Вплив кадмію на живі організми
Національний
авіаційний університет
Інститут
екологічної безпеки
Кафедра
екології
Курсова
робота
з
дисципліни «Біогеохімія»
на
тему: «Вплив кадмію на живі організми»
Київ-2012
Зміст
Вступ
.
Шляхи надходження кадмію у навколишнє середовище
.
Вплив кадмію на рослини
.
Вплив кадмію на кукурудзу
.
Вплив кадмію на людину
Висновок
Список
використаної літератури
Вступ
Важкі метали - нечітко визначена
група елементів з металічними властивостями, що зазвичай включає перехідні
метали, деякі металоїди, лантаноїди і актиноїди. Історично було запропоновано
багато визначень цього терміну, деякі засновані на густині, інші на атомному
номері або атомній масі, ще інші на хімічних властивостях або токсичності.
Рослини здатні поглинати з
навколишнього середовища у великих чи у менших кількостях практично всі
елементи Періодичної системи. Тим часом для нормального життєвого циклу
рослинного організму необхідна лише визначена група основних живильних
елементів, функції яких у рослині не можуть бути замінені іншими хімічними
елементами. У цю групу входять 19 елементів: вуглець, водень, кисень, азот
фосфор, сірка, калій, натрій, кальцій, магній, залізо, марганець, мідь, цинк,
молібден, бор, хлор. Серед цих основних елементів лише 16 є власне мінеральними,
тому що вуглець, водень і кисень надходять у рослини у вигляді газів.
Перспективність використання рослин
як індикаторів очевидна. На цей час виділено рослини, чутливі до різних
токсичних речовин, створено численні шкали чутливості, які дозволяють реєструвати
забруднення у широкому діапазоні. Зрозуміло, що пошук таких рослин логічно
вести серед однолітків з коротким періодом вегетації, щоб мати можливість
простежити за реакцією на токсикант в різні періоди онтогенезу рослин.
Вміст того чи іншого елемента в
тканинах рослин непостійний і може сильно змінюватись під впливом факторів
зовнішнього середовища. Найбільш багате мінеральними елементами листя, у якого
зола може складати від 2 до 15 % від маси сухої речовини. Мінімальний вміст
золи (0,4 - 1 %) виявлено у стовбурах деревини.
Підвищення концентрації важких
металів може приводити до загальних, мало специфічних фізіологічних і
біохімічних змін. Токсична дія металів виявляється у гнобленні росту, зниженні
біологічної продуктивності, хлорозах і некрозах. При забрудненні ґрунтів
металами можуть спостерігатися морфологічні зміни у рослин. Дія комплексу
металів на рослини призводить до порушень функцій рослинного організму і
їхнього взаємозв’язку. Значне підвищення рівня важких металів у навколишньому
середовищі призводить до зниження інтенсивності клітинних поділів в коренях, а
також до збільшення відносної кількості профаз. Таким чином, дослідження
нагромадження важких металів у рослинах важливе як для оцінки стану гноблення
життєвих функцій, так і для характеру адаптації рослин до високих концентрацій
металів.
Дослідження рівня забруднення
кадмієм ґрунту та рослин, а також його подальшої долі в цих системах та дія
кадмію в біологічних об’єктах має великий науковий та практичний інтерес.
Передусім це зумовлено з особливостями кадмію, які відрізняють його з поміж
інших важких металів. Згідно з прийнятою класифікацією кадмій - елемент першого
класу небезпеки. Існують дані про гонадотропний, ембріотропний, мутагенний,
тератогенний та канцерогенний вплив елементу на живі організми. Іони кадмію
викликають дестабілізацію організму, що відбивається у порушенні фотосинтезу та
транспірації. Між тим, виявлено, що хлорид кадмію при низькій концентрації
(10-5 М) стимулює схожість, енергію кільчення насіння та початкові етапи росту.
Відзначена здатність кадмію до реутилізації зі старого листя до тих, що
ростуть. Кадмій дуже рухливий у ґрунті і рослинах, особливо при низьких pH.
Слід відзначити. Що накопичення кадмію тим менш, чим більш окультурена рослина.
Вважається, що кадмій не входить у
число необхідних для рослини елементів, однак він ефективно поглинається як
кореневою системою, так і листям.
Іони кадмію блокують поділ клітин
шляхом порушення цитокінезу. Відновлення росту здійснюється за рахунок клітин
меристеми, які знаходились в період обробки важкими металами. Окрім того,
реакція окремих зон апікальних меристем не однакова. Тут виділяють а) стелярну
зону - найбільш життєздатну, клітини якої вакуолізуються слабо і довше
зберігають здатність до поділів; б) кортикальну меристему, розміщену вище
клітин центру спокою, клітини якої вакуолізуються в першу чергу, а зовнішні
шари або відмирають та злущуються, або лігніфікуються; в) коркову - частина
групи клітин центру спокою, клітини яких здатні до активного ділення за дії
іонів цинку і кадмію. Для багатьох адаптованих видів рослин характерне значне
накопичення важких металів у коренях. При високих концентраціях базальна
частина кореня накопичує значно більші концентрації свинцю, цинку та кадмію,
аніж апікальна.
1. Шляхи надходження кадмію у
навколишнє середовище
Стаціонарні джерела надходження
кадмію в атмосферу:
відходи від металургійних
виробництв;
цементне, скляне виробництва;
зі стічними водами гальванічних
виробництв (після кадміювання);
від інших виробництв, в яких
застосовуються кадмійвмісні стабілізатори, пігменти, фарби і в результаті
використання фосфатних добрив;
внаслідок стирання шин, ерозії
деяких видів пластмасових виробів, фарб і клеючих матеріалів;
у вигляді побічного продукту
металургійного виробництва (наприклад, при виплавці і електролітичної очищенню
цинку);
при зберіганні і переробці побутових
та промислових відходів.
добрива
Нестаціонарні джерела:
Додатковим джерелом надходження
кадмію в організм є куріння. Одна сигарета містить 1-2 мкг кадмію, і близько
10% його надходить до органів дихання. У осіб викурюють до 30 сигарет на день,
за 40 років в організмі накопичується 13-52 мкг кадмію, що перевищує його
кількість, що надходить з їжею.
Рис. 1 - Кадмій Рис.
2 - Кристалічний кадмій
2. Вплив кадмію на рослини
кадмій атмосфера метал
людина
Рис. 3 - Озима пшениця Рис. 4
- Вражена озима пшениця
aestivum L. Розвинення Т. aestivum
під впливом кадмію досліджували в чотири етапи. Вегетаційні досліди проводили
на різних сортах озимої пшениці. В експерименті використовували нітрат кадмію
Cd(NO3)2-4H2O. Розчин солі вносили безпосередньо в ґрунт перед висівом насіння.
Простежимо вплив елементу в
інтервалі концентрацій від 1000 до 2000 мг/кг ґрунту. До вибору таких
надзвичайно високих концентрацій підштовхнув той факт, що увага згідно з
нечисленними літературними свідченнями приділялось низьким концентраціям, а
весь широкий діапазон високих і критичних значень залишався практично
невивченим. sativum L. Експеримент проводили як на водних розчинах, так і на
ґрунті. На першому етапі дослідів використовували окремо 9,0 - 10-5, 9,0-10-4
та 9,0-10-3 М розчину сульфату та нітрату кадмію, які готували на бідистиляті.
Насіння пророщували на зазначених рослинах, підтримуючи постійну вологість та
температурний режим. Аналіз дозволив розрізнити вплив аніонів NO3- та SO2-4 на
загальному фоні впливу іонів кадмію. Цей дослід на другому етапі експерименту
дублювався в системі ґрунт-рослина, при концентраціях 10, 50, 100, 1000, та
1500 мг кадмію на кг ґрунту.
Як довели результати експерименту,
кадмій не справляє значного впливу на схожість на енергію кільчення насіння
жодної з досліджених культур. Варто відзначити тенденцію до стимулювання
кільчення насіння Т. aestivum під впливом різних концентрацій кадмію.
Рис. 5 - Крес-салат Рис.
6 - Вражений крес-салат
При подальшому розвитку
спостерігається гальмування росту як надземної, так і кореневої частин рослин.
Затримка росту посилюється зі збільшенням концентрації кадмію в ґрунті , що
однаково вірогідно для різних частин тест-культури. Аналіз дозволив виявити
різке послаблення росту Т. aestivum при концентраціях 1300, 1500 та 1600 мг/кг
ґрунту. Встановлено поріг стійкості для Т. aestivum - 2000 мг кадмію на кг
ґрунту, коли ріст припиняється і спостерігаються масові некрози. У експерименті
простежується стійкість злаків до забруднення ґрунтів кадмієм, що відзначено у
багатьох працях. Дані свідчать і про те, що у межах одного виду рослин різні
сорти здатні накопичувати різну кількість кадмію.
Дослідження впливу кадмію у водних
розчинах на розвинення L. sativum показало, що 9,0-10-3 М розчини сульфату та
нітрату кадмію, починаючи з 4-го дня експерименту, і 9,0-10-4 розчини,
починаючи з 6-го дня експерименту, викликають повну затримку розвинення
тест-культури. У розчині з концентрацією 9,0-10-5 М виявили вплив аніонів.
Нітрат кадмію викликає появу розмитих бурих плям на коренях, стеблах та
листових пластинках. Спостерігається некроз кореневої системи дослідних рослин.
Сульфат кадмію викликає пожовтіння листових пластинок. Коренева система
уражується слабо.
3. Вплив кадмію на кукурудзу
Вивчення адаптивних реакцій рослин
кукурудзи до токсичного впливу іонів кадмію у різних концентраціях (10-8, 10-7,
10-6 М).
Рис. 6 - Качани кукурудзи Рис. 7 -
Качани враженої кукурудзи
1. Встановлено, що іони кадмію
індукують зміни пулу вільних амінокислот у органах рослин кукурудзи та сої. На
фоні зменшення загального вмісту вільних амінокислот, що спостерігається за дії
іонів важкого металу на рослини, підвищується вміст проліну, глутамату,
гліцину, тирозину і знижується - аспартату, треоніну, валіну та аланіну.
Зменшення вмісту вільних амінокислот у органах кукурудзи та сої корелює із
зростанням концентрації хлористого кадмію у поживному середовищі.
. На підставі дослідження впливу
іонів кадмію на елементний склад рослин кукурудзи, виявлено, що із зростанням
концентрації важкого металу в субстраті у органах рослин зменшується вміст
калію, цинку, марганцю, міді і зростає кількість кальцію, натрію, що спричинено
антагоністичною та синергічною взаємодіями кадмію і досліджуваних елементів.
. Констатовано, що переважна
кількість (близько 80%) поглинутих рослинами іонів кадмію акумулюється у
коренях кукурудзи, що зумовлює сильніший інгібуючий вплив важкого металу на
ріст коренів рослин, у порівнянні з пагонами.
. Встановлено, що за відсутності та
дефіциті заліза у поживному середовищі спостерігається підвищення рівня кадмію
у рослинах кукурудзи та посилення токсичного впливу важкого металу на ріст
органів. Підвищення концентрації іонів заліза у середовищі зменшує акумуляцію
кадмію у коренях та пагонах рослин.
. У результаті визначення
біологічної активності та вмісту цитокінінів, встановлено, що іони кадмію у
концентрації 10-8 М спричинюють значне підвищення рівня та активності
цитокінінів як у коренях, так і в пагонах рослин. Особливо суттєво зростає
вміст та активність зеатинрибозиду і зеатину. За дії важкого металу в
концентраціях 10-7 і 10-6 М спостерігається зниження вмісту активних форм
(зеатину та зеатинрибозиду) і значне підвищення вмісту зеатинглюкозиду.
. За дії іонів кадмію у всіх
досліджуваних концентраціях констатовано зростання рівня та активності АБК і
зниження біологічної активності ІОК, що пов’язано із активацією неспецифічних
адаптивних процесів.
. Встановлено, що зростання вмісту
кадмію в поживному розчині корелює із нагромадженням фенольних сполук у органах
рослин кукурудзи.
Кадмій - це отруйний важкий метал,
який нині вважають одним із найбільш розповсюджених полютантів антропогенного
походження. У зв’язку із забрудненням природного середовища зростає рівень
надходження Cd2+ до організму людей, зокрема, в індустріальних районах. Як
свідчать результати токсикологічних та епідеміологічних досліджень, цей елемент
здебільшого негативно впливає на функціональну активність органів і тканин, де
він нагромаджується, проявляючи кумулятивні ефекти. У зв’язку з цим особливості
впливу Кадмію на організм людини - це предмет детального вивчення, особливо
впродовж останнього десятиріччя. Нині відомо, що катіони Кадмію здатні
взаємодіяти з органічними біомолекулами, зумовлюючи порушення їхньої структури,
впливати на експресію генів, процеси проліферації клітин.
Нефротоксичні ефекти Кадмію:
За умов тривалого впливу на організм
людини і тварин Кадмій вражає, перш за все, видільну систему з порушенням
функцій нирок. Специфічна нефротоксичність виявляється незалежно від способу
надходження катіонів металу (пероральний, інгаляційний, введення ін’єкцією). У
працівників, які на робочому місці впродовж тривалого часу вдихають забруднене
Кадмієм повітря, порушення діяльності нирок виявляють раніше, ніж пошкодження
легень. З’ясовано, що в основі зумовленої Кадмієм нефропатії лежить порушення
діяльності проксимальних звивистих канальців, яке спершу проявляється
виділенням зі сечею низькомолекулярних білків (Р2-мікрогло- булін,
а1-мікроглобулін), ферментів (И-ацетил-р-Р-глюкозамінідаза та ін.). Зі
збільшенням тривалості впливу металу пошкодження канальців зростає,
супроводжуючись ураженням інших відділів нефрона. У важких випадках виявляють
некроз канальців нирок, порушення реабсорбції білків, амінокислот, глюкози,
бікарбонату, фосфату Кальцію. Як відомо, зміни метаболізму і функцій органа
відбуваються за умов, коли рівень синтезу МТ у клітинах недостатній для
інактивації Cd2+.
Вплив кадмію на дихальну систему:
Органи дихальної системи належать до
таких, що зазнають найбільшого ризику ураження під впливом Cd2+ в організмі
людини, оскільки акумулюють значну частку Кадмію, що надходить із забрудненим
атмосферним повітрям і тютюновим димом. Відомо, що тривале інгаляційне
надходження Cd2+ в організм супроводжується розвитком задишки, хронічного
запалення легень і бронхів, фіброзу, емфіземи, канцерогенних процесів.
Ймовірність захворювань органів дихальної системи висока за умов тривалого
вдихання Кадмію в концентрації 0,1 мг/м3 повітря і більше.
Вплив Кадмію на структуру кісткової
тканини:
Унаслідок тривалого впливу Кадмію на
організм людини і тварин відбувається порушення структури кісткової тканини.
Вперше такий ефект установлений у мешканців району Тояма в Японії, у яких
багаторічне вживання забруднених Кадмієм води і рису призводило до акумуляції
Cd2+ в кістках і розвитку хвороби „ітай-ітай”. Для цього захворювання
характерні остеомаляція, остеопороз, часті переломи кісток. Зміни структури
кісткової тканини відбуваються на тлі порушень функції нирок. За аналітичною
оцінкою, у 1960-х роках рівень добового надходження Cd2+ в організм жителів
району, ендемічного за хворобою „ітай-ітай”, становив майже 600 мкг.
Вплив Кадмію на репродуктивну й
ендокринну системи:
Кадмій належить до деструкторів
ендокринної системи і здатний проявляти естрогенну й андрогенну активність. У
зв’язку з цим надходження катіонів металу спричиняє порушення діяльності
репродуктивних органів людини і тварин, впливає на процеси запліднення, імплантації
й розвитку ембріона. Чоловічі статеві залози особливо чутливі до Кадмію,
катіони якого здатні порушувати гематотестикулярний бар’єр. Некроз сім’яників
виявляється за одноразового введення Кадмію в дозі 2,0 мг/кг маси (за якої не
відбувається некротичне ураження інших органів).
Вплив Кадмію на нервову систему:
Як відомо, катіони Кадмію не
перетинають гематоенцефалічний бар’єр і майже не акумулюються в центральній
нервовій системі дорослих людей і тварин, однак можуть відкладатися в тих
частинах мозку, в яких бар’єр легкопроникний (гіпофіз, епіфіз). Крім того,
Кадмій впливає на клітини головного мозку під час ембріонального і раннього
постнатального періодів, коли гематоенцефалічний бар’єр недостатньо розвинутий.
Після експериментального введення в організм тварин цей елемент нагромаджується
і в нервових гангліях, спричиняючи некротичні зміни в їхній структурі.
Гепатотоксичність Кадмію:
За умов тривалого впливу на організм
токсичність Кадмію щодо печінки менша, ніж щодо інших органів, оскільки інтенсивність
синтезу МТ в гепатоцитах у відповідь на надходження Cd+ більша, ніж в інших
клітинах [9, 50]. Кадмій не спричиняє гепатотоксичності і при одноразовому
парентеральному введенні гризунам у дозах 2,0 мг/кг і менше. Однак за ін’єкцій
Кадмію в дозах 3,5-3,9 мг/кг виявляють запалення, некроз і фіброз у печінці
тварин, незважаючи на значне (у 32 рази) збільшення вмісту МТ в гепатоцитах. За
умов перорального надходження токсичність щодо гепатоцитів з розвитком некрозу
виявляється лише за дуже високих доз металу (30-138 мг/кг на добу).
Висновок
Кадмій - один з найтоксичніших
важких металів віднесений до 1-го класу небезпеки - "високонебезпечні
речовини". Як і багато інших важких металів, кадмій має виразну тенденцію
до накопичення в організмі - період його напіввиведення складає 10-35 років.
У ґрунтах вміст кадмію внаслідок
людської діяльності значно зростає.
Якщо рослини вбирають цього металу
більше, ніж потрібно для їхнього росту і розвитку, здебільшого, це призводить
до токсичності для них.
Список використаної літератури
1.
Основы биогеохимии: Учебник для студ. высш. учеб, заведений / Всеволод
Всеволодович Добровольский. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 400 с.
.
Ильин В.Б., Степанова М.Д., Гармаш Г.А. Некоторые аспекты загрязнения среды: тяжелые
металлы в системе почва-растение // Изв. СО АН СССр. Сер. Биол.-1980.-Вып. 3.-
254 с.
.
Інтернет - джерела.