第五章-环境中主要重金属的毒性研究

第五章环境中主要重金属的毒性研究第一节概述第二节汞第三节铅第四节镉第五节砷第六节铬第一节概述一、金属与人体的关系（1）各种重金属元素在生物体内的正常含量均小于人体体重的0.01%，属于微量元素。（2）在生物演化过程中环境元素丰度控制生物元素丰度；（3）各生物元素在体内的绝对含量及相对比值是在生物演化过程中形成的，只容许在一定范围内变化，只有如此才能维持人体的健康；（4）环境元素与生物元素不断交换以保持动态平衡关系，生物体为这种内外元素的交换提供了通畅的途径。这就为环境重金属污染损害人体健康的原因提供了重要的科学理论。二、环境中金属污染的来源1.自然源：自然界的水、土壤和空气中都含有一定量的各种金属元素。(地方病的发生)2.人为源：也是主要来源。采矿、冶炼、含有重金属农药的施用、煤和石油能燃料的燃烧等等，通过废水、废气和废渣将金属元素及其化合物排放入环境，造成金属污染。电池（银锌电池、氢镍电池、镉镍电池、碱性锌锰电池等）。这些电池中含有锰、汞、镉、铅等。我国目前废旧电池的处理方法主要是填埋法。汞、镉、铅等有毒物质可直接进入土壤中，污染地下水，如果处理不当，这些有毒物质可以通过各种途径进入人体中。蚊香中也含有很多有害金属，如铅、镉、铬等，在蚊香燃烧的过程当中，大部分会以蒸汽的形式散发到空气中，如果长期作用于人体，对呼吸系统、消化系统、生殖系统、神经系统或心血管系统都会造成危害。另外蚊香在燃烧的过程中还会产生苯、苯酚、甲苯和二甲苯等，其中苯可以引起贫血，甚至白血病。三、环境中金属的迁移和转化进入环境中的金属可在环境中发生迁移、浓集和转化。金属可以通过水和食物链（网）在环境中迁移和转化，转运过程中还有逐级浓缩放大的作用。日本对水俣病病因学的研究发现，海水中汞的含量为0.0001mg/L，而汞经过食物链的逐级放大浓缩之后，在大鱼体内汞的含量是海水中的1-5万倍。四、金属的代谢11.吸收（1）消化道吸收：有些金属元素在食物中以离子状态存在，处于溶解状态，可直接被消化道吸收。有些元素结合在食物的有机成分上，这些元素在食物的消化过程中被释放出来，转化成为可溶性物质，被消化道吸收。小肠中段是金属元素的主要吸收部位。（2）经呼吸道吸收：大气中悬浮的颗粒物和气体中的金属元素可以从鼻咽腔到肺泡的整个呼吸道进入机体。进入呼吸道越深、面积越大、停留时间越长，吸收越多，毒性越大。（3）经皮肤吸收：一些脂溶性的金属及其化合物可通过皮肤进入机体。（主要是通过表皮吸收，也可能通过毛囊、皮脂腺和汗腺吸收）四、金属的代谢22.转运血液是金属元素在体内转运的主要介质。由消化道吸收的金属元素可直接进入血液，由肺泡吞噬吸收的金属元素需通过淋巴再进入血液。血液中金属元素的存在状态：以游离状态存在，和血中氨基酸、白蛋白等结合，吸附在红细胞膜上并可以进入红细胞内，与特异转运蛋白结合而运输。金属在血液中与何种成分结合，直接影响金属向组织器官的转运速度。与血球结合的金属转运速度最慢；与血浆成分结合的金属转运速度居中；血浆中游离的金属离子最快。四、金属的代谢33.分布在开始阶段，元素的分布主要取决于器官的血流量，血液供应越丰富的器官，元素分布越多；随时间的延长，元素发生再分布，主要受它与器官亲和力大小的影响，从而选择性地分布在一定器官内。经过再分布以后，元素浓度较高的部位，往往是该元素作用的靶部位、代谢转化部位、排泄部位及贮存库。金属元素的分布与金属的侵入途径、溶解性、化学形式、代谢特点及器官特点等有关。例如，经肺吸入的汞蒸气，主要随血流分布在脑组织中，引起脑损伤；水溶性的汞离子，则很难通过血脑屏障，进入脑组织的量很少；脂溶性较强的烷基汞，则可通过血脑屏障进入脑组织中。四、金属的代谢44.排泄主要是通过胆汁随粪、经肾由尿、经肺随呼吸等途径排出体外；也可随上皮细胞和黏膜细胞脱落、呼吸道黏液、泪、汗、唾液等途径少量排出；毛发和指甲也可排出微量的金属元素。四、金属的代谢55.体内蓄积人体内有固有的贮存库（如骨骼）和金属蓄积机制（如各种含巯基的蛋白可与金属结合而沉积在某些细胞中），为多数金属在体内的蓄积提供了生理条件。金属蓄积的作用：可使金属形成惰性复合物贮存在组织内，不表现毒性作用，预防急性中毒的发生，有一定的保护作用；在一定的生理条件下，贮存的金属可以释放到血液中引起毒效应。因此，金属的蓄积也是金属慢性中毒作用的基础。五、金属的联合作用金属元素之间的相互作用的机制主要是：1）发生生化反应，相互作用形成不溶性盐或相对稳定的化合物或水溶性化合物；2）竞争生物膜上的载体蛋白，从而影响彼此的吸收和转运；3）代谢过程中竞争酶的活性中心；4）诱导合成金属巯蛋白或置换金属蛋白中的金属成分。通过这些机制，不同金属之间影响彼此的吸收、转运、分布、排泄、生物转化和毒性。金属之间的拮抗作用机制主要涉及三个方面：（1）影响吸收和转运：或在肠道内发生化学反应形成难溶物，使其不能吸收；或通过竞争生物膜上的载体蛋白，抑制该种金属的生物转运，影响进入靶细胞和靶分子；（2）相互置换和竞争大分子活性位点（Zn与Cd；Se与As）；（3）诱导形成金属巯蛋白，将有毒元素沉积在非作用部位。六、金属对健康的危害同一种重金属毒物对人体产生毒害的程度常随人(年龄、性别、健康状况等)而异；还与该重金属所赋存的化学形态(单质还是化合物；无机的还是有机的化合物；价态等)；进入人体的途径(饮食、呼吸、皮肤)等因素有关。一般以单质形态存在、且通过饮食进入人体的重金属呈低毒性，以离子形态或有机物形态存在的重金属通常具有高毒性，其毒性是由于机体中含巯基(一SH)的酶与外来重金属发生结合反应，由此破坏和中断了某些正常代谢的过程，并引发中毒效应。重金属进入人体后，逐渐蓄积，当超过人体的生理负荷时，就会引起生理功能改变，导致急、慢性或远期危害。1.慢性中毒：重金属污染环境后，由于受到稀释作用，浓度较低，主要引起慢性危害，如水俣病、痛痛病等。2.致癌作用：金属致癌的潜力受它的晶体结构、粒子大小、表面电荷、氧化状态、跨膜能力和对DNA的作用的影响。3.致畸作用：动物实验表明，砷、镉、汞、铅、镍等对动物有致畸作用。汞和铅都可以引起胎儿先天畸形。4.变态反应：镍可引起接触性皮炎、肺炎，铬可引起眼结膜炎、支气管哮喘、接触性皮炎等。5.对免疫功能的影响：铅、镉、锰、铁、硒、砷等都对免疫功能有损害作用。人体内的金属积累，是人易患某些疾病及机体衰老的重要原因之一，由于环境污染的加剧，人们通常食用的水和食物中含有这样那样的重金属和带有放射性的金属，故一般人从25岁起各种金属便开始在体内可怕地积累，首先在软组织中沉着，然后进入骨骼，进而是神经组织。食物驱逐体内重金属的作用绿豆具有清热解毒的作用，也是驱除人体内各种重金属最有效的食物；海带中的褐藻能减慢人体对有害微量元素的吸收，并能与锶等金属结合成不溶性化合物，最后使其排出体外；茶叶能加速人体内有害放射性金属的排泄，据科学研究证明，茶叶中含有茶多酚和维生素C，与进入人骨骼中的锶结合，然后通过粪便排出体外；生大蒜和鸡蛋有驱铅解毒作用，豆类及豆制品和花生也能降低血液中的铅含量，牛奶及奶制品具有阻止铅吸收的作用；猪血中的血浆蛋白被人体的胃酸分解后能吸附人体的镍、铅、汞等或与其发生生化反应，然后从消化道排出体外。胡萝卜有驱汞作用，其所含的果胶成份能与汞结合，有效地降低血液中的汞离子浓度，加速体内汞离子的排除。第二节汞一、Hg的理化性质二、汞污染的来源在地球上某些地区存在着天然的元素态汞，而更多的汞是以化合物、如朱砂(红色HgS)等。朱砂在古时称丹砂，是中外炼丹术中应用的主要原料。古代炼丹术的发生最早在公元前3世纪出自希腊。据《史记》记载，公元前246年秦赢政即位(后自称始皇帝)，随即以70余万民工之众，在今陕西省郦山东北麓营造帝陵，历时36年。墓中“以水银为百川，江河大海，上具天文，下具地理”。水银蒸气有剧毒，借水银以护陵寝以汞为原料的工业生产过程中排放的“三废”是其主要的污染来源；含汞农药的使用、含汞污水灌溉、含汞的底泥施肥造成对大气和土壤的污染。环境中某些含有甲基钴氨素的微生物可以使无机汞发生甲基化，毒性增强。汞发生甲基化以后可以不断在生物体内富集，最后危机人体的健康。三、汞的代谢（吸收）金属汞主要以蒸气的形式通过呼吸道吸收，其被消化道吸收的较少，无机汞在消化道吸收的也很少，而消化道对有机汞的吸收率很高，经皮肤接触途径而摄入汞：醋酸苯汞、油酸苯汞等因有杀真菌作用而被用于生产保护性涂料或纸浆；氯化铵汞用于祛斑霜之类的化妆品生产。还可以由母体胎盘进入胎儿体内。被污染水体中的汞有可能通过水生食物链进入人体：汞还可由陆生食物链进人人体：某些镇惊安神或怯痛生机的中医药物，如朱砂(HgS)、升汞(HgO)也可能在用药时经口摄人。曾被用作防治水稻稻热病的特效农药醋酸苯汞也一度被用作杀精子避孕药。三、汞的代谢（分布）汞被吸收以后随血液分布到全身各器官，汞在体内分布的顺序是：肾›肝›血液›脑›末梢神经，甲基汞易通过生物膜、血脑屏障和胎盘屏障，对胚胎发育有一定的影响。三、汞的代谢（排泄和蓄积）主要经肾由尿排出和经肝脏由胆汁随粪便排出；通过汗腺、唾液腺、毛发和指甲排出。当吸收超过排泄时，汞就会在体内蓄积。进入机体的无机汞多蓄积在肾、肝、骨髓、脾等脏器；烷基汞多存在于肾、肝、肌肉中，又特别容易通过血脑屏障，以在脑内蓄积为其特征。四、汞的毒理作用汞对含硫化合物有高度的亲和性，在体内极易和含有巯基的蛋白质和多肽类结合，近而改变或破坏蛋白质的结构和功能，改变细胞膜的结构，导致细胞代谢紊乱甚至死亡。无机汞化合物容易排出体外，不易造成肝脏和肾脏的损害。有机汞化合物以甲基汞的毒害最大，可以通过血脑屏障和胎盘屏障，引起中枢神经系统症状和胎儿畸形。甲基汞对胎儿的毒性：脐带中的甲基汞要比母体高出20％，胎儿脑组织中的甲基汞也比母体高，造成胎儿早亡或功能不全（致畸作用）。甲基汞对神经系统损害：一方面：影响乙酰胆碱的合成，抑制神经兴奋传导。另一方面，使细胞膜的通透性变差，因而破坏了细胞离子平衡，抑制营养物质进入细胞，并引起神经系统的损害，在末梢神经中感觉神经元出现强烈的变性，发生感觉障碍。四、汞的毒理作用中毒案例1：20世纪60-70年代，我国东北松花江流域因受沿岸化工厂和炼金厂排水内的汞污染，使当地极大多数渔民深受其害。1986年对扶余市病死渔民做尸检，发现其人的大脑、小脑、脊髓、心脏、肝脏、脾脏、肾脏、肺等17个器官中都含有汞和甲基汞。近代，由甲基汞污染食品引起大批人群死亡的公害事件曾发生在日本、伊拉克等国。中毒案例2：始发于20世纪50年代并延续到70年代的日本水俁病，是一种由甲基汞引发中毒的神经性疾病。初时，日本九州鹿儿岛的水俁湾突发家猫“集体投海”的怪事。该区渔民家中喂养的猫突然变得暴躁不安，乱蹦乱嚷，以至纷纷投海自杀。与此同时，海面上时有死鱼浮起，天上飞鸟也会无缘无故地坠落下地。中毒案例2：正当人们对这些怪异现象感到大惑不解，惊恐万状之际，灾难终于降临人群。许多人身上开始显示四肢麻木、步态不稳、运动失调、语言不清等症状，重症者眼瞎耳聋，精神失常，在极度痛苦中死去。随着患者日益增多，医生和政府当局均感到束手无策之际，一场来势凶猛而又原因不明的“水俁病”就此爆发。中毒案例2：后来经过众多专业人员的长时间研究，终于究明了水俁病的来龙去脉。原来在当地以乙炔为原料的乙醛生产厂的生产流程中，使用了氧化汞加硫酸配成的催化剂，在工厂排出的混有黑色泥状沉淀物的废水中含有多量的无机汞盐和甲基汞，富含甲基汞的鱼－－－家猫和海鸟－－－人。中毒案例3：在水俁病事发后不久，1964年在巴基斯坦、1966年在危地马拉和1972年在伊拉克都曾发生过类似的大规模甲基汞中毒事件。在伊拉克，当时从英国进口经杀霉菌剂甲基汞处理过的麦种。种子被染成红棕色以作警示，并在包装袋上贴着相应的警告标签。