Физико-химические свойства и распространение алюминия в окружающей среде, влияние на живые организмы, снижение его токсического действия

Полный текст

Обоснование

Алюминий — один из самых распространенных и наиболее часто используемых металлов в жизнедеятельности человека. Содержится в важнейшем для существования живых организмов соединении — воде. Алюминий присутствует в природной воде, алюминиевой посуде, его соединения применяют при очистке воды, что способствует попаданию элемента в питьевую воду. В земной коре содержание данного металла составляет 8 %, в атмосферном воздухе — 0,6–7,0 мкг/л.

В медицине соединения алюминия используют в качестве адъювантов — они входят в состав вакцин и таких лекарственных препаратов, как антациды и буферный аспирин. Оксид и гидроксид алюминия содержатся во многих косметических средствах для ухода за кожей, ногтями, в антиперспирантах и др. Различные соединения этого элемента обнаруживают в продуктах питания, в том числе в пищевых добавках.

При этом следует учитывать токсичность алюминия. Он является одним из наиболее распространенных нейротоксических элементов, вызывающих в высоких концентрациях когнитивные дисфункции, способствует развитию болезни Альцгеймера [1], участвует в развитии иммунологических заболеваний [2]. Токсичность элемента подтверждена экспериментами in vitro, на животных и результатами эпидемиологических исследований [3], однако механизмы, лежащие в основе этого показателя, не ясны.

В связи с этим цель обзора — систематизация знаний о физико-химических свойствах, о токсикокинетике и токсикодинамике алюминия и алюминийсодержащих соединений для поиска новых средств связывания ионов алюминия и их выведения из организма человека и животных.

Физико-химические свойства алюминия и его соединений

С XIX в. алюминий находили и извлекали из горных пород. Его быстро начали использовать для многих целей благодаря таким свойствам, как низкая гравитация, пластичность, отражательная способность, высокая прочность на растяжение, коррозионная стойкость, легко обрабатываемые формы и высокая электропроводность. Так начался «алюминиевый век» [4].

С течением времени естественные процессы выветривания горных пород и вулканическая активность привели к перераспределению алюминия в окружающей среде посредством осевших в поверхностных водах и на земле аэрозолей.

Алюминий сочетается с кислородом, фтором, кремнием, серой и другими элементами, не находится в естественных условиях в элементарном состоянии, обычно существует в виде бокситов, силикатов и криолита. Такие его соединения, как алкилы, алкилгалогениды, гидриды, бромид, хлорид, йодид, карбид, хлорат, нитрид и фосфид, активно реагируют с водой, но формы в виде металла, оксида и гидроксида трудно растворимы в воде и органических растворителях [5].

Исследовательский опыт работы с алюминиевыми соединениями обширен и зависит от конкретной физической и химической формы. Наибольший интерес представляют мономерные соединения алюминия: их растворимость в воде зависит от pH, а желудочно-кишечная биодоступность намного выше, чем у гидратированных силикатов алюминия. Подробнее физико-химические свойства соединений алюминия представлены в табл. 1.

Таблица 1 / Table 1

Физико-химические свойства алюминия и его соединений

Physicochemical properties of aluminum and its compounds

¹ при 752 мм рт. ст.

Распределение алюминия в окружающей среде

Алюминий занимает первую позицию по содержанию металла в земле, является вторым в рейтинге использования металлов и третьим по распространенности элементом. На рисунке наглядно представлены основные этапы работы с алюминием и его применение.

Рисунок. Жизненный цикл алюминия в окружающей среде [6]

Алюминий встречается повсеместно. Уровни его содержания в окружающей среде сильно различаются в зависимости от местоположения, индустриализации, степени загрязнения и места отбора проб: содержание в почвах и горных породах варьирует от 7 до более 100 г/кг в разных географических и геологических районах. В поверхностных водах концентрация алюминия обычно меньше 0,1 мг/л, но в воде с высоким содержанием гуминовой кислоты или фульвокислоты его количество в растворимой форме увеличивается в связи с хорошей растворимостью оксида и солей. Воздействие кислотных дождей с учетом содержания металлов в воде контролируется буферной способностью. Геологические факторы включают природу коренных пород в отношении как основных минералов, так и растворимых в кислоте токсичных металлов, а также глубину, структуру, минеральное и органическое содержание вышележащей почвы.

Фоновые уровни алюминия в атмосфере составляют от 0,6 до 7,0 мкг/л. Более высокие уровни наблюдаются в городских и промышленных районах, особенно в промышленно развитых городах и серьезно загрязненных регионах [4, 7].

Многие природные алюмосиликатные минералы образуются в результате геологических гидротермальных процессов. Аналогичные твердые вещества могут образовываться в результате промышленной деятельности, например нефтедобывающей [8].

В автомобильной промышленности и авиации алюминий используют в сплавах с карбидом кремния и графитом, которые улучшают механические и трибологические свойства композиционных материалов [9].

Фосфид алюминия («рисовая таблетка») входит в состав пестицидов, которые отличаются низкой стоимостью и широкой распространенностью. Применяют для защиты зерна от грызунов и других домашних вредителей. Известны случаи массовых агрохимических отравлений (случайных и намеренных), повлекших смерть (Албания, Иран, Саудовская Аравия, Индия, Иран, Субгималайский регион, Непал). Самоотравление пестицидами составляет около 20–25 % самоубийств в Западном Средиземноморье, Африке и Юго-Восточной Азии [10–16].

Гидроксид алюминия, фосфат алюминия и квасцы представляют собой основные формы алюминия, которые широко используют в мире в качестве адъювантов и для усиления иммунного ответа организма [17].

Глинозем и гидроксид алюминия входят в состав таких косметических продуктов, как средства для ногтей, для снятия макияжа и ухода за кожей, помады. Гидроксид алюминия также может содержаться в средствах для гигиены полости рта, для загара [18].

Оксид и гидроксид алюминия используют в косметических средствах: матирующие агенты, абсорбенты, абразивы, антиперспиранты [19].

Из лекарственных препаратов, содержащих алюминий, наиболее распространены и изучены антациды и аспирин [20].

Алюминий применяют при очистке воды, при этом небольшое его количество попадает в воду, он содержится в различных продуктах питания, которые могут прямо или косвенно влиять на организм. Различные соединения алюминия, такие как оксиды, используют в качестве консервантов, наполнителей, красителей, эмульгаторов, что приводит к его повышенному содержанию в определенных продуктах. Алюминийсодержащие пищевые добавки: Е523, Е541, Е554, Е555, Е556, Е558, Е559. В смесях для грудных детей также присутствует алюминий [21–23].

Токсикокинетика и токсикодинамика алюминия и его соединений

Биодоступность алюминия зависит от его соединения с другими элементами и присутствия пищевых компонентов, которые могут образовывать комплексы с алюминием, вследствие чего увеличивать или ингибировать его всасывание. При пероральном введении биодоступность алюминия увеличивается за счет цитрата и других карбоновых кислот, кислого pH, уремии, повышенной дозы растворимых форм алюминия, а снижается при введении кремнийсодержащих соединений [20]. Алюминий плохо всасывается при пероральном и ингаляционном воздействии, практически не всасывается через кожу. Обычно абсорбируется примерно 0,1–0,6 % проглоченного алюминия. В случае с гидроксидом алюминия абсорбция составляет около 0,1 %, выведение из внутримышечных участков и из брюшной полости происходит медленно, но завершается через несколько дней, если дозы находятся в физиологических пределах и не смешиваются с анионами хлорида и нитрата [24]. Гидроксид алюминия медленно растворяется в желудке и реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида алюминия и воды, подавляет действие пепсина за счет увеличения pH и адсорбции. Более 95 % алюминия выводится почками за счет клубочковой фильтрации, менее 2 % — с желчью.

Токсичное действие алюминия и его соединений носит кумулятивный характер, в первую очередь алюминий накапливается в костях, печени, легких, мозге, что приводит к негативным последствиям для дыхательной, нервной, опорно-двигательной систем.

Многие дисфункции нервной системы могут быть связаны с нейротоксичностью алюминия и его накоплением в организме [19, 25]. Самые ранние исследования датируются 1980–1990 гг. Уже на тот момент возникновение болезни Альцгеймера связывали с нейротоксичностью алюминия. Однако сегодня нет единого мнения о связи между этими двумя факторами, так как в некоторых исследованиях выявляли отложения алюминия при уже начавшейся болезни Альцгеймера, хотя до этого у больных не было избытка алюминия; другие исследователи сообщают о болезни Альцгеймера, индуцированной отложениями алюминия [26].

Алюминий способен проходить гематоэнцефалический барьер, индуцировать различные клеточные повреждения и клеточную гибель. Алюминий влияет на мембранные функции гематоэнцефалического барьера: увеличивает скорость трансмембранной диффузии, выборочно изменяет насыщаемые транспортные системы без нарушения целостности мембран или изменения гемодинамики центральной нервной системы. Такие изменения в доступе к мозгу питательных веществ, гормонов, токсинов и лекарств могут быть причиной дисфункции центральной нервной системы [27].

Действие алюминия связывают с такими нейродегенеративными заболеваниями, как аутизм, рассеянный склероз, эпилепсия, амилоидная ангиопатия. При рассеянном склерозе обнаружены повышенные концентрации алюминия в мозговой ткани [28]. В других исследованиях выявлена связь нейротоксичности алюминия и эпилепсии: основным местом отложения алюминия выступает гиппокамп; помимо прочего в своей работе ученые упоминают синдром Драве [29]. Повышенные отложения алюминия в головном мозге обнаружены при исследовании мозговой ткани с аутистическим расстройством [30]. Предполагают, что алюминий проявляет цитотоксичность: влияет как на нейроны, так и на нейрональные клетки, его содержание коррелирует с воспалительными клетками. Накопления алюминия носят как внеклеточный, так и внутриклеточный характер. Нейротоксичность алюминия связывают с церебральной амилоидной ангиопатией [31]. В этом случае выявлены внутриклеточное накопление алюминия, связь с воспалительными клетками и клетками нейроглии.

Профессиональное воздействие для работников алюминиевой промышленности обусловлено вдыханием алюминиевой пыли и влиянием наночастиц алюминия на центральную нервную систему [26, 32]. Это происходит вследствие осаждения частиц в альвеолах и дальнейшего попадания их в кровоток, воздействия через носовую полость на обонятельный нейрон и всасывания через системное кровообращение сосудистой оболочки носовой полости. При осаждении частиц в легких развивается фиброз, при контакте алюминиевой пыли и сплавов с кожей развиваются дерматиты. У работников алюминиевой промышленности отмечается также высокий уровень алюминия в моче и плазме крови.

Соединения алюминия накапливаются в костях, где находятся остеобласты, которые выполняют функцию отложения солей кальция, тем самым ухудшается процесс кальцификации и развивается остеомаляция. Вместе с тем в организме с избыточным содержанием алюминия могут возникать гиперкальциемия и гиперкальциурия за счет нарушения баланса кальция, так как откладывающийся в костях алюминий препятствует нормальному процессу отложения солей кальция и вытесняет его. Гипокальциемия развивается в результате синдрома «голодных костей», который заключается в том, что отложенный в костях алюминий хелатирует с помощью дефероксамина и выводится из кости, костная ткань начинает поглощать в большом количестве избыточный кальций в крови, что и приводит к гипокальциемии и низкой концентрации паратиреоидного гормона в сыворотке крови [33]. Период полувыведения алюминия в костной ткани очень длителен и может исчисляться годами. Такие процессы особенно опасны для детей, так как у них формируется костная ткань, но характерны и для людей других возрастных групп, у которых существуют проблемы с почечной функцией, находящихся на гемодиализе/перинеальном диализе/полном парентеральном питании. Алюминий может связываться с трансферрином, что приводит к негативным последствиям [25, 26]. Кроме того, сообщают, что при введении крысам алюминия в дозе 200 мг/кг значительно снижается уровень гемоглобина, лейкоцитов, нарушается регуляция приобретенного иммунного ответа [34, 35].

Алюминий может негативно влиять на органы желудочно-кишечного тракта. По данным одного из исследований [36], воспалительные процессы в толстой кишке обусловлены увеличением количества воспалительных цитокинов, а также алюминий-индуцированной дисфункцией эпителиального барьера, негативным влиянием на экспрессию белков, которые помогают кишечнику выполнять свою барьерную функцию.

Алюминий воздействует на эстроген, передачу сигналов эстрогена и снижает уровень других антиапоптотических молекул. К тому же алюминий влияет на митохондрии и проявляет токсичность, которая может вызывать их дисфункцию. В одном из экспериментов алюминия хлоргидрат индуцировал увеличение активных форм кислорода, что способствовало возникновению окислительного стресса в нервных клетках. Исследователи выявили влияние алюминия хлоргидрата на определенные белки рецепторов эстрогена: ERα и ERβ. В частности, он понижал уровень ERβ и повышал уровень ERα, притом что ERβ обладает антиоксидантными и антиапоптозными свойствами и повышение ERα может способствовать ослаблению этих функций. Хлоргидрат алюминия уменьшал индуцирование ERβ как в недифференцированных, так и в нейронально дифференцированных клетках нейробластом. Соединения алюминия влияют на передачу сигнала эстрогена при чувствительном к эстрогену раку молочной железы, индуцируя повышение уровня альфа-белка рецептора эстрогена и др. [37].

Острая токсичность и экотоксичность алюминия показаны в табл. 2, 3. Хроническая токсичность наиболее изучена для алюминия хлорида (табл. 4).

Таблица 2 / Table 2

Острая токсичность алюминия

Acute aluminum toxicity

* LD₅₀ — средняя летальная доза; ** LC₅₀ — средняя летальная концентрация.

Таблица 3 / Table 3

Экотоксичность алюминия

Aluminum ecotoxicity

* LC₅₀ — средняя летальная концентрация.

Таблица 4 / Table 4

Хроническая токсичность алюминия хлорида [38]

Chronic toxicity of aluminum chloride [38]

Перспективные способы выведения алюминия из организма человека и животных

Одним из вариантов решения проблемы токсического действия алюминия на здоровье человека заключается в применении материалов с металлсвязывающей активностью. Наиболее перспективными из них являются некрахмальные полисахариды. Их основными источниками служат наземные растения, морские водоросли и травы, некоторые виды бактерий и грибов [39]. Различные типы некрахмальных полисахаридов обладают разнообразными биологическими свойствами и отличаются по типу воздействия на здоровье человека. Наибольший интерес вызывает их способность взаимодействовать с тяжелыми металлами с образованием ионно-координационных связей с участием карбоксильных и гидроксильных групп пиранозных циклов уроновых кислот соседних полимерных цепей [40–42]. Это свойство позволяет использовать полиурониды для предупреждения всасывания токсичных металлов из кишечника в кровь и выведения депонированных в организме ионов металлов [43].

Японские ученые идентифицировали два алюминиево-толерантных штамма: Альт-OF2 и Альт-ОФ5 дрожжей, принадлежащих роду Schizoblastosporion, как абсорбирующие алюминий. Предложено использование данных штаммов дрожжей для извлечения ионов алюминия из обработанных пищевых продуктов [44].

В ходе исследований на мышах, получавших алюминия хлорид, лечение изоринхофиллином привело к снижению уровня малонового диальдегида, усилению активности супероксиддисмутазы и каталазы, увеличению уровня глутатиона, подавлению активности ацетилхолинэстеразы в тканях мозга мышей. Эксперимент продемонстрировал, что изоринхофиллин снижает нарушения обучения и памяти, вызванные солью алюминия у грызунов [45].

В эксперименте на крысах после совместного введения силимарина с хлоридом алюминия обнаружено исправление нейрональных повреждений в тканях гиппокампа крыс, вызванных введением хлорида алюминия [46]. Другие исследователи при введении животным D-(-)-хинной кислоты наблюдали уменьшение гистопатологических изменений у животных с алюминий-хлорид-индуцированной деменцией типа болезни Альцгеймера [47].

При когнитивных нарушениях, вызванных хлоридом алюминия, одновременный прием цитиколина и сульфата магния показал значительное увеличение индекса дискриминации в распознавании объектов и времени задержки в тесте пассивного избегания на мышах-альбиносах. Таким образом, цитиколин предотвращает ухудшение памяти, вызванное хлоридом алюминия, а сульфат магния инвертирует деструктивное воздействие последнего на память [48].

Заключение

Аналитический обзор проведен в рамках изучения механизмов действия алюминия и алюминийсодержащих соединений и поиска новых средств связывания и выведения. Благодаря изучению физико-химических свойств и влияния на организм человека и млекопитающих алюминия и его соединений стало возможным развитие перспективных методов лечения интоксикации алюминием. По анализируемым исследованиям можно выделить основные органы и системы, наиболее подверженные влиянию алюминия: нервную (головной мозг), дыхательную (легкие) и опорно-двигательную (кости) системы, печень, органы желудочно-кишечного тракта. В связи с широкой распространенностью алюминия в окружающей среде вопрос о снижении его токсического действия остается актуальным. На сегодняшний день ученые совершенствуют уже существующие методы терапии, исследуют новые способы снижения концентрации алюминия в живых организмах для профилактики и лечения интоксикации этим элементом.

Об авторах

Виктория Евгеньевна Кутай

Email: kutai_ve@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1419-6588
SPIN-код: 5979-4221

ассистент, аспирант 3-го года обучения Департамента фармации и фармакологии Школы биомедицины

Василий Юрьевич Цыганков

Автор, ответственный за переписку.
Email: tsig_90@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5095-7260
SPIN-код: 5047-8410
Scopus Author ID: 56150726400
ResearcherId: J-4069-2013

канд. биол. наук, доцент, доцент Международной кафедры ЮНЕСКО «Морская экология» Института Мирового океана

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рисунок. Жизненный цикл алюминия в окружающей среде [6]

Скачать (252KB)

Метаданные