Arsenaatti (AsO4^3−) – määritelmä, kemia ja myrkyllisyys

Arsenaatti (AsO4^3−): kemiallinen määritelmä, reaktiot ja myrkyllisyys. Kuinka se korvaa fosfaattia soluissa, aiheuttaa solukuolemaa ja vaikuttaa ympäristöön.

Arsenaatti on ioni, jonka kemiallinen kaava on AsO₄^3-. Arseenin hapetusaste tässä anionissa on +5, eli kyseessä on arseenin korkein yleinen oksidaatiomuoto. Arsenaatti on arseenihapon (H3AsO4) konjugaattibasa: sitä muodostuu, kun arseenihaposta poistetaan kaikki kolme protonia.

Kemia ja hapetus- / protonointiasteet

Arseenihapon protolyysitasapainot johtavat kolmeen eri protonoituneeseen muotoon:

• H3AsO4 (arseenihappo)
• H2AsO4^- (dihydrogenarseenaatti, kirjoitetaan H₂AsO₄^-)
• HAsO4^2- (hydrogenarseenaatti, kirjoitetaan HAsO₄^2-)
• AsO4^3- (arsenaatti, AsO₄^3-)

Vesiliuoksessa esiintyvä protonoitumisaste riippuu pH:sta. Arseenihapon pKa-arvot ovat likimäärin pKa1 ≈ 2,2, pKa2 ≈ 6,9 ja pKa3 ≈ 11,5, joten neutraaleissa ja lievästi emäksisissä oloissa muotona on usein HAsO₄^2- tai H₂AsO₄^-.

Arsenaattien kemialliset ominaisuudet

Arsenaatit ovat yleisesti hapettavia aineita, eli ne voivat toimia elektronien vastaanottajina tietyissä redox-reaktioissa. Arseeni esiintyy luonnossa sekä +5- että +3-oksidaatiotiloissa; As(V) on arsenaatin muoto, As(III) taas tunnetaan esimerkiksi arseeni(III)-yhdisteinä, kuten arseeniitti (AsO₃^3-). Arsenaatit muodostavat lukuisia suoloja (esimerkiksi metalliarsenaatit) ja mineraaleja — yksi tunnetuista arsenaatmineraaleista on scorodite (FeAsO₄·2H₂O).

Suolat ja välivaiheet

Arsenaatit ovat arseenihapon suoloja. Koska happo on tribasinen, sen eri deprotonoituneet muodot esiintyvät riippuen pH:sta. Jos arseenihaposta ei poisteta kaikkia protoneja, muodostuu arseenivetyarsenaattisuoloja kuten HAsO₄^2- tai H₂AsO₄^-, jotka ovat tavallisia vesiliuoksissa ja kiinteissä suoloissa.

Biologinen vaikutus ja myrkyllisyys

Arsenaatit ovat myrkyllisiä useimmille eliöille. Yksi keskeinen syy niiden myrkyllisyyteen on kemiallinen samankaltaisuus fosfaatin (PO₄^3-) kanssa: arsenaatti voi korvata fosfaattia solujen biokemiallisissa reaktioissa, mutta ei toimi samalla tavalla.

• Esimerkiksi glykolyysissä ja solun energia-aineenvaihdunnassa fosfaatin korvautuminen arsenaatilla johtaa epästabiilien arsenyyliyhdisteiden muodostumiseen, jotka hydrolysoituvat nopeasti eikä ATP:ta synny normaalilla tavalla — tämä lamauttaa energian tuotannon ja voi johtaa solun kuolemaan.
• Arsenaatti voi myös aiheuttaa oksidatiivista stressiä ja häiritä entsyymien toimintaa sitoutumalla sulfhydryyliryhmiin tai muihin tärkeisiin koentsyymi- ja koordinaatiokohteisiin.

Krooninen altistus matalilla pitoisuuksilla voi aiheuttaa iho-, sydän- ja verisuonioireita, hermostollisia vaikutuksia ja lisääntyneen syöpäriskin. Inorgaaniset arseeniyhdisteet on luokiteltu ihmisen karsinogeeniksi (IARC-luokitus). Kehot puolustautuvat arseenilta osin reduktiolla (As(V) → As(III)) ja sitten metyloimalla sitä, mikä helpottaa erittymistä, mutta nämä reitit eivät poista kaikkia haittavaikutuksia.

Bakteerit ja mikrobit

Vaikka arsenaatit ovat haitallisia monille eliöille, jotkut mikrobit pystyvät käyttämään niitä osana aineenvaihduntaansa. Jotkut bakteerit ja mikro-organismit voivat korvata fosfaatin arsenaatilla tai käyttää arsenaattia elektronin vastaanottajana tai luovuttajana. Tällaisia lajeja kutsutaan usein arseenibakteereiksi. Esimerkiksi jotkut bakteerit suorittavat dissimilatiivista arseenin pelkistystä (As(V) → As(III)) käyttämällä arsenaattia elektroninacceptorina anaerobisissa olosuhteissa, kun taas toiset voivat oksidoida arseenittiä arsenaatiksi.

Esiintyminen ympäristössä ja vesissä

Arsenaatit esiintyvät luonnossa erityisesti hapettuneissa oloissa ja ­järjestelmissä, joissa arseeni on sidottu rautaharjanteisiin tai muihin metalleihin. Merkittäviä arseenin lähteitä ovat arseenipitoiset mineraalit, kaivostoiminta, teollisuuden päästöt, maaperän geokemialliset prosessit sekä vanhat torjunta-aineet. Maaperän ja pohjaveden arseenpitoisuudet voivat olla luonnostaan koholla tietyillä alueilla, mikä aiheuttaa terveydellisiä riskejä juomaveden kautta.

Puhdistus- ja hallintakeinot

Arsenaatin poistossa vedestä käytetään muun muassa seuraavia menetelmiä:

• Koagulaatio ja flokkulaatio rauta- tai alumiinisuoloilla, jotka saostavat arsenaatin rautaoksidien ja -hydroksidien pinnalle.
• Adsorptio rautaoksidien, aktiivihiilen tai muiden sorptiomateriaalien avulla.
• Ioninvaihto ja käänteisosmoosi korkealuokkaista puhdistusta varten.
• Biologiset ja kemialliset pelkistys/oksidaatioprosessit spesifiseen arseenin muunnokseen ja talteenottoon.

Analytiikka ja spesiaatio

Arseenin määritys ja formaattien erottelu (arsenaatti vs. arseeniitti vs. orgaaniset arseeniyhdisteet) on tärkeää riskinarvioinnissa. Tyypillisiä analyyttisia menetelmiä ovat ICP-MS, AAS sekä kromaattiset menetelmät yhdistettynä massaspektrometriaan tai elektrochemiaan. Kemiallinen spesiaatio voidaan tehdä esimerkiksi suuntaamalla näyte tiettyihin redox- ja pH-olosuhteisiin ennen mittausta.

Yhteenveto

Arsenaatti (AsO₄^3-) on arseenin +5-oksidaatiotilan anioni, joka muodostuu arseenihaposta. Se esiintyy useina protonoituneina muotoina (H₂AsO₄^-, HAsO₄^2-, AsO₄^3-), on kemiallisesti hapettava ja voi korvata biologisesti tärkeän fosfaatin, mistä seuraa merkittävä myrkyllisyys. Samanaikaisesti jotkin mikrobit käyttävät arsenaattia osana aineenvaihduntaansa. Ympäristössä arsenaatin hallinta perustuu pääasiassa saostukseen, adsorptioon ja teknisiin puhdistusmenetelmiin, ja sen määritys vaatii usein spesiaatiota tehdäkseen eron eri arseniformojen välillä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on arsenaatti?

K: Mikä on arseenin hapetusaste arsenaatissa?

K: Mitä arsenaatit ovat?

K: Mitä ovat vetyarsenaattisuolat?

K: Miksi arsenaatit ovat myrkyllisiä?

K: Mitä ovat arseenibakteerit?

K: Voivatko arsenaatit korvata fosfaatin soluissa?

Hae kirjaimella