Toxische zware metalen

In de natuur komen giftige planten, dieren en bacteriën voor. Sommige diersoorten gebruiken gif om een prooi te kunnen vangen, andere om zich tegen aanvallers te verdedigen. Vergif is een stof die door een chemische reactie met een organisme deze laatste beschadigt, van eigenschappen en dus werking verandert. We onderscheiden vier groepen giftige stoffen, dierlijke gifstoffen (zoals slangengif), plantaardige gifstoffen zoals schimmels, minerale gifstoffen zoals kwikverbindingen, synthetische gifstoffen zoals dioxine. Vergif heeft een schadelijke invloed op het organisme. Het begrip wordt vooral op chemische verbindingen toegepast. Basisprincipe van de toxicologie is dat iedere stof, die in overmaat aanwezig is, schadelijk is. Voor iedere stof bestaat een drempelwaarde waarbij nog geen nadelig effect in het organisme aantoonbaar is.

Wat is een metaal

Metallische binding en de vorming van kristalroosters

De (valentie) elektronen in de buitenste baan van het metaalatoom worden gemakkelijk door het atoom losgelaten en zwerven door het stuk metaal als een negatieve elektronenwolk die zich beweegt tussen de positieve metaalionen. De aantrekkingskracht tussen positieve ionen en de elektronenwolk is de metaalbinding.

• Metaalbinding en de ordelijke stapeling van atomen tot metaalroosters is een kenmerk van metalen.
• Door de vrije elektronen geleiden metalen elektriciteit goed.
• De geordende trillende atomen geven warmte (trillingsenergie) door botsingen ('biljartballen')aan elkaar door, daarom is metaal een goede warmtegeleider.
• Metalen zijn door de metaalbinding en de atomen die relatief gladde roostervlakken vormen die langs elkaar kunnen glijden, gemakkelijk te vervormen.
• Metaalbindingen komen gemakkelijk tussen verschillende metaalatomen tot stand, waardoor legeringen gevormd worden.

Veel voorkomende metaalroosters:

• Kubisch ruimtelijk gecenterd rooster (KRC)
• Kubisch vlakken gecenterd rooster (KVC)
• Hexagonaal rooster met dichtste bezetting (HEX.D.B)

Metalen algemeen

• Van de elementen op aarde zijn 64 (70%) metalen en 9% halfmetalen (metalloïden), de rest zijn niet metalen.
• Een metaal (ion) is elektrisch positief geladen en vormt met een 'niet metaal' een zout en met koolstof een organische verbinding.
• Metaal reageert in een biologische systemen door het afstaan van een of meerdere elektronen, zodat het metaal-ion positief wordt en zich kan binden aan een koolstof atoom, wat een een (organische) metaalverbinding is en vormt zich zo toegang tot een bio-molecule van een levend organisme. Het metaal-ion wordt door het koolstof atoom als het ware naar binnen getrokken.
• Metalen verschillen van ander toxische stoffen doordat ze niet vernietigd kunnen worden, de evolutie moest leren er mee om te gaan en heeft ze als spoorelementen verwerkt in een aantal bio-moleculen, waar ze onmisbaar zijn, het zijn voor ons bio-systeem essentiële metalen.
• Zeldzame metalen worden steeds vaker gebruikt in de chemotherapie en micro-elektronica, zodat er steeds meer zeldzame metalen in ons milieu komen.

Niet essentiële metalen

Deze zijn niet nodig voor een normale stofwisseling in ons lichaam. Vaak zijn deze metalen zwaar toxisch, bijvoorbeeld kwik, lood, cadmium, arsenicum.

Essentiële metalen

Levende organismen hebben een aantal metalen in beperkte hoeveelheden nodig, deze zijn essentieel voor de gezondheid, bijvoorbeeld bouwstenen van enzymen. Ook essentiële metalen worden in grotere concentraties toxisch. Niet te vermijden dat de mens met metalen in contact komt. Vele metalen hebben een functie in biologische processen. Dit zijn de essentiële metalen. Het leven is geëvolueerd in aanwezigheid van metalen en geleerd te gebruiken als bouwstenen, als het voordelen opleverde.

Definitie van zware metalen

Zware metalen zijn metalen met een grote atoommassa. Lichamelijk contact met deze metalen is niet te voorkomen, ze hopen zich langzaam op in ons lichaam, zonder dat we gelijk ziek worden. Het begrip zware metalen definiëren we als volgt: Alle metalen met atoomnummers 23 (vanadium) tot en met 83 (bismuth), behalve de (aard)alkalimetalen, echter wel barium en de niet-metalen arseen, seleen en telluur, omdat ze in de praktijk dezelfde soort problemen veroorzaken. Zware metalen is dus eigenlijk een onjuiste naam. In de praktijk hebben we vooral te maken met Arseen (As) - Kwik (Hg) - Lood (Pb) - Zink(Zn) - Vanadium (V) - Zilver(Ag) - Nikkel (Ni) - Chroom III (Cr III) - Chroom VI (Cr VI) - Cadmium (Cd) - Kobalt (Co).

Spoorelementen

Een aantal ‘zware metalen’ vervult belangrijke functies in enzymsystemen van bacterie, plant, dier en mens. Als ze ontbreken treden (gebrek)ziekten op. Maar boven de toelaatbare inname worden die zelfde metalen schadelijk. Metalen zoals chroom, kwik, koper, arseen, antimoon, enzovoort komen in meerdere waardigheden(valentie) voor. Deze waardigheden (oxidatiestaten) verschillen in toxiciteit en mobiliteit. Vluchtige verbindingen van zware metalen komen weinig voor, ze zijn gevaarlijk voor de mens omdat de opname via de longen veel groter is dan via het voedsel. De damp van metallisch kwik wordt bijvoorbeeld via de longen voor circa 75% opgenomen, opname via maag en darmen is echter circa 10 %.

Toxiciteit van metalen

Afhankelijk van het metaal, dosis en blootstellingsduur kunnen metalen een toxische werking hebben. Voor zware metalen wordt de veilige dosis opgegeven waaronder geen schade optreedt. Er zijn niet alleen verschillende metalen, maar ook verschillende bindingsvormen. Kwik als metallische vorm (druppels kwik), als oxide, als zout (kwikchloride, kwiksulfide) of als organische kwikverbinding (methylkwik). Deze bindingsvormen verschillen in toxiciteit en in opneembaarheid door het lichaam, zonder nadere toelichting kunnen we geen uitspraak doen over de toxiciteit van een metaal.

Valentie

De mate van toxiciteit word direct bepaald door de (valentie) van het metaal, driewaardig chroom (Cr |||) is een essentieel metaal, maar zeswaardig chroom Cr(V|) is zeer giftig. Kwik gebonden aan een C-atoom is organisch kwik (Methylkwik) en is zwaar giftig.

Chronische ziekten

Tegenwoordig zijn we gericht op chronische ziekte door langdurige blootstelling aan lagere concentraties toxische metalen.
Een aantal metalen veroorzaken kanker. Het is niet eenvoudig het toxisch effect van een metaal te bepalen. Vaak betreft het de invloed van meerdere stoffen, zelden worden we blootgesteld aan een enkel metaal. De oorzaak van chronische vermoeidheid, maar ook van psychische problemen, onder de maat presteren en (jeugd) criminaliteit, zoeken de huisartsen niet gelijk bij chronische vergiftiging door metalen, maar het kan de oorzaak zijn.

Waarom zijn metalen toxisch?

Metalen maken ionische verbindingen met andere elementen (chemische reacties) zoals zuurstof, zwavel en stikstof. Ook gaat een metaal een verbinding aan met koolstof, wat een organische verbinding is. Het vermogen van een metaal om een elektron aan te trekken of een elektron af te staan, maakt dat metalen zich relatief gemakkelijk hechten aan atomen/ionen van biomolekulen, waardoor de eigenschappen van deze molekulen veranderen en de lichamelijke processen verstoren.

De verplaatsing van metalen

• De verplaatsing van metalen in het milieu gebeurt door geologische en biologische kringlopen.
• Geologisch: regenwater lost erts in gesteente op en vervoert de metalen naar rivieren en grondwater.
• Biologisch kunnen metalen opgenomen worden door plant en dier en komen in een biologische kringloop terecht.
• Cadmium komt voornamelijk in het milieu door industriële activiteiten, het wordt verspreid door water en als stof verspreid.
• Kwik wordt ver van de plaats van oorsprong gevonden, bijvoorbeeld in Groenland. Bij kwik spelen meer factoren een rol, zoals verbinding met een CH3 groep, dat is een giftige organische verbinding (methylkwik), het komt in vissen en andere organismen terecht en tenslotte in de mens.

Mechanismen van Toxiciteit

Er is niet een uniform mechanisme van toxiciteit, omdat de chemische eigenschappen van metalen verschillend zijn.
Metalen kunnen zich met cellen binden via liganden, dit zijn molekulen op de cel met negatieve uitsteeksels die (positieve) metaal ionen invangen.
Cadmium en kwik gaan verbindingen aan met zwavel in eiwitten. Dit tast de werking van biomoleculen aan.
De activiteit van enzymen wordt beinvloed door toxische metalen.

Nabootsing

• Een Toxische metaal kan zich "vermommen" door te spelen met zijn valentie-elektronen en de plaats innemen van een essentieel metaal-atoom en de chemische lichaamsprocessen verstoren.
• Cadmium, koper en nikkel kunnen zich vermommen als zink.
• thallium als kalium.
• mangaan als ijzer.
• arsenicum en vanadium als fosfaat.
• Selenium, molybdeen en chromaat vermommen zich als sulfaat.
• Metaal met een C-atoom, vermomt zich als een biologische verbinding.
• Kwik gebonden aan een C-atoom heet methylkwik en is zeer giftig.

Aanpassing van het lichaam aan toxische metalen

• Arsenicum: aanpassing door opname en uitscheiding, maar ook door het metaal op te slaan in niet-actieve vorm. Aanpassing gebeurt op cellulair niveau, het arsenicum wordt steeds in voldoende mate weer uitgescheiden er ontstaat een dynamisch evenwicht tussen inname en uitscheiding.
• Lood: het opbergen in insluitlichaampjes, die in verschillende organen kunnen voorkomen . Eiwit dat het lood grotendeels immobiliseert. Niet genoeg insluitlichaampjes: toxische invloed van lood veel groter en kan het zelfs kanker veroorzaken.
• Cadmium: als afweer zal een verhoogde productie van bepaalde eiwitten optreden die zwavel bevatten waaraan cadmium zich bindt

Het Contact

• Plaats van het eerste contact is meestal ook het orgaan dat het meest wordt aangetast (vaak de longen).
• Kinderen zijn gevoeliger voor metalen dan volwassenen. Bij kinderen meestal door de voeding. Kinderen consumeren meer calorieën per kg lichaamsgewicht dan volwassenen. Bovendien absorberen kinderen metalen beter uit de darm dan volwassenen.
• Metalen als arsenicum, nikkel, lood, chroom en methyl-kwik kunnen de placenta passeren naar de baby en geboorteafwijkingen veroorzaken

Roken

Sigarettenrook bevat kankerverwekkende toxische metalen, zoals cadmium en polonium. Het meeroken is bijna even schadelijk. Extra onverantwoord is dat vrouwen tijdens de zwangerschap roken.

De diagnose van metaal-intoxicatie bij langdurige blootstelling

Bloed en urine kunnen representatief zijn voor aantonen van vergiftiging door zware metalen, maar voor een chronische intoxicatie is een provocatietest (zie aldaar) onontbeerlijk. Haar is in beperkte mate een biomarker voor een vroeger doorgemaakte intoxicatie. maar geeft geen informatie over de huidige situatie.

Half-waarde tijd

Half-waarde tijd is de tijd die een orgaan nodig heeft om de helft van het toxische metaal uit te scheiden.
Half-waarde tijd van cadmium in de nieren en lood in het bot is 20-30 Jaar.
Voor arsenicum en lithium is dat slechts dagen.
Half-waarde tijd voor lood in het bloed is een paar weken, maar in het bot een paar jaar.
Na inademen van kwikdamp ontstaat er een halfwaarde tijd in de hersenen enkele weken, in andere organen soms jaren.

Symptomen van metaalvergiftiging

Chronische metaalvergiftiging, door lange tijd contact met kleine hoeveelheden zware metalen, waarvan de symptomen in het begin niet of nauwelijks waarneembaar zijn maar op de lange duur uitgroeien tot serieuze ziektes. De chronische metaalvergiftiging is niet makkelijk te herkennen, omdat de symptomen vaak vele andere oorzaken kunnen hebben:

• Vermoeidheid
• Spijsverteringsproblemen
• Vertraagde vetverbranding
• Pijnlijke gewrichten
• Depressies
• Verhoogde bloedsuikerspiegel
• Menstruatieproblemen, onvruchtbaarheid, miskramen, hoge bloeddruk tijdens zwangerschap en vroeggeboorte

Zware metalen waar we dagelijks aan bloot staan

Kwik

Een kankerverwekkende stof. Kwik tast de zwavelverbindingen in insuline aan, waardoor het gevaar van diabetes toeneemt. Kwik zit in amalgaamvullingen, vis en glucose-fructosesiroop etc.

Aluminium

Kan osteoporose veroorzaken, nervositeit, bloedarmoede, hoofdpijn, slechtere lever- en nierfunctie, spraakstoornis, geheugenverlies. Dit zware metaal zit in water, voedingsmiddelen, aluminium keukengerei, okselfris en sommige medicijnen.

Lood

Kan ernstige gezondheidsklachten veroorzaken, zoals hersenschade en gedragsverandering (verlaagd IQ), hoge bloeddruk en chronische nieraandoeningen. Lood zit vaak in oude verf, batterijen en producten gemaakt van rubber of glas. en in staalsoorten die op automaten verspaand worden.

Cadmium

Leidt tot kanker, nierziekte, schade aan longen en brosheid van de botten. Cadmium komt in het milieu via fabrieken, mijnen en afval, het bindt zich aan stoffen in de grond en lost op in water en komt tenslotte terecht in onze voedselketen. Orgaanvlees (lever en nieren) en schaaldieren kunnen hoge concentraties cadmium bevatten. Mensen die roken krijgen een grote dosis cadmium binnen.

Nikkel

Teveel nikkel in het lichaam is vergif. We zijn via de lucht blootgesteld aan nikkel door uitlaatgassen, sigarettenrook en industriële luchtvervuiling. Daarnaast komen we in contact met nikkel, bijvoorbeeld via voedsel, nikkelen munten, juwelen, lichaamsimplantaten, keukengerei etc.

Arsenicum

Langdurige blootstelling aan arsenicum kan leiden tot blaas-, long-, huid-, neus-, lever- en prostaatkanker. Je kunt met arsenicum in aanraking komen door bijvoorbeeld rook of zaagsel van met arsenicum bewerkt hout in te ademen.

Molybdeen

Molybdeen en molybdeen verbindingen in grotere hoeveelheden zijn toxisch. In Molybdeen verwerkende industrieën zoals de staal industrie, kunnen de gevolgen o.a zijn: leverbeschadiging, jicht (pijn in knieën, handen en voeten) spraakgebrek, bloedproppen en oedeem.

Chroom-6

Chroom-6 hecht zich gemakkelijk aan andere materialen en wordt o.a. verwerkt worden in staal, hout, verf en plastic. Het beschermt materialen tegen corrosie. In vaste vorm kan het geen kwaad, maar als stof kan een kleine hoeveelheid kanker veroorzaken. 'Chroom-6 werkt op het genetisch materiaal: het tast het DNA aan waardoor tumoren ontstaan. De kans op longkanker is het grootst, drie manieren waarop chroom-6 in het lichaam kan komen: via de huid (bijvoorbeeld bij het zweten), door inademen en door inslikken. In het stof dat bij het schuren van defensie materieel werden zeer hoge hoeveelheden chroom-6 aangetroffen. Een verflaag op een oud huis met daarin chroom-6 is ongevaarlijk, het gaat niet verstuiven. Het zagen van geverfde planken, loopt weinig risico.

Hoe vergiftiging door zware metalen te voorkomen

• Er zitten zware metalen in verf, sigarettenrook en amalgaamvullingen, in voedingsmiddelen, medicijnen, kookgerei, speelgoed, drinkwater en in de lucht.
• Een metaalvergiftiging kan leiden tot ziektes, waaronder neurologische aandoeningen en kanker.
• Als het lichaam een gebrek heeft aan essentiële metalen, worden deze plaatsen ingenomen door aanwezige toxische metalen.
• Geen sieraden die zware metalen bevatten, het dringt door de huid heen.
• Pannen gemaakt van aluminium of roestvrij staal en anti-aanbakpannen zijn van zware metalen gemaakt.
• Gebruik voor keukengerei, glas of geëmailleerd metaal.
• Kies voor schoonmaakmiddelen die vrij van zware metalen zijn.
• Gebruik geen cosmetische producten die aluminium bevatten.

Zware metalen vergiftiging

• Zware metalen waaraan we in het verleden zijn blootgesteld moeten op een natuurlijke manier uit het lichaam verdwijnen.
• Selenium in voeding verkleind de risico op kanker.
• Kwikdamp die wordt geïnhaleerd is schadelijker dan dezelfde hoeveelheid vloeibaar kwik dat wordt ingeslikt.
• Veel vergiften worden als geneesmiddelen gebruikt en als chemisch bestrijdingsmiddel tegen plantenziekten en plagen. Veel van de gevaarlijkste vergiften zijn neurotoxinen.
• De werking van vergif is gebaseerd op ontregeling van lichaamsprocessen. Vergiften kunnen het zuurstoftransport blokkeren (koolmonoxide), of zenuwen verlammen door blokkeren van neurotransmitters. Zware metalen kunnen enzymen blokkeren. Halogenen reageren vrijwel met iedere stof in het lichaam. Natriumhydroxide breekt vetachtige verbindingen af .
• chronische vergiftiging met toxische metalen, zoals lood, kwik, cadmium, etc. Lood belemmert de werking van de hersenen, bloedvaten en nieren. Kwik dat immuunsysteem en darmen belaagt, en voedselallergie ontstaat. Cadmium verzamelt zich in lever, alvleesklier en nieren. Lood en cadmium krijgen we meestal binnen via de lucht. Er zijn meer giftige metalen, zoals arseen en aluminium.

Synthetische stoffen

Opname van stoffen via ingeademde lucht is onvermijdelijk. Daarom wordt een MAC bepaald (Maximaal Aanvaardbare Concentratie in de lucht). Een uiterst giftige synthetische stof is dioxine. LD50 dat is de dosis waarbij de helft van de proefdieren overlijdt. Voor dioxine blijkt de LD50 bij ratten 1 microgram per kilo lichaamsgewicht te zijn, dat is laag.

Teratogeen

Soms is de mens gevoeliger voor vergif dan proefdieren. Het medicijn Softenon (thalidomide), een middel tegen ochtend misselijkheid bij zwangere vrouwen, kwam na tests op ratten in de handel. Het veroorzaakte afwijkingen bij ongeboren kinderen. Ratten blijken ongevoelig. Softenon wordt teratogeen genoemd. Een teratogene stof veroorzaakt afwijkingen bij het ongeboren kind, door beschadiging van het DNA.

Mutageen

Een stof is mutageen als hij het DNA beschadigt. Medicijnen of andere stoffen kunnen mutageen werken. Mutaties kunnen tot erfelijke afwijkingen leiden en tot kanker. Veel stoffen die mutageen werken in bacteriën blijken in hogere organismen carcinogeen (kankerverwekkend) of teratogeen te zijn.

De Ames-test

In de Ames-test worden bacteriën bestudeerd op hun natuurlijke voedingsbodem. De te testen stof wordt toegevoegd. Gaan enkele bacteriën versneld groeien, dan is er erfelijk materiaal veranderd, de stof is mutageen. Als een stof volgens de Ames-test mutageen is, hoeft hij bij de mens niet kankerverwekkend te zijn, maar de stof wordt tot nader order als verdacht beschouwd en als zodanig behandeld.

Provocatie-test

Deze provocatietest meet de uitscheiding van toxische metalen in de urine na toediening van chelerende substanties. Een chelerende substantie is een stof die toxische metalen bindt en deze via de urine afvoert. Vastgesteld kan worden hoeveel zware metalen zich in het lichaam bevinden.

Lees verder

• Zware metalen aantonen