Pierwiastki toksyczne - problem w produkcji fermowej

Mgr inż. Sara Dzik,
Dr hab. inż. Tomasz Mituniewicz

Od wielu lat postępuje proces globalizacji oraz rozwoju przemysłu. Wobec tego niebezpiecznie wzrasta zagrożenie zatrucia środowiska metalami ciężkimi. Za metale ciężkie uznaje się pierwiastki o masie właściwej większej niż 4,6 g/cm3, które wykazują się dobrą przewodnością elektryczną oraz cieplną w ciekłym, jak i stałym stanie skupienia. Mają wysoką temperaturę topnienia i wrzenia. W reakcjach chemicznych tworzą proste kationy poprzez proces oddawania elektronów. Są kowalne i ciągliwe. Najczęściej dzieli się je ze względu na stopień zagrożenia (Tab. 1). Wyróżnia się wiele źródeł, z których metale ciężkie trafiają do środowiska np. górnictwo, hutnictwo, przemysł chemiczny, składowanie odpadów, zanieczyszczenia komunikacyjne, rolnictwo, stosowanie zanieczyszczonych nawozów (głównie fosforowych), odkwaszanie gleb, spływy powierzchniowe z dróg o dużym natężeniu ruchu.

Zagrożenie pierwiastkami toksycznymi

Zagrożeniem wynikającym ze strony działania metali ciężkich jest możliwość ich przemieszczania w łańcuchu troficznym (Rys. 1). Jak podkreślają naukowcy, zwierzęta gospodarskie znacznie dotkliwiej odczuwają negatywne skutki zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Jest to związane z ich ciągłą ekspozycją na zanieczyszczenia gazowe, pyłowe, ciekłe, a także spożywaniem paszy pochodzącej z terenów np. intensywnie nawożonych oraz sposobem utrzymania (np. chów kur niosek na wolnym wybiegu, gdzie gleba jest skażona przemysłowo).
Drób może wchłaniać metale ciężkie poprzez drogi oddechowe. W związku z tym proces ten zależy od ich stężenia w powietrzu (zarówno w budynku, jak i na zewnątrz), właściwości fizykochemicznych tych związków oraz pojemności oddechowej ptaków. Najczęściej zmiany w układzie oddechowym powiązane są z pyłem zawieszonym. Pyły, w zależności od wielkości, mogą utrudniać ptakom oddychanie. Szczególnie niebezpieczne są frakcje drobne, tzw. respirabilne, gdyż wnikają aż do pęcherzyków płucnych. Zatrzymanie pierwiastków toksycznych w dolnych drogach oddechowych zwiększa ich szkodliwość, gdyż znacznie trudniej je usunąć. Blisko 80% zawartych w powietrzu par oraz związków alkilowych rtęci jest zatrzymywanych w drogach oddechowych. Dzieje się tak, ponieważ rtęć posiada wysoki współczynnik rozdziału par pomiędzy tkankami a powietrzem. Ponadto pierwiastek ten cechuje wysoka rozpuszczalność w lipidach. Z kolei kadm i ołów mogą ulec zatrzymaniu w płucach w 39-75%, natomiast arsen w 60%.

Woda dla ptaków hodowlanych (jak i innych zwierząt gospodarskich) powinna spełniać wymogi stawiane wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Tyczy się to także dopuszczalnej zawartości metali ciężkich. Wartości te można odnaleźć w rozporządzeniu ministra właściwego. Jeśli producent drobiu posiada dane dotyczące zawartości pierwiastków toksycznych w wodzie, którą daje ptakom, to jest w stanie obliczyć dobowe pobranie tychże pierwiastków z wody przez ptaki. Ważnym aspektem są także studnie wiejskie, które niejednokrotnie nie są badane sanitarnie. Należy oceniać jakość wody kompleksowo i niedopuszczalne jest pomijanie analiz stężeń pierwiastków toksycznych. Skażenie wody metalami ciężkimi zazwyczaj ma miejsce poprzez migrację pierwiastków ze ścieków przemysłowych, komunalnych. Również wskutek spływu z pól środków ochrony roślin czy opadów atmosferycznych.

Istotnym dla drobiu zagrożeniem jest skażona gleba, gdyż może oddziaływać na organizmy bezpośrednio lub pośrednio (poprzez fitoakumulację w roślinach oraz pył glebowy). Wobec tego w pobliżu zakładów przemysłowych czy dróg szybkiego ruchu oraz składowisk i wysypisk śmieci utrzymywanie ptaków na wolnym wybiegu nie powinno mieć miejsca. Dlatego w rejonach, gdzie gleba jest skażona, najbezpieczniej jest utrzymywać ptaki w systemach fermowych.

Źródłem zakażenia zwierząt pierwiastkami toksycznymi są także surowce paszowe. Koncentracja metali ciężkich w roślinach jako surowcach paszowych może być zmienna i zależy od sposobu przechowywania oraz procesów takich jak: suszenie, kiszenie, granulacja. Ponadto kluczowym elementem są także składniki dodawane do dawki pokarmowej. W tym przypadku można wyróżnić:

składniki organiczne, np. drożdże, mączki rybne, śruty;
nieorganiczne dodatki mineralne, np. fosforyty, dolomity, kreda.

Rośliny zostają zanieczyszczone przez skażoną glebę, bowiem metale ciężkie przemieszczają się w łańcuchu troficznym i w ten sposób poprzez glebę, a następnie rośliny trafiają do zwierząt, a w dalszej kolejności do ludzi (Rys 2). Rośliny pobierają metale ciężkie przez system korzeniowy, ale także blaszki liściowe. Ilość pobieranych metali przez rośliny zależy od rodzaju pierwiastka, ich zawartości w glebie, form w jakich występują oraz od gatunku rośliny. Zawartość metali ciężkich w różnych organach roślin zmniejsza się w kolejności: korzeń > liście > łodyga > kwiaty > nasiona. Co ważne, szkodliwe działanie pierwiastków na rośliny występuje dopiero, gdy ich poziom jest bardzo wysoki. Z kolei zwierzętom wystarczy niewielka ilość, by zaszkodzić ich zdrowiu.

Pochodzące z produktów zwierzęcych pierwiastki toksyczne mogą trafiać do organizmu człowieka. W 2011 r. Szkoda i in. opublikowali wyniki badań, w których analizowali zawartość ołowiu w tkankach zwierząt oraz produktach pochodzenia zwierzęcego (jaja, mleko) (Tab. 2). Powszechnie wiadomo, że pierwiastki toksyczne mogą gromadzić się w mięśniach kurzych czy wątrobie kurcząt, a także w jajach. Dopuszczalne stężenie metali ciężkich w mięsie jest tożsame dla wszystkich gatunków zwierząt gospodarskich i wynosi 0,1 mg·kg-1 św.m. Co prawda, badań związanych z akumulacją pierwiastków toksycznych w tkankach pochodzących od drobiu jest niewiele. Jednak dostępne analizy ukazują, że średnia zawartość ołowiu w wątrobie wynosi ok. 0,013 mg·kg-1. Natomiast jeśli chodzi o jaja, to nie zostały określone normy. Dopuszczalne zawartości najczęściej opierają się o aktualne zarządzenia ministra właściwego w zakresie zdrowia. Badania wyżej wspomnianych autorów wyraźnie wykazują, że średnia zawartość ołowiu w mięsie drobiowym jest niska i wynosi 0,010. Była to najniższa zawartość ołowiu w porównaniu do mięśni pozostałych zwierząt. Podczas badania mięśni drobiowych maksymalna wartość również była niższa aniżeli 0,1 mg·kg-1 św.m. Nieco inaczej sytuacja prezentowała się w odniesieniu do wątroby. W tym przypadku średnia zawartość ołowiu była zdecydowanie poniżej określonej wartości. Natomiast odnotowano przypadki, gdzie wartość maksymalna sięgała nieco powyżej
0,4 mg·kg-1 św.m. Można zatem stwierdzić, że średnia zawartość ołowiu w tkankach drobiowych jest niska ze względu na ścisłe warunki chowu i hodowli ptaków. Proces odchowu jest monitorowany. Poza tym producenci jaj i drobiu, żeby uzyskać zamierzone efekty produkcyjne i ekonomiczne, dużą wagę przykładają do bezpiecznej oraz higienicznej produkcji.

Toksyczne działanie metali ciężkich

Rtęć

Rtęć (Hg) jest pierwiastkiem, który wykazuje aktywność zarówno biologiczną, jak i chemiczną. Cechą charakterystyczną jest także zmienność postaci. Nie jest to pierwiastek, który uznawany jest za niezbędny do życia zwierząt (ludzi i roślin także). Metal ten należy do silnych trucizn. Toksyczne działanie rtęci zaburza funkcjonowanie aparatu enzymatycznego. Ponadto poprzez zmiany w obszarze fosforowych wiązań DNA wykazuje działanie mutagenne i teratogenne (toksyczne działanie na zarodek lub płód). Jak podają Kołacz i Dobrzański (2006) niemalże każde białko w organizmie zwierzęcym stanowi potencjalny obiekt działania rtęci. Niezależnie, w której komórce pierwiastek ten się pojawi i skumuluje, dochodzi do uszkodzenia. Tabela 3 przedstawia biochemiczne i fizjologiczne mechanizmy działania rtęci na organizm zwierzęcy.

Kadm

Kadm (Cd) jest szczególnie niebezpieczny, gdyż długo utrzymuje się w organach oraz łatwo się wchłania. W organizmie powstają wolne jony kadmowe, które poprzez swój udział powodują zaburzenia wielu przemian metabolicznych. Toksyczne działanie kadmu objawia się poprzez liczne uszkodzenia układu kostnego (zaburzenia homeostazy związków wapnia i fosforu, hamuje produkcję witaminy D, powoduje osteoporozę). Ponadto może powodować poważne zmiany w układzie krwionośny, oddechowym, wydalniczym (Tab. 4).

Ołów

Wszystkie związki ołowiu stanowią poważne zagrożenie dla życia ptaków hodowlanych. Wchłaniany jest przez drogi oddechowe, skórę, ale także poprzez układ pokarmowy – z paszy. Ołów (Pb) cechuje działanie wielonarządowe (nerki, wątroba, mózg). Uszkadza układ krwiotwórczy, sercowy, nerwowy, oddechowy. Toksyczność pierwiastka ujawnia się poprzez zaburzenia syntezy hemu, negatywnie wpływa na gospodarkę innymi pierwiastkami. Zwłaszcza u młodych ptaków ołów może uszkadzać mózg, gdyż poprzez niedojrzałość osobników młodych, pierwiastek w prosty sposób dostaje się do komórek mózgu. Działanie ołowiu na nerki objawia się poprzez nieodwracalne uszkodzenie zwłóknienia śródmiąższowego oraz kłębuszków nerkowych. Ołów gromadzi się w kościach (demineralizacja kości), skąd może migrować do krwi, a następnie do poszczególnych narządów. Jest odpowiedzialny za choroby płuc.

Miedź

Miedź (Cu) w postaci kompleksów z aminokwasami i albuminami jest transportowana do narządów (mózg, wątroba, nerki, jelita). Jest mikroelementem niezbędnym do życia. Jednak w nadmiarze szkodzi. Pierwiastek ten uznawany jest za antagonistę cynku – oznacza to, że jego nadmiar powoduje niedobory cynku. W konsekwencji może dojść do niedoborów immunologicznych. Zatrucie miedzią, podobnie jak i w przypadku innych metali ciężkich, może wywoływać stany zapalne. Nadmiar Cu powoduje uszkodzenie nerek i płuc, a także przekrwienie błon śluzowych. Ponadto, może dojść do zapalenia spojówki oka czy owrzodzeń rogówki.

Kancerogenny mechanizm działania pierwiastków toksycznych

Metale ciężkie w organizmie zwierzęcym mogą wywoływać szereg zmian nowotworowych. Stopień toksyczności pierwiastków zależy od ilości toksyny wprowadzanej do organizmu, rodzaju związku chemicznego, formy chemicznej, a także czasu ekspozycji oraz odporności osobnika. Za najbardziej szkodliwe uznawane są ołów, rtęć i kadm. Ociepa-Kubicka i Ociepa (2012) przedstawili etapy zmian w organizmie zwierzęcym, które mogą prowadzić do schorzeń nowotworowych (Rys. 3). Badacze podkreślają, że cechą charakterystyczną pierwiastków toksycznych jest to, że nie podlegają one degradacji biologicznej. Organizm chcąc usunąć toksyny „ukrywa” je w obrębie białek w celu długotrwałego składowania lub wydalenia.

Podsumowanie

Do grupy metali ciężkich należą zarówno pierwiastki, które uznawane są za niezbędne do życia organizmów zwierzęcych oraz takie, których rola fizjologiczna nie jest określona. Co zatem je łączy? Przede wszystkim znaczna szkodliwość po przekroczeniu ich stężenia w organizmie. Niektóre, nawet w niewielkich czy śladowych ilościach, mogą działać toksycznie na zwierzęta. Zatem niezbędna jest kontrola warunków utrzymania oraz monitorowanie czystości wody i paszy.

Tabela 1. Podział metali ciężkich ze względu na stopień zagrożenia

Rysunek 1. Ptaki hodowlane oraz pozostałe zwierzęta gospodarskie są doskonałymi indykatorami środowiskowymi, informującymi o skażeniu atmosfery, wody, gleby, roślin