«Влияние солей тяжелых металлов на системы жизнедеятельности человека»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 1 г. ЗВЕНИГОРОДА

141180, Московская область, г. Звенигород, кв. Маяковского, д. 4

 (факс/тел ((495)992-41-62)

Исследовательская работа по теме:

«Влияние солей тяжелых металлов на системы жизнедеятельности человека»

Автор: Калинченко Анна,

ученица 9б класса

МОУ СОШ №1 г.о. Звенигород

Руководитель: Кузнецова Наталья Георгиевна,

 учитель химии.

Звенигород 2015

Содержание.

     Введение.

Глава 1. Обзор  литературы  по  теме  исследования.

1. Тяжелые металлы 

     1.1.1 Тяжелые металлы

1.1.2. Влияние тяжелых металлов на развитие растений

     1.1.3. Медь и окружающая среда

     1.1.4. Свинец и окружающая среда

     1.2  Методы определения ионов меди и свинца.

        1.2.1   Спектроскопические методы

        1.2.2.  Электрохимические методы

        1.2.3.  Химические методы

        1.2.4.  Каталитические методы

        1.2.5.  Тест - методы анализа

        1.2.6.   Рефрактометрический метод

Глава 2. Экспериментальная  часть.

2.1 Цель,  гипотеза  и  задачи  исследования.

2.2 Методика  исследования.

2.3 Результаты  исследования.

2.4 Обсуждение  результатов.

Заключение.

Библиография.

Введение

        Проблемы,   связанные  с   наблюдаемыми   нарушениями  эволюционно сложившихся  химических  равновесий,  носят   крупнорегиональный или глобальный характер. Как было показано, такие изменения,  особенно отчетливо проявившиеся в  последние 50 лет, обусловлены деятельностью человека.

        Однако для большинства людей химико-экологические проблемы предстают не как изменение климата, уровня солнечной радиации у земной поверхности или увеличение окислительного потенциала атмосферы, а в более доступных наблюдению формах. К их числу относятся усыхание окружающих крупные промышленные города лесов, "цветение" озер и водохранилищ, воды которых приобретают специфический запах и часто становятся совершенно непригодными для питья, ухудшение качества речных вод, утративших былую прозрачность и ставших более похожими на сточные канавы, наконец, уменьшение числа птиц, оглашавших ранее леса и луга.

        Еще одной зримой приметой негативных перемен стало резкое возрастание аллергических заболеваний у детей. Многие заболевания сейчас носят «эндемический характер», что в большинстве случаев связано с наличием местных источников химического загрязнения.

        За  всем этим кроются изменения химических процессов в окружающей  человека  природной среде. Большинство из них связано с неизбежным в условиях непрерывного роста численности населения, все увеличивающимся вмешательством  человека в естественные  биосферные процессы, путем загрязнения воздуха, воды  и  почвы  различного  рода  химикатами – отходами  производства  или  целевыми  продуктами  синтеза.  Не  меньшую  роль  играют и другие способы вмешательства, такие как изменение ландшафтов при распашке земель, строительстве крупных водохранилищ, автострад и других технических сооружений, извлечение на поверхность из земных недр огромных количеств пресной воды, а также горных пород с высоким содержанием многих токсичных элементов, которые становятся, таким образом, доступными химическому или микробиологическому выщелачиванию.

        Кроме озона и сильных кислот к числу наиболее опасных загрязняющих природную среду компонентов относятся тяжелые металлы. Эти компоненты оказывают сильное влияние на биотическую составляющую биосферы: их интенсивное поступление чревато исчезновением отдельных видов, что обычно является первым этапом глубокой перестройки или даже полной деградации экосистем. Таким образом, нарушается естественная функция биоты - регулирование характеристик (в том числе глобальных) природной среды, обеспечивающих благоприятные для современных форм жизни условия существования.

        Актуальность.

        По данным медиков у людей, проживающих в городах, наблюдается появление новых, специфических заболеваний, патологическое протекание традиционных болезней, высокий процент рождения неполноценных детей, повышенная аллергичность, уменьшение продолжительности жизни. Эти явления могут быть связаны с повышенным содержанием тяжелых металлов в почвах, а следовательно и в продуктах питания.

        Поэтому представляло интерес наглядно представить механизм действия ионов тяжелых металлов на работу пищеварительных ферментов.                

Цель.

 Целью  работы  является:

• Доказательство негативного влияния ионов свинца Рb2+ на дезактивацию фермента пепсин при расщеплении веществ белковой природы.

• Расширение  и  углубление  знаний  учащихся  по  влиянию  тяжелых  металлов  на  организм  человека.

Проблема.

Проблема,  рассматриваемая  в  нашем  исследовании,  заключается  в  недостаточном объеме наглядных исследований по данной теме.

Объект  исследования.

                Объектом  исследования выбран белок куриного яйца, сваренного вкрутую, подвергшийся действию фермента пепсина в присутствии солей свинца Рb2+

Предмет  исследования.

                 Как предмет исследования рассматривались изменения, происходящие в данном процессе, по сравнению с контрольным образцом.

Гипотеза.

                При работе над проблемой была выдвинута гипотеза - ионы свинца препятствуют перевариванию белка в желудке и нарушают процесс пищеварения.

Задачи  исследования.

• Выяснить, поставив эксперимент, как влияет добавление ионов свинца Рb2+к ферменту пепсину на реакцию расщепления белка куриного яйца.

• Проанализировать  полученные  данные;
• Определить  причины  выявленных  результатов.

Методика  исследования.  Метод исследования- экспериментальный.

Он включает  следующие  этапы:

1 этап.

-Подготовительный, где была  составлена  программа  исследования,

     - изучить литературные источники по теме.

     - определить условия проведения эксперимента.

     - провести эксперимент.

2 этап.  Проведение эксперимента.

3 этап.  Группировка  и  сводка данных.

4  этап. Анализ  полученных  данных.

5 этап. Формулирование  выводов.

Глава 1. Обзор  литературы  по  теме  исследования.

1. Тяжелые металлы.

1. Тяжелые металлы.

        Словосочетание "тяжелые металлы" большинством людей сейчас воспринимается как синоним понятия "токсичные металлы". Однако надо иметь в виду, что многие из причисляемых к этой группе элементов жизненно необходимы (эссенциальны) для различных живых организмов.

        Совершенствование техники химического анализа в сочетании с детальным изучением биохимических процессов позволило установить важную биологическую роль многих элементов, еще совсем недавно причислявшихся к числу ксенобиотиков. Всего в живых организмах к настоящему времени обнаружено 80 элементов. Их биологическая роль определяется положением в Периодической системе, т. е. строением атомов и физико-химическими свойствами. Как известно, в растениях и животных в наибольших количествах содержатся s - и р - элементы первого, второго и третьего периодов. В их числе мы находим почти все элементы - органогены, в сумме составляющие при мерно 9 7%  массы организмов: водород, углерод, азот, фосфор и серу, а также жизненно необходимые натрий, магний и хлор. К  эсеенциальным  относятся  также   некоторые s - элементы   четвертого  периода (калий и кальций) и р-элемент  иод. К ним же по праву причисляют такие тяжелые металлы, как Мn, Ni, Сu, Сг, Со, V и Zn. Все они наряду с железом, кобальтом и молибденом входят в состав биокатализаторов (ферментов) или их активаторов.

Обширен перечень энзимов (около 200), в которые входит цинк. Среди них один из наиболее распространенных в органическом мире - карбоангидраза, катализирующая обратимую гидратацию СО2   и участвующая в тканевом обмене всех органов. К числу цинксодержащих ферментов относятся карбоксипептидаза, а также типичные катализаторы гликолиза (алкоголь-, лактат- и глицеральфосфатдегидрогеназы) и др.

Медь в живых организмах входит в состав белков: у млекопитающих это в основном белок сыворотки крови церулоплазмин, синтезируемый в печени. В числе тканевых ферментов можно назвать также цитохромкиназу.

Индивидуальная потребность в эссенциальных тяжелых металлах очень невелика (например, в организме взрослого человека общее содержание марганца составляет всего лишь около 8 мг). Между тем многие живые организмы склонны к их бионакоплению и экологической магнификации, а превышение естественных уровней содержания этих элементов часто приводит к тяжелым нарушениям метаболизма, высшей нервной деятельности, развития плода и т. д.

В число экологически значимых тяжелых металлов, кроме перечисленных выше, по решению Европейской экономической комиссии ООН включены свинец, кадмий, ртуть и сурьма (а также металлоиды селен и мышьяк). Как видно, большинство из них, за исключением непереходных цинка, кадмия, ртути и  свинца, относятся к d - элементам. Благодаря наличию вакансий в электронных оболочках d -элементы легче образуют комплексные соединения, в том числе и с биолигандами. В этом свойстве проявляется как их положительная, так и отрицательная физиологическая роль.

Ионы непереходных металлов РЬ2+ Нg2+, СНзНg+ и Са2+ образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомолекулами, содержащими концевые тиогруппы (НS- ). Например, весьма прочный комплекс с тиогруппой, характеризуемый величиной рК = 15,7, образует катион метилртути СНзНg+. Сейчас установлено, что ионы ртути именно по этому механизму ингибируют более 100 различных ферментов. Из-за такого действия ионы свинца, ртути и кадмия относят, наряду с алкилирующими НS-группу органическими токсикантами, к категории тиоловых ядов.

Другой важный механизм токсического действия ртути и свинца заключается в вытеснении эссенциальных металлов из металлсодержащих комплексов, приводящем к потере последними биологической активности. Так происходит дезактивация участвующих в синтезе гема ферментов карбоангидразы и аминолевулинатдегидрогеназы в результате замены содержащегося в них иона Zn2+ на Нg2+ или на РЬ2+

Некоторые комплексы металлов с органическими лигандами  близки по своим характеристикам (геометрический размер, распределение зарядов в молекуле и др.) к "обычным" субстратам и поэтому могут проявлять так называемый "эффект мимикрии", подменяя аминокислоты, гормоны и нейромедиаторы. Так, образуемый метилртутью и аминокислотой цистеином комплекс имитирует незаменимую аминокислоту метионин, участвующую в синтезе адреналина и холина. Такая подмена нарушает ход естественных процессов в организме.

Особенно опасны с точки зрения ингибирования синтеза гема ионы РЬ2+. Помимо уже упомянутых ферментов - карбоангидразы и аминолевулинатдегидрогеназы - мишенью этих ионов служит феррохелатаза. Кроме того, ионы свинца активируют фермент гемокиназу, разлагающий гем. Таким же действием обладают ионы кобальта и кадмия. Потеря организмом животного гема приводит к дефициту гемоглобина и развитию анемии.

Токсический эффект тяжелых металлов связан также с нарушением синтеза различных форм цитохрома Р-450 монооксигеназ гладкого эндоплазматического ретикулума, содержащих в качестве простетической группы гем. Поскольку цитохром Р-450 отвечает за окисление ксенобиотиков, делающее возможным их последующую конъюгацию и выведение из организма, нарушение этой системы приводит к накоплению органических токсикантов в тканях и органах. Тяжелые металлы ингибируют также и некоторые звенья второй фазы детоксикации, в ходе которой, собственно, и осуществляется конъюгация подвергшегося окислению ксенобиотика с остатком глюкуроновой или серной кислоты.

Цитохромы Р-450 участвуют в метаболизме не только ксенобиотиков, но и эндогенных биологически активных веществ - кортикоидных и тиреоидных гормонов, андрогенов, катехоламинов, витаминов группы D, холестерина и т. д. Поэтому нарушение их синтеза или снижение активности может вызвать глубокие нарушения самых различных процессов в организмах животных.

Активация пероксидного и свободнорадикального окисления отмечена в случае ионов свинца, ртути, хрома, кадмия и других тяжелых металлов. В результате такой активации повреждаются некоторые белки, нуклеиновые кислоты, липиды, а также биомембраны. Частично повреждающий эффект объясняется ингибированием металлами ферментов, защищающих организм от накопления в нем Н2О2. Пероксид водорода является предшественником высокоактивного в реакциях окисления свободного радикала гидроксила.

Таким образом, основными молекулярными и клеточными мишенями для ионов тяжелых металлов служат:

• гемсодержащие белки и ферменты;
• ферменты, участвующие в процессах конъюгации;
• системы пероксидного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а     также системы антиоксидантной и антипероксидной защиты;
• ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ.

На большом числе примеров было продемонстрировано взаимное усиление токсичности тяжелых металлов. Однако при парном сочетании обнаруживается не только синергизм, но и антагонизм. Так, в опытах с некоторыми видами фитопланктона был установлен антагонизм ртути и кадмия при их концентрациях на уровне 25 и 25-100 мкг/л соответственно. В целом же, между физико-химическими свойствами тяжелых металлов и их биологической активностью какие-то общие зависимости не выявлены. Вместе с тем к настоящему времени удалось обнаружить ряд полезных частных соотношений между этими характеристиками.

Для сопоставления токсичности тех или иных химикатов часто прибегают к использованию некоторых биологических видов в качестве тест - объектов (метод биотестирования). В опытах с дафниями (Daphnia magma) тяжелые металлы располагались в порядке уменьшения токсичности в следующий ряд:

Не > Аg > Сu > Zn > Сd » Со > Cr > РЬ > Ni > Sn.

Весьма интересно, что наблюдается очень высокая корреляция между растворимостью сульфидов тяжелых металлов и их токсичностью. Например, в опытах на аквариумных рыбках гуппи и на колюшках коэффициент корреляции составил - 0,92. Растворимость сульфидов изменяется в ряду: Нg < Аg < Сu < < РЬ < Сd < Ni < Zn < Мn. Между тем в случае многих тяжелых металлов сульфиды образуют основные природные минералы. Из этих фактов вытекает, во-первых, что металлы проявляют токсический эффект в растворенном состоянии (в ионных формах). Во-вторых, малая растворимость основных минералов таких элементов, как ртуть, свиней и кадмий, явилась "виновником" того, что живые организмы не выработали в ходе эволюции механизмов их детоксикации, достаточно эффективных для противодействия современному уровню антропогенного загрязнения ими окружающей среды.

2. Влияние тяжелых металлов на развитие растений

Тяжелые металлы антропогенного происхождения попадают из воздуха в почву в виде твердых или жидких осадков. Лесные  массивы с их развитой контактирующей поверхностью особенно интенсивно задерживают тяжелые металлы, при этом в первую  очередь деревья удерживают самые мелкие частицы.

В общем, опасность загрязнения тяжелыми металлами из воздуха существует в равной степени для любых почв. В отдельных случаях удалось получить данные о накоплении того или иного металла, особенно при наличии предварительных сведений о поступлении тяжелых металлов в почву и выводе их из нее.

У свинца четко выражена тенденция к накоплению в почве, так как его ионы малоподвижны даже при низких значениях рН. Для различных видов почв скорость вымывания свинца колебалась от 4 до 30 г на гектар в год. В то же время за несколько лет измерений количество внесенного свинца составляло 40 - 532 г/га в год. При сравнении отложений свинца в лесном гумусе с расположенным ниже слоем минеральной почвы (измерения в Золлинге) соотношение оказалось равным 5 : 1. В почвах, богатых фосфатами, свинец может отлагаться в виде малорастворимых фосфатов свинца [Рb3(Р04)2, Рb40(Р04)2, Рb5(Р04)3ОН], в известняковых почвах - в виде карбоната (РbСО3), при условиях, благоприятствующих восстановлению, — в виде РbS из РbSO4.

После постепенно проводимой с 1985 года замены моторного топлива, содержащего тетраэтилсвинец (ТЭС), топливом без свинца поступление последнего в почву резко снизилось, таким образом, в будущем этот источник загрязнений в значительной степени будет ликвидирован. Большие загрязнения почвы свинцом можно обнаружить вблизи предприятий, где возможны выбросы этого элемента в атмосферу, а также вблизи установок по сжиганию отходов, где отсутствует достаточная очистка отходящих газов. Растения более устойчивы по отношению к свинцу, чем люди и животные, поэтому необходимо тщательно следить за содержанием свинца в продуктах питания растительного происхождения и в фураже. Так, например, в одной из областей, сильно загрязненных свинцом, содержание его в сене составляло 6700 мг на кг сухого вещества. У животных на пастбищах первые признаки отравления наблюдаются при суточной дозе около 50 мг Рb на кг сухого сена. Для людей предельно допустимая концентрация (ПДК), например, при употреблении салата составляет 7,5 мг Рb на кг листьев.

К сравнительно подвижным элементам в почве также относят цинк. Цинк принадлежит к числу распространенных в технике и быту металлов, поэтому ежегодное внесение его в почву очень велико.  Особенно загрязнена почва вблизи цинкоперерабатывающих предприятий.

Растворимость цинка в почве начинает увеличиваться при значениях рН менее 6. При более высоких значениях рН и в присутствии фосфатов усвояемость цинка растениями значительно понижается. Для сохранения цинка в почве важнейшую роль играют процессы адсорбции и десорбции, определяемые значением рН, в глинах и различных оксидах. В лесных гумусовых почвах цинк не накапливается; напротив, он быстро вымывается благодаря постоянному естественному поддержанию кислой среды.

Для растений токсический эффект создается при содержании около 200 мг цинка на 1 кг сухого материала. Организм человека достаточно устойчив по отношению к цинку и опасность отравления при использовании сельскохозяйственных продуктов, содержащих цинк, невелика. Тем не менее загрязнение почвы цинком представляет серьезную экологическую проблему, так как при этом страдают многие виды растений. При значениях рН болот 6 происходит накопление цинка в почве в больших количества  благодаря взаимодействию с глинами.

Приведенные примеры дают представление о поведении тяжелых металлов в почве, об их особенностях, а также о решающей роли состава почвы и ее рН при удержании и передвижении элементов в почве.

3. Медь и окружающая среда

        В организме животных медь проходит следующие этапы метаболизма: взаимодействие с эндогенными лигандами желудочно-кишечного тракта; всасывание через стенки желудочно-кишечного тракта; транспорт в кровеносном русле; включение в состав специфических биологических структур; выведение из организма.

      В обычных условиях человек получает с пищей в сутки 2-5 мг меди. Поступление через легкие незначительно - 0,02 мг/сут. Суточная потребность в меди составляет для взрослых 1,5-3 мг. При напряженной мышечной деятельности необходимость в меди возрастает до 7 мг/сут. Из суточной дозы усваивается 30 - 40% меди, остальное превращается в недоступную для организма форму — СuS и выводится наружу. Поглощенная медь всасывается в кровь в желудке и в верхних отделах тонкого кишечника. Затем она транспортируется сывороточным альбумином. Большая часть меди поступает в печень, где связывается церулоплазмином (90-96 %), остальная часть идет на синтез  ферментов. Около 80% меди выводится через  печень с желчью, 16% — через кишечник, 4% — через почки. Период биологической полужизни меди в организме человека и животных составляет около четырех недель. В таблице приведено распределение меди в организме.

Если поступление меди в организм превышает его суточную потребность, то это может привести к отравлению. Механизм токсического действия заключается в способности ионов Си2+ блокировать S—Н группы белков, в особенности ферментов. Кроме того, соединения меди повышают проницаемость мембран митохондрий. Острая интоксикация сопровождается гемолизом эритроцитов, могут возникать нарушения метаболизма моноаминов.

Опасность отравления для человека возникает в процессе производственной деятельности, связанной с использованием меди и ее соединений. Так, при обработке изделий из меди, плавке медного лома в воздух в виде пыли попадают медь и оксид меди (II) в концентрации 0,22-14,0 мг/м3. Через 1-2 ч работы у людей наблюдаются раздражение слизистых, сладкий привкус во рту, а через несколько часов — головная боль, слабость, тошнота, боль в мышцах, высокая температура.

При использовании фунгицидов (карбонат и сульфат меди) или пестицидов (представляющих собой различные смеси основных солей меди) в процессе работы у людей наблюдается так называемая меднопротравная лихорадка, симптомами которой являются приступы кашля, рвота, боли в животе, носовое кровотечение.  Патогенез этой  болезни заключается в некрозе эндотелия легочных альвеол и последующем всасывании  продуктов денатурации белка.

Описаны случаи отравления питьевой водой, содержащей 44 мг/л ионов Cu2+, что могло быть связано с использованием медных водопроводных труб.  При  хроническом  отравлении у человека возможны функциональные расстройства ЦНС. Хроническая интоксикация наблюдается при добавлении солей меди в корм животным для увеличения привеса, что выражается в гемолитической анемии, дисфункции почек, дистрофии печени и селезенки, нарушении белкового обмена, повышении эмбриональной смертности.

В настоящее время установлено, что медь обладает канцерогенными свойствами. Ионы Cu2+ образуют комплексы с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, это влечет за собой изменения в структуре и свойствах ДНК  и  РНК, приводящие к бесконтрольному делению клеток (образованию опухоли).

Среднее содержание меди в растениях около 0,2 мг/кг, но 2/3 ее находится в нерастворимом состоянии: 70% всей меди удерживается в листьях, при этом половина в комплексе с ацетилглюкозамином, а другая часть входит в состав ферментов (пластоцианин, аскорбатоксидаза, полифенолоксидаза, тирозиназа). В растительном организме соединения меди участвуют в азотном обмене; влияют на синтез гемоглобина и активность ряда ферментов, участвующих в фиксации молекулярного азота атмосферы; инактивируют ауксины и другие соединения фенольной природы, снижая их ингибирующее действие на рост; повышают устойчивость к полеганию и экстремальным температурным условиям.

Избыточное содержание меди токсично и для растений. При медной интоксикации изменяется окраска листьев до красной и буро-коричневой, что свидетельствует о разрушении хлорофилла. Кроме того, происходит угнетение роста, задержка развития.

Медь, как и любой другой биогенный элемент, входящий в состав живых организмов,

образует биогенный цикл. Биогенная миграция меди в  окружающей  среде формируется под влиянием геохимических факторов и идет в основном по биогеохимическим пищевым цепям. Источником меди служат почвообразующие породы, почва, природные воды, атмосферный воздух. Под биогеохимической цепью понимают стабильную систему, показывающую пути приспособительных изменений живых организмов при изменении состава почвообразующих пород, почв, экологических сообществ почвенной микрофлоры, растительных и животных организмов.

Если источником загрязнения являются различные области промышленной деятельности человека, то данную зону называют аномалией. Эти аномалии характеризуются как техногенные или антропогенные. Основными антропогенными источниками меди и других тяжелых металлов считают добывающую промышленность (с 1965 по 1975 г. в мире только за счет потерь цветных металлов было рассеянно 600 000 т меди), металлургию (из тонны пыли, выбрасываемой в атмосферу при  плавке медных руд, можно извлечь до 100 кг меди), сжигание топлива (ежегодно в мире сжигается более 3 млрд. т угля, содержащего в качестве примесей большое количество тяжелых металлов, включая медь), автотранспорт.

Аномальные зоны загрязнения тяжелыми металлами образуются вокруг различных промышленных источников. Их концентрация в почвах сильно возрастает, а соответственно, она увеличивается и в растениях, и в водной среде. Так, в пятисотметровой зоне от завода концентрация меди и цинка может составлять 2 000 % от нормы, в трехкилометровой — 50 %.  В компостах бытового мусора крупных промышленных городов суммарно содержится от 250 до 1 000 мг/кг тяжелых металлов, что во много раз превышает фоновые значения. Причем на долю меди приходится от 100 до 535 мг/кг сухой массы. В осадках городских сточных вод содержание меди составляет 503,5-518,3 мг/кг сухой массы.

Системы организма, регулирующие гомеостаз, не могут одинаково эффективно работать при любых концентрациях меди, поступающей в организм. Существует диапазон концентраций меди в окружающей среде, в пределах которых организм может нормально функционировать (верхняя и нижняя пороговые концентрации). Пороговые концентрации микроэлементов для каждого организма — характеристики индивидуальные. В пределах одной популяции они близки, но для различных популяций, а тем более для популяций различных видов, образующих один биоценоз, разница в пороговых концентрациях существенна. В связи с этим важное значение имеет установление предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК меди в водоемах, используемых для рыбохозяйственных целей,— 0,001 мг/л, для хозяйственно - питьевых  и культурно - бытовых целей -  1,0 мг/л. Установлено, что при концентрации ионов Сu2+ равной 0,018 мг/л, задерживаются процессы самоочищения воды.

В настоящее время через разветвленную сеть, лабораторий  осуществляется  контроль  за  качеством  воды  и  выбросов  в  атмосферу,  за  состояние  почв.  Но,  несмотря на это, постоянно ухудшается экологическая обстановка. Принятый в России закон "Об охране окружающей среды" и указ президента, подписанный в 1994 г., "О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития" не выполняются многими предприятиями.

4. Свинец и окружающая среда

Человек  издавна добывает свинец и использует его в различных сферах хозяйственной деятельности. Давно известно и негативное воздействие свинца на организм человека: уже во II в. до н.э. были описаны признаки сатурнизма - отравления свинцом.

Свинцовое загрязнение не признает никаких границ. Свинец перемещается от промышленных предприятий на территории целых городов. Трансграничному загрязнению свинцом подвержены практически все государства. Риск негативного его воздействия на людей простирается от рабочего, непосредственно соприкасающегося со свинцом в производственном процессе,  до всего населения страны как через загрязнение окружающей среды, так и через потребительские товары, содержащие в своем составе свинец (краски, керамика, хрусталь и др.).

На протяжении всего индустриального периода наблюдается неуклонный рост производства и потребления свинца. В 1957 г.  мировое его производство составило 5,92 млн. тонн (4-е место по группе цветных металлов после алюминия, меди и цинка), а потребление - 5,86  млн.  тонн.

Свинец поступает в окружающую среду из антропогенных источников (выбросы промышленных предприятий и автомобильного транспорта), а также из природных источников (ветровая эрозия почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары).

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, как правило, связывают с автомобильным транспортом и деятельностью предприятий цветной металлургии.

Среди стационарных источников свинца предприятия цветной металлургии действительно занимают первое место. По данным  Госкомстата России, вклад этой отрасли в свинцовое загрязнение атмосферного воздуха составляет 86,7 % (660 т в год).

Основной мобильный источник свинцового загрязнения окружающей среды -  автомобильный транспорт, использующий этилированный бензин. В настоящее время в России насчитывается около 20 млн. автомобилей, а прирост парка автомобилей в среднем составляет около 12 % в год. Суммарное поступление свинца в атмосферу от автотранспорта на территории России оценивается в 4 тыс. тонн в год.

Помимо автотранспорта к существенным нестационарным источникам загрязнения окружающей среды свинцом относятся авиация, использующая свинецсодержащий бензин, и ракетно-космическая техника, выбрасывающие в атмосферу примерно 400 т свинца в год, а также охота, в результате которой в водно-болотные угодья страны ежегодно попадает до 1400 т свинцовой дроби.

Свинцовое отравление занимает первое место среди профессиональных интоксикаций.

Свинец представляет опасность для человека в связи с его значительной токсичностью и способностью накапливаться в организме. Токсичность соединений свинца различна: малотоксичен стеарат свинца; токсичны соли неорганических кислот (хлорид свинца, сульфат свинца и др.); высокотоксичны его алкилированные соединения, в частности тетраэтилсвинец, использующийся в качестве антидетонационной присадки к бензинам.

Для взрослого некурящего населения основные источники поступления свинца в организм — продукты питания (до 80 %) и вода. Значительно поступление свинца также при курении и с воздухом. Для маленьких детей источником поступления свинца могут быть также пыль, загрязненная почва и игрушки.

Наиболее высокое содержание свинца обнаружено в консервах в жестяной таре, рыбе, пшеничных отрубях, желатине, моллюсках и ракообразных, а также в корнеплодах, выращенных на землях вблизи промышленных районов и вдоль автомобильных дорог. Загрязнение продуктов в сборных жестяных банках объясняется тем, что припой, применяемый при сварке швов, содержит свинец, а используемые защитные покрытия не выдерживают агрессивной среды продуктов.

Свинец отрицательно действует на нервную систему человека, снижает его физическую активность, координацию, слух. Он воздействует на сердечно-сосудистую систему, что приводит к заболеваниям сердца, часто сопровождающимся необратимыми изменениями. Воздействие свинца нарушает репродуктивную функцию организма, в связи с чем растет число выкидышей и врожденных заболеваний у детей.

Самое опасное воздействие свинца - на детей. При современном уровне загрязнения окружающей среды и продуктов питания у 44% детей в городах России могут возникнуть проблемы в поведении и обучении, обусловленные накоплением в организме свинца. Около 9% из них нуждаются в лечении и примерно 0,01 % детей нуждаются в неотложной медицинской помощи. Особенно тревожная ситуация складывается в городах с крупными стационарными источниками выбросов свинца.

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, вызывающее деградацию среды обитания и наносящее ущерб здоровью населения, признано международным сообществом одной из основных природоохранных проблем.

О реальности угрозы свинцового загрязнения для России свидетельствуют материалы «Доклада о свинцовом загрязнении окружающей среды Российской Федерации и его влиянии на здоровье населения», подготовленного в 1996 г. Госкомэкологией России при участии заинтересованных федеральных органов исполнительной власти и представленного в правительство Российской Федерации.

В докладе подробно проанализированы причины возникновения проблемы, источники поступления свинца и его соединений в окружающую среду (в отраслевом и региональном аспектах), уровень загрязнения свинцом окружающей среды (по компонентам окружающей среды и видам природных ресурсов), влияние свинца на здоровье населения (пути поступления, содержание в биосредах, группы повышенного риска, воздействие на здоровье детей), законодательные, нормативные, экономические и институциональные основы решения проблемы.

Правительство Российской Федерации приняло предложение Госкомэкологии России о разработке целевой программы «Охрана окружающей природной среды от свинцового загрязнения и снижение его влияния на здоровье населения».

По своей функциональной ориентации разрабатываемая программа может быть отнесена к экологическим, однако в ней предусматриваются, как в структуре, так и в системе мероприятий, значительные подпрограммы (блоки, разделы, элементы) социальной, экономической, инновационной и научно-технической направленности.

К числу задач, подлежащих решению в ходе реализации программы, относятся:

• разработка на федеральном, региональном и отраслевом уровнях взаимоувязанных и объединенных в целостную систему организационных, управленческих, законодательных, нормативных, методических, экономических, контрольных и других регуляторов по решению проблемы свинцового загрязнения окружающей;
• полное  прекращение  производства  и  использование  свинецсодержащих  бензинов;
• эффективная  реализация  мероприятий  по  снижению  выбросов  (сбросов,  отходов)

свинца  в  различных отраслях  промышленности на  основе  внедрения  современных   ресурсосберегающих  и  малоотходных  технологий  и  утилизации  производственных  и  бытовых  свинецсодержащих  отходов;

• проведение  комплекса  лечебно – профилактических  и  медико – биологических  работ  для  снижения  уровня  заболеваемости  населения,  особенно  детского,  обусловленного  свинцовым  загрязнением  окружающей  среды;
•   осуществление мер по исключению или снижению до безопасного уровня содержания свинца в продуктах питания, питьевой воде, товарах широкого потребления, таре и упаковке;
• восстановление загрязненных свинцом территорий;
• создание систем информационного обеспечения и мониторинга выбросов (сбросов,  отходов)  свинца  и  его  соединений  в  окружающую  среду.

Реализация программы рассчитана на 1999-2019 гг.

К основным результатам, которые должны быть достигнуты при реализации программы, относятся:

• осуществление эффективного контроля и мониторинга выбросов (сбросов, отходов) свинца в окружающую среду;
• снижение негативного воздействия свинца на окружающую среду и здоровье населения;
• восстановление загрязненных свинцом территорий;
• создание системы мероприятий по ограничению антропогенных выбросов (сбросов, отходов) свинца за счет внедрения экологически безопасных, ресурсосберегающих и малоотходных технологий.

1.2  Методы  определения   ионов  меди   и  свинца.

1.2.1 Спектроскопические методы.

    К спектроскопическим методам анализа  относят физические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Важнейшей характеристикой электромагнитного излучения  является его спектр. Спектр – ( от лат. spectrum – представление) – совокупность различных значений, которые может принимать  данная физическая величина. Спектр может быть непрерывным и дискретным.      

       Спектроскопические методы подразделяются на атомные и молекулярные. В методах атомной спектроскопии  всегда имеют дело с узкими линейчатыми спектрами, а в методах молекулярной спектроскопии – с широкими слабоструктурированными спектрами.     Спектры используют как для качественного ( идентификация веществ), так и для количественного

( определение содержания вещества ) анализа.

1.2.2.   Электрохимические  методы.

    Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Различают прямые и косвенные электрохимические методы. В прямых методах используют зависимость силы тока ( потенциала и т. д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока ( потенциал и т. д. ) измеряют с целью нахождения конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т. е. используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта.  

    Классификация электрохимических методов анализа:

   - потенциометрия  (измеряемый параметр потенциал );

  - вольтамперометрия (ток );

  - кулонометрия (количество электричества);

  - кондуктометрия (удельная электропроводность);

  - электрогравиметрия (масса);

1.2.3. Химические методы.

      В основе химических методов обнаружения и определения  лежат химичекие реакции трех типов: кислотно – основные, окислительно – восстановительные и комплексообразования. Наибольшее значение среди химических методов имеют гравиметрический и титриметрический. Эти аналитические методы называют классическими. Они постепенно уступают место инструментальным. Однако они остаются непревзойденными по точности: относительная погрешность определения редко превышает 0,1 – 0,2 %, тогда как погрешность инструментальных методов – 2 – 5 %. Классические методы по – прежнему  являются стандартными для оценки  правильности определений. Основная  область применения гравиметрии и титриметрии – прецизионное определение больших и средних количеств веществ.

1.2.4.  Каталитические  методы.

    В  каталиметрии  концентрацию  анализируемого  вещества  катализатора ( а  также  активатора  или  ингибитора)  измеряют  по  скорости  каталитической индикаторной  реакции, т. е.  реакции, скорость  которой  зависит  от  концентрации катализатора. Вещества,  по  изменению  концентрации  которых определяют  скорость  реакции,  называют  индикаторными  веществами.

     Каталитические  индикаторные  реакции,  используемые  для  анализа,  должны  отвечать  ряду  требований. Зависимости  скорости  реакции  от  концентрации  реагентов, температуры  и  рН  раствора в  оптимальных  условиях  не  должны   быть резко  выражены.  Кинетические   кривые  должны  иметь  простую  форму (  близкую  к  линейной  зависимость  от  времени ).  Желательная  линейная  зависимость  скорости реакции  от  концентрации  катализатора. Метод  измерения  скорости реакции  (  концентрации индикаторного  вещества ) должен  быть  простым, достаточно  чувствительным,  непрерывным.

1.2.5.  Тест  - методы  анализа.

    Тестирование – быстрая и простая оценка присутствия и содержания химического компонента в образце.

    Тест средства- это компактные и дешевые  единичные устройства или приспособления для тестирования

    Тест методика описывает процедуру проведения теста включая пробоотбор, обнаружение или определение компонента или параметра.

    Общий принцип химических тест - методов – это использование аналитических реакций и реагентов в условиях и в формах  обеспечивающих получения визуально наблюдаемого или легко измеряемого эффекта (интенсивность окраски, длина окрашенной части трубки). Реагенты и различные добавки используют в виде заранее приготовленных растворов, в ампулах или капельницах или иммобилизованных на твердом носителе- бумаге силикагеле, пенополиуретане и.т.д. В качестве средств для тест методов химического анализа могут быть использованы индикаторные бумаги, индикаторные порошки и трубки, таблетки.

    Во многих случаях тест - методы используют для предварительной оценки наличия и содержания компонентов. В этом случае уместна методология скрининга. Очень удобны тест-системы для оценки обобщенных показателей изучаемого объекта, например химического потребления кислорода- хпк, или суммы тяжелых металлов в водах .

    Особое значение имеют тест - методы для анализа «на месте», вне лаборатории. Подобный анализ используется во многих областях:

• Экспресс контроль технологических процессов.
• Обнаружение метана в угольных шахтах.
• Обнаружение утечек природного газа из газопроводов.
• Экспресс анализ в поле для геологов- поисковиков.
• Быстрый анализ почв ( рН, азот, фосфор, калий).
• Контроль пищевых продуктов на рынках.
• Обнаружение алкоголя в выдыхаемом воздухе водителей.
• Обнаружение наркотиков при обысках.
• Домашнее определение сахара в крови и моче.
• Анализ воздуха в рабочей зоне.

1.2.6.Рефрактометрический метод анализа

     Рефрактометрия — физико-химический метод анализа, основанный на измерении показателя преломления луча света в исследуемом веществе. В основе этого метода лежит явление рефракции, т. е. преломление световых лучей на границе раздела двух различных по своей природе оптических сред. При прохождении луча света из одной среды в другую на границе этих сред направление луча меняется, происходит преломление. Коэффициентом преломления или показателем преломления (п) называют отношение синуса угла падения к синусу угла преломления: n=sinα/sinβ

Прибор, при помощи которого определяется показатель преломления, называется рефрактометром. 

Глава 2. Экспериментальная часть.

2.1 Цель,  гипотеза  и  задачи  исследования.

Целью  исследования  данной  работы  является:

• Доказательство негативного влияния ионов свинца Рb2+ на дезактивацию фермента пепсин при расщеплении веществ белковой природы.

• Расширение  и  углубление  знаний  учащихся  по  влиянию  тяжелых  металлов  на  организм  человека.

При  работе  над  проблемой  нами  была  выдвинута  гипотеза:

- ионы свинца препятствуют перевариванию белка в желудке и нарушают процесс пищеварения.

Нами  были  поставлены  следующие  задачи:

• Выяснить, поставив эксперимент, как влияет добавление ионов свинца Рb2+к ферменту пепсину на реакцию расщепления белка куриного яйца.

• Проанализировать  полученные  данные;
• Определить  причины  выявленных  результатов.

2.2 Методика  исследования.

Метод исследования- экспериментальный.

Он включает  следующие  этапы:

1 этап.

-Подготовительный, где была  составлена  программа  исследования,

     - изучить литературные источники по теме.

     - определить условия проведения эксперимента.

     - провести эксперимент.

2 этап.

Проведение эксперимента.

Оборудование и реактивы: 2 химических стакана, стеклянная палочка H2O, порошок пепсина, белок, сваренного в крутую яйца (измельченного на терке), концентрированная HCl, ацетат свинца Pb(CH3COO)2.            

Ход работы :

-в химический стакан налить 250 мл воды и растворить порошок пепсина.

- белок, смешать в другом химическом стакане со 100 мл воды, добавить

0,5 мл. концентрированной соляной кислоты.

-добавить 50 мл. раствора пепсина. Кислоту нужно добавить, потому что пепсин действует только в кислой среде при pH 1,4-2.

-прилить раствор ацетата свинца.

-поместить стакан на несколько часов в теплое место с температурой около 40 градусов (около нагревательного прибора, на солнечном подоконнике). В течение первой четверти каждого часа содержимое стакана надо перемешивать.

- через 2 часа зафиксировать изменения, второй раз зафиксировать изменения через 6-8 часов.

Результаты занесите в таблицу.

Были получены следующие результаты. (таблица)

2.3 Обсуждение  результатов.

Ионы свинца Рb2+образуют комплексные соединения с молекулами белка куриного яйца, выпадающие в осадок.

Вывод.

В результате проведенного исследования нами была подтверждена гипотеза, выдвинутая вначале работы. Действительно, мы видим, что ионы свинца нарушают процессы нормального расщепления белка ферментом пепсином.

Заключение.

Тяжелые металлы оказывают отрицательное воздействие на работу ферментов при расщеплении белковых молекул в процессе пищеварения.

Поэтому практическая  значимость нашей работы заключается в следующем:

Подготовлен теоретический материал, создана презентация в помощь педагогам при проведении классных часов по экологическому воспитанию, при изучении темы «Пищеварение» на уроках биологии, темы «Металлы» на уроках химии.

Библиография.

1. Криксунов Е.А. Загрязнение почвы токсическими веществами, С.- П. 1998г,
2. Подчайнова В.Н., Медь, (М., Свердловск: Металургиздат, 1991. – 249с.);
3. Смирнов В. И., Металлургия меди и никеля, (М., Свердловск , 1998. – 234с.);
4. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М., Химия, 2004.
5. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. «Чистые химические вещества», Издательство «Химия», Москва, 1994 г.
6. Реми Г. «Курс неорганической химии» том 1. Издательство «Химия», Москва 2007 г.
7. Ливанов П. А., Соболев М. Б., Ревич Б. А. Свинцовая опасность и здоровье населения. // Рос. Сем. Врач. 1999, № 2
8. Корбанова А. И., Сорокина Н. С., Молодкина Н. Н. и соавт. Свинец и его действие на организм. // Мед. труда и пром. экология. 2001, № 5
9. Изомеров И. Ф. К проблеме воздействия свинца на организм человека. // Мед. труда и пром. экология. 2008, № 2
10. http://www.wms.ru/information/mendeleev/svnc.php
11. http://psdoc.strana.de/nushda/plumbum.html
12. http://www.rau.su/observer/N05_96/5_11.HTM
13. http://www.mednovosti.ru/news/2004/02/16/schizo/
14. http://www.kadis.ru/daily/index.html?id=6880
15. http://www.avias.com/news/2003/02/11/45595.html
16. http://www.chembz.ru/news.4894.html
17. http://www.eco.nw.ru/lib/data/06/1/120106.htm
18. http://bio.1september.ru/2001/44/5.htm
19. http://forstudent.msk.ru/3/29600.htm