлементов. По распространению в земной коре она занимает 62 место, средняя концентрация составляет 0,5 мг/кг. В природе ртуть находится в трех окисленных состояниях: металлическая, или атомарная, (Hg⁰), окисленная со степенью окисления +1 (Hg⁺) и окисленная со степенью окисления +2 (Hg²⁺). Свойства ртути в различных степенях окисления (+1, +2) определяются окислительно-восстановительным потенциалом раствора и присутствием комплексных соединений. Ион Hg²⁺ может образовывать стабильные комплексы с биологическими соединениями, особенно через сульфгидрильные группы. В водном растворе образуются 4 соединения с хлором: HgCl⁺, HgCl₂, HgCl₃ и HgCl₄.

В пищевых продуктах ртуть может присутствовать в трех видах: атомарная ртуть, окисленная ртуть Hg²⁺ и алкилртуть – соединения ртути с алкилирующими соединениями.

Случаи загрязнения пищевых продуктов металлической ртутью являются очень редкими. Известно несколько случаев преднамеренного отравления потребителя, например, когда апельсины из Израиля были обработаны металлической ртутью палестинскими террористами в 1978 г. Ртуть плохо адсорбируется на продуктах и легко удаляется с поверхности пищи.

С токсикологической точки зрения ртуть наиболее опасна, когда она присоединена к углеродному атому метиловой, этиловой или пропиловой группы – это алкильные соединения с короткой цепью.

Металлическая ртуть может алкилироваться в две стадии:

 

Hg CH₃Hg⁺ (CH₃)₂Hg.

 

Процесс метилирования ртути является ключевым звеном в ее биокумуляции по пищевым цепям водных экосистем: как ионы метилртути, так и метилртуть сорбируются организмом. Если в основных пищевых продуктах содержание ртути менее 60 мкг/кг продукта, то в пресноводной рыбе из незагрязненных рек и водохранилищ это содержание составляет от100 до 200 мкг/кг массы тела, а из загрязненных – 500-700 мкг/кг. Среднее количество ртути в морских рыбах составляет 150 мкг/кг их массы.

Ртуть аккумулируют планктонные организмы (например, водоросли), которыми питаются ракообразные. Ракообразных поедают рыбы, а рыб – птицы. Концевыми звеньями пищевых цепей нередко бывают чайки и орланы. Человек может включаться на любом этапе и, в свою очередь, тоже становиться концевым звеном; большей частью это происходит в результате потребления рыбы.

За естественное содержание ртути в рыбах принимают величину 0,1-0,2 мг/кг. ВОЗ предложила считать предельно допустимой концентрацией 0,5 мг/кг; эта величина, вероятно, завышена.

Поэтому в Финляндии рекомендуется есть рыбу только 1-2 раза в неделю, а беременным женщинам – вовсе не употреблять ее в пищу. Шведские специалисты по гигиене продовольствия требовали снизить допустимую концентрацию ртути в рыбе из Балтийского моря до 0,5 или даже 0,2 мг/кг, т.к. предел, равный 1 мг/кг, ограждает человека только от симптомов острого отравления, но не предохраняет от других тяжелых последствий поражения ртутью (например, генетических повреждений).

В водной пищевой цепи концентрация метилртути от звена к звену увеличивается, так как метилртуть растворима в жирах, она легко переходит из воды в живые организмы.

Уровни ртути наиболее высоки среди людей, которые едят много морепродуктов, особенно на востоке Арктики и в Гренландии. Содержание ртути в крови некоторых женщин соответствует суточным дозам поступления, близким к тем, которые могут быть причиной возможных неврологических нарушений у детей.

Данные о содержании ртути в крови матерей приведены в таблице.

Регион	Ртуть, мкг/л цельной крови
Запад Северо-западных территорий, Канада Северная и Центральная части Северо-западных территорий, Канада Нунавик (север провинции Квебек), Канада Северо-запад Гренландии Север Швеции Север Норвегии Исландия г. Никель, Россия	1,7 3,5 13,7 19,8 1,6 2,3 2,9 2,3

Токсическая опасность ртути выражается во взаимодействии с SH-группами белков. Блокируя их, ртуть изменяет биологические свойства тканевых белков и инактивирует ряд гидролитических и окислительных ферментов. Ртуть, проникнув в клетку, может включиться в структуру ДНК, что сказывается на наследственности человека.

Мозг проявляет особое сродство к метилртути и способен аккумулировать почти в 6 раз больше ртути, чем остальные органы. Было показано, что более 95% ртути в тканях мозга находится в органической форме. В других тканях органические соединения деметилируются и превращаются в неорганическую ртуть. В эмбрионах ртуть накапливается так же, как и в организме матери, но содержание ртути в мозге плода может быть выше.

Так, в 50-х годах в заливе Минимата в Японии районы рыбного промысла из-за промышленных выбросов были загрязнены метилртутью. Концентрация ртути в рыбе и моллюсках в этом заливе составила свыше 29 мг/кг. При употреблении такой рыбы в организм ежедневно поступало 30 мг и более. Трагедия Минаматы заключается в том, что, несмотря на загрязнение залива, меры по предотвращению дальнейшего загрязнения не были приняты и загрязнение продолжалось вплоть до 70-х годов. К февралю 1971 г. Общее число случаев отравления составило 121, причем 46 со смертельным исходом. Наблюдалось 22 случая врожденного отравления, когда у матерей, потреблявших загрязненную рыбу, рождались младенцы с мозговыми отклонениями: паралич, отставание в развитии, нарушение координации движений (больные напоминали «дышащих деревянных кукол»). Подобная эпидемия, произошедшая также в Японии на реке Агано (префектура Ниигата), привела к 49 случаям отравления, из которых 6 со смертельным исходом.

Метилртуть выводится из организма частично через почки, а в основном через печень и желчь, а далее с фекалиями. Продолжительность выведения соединений ртути из организма – полупериод биологического распада, по-видимому, составляет около 70 дней, однако при массовых отравлениях населения в Ираке, употреблявшего семенное зерно, обработанное фенилртутью, оказалось, что процесс выведения ртути зависит от особенностей организма каждого человека. У 10% населения период полураспада в организме был свыше 190 дней.

Однако отказ от питания рыбой тоже не служит надежной защитой от поступления в организм ртути, если вырабатывают рыбную муку и используют ее в качестве корма для домашних животных. Даже растительные продукты могут быть источником ртути, если к компосту добавить средство для улучшения структуры почвы, содержащее ртуть. Таким образом, определение ртути в пищевых продуктах и других биологических объектах требует особого внимания и точности для исключения ртутного отравления организма.

Допустимое недельное поступление ртути не должно превышать 0,3 мг на человека, в том числе метилртути не более 0,2 мг, что эквивалентно 0,005 мг/кг и 0,0033 мг/кг массы тела за неделю.

СВИНЕЦ

Свинец относится к наиболее известным ядам и среди современных токсикантов играет весьма заметную роль.

Действительно, об опасности, связанной с использованием металла и свинцовых изделий, человечеству было известно, по крайней мере, 2000 лет назад. Во времена расцвета Древнего Рима были введены в употребление свинцовые трубы для водопроводов и металлические сплавы, содержащие свинец, для кухонной посуды и сосудов для питья. Можно с уверенностью полагать, что в этот период у представителей высших слоев римского общества в организме накапливались повышенные количества свинца. Исследование содержания свинца в скелетах из захоронений того времени подтверждает это предположение. На этих данных базируются теории, объясняющие упадок римского могущества хроническим свинцовым отравлением тогдашней интеллигенции. Отравления, которые наблюдали в Древней Греции у работавших со свинцом людей, получили название сатурнизма или плюмбизма. Симптомами отравлений являлись колики, сопровождающиеся бредовым состоянием и параличами. Это отметил еще Гиппократ в 400 г. До н.э., наблюдая за людьми, работавшими со свинцом. Во времена Плиния (начало нашей эры) корабельные плотники, покрывая остов корабля свинцовыми белилами, завязывали рот, чтобы избежать отравления.

Свинец находится в микроколичествах почти повсеместно. В почвах обычно содержится от 2 до 200 мг/кг свинца. Свинец, как правило, сопутствует другим металлам, чаще всего цинку, железу, кадмию и серебру. Большие залежи свинецсодержаших руд встречаются во многих _астях света.

Главными государствами, обладающими запасами свинцовых руд, являются США, Россия, Австралия, Канада, Перу, Мексика, Китай, Болгария. Наиболее распространенными рудами являются галенит – свинцовый блеск (сульфид свинца), церуссит (карбонат свинца) и англезит (сульфат свинца). Мировое производство свинца в 2000 году составило 6 тыс. тонн. Широкое использование свинца человеком объясняется легкостью его выделения из руд.

Свинец используют в виде металла и в виде его химических соединений. Наибольшая доля добываемого свинца используется на изготовление свинцовых аккумуляторов для автомобилей, электрокабелей и других целей. Свинец применяют также для покрытия кабелей. Ежегодно в Великобритании для этих целей используется около 60 тыс. тонн свинца. Его традиционно используют для изготовления пуль и снарядов, для пайки швов жестяных банок, в полиграфии. Оксид свинца применяют для изготовления белил, свинцового сурика, глазурования керамических изделий. Соли свинца широко используются в производстве стеклянных изделий, для изготовления высококачественного хрусталя, телевизионных трубок и флуоресцентных ламп.

В наше время в роли токсикантов окружающей среды выступают прежде всего алкильные соединения свинца, такие как тетраэтилсвинец, которые добавляют к автобензину в качестве антидетонаторов. Их высокая токсичность была установлена относительно недавно, до этого о ядовитости соединений свинца судили исключительно по данным о содержании в организме издавна известного неорганического свинца. Только в Германии в 1989 г. Грузовыми автомобилями было выброшено в воздух 7 тыс. тонн свинца. В Балтийское море ежегодно поступает 5400 тонн свинца, причем 75% этого количества попадает из воздуха. Заметное повышение содержания свинца выявлено даже во лбдах Гренландии. Специалистами ВОЗ установлено увеличенное содержание свинца и в продуктах питания – до 2 мг/кг, прежде всего в листовых и стеблевых овощах.

В радиусе нескольких километров от свинецперерабатывающих предприятий его концентрация в некоторых овощах и фруктах варьирует в пределах: в помидорах – 0,6-1,2 мг/кг; в огурцах – 0,7-0,11; в перце – 1,5-4,5; в баклажанах – 0,5-0,75; в картофеле – 0,7-1,5 мг/кг. В различных сортах винограда количество свинца в этих районах достигает 1,8-3,8 мг/кг. Содержание свинца в пшенице и горохе варьирует от 20 до 22 мг/кг, а в зеленой и сухой растительной массе, потребляемой как фураж, его содержание соответственно около 60 и 36 мг/кг. Откармливание сельскохозяйственных животных таким фуражом представляет серьезную опасность из-за загрязнения свинцом молока и мяса животных.

Загрязнение окружающей среды происходит при выплавке свинца и при сбросе вод из рудников. Пестициды, содержащие свинец, могут непосредственно увеличить содержание свинца во фруктах и овощах, а при достаточно длительном использовании таких пестицидов свинец поступает в продукты непосредственно из загрязненной почвы.

При обработке продуктов основным источником поступления свинца является жестяная банка, которая используется для упаковки от 10 до 15% пищевых изделий. Свинец попадает в продукт из свинцового припоя в швах банки. Установлено, что около 20% свинца в ежедневном рационе людей (кроме детей до 1 года) поступает из консервированной продукции, в том числе 13-14% из припоя, а остальные 6-7% — из самого продукта. В последнее время с внедрением новых методов пайки и закатки банок содержание свинца в консервированной продукции уменьшается.

 

Поучительным является следующий исторический факт. Адмирал Джон Франклин, родившийся в 1786г., был уже известным полярным исследователем, когда 19 мая 1845 г. Отправился в свое последнее путешествие на прекрасно оборудованных кораблях. Он хотел открыть северо-западный проход через Северный Ледовитый океан. Выдержав вторую зиму, адмирал скончался в 1847 г. После третьей попытки прохода умерли 24 его спутника, остальные 145 членов экспедиции покинули корабли, но никто из них не добрался до суши и до баз. Только в 1854 г. По отдельным свидетельствам эскимосов стало известно о судьбе экспедиции. Был сделан вывод, что «все участники экспедиции погибли от голода и холода». В 1981-1986 гг. Под руководством антрополога Битти были проведены эксгумирование останков и исследование возможных причин смерти участников экспедиции с использованием современных методов анализа. В результате было установлено отравление свинцом. Британское адмиралтейство снабдило экспедицию консервами в металлических банках (тогда это была новинка!). Эти банки содержали свинец в высокой концентрации, который переходил в содержимое банок, а затем попадал вместе с пищей в организм, что и предопределило печальный исход. Экспедиция была снабжена самым современным провиантом, рассчитанным на три года; корабли адмирала Франклина были вообще первыми судами, которые совершали экспедицию в высокие северные широты, имея на борту продукты питания в банках из белой жести, упакованных в свинцовую фольгу.

Около 10% поглощенного с пищей, питьем и из воздуха свинца абсорбируется в желудочно-кишечном тракте. На степень абсорбции могут влиять различные факторы. Например, снижение содержания кальция приводит к усилению абсорбции свинца. Витамин D увеличивает поглощение как кальция, так и свинца. Недостаток железа способствует абсорбции свинца, что наблюдается при голодании. К такому же эффекту приводит диета с повышенным содержанием углеводов и дефицитом белков.

После попадания в кровеносную систему свинец разносится по всему телу, включаясь в клетки крови и плазму. В крови свинец в основном внедряется в эритроциты, где его концентрация почти в 16 раз выше, чем в плазме. Некоторое количество поступает в мозг, однако накапливается там незначительно. Установлено, что полупериод биологического распада – время, необходимое для снижения вдвое от исходного содержания накопившегося в органе или в организме металла, — для свинца составляет в организме в целом 5 лет, в костях человека 10 лет.

Свинец токсически воздействует на 4 системы органов: кроветворную, нервную, желудочно-кишечную и почечную. Острое отравление свинцом обычно проявляется в виде желудочно-кишечных расстройств. Вслед за потерей аппетита, диспепсией, запорами могут последовать приступы колик с интенсивными пароксизмальными болями в животе. Это так называемые «сухие схватки» или «девонширские колики».

Интересно отметить, что еще в 1767 г. Сэр Джордж Бейкер в «Очерке об эндемических коликах в Девоншире» указал, что причиной этого заболевания были покрытые свинцом желоба, использовавшиеся при производстве сидра.

Заболевания головного мозга в результате воздействия свинца у взрослых встречаются редко, но у детей бывают довольно часто. Сокращение периода жизнедеятельности эритроцитов при отравлении свинцом может стать причиной анемии.

Характерная бледность работавших со свинцом впервые была описана еще французским терапевтом Леннеком в 1831 г.

Хорошо изучено воздействие свинца на нервную систему, как центральную, так и периферическую. Кроме острой энцефалопатии, существуют и более мягкие симптомы реагирования нервной системы на поступление свинца. К ним относятсяснижение умственных способностей и агрессивное поведение. Поражение периферической нервной системы выражается в так называемых «свинцовых параличах», приводящих в параличу мышц рук и ног.

Во времена сухого закона в США в 1930-х годах было несколько случаев паралича стоп у танцоров, выступавших в кабаре, где продавали самогонный джин, загрязненный свинцом.

Установлено, что даже небольшое регулярное поступление свинца в организм, если оно продолжительное, приводит к хроническому заболеванию. Согласно докладу ВОЗ продолжительное воздействие свинца при его концентрации свыше 70 мкг/мл может привести к хронической необратимой нефропатии.

Австралийские ученые подтверждают это статистическими данными о смертности от хронического нефрита в Квинсленде. Причиной высокой смертности от нефрита явилось отравление свинцом детей, пьющих воду, которую собирали с крыш, покрашенных свинцовыми красками. Из 401 случая хронического отравления свинцом детей 165 человек умерли, при этом 101 человек умер от почечной недостаточности.

Экспертами ФАО и ВОЗ установлена величина максимально допустимого поступления свинца для взрослого человека – 3 мг в неделю, то есть ДСД составляет около 0,007 мг/кг массы тела, а ПДК в питьевой воде – 0,05 мг/л.

 

КАДМИЙ

Кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов внешней среды. В природной среде кадмий встречается в очень малых количествах, именно поэтому его отравляющее действие было выявлено лишь недавно. В последние 30-40 лет он все больше применяется в промышленности. Кадмий содержится в мазуте и дизельном топливе, освобождаясь при их сгорании; используется он в качестве присадки к сплавам, при нанесении гальванических покрытий (кадмирование неблагородных металлов), для получения кадмиевых пигментов, необходимых для производства лаков, эмалей и керамики, в качестве стабилизатора пластмасс (например, поливинилхлорида), в электрических батареях. В результате всего этого, а также при сжигании кадмийсодержащих пластмассовых отходов кадмий может попадать в воздух. Например, в Балтийское море ежегодно поступает 200 тонн кадмия, в том числе 45% из воздуха. Во всем мире, судя по имеющимся данным, в окружающую среду его выбрасывается примерно 500 тонн. Кадмий также обычно сопутствует в природных рудах другим металлам, чаще всего цинку. Соотношение кадмия и цинка в минералах и почвах варьирует от 1:100 до 1:1000.

О большой опасности загрязнения почвы кадмием свидетельствует массовая интоксикация кадмием жителей бассейна реки Дзинцу в Японии. Цинковый рудник загрязнил кадмием реку, воду которой использовали для питья и орошения рисовых полей и соевых плантаций. Спустя 15-30 лет 150 человек умерли от хронического отравления кадмием. Содержание кадмия в рисе – основном продукте питания – достигало 600-1000 мкг/кг, что явилось причиной заболевания, вошедшего в историю эндемических отравлений тяжелыми металлами. Само название болезни Itai-Itai (итаи-итаи) отражает ужасные страдания больных.

Первыми симптомами болезни являются боли в спине и ногах. Давление на кости, особенно на длинные кости ног и ребер, усиливает боль. С прогрессированием заболевания даже незначительный удар вызывает переломы костей, возникают деформации скелета и значительно уменьшается длина тела.

Кадмий опасен в любой форме – принятая внутрь доза 30-40 мг уже может оказаться смертельной. Поэтому даже потребление напитков из пластмассовой тары, материал которой содержит кадмий, является чрезвычайно опасным. Поглощенное количество кадмия выводится из организма очень медленно (0,1% в сутки), легко может происходить хроническое отравление. Для кадмия период полувыведения составляет более 10 лет, поэтому даже следам кадмия, если они систематически попадают в организм, надо уделять самое серьезное внимание. Ранние симптомы отравления – поражение почек и нервной системы с последующим возникновением острых костных болей. Типично также нарушение функции легких.

В организме кадмий в первую очередь накапливается в почках, и после достижения пороговой концентрации – около 0,2 мг кадмия на 1 г массы почек – появляются симптомы тяжелого отравления и почти неизлечимого заболевания.

Кадмий почти невозможно изъять из природной среды, поэтому он все больше накапливается в ней и попадает различными путями в пищевые цепи человека и животных.

Больше всего кадмия мы получаем в растительной пищей. Кадмий легко переходит из почвы в растения, последние поглощают до 70% кадмия из почвы и лишь 30% — из воздуха. В отдельных продуктах, исследованных в США, Австралии, Великобритании, странах СНГ, обнаружены следующие количества кадмия (мкг/кг): в хлебе – 2-4,3; зерновых – 28095; горохе – 15-19; фасоли – 5-12; картофеле – 12-50; капусте – 2-26; помидорах – 10-30; салате – 17-23; фруктах – 9-42; растительном масле – 10-50; сахаре – 5-13; яблоках – 2-19. Эксперты ФАО полагают, что взрослый человек с рационом получает 30-150 мкг кадмия в сутки, причем в Европе – 30-60 мкг, в Японии – 30-100 мкг, в кадмиевых геохимических районах – около 300 мкг.

Количество кадмия, попадающее в организм человека, зависит не только от потребления кадмийсодержащих пищевых продуктов, но и в большой степени от качества его диеты. В частности, железо может заметно изменить аккумуляцию кадмия. Достаточное количество железа в крови, по-видимому, тормозит аккумуляцию кадмия. Кроме того, большие дозы витамина D действуют как противоядие при отравлении кадмием.

Всемирная организация здравоохранения считает максимально допустимой величину поступления кадмия для взрослых людей 500 мкг в неделю, то есть ДСП 70 мкг/сут, а ДСД 1 мкг/кг массы тела.

 

ЦИНК

Цинковые руды широко распространены. В ряде западно-европейских стран, а также в России, США, Южной Африке и Австралии действуют цинковые рудники. Наибольшее значение имеют сульфидные цинковые руды. В промышленных масштабах разрабатываются также карбонатные (каламин), оксидные (цинкит) и силикатные (виллемит) руды. Часто цинк встречается с другими металлами, например, со свинцом, кадмием, медью.

Мировое производство цинка составляет 5,5 млн тонн в год.

В течение многих веков цинк использовался главным образом для получения латуни, которая широко применяется для изготовления кухонной утвари и оборудования пищевых предприятий. Оксид цинка применяется при производстве резины и белого пигмента, а также электрических батареек.

Цинк присутствует во многих пищевых продуктах и напитках, особенно в продуктах растительного происхождения.

В настоящее время установлено, что человеку с пищей необходимо получать цинк. Во многих странах существуют рекомендации по суточной норме потребления металла. Цинк участвует в ряде важных биологических процессов, особенно ферментативных.

Входит в состав гормона инсулина и целого ряда ферментов, принимающих участие в углеводном обмене, процессах дыхания и размножения.

Суточная потребность человека в цинке составляет 10-15 мг.

В настоящее время описаны три вида распространенной патологии, зависящей от первичного дефицита цинка. Наиболее распространена болезнь Прасада, основными симптомами которой являются низкий рост, даже карликовость, сонливость, пониженный аппетит. Около 3% подростков, проживающих в сельской местности Ирана и Египта, страдают болезнью Прасада. Гипоцинкоз часто развивается, когда рацион состоит из бездрожжевого хлеба, приготовленного из цельной пшеницы.

Цинку принадлежит также важная роль в процессах образования костной ткани. При недостатке цинка процессы кальцификации затруднены, что приводит к увеличению пористости и ломкости костей. Дефицит цинка у беременных может не только обусловить у них родовую слабость, но и ряд пороков у плода и новорожденных – расщепление неба, образование грыжи, порок сердца и др.

Избыток цинка вызывает серьезные физиологические нарушения в организме, оказывает токсическое действие на организм. Токсические дозы солей цинка действуют на желудочно-кишечный тракт. Это приводит к острому, но излечимому заболеванию, сопровождающемуся тошнотой, рвотой, болями в желудке, коликами и диареей.

Несколько случаев, описанных в литературе, происходили главным образом из-за использования железных сосудов с гальваническим цинковым покрытием. Так, на одном приеме 300 человек из 400 присутствующих отравились пищей, которая в течение ночи хранилась в сосудах с гальваническим покрытием.

Следует помнить, что пищевые продукты, особенно кислые и жировые, нельзя обрабатывать в цинковой посуде, за исключением холодной питьевой воды, так как в первом случае цинк может переходить в продукты и, накапливаясь в больших количествах, вызывать отравление людей.

Основными источниками цинка для человека являются продукты животного происхождения: печень, говядина, яйца.

Содержание цинка в некоторых пищевых продуктах приведено в таблице.

Наименование продукта	Содержа-ние, мг/100 г	Наименование продукта	Содержание, мг/100 г
Свежие устрицы Имбирный корень Бифштекс Баранина Орехи пекан Горох Говяжья печень Яичный желток Зерна пшеницы Зерна ржи Овес Арахис Миндаль Грецкие орехи Сардины Мясо цыплят Гречиха Фундук Хамса Тунец	148,7 6,8 5,6 5,3 4,5 4,2 3,9 3,5 3,2 3,2 3,2 3,2 3,1 3,0 2,9 2,6 2,5 2,4 1,7 1,7	Зеленый горошек Креветки Репа Петрушка Картофель Чеснок Морковь Хлеб из цельного зерна Цельное коровье молоко Свинина Кукуруза Виноградный сок Оливковое масло Цветная капуста Шпинат Капуста белокочанная Чечевица Огурцы Батат Мандарины	1,6 1,5 1,2 0,9 0,9 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1

Поступление цинка в человеческий организм в концентрации 6 г/сут может привести к летальному исходу.

МЫШЬЯК

Мышьяк широко распространен в окружающей среде. Он встречается почти во всех почвах. Степени окисления мышьяка -3, 0, +3, +5. Наиболее распространенными неорганическими соединениями мышьяка являются оксид трехвалентного мышьяка As₂O₃ и оксид пятивалентного мышьяка As₂O₅. Другими важными соединениями являются хлорид мышьяка (III) и различные соли, такие как арсенат свинца, также газообразное соединение с водородом – арсин (AsH₃). По степени снижения токсичности соединения мышьяка располагаются в следующий ряд: AsH₃ As³⁺ As⁵⁺ RasX.

Для мышьяка, так же как и для ртути, характерна реакция метилирования. В природе наблюдается переход арсенатов в арсениты, а затем при их метилировании происходит образование метилмышьяковой и диметилмышьяковой кислот. В аэробных условиях образуется триметиларсин, в анаэробных – диметиларсин, включающиеся в пищевые цепи и сети.

Мировое производство мышьяка составляет приблизительно 50 тыс. тонн в год. В последнее время оно возрастает каждые 10 лет на 25%.

Мышьяк применяется в металлургии при получении некоторых сплавов для увеличения твердости и термостойкости сталей.

В химической промышленности мышьяк используется при производстве красящих веществ, а также стекла и эмалей.

В результате широкого распространения в окружающей среде и использования в сельском хозяйстве мышьяк присутствует в большинстве пищевых продуктов. Обычно его содержание достаточно мало – менее 0,5 мг/кг и редко превышает 1 мг/кг, за исключением некоторых морских организмов, которые аккумулируют этот элемент. При отсутствии значительных загрязнений содержание мышьяка в хлебных изделиях составляет до 2,4 мг/кг; фруктах – до 0,17 мг/кг; напитках – до 1,3 мг/кг; мясе – до 1,4 мг/кг; молочных продуктах – до 0,23 мг/кг. В морских продуктах содержится больше мышьяка, обычно на уровне 1,5 – 15,3 мг/кг.

Мышьяк присутствует почти во всех пресных водах. Однако в питьевой воде из различных источников уровни содержания мышьяка определяются природой залегающих пород. В некоторых геологических формациях залегает арсенопирит, который является источником мышьяка в пресных водах и приводит к увеличению его концентрации до 0,5 – 1,3 мг/л. Регулярное использование таких вод в домашнем хозяйстве может привести к избыточному поступлению мышьяка в организм и вызвать симптомы хронического отравления мышьяком.

Например, в Аргентине наблюдалось хроническое отравление мышьяком, вызванное потреблением воды, содержащей от 1 до 4 мг/л As₂O₃. Аналогичная ситуация наблюдалась в Антофагасте (Чили). Употребление колодезной воды, содержащей 0,6 мг/л мышьяка, привело к локальным хроническим отравлениям на о. Тайвань.

Промышленные, а также случайные загрязнения могут привести к значительному увеличению естественного уровня мышьяка в пищевых продуктах и напитках.

 

В Балтиморе была обнаружена территория, где смертность от рака в 4,5 раза выше, чем в городе в целом. Эта полоса окружает бывшую фабрику, производившую в течение 100 лет мышьяк.

Трагический случай произошел в Японии в 1955 году. Когда отравилось более 12000 детей. Их кормили молочной смесью. В состав которой входило сухое молоко, загрязненное оксидом мышьяка (III). Он случайно попал в фосфат натрия, которым стабилизировали порошок молока. Фосфат натрия являлся отходом при выделении алюминия из боксита, в котором содержалось существенное количество мышьяка. Более 120 детей погибли от потребления смеси через 33 дня при ежедневной дозе As₂O₃ 3,5 мг.

Использование соединений мышьяка в составе пестицидов для обработки виноградников привело к случаям отравления винами.

Мышьяк может вызывать как острые, так и хронические отравления. Острые отравления хорошо известны криминалистам.

 

Истории известен ряд примеров. Один из них – дело Мари Мадлен де Бренвилье (1630 – 1676 гг.). Мари Мадлен родилась в богатой дворянской семье и с отроческих лет блистала красотой. С целью овладения огромным наследством, которого ее лишали из-за непристойного поведения, Мари Мадлен подсыпает мышьяк в пищу отцу и двум братьям. Верховный суд парижского парламента приговорил ее к смертной казни.

Существует также версия об отравлении мышьяком Наполеона Бонапарта. С помощью нейтронно-активационного анализа волос Наполеона разных периодов его жизни эксперты установили, что содержание мышьяка в них в 13 раз превышает обычную норму для человеческих волос, а отложения мышьяка в растущих волосах совпадали по времени с периодом пребывания Наполеона на острове Святой Елены.

Хроническое отравление мышьяком и его соединениями возникает при длительном употреблении питьевой воды с концентрацией мышьяка 0,3 – 2,2 мг/л. Разовая доза мышьяка 30 мг смертельна для человека.

Механизм токсического действия мышьяка заключается в связывании им сульфгидрильных групп белков и ингибировании действия многих ферментов, участвующих в процессах клеточного метаболизма и дыхания.

Хроническое отравление приводит к потере аппетита и снижению массы, гастрокишечным расстройствам, периферийным неврозам, коньюктивиту, гиперкератозу и меланоме кожи. Меланома возникает при длительном воздействии мышьяка и может привести раку кожи.

По данным экспертов ФАО/ВОЗ, в организм взрослого человека поступает в среднем 0,005 – 0,42 мг мышьяка в сутки, то есть около 0,007 мг/кг массы тела, и может достигать 1 мг в зависимости от его содержания в рационе питания и окружающей среде.

Экспертами ФАО и ВОЗ установлена ДСД мышьяка 0,05 мг/кг массы тела, что для взрослого человека составляет около 3 мг/сут.

 

МАРГАНЕЦ

Марганец входит в состав многих ферментов, играет важную роль в процессах роста, кроветворения, образования костной ткани.

Суточная потребность в марганце 5-10 мг.

В растительных пищевых продуктах (семена бобовых, злаковых растений, чай) марганца содержится больше, чем в животных.

Недостаточность марганца у человека была описана в 1974 г. Вследствие исключения марганца из рациона наблюдали быструю потерю массы тела, тошноту и рвоту, изменение цвета волос. Недостаточность марганца часто фиксируют при различных формах анемии. Недостаточность марганца в пище может привести к развитию остеопороза, причем прием кальция усугубляет его дефицит, так как затрудняет его усвоение в организме.

Основными источниками марганца являются (мкг/100 г): фундук – 4200, черная смородина – 1300, капуста белокочанная – 300, картофель – 170, рыба и рыбопродукты – 100-120.

ХРОМ

Хром широко распространен в земной коре, он составляет 0,04% твердой породы. Хром в основном применяется в металлургической промышленности для получения нержавеющих сталей и для покрытия металлических изделий с целью коррозионной защиты, в частности, металлических консервных банок. Феррохром и хром используются в промышленности в качестве легирующих добавок, для получения красок и в полиграфической промышленности. Дубление соединениями хрома является традиционным способом изготовления кожаных изделий. Хроматы добавляют в качестве антикоррозионных агентов в воду, а присутствие их в сточных водах приводит к значительному выделению промышленных хроматов в окружающую среду.

Хром в небольших количествах находится в большинстве пищевых продуктов и напитков.

Среднее суточное потребление хрома с пищей составляет приблизительно 50 – 80 мкг.

Установлено, что содержание хрома в продуктах питания, производимых в США, колеблется от 0,175 до 0,470 мг/кг.

Хром усиливает действие инсулина во всех метаболических процессах, регулируемых этим гормоном.

Суточная потребность в хроме колеблется в пределах 50 – 200 мкг.

При недостаточности хрома у человека отмечаются снижение толерантности к глюкозе, повышение концентрации инсулина в крови.

Наиболее значимые пищевые источники хрома – черный перец, телячья печень, проросшие зерна пшеницы, пивные дрожжи, хлеб из муки грубого помола. Особенно важно, что хром в этих продуктах содержится в биологически активной и легкоусвояемой форме.

МЕТОДЫ МИНЕРАЛИЗАЦИИ

Минерализация – это окисление (сжигание) органического вещества (объекта) для освобождения металлов из комплексов с белками и др. соединениями. Наиболее широко распространенные методы минерализации можно разделить на 2 большие группы:

1. Частные методы (методы “сухого озоления”) – минерализация путем простого сжигания или сплавления со смесью нитратов и карбонатов щелочных металлов. К числу частных методов относится и метод частичной минерализации (деструкция), служащий для изолирования ртути из биологических объектов.

Метод простого сжигания основан на нагревании органического вещества (объекта) при высокой температуре при доступе воздуха. Сухое озоление проводят в фарфоровых, платиновых или кварцевых тиглях. На исследование берут небольшие навески (1-3 г), температура нагревания достигает 300-400 ^о С. Метод применяется при специальных заданиях по обнаружению катионов марганца, меди, цинка, висмута, особенно в тех случаях, когда объект либо очень эластичен, трудноразрушаем, либо его количество ограничено. Метод имеет определенные недостатки:

1. При нагревании возможно улетучивание металлов в виде солей или в индивидуальном виде, т.к. при нагревании в условиях проведения сухого озоления не всегда удается контролировать температуру. Даже при относительно невысокой температуре улетучиваются соединения ртути и таллия, а при температуре свыше 400 ^оС — хлориды кадмия, свинца, серебра, цинка, марганца, мышьяка.
2. Возможно взаимодействие некоторых металлов с материалом тигля, например, цинк, свинец, серебро могут реагировать с кварцем и фарфором, а кобальт может сплавляться с платиной.

Метод сплавления с нитратами щелочных металлов в химико-токсикологическом анализе применяется чаще, чем сухое озоление. Биологический материал нагревают с расплавленными нитратами щелочных металлов. Но с чистыми нитратами окисление идет очень быстро, особенно при повышенных температурах, при этом может наблюдаться выбрасывание пробы из тигля. Поэтому, для предотвращения бурного протекания реакции при сплавлении применяют смесь нитратов с карбонатами щелочных металлов.

1. Общие методы (методы “мокрой минерализации”) применяются при общем (ненаправленном) исследовании на группу металлических ядов, пригодны для изолирования всех катионов металлов, кроме ртути. Для минерализации используют смеси кислот – окислителей (серной и азотной, серной, азотной и хлорной), а также хлорат калия и пергидроль. Под действием окислителей происходит разрушение биологического материала с образованием более простых химических соединений. При этом связи между металлами и биологическими субстратами организма (белками, аминокислотами и др.) разрушаются, образуются соли этих металлов, которые можно обнаружить в минерализате при помощи соответствующих реакций и методов.

Методы “мокрой минерализации”

Первый метод минерализации биологического материала при химико-токсикологических исследованиях с использованием в качестве окислителя кислоты азотной концентрированной предложил русский ученый Нелюбин А.П. Этот метод сыграл большую роль в развитии химико-токсикологического анализа. Однако разрушение биологического материала при нагревании с конц. HNO₃ требует большой затраты времени, реагент слабо окисляет жиры. В дальнейшем в качестве окислителя использовалась кислота серная концентрированная, действующая одновременно и как дегидратирующий агент. Однако, этот процесс тоже был весьма продолжительным по времени, и в процессе минерализации образовывались неразлагающиеся обуглившиеся остатки. Для устранения этих недостатков в 1821 году М.Ж.Орфила предложил применять смесь концентрированных серной и азотной кислот. Этот метод был модифицирован и применен для целей химико-токсикологического анализа в 1908 году П.К.Равданикисом. До настоящего времени этот метод находит применение в практике Бюро СМЭ и является по сути дела основным методом минерализации.

Метод минерализации смесью концентрированных серной,

азотной кислот и воды (1:1:1)

 

Процесс разрушения биологического объекта протекает в 2 стадии:

1. Стадия деструкции, на которой происходит разрушение биологических субстратов организма (белков, жиров, углеводов) на составные части: белки разрушаются до аминокислот, углеводы (полисахариды) до ди- и моносахаридов, жиры до глицерина и жирных кислот. Менее всего подвержены разрушению на первой стадии жиры. На первой стадии нагревание не должно быть сильным, чтобы избежать подгорания объекта или сильного пенообразования и выброса частиц объекта из колбы. Поэтому, в начале процесса колбу Къельдаля закрепляют над плиткой на расстоянии 1-2 см. Температура не должна превышать 110 ^о С. Эта стадия непродолжительна по времени, длится от 15 до 40 минут. По окончании деструкции получается прозрачная желтовато-бурая жидкость, иногда с пленкой жира, т.к. на этой стадии все элементы объекта разрушены, кроме жиров.

На стадии деструкции конц. H₂SO₄ выполняет роль водоотнимающего средства, что приводит к нарушению структуры клеток и тканей, деформирует их. При этом она способствует повышению температуры кипения смеси и тем самым повышает окислительное действие конц. HNО₃.

Роль окислителя на первой стадии выполняет конц. HNО_3. Азотная кислота, свободная от окислов азота, что наблюдается в самом начале минерализации, почти инертна. Под влиянием индуцирующих веществ в процессе окисления биоматериала часть азотной кислоты разлагается до азотистой кислоты и оксидов азота, которые являются катализаторами окисления. Под их влиянием и с повышением температуры азотная кислота проявляет себя как сильный окислитель. Идет интенсивный автокаталитический процесс окисления органических веществ:

2. Стадия глубокого жидкофазного окисления. Колбу Къельдаля опускают на плитку и усиливают нагревание. На этой стадии происходит окончательное разрушение органических веществ. Полностью разрушаются и жиры, которые на первой стадии почти не пострадали под действием азотной кислоты. В процессе окисления необходимо по каплям постоянно добавлять в колбу разведенную азотную кислоту из капельной воронки, но при этом скорость добавления реактива должна быть такова, чтобы бурые пары окислов азота, образующиеся при минерализации, не выходили из колбы. Эта стадия длится 3-4 часа и считается законченной тогда, когда:

— начинает выделяться белый туман (пары SO₂ );

— жидкость остается бесцветной;

— минерализат не темнеет в течение 30 минут без добавления

азотной кислоты.

Роль окислителя на этой стадии играет концентрированная серная кислота (её концентрация повышается в смеси до 60-70%, температура превышает 110 ^оС). Она разлагается с выделением оксида серы (IV) и активного кислорода.

 

В процессе минерализации происходит не только разрушение органических веществ, но и ряд побочных реакций, имеющих негативное значение:

А) Серная кислота в высоких концентрациях сульфирует органические вещества, а азотная кислота, особенно в присутствии серной кислоты, – нитрует их. Сульфо- и нитросоединения очень прочные, трудно поддаются воздействию окислителей, что влечет за собой неполное разрушение биообъекта. Эти негативные процессы можно значительно уменьшить. Это достигается использованием не концентрированных кислот, а частично разбавленных добавлением в окислительную смесь воды (вспомните соотношение реагентов в окислительной смеси). При разбавлении H₂ SO₄ и HNO₃ водой степень нитрования и сульфирования значительно снижается.

Б) Ещё одна побочная реакция связана с образованием нитрозилсерной кислоты при взаимодействии оксидов азота с концентрированной серной кислотой.

Нитрозилсерная кислота очень устойчива к температуре, однако легко гидролизуется. Реакция гидролиза обратима.

Нитрозилсерная кислота является источником окислителей в минерализате, что мешает в дальнейшем обнаружению некоторых катионов металлов. Чтобы избавиться от негативного воздействия нитрозилсерной кислоты, её удаляют путем проведения денитрации.

Достоинства метода: 1. Сравнительно быстрое достижение полноты разрушения органических веществ.

2.Полнота разрушения объекта обусловливает большую чувствительность методов анализа катионов металлов.

3. Малый объем получаемого минерализата, что также повышает чувствительность методов анализа.

Основным недостатком метода являются большие потери Hg (до 90-98%) за счет её летучести. Поэтому изолирование ртути в виде ионов проводят в отдельной навеске биообъекта частным методом изолирования (методом деструкции), который исключает использование высоких температур, процесс ведется в присутствии катализатора (этанола).

Метод минерализации смесью серной, азотной и хлорной кислот (1:1:1)

Хлорную кислоту в качестве окислителя в аналитической химии впервые применил А.Щербак в 1893 году.

В качестве окислительной смеси при изолировании этим методом используют смесь из равных объемов конц. H₂SO₄, конц.HNO₃ и 37% или 42% HClO₄. Методика выполнения изолирования аналогична первому методу, однако второй метод имеет ряд несомненных достоинств:

1. Высокая скорость минерализации, сокращение в 2-3 раза затрат времени в сравнении с первым методом.

2. Очень высокая полнота окисления органических веществ (до 99%), что обусловлено способностью хлорной кислоты разрушать вещества стойкие или медленно разлагающиеся другими окислителями.

3. Окисление большинства поливалентных металлов до высших степеней окисления.

4. Небольшой расход окислителей.

5. Малый объем получаемого минерализата, что повышает чувствительность методов анализа.

Основной недостаток тот же, что и у первого метода – возможность практически полной потери ртути. Однако есть еще одна опасность при использовании хлорной кислоты в составе окислителей – это взрывоопасность и токсичность хлорной кислоты. Безводная хлорная кислота нестойкая, может взрываться при хранении при повышенной температуре или при соприкосновении с некоторыми органическими соединениями. Это требует соблюдения особых мер предосторожности при работе с хлорной кислотой.

При любом способе минерализации следует соблюдать меры предосторожности, т.к. возможны термические ожоги, выбрасывание горячих кислот из колб и даже взрывы (особенно при использовании в качестве окислителей пергидроля, хлорной кислоты и хлората калия).. Поэтому следует пользоваться защитными очками, работать в вытяжных шкафах с хорошей тягой.

Нельзя не остановиться ещё на одном очень важном этапе исследования «металлических ядов» — проверке чистоты реактивов. Недостаточно чистые кислоты-окислителм могут загрязнять минерализаты соединениями металлов, при этом количество примесей может оказаться весьма значительным, что послужит основанием для ошибочного заключения о наличии «металлических ядов» в биоматериале и причине отравления. Чтобы исключить ошибку, необходимо применять кислоты, свободные от примесей. Если степень их чистоты неизвестна, то проводят «холостой опыт», т.е. берут реактивы в нужных для методики количествах и полностью воспроизводят её. Только при отрицательных эффектах реакций обнаружения металлов, делают вывод о пригодности кислот для использования в процессах минерализации.

Независимо от того, каким методом проводилась минерализация биологического материала, минерализат в большинстве случаев содержит окислители, которые помешают дальнейшему проведению анализа. Это – азотная, азотистая кислоты, оксиды азота, нитрозилсерная кислота. Для их удаления используются методы денитрации. Применяемые ранее гидролизный метод, метод денитрации мочевиной, сульфитом натрия практически вытеснены методом денитрации формальдегидом. Метод предложен в 1952 году Т.В.Зайковским. Процесс денитрации заканчивается за 1-2 минуты, избыток непрореагировавшего формальдегида легко удаляется при нагревании в течение 5-10 минут. Для проверки полноты денитрации минерализата проводят реакцию с дифениламином в среде концентрированной серной кислоты.

Полученную после минерализации жидкость, в которой металлы находятся в виде сернокислых солей, разбавляют водой до определенного объема в мерной колбе (200мл) и используют для проведения качественного анализа “дробным” методом и количественного определения.

Объектами исследования на «металлические яды» являются органы и ткани организма человека, чаще всего это печень, почки, желудок и др. Количество исследуемого материала зависит от общей массы объекта, от обстоятельств дела и других факторов, в среднем навеска биоматериала составляет 100 г. Минерализацию разнохарактерных объектов проводят отдельно, не смешивая. Это необходимо для получения объективных результатов анализа и правильной судебно-медицинской оценки.

Методика изолирования металлических ядов

из биологического материала общим методом минерализации

100 г биологического объекта в колбе Къельдаля заливают 75 мл окислительной смеси (кислоты серной концентрированной, кислоты азотной концентрированной, воды дистиллированной в соотношении 1:1:1). Колбу закрепляют в штативе вертикально на расстоянии 1-2 см от асбестовой сетки. Над колбой помещают капельную воронку с разбавленной азотной кислотой (1:1). Колбу осторожно нагревают на плитке, добавляя при необходимости (потемнение жидкости) разбавленную азотную кислоту (1:1) по каплям до просветления жидкости. Концом минерализации считается момент, когда в колбе остается 15-20 мл бесцветной или окрашенной жидкости, которая не темнеет в течение 30 минут при постоянном нагревании, без добавления азотной кислоты. Охлажденный минерализат осторожно выливают в химический стакан, содержащий 30 мл дистиллированной воды, колбу Къельдаля ополаскивают два раза дистиллированной водой по 10 мл и присоединяют промывные воды к разбавленному минерализату. Разбавление минерализата способствует затем более легкому протеканию процесса денитрации.

В маленькой фарфоровой чашке в 2-3 каплях концентрированной серной кислоты растворяют 2-3 кристалла дифениламина и к полученному бесцветному раствору прибавляют одну каплю разбавленного минерализата. В случае появления сине-голубого окрашивания проводят денитрацию раствора.

Стакан с содержимым ставят на плитку, нагревают до кипения и вносят одну каплю формалина; кипятят 10 минут и вновь проделывают реакцию с дифениламином.

Химизм денитрации:

2 NO + O₂ + H₂O HNO₂ + HNO₃

4 HNO₂ + 2 H₂CO 2 NO + N₂ + 2 CO₂ + 4 H₂O

4 HNO₃ + 3 H₂CO 4 NO + 3 CO₂ + 5 H₂O

4 HNO₃ + 5 H₂CO 2 N₂ + 5 CO₂ + 7 H₂O

В случае отсутствия голубого окрашивания в результате реакции с дифениламином жидкость кипятят до исчезновения запаха формалина, охлаждают, количественно переносят в мерную колбу на 200 мл и доводят дистиллированной водой до метки. Жидкость из мерной колбы переносят в чистую сухую склянку и используют для обнаружения катионов (100 мл) и количественного определения (100 мл). Если при разбавлении минерализата водой выпадает осадок, то независимо от того, проводилась денитрация или нет, жидкость в стакане нагревают до кипения, кипятят 10 минут и оставляют стоять на сутки для получения более плотного осадка. На второй день белый кристаллический осадок отфильтровывают через маленький плотный фильтр (фильтрат используют для проведения дробных реакций на катионы по схеме), промывают несколько раз холодной дистиллированной водой, промывные воды присоединяют к фильтрату и доводят его водой до 200 мл в мерной колбе.

PbSO₄ + 2 CH ₃COONH₄ (CH₃ COO)₂ Pb + (NH₄)₂ SO₄

Осадок на фильтре еще раз промывают водой, подкисленной 1% раствором серной кислоты (эти промывные воды отбрасывают). Затем осадок на фильтре обрабатывают 5 мл горячего раствора ацетата аммония. Полученный раствор используют для проведения качественных реакций на катион свинца, а оставшуюся часть – для количественного определения свинца. Осадок на фильтре после обработки ацетатом аммония исследуют на катион бария сначала количественно (по указанию преподавателя), а затем проводят качественные реакции.

ДРОБНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА «МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЯДОВ»

Теоретические основы дробного метода анализа в аналитической химии были разработаны профессором Н.А.Тананаевым в 30-е годы 20 века. Для целей судебно-химического анализа дробный метод разработала и внедрила А.Н.Крылова. Дробный метод полностью вытеснил ранее применявшийся систематический сероводородный метод.

Дробный метод предусматривает определение одних ионов металлов в отдельных небольших порциях исследуемого раствора в присутствии других без их предварительного разделения на группы, что достигается использованием соответствующих аналитических приемов и проведением анализа по определенной схеме, в которой обозначена последовательность обнаружения ионов.

Обнаружение искомых ионов дробным методом проводится в 2 этапа: вначале устраняется влияние мешающих ионов с помощью соответствующих приемов и реактивов, а затем, на втором этапе, — прибавляют реактив, дающий какой-либо аналитический сигнал (окраску, осадок и др.) с искомым ионом.

Дробный метод анализа особенно удобен в случаях с «лимитированными заданиями», т.е. когда задача эксперта ограничена заданием провести исследование только на определенные ионы или исключить тот или иной ион. Таким образом, дробный метод вполне удобен и экономичен, как нельзя лучше подходит для решения практических задач судебно-химической экспертизы.

Специфические особенности судебно-химического анализа на металлические яды:

1. Необходимость выделения из большого количества биологического объекта малых количеств (мг-мкг) веществ, которые могли послужить причиной отравления.
2. Необходимость исследования на сравнительно большую группу ядов (13 элементов), обладающих некоторой общностью химических свойств (d-элементы).
3. Специфический характер объектов исследования. Ими чаще всего являются внутренние органы трупа, которые могут содержать в качестве естественных почти все химические элементы, известные как «металлические» яды (за исключением Ba, Bi, Sb, Tl). Поэтому всегда встает вопрос о количественном определении. Данные количественного анализа позволяют судебно-медицинским экспертам решать вопрос, являются ли найденные металлы введенными в организм или естественно содержащимися.

Учитывая специфические особенности судебно-химического анализа А.Н.Крылова при разработке дробного метода предъявила ряд требований, чтобы анализ был достаточно быстрым, надежным и экономичным:

1. Должна быть возможность сочетания качественного и количественного определения в одной навеске исследуемого органа на все токсикологически важные элементы (за исключением ртути, которая определяется в отдельной навеске деструктивным методом).
2. Должна быть обеспечена высокая доказательность и надежность метода. Это достигается применением, как правило, не одной, а, по меньшей мере, двух реакций: основной и подтверждающей. В качестве основных чаще всего используются жидкофазные реакции образования окрашенных комплексов с различными реагентами, извлекаемых в слой органического растворителя (дитизонатов, диэтилдитиокарбаминатов, комплексов с 8-оксихинолином, красителями трифенилметанового ряда и др.). Большинство подтверждающих реакций – микрокристаллоскопические или осадочные.
3. Реакции должны быть высоко специфичными, чтобы определять искомый катион в присутствии других. Однако абсолютно специфичных реакций очень мало, поэтому необходимо создавать селективные условия и устранять мешающее влияние посторонних ионов. Для этого разработаны следующие приемы:

• маскировка мешающих ионов. Осуществляется путем введения комплексообразователей, применения окислительно-восстановительных реакций и др.;
• строгое соблюдение определенных значений рН среды при проведении реакций;
• селективная экстракция металлов в органический растворитель в виде комплексов или ионных ассоциатов с последующей реэкстракцией ионов металлов в водную фазу.

1. Реакции должны быть высокочувствительны, но не должны открывать естественно содержащиеся количества элементов. Поэтому для выполнения реакций на отдельные катионы объем минерализата строго лимитирован. Кроме того, применяют прием разбавления минерализата до пределов чувствительности реакции. При этом снижается влияние мешающих ионов и концентрация кислот, исключается обнаружение большинства естественно содержащихся элементов.
2. Методики, разработанные для обнаружения «металлических» ядов, должны быть простыми, доступными, а их проведение не требовать больших затрат времени на анализ и дорогостоящего оборудования и реагентов.

Таким, образом, А.Н.Крылова рассматривает дробный метод анализа на «металлические яды» как сумму отдельных наиболее характерных и чувствительных реакций на катионы. Дробный метод разработан на 13 наиболее важных в токсикологическом отношении элементов. Он обязательно сочетается с параллельно проводимым частным методом обнаружения и количественного определения иона ртути после деструкции отдельной навески биоматериала.

При составлении схемы проведения дробного анализа необходимо учитывать ограниченную специфичность отдельных реакций:

1. Чувствительность реакций на хром и марганец снижается при большом количестве в минерализате хлорид-ионов, поэтому исследование на хром и марганец рекомендуется проводить до осаждения Ag в виде AgCl с помощью NaCl.
2. Обнаружению мышьяка мешает присутствие в минерализате катионов сурьмы, в связи с чем исследование на сурьму предшествует анализу на мышьяк.
3. Большие количества меди мешают обнаружению сурьмы по реакции образования её сульфида Sb₂S₃ (черный осадок CuS маскирует оранжевую окраску Sb₂S₃ ). Следовательно, в ряду катионов по схеме дробного анализа медь должна стоять раньше сурьмы.

Для повышения надежности обнаружения «металлических ядов» А.Н.Крылова предлагает определенный порядок их анализа в минерализате, а именно: свинец, барий, марганец, хром, серебро, медь, сурьма, таллий, мышьяк, висмут, кадмий, цинк. Параллельно проводится анализ на ртуть после деструкции отдельной навески органов (печень, почки).

Маскировка ионов в дробном анализе

Маскировка является одной из важнейших операций в дробном анализе. Маскировкой называется процесс устранения влияния мешающих ионов, находящихся в сложной смеси, на обнаружение искомых ионов. При маскировке мешающие ионы переводят в соединения, которые теряют способность реагировать с реактивами на искомые катионы. С целью маскировки используют следующие приемы: переводят мешающие ионы в устойчивые комплексы, изменяют валентность металлов при помощи окислителей и восстановителей, изменяют рН среды и др.

Основной способ маскировки в ХТА – комплексообразование. Для использования этого приема подбирается такой реактив, который с мешающими ионами образует бесцветные прочные комплексы, не способные реагировать с основным реактивом на искомые ионы. Например, обнаружению ионов кадмия по реакции с сероводородом (осадок CdS имеет ярко-желтую окраску) мешают ионы меди (осадок CuS имеет черное окрашивание). Для маскировки ионов меди прибавляют раствор цианида щелочного металла, при этом образуется бесцветный комплексный ион [Cu (CN)₄]^2-. Реакция меди с сероводородом не пойдет.

Можно использовать и обратный прием – демаскировку ионов – это процесс освобождения ранее замаскированных ионов от маскирующих реагентов. В основном она осуществляется разложением полученных комплексных соединений. В результате ранее замаскированные ионы восстанавливают способность вступать в реакции с соответствующими реактивами.

Для маскировки в дробном анализе применяют следующие реактивы:

1. Цианиды – образуют комплексы с Co, Cu, Zn, Fe, Cd, Hg, Ag. Цианиды применяются достаточно широко, при необходимости можно легко провести демаскировку ионов. Главное требование: их нельзя прибавлять к кислым растворам, т.к. может произойти разложение солей с выделением легко летучей синильной кислоты.
2. Фосфаты – применяются для связывания ионов Fe (III) при исследовании на Mn, Cr, Cu.
3. Тиосульфаты – применяются для маскировки ионов Cd (II) при анализе на Zn, а также Ag, Pb, Fe (III),Cu и др. ионы.
4. Тиомочевина – применяется для маскировки ионов Bi, Fe (III), Sb, Hg, Ag и др., с которыми образует прочные внутрикомплексные соединения.
5. Используются также фториды, трилон Б, лимонная кислота и её соли цитраты, винная кислота и её соли тартраты и др. комплексообразователи.
6. Гидроксиламин и аскорбиновая кислота используются для маскировки как восстановители.

Применение органических реагентов в дробном анализе

“металлических ядов”

В дробном методе анализа широко применяются различные органические реагенты: диэтилдитиокарбаминаты натрия и свинца (в анализе на катионы меди, цинка, кадмия, висмута), дитизон (в анализе на катионы свинца, таллия, цинка, серебра, ртути), 8-оксихинолин ( в анализе на катион висмута), малахитовый зеленый из группы трифенилметановых красителей (при анализе на катионы сурьмы и висмута), дифенилкарбазид (при анализе на катион хрома), тиомочевина (при анализе на катион висмута) и др. В основном, образуются окрашенные комплексные соединения или ионные ассоциаты. Ионные ассоциаты (ионные пары) представляют собой неполностью диссоциированные солеобразные соединения, образующиеся в результате ассоциации противоположно заряженных ионов, при этом характер связи колеблется от ионной (электростатической) до ковалентной.

Реакции с органическими реагентами используются для следующих целей:

1. Образование окрашенных комплексов служит качественным доказательством ряда катионов.
2. Окраска комплексов может использоваться для количественного определения катионов фотоэлектроколориметрическим методом.
3. Реакции могут использоваться для селективной экстракции (выделения) катионов в виде комплексов из минерализата с последующей реэкстракцией ионов в водную фазу и обнаружением их качественными реакциями.

Применение диэтилдитиокарбаминовой кислоты

и её солей

Диэтилдитиокарбаминовая кислота – соединение, неустойчивое в водных растворах, поэтому в аналитической практике используют её соли, натриевая, аммониевая, свинцовая. Эти реагенты образуют более чем с 20 металлами внутрикомплексные соединения – диэтилдитиокарбаминаты (ДДТК металлов). В большинстве случаев они используются для целей селективной экстракции катионов из минерализата.

Свойства ДДТК металлов

1. ДДТК металлов, за исключением ДДТК натрия, нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях (хлороформ).
2. Большинство ДДТК металлов – бесцветные соединения. Окраску имеют только некоторые растворы комплексных соединений в хлороформе: ДДТК меди имеет яркое желто-коричневое окрашивание, ДДТК висмута, кадмия, сурьмы – бледно-желтое, хрома – бледно-зеленое.
3. ДДТК металлов образуются при строго определенных значениях рН среды. В щелочной среде образуются комплексы цинка (рН 8,5), кадмия (рН 12,5), висмута (рН 14). Оптимальным значением рН для образования ДДТК меди является рН равное 3, однако этот комплекс устойчив в интервале рН от 4 до 11. Таким образом, регулируя рН раствора, можно избирательно изолировать из минерализата тот или иной катион.

4. Устойчивость ДДТК металлов также связана с рН среды. Те комплексы, которые образуются в щелочной среде – неустойчивы в кислой и разрушаются под действием кислот. Это свойство используется для реэкстракции металлов из их комплексов и переведения в водную фазу с целью проведения подтверждающих реакций. Например, ДДТК цинка и кадмия можно разрушить действием хлористоводородной кислоты, а ДДТК висмута – азотной.

5.Для тех ДДТК металлов, которые устойчивы в широком интервале рН (медь), выделение катиона в водную фазу основано на использовании правила рядов среди диэтилдитиокарбаминатов. Согласно этому правилу каждый предшествующий катион, находящийся в водной фазе, вытесняет последующие катионы из их комплексов, растворенных в хлороформе.

Ряд ДДТК токсикологически важных катионов можно представить следующим образом:

Hg > Ag > Cu > Ni > Co > Pb > Bi > Cd > Tl > Sb > Zn > Mn > Fe

Например, Hg²⁺ способна вытеснять Cu из (ДДТК)₂Cu, в свою очередь Cu²⁺ вытесняет Pb из (ДДТК)₂Pb.

Катионы цинка, кадмия, висмута и меди называют экстракционными катионами и их анализ проводят по следующей схеме:

1. Выделение из минерализата в виде комплекса с ДДТКК при определенном рН раствора и экстракция в органическую фазу.
2. Разрушение комплексов кислотами или по правилу рядов – реэкстракция – переведение катионов в водную фазу.
3. Обнаружение и количественное определение.

Применение дитизона

Дитизон (дифенилтиокарбазон), введен в аналитическую практику в 1957 г. Фишером, который предписывает следующую структуру органического реагента. В зависимости от рН среды, дитизон может существовать в двух таутомерных формах: в кислой среде – в кетоформе, в щелочной среде – в енольной форме.

Свойства дитизонатов

1. Дитизон в кетоформе хорошо растворим в органических растворителях и не растворим в воде. В хлороформе образует окрашенные в интенсивно зеленый цвет растворы. В енольной форме дитизон хорошо растворим в воде, но нерастворим в органических растворителях. На этом свойстве основано удаление избытка дитизона из дитизонатов металлов: полученный дитизонат промывают водным раствором аммиака – дитизон в енольной форме переходит в водную фазу.
2. Большинство дитизонатов металлов – ярко окрашенные соединения, растворимые в органических растворителях и нерастворимые в воде. Дитизонаты серебра и ртути имеют золотисто-желтый цвет, цинка – пурпурно-красный, свинца – карминно-красный, таллия – красно-фиолетовый.
3. Образование дитизонатов металлов идет при строго определенном значении рН среды. Дитизонаты серебра и ртути образуются при рН 1, цинка – при рН 4,5-5 (химизм реакции идет по кетоформе дитизона). Для отличия дитизонатов серебра и ртути полученный комплекс встряхивают с раствором хлористоводородной кислоты, дитизонат серебра разлагается, хлороформный слой окрашивается в зеленый цвет. Дитизонат ртути в этих условиях устойчив. Дитизонат свинца образуется при рН 7-10, таллия – при рН 11-12 (химизм реакции идет по енольной форме дитизона).

Методы количественного определения

При отравлении «металлическими» ядами содержание их в различных органах будет колебаться в зависимости от принятого количества, времени наступления смерти и оказания помощи. Поэтому для каждого элемента рекомендованы два метода количественного анализа (фотоэлектроколориметрический и объемный) или один метод определения в широком интервале концентраций.

Классификация и характеристика методов

количественного определения

1. Весовой метод (применяется при анализе на барий) обладает самой низкой чувствительностью, границы определения Ba в виде BaSO₄ составляет 5 мг.
2. Объемные методы. Из объемных методов чаще всего применяется комплексонометрия: прямое титрование после экстракции с последующей реэкстракцией при анализе экстракционных катионов (медь, висмут, кадмий, цинк), обратное титрование – для осадочных катионов (барий, свинец). Граница определения – 0,5-1,0 мг. При анализе на катион серебра применяют роданометрический метод, на катион свинца – хромато—иодометрический метод, граница определения этих методов составляет 2,0 мг. Окислительно-восстановительная реакция с получением окрашенных растворов при изменении степени окисления марганца от 2 до 7 лежит в основе колориметрического титрования, границы определения – 0,02 мг.
3. Фотометрические методы основаны на измерении оптической плотности окрашенных комплексов металлов с органическими реагентами, граница определения металлов в виде дитизонатов составляет 0,02 мг, в виде ДДТК – 0,1 мг.