به طور کلی هر فلز سمی به عنوان فلز سنگین (heavy metals) در نظر گرفته می شود. اما طبق تعریف فلز سنگین به فلزی اطلاق می شود که چگالی، وزن اتمی یا عدد اتمی بالایی دارند و یا چگالی آن به طور نسبی 5 برابر چگالی آب باشد. فارغ از این تعریف کلی، فلز سنگین یک اصطلاح رایج برای فلزاتی است که در غلظت های پایین سمی هستند و بر این اساس لیست فلزات سنگین بسیار متنوع است.
فلزات سنگین عناصر طبیعی در پوسته زمین هستند اما دخالت های انسان حضور آنها در چرخه ژئوشیمیایی و تعادلات بیوشیمیایی را تغییر داده است. رشد فزاینده کارخانه جات صنعتی و تکنولوژی مدرن امروزی فلزات سنگین را وارد چرخه زیست محیطی موجودات زنده کرده است و سبب شده تا انسان ها، حیوانات، گیاهان و به طور کلی محیط زیست در معرض این فلزات سمی قرار بگیرند.
منابع بالقوه فلزات سنگین شامل معادن، پسماندهای صنعتی، باتری ها، منابع آبی قدیمی، کارخانجات و صنایع متالورژی، رنگ ها و .. هستند. بنابراین انسان امروزی همواره در معرض هرچند مقادیر کم این فلزات از طریق غذا، آب، هوا و کالاهای مورد استفاده قرار دارد.
دسته بندی فلزات
به طور کلی فلزات برای نقشی که در بدن دارند به دسته کلی تقسیم می شوند:
عناصر جزیی ضروری (Essential trace elements): ماده یا عنصری که مقادیر آن در نمونه بسیار اندک و متوسط غلظتی کمتر از ppmز100 یا µg/gز100 داشته باشد، به عنوان عنصر جزیی (Trace elements) در نظر گرفته می شود. عناصر جزیی ضروری به فلزاتی اطلاق می شود که مقادیر کمتر از سطح نرمال آنها در بافت های زنده سبب کاهش رشد یا نقص عملکرد فیزیولوژیک می شوند. این عناصر شامل کرم (Cr)، مس (Cu)، کبالت (Co)، ید (I)، فلور (F)، منگنز (Mn)، نیکل (Ni)، سلنیوم (Se)، مولیبدن (Mo)، سیلیسیم (Si)، وانادیوم (V)، روی (Zn) و قلع (Sn) می باشند. لیست این عناصر قطعی نیست و تحقیقات در مورد نقش و عملکرد عناصر دیگر هم چنان ادامه دارد. توجه شود که مقادیر بیشتر از حد مجاز این عناصر نیز منجر به اثرات جانبی در بدن می گردد. اگرچه حضور مقادیر مشخصی از این فلزات برای سلامتی انسان ضروری هستند اما همین فلزات در مقادیر زیاد یا در فرم های معینی سمی هستند.
عناصر اصلی (Major elements): عناصری مانند آهن (Fe)، کلسیم (Ca) و فسفر (P) که از عناصر اصلی بدن به حساب می آیند.
عناصر سنگین سمی (toxic heavy elements): مانند سرب (Pb)، جیوه (Hg) و کادمیم (Cd) و آرسنیک(As)
اثرات فلزات سنگین بر سلامتی
فلزات سنگین توزیع زیست محیطی وسیعی دارند و از آلاینده های محیطی هستند که در چند دهه اخیر به علت استفاده بیش از حد در صنایع و تکنولوژی میزان آلودگی با آنها به طور چشم گیری افزایش پیدا کرده است. یکی از مشکلات اساسی در مورد فلزات سنگین این است که تجزیه ناپذیر (non-degradable) هستند. بنابراین در محیط باقی می مانند و قرار گرفتن بیش از حد در برابر آلاینده های حاوی فلزات سنگین سبب مسمومیت حاد یا مزمن می شود.
نقش فلزات سنگین در تولید رادیکال های آزاد (free radicals) و در نتیجه تخریب پروتئین ها و آسیب به DNA در بسیاری از تحقیقات سال های اخیر اثبات شده است. فلزات سنگین با جایگزین شدن با مواد معدنی مغذی مانع عملکرد بیولوژیکی آنها می شوند. بیشترین اثرات مخرب فلزات سنگین مربوط به تجمع آنها در ارگان های حیاتی مانند قلب، مغز، کلیه ها، استخوان، و .. است.
مسمومیت حاد (Acute poisoning) زمانی اتفاق می افتد که فرد در زمان کوتاهی در معرض مقادیر بالایی از آلاینده قرار بگیرد. مثلا بلعیدن یک باتری که حاوی سرب و کادمیم بالایی ست قطعا منجر به عواقب جدی سلامت یا حتی مرگ می شود. مسمومیت مزمن (Chronic poisoning) بر اثر تماس طولانی مدت با مقادیر کم یک آلاینده اتفاق می افتد. علائم مسمومیت مزمن به آرامی ظاهر می شود اما با گذشت زمان تشدید می شود. یک مثال عینی از مسمومیت مزمن با فلزات سنگین، خوردن ماهی با مقادیر بالای جیوه و آرسنیک در بافت ماهی ست که تایید شده سبب اثرات نامطلوب بر سیستم عصبی می شود.
میزان مسمومیت به عوامل زیادی از جمله شکل شیمیایی فلز، سن و تغذیه فرد، وضعیت سلامتی و ..بستگی دارد. تشخیص مسمومیت مزمن با فلزات سنگین کار دشواری ست. علائم مسمومیت متنوع و غیر اختصاصی هستند. سابقه در معرض قرار گرفتن فلزات سنگین، علائم مسمومین و آزمایشات مناسب و دقیق در تشخیص مسمومیت بسیار تاثیرگذار هستند. آزمایشات ممکن است شامل اندازه گیری فلزات سنگین در نمونه خون، ادرار، مو و حتی در مواردی ناخن فرد باشد. و در صورت بروز علایم ضعف عضلانی و عصبی آزمایشات مربوط به ارزیابی عضلات و سیستم عصبی نیز در تشخیص مسمومیت با فلزات سنگین موثر خواهد بود.
از فلزات سنگین کرم (Cr)، کادمیم (Cd)، جیوه (Hg)، سرب (Pb) و آرسنیک (As) به علت استفاده گسترده، سمیت بالای انواع فرم های شیمیایی آنها و فراوانی آنها در محیط، بیشترین پتانسیل ایجاد مسمومیت و اثرات سوء در انسان و موجودات زنده را دارند. بعضی از فلزات سنگین مانند جیوه (Hg)، سرب (Pb) و آرسنیک (As) به شدت سمی هستند.
جیوه به صورت Hg+2 یا +Hg حلالیت بالاتری در آب دارند و بنابراین در مقایسه با فلز جیوه (Hg) سمیت بیشتری نیز خواهند داشت. علاوه بر فرم معدنی جیوه در فرم های آلی مانند متیل جیوه (MeHg) به دلیل خاصیت چربی دوستی (lipophilic) به راحتی از غشاهای زیستی (biomembrane) عبور می کنند.
بیشترین مطالعات مربوط به اثرات سلامتی فلزات سنگین در انسان بر روی فلزات سرب، آرسنیک، کادمیم و جیوه انجام شده است و WHO نیز به طور مرتب گزارشات مربوط به این فلزات را منتشر می کند.
باتری های نیکل-کادمیم، دود سیگار و غذا از منابع اصلی آلودگی با کادمیم هستند. اثرات کادمیم باعث آسیب دیدگی کبد و استخوان می شود. منبع اصلی آلودگی با جیوه مصرف ماهی است.
جدول 1 منابع نحوه ورود اثرات و علائم حاد و مزمن سه فلز جیوه سرب و آرسنیک را نشان می دهد.
جدول 1 منابع نحوه ورود اثرات و علائم حاد و مزمن سه فلز جیوه سرب و آرسنیک
روش های درمان مسمومیت با فلزات سنگین چیست؟
برای بسیاری از فلزات روش های درمانی وجود دارد که می تواند بدن را از آلودگی فلزات پاک کند. در این درمان ها اغلب از داروی شناخته شده ای به عنوان شلاته (chelator) استفاده می شود. شلاته به فلز سنگین متصل می شود و به بدن برای دفع آنها از طریق ادرار یا مدفوع کمک می کند. این روش به روش شلاته درمانی (chelation therapy) شناخته می شود. توجه شود که شلاته درمانی حتما باید تحت نظر یک متخصص انجام شود چون استفاده از شلاته ها باید در شرایط خاصی انجام شود و استفاده نادرست از شلاته ها سبب آسیب بیشتر به بدن می شود. شلاته ها نه تنها به فلزات سنگین بلکه به مواد معدنی مهم بدن مانند کلسیم و آهن نیز می توانند متصل شوند. بنابراین شلاته درمانی می تواند اثرات سوئی چون کم آبی شدید (dehydration) بدن، واکنش های حساسیتی (allergic reactions)، آسیب به کلیه یا حتی مرگ شود.
چگونه می توان از مسمومیت با فلزات سنگین جلوگیری کنیم؟
- اولین گام شناسایی منبع آلودگی و دور کردن آن از محیط شامل خانه، محل کار و .. است.
- گرد و خاک خانه خود را به حداقل برسانید چون قابلیت تجمع فلزات سنگین در گرد و خاک بسیار بالاست.
- مراقب وسایلی که استفاده می کنید یا می خرید باشید از جمله اسباب بازی ها، باتری، رنگ و لوازم آرایشی و …توجه کنید شکسته شدن لامپ های جیوه ای و پخش شدن سریع جیوه و تنفس آن یکی از اتفاقات رایج مسمومیت حاد با جیوه است.
- اگر کار شما شامل کارکردن با فلزات باشد، حتما مراقب باشید تا هنگام وارد شدن به خانه لباس تان از هرگونه پودر یا باقی مانده فلزی پاک کنید. این کار را با دوش گرفتن و تعویض لباس می توانید به راحتی انجام دهید.
- از زندگی در مناطق نزدیک به کارخانه های صنعتی و کارگاه ها (چه فعال باشند چه غیر فعال) پرهیز کنید.
- اگر سیستم لوله کشی آب خانه تان قدیمی است، حتما آب آشامیدنی خود را با فرستادن به یک آزمایشگاه آنالیزی چک کنید و در صورت وجود عناصر فلزی در آب در اسرع وقت نسبت به تعویض لوله کشی خانه اقدام کنید.
- اگر از آب چاه استفاده می کنید، با فرستادن نمونه آب چاه از میزان فلزاتی که از طریق خاک به آب وارد شده اند اطمینان حاصل کنید.
روش های اندازه گیری کمی و کیفی فلزات سنگین
قدیمی ترین و متداول ترین روش اندازه گیری فلزات روش طیف سنجی جذب اتمی شعله ست که توانایی اندازه گیری بیش از 65 فلز با حساسیت و دقت مناسب در محدوده ppm را فراهم می کند.علاوه بر عدم حساسیت مناسب برای فلزات لانتانیدها و اکتنیدها، امکان اندازه گیری همزمان (simultaneous determination) در روش های طیف سنجی جذب اتمی نیز وجود ندارد، اگرچه دستگاه های مدرن امروزی امکان تعبیه چندین لامپ کاتدی در دستگاه را به طور همزمان فراهم می کنند. روش های طیف سنجی نشر اتمی پلاسما در سال های اخیر به دلیل قابلیت اندازه گیری همزمان چند عنصری،حساسیت مناسب برای فلزات لانتانیدها و اکتنیدها و گستره دینامیکی خطی وسیع تر استفاده رو به رشدی در آنالیز فلزات پیدا کرده اند.
روش طیف سنجی جذب اتمی الکتروترمال یا کوره گرافیتی نیز با مصرف بسیار کم نمونه (میکرولیتر) و حساسیت بسیار بیشتر از روش های طیف سنجی جذب اتمی شعله و طیف سنجی نشر اتمی پلاسما روشی متداول برای اندازه گیری فلزات بالاخص در نمونه های بیولوژیکی در محدوده غلظتی ppb یا (ng/mL) است.
روش های طیف سنجی نوری صرفا برای آنالیز کمی فلزات کاربرد دارند. روش های مبتنی بر طیف سنجی جرمی و پرتو ایکس علاوه بر امکان اندازه گیری کمی فلزات قادر به شناسایی کیفی فلزات نیز می باشند. روش های طیف سنجی جرمی مانند روش ICP-MS تکنیکی بسیار قوی برای شناسایی و اندازه گیری مقادیر جزئی (trace) و بسیار جزئی (ultra-trace) فلزات به شمار می روند.
روش XRF نیز تکنیک شناخته شده غیر مخربی است که برای اندازه گیری کمی فلزات برای محدوده غلظتی وسیعی از 100-0.01 درصد وزنی در نمونه های جامد، مایع، محلول و حتی گازها قابل استفاده است. روش TXRF با مصرف بسیار کم نمونه (در حد چند میکرولیتر) و شناسایی و آنالیز همزمان عناصر در حد بسیار جزیی (ultra-trace) روش جذابی است اما به علت تنظیم همترازی نوری (optical alignment) دستگاه و قیمت گرانتر عمومیت و کاربرد کمتری نسبت به روش XRF دارد.
با روش پاشندگی انرژی پرتو ایکس در دستگاه های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM-EDX) نیز علاوه بر امکان شناسایی فلز اندازه گیری کمی فلزات با حساسیت حدود 0.1 درصد وزنی نیز میسر است.
