Arzenat (AsO4^3−): definicija, toksičnost, kemija in biološki učinki

Arzenat je ion. Njegova kemijska formula je AsO₄^3- . Arzen je v oksidacijskem stanju +5.

Arzenati so soli arzenove kisline. So oksidanti. Včasih iz arzenove kisline niso odvzeti vsi protoni, zato nastanejo soli vodikovega arzenata. Njihove kemijske formule so HAsO₄^2- ali H₂ AsO₄^- .

Arzenat lahko nadomesti fosfat v celicah, vendar ne deluje tako kot fosfat. Celica umre, zato so arzenati strupeni. Nekatere bakterije lahko uporabljajo arzenat namesto fosfata. Imenujemo jih arzenove bakterije.

Kemijske lastnosti in speciacija

Arzenat je anorganska oblika arzenika z oksidacijskim številom +5 (As(V)). V vodi je arzenova kislina H₃AsO₄, ki je trojna kislina z naslednjimi približnimi disociacijskimi konstanti: pKa1 ≈ 2,2, pKa2 ≈ 6,97 in pKa3 ≈ 11,5. Posledično je pri nevtralnem/do rahlo bazičnem pH (npr. pH okoli 7–8) prevladujoča oblika HAsO₄^2-, medtem ko pri kislih pogojih prevladuje H₂AsO₄^-.

Fizikalno-kemijske lastnosti: arzenati tvorijo soli (npr. natrijev, kalijev, kalcijev arzenat), pogosto so topni v vodi, vendar njihova topnost in mobilnost v okolju močno načeloma odvisna od pH, redox pogojev in prisotnosti železovih/alicijevih oksidov, ki jih adsorbirajo.

Razlika med arzenatom (As(V)) in arsenitom (As(III))

• Toksičnost: As(III) (arsenit) je na splošno bolj strupen in mobilen kot As(V) (arzenat).
• Okoljska kemija: v oksidativnih pogojih prevladuje As(V), ki se lažje adsorbira na železova oksida in s tem manjše premika v podzemni vodi; v redukcijskih pogojih se As(V) reducira do As(III), ki se lažje raztopi in prenaša.

Mehanizem toksičnosti v celicah

Arzenat nadomesti fosfat v metabolnih reakcijah, ker je strukturno podoben fosfatu. Najbolj znan primer je korak v glikolizi pri encimu glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, kjer arzenat lahko zavzame mesto fosfata in tvori 1-arseno-3-fosfoglicerate. Ta spojina je nestabilna in se spontan razgradi do 3-fosfoglicerata, pri čemer se ne tvori ATP, kar povzroči izgubo energetskega donosa za celico. Posledično pride do motenj v celičnem energetskem metabolizmu in lahko pride do celične smrti.

Poleg tega arzenati vplivajo na delovanje encima, prenos signalov in lahko povzročajo oksidativni stres, motnje v presnovi in poškodbe DNA pri dolgotrajni izpostavljenosti.

Vpliv na zdravje

• Akutna izpostavljenost: bruhanje, driska, bolečine v trebuhu, dehidracija, v hujših primerih motnje zavesti in smrt pri velikih odmerkih.
• Kronična izpostavljenost: spremembe na koži (hiperkeratoza, hiperpigmentacija), periferno nevropatija, povečano tveganje za razvoj raka (koža, pljuča, mehur), bolezni srca in ožilja, sladkorna bolezen tipa 2 in druge sistemske motnje.
• Rakotvornost: anorganski obliki arzenika so ocenjene kot rakotvorne (IARC klasifikacija za anorganski arsenik kot skupina 1).

Priporočila za pitno vodo: Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) in številne države priporočajo zgornjo mejo za skupni arzenik v pitni vodi 10 µg/L (mikrogramov na liter).

Viri arzenata v okolju in zgodovinska uporaba

Arzenat se v okolje sprošča iz več virov:

• naravni izvori: geološke skorje, mineralne raztapljanja, vroče vreliščne in geotermalne aktivnosti;
• industrijski viri: rudarska in predelovalna dejavnost, kemična industrija;
• zgodovinska raba: arzenatne spojine so bile uporabljene kot pesticidi (npr. svinčev arzenat), v ohranjevalcih lesa (določene spojine) in barvilih — mnoge uporabe so bili kasneje omejene ali prepovedane zaradi toksikoloških tveganj.

Biološki učinki in mikrobiologija

Poleg tega, da so arzenati strupeni za večino evkariontskih celic, obstaja velika raznolikost mikroorganizmov, ki so razvili prilagoditve:

• nekatere bakterije in arheje lahko respirirajo arzenat kot terminalni akceptor elektronov (redukcija As(V) → As(III)); te organizme pogosto najdemo v reduktivnih sedimentih in anaerobnih okoljih;
• drugi mikrobi oksidirajo As(III) do As(V), kar lahko vpliva na naravno cikel in mobilnost arzenika;
• ekspanzija izrazov “arzenove bakterije”: izraz se uporablja za mikroorganizme, ki so povezani z metabolizmom arzenika (odstranjevanje, zmanjševanje ali oksidacija).

V redkih primerih laboratorijski podatki kažejo, da nekatere vrste lahko vstopno uporabijo arzenat v anorganskih reakcijah ali imajo modificirane poti za prenos fosfata, vendar te prilagoditve navadno niso primerljive z normalno fosfatno biologijo in pogosto vključujejo posebne mehanizme detoksikacije.

Analiza in odstranjevanje arzenata iz vode/okolja

Analitične metode: speciation (ločitev As(III) in As(V)) je pogosto relevantna in se izvaja z HPLC-ICP-MS; splošne metode določitve arzenika vključujejo ICP-MS, AAS s hidridno generacijo (HG-AAS) in osnovne kolorimetrične metode za presežne analize.

Tehnike odstranjevanja: uspešne metode za odstranjevanje As(V) vključujejo:

• adsorpcija na aktivno aluminijevo/železovo oksidno snov;
• koagulacija in filtracija (npr. z uporabo železovega(III) ali aluminijevega(III) koagulanta);
• ionno izmenjavo in reverzna osmoza;
• za As(III) je pogosto potreben predhodni oksidacijski korak (npr. kloriranje, ozoniranje, KMnO4 ali zračenje), da se pretvori v As(V), ki se lažje odstrani;
• naravne in asistirane metode: degradacija in stabilizacija v tleh, fitoremediacija (npr. nekatere praprotke zbirajo arzenik), bioremediacija z mikrobi, ki preoblikujejo arzenik v manj mobilne oblike.

Preprečevanje in varnost

• redno testiranje kakovosti pitne vode, zlasti v območjih z rudarsko dejavnostjo ali naravno povišanimi vrednostmi arzenika;
• uporaba certificiranih filtrov ali naprav za odstranjevanje arzenika, kadar je koncentracija nad priporočeno mejno vrednostjo;
• za industrijska območja: nadzor emisij, sanacija kontaminiranih zemljišč in pravilno ravnanje z odpadki.

Povzetek

Arzenat (AsO₄³⁻ in povezane protonirane oblike) je oksidirana, anorganska oblika arzenika, kemično podobna fosfatu. Zaradi možnosti nadomeščanja fosfata v biokemičnih reakcijah povzroča motnje v celičnem energetskem metabolizmu in je zato strupen. Njegovo okoljsko obnašanje in tveganje sta odvisna od pH, redox pogojev in prisotnosti adsorbentov; odstranjevanje iz vode je učinkovitejše za As(V) kot za As(III), zato se pogosto izvede predučinkovanje oksidacije As(III) v As(V). Dolgotrajna izpostavljenost vodi z visokimi koncentracijami arzenika predstavlja resno tveganje za zdravje in zahteva ustrezne ukrepe za testiranje in obdelavo.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je arzenat?

V: Kakšno je oksidacijsko stanje arzena v arzenatu?

V: Kaj so arzenati?

V: Kaj so soli vodikovega arzenata?

V: Zakaj so arzenati strupeni?

V: Kaj so arzenove bakterije?

V: Ali lahko arzenati nadomestijo fosfat v celicah?

Išči po črki