ما هي الفلزات الثقيلة؟

يشير مصطلح الفلزات الثقيلة إلى أي عنصر كيميائي فلزي له كثافة عالية نسبيًا ويكون سامًا أو سامًا بتركيزات منخفضة وتشمل أمثلة المعادن الثقيلة الزئبق (Hg) والكادميوم (Cd)والزرنيخ (As)والكروم (Cr) والثاليوم (Tl)والرصاص (Pb).

المعادن الثقيلة

هي مكونات طبيعية للقشرة الأرضية لا يمكن تحطيمها أو تدميرها، وهي تدخل أجسامنا إلى حدٍ ما عن طريق الطعام ومياه الشرب والهواء. كعناصر نادرة فإنّ بعض المعادن الثقيلة (مثل النحاس والسيلينيوم والزنك) ضرورية للحفاظ على عملية التمثيل الغذائي في جسم الإنسان.

ومع ذلك يمكن أن تؤدي التركيزات العالية إلى التسمم يمكن أن ينتج التسمم بالمعادن الثقيلة، على سبيل المثال من تلوث مياه الشرب (مثل أنابيب الرصاص) وتركيزات عالية في الهواء المحيط بالقرب من مصادر الانبعاثات أو المدخول عبر السلسلة الغذائية.

يشار إلى الفلزات الثقيلة عمومًا إلى المعادن ذات الأوزان الذرية المرتفعة نسبيًا في حدود (63.5 – 200.6 جم/ مول) والكثافات التي تزيد عن 5 جم/ سم³. على الرغم من أنّ الجسم يتطلب كميات قليلة من بعض أيونات المعادن الثقيلة، مثل (Zn₂) ،(Mn₂) ،(Fe₂) ،(Cu₂) للنمو وصحة الجسم إلّا أنّ المستويات العالية منها سامة ومن ناحية أخرى، يعتبر البعض منها (Pb₂ ،Hg₂ ،As₃ ،Cd₂) ملوثات ومواد سامة حتى بتركيزات منخفضة للغاية، والتي يمكن اعتبارها خطرًا على صحة الإنسان والبيئة يمكن أن يحدث التسمم بالمعادن الثقيلة بسبب التعرض الصناعي والهواء الملوث والمياه ودورات الغذاء والأدوية وما إلى ذلك.

تتطلب التعريفات الأخرى الأوسع نطاقاً “للمعادن الثقيلة” كتلة ذرية أكبر من 23 أو عددًا ذريًا يتجاوز 20 هذه التعريفات عرضة للخطأ ومربكة للغاية، ويتسبب كلا التعريفين البديلين في إدراج حتى اللافلزات وبالرجوع إلى معيار الكتلة الذرية فإنّ أقصى عدد من العناصر المصنفة على أنّها صواريخ “معادن ثقيلة” يصل إلى 99 من إجمالي 118 لبنة بناء، بالرجوع إلى الجدول الدوري للعناصر نتعلم أنّ المعادن الثقيلة بالمعنى الضيق (وفقًا لمعيار الكثافة) تشغل نصيب الأسد أي الأعمدة (3 – 16) للفترات من (4 إلى 6) والتي تشمل المعادن الانتقالية ومعادن ما بعد الانتقال واللانثانيدات.

كيف يتم الكشف عن الفلزات الثقيلة؟

يتضمن التقدير الكمي للمعادن الثقيلة تقنيات راسخة مثل الطرق الكيميائية الرطبة (قياس الجاذبية والمعايرة والقياس اللوني) وقياس طيف الانبعاث الذري أو البلازما المقترنة والبلازما المقترنة حثيًا مع الكشف الطيفي الكتلي أو مطيافية الامتصاص الذري، علاوةً على ذلك كثيرًا ما يتم الإبلاغ عن أقطاب كهربائية انتقائية متنوعة لتحديد المعادن الثقيلة وحاليًا توجد أنظمة حسية جديدة وقوية وحساسة وانتقائية وغير مكلفة وسريعة، كيميائية وبيولوجية.

ترتبط هذه التطورات في الكيمياء التحليلية حاليًا ارتباطًا وثيقًا بتقنية النانو علاوةً على ذلك، تمّ أيضًا تطوير ما يسمى بأجهزة استشعار المعمل على الورق لتحديد المعادن الثقيلة وهذا المستشعرالذي يتم تشغيله بواسطة إنزيم ثابت هو مثال لما يسمى بالمستشعرات الحيوية التي تجمع بشكل تآزري بين المجالات العلمية للتكنولوجيا الحيوية والإلكترونيات الدقيقة.

تتكون هذه “المستشعرات الحيوية” من مكون بيولوجي معطل في تركيبة مع محول طاقة كتقنية حديثة جدًا، يمكن استخدام ما يسمى بأجهزة الاستشعار الفلورية المشفرة وراثيًا لرصد المعادن الثقيلة داخل الخلايا البيولوجية وقد تمّ بالفعل تقييمها لتحديد المعادن الثقيلة مثل الزنك والنحاس والرصاص والكادميوم والزئبق والزرنيخ.

كيف يتم إطلاق الفلزات الثقيلة في البيئة؟

يتم إطلاق هذه الفلزات الثقيلة في البيئة عن طريق كل من المصادر الطبيعية والبشرية مثل التفريغ الصناعي وعوادم السيارات والتعدين، على عكس الملوثات العضوية، فإنّ المعادن الثقيلة غير قابلة للتحلل وتميل إلى التراكم في الكائنات الحية وفي الواقع من المعروف أنّ معظمهم من المواد المسببة للسرطان المحتملة. تُعرف العديد من المخاطر الصحية المعاكسة بسبب التعرض الطويل الأمد والمستمر للمعادن الثقيلة، وذلك نظرًا لأنّها غير قابلة للتحلل وتميل إلى التراكم البيولوجي ويجب وضع طرق مناسبة لإزالتها بكفاءة من البيئة.

الآثار السلبية للفلزات الثقيلة

على الرغم من أنّ الأنشطة البشرية مثل العمليات الصناعية والتعدين والزراعية أدت إلى انتشار واسع للمعادن الثقيلة في النظم البيئية ممّا يشكل مخاطر على البيئة وصحة الإنسان. نظرًا لقدرتها على التراكم الحيوي على طول السلسلة الغذائية والسمية العالية والانتشار والثبات في البيئة أصبحت المعادن الثقيلة مصدر قلق رئيسي للصحة العامة، في الواقع أظهرت العديد من الدراسات في مراحل الحياة المبكرة لأسماك الزرد أنّ المعادن الثقيلة تسبب تأثيرات ضارة بما في ذلك السمية التنموية وموت الخلايا والسمية العصبية والإجهاد التأكسدي والسمية المناعية.

غالبًا ما يحدث تلوث البيئة بالمعادن الثقيلة نتيجةً للنفايات من محطات الطاقة والمبيدات الحشرية والأسمدة والتصنيع والأنشطة البشرية الأخرى، بشكل عام هذه المعادن الثقيلة لها آثار ضارة على صحة الإنسان، مثل ضعف الكلى والأضرار الشديدة للجهاز العصبي وحتى تطور السرطان، ولفهم الآلية السامة للمعادن الثقيلة من الضروري تحديد البروتينات التي تتفاعل مع أيونات المعادن الثقيلة وتحليل هذه البروتينات بشكل أكبر عن طريق تفاعلات البروتين والتتحقق من اختلال وظائف البروتين قبل آلية السمية.