Lexikon
a fémek kémiai elemek, vagy ötvözetek lehetnek. Az ötnél kisebb sűrűségű fémek a könnyűfémek, ilyenek az alumínium vagy a magnézium. Az ötnél nagyobb sűrűségűeket nehézfémeknek nevezzük. Mindkét csoportban vannak létfontosságú, un. esszenciális és toxikus fémek. A fémek savakban, lúgokban vagy oxidálószerek hatására feloldódnak, kémiai reakciókban pozitív jelleműek, oxidjaik bázisok amfoter jelleműek. A kevéssé reakcióképes fémek, a nemesfémek. Az összes elem ¾ része fém.
Biológiai tulajdonságaik és hatásuk alapján a fémeket három nagy csoportba oszthatjuk: 1. nem toxikus esszenciális fémek, melyek gyakorlatban előforduló koncentrációi nem toxikusak: B, Na, K, Mg, Ca, Fe; 2. esszenciális-toxikus fémek, melyek gyakorlatban előforduló koncentrációi átölelik mind az esszenciális mind a toxikus tartományt, ilyen a Cu, Zn, Mn, Co, Mo; 3. toxikus fémek, melyek vagy nem esszenciálisak, vagy olyan kis koncentrációban esszeciálisak, melynek nincs gyakorlati jelentősége, ilyenek As, Cd, Sb, Pb, Hg, Cr, Ni.
A fémek a környezetben egyre növekvő problémát okoznak, mert a kibányászott mennyiséget diffúzan szétszórjuk a környezetünkben. A háttérértékek rohamosan nőnek, melyek következménye a gének diverzitásának, a metagenomnak a nagymértékű megváltozása: a fémtűrésért és a fémkiválasztásért felelős gének elterjedése a környezetben, a fémérzékeny fajok háttérbe szorulása és kipusztulása. A fémrezisztenciával olyan kapcsolt gének is elterjednek a környezetben, mint egyes antibiotikum-rezisztenciáért felelős gének. Ez a jelenség a humán gyógyászatban okoz problémákat, korlátot szab az antibiotikumok hatásának, alkalmazhatóságának.
A fémszennyezettség legismertebb forrásai: a bányászat, az ipar és a mezőgazdaság kibocsátásai és hulladékai: bányászati hulladékok, ipari hulladékok, egyéb, háztartási hulladékok, fémkohászat füstgázai, galvanizálás hulladékai, szennyvíziszapok, műtrágyák, növényvédőszerek, stb. A fémek valamennyi környezeti elemet sújtják, a felszíni és felszínalatti vizeket, a talajt és a vízi üledékeket, legnagyobb részük a talajokban és az üledékekben halmozódik fel.
A fémek környezeti jelenlétéhez kötődik az egyik legveszélyesebb kémiai időzített bomba. A talajokban oldhatatlan, stabil kémiai formában, biológiailag hozzáférhetetlen állapotban jelen lévő fémek a körülmények megváltozására, például a talajok savanyodásának hatására, hirtelen biológiailag hozzáférhetőek lesznek, képesekké válnak kifejteni addig lappangó toxikus hatásukat. A fémekre amúgyis jellemző, hogy akut toxicitásukhoz képes sokkal jelentősebbek krónikus hatásaik és legtöbbjük mutagén és karcinogén is.
A fémek biológiailag koncentrálhatóak, a környezeti elemekből felvett fémmennyiség sokszorosára koncentrálódhat a növényekben és más élőlényekben, v.ö. biokoncentráció és a táplálékláncok mentén hatványozott dúsulásuk is jellemző, ez a biomagnifikáció. Egyes növényfajok hiperakkumuláló tulajdonságúak, ezek a talaj fémtartalmát akár ezerszeres koncentrációjúra is növelhetik szöveteikben. Az ilyen növényeket fel lehet használni talajremediációs technológiákban a fémek talajból való kioldására, ez a fitoextrakció.
Ld. még toxikus fémek, szervetlen szennyezőanyagok sorsa a talajban.
nagy atomsúlyú elemek, melyek fém tulajdonságokat hordoznak szobahőmérsékleten, lehetnek fémek vagy félfémek. Definíciói számosak és különbözőek:
1. a réz és a bizmut közé eső elemek a periódusos rendszerben;
2. a ritka-földfémeknél nehezebb elemek, melyek nem esszenciálisak és már igen kis koncentrációban is toxikusak;
3. a periódusos rendszer elemei a higany alatt, beleértve a radioaktív elemeket is;
4. a csillagászok minden héliumnál nehezebb elemet "nehéz elemnek" tekintenek.
A környezetvédelemmel kapcsolatban gyakran a toxikus fémek helyett használják, azokra a fémekre, melyek környezeti és egészségproblémák okozói lehetnek már viszonylag kis koncentrációkban.
a fémek dózis-hatás, illetve koncentráció-hatás görbéje, mint legtöbb vegyi anyagé, egy S alakú görbét ír le. Ez azt jelenti, hogy ha elég nagy hígításokkal indítjuk a teszteléshez készített koncentrációsorozatunkat, akkor egy bizonyos koncentrációig nem jelentkezik a káros hatás. A legnagyobb vizsgált koncentráció, ami még nem mutat káros hatást (NOAEC), illetve a legkisebb, ami már mutatja a káros hatást (LOAEC). Ez két fontos pont, mert ezek után már meredeken nő a káros hatás a koncentráció függvényében. Tehát fémtől és tesztorganizmustól függő koncentrációban minden fém toxikus, annak ellenére, hogy nagyon nagy különbségek vannak a NOAEC és LOAEC abszolút értékében. Az egyes fémek különböznek viszont a NOAEC alatti szakasz szempontjából: az un. esszenciális fémeknél a káros hatás jelentkezését megelőzően a fém hiánya jár negatív hatásokkal, a fém koncentrációfüggő mértékben pozitív hatású. A nem esszenciális fémek esetében pozitív hatások nem ismertek.
A tudományos köznyelv a "toxikus fémek" kifejezést általában az alábbi, gyakori környezetszennyező mikroelemekre használja: arzén, bárium, cink, higany, kadmium, kobalt, króm, molibdén, nikkel, réz, ón, ólom. Néha az alumínium, a bór, a titánium is szerepel a toxikus fémek listáján.
Sokan, helytelenül, a nehézfém kifejezést használják a környezetszennyező toxikus fémekre.
a toxikus fémek a táplálékláncba elsősorban a növényeken keresztül kerülnek be. A talaj összes fémtartalmának csak egy része hozzáférhető a növényEK számára, elsősorban a vízoldható és az ionosan kicserélhető kémiai formák. Ha megnő a mozgékony fémhányad, illetve a talajoldat fémtartalma, akkor az addig ott élő őshonos nem fémtűrő és nem fémakkumuláló növényfajok fizikai toxicitási tüneteket produkálnak. A fémek egymással is kölcsönhatásba léphetnek, hatásuk lehet antagonista (egymás hatását csökkentő) vagy szinergista (egymást erősítő).
A fémek növények általi felvehetőségét a fémek fizikai és kémiai formáján kívül befolyásolja a talaj fémmegkötő-képessége is. A fémek megoszlását a talaj szilárd fázisa és a talajoldat között a Kd megoszlási hányadossal jellemezhetjük, amely
Kd = cfém,szilárd/cfém,oldat.
A Kd egyensúlyi állandó egy adott szituációban (adott talajtípus és növény) függ a növényi gyökerek savtermelésétől és attól, hogy a talaj egyensúlyban van-e, van-e savanyodás, folynak-e olyan mállási folyamatok, melyek növelik a fémek mozgékonyságát.
A fémek talajból történő növényi felvételét a
BCF = cfém,növény/cfém,talaj hányadossal jellemezhetjük,
ami megadja, hogy a talajban lévő fémkoncentrácónak hányszorosa alakul ki a növényben. Ez a hányados elsősorban a talajt szennyező fémek kémiai formáitól és a növény fémakkumuláló képességétől függ. A hiperakkumuláló növény- vagy gombafajok a fémeket akár 1000-szeres mértékben is képesek koncentrálni szöveteikben. Ez a tápláléklánc szempontjából rendkívül kockázatos szituáció (biomagnifikáció), viszont kontrolláltan fitoextrakción alapuló talajremediációra hasznosítható.
A legtöbb ökoszisztéma-tag, így a növények is védekeznek a toxikus fémek ellen. Az evolúció során a legkülönfélébb mechanizmusok alakultak ki az élő szervezetekben a toxikus fémek ártalmatlanítására, így a gyors kiürítés, a felvétel megakadályozása a sejten kívül, a mebránban vagy a sejten belül működő immobilizáló/stabilizáló megoldásokkal, például membránfehérjékhez kötés, nagyméretű fehérjékbe csomagolva tárolás a sejtben vagy egyes szövetekben, a transzlokáció megkadályozása a gyökérből a szár és a levelek felé. Az oldhatatlan formában, sejten belüli raktárakban koncentráltan tárolt toxikus fémek nagy kockázatot jelentenek a tápláléklánc felsőbb tagjaira és az emberre (lásd még biokoncentráció, bioakkumuláció, biomagnifikáció, másodlagos mérgezés)