环境中重金属的毒性

第六章环境中重金属的毒性第一节概述一、金属与人体的关系各种重金属元素在人体中含量小于0.01％，属微量元素，但是有的是必需元素，也有非必需——污染元素。人体血液和地壳岩石中元素丰度曲线形状的相似性，说明环境元素与生物元素的统一性。二、环境中金属污染的来源天然污染——地方性砷中毒。国外：印度、阿拉伯、孟买、智利等20多个国家；国内：新疆（80年代）、内蒙古、山西。人为污染——三废排放、燃料燃烧、农药。常见Hg、Cd、Pb、Mn——生殖毒性。三、环境中金属的迁移与转化迁移：水食物链：还有逐级浓缩作用转化:甲基化：如Hg、Pb、As、Se、碲、钛、锡等氧化还原形成螯合物：与腐植酸，可增强在水中的溶解度。四、金属的代谢（一）吸收主要经消化道吸收，其次呼吸道，再次皮肤1、经消化道吸收主要吸收部位：小肠可溶性金属盐类：被动扩散、易化扩散和主动转运经肠微绒毛质膜进入；由微绒毛底端经微胞饮作用进入不溶性金属盐类：吞噬作用；直接吸收影响因素：（1）元素的化学形式a、化学形式决定脂溶性和溶解度，脂溶性强和水溶性强的元素的无机盐类易被吸收b、化学形态为含氧酸的元素易被吸收c、单价碱性盐类易吸收如Na、K、NH4+盐（2）元素的种类不同金属盐类吸收率相差很大不同金属元素吸收部位不同：Ca——胃、十二指肠；I——整个消化道；Fe、Mn——小肠（3）胃肠道的pH胃：金属（经胃酸）→氯化物→与配体（如氨基酸）形成复合物小肠：碱性。已形成复合物的可被吸收，未形成的可形成不溶性复合物被排出。（4）肠道微生物与肠道粘膜竞争金属元素微生物可分泌特殊螯合剂与铁形成铁螯合物使人体缺铁。（5）年龄乳儿期肠粘膜的胞饮作用大于成人，对一些金属吸收率高。（6）膳食成分食物中的磷酸盐、植酸盐、纤维素等影响金属元素的吸收。（7）金属间的竞争抑制若两种或更多种金属元素在粘膜细胞上可与同一受体部位结合可发生竞争性抑制，如Fe、Zn。Zn对Cu的抑制：Zn可诱导MT，MT对Cu的亲和力较大，使较多的Cu无法吸收。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经呼吸道吸收。金属蒸汽不易溶于水，可直达肺泡，透过气血屏障。3、经皮肤吸收一些脂溶性金属及其化合物如四乙基铅、有机汞。主要通过表皮吸收。一些水溶性金属化学物可通过毛囊、皮脂腺、汗腺进入血液。（二）转运主要介质是血液：游离状态；与血浆成分结合；吸附在红细胞膜上或进入。转运速度依次减慢。金属与血浆成分的结合：1、与血浆中低分子成分结合2、与血浆蛋白（主要是白蛋白）结合3、与特殊蛋白或转运蛋白结合（三）分布初始：取决于器官的血流量再分布：取决于与器官亲合力大小分布特点与金属的侵入途径、溶解性、化学形式、代谢特点、毒性性质及器官特点有关。（四）排泄主要通过消化道和胆汁随粪、经肾由尿、经肺随呼吸等途径排出体外。毛发、指甲中富含角蛋白（富含－SH）与As、Pb、Zn等结合，加以测定可作环境重金属污染和人体负荷的指标。不同金属排泄途径不同。一种金属也可有几种途径。经口摄入→经肠道随粪便排出，经呼吸道进入→经肾由尿排出。1、经肾由尿排出进入血液的金属元素大多由此排出。以此为主要方式的有Co、Sb、Ti、I、Hg、Se、Mn等。2、经消化道排泄（1）胆汁排泄：大分子物质→小肠→粪→体外，或→肠肝循环（2）胰液：Zn（3）上皮脱落3、经呼吸道排泄：代谢为挥发性化合物4、其他途径：出汗（五）体内蓄积人体内有固有的金属贮存库——骨骼和蓄积机制——MT。量变—质变效应：预防急性中毒的发生，有一定保护作用；可能释放入血引起毒效应。重金属的毒性机理主要在于：（1）置换酶活性中心的必需元素（如K+、Na＋、Ca2+、Fe2＋、Zn2＋等）引起酶可见构型的改变，削弱或完全抑制酶的活性（2）与蛋白质（包括酶）官能团如咪唑基、巯基、羟基、羧基、氨基、胍基亲合，封闭了这些活性位点，影响其正常功能的发挥。（3）与核酸上的碱基、核糖羟基、磷酸酯基结合，这种结合一方面改变了互补氢键的性能，使DNA在复制或转录过程中发生碱基错配；另一方面破坏核酸结构的稳定性，使核酸解聚，降解成小的碎片。（4）对膜的影响。重金属离子可与质膜上的某些阴离子结合，造成膜结构的溃散，膜内容物外泄。五、金属的联合作用作用机制：1、相互作用形成不溶性盐或复合物或水溶性化合物2、竞争生物膜上的载体蛋白3、代谢系统中竞争酶的活性中心4、诱导合成MT拮抗机制：1、影响吸收和转运：反应形成难溶物；竞争载体蛋白2、相互置换和竞争活性位点。如Zn、Cd、Hg都属IIB元素，可互相取代。3、诱导MT，将有毒元素沉积于非作用部位六、金属对健康的危害1、慢性中毒：如水俣病、痛痛病。2、致癌作用可致癌的金属有As、Cr、Ni、Cd、铍砷：第一个被确认有致癌作用的元素。80年代末期已证实砷可致皮肤癌、肺癌铬：唯一确认有遗传毒性的金属，可导致肺癌。只有溶解度小的铬酸盐可致癌镍：肺癌，鼻咽癌铍：肺癌镉：前列腺癌、肺癌3、致畸作用：甲基汞已经确定为人类致畸物，金属汞尚不知4、变态反应5、对免疫功能的影响第二节汞一、汞的理化特性二、汞污染的来源（一）来源（二）环境中汞甲基化和生物富集1、汞的甲基化汞转化为一甲基汞（CH3HgCl、CH3HgI）、二甲基汞2、汞生物富集三、汞的代谢（一）吸收金属汞——蒸汽形式，经呼吸道，速度很快（0.1mg/m3的汞蒸汽，2－5min即可被吸收）。不易被消化道吸收（0.01％）无机汞——消化道吸收15％有机汞——消化道（甲基汞达90％）、呼吸道（80%）、皮肤吸收（接触含汞药物可造成中毒，2％HgCl25h内可吸收5％）（二）分布＋血浆蛋白→结合型汞汞→肝细胞、红细胞→Hg2＋→＋含－SH小分子化合物GSH→扩散型汞汞的分布：肾＞肝＞血液＞脑＞末梢神经，甲基汞：肝＞脑＞肾＞血液肾：皮质中较高，MT是与Hg结合的主要成分脑：金属汞、甲基汞都能通过血脑屏障（三）排泄与蓄积排泄：肾——由尿排泄，肝——胆汁——粪便，肠粘膜脱落，各种腺体、毛发、指甲以低分子蛋白结合的复合物形式排泄。蓄积：Hg总半衰期70d，甲基汞：血——50d，脑——240d。四、汞的毒理作用（一）金属汞主要造成脑损伤：汞易溶于脂质，可透过血脑屏障进入脑组织，被氧化为Hg2＋，不易逆向通过血脑屏障，从而在脑中蓄积。机理：主要是Hg2＋与蛋白质、酶中－SH结合形成硫汞键－SHg－。短期毒害可逆，职业性长期吸入汞蒸汽可引起慢性汞中毒。三大特异症状：1、汞毒性“易兴奋”，如易激动、急躁、易怒、害羞等性格改变2、“震颤”早期唇、舌、手指的细小震颤，发展为意向性震颤，全身颤抖。3、“口腔炎”：流涎、牙龈红肿、出血化脓、HgS蓝色色素沉着——汞线（二）无机汞化合物包括Hg的硫化物、氯化物、氧化物及汞盐，离子态可被吸收。Hg2＋不易通过血脑屏障，对脑危害性较小，无机汞不易被吸收，不易造成肝肾损害。生活中急性中毒多为口服升汞（氯化高汞）、甘汞（Hg2Cl2）所致。（三）有机汞化合物苯基汞、烷氧汞——降解成Hg2＋，类似无机汞烷基汞——甲基汞、乙基汞、丙基汞甲基汞是高神经毒物质，能引起急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒。毒性作用：1、神经系统损害：可以通过血脑屏障进入脑组织，脑细胞与甲基汞、乙基汞亲和力很强，在大脑感觉区和运动区蓄积量较高，可引起感觉异常、运动失调、语言障碍、向心性视野缩小、听力障碍。机制：（1）影响乙酰胆碱合成，抑制兴奋传导（2）溶解细胞膜（3）与脑组织中的缩醛磷脂结合2、致畸作用（四）毒作用机理1、与含－SH的蛋白质和多肽结合2、与酶蛋白中的-SH结合3、与细胞膜中一些组分的-SH结合4、甲基汞可通过血脑屏障、胎盘屏障（五）汞的卫生标准和经验教训第三节铅一、铅的理化性质二、铅污染的来源三、铅的代谢（一）吸收主要从消化道，其次是呼吸道和皮肤。消化道：吸收率5-10％，十二指肠经门静脉到肝脏，分别进入血液和胆汁——肠道呼吸道：吸收率25-30％，其余随气体呼出。（二）分布血铅＋红细胞→非扩散铅（90％）＋血浆蛋白→结合性铅初期分布于肝、肾、脾、肺、脑，再分布到骨骼、毛发、牙齿，以磷酸铅Pb3（PO4）2形式沉积下来。铅90％以上在骨骼内，2％在血液中。一般认为软组织铅能直接引起毒害，硬组织具有潜在毒作用。测定发铅、血铅可反映接触水平。（三）排泄和蓄积主要经肾脏由尿排出，食入的铅基本由粪便排出。蓄积：半衰期——血铅18d，软组织20d，骨骼21y。四、铅的毒理作用（一）急性中毒主要症状：贫血、消化道症状、神经系统症状、肾损害等（二）慢性中毒主要症状：1、血液：（1）贫血，面色黄或灰白色（“铅容”），心悸气短，疲劳。铅可抑制血液中δ－氨基乙酰丙酸脱氢酶和血红素合成酶，使血红素合成受抑制导致贫血。（2）点彩红细胞增多。即嗜碱性点彩红细胞，血涂片中有时可见在染色正常的红细胞中出现大小不等，多少不一的深蓝色颗粒者，正常人中占红细胞的0.01％。铅中毒者此细胞明显增加，红细胞膜被破坏，而嗜碱性物质在染色时被沉淀所致。2、神经系统：早期：神经衰弱综合症，小儿可见多动症。严重：中毒心脑病，顽固性头痛等，周围神经系统症。3、消化系统：典型病状腹绞痛，即突然发作的脐周剧烈疼痛4、其他：损害肾小管功能、蛋白尿；降低免疫功能；铅线——齿龈和牙齿交界处出现暗蓝色线，为PbS颗粒沉积形成。（三）生殖毒性与致畸作用据动物实验，Pb可引起小鼠生殖腺异常，流产等致畸：铅中毒工人外周血淋巴细胞染色单体畸变率增加。作业女工中发生死胎、流产畸形较多。（四）致癌作用：可引起肺癌肝癌等。（五）环境铅污染引起铅中毒症状1969年日本东京因汽车废气污染引起居民产生慢性中毒事件，非生产环境铅污染造成的危害引起世界各地重视。（六）毒作用机理1、影响卟啉代谢——贫血。卟啉代谢紊乱是铅中毒主要的和较早的变化贫血的机制：（1）铅抑制血红素合成——低色素贫血抑制δ－氨基乙酰丙酸（ALA）脱氢酶→卟胆原含量下降→ALA含量增加抑制类卟啉原III转化为原卟啉原→粪卟啉抑制亚铁络合酶→血红素下降尿中ALA和粪卟啉增高（2）溶血：铅抑制红细胞膜上的ATP，引起红细胞Na＋、K+、H2O流失。2、损害神经系统伸肌麻痹：铅抑制肌磷酸激酶，磷酸肌酸含量下降或神经和脊髓前角细胞变性，使伸肌神经冲动传递受阻。脑部损伤：（1）损伤血脑屏障，引起毛细血管内皮细胞肿胀，导致脑水肿和脑出血。（2）对神经递质的影响：铅可影响神经递质（多巴胺、5－羟色胺、去甲肾上腺素、乙酰胆碱、谷氨酸、γ－氨基丁酸）的合成、释放、摄取，还可影响受体结合，从而影响神经功能。如多巴胺乙酰胆碱与学习、记忆功能关系密切，单胺类可影响兴奋与抑制。铅可抑制单胺氧化酶、合成酶、胆碱酯酶等活性。亚临床表现：血铅高的儿童可能智商较低，某些神经行为功能下降（如神经反应数率、视觉分辨力下降）、学习成绩较差。WHO报道，儿童血铅水平140μg/L，IQ下降3－7，每增加100μg/L，IQ少1－3分。我国大城市工业区85％儿童血铅超过100μg/L，38.8％城市儿童超标，全国有1亿多儿童受铅中毒威胁。3、引起血管痉挛：机理尚未阐明。血管痉挛可导致一系列病症，如细小动脉硬化，“铅容”，中毒性肾病，高血压，腹绞痛。4、对消化系统的损害腹绞痛：可能是肠壁碱性磷酸酶和ATP酶活性受抑制，引起K+、谷氨酸代谢紊乱。肝损害：肝肿大、黄疸甚至肝硬化或肝坏死。原因：（1）铅可直接损害肝功能；（2）肝内小动脉痉挛引起局部缺血。5、钙对无机铅中毒的缓解钙与铅体内代谢相似。钙与铅在骨盐中可相互取代，高钙饮食可促进铅在骨骼中贮存。五、铅在环境中的卫生标准对人群还没有血铅标准。WHO建议儿童血铅标准25μg/L，美国为10μg/L100ml。第四节镉一、理化性质二、来源三、镉的代谢无论从毒性还是蓄积作用来看，镉是继Hg、Pb后污染环境威胁人类健康的第三个金属元素。（一）吸收消化道：吸收率1~2%；呼吸道——30％；皮肤——镉溶液。烟草中含大量镉，吸烟时10％可被吸收。消化道对镉的吸收率的影响因素：高钙饮食可抑制镉的吸收，Zn、维生素D可影响镉的吸收。（二）含量和分布吸收入血后，