METALES Elemento que es/tiene: • • • • Buen conductor de electricidad Alta conductividad térmica Alta densidad Alta electropositividad Metales Pesados: • • • Nos. Atómicos 22-34, 40-52, lantánidos, actínidos. Algunos son esenciales (v.g. Cu, Se, Zn) Tóxicos. Fuentes de Metales: Natural • Por desgaste químico de rocas y suelos • De origen atmosférico (erosión por viento, actividad volcánica, humos, aerosoles / partículas del océano). Antropogénicas • Operaciones mineras • Desagües domésticos y de tormentas •Desechos y descargas industriales Interacciones abióticas: La solubilidad y la especiación (forma química y valencia) determinan la biodisponibilidad La solubilidad está controlada por: pH (solub. proporcional a 1/pH) pE (solub. proporcional a pE) Salinidad (monovalentes pueden competir por ligandos inorgánicos/orgánicos) Dureza (otros divalentes/trivalentes pueden competir por ligandos inorgánicos/orgánicos) COD (quelación y complexación) Alcalinidad (de complejos insolubles – espec. CO32- y OH-) Otros aniones (forman complejos solubles – v.g. Cl-, SO4) Inmovilización de metales (interacción entre fases acuosas y sólidas) Adsorción al detritus Adsorción/complejación/fl oculación con COD o arcilla Adsorción/coprecipitación con óxidos Fe/Mn y con carbonatos Ca/Mg Reacciones directas de precipitación (v.g. Cd(OH)2, Fe(OH)2) Tomada de: http://gonzalosambade.blogspot.mx/2012/04/floculacion.html Movilización Elevadas concentraciones de sal Cambio en las condiciones de redox Cambio en las condiciones de pH Agentes para complejar (uso terapéutico – v.g. EDTA) Interacciones Microbianas Los materiales orgánicos pueden ser metabolizados en agentes complejantes (húmicos, fúlvicos, detritus) Alteración de el pH u pE Conversión de formas inorgánicas a formas orgánicas (organometalicos, v.g. metilmercurio) Tomada de: http://bitnavegante.blogspot.mx/2011/04/un-genoma-bacteriano-puede-dar.html EFECTOS Acumulación: La mayoría de los organismos absorben metales principalmente por difusión pasiva y a través de algunos mecanismos de transporte activo. Organismos acuáticos: *Las superficies corporales y branquiales. *Sistema digestivo, captación de metales esenciales por difusión pasiva (< 5%) Tomada de: http://sp.ria.ru/infografia/20111106/151386915.html Organismos terrestres: Inhalación de partículas y aerosoles. En las plantas todas las superficies están expuestas. Las raíces en particular porque a través de ellas captan agua. Tomada de: http://noticias.terra.com/noticias/la_realidad_acerca_de_las_bombillas_y_el_mercurio/act2918941 Las plantas usan metales contra el estrés biótico Tomada de: http://www.uab.es/servlet/Satellite?cid=1096481466568&pagename=UABDivulga%2FPage%2FTemplatePageDetallArticleInvestigar&param1=1096483769997 Regulación La tasa de excreción/regulación determina toxicidad/tolerancia de las poblaciones la Los metales esenciales son más regulados (Cu, Zn, Fe) por mecanismos de transporte en las branquias y el intestino Eliminación es principalmente por heces y orina, además a través de branquias y excreciones como la leche materna. Regulación Se acumulan en pelo, hueso y órganos destino La bioacumulación depende de las tasas acumulación/excreción La biomagnificación no es importante excepto en las formas orgánicas (metil-Pb,etc) Tomada de: http://nutricionyalimentos.com/mercurio-en-pescado-y-marisco/ de Organismos Tolerantes Generalmente aquellos que están altamente esclerotizados, tienen superficies respiratorias internas y son buenos osmorreguladores (estuarinos). TOXICIDAD Mecanismos Bloquean grupos esenciales funcionales en enzimas Tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/Enzima Desplazan metales esenciales en enzimas Tomada de: http://blog.alkalinecare.com/15-buenas-razones-para-tomar-clorofila/ Modifican la conformación de biomoléculas Tomada de: http://quimica-biologia-12-13.wikispaces.com/Biocatalizadores.+Enzimas,+vitaminas+y+hormonas Toxicidad aguda: Interviene con los procesos respiratorios o con el funcionamiento de las membranas. Tomada de: http://www.endondecorrer.com/articulos/elejercicioalairelibreylacontaminaciondelaire-guiaparaprotegertusalud Toxicidad crónica: Interviene en rutas y procesos metabólicos, lo cual se manifiesta en: Morfología (necrosis hígado, riñón) Alteración de la función fisiológica Alteración del comportamiento, neurofisiología Alteración de rutas anabólicas/catabólicas (inhiben enzimas) Alteración de los procesos reproductivos Tomada de: http://www.endondecorrer.com/articulos/elejercicioalairelibreylacontaminaciondelaire-guiaparaprotegertusalud Tolerancia adquirida Se puede presentar en algunos organismos expuestos a largo plazo a niveles bajos de metales. Esto se debe a la inducción de proteínas acarreadoras de metales. La toxicidad depende de: El nivel biológico (subcelular, celular, etc.) en que se mida. En general los iones libres y las formas organometálicas son las más tóxicas Excepto en el caso del mercurio: Hgo (liquido) = no es tóxico, usado como laxativo Hgo (vapor) = muy tóxico (SNC) Hg1+ o Hg2+ = tóxico a altas concentraciones alquil-Hg = muy tóxico, soluble en lípidos (SNC) Plomo (Pb) Presencia: la concentración de Pb en aguas no contaminadas varía de 0.001 a 0.01 µg/L. La OMS establece como límite máximo 0.1 µg/L. Las aguas con un pH ligeramente ácido pueden llegar a disolver el Pb de las tuberías y con ello se pueden alcanzar concentraciones de hasta 3,000 µg/L. La concentración de Pb en suelo varían de 2 a 200 mg/g. En las ciudades esta concentración se puede incrementar hasta 1,600 o 2,400 mg/g. Rutas de exposición: gastrointestinal, respiratoria, cutánea Distribución: se acumula rápidamente y se transfiere a tejido óseo. La acumulación es afectada por la presencia de Ca (↑Ca ↓acumulación Pb).Poca excreción y esta se lleva a cabo a través de excreciones biliares, orina y la exfoliación de tejidos epiteliales (pelo, uñas). EFECTOS Concentraciones de 0.1 a 0.5 mg/ml retardan la ruptura heterolítica de la materia orgánica. Las plantas tienden a acumularlo En EUA se calcula que alrededor de 2 millones de patos mueren al año por ingestión accidental de perdigones de Pb Toxicidad aguda Sistema Nervioso: inhibidor de ATPasas Na-K y Ca-Mg (interfiere con la transmisión de impulsos nerviosos) Bloquea la liberación de la acetil-colinesterasa en las terminales nerviosas (afecta la función del Ca) Toxicidad crónica SNC: causa cambios de comportamiento y retardo metal. Esto se debe a que reemplaza al Zn en las fibras que conectan internamente al hipocampo, el cual es un centro de integración de información. Anemia: reduce la longevidad de los eritrocitos e interfiere con la síntesis del grupo hemo Tomada de: http://www.fotosimagenes.org/anemia-falciforme CADMIO (Cd) Fuentes: principalmente por su uso en pigmentos y pinturas, baterías, como estabilizador de cloruro de polivinilo (PVC), como recubrimiento de otros metales, en procesos de galvanoplastia, electroplateado, en aleaciones, en acumuladores, en soldaduras, en reactores nucleares, en joyería, etc. Rutas de exposición primarias: respiratoria y gastrointestinal Distribución (se acumula en tejidos biológicamente activos): ∗Rápida entrada y acumulación inicial en el hígado ∗Se transfiere y hay un acumulación a largo plazo en el riñón la entrada/toxicidad es afectada por el Zn/Cu en la dieta ∗ Vida media muy larga (20-30 años en humanos) Toxicidad aguda Daño pulmonar (por inhalación), edema, fibrosis Induce fallas de hígado y riñones Daña las membranas branquiales Desplaza al Zn y al Cu, inhibe algunas de las enzimas plasmáticas (v.g. anhidrasa carbónica –desplaza Zn) A pH altos, Cd(OH)2 ppt es irritante (branquias, daña piel; promueve cáncer) ↑ perdida de Ca de los huesos (especialmente en mujeres postmenopausia) Toxicidad crónica: Existe un umbral de toxicidad: el Cd puede ser manejo por el organismo hasta que la se alcanza una concentración crítica en el órgano destino. Para humanos en el riñón el umbral se encuentra entre los 100-400 µg/g. Tomada de: http://equip06.blogspot.mx/2011/02/toxicidad.html La toxicidad crónica depende la distribución del Cd en el cuerpo: En 20 minutos de exposición > 99% del Cd se une a la albumina de la sangre previniendo la filtración glomerular La circulación lo lleva al hígado (principal órgano destino), ahí el Cd pasa de la albumina a otras macromoléculas de mayor P.M. con alto contenido de SH con el tiempo (horas a días) el Cd es atrapado por proteínas de bajo P.M. las metaloteoneínas (MT): Tomada de: http://www.saludnaturalnoticias.com/medicardium-espanol.html Las Metaloteoneínas 1. 2. 3. 4. 5. 6. Bajo P.M. (6,600 daltons) No contienen a.a. aromáticos Filogeneticamente bien conservadas Capturan de 6 a 7 iones metálicos por molécula Afinidad: Ag>>Hg,Cu>>Cd>Zn Proteínas inducibles Con el tiempo el Cd es transportado al riñón. Este movimiento depende de la tasa de renovación de las células del hígado. Cuando el Cd excede la capacidad de las MT y alcanza la concentración crítica del órgano se observan fallas hepáticas/renales. (Cd2+ libre es el agente tóxico) Tomada de: http://www.empowher.com/media/reference/granulomatosis-de-wegener Las MT protegen a los organismos a corto plazo, pero debido a que previenen la excreción del Cd permiten que se acumule y que cause sus efectos tóxicos. Enfermedad Itai-Itai (ay!, ay!) (síntomas se presentan entre 5 y 10 años de exposición. Primero se decoloran los dientes formándose anillos, se pierde el sentido del gusto y la boca se reseca. Después el número de eritrocitos disminuye y se presentan dolores lumbares y de piernas. El riñón se daña y por ello muchos nutrientres como el Ca se pierden y hay proteinuria, anemia, glucosuria, etc. MERCURIO Rutas de exposición primaria: respiratoria y gastrointestinal Tomada de: http://www.publico.es/358724/mas-de-la-mitad-de-los-espanoles-nace-con-demasiado-mercurio Distribución: Hígado y riñón, similar al Cd. Su acumulación en los tejidos del sistema nervioso es muy importante. Tomada de: http://www.momscleanairforce.org/como-envenena-el-mercurio/ Toxicidad (depende de la forma elemental): Hgo - vapor es neurotóxico Hg1+ o Hg2+ = tóxico a altas concentraciones, daños al hígado similares al Cd Daños al SNC cuando se reduce a Hgo Formado por bacterias anaerobicas Se acumula en los tejidos del SNC Soluble en lípidos alquil-Hg (metil.Hg) Biomagnificación . http://www.uclm.es/users/higueras/MGA/Tema08/Minerales_salud_4_3.htm Toxicidad en células gliales, esp. Schwann producción de melanina Temblores, neuropsicosis (enfermedad del sombrerero loco) Tomada de: http://www.infodoctor.org/rss/rss/?cat=7407 Potenciales prolongados de Descargas eléctricas repetitivas acción Anormalidad severas en el desarrollo de los fetos (enfermedad de Minamata) Tomada de: http://blogdeambienteyderecho.blogspot.mx/2010/10/mercurio-en-el-nordeste-y-bajo-cauca.html Cromatos de México Para eliminar sus desechos de cromo, en 1976 la industria los regalo para tapar los baches de la población de Lechería de Tultitlán, Edo. De Méx. Además, infiltro sus afluentes líquidos a través de un pozo en los terrenos de su propia industria. Esto, sumado a los humos de las chimeneas, hizo de este pueblo un lugar donde el cromo hexavalente (Cr6+) se adhería a la piel, se ingería con el agua potable y se respiraba a cada momento. Como resultado, murieron varias personas con llagas, perforación del tabique nasal y cáncer de pulmón. Cromatos de México Las personas afectadas en Lechería forzaron a las autoridades a que obligaran a la industria a remediar la situación y evitar daños futuros. Se hizo lo siguiente: se quitó la capa superficial del suelo que contenía cromo, se edificó la escuela lejos de la industria y esta se traslado a otro estado. Concentraciones de algunos metales Metal Agua marina Sedimentos Marinos Agua Dulce (µg /L) Sedimentos de (µg/L) (mg/Kg) Cobre 0.2 - 500 2 - 700 0.3 - 9000 Mercurio 0.001 - 0.7 0.01 - 800 0.01 - 30 0.02 - 10 Plomo 0.005 - 0.4 10 - 200 0.2 - 900 3 - 20,000 Zinc 0.01 - 20 5 - 100,000 0.1 - 50,000 Agua dulce (mg/kg) <5 - 200 <10 - 10,000 Toxicidad Aguda en µgL(CL50 48-96h) de Organismos de Agua Dulce Organismo Cobre Mercurio Plomo Artropoda (Crustáceos) 50 - 100,000 4 - 40 700 - 3000 Anelida 100 - 500 10 - 90 - Moluscos 200 - 8000 Vertebrados 30 - 500 4 - 30,000 Zinc 200 - 5000 800 - 50,000 800 - 30,000 100 - 40,000 - - 20,00 -70,000 <5 - 400 - 50 - 7000 0.1 - 10 - 200 - 500 Algas Clorofitas Diatomeas 5 - 50 Toxicidad Aguda en µgL(CL50 48-96h) de Organismos de Agua Marina Organismo Cobre Mercurio Plomo Arthropoda (crustaceans) 5 - 3000 0.02 - 40 Annelida 6 - 900 Mollusca 40 - 9000 90 - 2000 10 - 900 3 - 20,000 1000-500,000 50 - 7000 3000 - 10,000 20,000-400,000 1000 - 20,000 2000-500,000 400 - 50,000 500 - 1000 300 - 800 - - - Zinc 30 - 9000 500 - 20,000 Vertebrata Salmononidae Centrachidae Cyprinidae 700 - 10,000 20 - 2000 - Chlorophyta 1 - 8000 <0.8 - 2000 Chrysophyta (diatoms) 5 - 800 - Algae - Moluscos y peces son más resistentes - Efectos en Peces • Etapa embrionaria • Eclosión • Menor crecimiento • Menor reproducción Cu 5-40 µgL Efectos en Moluscos y Crustáceos •Retardo en etapas larvarias, fijación y metamorfosis • Crecimiento retardado •Menor reproducción y sobrevivencia •Consecuencias en cadena trófica • Menor valor comercial •Mayor dispersión y depredación