PMC

De ontwikkeling van het Periodiek Systeem van Chemische Elementen is een van de belangrijkste prestaties in de wetenschap en een samenbindend wetenschappelijk concept, met brede implicaties voor de moderne praktijk van de scheikunde, natuurkunde, biologie en vele andere natuurwetenschappen. Het Internationaal Jaar van het Periodiek Systeem van Chemische Elementen in 2019 valt samen met de 150e verjaardag van de ontdekking van het Periodiek Systeem door Mendelejev in 1869 – een moment om na te denken over de toepassing en de vooruitgang ervan om verdere exploratie van onze natuurlijke en door de mens beïnvloede omgeving mogelijk te maken. Het is een uniek instrument dat wetenschappers in staat stelt het voorkomen en de eigenschappen van materie op aarde en in het heelal te voorspellen. Maar ook al is het Periodiek Systeem van Chemische Elementen relatief goed gedefinieerd, sommige controversiële termen zijn nog steeds in gebruik. Zo is de term “zwaar metaal” al tientallen jaren een veelgebruikte term in de wetenschappen, en nog meer in de milieuwetenschappen (figuur 1), met name bij studies naar de gevolgen van verontreiniging. Aangezien het gebruik van de term lijkt te zijn toegenomen (jaarlijks 8% tot 10% in de afgelopen tien jaar, figuur 2), benadrukken wij de relevantie van het gebruik van de term “potentieel toxische elementen” (PTE’s) , die explicieter moet worden onderschreven, en geven wij aan met welke chemische elementen rekening moet worden gehouden.

In 1980 hadden Nieboer en Richardson al voorgesteld om deze nondescripte term te vervangen door een biologisch en chemisch significante classificatie. Bovendien wordt de term “zwaar metaal” volgens de Internationale Unie voor Zuivere en Toegepaste Chemie in het beste geval als onnauwkeurig beschouwd en in het slechtste geval als betekenisloos en misleidend. Het gebruik van deze term wordt sterk ontraden, vooral omdat er geen gestandaardiseerde definitie bestaat. In 2004 beschouwde Hodson ze als geochemische “boemannen”. In 2007 stelde Chapman voor om deze term te gebruiken voor muziek en niet voor wetenschap. In 2010 stelden Hübner et al. voor om over te stappen van semantiek naar pragmatiek, terwijl Madrid herinnert aan de reeds lang bestaande en soms vergeten controverse. Nikimnaa en Schlenk hielden verder vast aan de slecht gedefinieerde term. In 2012 schreef Chapman verder over de kakofonie niet de symfonie rond “zware metalen” en Batley et al. presenteerden verder een gedetailleerde bespreking van het nut ervan. Sommige auteurs stelden echter nog steeds een vorm van een definitie voor. In 2010 definieerde Appenroth ze in de plantenwetenschappen , en in 2018 stelden Ali en Kahn hun eigen “alomvattende” definitie voor. Meer recent hebben Pourret en Bollinger vraagtekens gezet bij het gebruik van de term “zware metalen” – to use or not to use?- en Pourret heeft duidelijk voorgesteld om deze term uit de wetenschappelijke literatuur te bannen, maar waarom?

In het algemeen is de term “zwaar metaal” gebaseerd op een categorisering naar dichtheid of molaire massa (zink of koper hebben een relatief lage dichtheid en molaire massa vergeleken met lanthaniden en actiniden). Het wordt vaak gebruikt als een groepsnaam voor metalen (d.w.z. overgangsmetalen van vanadium tot zink) die in verband worden gebracht met verontreiniging en mogelijke toxiciteit. De lijst van “zware metalen” is niet duidelijk gedefinieerd en mengt vaak metalen, metalloïden en niet-metalen zonder duidelijke definitie. Uiteindelijk leidt de pejoratieve connotatie van “zwaar” in verband met de toxiciteit van metalen tot een soort angst in de samenleving. Alle zogenaamde “zware metalen” en hun verbindingen kunnen een relatief hoge toxiciteit hebben (b.v. lood of cadmium). Toch zijn metalen niet altijd toxisch en zijn sommige zelfs essentieel – afhankelijk van de dosis en het blootstellingsniveau en het ontvangende organisme/de populatie kan de balans tussen essentieel of toxisch doorslaan (b.v. nikkel of zink).

In dit advies, dat is gepresenteerd in het International Journal of Environmental Research and Public Health, kijken we naar de vooruitgang in milieuwetenschappen en geneeskunde binnen een beperkte steekproefpopulatie. Onder de 167 artikelen met de term “zwaar metaal” in de titel en de 996 met deze term in het onderwerp, die we identificeerden uit een totaal van 12.700 artikelen gepubliceerd in International Journal of Environmental Research and Public Health in de veelgebruikte databases van Scopus en de Web of Science met behulp van de zoekterm “zwaar metaal” (gegevens geraadpleegd 10 oktober 2019), vonden we lood (Pb), cadmium (Cd) en zink (Zn) de drie meest bestudeerde elementen (respectievelijk 69%, 67% en 62% bij beschouwing van de term “zware metalen” in de titel (n = 167), en respectievelijk 32%, 30% en 23% bij beschouwing van de term in het onderwerp (n = 996); Tabel 1 en figuur 4). Bovendien worden deze elementen het vaakst in verband gebracht met monitoring op basis van totale of extraheerbare concentraties in bodem, sediment of water, teneinde de verontreiniging te karakteriseren, een risicobeoordeling uit te voeren en de blootstelling van het milieu en de gevaren voor de gezondheid vast te stellen (figuur 3). Afgezien van deze chemische elementen kwam het trefwoord “China” toen in 44% van de artikelen voor (73/167) en was 58% van de artikelen medeauteur van onderzoekers uit Chinese instellingen (97/167), hetgeen ten dele de opkomst van intense onderzoeksactiviteit over wijdverbreide milieuproblemen in de regio weerspiegelt. Ook opkomende rapporten in Engelstalige tijdschriften, heeft misschien de groei van de term versterkt, een resultaat van het bestendigen van de benadering van een gevestigde en al lang bestaande praktijk.

In de milieuwetenschap, wordt de chemische speciatie (moleculaire vorm) van de elementen vaak over het hoofd gezien. Dat chemische speciatie zelden wordt onderzocht, komt wellicht doordat het relatief duur is (tijd en middelen) en inherent moeilijk rechtstreeks te meten. Soms wordt fractioneringsanalyse uitgevoerd, zoals sequentiële chemische extractie, om de toegankelijkheid van delen van de totale monsterinhoud vast te stellen. Elementen worden echter meestal als toxisch beoordeeld op grond van bewijsmateriaal betreffende de toxiciteit van slechts enkele van de chemische species waarin zij voorkomen, vaak op grond van acute blootstelling in het laboratorium. Aangezien hun fysische, chemische en biologische kenmerken afhangen van de moleculaire structuur en niet van hun elementaire bestanddelen, geldt dit ook voor hun toxiciteit. De toxiciteit van deze PTE’s, zoals lood en cadmium, hangt immers niet alleen op kwantitatieve maar ook op kwalitatieve wijze af van hun speciatie en concentratie. Er moet rekening worden gehouden met de bio-toegankelijkheid en/of de biologische beschikbaarheid. In het algemeen is de blootstelling van de mens aan lood door de toevoeging van tetraethyllood aan benzine als antiklopmiddel, of aan loodverf, goed gedocumenteerd. De lood-zuur-batterij vormt echter geen directe bedreiging voor de mens door het gebruik ervan, maar kan wel milieugevaarlijk afval genereren.

Het is dan ook van essentieel belang dat bij milieustudies meer wordt gekeken naar de aanwezige soorten dan naar het elementaire bestanddeel, om zinvolle gegevens te verkrijgen. Het wordt dus duidelijker dat het niet naar behoren rekening houden met de chemische speciatie van elementen kan leiden tot een slechte risicobeoordeling en een slecht gebruik van wetgeving. Wetten en voorschriften die op een eenvoudige elementaire analyse zijn gebaseerd, kunnen milieumedia of -producten ten onrechte als toxisch beschouwen en ze groeperen onder de term “zware metalen”.