Не сломалось — не чини? Прошлое, настоящее и будущее термина heavy metals в научной литературе

Пожалуй, не так часто рецензенты и редакторы просят авторов научных публикаций изменять что-то в используемой ими терминологии. В прошлом году это произошло со мной, когда сразу в двух иностранных журналах (Polish Polar Research и Environmental Earth Sciences) попросили заменить термин heavy metals. Учитывая, что обе статьи к тому моменту уже прошли через череду отказов от других научных изданий, мы решили не играть с судьбой и согласились. В российской научной литературе я ни разу с подобными вещами не сталкивался и вот уже много лет публикую статьи, где и в названиях, и в ключевых словах, и в самом тексте фигурирует термин «тяжелые металлы», являющийся калькой английского heavy metals. Всё это побудило меня собрать воедино историю появления этого термина, многочисленные варианты его трактовки, критику использования в научных публикациях, возможные альтернативы как в английском, так и в русском языке, а также поразмышлять при помощи экспертов о дальнейшей судьбе heavy metals в условиях той борьбы, которая ведется с этим термином с 1980-х годов.

Трудности перевода?

Считается, что первым термин heavy metals употребил и, таким образом, ввел в научную литературу немецкий химик Леопольд Гмелин (1788–1853). В своем монументальном труде 1817 года „Handbuch der theoretischen Chemie“ («Учебник теоретической химии») Гмелин выделил 25 тяжелых металлов (Ti, Ta, W, Mo, U, Sb, Pb, Fe и др.) в отдельную группу в большом разделе неорганических соединений. В противовес тяжелым металлам Гмелиным были выделены и 11 легких (Habashi et al., 2009). С другой стороны, в работе (Duffus, 2002) говорится, что впервые в английской литературе этот термин был упомянут в учебнике другого европейского химика, датчанина Нильса Бьеррама (1879–1958), хотя эта книга („Bjerrum’s Inorganic Chemistry“) была опубликована в Лондоне лишь в 1936 году. Вероятно, это связано с тем, что учебник Гмелина мог быть переведен на английский после опубликования на английском работы Бьеррама. Кроме этого, в публикации (Duffus, 2002) упоминается, что до 1936 года в английском языке термин heavy metals использовался преимущественно в значении ‘выстрелы из дробовика крупного калибра’ (guns or shot of large size) или ‘замечательная / огромная способность’ (great ability).

Кто бы ни считался первопроходцем в использовании данного термина, основой отнесения металлов к группе тяжелых стала их плотность (см. табл.). У Леопольда Гмелина тяжелыми металлами считались элементы с плотностью выше 4,5 г/см 3 , т.е. начиная с титана (Habashi et al., 2009). У его коллеги Нильса Бьеррама порог для входа в эту группу элементов выше — 7 г/см 3 , т. е. тот же титан, ванадий или сурьма к тяжелым металлам, по определению датчанина, уже не относились (Duffus, 2002). В дальнейшем другие ученые вводили новые определения термина heavy metals относительно плотности химических элементов. Например, в работе (Falbe, Regitz, 1996) к тяжелым металлам причисляют элементы с плотностью выше 3,5 г/см 3 , а в работе (Thornton, 1995) — элементы с плотностью выше 6 г/см 3 . Всё это показывает, что у ученых-химиков не было и, забегая вперед, скажу, что и до сих пор нет единства по поводу определения термина heavy metals, если брать за основу плотность.

Таблица Менделеева с цветовой градацией химических элементов по плотности (скриншот с сайта ptable.com)

Подход, еще подход

Что же касается других свойств химических элементов? В какой-то момент ученые решили, что «тяжесть» металлов лучше определять не по плотности, а по относительной атомной массе (атомному весу) элементов. Данный подход стал ближе к периодической системе химических элементов, что, естественно, стало выглядеть более научно. Однако и у этого подхода нашлись свои недостатки. Самый главный вопрос: какое значение брать за точку отчета? Например, краткий химический словарь Хоули (Larrañaga et al., 2016) утверждает, что тяжелый металл — это металл с относительной атомной массой больше 23, т. е. от магния и дальше по таблице Менделеева. Другие ученые (Rand et al., 1995) предлагали вести отчет от скандия (атомный вес — 45), минуя упомянутые выше натрий и магний. Следует отметить, что оба подхода никак не вяжутся с определением «тяжести» металлов по плотности, ведь у скандия, магния и натрия этот параметр равен 3, 1,7 и 1 г/см 3 , что ниже любого из условных порогов плотности для тяжелых металлов, упомянутых в предыдущем абзаце. То же самое получается и при использовании подхода, основанного на атомных номерах (зарядовых числах) химических элементов. Несмотря на то, что большинство специалистов едины в том, чтобы начинать отчет «тяжести» металлов от № 21 (скандий; Lyman, 1995), данное определение не согласуется с историческим подходом, основанным на плотности. К разряду «тяжелых металлов» начинают попадать рубидий и цезий с плотностью 1,5 и 1,8 г/см 3 , соответственно. Кроме этого, подход, основанный на атомном номере, включает в себя полуметаллы мышьяк и теллур, а также неметалл селен, что еще больше противоречит смыслу термина heavy metals, в который по определению должны попадать только металлы.

Описанными подходами попытки объяснить, какой металл тяжелый, а какой нет, не ограничиваются. Можно встретить определения термину heavy metals, основанные на плотности для экранирования излучения, плотности кристаллов и реакции с дитизоном (Duffus, 2002). В этом случае, как считает Джон Даффус из Эдинбургского университета, это приводит нас к токсикологии, хотя часто в этой области термин heavy metals считается устаревшим (Hodgson et al., 1988), а в широко известном учебнике по токсикологии под редакцией Кёртиса Клаасена этого термина нет вообще (Klaasen, 2001). В целом токсикологи, изучающие влияние тех или иных химических элементов на живые организмы, предпочитают использовать собственные имена исследуемых элементов, и, если речь идет о тяжелых металлах, то в статьях будет просто написано: свинец, кадмий, никель или медь. При этом в общеэкологической научной литературе такой подход не прижился, и это отчетливо видно по статистике. Поговорим о ней.

Токсикологи против!

Начиная с середины XX века в мировой науке начался рост интереса к исследованиям последствий влияния антропогенной деятельности на окружающую среду. Промышленные предприятия и транспорт внесли свой вклад в загрязнение воздуха, почвы, поверхностных и подземных вод планеты. Это побудило многие страны Запада развернуть комплексные программы по мониторингу состояния окружающей среды. Поворотными моментами становились случаи массового заболевания и даже гибели людей вследствие техногенного загрязнения. Например, в США такой историей стал экологический кризис в Лав-Канале (районе города Ниагара-Фолс в штате Нью-Йорк) в конце 1970-х годов (Hung et al., 2006). Именно в те годы при оценке влияния антропогенной деятельности на природные экосистемы и здоровье человека стали выделять тяжелые металлы в качестве особой группы опасных веществ. Первоначально в их число входили Cd, Cu, As, Ni, Hg, Pb, Zn и Cr (Мур, Рамамурти, 1987), но на сегодняшний момент к heavy metals также принято причислять Al, Fe, V, Sb, Tl, Mn, Sn, Mo, Ba, W, Se и Sr (см. табл.; Crommentuijn et al., 2000; Pourret, Hursthouse, 2019). Однако необходимо понимать, что в каждой стране могут быть свои нормативы на этот счет. Еще, как видно из приведенных списков, в число heavy metals входят не только металлы, но и неметалл Se и полуметаллы As и Sb, поэтому распространенным стал термин heavy metals and metalloids (тяжелые металлы и металлоиды, Babula et al., 2008; Водяницкий, 2011). И ключевое слово heavy стало означать не столько плотность указанных элементов, сколько их токсичность по отношению к живым организмам, включая человека.

Периодическая таблица химических элементов, в которой выделены элементы, которые считаются «тяжелыми металлами» в журнале International Journal of Environmental Research and Public Health (сгенерировано на основе 167 статей с heavy metals в названии по состоянию на 10.10.2019; Pourret, Hursthouse, 2019)

Рост числа публикаций из Web of Science и Scopus с упоминанием термина heavy metals в названиях публикаций (Pourret, Bollinger, 2018)

В статье Оливье Пурре и Жана-Клода Боллинджера 2018 года, которая обозначена как письмо редактору, показано, что число публикаций из баз данных Web of Science и Scopus, где использован термин heavy metals, выросло с почти нулевых значений в 1970 году до десяти тысяч в августе 2017 года (Pourret, Bollinger, 2018). Если говорить лишь об упоминаниях термина в названиях статей, то их количество выросло с тех же почти нулевых значений до двух с половиной тысяч. И это только Web of Science и Scopus. Если использовать все известные базы данных, то цифры могут быть в несколько раз выше. Но больше всего корреспондентов расстраивает (из статьи ясно, что ее авторы выступают против термина heavy metals), что этого понятия не чураются ведущие научные издания из области наук об окружающей среде (environmental sciences). Например, в 2016 году в журнале Science of the Total Environment, согласно Web of Science, было опубликовано 238 статей, где употребляется термин heavy metals (Pourret, Bollinger, 2018). В 2020 году, я проверил, таких статей стало почти в три раза больше. Аналогичная ситуация наблюдается и в других известных экологических журналах, таких как Environmental Monitoring and Assessment, Environmental Pollution, Environmental Earth Sciences и др. Конечно, абсолютное увеличение статей в ведущих научных журналах с термином heavy metals говорит в основном о том, что растет сам интерес к проблеме загрязнения окружающей среды, однако и процент таких публикаций относительно общего числа опубликованных работ остается прежним.

Борьба против термина heavy metals в англоязычной научной литературе началась почти одновременно с его активным использованием в публикациях. Отправной точкой в 1980 году стал выход статьи под названием „The replacement of the nondescript term ‘heavy metals’ by a biologically and chemically significant classification of metal ions“ канадских ученых Эверта Нибоэра и Дэвида Ричардсона (Nieboer, Richardson, 1980). В ней авторы признают, что в науке открылась новая область, связанная с изучением накопления тяжелых металлов в объектах окружающей среды и их влияния на живые организмы. В то же время они предлагают не использовать термин heavy metals, так как он далек от классической химии, а качестве альтернативы применять в токсикологии (и не только в ней) ион-классификацию металлов, которая связана с атомными свойствами и химией растворов ионов металлов. На эту работу ссылаются почти все современные ученые, вставшие на борьбу с термином heavy metals в англоязычном научном мире.

В 2002 году Международный союз теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) выпустил технический отчет, готовившийся в течение 1999–2001 годов, где, ссылаясь на все предшествующие работы по критике термина heavy metals, было сказано, что данный термин является бессмысленным и вводящим в заблуждение, так как за почти 60 лет его использования он не получил четкого определения, основанного на химии (Duffus, 2002). И в этом есть своя правда. Во-первых, выше вы уже могли прочесть, что ни один подход, основанный на плотности, атомном весе или зарядовом числе химических элементов, не принят единогласно и, более того, не согласуется с другими подходами. Во-вторых, как отмечено в отчете, подготовленном IUPAC, использование понятия heavy metals приводит к тому, что у людей формируется представление, что какой-либо элемент и все его соединения имеют одни и те же физико-химические, биологические и токсикологические свойства, что в корне неверно. Например, известно, что все соединения шестивалентного хрома, включая хроматы и дихроматы, токсичны для живых организмов, что интуитивно дает основание вносить хром в список тяжелых металлов. С другой стороны, исследования показывают, что хром и его сплавы можно безопасно использовать в медицине для изготовления протезов, в том числе зубных. Еще пример из отчета IUPAC: металлический натрий вызовет серьезные осложнения в организме, если кто-то вздумает его проглотить, хотя хлорид натрия, более известный как поваренная соль, полезен и даже жизненно необходим (Duffus, 2002). Авторы отчета хотели донести до научного сообщества, что в вопросе токсичности важны не сами по себе элементы, а то, какие они могут создавать соединения. Ключевую роль в подготовке этого отчета сыграли члены комитета химии и здравоохранения, комитета клинической химии и, что важно подчеркнуть отдельно, комиссии по токсикологии. На титульной странице этого документа приведен список всех членов этой комиссии, состоявших в ней в годы работы над отчетом. Среди них были представители США, Канады, Дании, Ирландии, Венгрии, Бразилии, Японии и Новой Зеландии. Теперь на эту публикацию активно ссылаются все критики термина heavy metals. Ценность данной работы также заключается в обзоре различных определений несчастного термина, что коротко было приведено и здесь.

Кайся не кайся.

Сегодня без ссылки на отчет IUPAC не обходится ни одна публикация, выступающая против использования в научной литературе тяжелых металлов как особой группы химических элементов. Преимущественно авторы критических публикаций обращаются к редакторам журналов, имеющих власть допустить или не допустить использование на своих страницах какого-либо термина. Есть примеры того, как ученые приносят своеобразное покаяние за применение heavy metals в своих научных работах ранее: „Unfortunately the present authors committed in the past this unforgivable mistake: of course, we now apologize for this, and we can conclude that nobody’s perfect!“ (Pourret, Bollinger, 2018). Однако, как видно по статистике встречаемости термина heavy metals в новых и новых научных работах, такие воззвания к полному запрету термина пока неэффективны. Австралийский ученый Грэм Бэтли в своей публикации под названием „‘Heavy Metal’ — a Useful Term“ отмечает, что ему вполне удобно использовать этот термин и он с успехом делает это с самого начала своей научной карьеры в 1970-х годах (Batley, 2012). По его мнению, кампания, организованная IUPAC, была обречена на провал, так как термин heavy metals хорошо прижился в научной литературе, несмотря на отсутствие точного определения. Бэтли пишет, что ему подойдет любое определение тяжелых металлов, лишь бы их список включал V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, Au, Hg, Sn и Pb, которые являются маркерами антропогенного воздействия на окружающую среду (интересно, что Бэтли включил в свой список тяжелых металлов серебро и золото). Свою публикацию он заканчивает выражением „if it ain’t broke don’t fix it“, имея в виду, что пока не будет серьезного определения для heavy metals, не стоит отказываться от этого термина в угоду его критикам из IUPAC.

Какие же существуют альтернативы термину heavy metals в современной англоязычной научной литературе? Самое очевидное — это использование собственных названий химических элементов. Этим подходом пользуются токсикологи. Но он хорош только тогда, когда ученый изучает влияние одного-двух элементов на какие-либо живые организмы. В комплексных экологических исследованиях определяются концентрации в воде, почве или донных отложениях водных объектов сразу нескольких элементов. В этом случае предлагаются следующие наиболее распространенные замены для heavy metals: trace metals, trace elements, available metals, micronutrients и potentially toxic elements. Первые два близки к геохимическому понятию редких элементов или элементов-примесей, которые в основном встречаются в породах в количестве <0,1% (Интерпретация. 2001; Козлов, Предовский, 2005). Геохимики даже используют термин «следы» (traces), подчеркивая малую концентрацию того или иного элемента. Термин available metals родом из аналитической химии и указывает на одну из форм нахождения элемента в веществе (чаще всего в почве или донных отложениях), а именно — на доступную для живых организмов форму (Tessier et al., 1979); micronutrients (микроэлементы) может использоваться как синоним trace elements, хотя по сути этот медико-биологический термин обычно применятся для обозначения полезных для человека элементов, содержание которых меньше 0,1% от массы тела (Скальный, 2005). Наконец, potentially toxic elements (реже просто toxic elements) — термин, означающий вероятность влияния того или иного элемента на живые организмы. Токсикологи крайне скептически относятся к его употреблению без проведения надлежащих исследований (Duffus, 2002).

В России всё спокойно

В нашу страну термин heavy metals пришел в виде дословного перевода «тяжелые металлы» и успешно применяется учеными. Согласно моим подсчетам, проведенным по данным сайта elibrary.ru, с начала 1970-х годов до настоящего времени использование термина «тяжелые металлы» в аннотациях и ключевых словах статей, диссертаций и книг отечественных ученых увеличилось более чем в 500 раз. То есть Россия никак не выбивается из мировых трендов, показанных на рисунках выше. Главное отличие нашей страны от Запада заключается в том, что в России термин «тяжелые металлы» почти не критикуется. Нет, безусловно, все прекрасно понимают, что этот термин не имеет четкого химического определения (его даже нет в справочниках по химии), но он настолько органично прижился в научной литературе и вошел в привычный обиход наших экологов, ботаников, почвоведов, гидрологов и геохимиков, что мало кто всерьез задумывается о замене «тяжелых металлов» чем-то другим.

Рост числа публикаций (статьи, диссертации, книги) с упоминанием термина «тяжелые металлы» в аннотациях и ключевых словах (по данным elibrary.ru)

«У меня возражений к термину „тяжелые металлы“ нет, — говорит преподаватель кафедры почвоведения Московского государственного университета, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Юрий Водяницкий, к которому я обратился за экспертным мнением по поводу поднятой темы. — Конечно, когда надо, добавляют слова „и металлоиды“ (то есть тяжелые металлы и металлоиды. — З. С.). Понятие редких металлов сохранено для лантанидов. По этому поводу Орлов Д. С. в книге „Экология и охрана биосферы“ сказал так: „И хотя термин «тяжелые металлы» неудачен, им приходится пользоваться, так как он вошел в экологическую литературу“. Я с этим согласен».

Схожим мнением поделился сотрудник лаборатории водных экосистем Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН, доктор географических наук, профессор Владимир Даувальтер: «Термин „тяжелые металлы“ в научной литературе чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения, т. е. это металлы, которые участвуют в биологических процессах и в определенных количествах (обычно очень малых) необходимы для функционирования растений, животных и человека, а в больших количествах могут оказывать вредное воздействие на живые организмы, в том числе и человека, способны накапливаться в тканях, вызывая угнетение и ряд заболеваний (сатурнизм, итай-итай и болезнь Минаматы. — З. С.). Но среди тяжелых металлов существуют также элементы, такие как свинец и ртуть, биологическая роль которых не доказана, т. е. они не имеют полезной роли в биологических процессах и определяются как чисто токсичные металлы. Термин „тяжелые металлы“ прочно закрепился в научной литературе, в том числе и в иностранной (heavy metals. — З. С.), поэтому мое отношение к критике его использования можно охарактеризовать как отрицательное. Думаю, что его нужно использовать, особенно в таких научных направлениях, как геохимия, биогеохимия, экология и других, имеющих природоохранную направленность».

Владимир Даувальтер также отметил, что предлагаемые замены термину heavy metals не отражают полностью сути этого понятия. Например, замена его на trace elements будет не совсем верной, поскольку среди редких элементов не все являются металлами, и в разных средах или в разных звеньях окружающей среды некоторые элементы будут как trace elements, так и basic elements, например, алюминий для земной коры — basic element, а для воды или живых организмов — trace element, утверждает Владимир Даувальтер.

То же самое происходит и с любыми российскими заменами термина «тяжелые металлы» («микроэлементы», «редкие элементы»). Первые больше подходят для биологии или медицины и подчеркивают важную роль химических элементов для живых организмов, включая человека. Сюда явно не подходят такие металлы, как кадмий, свинец и ртуть. Вторые больше подходят для классических геолого-геохимических работ, нежели для эколого-геохимических исследований, так как в этом определении никак не отражается роль антропогенного фактора в изменениях, происходящих в окружающей среде. Но даже если использовать геохимическую классификацию элементов Гольшмидта, разделяющую элементы на сидерофильные (сродство с железом), литофильные (сродство с силикатными минералами), халькофильные (сродство с серой) и атмофильные (накапливаются в атмосфере) при исследовании геологических образований, то для тех, кто изучает почву, воду и воздух, она уже вряд ли подойдет. И вообще, термин «тяжелые металлы» довольно прочно вошел не только в российскую научную литературу, но и во все российские нормативные документы по стандартизации оценки качества объектов окружающей среды. Я слабо себе представляю, чтобы в почвенном ГОСТе 17.4.3.04–85 тяжелые металлы вдруг стали редкими элементами или чем-то еще. Применение этого не самого научного термина — уже традиция, причем как в нашей стране, так и за рубежом, и в ближайшее время с этим сложно будет что-либо сделать.

Эта музыка будет вечной

Тяжелые металлы (коллаж). Изображение с сайта chemistryjokes.com

В английском языке термином heavy metal (не во множественном, а в единственном числе) также обозначают одно из направлений в рок-музыке, поэтому для большинства далеких от науки людей heavy metals — это не про науку, а про искусство. На это также обычно указывают критики употребления данного термина в научных публикациях: „‘Heavy metal’ is relevant for musical terminology only, not for science“ (Chapman, 2007). Вот только музыка научных терминов heavy metals / «тяжелые металлы» по-прежнему жива и, кажется, будет жить еще долго. Кстати, в журнале Environmental Earth Sciences, где меня в это году настойчиво попросили заменить heavy metals на trace elements или potentially toxic elements, что я послушно и сделал (Slukovskii et al., 2021), в том же номере вышла статья „Heavy metal pollution characteristics and health risk evaluation of soil around a tungsten-molybdenum mine in Luoyang, China“ (Wang et al., 2021). То ли выпускающий редактор для этой статьи был другой, то ли китайские коллеги проявили большую, чем мы, несгибаемость в вопросе использования своей терминологии, то ли еще что-то, но факт остается фактом: единой позиции по поводу «тяжелых металлов» нет даже внутри одного научного журнала, что уж говорить о всей экологической науке в целом.

Источник https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435976/Ne_slomalos_ne_chini_Proshloe_nastoyashchee_i_budushchee_termina_heavy_metals_v_nauchnoy_literature

Источник

Источник