ТОКСИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИХ УДАЛЕНИЯ: ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

Природные и антропогенные источники металлов в экосистемах постоянно увеличиваются, что приводит к значительному накоплению полиметаллов и превращает их в серьёзную экологическую проблему. Воздействие полиметаллов на человека резко возросло в результате интенсивной промышленной деятельности XX века. Наиболее распространёнными и токсичными для человека металлами являются ртуть, мышьяк, свинец, хром и кадмий. Отравления могут носить острый или хронический характер и происходить через воду, воздух или пищу. Биоаккумуляция этих полиметаллов вызывает разнообразные токсические эффекты в тканях и органах организма.

Сравнительный анализ механизмов действия показывает, что полиметаллы вызывают токсичность схожими путями, включая образование активных форм кислорода, инактивацию ферментов и развитие окислительного стресса. Традиционные методы удаления полиметаллов оказываются недостаточно эффективными при концентрациях ниже 100 мг/л. Кроме того, они имеют ограничения, связанные с образованием вторичных загрязнителей, высокими энергетическими и химическими затратами, а также низкой экономической эффективностью.

В связи с этим фиторемедиация на основе растений рассматривается как перспективный подход к детоксикации полиметаллов. Растения обладают высокой способностью к биосорбции и биоаккумуляции, что делает их эффективными агентами для снижения токсичности полиметаллов. Данный обзор посвящён механизмам поглощения и токсического действия полиметаллов, расширяет знания о воздействии металлов на органы человека и способствует совершенствованию методов управления металл-отравлениями. Кроме того, обзор предоставляет основу для обоснованного выбора технологий фиторемедиации на основе растений и подчёркивает их потенциал как устойчивого и экономически эффективного решения.

ABSTRACT

Natural and anthropogenic sources of metals in ecosystems are continuously increasing, leading to the significant accumulation of polymetallic compounds, which has become a serious environmental concern. Human exposure to polymetallics has sharply increased due to intensive industrial activities during the 20th century. Among the most widespread and toxic elements for humans are mercury, arsenic, lead, chromium, and cadmium. Exposure can result in either acute or chronic poisoning through water, air, or food. The bioaccumulation of these polymetallics induces a wide range of toxic effects in various tissues and organs.

Comparative analyses of their mechanisms of action indicate that polymetallics exert toxicity via similar pathways, including the generation of reactive oxygen species, enzyme inactivation, and oxidative stress. Conventional techniques for removing polymetallic contaminants are often insufficient at concentrations below 100 mg/L. Additionally, these methods face limitations such as the generation of secondary pollutants, high energy and chemical requirements, and low cost-effectiveness.

In this context, plant-based phytoremediation is considered a promising approach for the detoxification of polymetallic contaminants. Plants exhibit high capacities for biosorption and bioaccumulation, making them effective agents for reducing polymetallic toxicity. This review focuses on the mechanisms of uptake and toxic effects of polymetallics, expands our understanding of their impact on human organs, and contributes to improving the management of metal poisoning. Moreover, it provides a basis for the informed selection of plant-based phytoremediation technologies and highlights their potential as a sustainable and cost-effective solution.

Ключевые слова: полиметаллы, полиметаллические отходы, фитремедиация, токсичность тяжёлых металлов, фитостабилизация

Keywords: polimetals, polimetallic waste, phytoremediation, heavy metals toxicity, phytostabilization

Полиметаллы (PMs) определяются как металлические элементы с плотностью выше плотности воды [1]. Эти природные элементы обладают высокой атомной массой и плотностью, как минимум в пять раз превышающей плотность воды. Поскольку масса и токсичность часто взаимосвязаны, к полиметаллам также относят металлоида, например, мышьяк (As), способного вызывать токсические эффекты даже при низком уровне воздействия [2].

Различные полиметаллы, такие как хром (Cr), кадмий (Cd), никель (Ni), медь (Cu), цинк (Zn), свинец (Pb), ртуть (Hg) и мышьяк (As), признаны биологически нежелательными и оказывающими негативное влияние на водные экосистемы. Основными антропогенными источниками их поступления являются, но не ограничиваются, цветная металлургия, горнодобывающая промышленность, обогащение минералов, гальванические производства, дубление кожи и химическая промышленность [3].

Уровень токсичности этих опасных веществ зависит от концентрации и продолжительности воздействия на живые организмы.  Длительное воздействие полиметаллов через контакт с кожей, употребление загрязнённой пищи или ингаляцию может вызывать разнообразные расстройства у человека и других организмов [4].

Кроме того, проблема загрязнения почв полиметаллами становится всё более значимой экологической проблемой во всём мире [5].

Наличие полиметаллических отходов в компостируемых или почвообразующих материалах создаёт серьёзные препятствия для их безопасного использования. В связи с этим растёт интерес к снижению токсичности этих отходов с помощью экологически безопасных методов. Одним из перспективных подходов является фиторемедиация, которая использует растения для поглощения, стабилизации и детоксикации полиметаллов в загрязнённых средах [11].

Полиметаллические отходы оказывают значительное влияние на микроорганизмы в почве, при этом токсичность отдельных металлов может сильно различаться. В процессе фиторемедиации растения могут аккумулировать металлы в своих тканях (биоаккумуляция), удерживать их в корневой зоне (фитостабилизация) или преобразовывать в менее токсичные соединения (фитотрансформация). Эти механизмы позволяют одновременно снижать концентрацию нескольких металлов и уменьшать их негативное воздействие на экосистему [6].

Цель данного обзора — представить современные данные о составе полиметаллических отходов, их потенциальной токсичности для живых организмов и растений, а также показать возможности фиторемедиации как устойчивого и экономически эффективного метода очистки окружающей среды.

Фиторемедиация представляет собой экологически безопасную технологию, которая позволяет детоксицировать загрязнённые почвы, поверхностные и подземные воды с помощью различных процессов, таких как фитоэкстракция, фитостабилизация, фитоволатилизация, ризофильтрация и фитофильтрация [7]. Использование растений для очистки загрязнённых территорий, известное как фиторемедиация, является устойчивым подходом и широко исследуется как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Применение современных биотехнологических подходов, таких как генетическая инженерия и рекомбинантная ДНК, значительно ускорило процессы биодеградации и ремедиации полиметаллических отходов. Метагеномные и метаболические исследования позволяют оценить разнообразие микроорганизмов, структуру популяций и функциональный состав с учётом генов устойчивости к металлам. Эти данные могут быть использованы для повышения эффективности как микробных, так и растительных систем при удалении или трансформации полиметаллов [8].

Фиторемедиация, основанная на использовании растений, является устойчивым и экологически безопасным методом снижения токсичности полиметаллов в почве, осадках и воде. В процессе фиторемедиации растения способны аккумулировать металлы в своих тканях (биоаккумуляция), удерживать их в корневой зоне (фитостабилизация) или преобразовывать в менее токсичные соединения (фитотрансформация). Симбиотические микроорганизмы, взаимодействующие с растениями, дополнительно повышают эффективность процессов через биосорбцию, биоминерализацию и ризодеградацию[9].

Проблема токсичности, вызванной полиметаллическими отходами, является серьёзным экологическим вызовом, оказывая негативное влияние на здоровье человека, рост растений и экосистемы в целом. Полиметаллы могут проникать в организм человека через воду, пищу, воздух и контакт с кожей, накапливаться в тканях и вызывать широкий спектр токсических эффектов [10].

Список литературы:·

1. Ali H., Khan E., Ilahi I. Environmental chemistry and ecotoxicology of hazardous heavy metals: environmental persistence, toxicity, and bioaccumulation // J. Chem. — 2019. — Vol. 2019. — P. 1–14.
2. Ali S.S., Abdelkarim E.A., Elsamahy T., Al-Tohamy R., Li F., Kornaros M., Zuorro A., Zhu D., Sun J. Bioplastic production in terms of life cycle assessment: a state-of-the-art review // Environ. Sci. Ecotechnol. — 2023. — Vol. 15. — P. 100254.
3. Al-Tohamy R., Ali S.S., Li F., Okasha K.M., Mahmoud Y.A.-G., Elsamahy T., Jiao H., Fu Y., Sun J. A critical review on the treatment of dye-containing wastewater: ecotoxicological and health concerns of textile dyes and possible remediation approaches for environmental safety // Ecotoxicol. Environ. Saf. — 2022. — Vol. 231. — P. 113160.
4. Charkiewicz A.E., Backstrand J.R. Lead toxicity and pollution in Poland // Int. J. Environ. Res. Public Health. — 2020. — Vol. 17. — P. 4385.
5. Chen S.-Y., Wu J.-Q., Sung S. Effects of sulfur dosage on continuous bioleaching of heavy metals from contaminated sediment // J. Hazard. Mater. — 2022. — Vol. 424. — P. 127257.
6. Kumar L., Bharadvaja N. Microbial remediation of heavy metals // Microbial bioremediation & biodegradation. — Singapore: Springer, 2020.
7. Mitra S., Chakraborty A.J., Tareq A.M., Emran T.B., Nainu F., Khusro A., Idris A.M., Khandaker M.U., Osman H., Alhumaydhi F.A. et al. Impact of heavy metals on the environment and human health: novel therapeutic insights to counter the toxicity // J. King Saud Univ.-Sci. — 2022. — Vol. 34. — P. 101865.
8. Negahdari S., Sabaghan M., Pirhadi M., Alikord M., Sadighara P., Darvishi M., Nazer M. Potential harmful effects of heavy metals as a toxic and carcinogenic agent in marine food: an overview // Egypt. J. Vet. Sci. — 2021. — Vol. 52. — P. 379–385.
9. Rehman A.U., Nazir S., Irshad R., Tahir K., ur Rehman K., Islam R.U., Wahab Z. Toxicity of heavy metals in plants and animals and their uptake by magnetic iron oxide nanoparticles // J. Mol. Liq. — 2021. — Vol. 321. — P. 114455.
10.  Sarker A., Al Masud M.A., Deepo D.M., Das K., Nandi R., Ansary M.W.R., Islam A.R.M.T., Islam T. Biological and green remediation of heavy metal contaminated water and soils: a state-of-the-art review // Chemosphere. — 2023. -Vol. 332. - P. 138861.
11. Wu C., Li F., Yi S., Ge F. Genetically engineered microbial remediation of soils co-contaminated by heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons: advances and ecological risk assessment // J. Environ. Manag. — 2021. — Vol. 296. — P. 113185.