Metales y Metaloides Tóxicos y Salud en el Trabajo

1.- Introducción.

Los metales y metaloides son elementos químicos que se caracterizan por ciertas propiedades químicas y físicas.  Químicamente los metales son estructuras atómicas muy compactas con fuerzas de atracción muy fuertes que hacen difícil romperlos. Desde el punto de vista de sus propiedades físicas suelen tener opacidad pero ser buenos reflectores de la luz o tener brillo, ser buenos conductores de la electricidad, buenos conductores térmicos, tener altos puntos de fusión y ebullición y ser compactos al tiempo de ser dúctiles o maleables.

Los metales pueden formar mezclas homogéneas llamadas aleaciones al combinarse con otros metales y al reaccionar con no-metales forman sales al perder electrones.

En la Tabla Periódica son considerados metales el  75% de los 112 elementos. Todos los metales son sólidos, a temperatura ordinaria, con excepción del mercurio que es líquido.

Historia Humana y Metales y Metaloides.

La presencia de los metales en la vida del hombre lo ha definido desde el punto de vista de su desarrollo histórico y tecnológico. La edad de bronce y la edad de hierro se definieron en función del manejo por el ser humano de estos metales. Hoy aparecen metales que están marcando nuestra época contemporánea como el selenio, el tantalio y el germanio utilizados en electrónica; el bismuto y el itrio utilizados en los superconductores; el titanio y el cobalto en aleaciones para la industria aeronáutica; el berilio y el uranio en la industria nuclear, etc.

Efectos a la Salud de los Metales y Metaloides.

Aunque parezca increíble, algunos de los efectos a la salud por la exposición a los metales se conocen desde hace aproximadamente 2,000 años, como es el caso de los cólicos asociados a la exposición al plomo, arsénico y mercurio. Aun así, se está muy lejos del control de su exposición y, por lo tanto, del control de sus efectos en los sistemas biológicos, incluyendo por supuesto al ser humano. Por ejemplo, la Agencia para las Substancias Tóxicas y Registro de las Enfermedades de los Estados Unidos (ATSDR por sus siglas en inglés), que cataloga los riesgos tóxicos de los desechos tóxicos según su prevalencia y la gravedad de las intoxicaciones que originan, ha clasificado al plomo, mercurio, arsénico y cadmio en los lugares uno, dos, tres y seis de su Lista General.

Efectos a la Salud en Trabajadores Expuestos a Metales y Metaloides.

Los efectos en la salud de los trabajadores por exposición a metales y metaloides pueden ser desde las molestias irritativas a nivel ocular y del tracto respiratorio superior, medio e inferior, hasta los procesos de carcinogénesis y otros efectos a nivel enzimático y biológico molecular, incluyendo los efectos a nivel teratogénico, reproductivo, dermatológico, endócrino y renal, que se encuentran descritos de manera sintética y  panorámica en la Tabla 1.

Procesos de Trabajo con Riesgo de Exposición a Metales y Metaloides: Industria Petrolera.

La presencia de metales y metaloides tóxicos en la industria requiere analizar cuáles son los procesos de trabajo con riesgo importante de exposición a tales agentes químicos.

En la industria petrolera, los metales tóxicos se encuentran en diferentes procesos de extracción, refinación y petroquímica, además de que existe riesgo de exposición en  varios procesos necesarios para mantener la operación industrial de los equipos, maquinaria, ductos, tuberías, como son los diversos procesos de soldadura, corte metálico, uso de pinturas anticorrosivas con base metálica y la utilización de catalizadores con base metálica.

Hay que señalar, que algunos metales tóxicos se pueden encontrar en la composición del petróleo crudo como componentes en pequeña escala,  como por ejemplo, el vanadio, hierro, níquel, cromo y cobalto.

Toxicidad de los Metales y Metaloides.

Una de las principales características de los metales y metaloides, y que explica su toxicidad, es que pueden reaccionar en los sistemas biológicos perdiendo uno o más electrones formando iones positivos o cationes, haciéndolos altamente reactivos y tóxicos.

Metales Esenciales.

Es necesario señalar, que algunos de los metales como el cobalto, cromo, hierro, zinc, magnesio y manganeso, son también metales esenciales para la vida y son vitales en algunos procesos biológicos, y tanto si rebasan los niveles adecuados, como si existe deficiencia de ellos en el organismo, en ambos casos, se producen efectos adversos a la salud. Recuérdese la Curva Dosis Respuesta en forma de U (Hormesis) de los metales esenciales que pueden producir efectos adversos a la salud, tanto por falta o disminución excesiva, como por exceso o aumento, en sus niveles de concentración en el organismo.

2.- Principales Metales y Metaloides Tóxicos Industriales, Procesos de Trabajo y Efectos a la Salud.

En la Tabla 1, de manera sintética, se presenta la lista de los principales metales y metaloides tóxicos industriales y los procesos de trabajo en los cuales puede existir el riesgo de exposición laboral, así como los principales efectos a la salud identificados por la exposición tanto aguda como crónica a dichos agentes químicos.

Tabla 1.- Principales Metales y Metaloides Tóxicos Industriales

Fuentes: Casarett and Doull´s Toxicology, The Basic Science of Poisons (2008), Chapter 23: Toxic Effects of Metals: Jie Liu,

Robert A. Goyer, and Michael P. Waalkes, pp. 930-979, Editor: Curtis D. Klaassen, McGrawHill, 7a Edición, Kansas City, Kansas, USA.;

NIOSH Pocket Guide To Chemical Hazards (2010); International Agency for Research on Cancer (IARC), (1990, 1993, 1999, 2004),

WHO, UN. (Agencia Internacional de Investigación sobre el Cáncer, Organización Mundial de la Salud, Naciones Unidas).

3.- Toxicocinética de los Metales y Metaloides.

Vías de Absorción.

La Toxicocinética es la parte de la Toxicología Industrial que estudia la forma como ingresan los agentes químicos al organismo o las llamadas Vías de Absorción: a saber, Vía Respiratoria, Cutánea, Digestiva, Vía Transplacentaria en la mujer embarazada y Lactancia del recién nacido, que constituyen vías de transferencia de los  agentes químicos del exterior hacia el interior del organismo, como sucede con los metales o metaloides que ingresan al embrión o al feto en el caso de la vía transplacentaria y en el caso de la lactancia al recién nacido o lactante.

La absorción de los metales o metaloides, que no es otra cosa que su translocación a través de las membranas biológicas, va a depender de diferentes características físico-químicas de dichos agentes químicos, a saber: solubilidad: hidrosolubilidad y liposolubilidad, ionización y tamaño de la partícula. Por ejemplo, las sales solubles de los metales se disocian rápidamente en el ambiente acuoso de las membranas biológicas, facilitando su transporte hacia el cuerpo u organismo, mientras que las sales insolubles son pobremente absorbidas.

Es necesario recordar que los metales, en su estado elemental, prácticamente no interactúan con los sistemas biológicos, es decir, son prácticamente inertes, ya que en general, no atraviesan las membranas biológicas. En cambio, los metales orgánicos o en forma de iones sí actúan biológicamente ya que pueden atravesar las membranas biológicas.

Los metales orgánicos, como el metilmercurio o el trimetilo y trietilo de estaño, son liposolubles y atraviesan fácilmente la fase lípida de las membranas biológicas, y por lo tanto, pueden actuar a nivel celular y subcelular y producir alteraciones bioquímicas o enzimáticas o efectos adversos a la salud.

Por ejemplo, los humos o vapores metálicos producidos en los procesos de soldadura y corte metálico ingresan al organismo principalmente a través de la vía respiratoria, de aquí la gran importancia de la protección respiratoria adecuada de los trabajadores, como se verá más adelante. Algunas partículas que se producen en estos procesos pueden ingresar al organismo por vía digestiva, que constituye una vía importante de absorción y que conviene tomar en cuenta para el uso de guantes y realizar el aseo constante de las manos, así como la importancia de las buenas prácticas de Higiene en el Trabajo, evitando ingerir alimentos durante o cerca de los procesos de trabajo con riesgo de exposición a partículas metálicas, por la posibilidad de su absorción a través de la vía mano-alimento-boca.

Distribución.

Los metales, al llegar al torrente sanguíneo, pueden viajar a través del organismo unidos a la membrana eritrocitaria, como en el caso del plomo. Otro mecanismo importante de transporte de los metales, se realiza a través de las denominadas proteínas transportadoras, como las metalotioneínas, que juegan un papel fundamental en el transporte del cadmio, el cobre, el mercurio y el zinc.

Las metalotioneínas son proteínas solubles, pequeñas, de aproximadamente 6,000 daltons y tienen una estructura química rica en tioles, que son los ligandos preferidos de los metales a través de los grupos funcionales sulfhidrilos, compuestos por un átomo de azufre y un hidrógeno (S-H). Los metales tienen una gran afinidad por el átomo de azufre. Recuérdese que el grupo tiol o grupo funcional sulfhidrilo, o también llamado anión sulfhidrilo o anión hidrógeno sulfuro, que se encuentra en el aminoácido de la cisteína, que a su vez forma parte de las metalotioneínas, tiene una gran afinidad por los metales pesados. El átomo de azufre es rico en electrones, es decir, representa un sitio nucleofílico importante para formar enlaces covalentes, en esta caso, iónicos. El o los metales se comportan en este caso, como elementos electrofílicos, que buscan electrones, que encuentran justamente en las órbitas electrónicas del átomo de azufre, en pares de electrones que comparten para formar enlaces iónicos covalentes.

La transferrina, es una glicoproteína muy importante en el transporte a través del plasma del hierro férrico y capaz de transportarlo a través de las membranas biológicas hasta el interior de las células. También es transportadora del aluminio y el manganeso.

La ferritina se considera una proteína almacenadora del hierro y se cree juega un papel de protección contra algunos metales tóxicos al enlazarse con metales como el cadmio, el aluminio y el berilio.

La ceruloplasmina, es una glicoproteína oxidasa que contiene cobre y que oxida al hierro ferroso para convertirlo en hierro férrico en el plasma de la sangre, el cual se une posteriormente a la transferrina.

Biotransformación.

Debido a que los metales constituyen elementos muy compactos, en términos generales, no se biotransforman, es decir, no sufren transformaciones moleculares metabólicas y/o enzimáticas, con excepción del arsénico que sí puede sufrir procesos de metilación.

Excreción y Acumulación.

En cuanto al proceso de eliminación de los metales y metaloides, la excreción urinaria constituye la vía principal, aunque pueden eliminarse también en pequeñas cantidades a través de la vía digestiva, sudor, cabello y  uñas. La vida media biológica de los metales y metaloides es variable, pero en general se trata de vidas medias biológicas largas de varios años en el organismo. Existen también formas de vida media biológica cortas de los metales y metaloides en distintos compartimientos biológicos, como puede ser a nivel de la sangre y que pueden indicar exposición reciente.

Algunos metales, se acumulan en diferentes órganos o estructuras del organismo, como sucede con el  plomo que se acumula en los huesos, el cadmio y el mercurio que se acumulan a nivel renal. Esta característica, depende de la afinidad y/o atracción que existe entre algunos iones metálicos y los compuestos orgánicos. La mayoría de compuestos metálicos tóxicos se enlazan poderosamente con moléculas orgánicas de los tejidos y, por lo tanto, son lentamente excretados, posibilitando de mejor manera la permanencia en el organismo y facilitando la acción biológica de dichos agentes químicos. La vida media biológica específica de los metales y metaloides determina el momento más adecuado para la toma o recolección de las muestras biológicas para el Monitoreo Biológico de la Exposición, aunque en términos generales, para este tipo de agentes químicos no es crítico el momento del muestreo dada su vida media biológica larga.

4.- Toxicodinámica de los Metales y Metaloides.

Mecanismos Tóxicos de Acción y Sitios Críticos.

Activación/Inhibición Enzimática: Un sitio importante de acción es la interacción enzimática, resultando en su inhibición o reactivación. La inhibición puede resultar de la interacción del metal con los grupos sulfhidrilo de las enzimas o el metal puede desplazar un cofactor metálico esencial de la enzima. Por ejemplo, el plomo puede desplazar al zinc en la enzima zinc – dependiente del ácido delta aminolevulínico deshidratasa, inhibiendo a su vez la síntesis del hemo, componente importante de la hemoglobina, lo cual puede producir anemia en el trabajador.

Organelos Subcelulares: Los metales tóxicos pueden alterar la estructura y función de organelos subcelulares, por ejemplo: algunas enzimas asociadas con el retículo endoplásmico pueden ser inhibidas, algunos metales pueden acumularse en los lisosomas, las enzimas respiratorias pueden ser inhibidas en las mitocondrias, además de que pueden formarse cuerpos metálicos en el núcleo.

Carcinogenicidad: El cromo hexavalente, el arsénico y el níquel son clasificados como cancerígenos humanos confirmados por la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC, por sus siglas en inglés). Se estima que su acción carcinogénica se debe a la interacción de los iones metálicos con el ADN.

Entre los mecanismos carcinogénicos con relación al cromo hexavalente se ha investigado como en el proceso de reducción a cromo trivalente a nivel intracelular se generan radicales libres, especies reactivas del oxígeno, inhibición de la síntesis de proteínas y paro de la replicación del ADN, además de la formación de aductos con el ADN, enlaces cruzados ADN – proteínas, enlaces cruzados internos ADN – cromo, rupturas de las hebras o hélices del ADN y oxidación de bases del ADN.

Además, se han investigado otras lesiones genotóxicas que se producen en este proceso reductor del cromo hexavalente, como el daño a la vía de señalización del p53, paro del ciclo celular, apoptosis, interferencia en la reparación del daño al ADN y transformación neoplásica.

En cuanto a los daños genotóxicos, que se relacionan con la carcinogénesis química producida por el arsénico, se encuentran los siguientes: daño oxidativo al ADN, alteración en el estado de metilación del ADN, inestabilidad genómica, daño al sistema de reparación del ADN y aumento de la proliferación celular.

Riñón: Dado que el riñón es el principal órgano excretor constituye un órgano blanco para la toxicidad de los metales. El cadmio y el metilmercurio son potentes nefrotóxicos.

Sistema Nervioso: El Sistema Nervioso Central (SNC) y Periférico (SNP) pueden ser órgano blanco de los metales. El manganeso produce alteraciones semejantes al Síndrome de Parkinson. El metilmercurio atraviesa la barrera hemato-encefálica y produce alteraciones en el SNC. El arsénico puede producir Neuritis Periférica Sensitivo-Motriz, al igual que la intoxicación crónica de plomo inorgánico llega a dañar el nervio radial en las extremidades superiores. El plomo orgánico produce efectos y alteraciones en el SNC y otros metales, como se describe en la Tabla 1.

            Efectos Endócrinos y Reproductivos: Se ha estudiado recientemente que algunos metales producen disrupción endócrina como el arsénico. El plomo inorgánico ha sido  asociado a daño testicular, inhibición de la espermatogénesis y atrofia de las Células de Leydig.

            Sistema Respiratorio: Los  humos, vapores y polvos metálicos son importantes irritantes de las vías respiratorias pudiendo producirse bronquitis y neumonitis. La exposición crónica al aluminio se ha asociado con fibrosis pulmonar. Existen también los metales cancerígenos a nivel pulmonar como el cromo hexavalente, el arsénico y el níquel.

            Piel: Algunos metales como el cromo y el níquel están asociados a dermatitis alérgicas de contacto. El arsénico por su parte produce hiperpigmentación, hiperqueratosis y está asociado a cáncer de piel.

            Enlaces Metal-Proteínas: La biodisponibilidad de los metales se produce a través del enlace a proteíneas transportadoras, como se acaba de señalar anteriormente, al tratar los fenómenos de distribución de los metales en el cuerpo. A nivel citosólico celular existe la posibilidad de encontrar proteínas que tienen grupos sulfhidrilos (SH) y que sirven para enlazar a los metales, desarrollando una función protectora que puede saturarse, como sucede con el glutatión. En el caso de la saturación del glutatión, por ejemplo, los cationes metálicos pueden producir efectos biológicos debido a su reactividad, como sucede en los casos de cáncer por exposición crónica a algunos metales.

5.- Control Ambiental de la Exposición Laboral de los Metales y Metaloides.

A nivel laboral existen Límites Ambientales de Exposición a Metales y Metaloides, que se han establecido como sucede en México, a través de la normatividad nacional, con la NOM-010-STPS-2014, así como existen criterios internacionales de Asociaciones Profesionales tan importantes como la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales de los Estados Unidos de Norteamérica los cuales revisan anualmente los Límites que establecen.

Desgraciadamente, en México, la revisión de la normatividad laboral no se realiza con la frecuencia debida y adecuada, y en términos generales, los límites establecidos son más altos y menos rigurosos y estrictos, como se puede observar al comparar los límites ambientales de exposición de metales y metaloides que se presentan en la Tabla 2 que contiene los Límites Máximos Permisibles de Exposición Ambiental Laboral, tanto de la NOM-010-STPS-2014 de México, como de la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales de los Estados Unidos de Norteamérica.

Tabla 2.- Principales Metales y Metaloides Industriales: Límites Máximos Permisibles de Exposición Laboral

y Principales Efectos a la Salud por la Exposición.

C: Valor Techo

CT: Concentración de Corto Tiempo o Pico

FI: Fracción Inhalable

FR: Fracción Respiratoria

6.- Monitoreo Biológico de la Exposición Laboral a Metales y Metaloides Potencialmente Tóxicos.

En la Tabla 3 se presentan los Índices Biológicos de Exposición establecidos por la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales de los Estados Unidos de Norteamérica.

7.- Medidas Generales de Higiene Industrial para los Trabajadores con Riesgo de Exposición a Metales y Metaloides Potencialmente Tóxicos.

Con objeto de proteger la salud de los trabajadores con riesgo de exposición a los humos, vapores y partículas metálicas que se desprenden de los procesos industriales que utilizan metales y metaloides, como los descritos en la Tabla 1, se requiere tomar medidas en materia de Higiene Industrial para prevenir y controlar la exposición en la fuente, en el medio de dispersión y en el propio trabajador.

Control en la Fuente de Exposición.

Se requiere contar con sistemas de ventilación extractiva en las fuentes donde se genera la contaminación laboral por metales. Dichos sistemas deben ser diseñados, construidos y con sostenidos con planes y programas de mantenimiento preventivo  y correctivo realizado por Especialistas en Ventilación Industrial. Además de los sistemas fijos pueden existir sistemas portátiles, ubicados en los sitios de generación, con las estructuras tubulares que permitan que no se pierda potencia extractiva o presión negativa y con  campanas de extracción suficientemente amplias y focalizadas para la captación directa de los humos, vapores y partículas metálicas. Estos sistemas deben estar dotados de los filtros adecuados hacia el exterior para evitar que la contaminación laboral llegue al medio ambiente general.

Control en el Medio de Dispersión.

Existen barreras y sistemas de retención que evitan la dispersión de los humos, vapores y partículas metálicas en el medio ambiente laboral y que evitan su diseminación hacia otras áreas de trabajo.

Control en el Trabajador.

Con referencia al trabajador se deben tomar en cuenta varios factores: desde la concientización y educación toxicológicas a través de la actualización, explicación y difusión de las Hojas de Datos de Seguridad, que en nuestro  país exige la NOM-018-STPS-2000, hasta el uso adecuado del Equipo de Protección Personal Específico (EPPE) que constituye la última barrera entre la exposición y el trabajador, pero que ha demostrado ser muy efectiva para evitar la absorción respiratoria de los humos, vapores y partículas metálicas.

Evidentemente, en el caso especial de los diversos procesos de soldadura debe haber también protección contra la radiación no ionizante, en especial la radiación infrarroja y radiación ultravioleta, además de la protección antitérmica y auditiva. El equipo mínimo de protección deberá incluir el uso de pantallas protectoras, mandiles, guantes, equipo de protección respiratoria: autónomo, respiradores, mascarillas, etc., dependiendo del proceso específico de trabajo. Igualmente importantes deben de ser las medidas de aseo personal y de higiene personal y colectiva. Los trabajadores no deben comer en las áreas de trabajo y antes de ingerir los alimentos deben lavarse rigurosamente las manos para evitar y controlar que las partículas metálicas sean ingeridas por la vía digestiva.

8.- Bibliografía Consultada:

(1) Howard Hu (2008) Intoxicación por Metales Pesados, Harrison Medicina Interna, McGraw Hill Companies, Capítulo e34, Parte 17, pp. 277-279.

(2) Chris Winder and Neill H. Stacey (2004) Occupational Toxicology, 2^nd Edition, CRC Press LLC, Toxicity of Metals, pp. 322-343.

(3) Hodgson Ernest (2004) A Textbook of Modern Toxicology, 3^rd Edition, John Wiley and Sons, Inc., Classes of Toxicants: Use Classes, Metals, pp. 49-51.

(4) Casarett and Doull´s Toxicology, The Basic Science of Poisons (2008), Editor: Curtis D. Klaassen, 7^th Edition, McGrawHill; Jie Liu, Robert A. Goyer, and Michael P. Waalkes, Chapter 23: Toxic Effects of Metals: pp. 930-979.

(5) NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards (2010).

(6) International Agency for Research on Cancer (IARC), (1990, 1993, 1999, 2004), WHO, UN.

(7) NOM-010-STPS-2014.

(8) NOM-047-SSA1-2011.

(8) TLVs and BEIs (2015), ACGIH.

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