Методы определения содержания тяжелых металлов в различных пищевых продуктах

 

Токсичные элементы (в частности, некоторые тяжелые металлы) составляют обширную и весьма опасную в токсикологическом  отношении группу веществ. К ним  относятся: ртуть, свинец, кадмий, цинк, мышьяк, алюминий, медь, железо, стронций и другие.

Разумеется, не все перечисленные  элементы являются ядовитыми, некоторые  из них необходимы для нормальной жизнедеятельности человека и животных. Поэтому часто трудно провести четкую границу между биологически необходимыми и вредными для здоровья человека веществами.

В большинстве случаев  реализация того или иного эффекта  зависит от концентрации. При повышении  оптимальной физиологической концентрации элемента в организме может наступить  интоксикация, а дефицит многих элементов  в пище и воде может привести к  достаточно тяжелым и трудно распознаваемым явлениям недостаточности.

Загрязнение водоемов, атмосферы, почвы, сельскохозяйственных растений и пищевых продуктов токсичными металлами происходит за счет:

• выбросов промышленных предприятий (особенно угольной, металлургической и химической промышленности);
• выбросов городского транспорта (имеется в виду загрязнение свинцом от сгорания этилированного бензина);
• применения в консервном производстве некачественных внутренних покрытий, технологии припоев;
• контакта с оборудованием (для пищевых целей допускается весьма ограниченное число сталей и других сплавов).

Для большинства продуктов  установлены ПДК токсичных элементов, к детским и диетическим продуктам предъявляются более жесткие требования.

Наибольшую опасность  из вышеназванных элементов представляют ртуть, свинец, кадмий.

1.2.1 Ртуть

 

Ртуть – один из самых опасных и высокотоксичных элементов, обладающих способностью накапливаться в растениях и в организме животных и человека, т. е. является ядом кумулятивного действия.

Токсичность ртути зависит  от вида ее соединений, которые по–разному всасываются, метаболизируются и выводятся из организма.

Наиболее токсичны алкилртутные соединения с короткой цепью –  метилртуть, этилртуть, диметилртуть. Механизм токсичного действия ртути  связан с ее взаимодействием с  сульфгидрильными группами белков. Блокируя их, ртуть изменяет свойства или  инактивирует ряд жизненно важных ферментов. Неорганические соединения ртути нарушают обмен аскорбиновой кислоты, пиридоксина, кальция меди, цинка, селена; органические – обмен белков, цистеина, аскорбиновой кислоты, токоферолов, железа, меди, марганца, селена. Защитным эффектом при воздействии  ртути на организм человека обладают цинк и, особенно, селен. Предполагают, что защитное действие селена обусловлено диметилированием ртути и образованием нетоксичного соединения – селено– ртутного комплекса. О высокой токсичности ртути свидетельствуют и очень низкие значения ПДК: 0,0003мг/м³ в воздухе и 0,0005 мг/л в воде.

В организм человека ртуть  поступает в наибольшей степени с рыбопродуктами (80–600 мкг/кг), в которых ее содержание может многократно превышать ПДК. Мясо рыбы отличается наибольшей концентрацией ртути и ее соединений, поскольку активно аккумулирует их из воды и корма, в который входят различные гидробионты, богатые ртутью. Организм рыб способен синтезировать метилртуть, которая накапливается в печени. У некоторых рыб в мышцах содержится белок – металлотионеин, который с различными металлами, в том числе и с ртутью, образует комплексные соединения, способствуя тем самым накапливанию ртути в организме и передаче ее по пищевым цепям.

Из других пищевых продуктов  характерно содержание ртути: в продуктах  животноводства: мясо, печень, почки, молоко, сливочное масло, яйца (от 2 до 20 мкг/кг); в съедобных частях сельскохозяйственных растений: овощи, фрукты, бобовые, зерновые в шляпочных грибах (6–447 мкг/кг), причем в отличие от растений в грибах может синтезироваться метилртуть. При варке рыбы и мяса концентрация ртути в них снижается, при аналогичной обработке грибов остается неизменной. Это различие объясняется тем, что в грибах ртуть связана с аминогруппами азотсодержащих соединений, в рыбе и мясе – с серосодержащими аминокислотами.

 

1.2.2 Свинец

 

Свинец – один из самых распространенных и опасных токсикантов. История его применения очень древняя, что связано с относительной простотой его получения и большой распространенностью в земной коре (%). Соединения свинца – Рb₃O₄ и PbSO₄ – основа широко применяемых пигментов: сурика и свинцовых белил. Глазури, которые используются для покрытия керамической посуды, также содержат соединения Pb. Металлический свинец со времен Древнего Рима применяют при прокладке водопроводов. В настоящее время перечень областей его применения очень широк: производство аккумуляторов, электрических кабелей, химическое машиностроение, атомная промышленность, производство эмалей, лаков, хрусталя, пиротехнических изделий, спичек, пластмасс и т.п. Мировое производство свинца составляет более т в год. В результате производственной деятельности человека в природные воды ежегодно попадает 500 – 600 тыс. т, а в атмосферу в переработанном и мелкодисперсном состоянии выбрасывается около 450 тыс.т, подавляющее большинство которого оседает на поверхности Земли. Основным источниками загрязнения атмосферы свинцом являются выхлопные газы автотранспорта (260 тыс. т) и сжигание каменного угля (около 30 тыс. т). В тех странах, где использование бензина с добавлением тетраэтилсвинца сведено к минимуму, содержание свинца в воздухе удалось многократно снизить. Следует подчеркнуть, что многие растения накапливают свинец, который передается по пищевым цепям и обнаруживается в мясе и молоке сельскохозяйственных животных, особенно активное накопление свинца происходит вблизи промышленных центров и крупных автомагистралей.

Ежедневное поступление  свинца в организм человека с пищей  – 0,1 – 0,5 мг; с водой – 0,02 мг. Содержание свинца в мг/кг в различных продуктах составляет от 0,01 до 3,0.

В организме человека усваивается  в среднем 10 % поступившего свинца, у  детей – 30 – 40 %. Из крови свинец поступает  в мягкие ткани и кости, где  депонируется в виде трифосфата. Механизм токсического действия свинца имеет  двойную направленность. Во–первых, блокада SH – групп белков и, как следствие, инактивация ферментов, во-вторых, проникновение Pb в нервные и мышечные клетки, образование лактата свинца, затем фосфата свинца, которые создают клеточный барьер для проникновения ионов Са²⁺.

Основными мишенями при воздействии  свинца являются кроветворная, нервная  и пищеварительная системы, а  также почки. Свинцовая интоксикация может приводить к серьезным  нарушениям здоровья, проявляющихся  в частых головных болях, головокружениях, повышенной утомляемости, раздражительности, ухудшениях сна, гипотонии, а наиболее тяжелых случаях к параличам, умственной отсталости. Неполноценное  питание, дефицит в рационе кальция, фосфора, железа, пектинов, белков, увеличивает  усвоение свинца, а следовательно – его токсичность. Допустимая суточная доза (ДСД) свинца составляет 0,007 мг/кг; величина ПДК в питьевой воде – 0,05 мг/л.

Мероприятия по профилактике загрязнения свинцом сырья и  пищевых продуктов должны включать государственный и ведомственный  контроль за промышленными выбросами  свинца в атмосферу, водоемы и  почву. Необходимо существенно снизить  или полностью исключить применение тетраэтилсвинца в бензине, красителях, упаковочных материалах и т.п.

 

1.2.3 Кадмий

 

Кадмий широко применяется в различных отраслях промышленности. В воздух кадмий поступает вместе со свинцом при сжигании топлива на ТЭЦ, с газовыми выбросами предприятий, производящих или использующих кадмий. Загрязнение почвы кадмием происходит при оседании кадмий – аэрозолей из воздуха и дополняется внесением минеральных удобрений (суперфосфата, фосфата калия, селитры).

В некоторых странах соли кадмия применяют в качестве антисептических  и антигельминтных препаратов в  ветеринарии. Все это определяет основные пути загрязнения кадмием  окружающей среды, а следовательно, продовольственного сырья и пищевых продуктов.

Содержание кадмия (в мкг/кг) в различных продуктах следующее. Растительные продукты: зерновые – 28–95; горох – 15–19; картофель – 12–50; капуста – 2–26; фрукты – 9–42; грибы – 100–500; в продуктах животноводства: молоко – 2,4; творог – 6,0; яйца – 23–250.

Установлено, что приблизительно 80 % кадмия поступает в организм человека с пищей, 20 % – через легкие из атмосферы и при курении. С рационом взрослый человек получает до 150 мкг/кг и выше кадмия в сутки. В одной сигарете содержится 1,5 – 2,0 мкг Cd.

Подобно ртути и свинцу, кадмий не является жизненно необходимым  металлом. Попадая в организм, кадмий проявляет сильное токсическое  действие, главной мишенью которого являются почки.

Механизм токсического действия кадмия связан с блокадой сульфгидрильных  групп белков; кроме того он является антагонистом цинка, кобальта, селена, ингибирует активность ферментов, содержащих указанные металлы.

Известна способность  кадмия нарушать обмен железа и кальция. Все это может привести к широкому спектру заболеваний: гипертоническая  болезнь, анемия, ишемическая болезнь  сердца, почечная недостаточность и другие.

Отмечены канцерогенный, мутагенный и тератогенный эффекты  кадмия. По рекомендациям ВОЗ допустимая суточная доза (ДСД) кадмия – 1 мкг/кг массы  тела.

Большое значение в профилактике интоксикации кадмием имеет правильное питание (включение в рацион белков, богатых серосодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислоты, железа, цинка, селена, кальция), контроль за содержанием кадмия и исключение из рациона продуктов, богатых кадмием.

 

1.2.4 Алюминий

 

 Первые данные о  токсичности алюминия были получены  в 70–х годах прошлого века, и это явилось неожиданностью  для человечества. Будучи третьим,  по распространенности элементом  земной коры и обладая ценными  качествами, Al нашел широкое применение  в технике и быту. Поставщиками  алюминия в организм человека  является алюминиевая посуда, если  она контактирует с кислой  или щелочной средой, вода которая  обогащается ионами Al³⁺ при обработке ее сульфатом алюминия на водоочистительных станциях.

Существенную роль в загрязнении  окружающей среды ионами Al³⁺ играют и кислотные дожди. Не следует злоупотреблять содержащими гидроксид алюминия лекарствами: противогеморроидальными, противоартритными, понижающими кислотность желудочного сока. Как буферную добавку вводят гидроксид алюминия и в губную помаду. Среди пищевых продуктов наивысшей концентрацией алюминия (до 20 мг/г) обладает чай.

Поступающие в организм человека ионы Al³⁺ в форме нерастворимого фосфата выводятся с фекалиями, частично всасываются в кровь и выводятся почками. При нарушении деятельности почек происходит накапливание алюминия, которое приводит к нарушению метаболизма Ca, Mg, P, F, сопровождающееся ростом хрупкости костей, развитием различных форм анемии. Кроме того, были обнаружены: нарушение речи, ориентации, провалы в памяти, и т.п. Все это позволяет приблизить «безобидный», считавшийся нетоксичным до недавнего времени алюминий к «мрачной тройке» супертоксикантов: ртуть, свинец, кадмий.

 

1.2.5 Мышьяк

 

Мышьяк как элемент в чистом виде ядовит только в высоких концентрациях. Он принадлежит к тем микроэлементам, необходимость которых для жизнедеятельности организма человека не доказана, за исключением его стимулирующего действия на процесс кроветворения. Соединения же мышьяка, такие как мышьяковистый ангидрид, арсениты и арсенаты, сильно токсичны.

Мышьяк содержится во всех объектах биосферы (в земной коре – 2 мг/кг, в морской воде – 5 мкг/кг).

Известными источниками  загрязнения окружающей среды мышьяком являются электростанции, использующие бурый уголь, медеплавильные заводы. Мышьяк используется при производстве полупроводников, стекла, красителей, инсектицидов, фунгицидов и т.д.

Нормальный уровень содержания мышьяка в продуктах питания  не должен превышать 1 мг/кг. Так, например, фоновое содержание мышьяка (мг/кг): в овощах и фруктах 0,01–0,2; в зерновых 0,006–1,2; в говядине 0,005–0,05; в печени 2,0; яйцах 0,003–0,03.

Повышенное содержание мышьяка  отмечается в рыбе и других гидробионтах, в частности в ракообразных и  моллюсках. По данным ФАО/ВОЗ, в организм человека с суточным рационом поступает  в среднем 0,05 – 0,45мг мышьяка. ДСД  – 0,05 мг/кг массы тела. В зависимости  от дозы мышьяк может вызывать острое и хроническое отравление. Разовая  доза мышьяка 30 мг – смертельна для  человека. Механизм токсического действия мышьяка связан с блокированием SH – групп белков и ферментов, выполняющих в организме самые разнообразные функции.

 

1.2.6 Медь

 

Медь. Содержание в земной коре составляет 4,5 мг/кг, морской воде – 1–25 мкг/кг, в организме взрослого человека – около 100 мг/кг.

Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвует  в процессах обмена веществ, в  тканевом дыхании и т.д. Медь имеет  большое значение для поддержания  нормальной структуры костей, хрящей, сухожилий (коллаген), эластичности стенок кровеносных сосудов, легочных альвеол, кожи (эластин). Медь входит в состав миелиновых оболочек нервов. В организме  взрослого человека половина от общего количества меди содержится в мышцах и костях и 10% – в печени.

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении ПДК в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде не должно превышать 2 мг/л (средняя величина за период из 14 суток), однако недостаток меди в питьевой воде также нежелателен. 

Содержание меди в пищевых продуктах составляет, мг/кг: печень животных – 30-40, морепродукты – 4 – 8, орехи – 5– 12, мука – 5– 8, зерновые – 2– 8.

Медь, в отличие от ртути  и мышьяка, принимает активное участие  в процессах жизнедеятельности, входя в состав ряда ферментных систем. Суточная потребность - 0,9 мг. Дефицит меди приводит к анемии, недостаточности роста, ряду других заболеваний, в отдельных случаях – к смертельному исходу.

В организме присутствуют механизмы биотрансформации меди. При  длительном воздействии высоких  доз меди наступает «поломка»  механизмов адаптации, переходящая  в интоксикацию и специфическое  заболевание. В этой связи является актуальной проблема охраны окружающей среды и пищевой продукции  от загрязнения медью и ее соединениями. Основная опасность исходит от промышленных выбросов, передозировки инсектицидами, другими токсичными солями меди, потребления  напитков, пищевых продуктов, соприкасающихся  в процессе производства с медными  деталями оборудования или медной тары.