Toxicidad de los metales

La toxicidad o intoxicación por metales es la toxicidad que afecta a plantas, animales o humanos debido a la concentración excesiva de metales . En bajas concentraciones, metales como el cobre , el hierro , el manganeso y el zinc son nutrientes esenciales que se obtienen a través de la dieta y que mantienen la salud, pero tienen toxicidad en altas concentraciones de exposición. ^{[ 1 ]} Otros metales que no tienen funciones biológicas en los animales, pero que tienen potencial de toxicidad incluyen el arsénico , el cadmio , el plomo , el mercurio y el talio . ^{[ 2 ] [ 1 ] [ 3 ]} La exposición a metales, principalmente debido a la exposición ocupacional o la contaminación ambiental , puede aumentar la concentración de metales a un rango peligroso.

Algunos metales son tóxicos cuando forman compuestos solubles venenosos que interfieren con sistemas enzimáticos , como la superóxido dismutasa , la catalasa o la glutatión peroxidasa . ^{[ 2 ]} Solo los compuestos solubles que contienen metales son tóxicos al formar complejos de coordinación , que consisten en un ion metálico rodeado de ligandos . ^{[ 2 ]} Los ligandos pueden variar desde agua en complejos acuosos de metales hasta grupos alquilo, como en el tetraetil plomo .

Los complejos metálicos tóxicos pueden desintoxicarse mediante su conversión en derivados insolubles o mediante su unión a entornos moleculares rígidos utilizando agentes quelantes. Una opción para el tratamiento de la intoxicación por metales puede ser la terapia de quelación , que consiste en la administración de agentes quelantes para eliminar los metales del organismo. ^{[ 1 ]}

Un metal pesado tóxico es un término común pero engañoso para un elemento similar a un metal conocido por su potencial toxicidad. ^{[ 4 ]} No todos los metales pesados ​​son tóxicos y algunos metales tóxicos no son pesados. ^{[ 5 ]} La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), que estandariza la nomenclatura, dice que el término " metales pesados " es a la vez sin sentido y engañoso. ^{[ 6 ]} El informe de la IUPAC se centra en las implicaciones legales y toxicológicas de describir "metales pesados" como toxinas cuando no hay evidencia científica que respalde una conexión. La densidad implícita en el adjetivo "pesado" casi no tiene consecuencias biológicas, y los metales puros rara vez son la sustancia biológicamente activa. ^{[ 6 ] : 795} Esta caracterización ha sido secundada por numerosas revisiones. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 4 ]} El libro de texto de toxicología más utilizado, Toxicología de Casarett y Doull , ^{[ 9 ]} utiliza "metal tóxico", no "metales pesados". ^{[ 6 ] : 795} Sin embargo, muchos artículos científicos y relacionados con la ciencia, incluidos textos médicos, siguen utilizando "metal pesado" como término para sustancias tóxicas. ^{[ 5 ]}

A diferencia de la mayoría de las otras toxinas, los metales elementales no son creados ni destruidos por los humanos. Los metales tóxicos se encuentran de forma natural en la tierra y se concentran como resultado de las actividades humanas o se alteran químicamente, lo que puede aumentar los efectos tóxicos. ^{[ 9 ] : 932} Algunos efectos naturales también aumentan los metales tóxicos, incluyendo la erosión y los volcanes . ^{[ 10 ]} En algunos casos, procesos geoquímicos, como la acumulación en suelos de turba que luego se liberan cuando se drenan para la agricultura. ^{[ 11 ]} Las fuentes incluyen la minería , el refinado o la fabricación, la escorrentía industrial y urbana, las aguas residuales, los pesticidas en los cultivos, las tuberías metálicas que transportan agua potable, la contaminación del tráfico, las emisiones de la quema de carbón y otros diversos productos industriales y urbanos. ^{[ 2 ] [ 12 ]}

Exposición ocupacional

minería de oro

Los mineros artesanales de oro a pequeña escala corren un alto riesgo de exposición a metales tóxicos. ^{[ 13 ]} Si bien existe una amplia gama de metales duros tóxicos, el mercurio representa el mayor riesgo por inhalación e ingestión debido a la contaminación ambiental. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

El mercurio se utiliza comúnmente en la minería de oro a pequeña escala. Para ello, se suelen mezclar grandes cantidades de mercurio con materiales que contienen oro para crear una aleación de oro y mercurio llamada amalgama. ^{[ 16 ]} Para separar el oro, la amalgama se calienta en un horno, lo que provoca la vaporización del mercurio. ^{[ 16 ]} Durante este proceso, los mineros están expuestos directamente a los vapores de mercurio, y las comunidades circundantes pueden estar expuestas indirectamente a través del aire, el agua y el suelo contaminados. ^{[ 13 ]}

La inhalación continua de altos niveles de vapor de mercurio puede causar diversos efectos en la salud. La inhalación puede provocar temblores, cambios de humor, debilidad muscular, pérdida de memoria o dolores de cabeza. ^{[ 14 ] [ 16 ]} La exposición prolongada puede causar daño renal, insuficiencia respiratoria e incluso la muerte. ^{[ 17 ]} La ingestión de mercurio a través de agua, alimentos o suelo contaminados representa un gran riesgo para las mujeres embarazadas y sus fetos en desarrollo. ^{[ 13 ]} Al nacer, esto puede afectar las funciones cognitivas, la memoria, el desarrollo del lenguaje y las habilidades motoras finas de los bebés. ^{[ 17 ]}

A pesar de su uso generalizado en varios países, la exposición al mercurio en la minería artesanal de oro a pequeña escala es prevenible. ^{[ 14 ]} Las técnicas libres de mercurio, como la fundición directa , permiten la recuperación de oro sin necesidad de mercurio, lo que resulta en su eliminación. ^{[ 18 ]} En este método, se utiliza bórax para disminuir la viscosidad y la temperatura de fusión de los minerales que no son oro, de modo que puedan separarse fácilmente del oro. ^{[ 18 ]} Esto no solo mejora la salud de los trabajadores y la comunidad, sino que también reduce los costos y es respetuoso con el medio ambiente. ^{[ 19 ] [ 13 ]}

Construcción y renovación

En un informe de 2022 sobre las tendencias de exposición al plomo en el lugar de trabajo, los CDC de EE. UU . señalan que la construcción se encuentra entre las cuatro principales industrias con mayor riesgo de exposición al plomo. ^{[ 20 ]} En Ghana, los trabajadores que pintan o utilizan aerosoles/pinturas han sido analizados con la mayor prevalencia de niveles elevados de plomo en sangre en un estudio realizado sobre los niveles de plomo en sangre en grupos ocupacionales de alto riesgo. ^{[ 21 ]} Entre los diferentes usos de pintura en Irán, un pequeño estudio encontró que los pintores de automóviles y edificios tienen niveles elevados de plomo en sangre, siendo los pintores de automóviles los que tenían niveles más altos que los pintores de edificios. ^{[ 22 ]}

trabajadores agrícolas

La exposición al arsénico sigue siendo una preocupación importante en las comunidades agrícolas que dependen de agua subterránea no tratada para el riego de cultivos y el consumo. ^{[ 23 ]} Los estudios han encontrado niveles más altos de arsénico en la orina entre los trabajadores agrícolas expuestos a agua de pozo contaminada y pesticidas. ^{[ 24 ]}

Soldadores

Las personas que trabajan como soldadores pueden estar expuestas a humos metálicos porque la soldadura utiliza calor extremadamente alto, que convierte el metal en partículas muy pequeñas en suspensión en el aire. ^{[ 25 ]} Estos humos a menudo contienen metales como manganeso , cromo , níquel y plomo , dependiendo de los materiales que se suelden. ^{[ 26 ]} La inhalación de estas partículas durante un tiempo prolongado puede provocar diferentes problemas de salud, incluidos síntomas neurológicos asociados con el manganeso ^{[ 26 ]} e irritación pulmonar por los humos. La soldadura de acero inoxidable también puede generar cromo hexavalente , ^{[ 26 ]} que es un carcinógeno conocido. ^{[ 26 ]} La exposición a metales está regulada en la mayoría de los países. En los EE. UU., la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) establece límites de exposición permisibles para los metales que se encuentran en los humos de soldadura, mientras que el Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) identifica los límites de exposición recomendados . ^{[ 25 ] [ 26 ]} El uso de algunos controles de higiene industrial, como ventilación por extracción localizada, sistemas de extracción de humos, respiradores y monitoreo rutinario del aire, puede ayudar a proteger a los soldadores de la exposición a metales nocivos. ^{[ 25 ]} Debido a que la soldadura se utiliza ampliamente en la construcción, la manufactura y muchas otras ocupaciones, el control de los humos metálicos es esencial para mantener la salud y la seguridad de los trabajadores.

Reciclaje de metales y residuos electrónicos

Se ha constatado que la exposición ocupacional a PBDE provenientes del reciclaje de residuos electrónicos y baterías es un riesgo común para los trabajadores. En el sur de China, se han observado altas concentraciones de PBDE en sangre entre los trabajadores. El polvo superficial de los residuos electrónicos también puede inhalarse en forma de humos o entrar en contacto dérmico. Las partículas de polvo pueden quedar suspendidas en el aire, contribuyendo a la contaminación atmosférica, o filtrarse al agua y al suelo. ^{[ 27 ] [ 28 ]} La manipulación incontrolada de residuos electrónicos también supone un peligro para la salud pública; otro estudio ha demostrado que se han encontrado verduras cerca de vertederos de residuos electrónicos contaminadas con PBDE. ^{[ 29 ]}

Los metales con múltiples efectos tóxicos incluyen: ^{[ 9 ] : 932}

• La intoxicación por arsénico (As) se origina principalmente en aguas subterráneas que contienen de forma natural altas concentraciones de arsénico en el suministro de agua potable. ^{[ 2 ] [ 1 ]}

• La intoxicación por plomo (Pb), a diferencia de la intoxicación por arsénico, es causada por materiales industriales, como la gasolina con plomo y el plomo que se filtra de las tuberías . ^{[ 2 ] [ 1 ]} El uso de gasolina con plomo ha disminuido drásticamente desde la década de 1970. ^{[ 33 ] [ 34 ]} El plomo (proveniente de la azida de plomo(II) o el estifnato de plomo utilizados en armas de fuego) se acumula gradualmente en los campos de entrenamiento de armas de fuego, contaminando el medio ambiente local y exponiendo a los empleados del campo de tiro a un riesgo de intoxicación por plomo . ^{[ 35 ]}
• La intoxicación por berilio (Be) se atribuye a la capacidad del Be²⁺ ^para reemplazar al Mg²⁺ ^en algunas enzimas. ^{[ 36 ]} El Be ha sido clasificado por una agencia como carcinógeno. ^{[ 37 ]}
• La intoxicación por cadmio (Cd) cobró relevancia con el descubrimiento de la enfermedad itai-itai, causada por aguas contaminadas con cadmio provenientes de la minería en la prefectura de Toyama a partir de 1912. ^{[ 38 ]} El término se refiere a los fuertes dolores (en japonés :痛い, romanizado :  itai ) que las personas con esta afección sienten en la columna vertebral y las articulaciones. Se cree que el ^Cd²⁺ se acumula en los riñones, donde se une fuertemente al azufre de las proteínas que contienen cisteína . ^{[ 39 ]} El cadmio también está presente como material utilizado en muchos dispositivos electrónicos, por lo que puede filtrarse a las aguas subterráneas después de ser desechado en vertederos de residuos electrónicos. ^{[ 40 ]}
• La intoxicación por cromo (Cr) se debe principalmente al cromo hexavalente, Cr ⁺⁶ , que se genera como efecto secundario de los procesos industriales. Si bien el cromo hexavalente es un carcinógeno humano conocido y se ha extendido por el medio ambiente, se desconocen los efectos de la contaminación ambiental con este elemento. ^{[ 9 ] : 1122}
• La intoxicación por mercurio (Hg) cobró gran relevancia con el descubrimiento de la enfermedad de Minamata , que recibe su nombre de la ciudad japonesa de Minamata . En 1956, una fábrica de la ciudad vertió metilmercurio en sus aguas residuales industriales, lo que provocó miles de muertes y numerosos problemas de salud. ^{[ 41 ]} Este incidente alertó al mundo sobre el fenómeno de la bioacumulación . Si bien todos los compuestos de mercurio son tóxicos, los compuestos organomercuriales son especialmente peligrosos debido a su mayor movilidad. Se cree que el metilmercurio y sus compuestos relacionados se unen al azufre de los residuos de cisteína en las proteínas. ^{[ 42 ]}
• El níquel provoca dermatitis de contacto en hasta el 20 % de las personas como resultado del contacto prolongado con monedas o joyas. El procesamiento industrial con carbonilo de níquel altamente tóxico puede causar intoxicación aguda; la inhalación de níquel y compuestos de níquel en estos entornos puede causar cáncer de las vías respiratorias. ^{[ 9 ] : 1130}

El cromo, el arsénico, el cadmio, el mercurio y el plomo tienen una fuerte afinidad por el azufre; en el cuerpo humano, suelen unirse, mediante grupos tiol (–SH), a las enzimas responsables de controlar la velocidad de las reacciones metabólicas. Los enlaces azufre-metal resultantes inhiben el correcto funcionamiento de las enzimas implicadas; la salud humana se deteriora, a veces de forma fatal. ^{[ 43 ]}

Los elementos que son nutricionalmente esenciales para la vida animal o vegetal, pero que se consideran metales tóxicos en dosis altas u otras formas, incluyen: ^{[ 9 ] : 951}

• El cobalto (Co) es un oligoelemento esencial y poco común que los adultos necesitan en cantidades suficientes.0,1  μg al día como parte de la vitamina B12 . Niveles superiores10  mg al día pueden causar cardiomiopatías graves . ^{[ 9 ] : 1131}
• El cobre (Cu) es esencial para la salud humana y la toxicidad por cobre es rara y ocurre principalmente en enfermedades hereditarias del hígado. ^{[ 44 ]}
• El hierro (Fe) es necesario para la hemoglobina en los glóbulos rojos. Los grandes excesos de hierro provenientes de suplementos dietéticos, del orden de0,5  g , puede causar intoxicación aguda por hierro . ^{[ 9 ] : 1134}
• El magnesio (Mg), importante para muchos tipos de reacciones en las células, rara vez representa un peligro a menos que lo ingieran personas con insuficiencia renal grave o como fiebre por humos metálicos proveniente del óxido de magnesio . ^{[ 9 ] : 1135}
• La inhalación de manganeso (Mn) durante la minería causa intoxicación por manganeso . ^{[ 45 ] : 311}
• El molibdeno (Mo) es un elemento esencial con baja toxicidad. Su toxicidad se asemeja a la deficiencia de cobre, y el tratamiento con cobre reduce los efectos tóxicos del molibdeno. ^{[ 9 ] : 1137}
• El selenio (Se) es un nutriente necesario para la formación de selenoproteínas ; cantidades insuficientes provocan la enfermedad de Keshan . El exceso de selenio causa selenosis . Sin embargo, el elemento en sí tiene baja solubilidad y las formas biológicamente activas son los iones +6, +4 y +2. ^{[ 9 ] : 951 [ 46 ]}
• El zinc (Zn) tiene una ingesta diaria recomendada de 15  mg y solo es tóxico a diez veces esa cantidad. ^{[ 47 ]} La toxicidad del zinc es rara. ^{[ 9 ] : 1139} El ion zinc libre en solución es altamente tóxico para bacterias, plantas, invertebrados y peces. ^{[ 48 ]} La fiebre por humos metálicos ocurre cuando los soldadores que trabajan con acero galvanizado o latón inhalan óxido de zinc (ZnO) . ^{[ 49 ]}

Las deficiencias dietéticas de algunos metales, incluidos el calcio (Ca), el zinc, el hierro, el selenio, el cobre, el cromo y el manganeso, aumentan los efectos tóxicos de los metales. ^{[ 50 ]}

Los metales aluminio (Al), bismuto (Bi), galio (Ga), oro (Au), litio (Li) y platino (Pt) se utilizan en medicina, pero pueden ser tóxicos en algunas circunstancias. ^{[ 9 ] : 958}

• La toxicidad del litio surge de una sobredosis de medicamentos que contienen litio. ^{[ 51 ]}

• Se ha informado de la platinosis , una reacción alérgica grave que causa dermatitis y dificultad respiratoria, como efecto secundario del uso de joyas de platino , pero generalmente resulta de una exposición industrial previa al polvo de platino o a compuestos como el cloroplatinato de sodio . ^{[ 9 ] : 1143}

• La baritosis , una neumoconiosis benigna , se asocia con la inhalación de polvo que contiene sulfato de bario o carbonato de bario ; sus efectos son reversibles. ^{[ 9 ] : 1144}

• La intoxicación por plata , ^{[ 53 ]} al igual que la intoxicación por litio , surge de la mala administración de medicamentos. Un síntoma llamativo de la "argiria" es que la piel se vuelve azul o gris azulada. ^{[ 54 ]}
• Se han observado casos de intoxicación por talio en varias ocasiones, y es bien sabido que los compuestos de talio son altamente tóxicos. Sin embargo, los incidentes de intoxicación por talio son escasos. ^{[ 55 ]}
• La intoxicación por estaño metálico, sus óxidos y sus sales es prácticamente desconocida; por otro lado, ciertos compuestos organoestánnicos son casi tan tóxicos como el cianuro . Dichos compuestos organoestánnicos se utilizaron ampliamente en el pasado como agentes antiincrustantes . ^{[ 56 ]}

Los suelos contaminados por metales pesados ​​pueden ser remediados mediante una o más de las siguientes tecnologías: aislamiento, inmovilización, reducción de la toxicidad, separación física o extracción. El aislamiento implica el uso de tapas, membranas o barreras subterráneas para aislar el suelo contaminado. La inmovilización busca alterar las propiedades del suelo para dificultar la movilidad de los contaminantes pesados. La reducción de la toxicidad intenta oxidar o reducir los iones tóxicos de metales pesados, mediante métodos químicos o biológicos, a formas menos tóxicas o móviles. La separación física implica la remoción del suelo contaminado y la separación de los contaminantes metálicos por medios mecánicos. La extracción es un proceso, ya sea in situ o externo, que utiliza productos químicos, volatilización a alta temperatura o electrólisis para extraer los contaminantes del suelo. El proceso o los procesos utilizados variarán según el contaminante y las características del sitio. ^{[ 64 ]}

Las consecuencias de la exposición humana a metales tóxicos comenzaron antes del 2000 a. C., cuando el plomo se volvió abundante como efecto secundario de la fundición de plata . Los primeros textos médicos griegos, desde el 370 a. C. en adelante, trataban sobre la intoxicación por metales, incluyendo la causada por arsénico y mercurio. Sin embargo, la magnitud del impacto comenzó con la Revolución Industrial en el siglo XIX, cuando se descubrieron la mayoría de los elementos metálicos. ^{[ 9 ] : 933}

Los primeros trabajos sobre toxicología de metales se centraron en los efectos agudos de dosis altas. Este conocimiento condujo a la supervisión gubernamental y a cambios en la práctica industrial, de modo que ahora rara vez se observan efectos agudos. Posteriormente surgieron pruebas de problemas por la exposición a largo plazo a niveles más bajos de toxinas metálicas. ^{[ 9 ] : 933} La toxicología como ciencia comenzó a principios del siglo XIX con el trabajo de Mattieu Orfila y Claude Bernard . Conciencia de los problemas con el uso generalizado de arsénico en cultivos e incluso el uso de perdigones de plomo en armas. ^{[ 65 ]} Cantidades ubicuas y a veces masivas de arsénico se extendieron por toda Inglaterra a finales del siglo XIX antes de ser controladas, convirtiéndose en un patrón desafortunado seguido por otros metales tóxicos. ^{[ 66 ]}

Biorremediación

• Gadd GM, Griffiths AJ (1 de diciembre de 1977). "Microorganismos y toxicidad de metales pesados". Ecología Microbiana . 4 (4): 303– 317. Bibcode : 1977MicEc...4..303G . doi : 10.1007/BF02013274 . ISSN 1432-184X . PMID 24232222 .  Algunos microbios toleran metales que serían tóxicos para los humanos.

• Programa de Investigación Superfund sobre Metales Tóxicos de Dartmouth
• Metales tóxicos ( OSHA )