Nikli mürgisus ja tähtsus eluslooduses (0)

Tallinna Ülikool
Matemaatika - ja loodusteadusteinstituut
Sven Erik Reinumets
Nikli mürgisus ja tähtsus eluslooduses
referaat
Tallinn 2014
Sissejuhatus
Nikli tähtsus eluslooduses on suur, kuid ei olda päris kindlad veel selles, kuna väga kergesti muutub nikkel mürgiseks aineks organismis, kui ta satub valesse kohta.
Nikkel (sümbol Ni) on keemiline element järjekorranumbriga 28. See on hõbevalge läikiv metall kerge kuldse varjundiga. Sellel on 5 stabiilset isotoopi massiarvudega 58, 60, 61, 62 ja 64. Nikli tihedus normaaltingimustel on 8,9 g/cm3. Nikli sulamistemperatuur on 1455 °C ja keemistemperatuur 2913 °C. Inimkehas on niklit 0.9-9mg.
Levik
Nikkel on maakoores keskmiselt levinud element. Tuntud on ligi 50 niklimineraali, neist tähtsamad on sulfiidsed ühendid nagu näiteks pentlandiit (FeNi)9S8, milleriit NiS, aga ka mõned silikaadsed mineraalid , näiteks garnieriit (Ni,Mg)6Si4O10(OH)8. Niklit toodetakse peamiselt sulfiidsetest vask-nikkelmaakidest (Kanadas, Austraalias ja Lõuna-Aafrikas) või silikaatsest toormest (Uus-Kaledoonias, Kuubal , Filipiinidel , Indoneesias jm). Üldvarusid maismaal hinnatakse 70 miljonile tonnile. Nikli sisaldus on hästi suur tee lehtedes(7.6mg/kg) ning mõningates ubades, kus see on ensüümides tähtsal kohal.
Avastamine ja nimetus
Nikkel oli sulamites (vase ja tsingiga) kasutusel juba Vana-Hiinas üle viie tuhande aasta tagasi. Individuaalsel kujul avastas ja eraldas nikli rootsi mineraloog Axel Fredrik Cronstedt Rootsi looduslikust nikkelarseeniidist NiAs 1751. aastal.
Seda mineraali tunti juba palju varem saksakeelse nime Kupfernickel all ja seostati kiusliku Saksi mäevaimuga (ligikaudses tõlkes on Kupfernickel „vana Nick ’i vask“), kes ei lase sellest maagist vaske sulatada. Tegelik põhjus seisnes asjaolus, et Kupfernickel (praeguse nimetusega nikoliit või nikkeliin) oli väliselt väga sarnane vasemaagi koostisega Cu2O (mõlemad mineraalid on ühesugust punast värvi).
Cronstedti avastus ei leidnud kaua aega tunnustust ( teadlane suri enne seda 1765. aastal). Puhtamal kujul eraldas nikli rootsi keemik ja metallurg T. Bergman 1775. aastal. Füüsikalised omadused määratles täpsemalt alles 19. sajandi alguses J. B. Richter .
Saamine
Nikli saamise tehnoloogia oleneb suuresti kasutatavast toormest. Rakendatakse nii püro- kui ka hüdrometallurgilisi meetmeid. Silikaadsed maagid ei ole rikastatavad (kasutada tuleb kogu maaki ), neid töödeldakse loistamisega ning saadakse ebapuhas ferronikkel. Viimasele lisatakse väävliühendeid (FeS2 või CaSO4) ja puhastatakse konverteris läbi raua eemaldamiseks, peenestatakse ja põletatakse ning moodustunud NiO-st redutseeritakse nikkel. Sulfiidseid vase-niklimaake töödeldakse nende spetsiifikast olenevalt erinevalt. Maagikontsentraatidele lisatakse sageli SiO2 ja allutatakse korduvalt paagutamisele ning sulatamisele ( sulfiidid redutseeruvad, tekkiv raudoksiid läheb silikaadi moodustumisel räbu koostisesse). Järgneb keerukate sulfiidide (Ni3S2, CuS jt) ning metallide (Ni, Cu) segu eraldamine, mis sisaldab sulatamist NaHSO4 -ga jt töötlusi. Lõppfaasis eraldatakse nikkel sageli elektrolüüsiga.
Omadused ja ühendid
Nikkel on lihtainena hõbevalge, kollaka läikega plastne metall . Ta on hästi töödeldav, kuid juba vähesed lisandid, eriti väävel ja hapnik, halvendavad oluliselt mehaanilisi omadusi ja korrosioonikindlust. Nikkel on ferromagneetik, Curie’ punkt on 631K.
Keemiliselt on kompaktne nikkel väheaktiivne, õhus püsiv. Metall kattub õhus NiO kaitsekihiga ning on püsiv kuni umbes 800 °C.
Hapetega H2SO4, HCl, H3PO4 ja HF reageerib nikkel väga aeglaselt, kuid reageerib kergesti lahja HNO3 -ga, kontsentreeritud HNO3 toimel passiveerub.
Nikkel ei reageerileeliste lahustega (ega sulandid, ka mitte vedel NH3), nikkel reageerib (õhu juuresolekul) NH3 vesilahusega.
Alles üle 550 °C oksüdeerub nikkel sulatatud NaOH toimel (viimane redutseerub seejuures vaba naatriumini): 2Ni + 2NaOH → 2NiO + 2Na + H2 .
Vee ja õhuniiskuse suhtes on nikkel püsiv.
Vesinikuga moodustab nikkel tahkeid lahuseid (hüdriide, millest püsivam on NiH, saadakse kaudselt ).
Lämmastik lahustub niklis väga vähe. Pihusa (peendispersse) nikli reageerimisel NH3-ga (300–450 °C juures) moodustub nikkel(I)nitriid Ni3N.
Halogeenidega kuumutamisel tekivad nikkel(II)halogeniidid. Nikkel on üks püsivamaid metalle F2 suhtes. Sulatatud nikkel reageerib süsinikuga, tekib nikkelkarbiid Ni3C (jahutamisel laguneb, eraldub grafiit).
Räniga moodustub nikkel silitsiide (neist püsivam on Ni3Si)
Booriga tekivad nikli boriidid (neist rasksulavaim NiB12).
Väävli reageerimisel nikliga tekivad sulfiidid NiS, Ni2S3 jmt.
Fosforiga moodustuvad fosfiidid Ni5P2, Ni2P jt.
Nikkel on kõrge katalüütilise aktiivsusega. Metalli rakendatakse katalüsaatorina (pihusas olekus) paljudes hüdrogeenimis-, dehüdrogeenimis-, oksüdeerimis-, isomerisatsiooni- ja kondensatsioonireaktsioonides. Katalüsaatorina kasutatakse ka nn skelett -niklit, mida saadakse nn Raney nikli, sulami Ni + Al või Ni + Si töötlemisel leelise lahusega (Al või Si „lahustub“, jääb järele suure eripinnaga, aktiivne Ni).
Nikli kõige laialdasemalt kasutatavad ühendid on veeslahustuvad Ni(II) soolad . Nad esinevad enamasti sinakasroheliste või roheliste kristallhüdraatidena, levinumad soolad on kloriid , sulfaat ja nitraat , vastavalt NiCl2• 6H2O , NiSO4•7H2O ja Ni(NO3)2•6H2O. Soolade lahustumisel tekib sinakasroheline lahus (Ni2+-iooni värvus). Leeliste toimel Ni(II) soolade lahustele moodustub Ni(OH)2 roheka värvusega sade. Ni(OH)2 oksüdeerumisel (aeglaselt õhus, kiiremini oksüdeerijate, nt H2O2 või Br2 toimel) tekib must kristalne nikkel(III)oksiidhüdroksiid NiO(OH)
Nikli binaarsetest oksiididest esineb vaid üks ühend – nikkelmonooksiid NiOx (x ~ 1). See aine leidub ka looduses (mineraal bunseniit), olenevalt saamistingimustest esineb α- ja β-NiO. NiO värvus võib varieeruda helerohelisest kuni mustani. NiO saadakse nikli kuumutamisel õhus või hapnikus ning Ni(NO3)2, NiCO3 või Ni(OH)2 termilisel lagunemisel. NiO kasutatakse Ni(II) soolade ja katalüsaatorite, klaasipigmentide ning glasuuride saamiseks. Üle 1230 °C algab NiO dissotsiatsioon (tekib Ni ja O2). NiO moodustab kaksikoksiide teiste metallioksiididega (nt. BaNiO2).
Tootmine ja kokkupuute kahjulikkus
Nikli aastane toodang jääb umbes miljoni tonnini. Osa metallist toodetakse ferroniklina ( sulam rauaga , mida saab kasutada teiste Ni-sulamite saamisel). Rõhuv enamus nikli toodangust kasutatakse ära nii raua- kui ka värviliste metallide sulamite koostises. Rakendatakse ka teiste metallide elektrolüütilist nikliga katmist (nikkeldamist) kaitseks korrosiooni vastu. Mõni protsent nikli toodangust kasutatakse katalüsaatorite saamiseks, mida rakendatakse sünteesikeemias ja toiduainetööstuses (margariini tootmisel vedelrasvades nende katalüütilisel hüdrogeenimisel). Põhilised niklitootjad maailmas on Venemaa, Kanada , Uus- Kaledoonia ja Austraalia.
Nikliga puutuvad inimesed kokku hingamise, vee joomise , söömise ja suitsetamise kaudu. Naha kauda imendub kokkupuutel reostatud pinna või veega ning juveelidega. Väikestes kogustes on nikkel tähtis element, kuna ta on mitmetes ensüümides aktiivse osana . Suurtes kogustes muutub mürgiseks: suureneb erinevte hingamisteede vähi võimalused, iiveldus ja oksendamine kokkupuutel nikli gaasiga , kopsu emboolia, respiratoorne puudulikkus, sünnidefektid, astma, bronhiit , allergeensed nähtused(lööved, villid , jne) ja südame häired. Allergia tekkimisel, jääb tundlikus kogu eluks. Naistel on suurenenud tundlikus nikli vastu. Lahustumatud osakestena nikkel siseneb selgroogsete rakkudes fagotsütoosi teel, karbonüül nikkel on lahustuv lipiidides ja jääb plasmamembraani püsima. Lahustuv nikkel viiakse rakkudesse sisse diffusiooni või kaltsiumi kanalite ja divalentsete katiooni transporteritega, mis on muidu seotud raua vastuvõtmisega. Nikli transport vere plasmas vahendab albumiini külge seostumine või muude väikeste ligandidele kinnitumine nagu amino happete või väikeste peptiidide külge. Organismis hakkab nikkel tekitama reaktiivseid hapniku liike, nagu näiteks superoksiidi radikaal , vesinik peroksiidi ja hüpokloor hapet, mis surmavad mitut tüüpi rakke nagu neutrofiilid ja T- rakud . Tihe kokkupuude nikliga pärsib ka normaalset mineraalide homöostaasi, mille tõttu lähevad kaltsiumi, magneesiumi, mangaani ja tsingi tasemed madalaks erinevates kudedes ja takistab normaalset raua kofaktoorset seostumist kindlate valkudega.
Nikli kõige suuremad terviseriskid on kantserogeensus ja allergiad. Mõlemad tekivad aktiivsete muutustega metaboolsetes radades mis juhivad põletiku teket, stressi, raku jagunemist ja raku surma. Spetsiifiliselt nikli homöostaasiks loodud valku ei tunta ühesgi imetajas, ei oodata nikli spetsiifilist muutust geeni ekspressioonis ja metabolismis.
Paljud kahjulikud nikli toimed aktiveeruvad mitte- spetsiifiliste interaktsioonidega nikli ja makromolekulide vahel, mis tekitavad rakkudele kahjustusi. Raku käitub nikliga nii nagu teistegi metalli-ioonidega tekitades singaaliülekande kaskaadi nagu sekundaarne ülekanne, valgu kinaas, fosfataas või transkriptsioon . Nikli poolt modifitseeritud geeni transkriptsiooni seoses hapniku puudusega on uuritud palju „in vitro“ , et paremini mõista niklit kui kantserogeeni. Põletikulisi allergia ja astma sümptomeid mida tekitavad nikli ühendid on uuritud laialdaselt „in vivo“ ja on leitud üksikuid valke millel on nikliga põimumiseks soodsaid omadusi. Nikliga töötavatel isikutel tihtipeale tekivad hingamisteedega probleemid või vähk , mida pandi juba tähele 1933. aastal. Järgnevalt hakkasid epidemoloogid uurima lähemalt nikli toimeid, põhiliselt leiti kõrgenenud riski nasaalsetel ja hingamisteede vähkide teket nikli kaevandajatel ja töötlejatel. Kaua usuti , et ainult need nikli ühendid, mis vees ei lahustu on mürgised (sulfiidid ja oksiidid ), hiljem leiti, et ka aerosoolsed ühendid(atsetaat, nikkel kloriid, jne) on ka kantserogeensed „in vivo“, aga madalama riskiga. Niklit sisaldavad proteesid on ka olnud kahtluse all tekitamaks lokaalseid kasvajaid, aga see pole tõestatud.
Kokkupuude nikli ühenditega kiirendab DNA-metüleerimist, mis viib geeni ekspressiooni inhibitsioonini ning vaigistab teatavad kasvaja vastased geenid, see on seostatud rakkude muutumisega „in vivo“ uuringutes. Mehhanism millega nikkel tekitab hüpermetülatsiooni ei teata küll, aga üks teoreetiline mudel on, et Ni2+ ioon asendab Mg2+ iooni mis on tavaliselt DNA küljes. See tekitab kromatiidide kondensatsiooni ja tänu sellele algab „de novo“ DNA metülatsioon metülaaside poolt, mis tunnevad ära uued hetero - kromatiidid ja metüleerimata DNA. Selline omadus on võetud sellest, et nendel on sama laeng ja ioon raadius on väga sarnane. Lisaks sellele on niklil võime mõjutada kogu keha histoonide modifikatsiooni. N- terminali saba histoonide atsetülatsioon on teada tuntud mehhanism mis reguleerib kromatiidide transkriptsiooni olekut, mis on tähtis DNA regulatoorsete valkude jaoks. Nikkel vähendab atsetülatsiooni taset histoonides H2A, H2B, H3 ja H4 ning tõstab H3K9 dimetülatsiooni. Inhibitsiooni toimub kindlates Fe2+ ja alfa-ketoglutaraatides. Madalate histooni atsetüleerimise tasemega rakkudes langeb ka atsetüül -CoA tase, sest nikkel deaktiveerib püruvaadi dehüdrogenaasi kinaasid mis seda toodavad. Seda on tõestatud nikli poolt modifitseeritud rakkude peal, mida on ravitud histoonide deatsetülaasi inhibiitoriga(Trichostatin A.), mis muudavad raku fenotüübilt samasuguseks nagu muutumata rakud koos geeni ekspresseerumise profiiliga, mis viitab , et nikli poolt tehtud muudatusi on võimalik inhibeerida. Lisaks geeni ekspressiooni muutustele, epigeneetilised effektid muudavad ka geenide kasvu: uuringud on demonstreerinud, et jällegi nikli poolt tehtud muudatusi saab inhibeerida ka siis, kui rakku uuesti viia vananemise geen, mille muidu nikkel ära blokeerib.
Nikli tähtsus eluslooduses
Teiseltpoolt mängib nikkel fundamentaalset rolli elus organismides. Nikli tähtsus taimedele, bakteritele, arhedele ja üherakulistele loomadele on hästi dokumenteeritud, nendes organismides on nikkel tähtis katalüsaator erinevatele bioloogilistele reaktsioonidele tänu oma mitmekülgse kordinatsiooniga geomeetriale, mis muudab metallid üleüldse olulisteks osadeks igas elussüsteemis. Nikkel on vajalik element mitmetes essentsiaalsetes metalli-ensüümide aktiivtsentrites bakteritele ja madalamatele-eukarüootidele. Avastatud on 8 mikroobset niklit sisaldavat ensüümi: ureaas, hüdrogenaas, CO dehüdrogenaas, atsetüül-CoA süntaas, metüül-CoM reduktaas, Ni-superoksiidi dimutaas, happereduktsiooni dioksügenaas ja glüoksalaas I, lisaks on neid veel avastamisel. Taimedel on kindlaks tehtud niklit vajavaks ureaas, mõned taimed on arenenud ka hüperakumuleerima nikli ioone, luues komplekseid süsteeme metalli mürgisuse vähendamiseks ja homöostaasiks, mis on uurimise all, et kunagi kasutada reostuste puhastamiseks.
Nikkel on lisatud „tõenäoliselt essentsiaalsete metallide“ nimekirja loomadele ja inimestele juba umbes 1970ndatel. Palju eksperimente loomsetel mudelitel on näidanud, et nikkel on kasulik, kui mitte essentsiaalne optimaalse paljunemise funktsiooniks, skeleti ehitusel ja tugevusel, energia metabolismis ja meeleelundite funktsiooniks.
Kuna tegemist on mürgise, aga samalajal kasuliku elemendiga, siis niklist sõltuvad organismid on arenenud nii, et neil on väga täpne süsteem nikliga toime tulekuks, transport õigesse kohta ja mürgituse vältimine . Bakterid , kes kasutavad niklit oma ümbruse koloniseerimiseks ja kasvuks on hea mudel, millega uurida nikli metabolismi ja homöostaasi sellest sõltuvates organismides.
Nikli ioonid saavad siseneda läbi tsütoplasma , et minna aktivatsiooni kohtadesse ensüümides. Teistpidi, üleliigne nikkel peab saama väljastatud rakuseest, et vältida sellega seonduvaid mürgisuse ohte . Seega madalas konsentratsioonis saavad metalli ioonid siseneda läbi tsütoplasma membraani, vastavalt kas intratsellulaarselt on konsentratsioon väike või suur või läbi plasma membraanide erinevate mittespetsiifiliste viisidega. Mikroorganismides, kes on sõltuvad sellest metalli ioonist eksisteerib spetsaliseerunud süsteem nikli transportimiseks, mis kuuluvad põhiliselt kahte klassi: NikABCDE import pumbad ja nikli/koobalti premeaasid(NiCoT). Esimene, kes leiti algselt E. Colis, kuulub ATPga-seonduvate transporterite hulka ja paardub substraadi translokatsiooni ja ATP hüdrolüüsiga. NikB ja NikC on trans-membraansed valgud mis moodustavad nikli poori . NikD ja NikE on valgud mis seonduvad ja hüdrolüüsivad ATP-d. NikA on periplasma valk mis seob ühe nikli ühe valgu kohta nikelofoori kontekstis. Sellise kompleksi loomus on vastuoluline, kuigi nüüd on avastatud struktuuri infot mis leidis, et kaks vaba histidiini kordineerivad Ni2+ seondumist NikA-ga, leides sellega, et Ni+2-(L-his)2 on nikelofoori äratundev perplasmiline transporter. Selline süsteem on leitud mitmes patogeenses organismis nagu Vibrio parahemolyticus, Helicobacter hepaticus ja veel mõndades. NiCoT-i perekond koosneb monomeersetest ühe komponendi premeaasidest millel on kaheksa transmembraanset heeliksid, mis on leitud paljudes bakterites nagu patogeen H. Pylori ning paljdes arhedes ja seentes. Osades toimib see ainult Ni+2 iooniga, aga osades toimub selektiivselt Ni2+ ja Co2+ vahel, eelistades ühte metalli. Mõned niklist-sõltuvad patogeenid kasutavad nikli-ensüüme, et tulla toime näiteks inimkõhus oleva happelise keskkonnaga.
Nikli toime valkudel, transkriptsiooni regulaatoridel ja metaboolsetel radadel
Nikkel blokeerib kaltsiumi kanalid ja segab intratsellulaarset kaltsiumi homöostaasi. Selle tulemusel on jälgitud, et suureneb nikli poolt muundatud rakkude kasv madala kaltsiumiga vahendajas. Tsütoplasma kaltsiumi tase reguleerib geenide ekspresseerumist, mis reguleerivad raku kasvu, eristumist ja suremist. Kaltsumi regulatsiooni häirimne muudab kogu raku metabolismi, täpsemalt muudab nikkel rakusisest kaltsiumi taset. See viib raku ekspressiooni muutumiseni ning lõpuks võib tekitada halbu mutatsioone.
Lahustuvad ja mittelahustuvad nikli ühendid on füsioloogilise pH juures redoks -aktiivsed, vähem küll, kui raua ja vase kompleksid , aga nikkel tekitav reaktiivseid vabu hapniku radikaale. See juhtub siis, kui tekib Ni3+/Ni2+ redoks paar, mis tavaliselt juhtub ainult siis kui nikkel on seotud mingite valkude või peptiidide külge, eriti need mis võivad moodustada ruudukujulisi nikli komplekse. Nende reaktsioonid on hapniku või veega, mis tekitavad hüdroksüüli ja teisi radikaale. Vees lahustumatute nikkelsulfaatide oksüdatsioon hõlmab mõlemat iooni ning mõlemast tekivad vabad radikaalid. Tänu sellele on oksüdatiivne kahju veel suurem, kui teistel nikli ühenditel, milletõttu on ka kantserogeensed efektid suuremad. Lisaks võib nikkel ära kasutada teisi tähtsaid antioksüdantseid ligandeid nagu askorbaat ja redutseeritut glutaatioon. Rakusisese askorbaadi varud tühjendab nikkel ära, oksüdeerides ja hüdrolüüsides nii askorbaadi , kui ka dehüdroaskorbiin happe ja inhibeerib nende transportijad. Glutaatioonide tühjendus on tõenäoliselt tagajärg nikli poolt tekitatud vabaradikaalidest. Nikli toksilisuse resistentsust on seostatud kõrge glutaatioonide tasemega. Antioksüdantse kaitse rakulised ensüümi komponendid nagu näiteks superoksiidi dismutaas, katalaas, glutaatiooni peroksüdaas ja glutaatiooni reduktaas on ka mõjutatud niklist.
Niklist põhjustatud oksüdatiivne stress võib aktiveerida ka mõned transkriptsiooni rajad tänu mõndadele oksüdatsiooni-tundlike transkriptsiooni faktoritele. Tekivad ka lipiidi peroksüdatsioon, mis võivad tekitada lisa reaktsioone DNA-ga, mis jällegi muudab geeni ekspressiooni.
Nikliga kokkupuutel tekib ka väga spetsiifiline geenide ekspreseerumise muster, mis seostab samu aktivatsiooni radu mis tekivad hüpoksia reaktsioonides, täpsemalt siis HIF-1 trankriptsiooni faktori aktiveerumisel. See valk on HIF-1alfa/HIF1-beeta (ARNT) hetero-dimeerina, alfa alaühik on regulatoorne osa, mis tekib madalast hapnikust tuleneva pingega rakus. Normaal hapniku tingimustes on HIF-1alfa peaaegu olematu rakus ja seda ei ole võimalik aparaatidega leida. Sarnaselt hüpoksiaga on nikkel tugev HIF-1alfa valgu stabilisaator ja sellest sõltuvate transkriptsioonide aktivaator , inhibeerides selle hüdrolüüsi. Selline hüpoksia signaalide aktivatsioon ja raku metabolismi oleku muutus mis matkib jäävat hüpoksiat on üks variant nikli kantserogeensusest, kuna hüpoksia seisund on tavaline kasvajates, sest muundunud rakud kasvavad kiiremini, kui veresooned neisse hapniku kanda jõuavad. Selline olek aktiveerib geene mis laseb rakkudel ületada toitainete puudust, eemalduda kahjulikust metaboolsest mikrokeskkonnast või stimuleerida angiogeneesi. Rakulised reaktsioonid hüpoksiast tulenevale stressile on raku kasvu inhibeerimine ja kui kahju rakule on taastamatu , siis aktiveerib apoptoosi.
Kasutatud kirjandus
http://books.google.ee/books?id=6OIlBAAAQBAJ&pg=PA323&lpg=PA323&dq=nickel+in+living+organisms&source=bl&ots=nLExPgf5UR&sig=jKGkhHhwCDnCjhtBsF48typA6co&hl=et&sa=X&ei=hn9jVKqPNtbfapOggIAM&ved=0CGMQ6AEwCQ#v=onepage&q&f=false
http://www.lenntech.com/periodic/elements/ni.ht m
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3113373/
http://www.space.com/26654-microbe-innovation-started-largest-earth-extinction.html
http://www.atsdr.cdc.gov/toxguides/toxguide-15.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel
http://www.tlu.ee/keemia/Biokeemia%202014K/Biokeemia%201.pdf