PMC

Opracowanie Układu Okresowego Pierwiastków Chemicznych jest jednym z najbardziej znaczących osiągnięć w nauce i jednoczącą koncepcją naukową, z szerokimi implikacjami dla współczesnej praktyki chemii, fizyki, biologii i wielu innych nauk przyrodniczych. Międzynarodowy Rok Układu Okresowego Pierwiastków Chemicznych w 2019 roku zbiega się ze 150. rocznicą odkrycia Układu Okresowego przez Mendelejewa w 1869 roku – czas, aby rozważyć jego zastosowanie i postęp, aby umożliwić dalsze badanie naszego środowiska naturalnego i środowiska, na które człowiek ma wpływ. Jest to unikalne narzędzie, pozwalające naukowcom przewidzieć wygląd i właściwości materii na Ziemi i we Wszechświecie. Jednakże, nawet jeśli Układ Okresowy Pierwiastków Chemicznych jest stosunkowo dobrze zdefiniowany, niektóre kontrowersyjne terminy są nadal w użyciu. Rzeczywiście, termin „metal ciężki” jest terminem powszechnie używanym od dziesięcioleci w naukach ścisłych, a jeszcze bardziej w naukach o środowisku (rys. 1), szczególnie w badaniach wpływu zanieczyszczeń. Ponieważ wydaje się, że użycie tego terminu wzrosło (rocznie od 8% do 10% w ciągu ostatnich dziesięciu lat, rysunek 2), podkreślamy znaczenie użycia terminu „potencjalnie toksyczne elementy” (PTE), który wymaga wyraźniejszego zatwierdzenia, i ilustrujemy elementy chemiczne, które należy wziąć pod uwagę.

W 1980 r. Nieboer i Richardson zaproponowali już zastąpienie tego nijakiego terminu biologicznie i chemicznie znaczącą klasyfikacją. Ponadto, zgodnie z Międzynarodową Unią Chemii Czystej i Stosowanej, termin „metal ciężki” jest uważany za nieprecyzyjny w najlepszym przypadku, a w najgorszym za bezsensowny i wprowadzający w błąd. Używanie tego terminu jest zdecydowanie odradzane, zwłaszcza, że nie ma znormalizowanej definicji. W 2004 r. Hodson uznał je za geochemiczne „bogey men”. W 2007 r. Chapman po raz pierwszy zaproponował, aby termin ten zachować dla muzyki, a nie dla nauki. W 2010 roku Hübner et al. zaproponowali przejście od semantyki do pragmatyki, podczas gdy Madrid przypomina o długotrwałej i czasami zapomnianej kontrowersji. Nikimnaa i Schlenk dalej upierali się przy źle zdefiniowanym terminie. W 2012 roku Chapman nadal pisał o kakofonii, a nie symfonii wokół „metali ciężkich”, a Batley i in. dalej przedstawili szczegółową dyskusję na temat jego użyteczności. Jednak niektórzy autorzy nadal proponowali jakąś formę definicji. W 2010 r. Appenroth zdefiniował je w naukach o roślinach , a w 2018 r. Ali i Kahn zaproponowali własną „kompleksową” definicję. Niedawno Pourret i Bollinger zakwestionowali użycie terminu „metale ciężkie”- używać czy nie używać?- a Pourret wyraźnie zaproponował zakazanie tego terminu w literaturze naukowej, ale dlaczego?

Ogółem, termin „metal ciężki” opiera się na kategoryzacji według gęstości lub masy molowej (cynk lub miedź mają stosunkowo niską gęstość i masę molową w porównaniu z lantanowcami i aktynowcami). Jest on często używany jako nazwa grupy metali (tj. metali przejściowych od wanadu do cynku), które są związane z zanieczyszczeniem i potencjalną toksycznością. Lista „metali ciężkich” nie jest jasno zdefiniowana i często miesza metale, metaloidy i niemetale bez jasnej definicji. Ostatecznie, pejoratywna konotacja „ciężki” związana z toksycznością metalu wywołuje w społeczeństwie pewien rodzaj strachu. Wszystkie tak zwane „metale ciężkie” i ich związki mogą mieć stosunkowo wysoką toksyczność (np. ołów czy kadm). Niemniej jednak metale nie zawsze są toksyczne, a niektóre z nich są wręcz niezbędne – w zależności od dawki i poziomu ekspozycji oraz organizmu/populacji przyjmującej, równowaga między niezbędnymi a toksycznymi może się przechylić (np. nikiel lub cynk).

W niniejszej opinii przedstawionej w International Journal of Environmental Research and Public Health przyglądamy się postępowi w naukach środowiskowych i medycynie w ramach ograniczonej populacji próbnej. Wśród 167 artykułów z terminem „metal ciężki” w tytule i 996 z nim w temacie, które zidentyfikowaliśmy z łącznej liczby 12 700 artykułów opublikowanych w International Journal of Environmental Research and Public Health w szeroko stosowanych bazach danych Scopus i Web of Science przy użyciu terminu wyszukiwania „heavy metal” (dane uzyskane 10 października 2019 r.), stwierdziliśmy, że ołów (Pb), kadm (Cd) i cynk (Zn) są trzema najczęściej badanymi pierwiastkami (odpowiednio 69%, 67% i 62%, jeśli wziąć pod uwagę termin „metal ciężki” w tytule (n = 167), oraz odpowiednio 32%, 30% i 23%, jeśli wziąć pod uwagę termin w temacie (n = 996); tab. 1 i ryc. 4). Ponadto, pierwiastki te są najczęściej związane z monitorowaniem opartym na całkowitych lub ekstrahowalnych stężeniach w glebach, osadach lub wodzie, w celu scharakteryzowania zanieczyszczenia, przeprowadzenia oceny ryzyka oraz identyfikacji narażenia środowiskowego i zagrożeń dla zdrowia (rys. 3). Oprócz tych elementów chemicznych, słowo kluczowe „Chiny” pojawiło się wówczas w 44% artykułów (73/167), a współautorami 58% artykułów byli badacze z instytucji chińskich (97/167), co częściowo odzwierciedla pojawienie się intensywnej działalności badawczej dotyczącej szeroko pojętych kwestii środowiskowych w tym regionie. Również pojawiające się doniesienia w czasopismach anglojęzycznych, być może wzmocniły wzrost tego terminu, co jest wynikiem utrwalenia podejścia do ustalonej i wieloletniej praktyki.

W naukach o środowisku, specjacja chemiczna (forma molekularna) pierwiastków jest często pomijana. Fakt, że specjacja chemiczna jest rzadko brana pod uwagę może wynikać z tego, że jest ona stosunkowo droga (czas i środki) i z natury trudna do bezpośredniego pomiaru. Czasami przeprowadzana jest analiza frakcjonowania, taka jak sekwencyjna ekstrakcja chemiczna, w celu określenia dostępności części całkowitej zawartości próbki. Jednakże pierwiastki są przeważnie uznawane za toksyczne ze względu na dowody odnoszące się do toksyczności tylko kilku gatunków chemicznych, w których występują, często na podstawie ostrego narażenia w warunkach laboratoryjnych. Ponieważ ich właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne zależą od struktury molekularnej, a nie od składników pierwiastka, podobnie jest z ich toksycznością. Rzeczywiście, toksyczność tych PTE, takich jak ołów i kadm, zależy od ich specjacji i stężenia nie tylko w sposób ilościowy, ale również jakościowy. Należy wziąć pod uwagę biodostępność i/lub biodostępność. Ogólnie rzecz biorąc, narażenie ludzi na ołów poprzez dodawanie tetraetyloołowiu do benzyny jako środka przeciwstukowego lub do farby ołowiowej jest dobrze udokumentowane. Jednakże, akumulator kwasowo-ołowiowy nie stanowi bezpośredniego zagrożenia dla ludzi, ale może generować odpady niebezpieczne dla środowiska naturalnego.

W związku z tym, istotne jest, aby badania środowiskowe brały pod uwagę gatunki obecne w środowisku, a nie składnik pierwiastkowy, w celu stworzenia znaczących danych. Staje się więc jasne, że brak właściwego uwzględnienia specjacji chemicznej pierwiastków może prowadzić do złej oceny ryzyka i złego stosowania przepisów prawnych. Ustawy i rozporządzenia oparte na prostej analizie pierwiastkowej mogą błędnie uznać media lub produkty środowiskowe za toksyczne i zgrupować je w ramach terminu „metale ciężkie”.