有毒重金属
2008年にテネシー州エモリー川に540万立方ヤードの石炭灰スラリーが放出された際にできた、高さ25フィート（7.6メートル）の石炭フライアッシュの壁。 [ 1 ]川の水は、ヒ素、銅、バリウム、カドミウム、クロム、鉛、水銀、ニッケル、タリウムなどの有毒金属で汚染されていました。[ 2 ]浄化費用は12億ドルを超える可能性があります。[ 3 ]

有毒重金属とは、金属のような元素を指す一般的だが誤解を招く用語であり、その潜在的な毒性で知られています。 [ 4 ]すべての重金属が有毒なわけではなく、有毒金属の中には重くないものもあります。[ 5 ] 有毒であるとよく議論される元素には、カドミウム、鉛、水銀などが​​あります。 [ 6 ]これらはすべて、世界保健機関の主要な公衆の懸念のある化学物質10種のリストに記載されています。[ 7 ]その他の例としては、クロム、ニッケル、[ 8 ]アンチモン、ヒ素、ビスマス、タリウム、スズなどがあります。[ 4 ]

これらの有毒元素は地球上に自然に存在します。人為的な活動によって濃縮され、吸入、食物、あるいは手作業によって植物や動物（ヒトを含む）の組織に侵入する可能性があります。そして、重要な細胞成分に結合し、その機能を阻害する可能性があります。ヒ素、水銀、鉛の毒性作用は古代から知られていましたが、一部の重金属の毒性に関する体系的な研究は1868年以降に始まったようです。ヒトにおける重金属中毒は、一般的にキレート剤の投与によって治療されます。毒性重金属とみなされる元素の中には、少量であればヒトの健康に不可欠なものもあります。

物議を醸す用語

命名法を標準化する国際純正応用化学連合（IUPAC）は、 「 『重金属』という用語は意味をなさず、誤解を招く」と述べている。[ 9 ] IUPACの報告書は、関連性を裏付ける科学的証拠がないにもかかわらず、「重金属」を毒素と表現することの法的および毒物学的な影響に焦点を当てている。「重い」という形容詞が暗示する密度は、生物学的影響をほとんど及ぼさず、純金属が生物学的に活性な物質となることは稀である。[ 10 ] この特徴づけは、数多くの書評でも繰り返されている。[ 11 ] [ 12 ] [ 4 ]最も広く使用されている毒物学の教科書であるカサレットとダウルの『毒物学』[ 13 ]では、「重金属」ではなく「毒性金属」が使用されている。[ 10 ]それにもかかわらず、多くの科学論文や科学関連論文では、毒性物質の用語として「重金属」が依然として使用されている。[ 5 ]

主要および微量金属毒素

水素ヘリウム
リチウムベリリウムホウ素炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムケイ素リン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウムヒ素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウムスズアンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウムプラチナ金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインスタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットチウムレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
主要な毒性金属
水素ヘリウム
リチウムベリリウムホウ素炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムケイ素リン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウムヒ素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウムスズアンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウムプラチナ金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインスタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットチウムレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
必須だが潜在的に毒性のある元素

複数の毒性作用を持つ金属には、ヒ素（As）、ベリリウム（Be）、カドミウム（Cd）、クロム（Cr）、鉛（Pb）、水銀（Hg）、ニッケル（Ni）などがあります。[ 14 ]

動物や植物の生命にとって栄養的に必須であるが、高用量またはその他の形態では有毒金属とみなされる元素には、コバルト（Co）、銅（Cu）、鉄（Fe）、マグネシウム（Mg）、マンガン（Mn）、モリブデン（Mo）、セレン（Se）、亜鉛（Zn）などがある。[ 13 ]

汚染源

四エチル鉛は、最近使用されている最も重要な重金属汚染物質の1つです。[ 15 ]

有毒金属は地球中に自然に存在し、人間の活動、または場合によっては泥炭土に蓄積され、農業用に排水された際に放出されるなど、地球化学的プロセスの結果として濃縮されます。[ 16 ]一般的な発生源には、肥料、[ 17 ]老朽化した水道インフラ、[ 18 ]世界の海に浮かぶマイクロプラスチックなどがあります。 [ 19 ] [ 20 ]ヒ素は着色料に関連して使用されていると考えられています。[ 21 ]穀物やマッシュの倉庫で使用されるネズミ毒もヒ素の別の発生源である可能性があります。[ 22 ]

発生源の地理的範囲は非常に広範囲に及ぶ可能性があります。例えば、中国の耕作地の最大6分の1が重金属汚染の影響を受けていると推定されます。[ 23 ]

鉛は最も一般的な重金属汚染物質である。 [ 24 ]四エチル鉛（CH3CH2)4Pbは、 1930年代から1970年代にかけてガソリンに広く使用されていました。 [ 25 ]工業化社会の水環境における鉛濃度は、産業革命以前のレベルの2～3倍と推定されています。[ 26 ]北米では1996年までに有鉛ガソリンの使用はほぼ廃止されましたが、それ以前に建設された道路の隣の土壌には高い鉛濃度が残っています。銃器に使用されるアジ化鉛(II)またはスチフニン酸鉛由来の鉛は、銃器訓練場に徐々に蓄積し、地域環境を汚染し、射撃場の従業員を鉛中毒の危険にさらしています。[ 27 ]

入国ルート

有毒金属は、空気吸入、食事、および手での取り扱いを通じて植物、動物および人間の組織に入り込む。溶接、亜鉛メッキ、ろう付けおよびはんだ付けは、作業員を吸入される可能性のある煙に曝露し、金属ヒューム熱を引き起こす。[ 28 ] 自動車の排気ガスは、ヒ素、カドミウム、コバルト、ニッケル、鉛、アンチモン、バナジウム、亜鉛、白金、パラジウムおよびロジウムを含む大気汚染物質の主な発生源である。[ 29 ]水源（地下水、湖、小川、河川）は、産業廃棄物および消費者廃棄物から浸出する有毒金属によって汚染される可能性がある。酸性雨は、土壌に閉じ込められた有毒金属を放出することによって、このプロセスを悪化させる可能性がある。[ 30 ]土壌を通じた輸送は、優先流路（マクロポア）および溶解した有機化合物の存在によって促進される可能性がある。[ 31 ]植物は水の吸収を通じて有毒金属にさらされ、動物はこれらの植物を食べます。植物性および動物性食品の摂取は、人間にとって有毒金属の最大の摂取源です。[ 32 ]土壌との接触、金属を含む玩具や宝石との接触などによる皮膚接触による吸収も、[ 33 ]有毒金属汚染の潜在的な発生源です。[ 34 ]有毒金属は代謝されにくいため、生物に蓄積する可能性があります。[ 35 ]

有害な影響

有毒金属は「構造タンパク質、酵素、核酸などの重要な細胞成分に結合し、それらの機能を阻害する可能性があります。」[ 36 ]症状や影響は、金属または金属化合物、および関連する投与量によって異なります。一般的に、有毒重金属への長期曝露は、発がん性、中枢神経系および末梢神経系、および循環器系への影響を引き起こす可能性があります。ヒトの場合、「古典的な」[ 37 ]有毒重金属、またはクロム（別の有毒重金属）またはヒ素（半金属）への曝露に関連する典型的な症状を表に示します。[ 38 ]

要素急性曝露は通常1日以内慢性曝露は数ヶ月または数年かかることが多い
カドミウム肺炎（肺の炎症）肺がん、骨軟化症（骨の軟化）、タンパク尿（尿中のタンパク質過剰、腎臓障害の可能性）
水銀下痢、発熱、嘔吐口内炎（歯肉と口の炎症）吐き気ネフローゼ症候群（非特異的腎疾患）神経衰弱（神経症性障害）パラゲウシア（金属味覚）ピンク病（手足の痛みとピンク色の変色）振戦
鉛脳症（脳機能障害）吐き気嘔吐貧血脳症足下垂／手関節下垂（麻痺）腎症（腎臓病）
クロム消化管出血（出血）、 溶血（赤血球の破壊）、急性腎不全肺線維症（肺の瘢痕化）肺がん
ヒ素吐き気、嘔吐、下痢、脳症、多臓器への影響、不整脈、痛みを伴う神経障害糖尿病色素沈着低下/角質増殖がん

歴史

ヒ素、水銀、鉛の毒性は古代から知られていましたが、重金属の全体的な毒性に関する体系的な研究は1868年になってから始まったようです。その年、ワンクリンとチャップマンは飲料水中の重金属「ヒ素、鉛、銅、亜鉛、鉄、マンガン」の悪影響について推測しました。彼らは「調査の欠如」を指摘し、「データ収集の必要性」にまで落ち込みました。[ 39 ] [ 40 ] 1884年、ブレイクは毒性と元素の原子量の間に明らかな関連性があることを説明しました。[ 41 ]以下のセクションでは、「古典的な」有毒重金属（ヒ素、水銀、鉛）と、より最近の例（クロムとカドミウム）の歴史的な概要を示します

ヒ素

黄黄は、なめし業界で皮から毛を取り除くのに使われる有毒なヒ素鉱物です。

ヒ素、鶏冠石（As4S4）および黄黄（As2S3ヒ素中毒は古代にも知られていた。ギリシャの地理学者で歴史家のストラボン（紀元前 64～50 年～紀元後 24 年頃？）[ 42 ]は、鶏冠石や黄黄の鉱山では、鉱石から出る煙の毒性作用で必然的に奴隷が死ぬため、奴隷だけが使われたと書いている。ヒ素に汚染されたビールは 1900 年にイギリスのマンチェスター地域で 6,000 人以上を中毒にし、少なくとも 70 人の犠牲者が出たと考えられている。[ 43 ] 1953 年から 1956 年までイタリアに駐在した米国大使クレア・ルースはヒ素中毒を患った。原因は、彼女の寝室の天井に付いていたヒ素を多く含んだペンキが剥がれ落ちたことにあった。彼女はまた、大使館の食堂の天井の剥がれ落ちたペンキにヒ素が混じった食べ物を食べた可能性もある。[ 44 ] 2014年現在、ヒ素に汚染された地下水は「依然としてアジアの何百万人もの人々を中毒させている」。 [ 45 ]

水銀

ロシア、サンクトペテルブルクにある聖イサアク大聖堂。ドームの金メッキに使用された金と水銀のアマルガムにより、作業員の間で多数の死傷者が出ました

中国を統一した最初の皇帝、秦の始皇帝は、永遠の命を与えるとされる水銀丸を飲んで亡くなったと伝えられている。 [ 46 ]「帽子屋のように狂った」という表現は、帽子職人の間で起こった水銀中毒（いわゆる「マッドハッター病」）を指している可能性が高い。18世紀と19世紀には、フェルト帽の製造に水銀を原料とする化合物が使用されていたからである。[ 47 ]歴史的に、金アマルガム（水銀の合金）は金メッキに広く使用され、労働者の間で多くの死傷者を出した。聖イサアク大聖堂の建設中だけでも、メインドームの金メッキ作業で60人の労働者が死亡したと推定されている。[ 48 ] 1950年代には、日本各地でメチル水銀中毒の発生がみられた。これは、工場から河川や沿岸水域に水銀が排出されたためである。最もよく知られている事例は水俣と新潟である。水俣だけでも、水俣病として知られるようになった病気で600人以上が死亡した。2万1000人以上が日本政府に請求し、そのうち約3000人が水俣病と診断された。記録されている22の事例では、汚染された魚を摂取した妊婦は軽度または無症状であったが、重度の発達障害のある乳児を出産した。[ 49 ]産業革命以降、多くの海域の表層水、特にアイスランドと南極大陸周辺の水銀濃度は3倍に増加した。[ 50 ]

鉛

ダッチボーイの白鉛塗料広告、1912年

鉛の悪影響は古代から知られていました。紀元前2世紀、ギリシャの植物学者ニカンドロスは、鉛中毒の人に見られる疝痛と麻痺について記述しています。 [ 51 ] [ 52 ] 紀元1世紀に生きたと考えられているギリシャの医師ディオスコリデスは、 [ 53 ]鉛は「精神を麻痺させる」と書いています。鉛は紀元前500年から紀元後300年頃まで、ローマの水道橋で広く使用されていました。 [ 54 ]ユリウス・カエサルの技師ウィトルウィウスは、「土器の管から出る水は鉛の管から出る水よりもはるかに健康的である。なぜなら、鉛によって有害になるように見えるからだ。なぜなら、鉛によって生成される白鉛が人体に有害だと言われているからだ」と報告しています。[ 55 ]中国のモンゴル時代（1271〜1368年）、雲南省での銀精錬による鉛汚染は、現代の鉱山活動による汚染レベルのほぼ4倍を超えました。[ 56 ] 17世紀と18世紀には、デボンの人々がデボン疝痛と呼ばれる症状に悩まされていましたが、これは鉛に汚染されたサイダーの摂取が原因であることが発見されました。2013年、世界保健機関は鉛中毒によって毎年14万3000人が死亡し、「知的障害のある子供の症例を60万人に新たに引き起こしている」と推定しました。[ 57 ]米国ミシガン州フリント市では、2014年から飲料水の鉛汚染が問題になっています。汚染の原因は「市の住民に給水する鉛と鉄のパイプの腐食」とされています。[ 58 ] 2015年、オーストラリアのタスマニア州北東部の飲料水の鉛濃度は、国の飲料水ガイドラインの50倍を超えるレベルに達しました。汚染源は「鉛接合管、耐用年数を経たポリ塩化ビニル管、家庭用配管など、老朽化し​​た飲料水インフラの組み合わせ」とされています。[ 18 ]

クロム

発がん性物質であるクロム酸カリウムは、布地の染色や皮革製造のなめし剤として使用されます

クロム(III)化合物および金属クロムは健康被害とは考えられていないが、クロム(VI)の毒性および発がん性は少なくとも19世紀後半から知られている。[ 59 ] 1890年、ニューマンはクロム酸塩染料会社で働く労働者の癌リスクの上昇について記述した。[ 60 ]クロム酸塩誘発性皮膚炎は、第二次世界大戦中に航空機労働者に報告された。[ 61 ] 1963年、イギリスの自動車工場労働者60名の間で、紅斑から滲出性湿疹に及ぶ皮膚炎の発生が起きた。労働者は、車体に塗布されたクロム酸塩ベースのプライマー塗料を湿式サンディングしていた。[ 62 ]オーストラリアでは、2011年8月8日、ニューカッスルのオリカ爆発物工場からクロムが漏れた。同工場の労働者最大20名が被ばくし、ストックトンの近隣の住宅70戸も被ばくした。町は流出から3日後に初めて通知され、事故は大きな論争を引き起こし、オリカは漏洩の範囲と潜在的なリスクを軽視したとして批判され、州政府は事故への対応が遅いとして非難された。[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

カドミウム

純度99.999%のカドミウム棒と1cm3の立方体

カドミウムへの曝露は20世紀初頭以降に発生した現象です。日本では1910年、三井金属鉱業株式会社が鉱山事業の副産物として神通川にカドミウムを排出し始めました。その後、周辺地域の住民はカドミウムに汚染された灌漑用水で栽培された米を摂取しました。その結果、骨軟化症や腎不全などの症状が現れました。これらの症状の原因は明らかではなく、当時は「地域性疾患、細菌性疾患、鉛中毒」などの可能性が指摘されていました。[ 66 ] 1955年にはカドミウムが原因の可能性が高いと特定され、1961年には発生源が当該地域の鉱山事業に直接関連していることが突き止められました。[ 67 ] 2010年2月、ウォルマート限定のマイリー・サイラスのジュエリーからカドミウムが検出されました。ウォルマートは5月までこのジュエリーの販売を続けましたが、AP通信が実施した秘密調査によって当初の結果が確認されました。[ 68 ] 2010年6月、マクドナルドレストランが販売した映画「シュレック フォーエバー」のプロモーション用グラスに使用されていた塗料からカドミウムが検出され、1,200万個のグラスがリコールされた。[ 69 ]

修復

ヒト

金属EDTA陰イオン。PbはNa中のCaを置換する2[CaEDTA]はNaを2[PbEDTA]に与え、尿中に体外に排出されます。[ 70 ]

ヒトでは、重金属中毒は一般的にキレート剤の投与によって治療される。[ 71 ]これらはCaNaなどの化合物である。2EDTA（エチレンジアミン四酢酸二ナトリウムカルシウム）は、重金属を化学的に不活性な形態に変換し、体内に侵入することなく排泄されます。キレート剤には副作用があり、有益な金属も体外に排出してしまう可能性があります。このため、ビタミンやミネラルのサプリメントが併用されることもあります[ 72 ] [ 73 ]。

環境

重金属汚染土壌は、隔離、固定化、毒性低減、物理的分離、抽出のいずれか、または複数の技術によって浄化することができます。隔離では、汚染土壌を隔離するために、蓋、膜、または地下バリアを使用します。固定化は、土壌の性質を変化させ、重金属汚染物質の移動を阻害することを目的としています。毒性低減は、化学的または生物学的手段によって、有毒な重金属イオンを酸化または還元し、毒性の低い、または移動性の高い形態にします。物理的分離では、汚染土壌を除去し、機械的手段によって金属汚染物質を分離します。抽出は、化学物質、高温揮発、または電気分解を用いて土壌から汚染物質を抽出する、現場内または現場外のプロセスです。使用されるプロセスは、汚染物質と現場の特性によって異なります。[ 74 ]

利点

有毒重金属と見なされる元素の中には、少量であれば人体の健康に不可欠なものがあります。これらの元素には、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛、セレン、ストロンチウム、モリブデンが含まれます。 [ 75 ]これらの必須金属が不足すると、重金属中毒に対する感受性が高まる可能性があります。[ 76 ]

セレンは哺乳類にとって必須の重金属の中で最も毒性が強い。[ 77 ]セレンは通常は排泄され、摂取量が排泄能力を超えた場合にのみ毒性を発揮する。[ 78 ]

参照

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一般的な参考文献と引用文献

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