Kadmium, Japonsko a syndrom "itai-itai"

Trpce získanou zkušeností o účincích jednotlivých stopových prvků na lidský organizmus se staly i některé ekologické katastrofy, při kterých hrály důležitou roli právě stopové prvky.

Podle jedné z možných klasifikací mohou mít chemické sloučeniny a prvky v živém organizmu funkci esenciální, stimulující, inertní, terapeutickou a toxickou. Na zařazení dané látky v této škále má vliv zejména velikost dávky a doba, po kterou organizmus látku přijímá. Jestliže prvek, jakým je např. kadmium, v potravním řetězci přesahuje běžné obsahy (které jsou výsledkem přirozených procesů), má v živých organizmech funkci toxickou.

Kadmium

Průměrné obsahy kadmia v běžných přírodních materiálech (horninách, půdě, uhlí, rostlinách) jsou nízké a zpravidla nepřesahují 1 mg/kg. Z běžných materiálů vynikají vysokými obsahy kadmia například některé člověkem využívané přírodniny (fosfáty) a produkované odpady (odpadní kaly). Během zvětrávacího procesu se může vznikající sediment obohatit 2 – 3krát oproti klarkovým obsahům, což závisí na fyzikálně-chemických podmínkách rovnováhy mezi roztokem a částicemi sedimentu. Schopnost kadmia vázat se v redukčním prostředí vyplývá zejména z možnosti snadného srážení sulfidu. Recentní sulfidy v anoxickém sedimentačním prostředí představují poměrně rozšířenou a stabilní formu výskytu kadmia, která nepředstavuje výrazné ekologické nebezpečí pro okolní vodní ekosystém.

Při studiu jak se váže kadmium v přístavních sedimentech v Hamburku zjistili M. Kersten a U. Förstner, že narušení původního sedimentačního prostředí, usušení a zmrazení sedimentu způsobí oxidaci jinak stabilních recentních sulfidů a posun v distribuci k labilnějším formám výskytu kadmia v sedimentech a tím přispěje i k jeho možnému úniku do okolního roztoku.

Z medicínských studií syndromu “itai-itai″ (název pochází z japonského přídavného jména bolestivý) vyplynulo, že obsah kadmia v krvi a tkáních Japonců je oproti okolnímu světu zvýšený (uvádí se jako nejvyšší). Tento stav byl podmíněn také sociálně-ekonomicky: Japonsko je zemí s vysokou hustotou populace s těsnou návazností industriálních oblastí a sídel, s hojným výskytem ložisek kovů a s rychlým ekonomickým růstem. Prudký rozvoj ekonomiky a produkce kovů po druhé světové válce a po r. 1960 způsobil značné rozšíření toxických látek zejména z dolů, úpraven a kovozpracujících továren do životního prostředí.

Jedovatost kadmia spočívá především v inhibici sulfohydrylových enzymů a v jeho konkurenci s vápníkem, železem, zinkem a mědí. Kadmium zasahuje do metabolizmu cukrů, tlumí sekreci inzulinu a vede ke zvýšení hladiny cukrů v krvi a k vylučování glukózy močí. Při větším působení kadmia je pravidelným nálezem poškození ledvin. Poškozené ledvinové kanálky znemožňují vstřebávání vápníku a fosfátů. Výsledný nedostatek minerálů způsobuje měknutí kostí (osteomalacii), doprovázené silnými bolestmi.

Roku 1971 popsal J. Kobayashi syndromy poškození ledvin a kostní tkáně (syndrom “itai-itai″) u obyvatel v oblasti řeky Jinzu prefektury Toyama v Japonsku (obrázek), kde jsou významná ložiska zinku, olova, stříbra, zlata, vizmutu a kadmia. Ložiska byla sice objevena před 1 200 lety, ale intenzivní těžba nastala po r. 1890, kdy společnost Mitsu Mining and Smelting Co. Ltd otevřela důlní dílo Kamioka Mine. V dobách největší produkce se těžilo okolo 4 000 tun sulfidické rudy denně, z čehož bylo ročně získáváno 40 000 tun zinku, 10 000 tun olova a 100 tun kadmia. Sulfidické rudy v atmosféře oxidují a vznikají kyselé síranové roztoky obsahující ionty jednotlivých kovů. K zvětrávání většiny kovových sulfidů přispívá biologická činnost organizmů. Účinky kadmia se začaly projevovat nejvíce asi 40 km po proudu řeky Jinzu, kde byla kontaminovaná říční voda používána k zavlažování rýžových polí. Pěstování rýže je v této zemi jednou z hlavních forem zemědělské produkce a rýžová pole se často zavlažují znečištěnou povrchovou vodou. Kadmium se v redukčním prostředí rýžového bazénu sráželo v podobě sulfidu a stávalo se tak poměrně nemobilním. Jinak tomu bylo při vysušení sedimentů v rýžovišti. Změnou oxidačních podmínek se kadmium vázané v podobě sulfidu uvolnilo a vázalo se na oxyhydroxidy manganu a železa, nebo na karbonáty či jílové minerály. Tyto formy vazby jsou značně labilní a umožňují snazší mobilizaci do roztoku a vstup kadmia do potravního řetězce. Množství kadmia vázaného v této mobilnější podobě je přitom závislé na době, po kterou je sediment vysušován. Míra vysušování rýžovišť podmiňuje možnost použití zemědělské mechanizace při sklizni. Na době vysoušení sedimentu pak závisí obsah kadmia v rýžových obilkách. Výsledkem komplikované cesty kovu z primárního zdroje do rostlin je fakt, že postižení obyvatelé v Japonsku přijímali denně asi 300 až 400 g kadmia, což představuje zhruba dvojnásobek přirozeného týdenního množství přijímaného kadmia.

Pro podobný příklad není nutné chodit tak daleko. Na území hlavního města Prahy mezi obcemi Kbely a Podolankou byly v nivních a potočních sedimentech Vinořského potoka zjištěny extrémní koncentrace kadmia a jiných těžkých kovů, jejichž zdrojem je prokazatelně lidská činnost. Pravděpodobně snaha zabránit úniku kontaminovaných sedimentů vedla předloni k stavební úpravě hráze jedné z nádrží. V této vodní nádrži se nahromadilo několik tisíc m3 sedimentu obsahujícího přes 100 mg kadmia v jednom kilogramu sušiny. Při opravě hráze rybníka byla vypuštěna voda a tím se sediment vysušil a v zimním období promrzl. Laboratorním výzkumem sedimentů se potvrdila skutečnost, že právě toto vysušení a zmrazení způsobilo posun kadmia do snáze uvolnitelných forem vazby. Vědci Kersten a Förstner provedli svůj experiment (který ukázal, jak snadno může být kadmium mobilizováno ze sedimentu) s několikakilogramovou navážkou v laboratorních podmínkách. A japonští pěstitelé rýže i stavitelé hráze rybníka na Vinořském potoce svou nevědomostí tuto teorii potvrdili ve velkém.

Vinořský potok sice neslouží k zavlažování rýžových polí, ale “pouze″ k zavlažování zahrádek, které jsou v jeho okolí. Nicméně v oblasti bez vodovodního řadu je takovéto technokratické rozhodnutí o zásazích do vysoce kontaminovaného sedimentu velmi nebezpečný hazard.