地方病与地质环境

2011年9月地方病与地球化学环境郭清海水文地质环境地质前沿常见地方病•氟中毒•砷中毒•地方性甲状腺肿•地方性克汀病•大骨节病•克山病•国家对地方病与地球化学环境方面的研究投入巨大。仅以中国地调局水文地质环境地质调查中心在2006年启动的一个项目为例•近年来国家对科学研究的投入逐年增加，在本研究方向的研究经费更是不断上涨。可见国家对地方病和地球化学环境关系研究的重视。•饮用水中氟化钙的形成会影响牙齿的钙化，使牙齿钙化不全，牙釉质受损氟斑牙氟骨症•体中吸收过量的氟会引起氟骨症–早期出现四肢、脊柱骨骼和全身各关节疼痛、全身乏力，严重的可造成肢体功能发生障碍，全身骨骼和关节变形，甚至瘫痪；–内蒙阿拉善右旗雅布赖盐池地区饮用水中含氟量达10mg/L。•根据国外报导–摄入15-20mg/d，持续10a后，可出现氟骨症;摄入总量为20mg/d，持续20a以上，可导致残废；–饮用水氟含量达4mg/L即可导致氟骨症；超过10mg/L时，会引起残废。砷中毒砷中毒砷中毒砷中毒Skincancerduetoarsenicpoisoning砷中毒砷中毒RegionsofarsenicpoisoninginChinaRegionofarsenicpoisoningRegionsunderthreat地方性甲状腺肿•俗称“大粗脖”，以甲状腺肿大为主要病症•分布很广–世界约有16亿人生活在碘严重缺乏地区，中国就有4.25亿–亚洲的喜马拉雅山地区——非洲的刚果河流域——南美的安第斯山区——欧洲的阿尔卑斯山区——北美的美国和加拿大之间的大湖盆地周围以及太平洋新西兰的一些地区–我国除上海市以外，各省、自治区、直辖市都有不同程度的地方性甲状腺肿流行区•缺碘性甲状腺肿病人3000多万人•地方性克汀病的人数超过25万地方性克汀病•地方性克汀病是由于更严重的缺碘而引起的。它主要表现为痴、呆等病症。•在严重的甲状腺肿流行区，孕妇缺碘，造成胎儿甲状腺激素缺乏，患病小孩出生后，就会表现不同程度的呆、小症状，所以本病又称“呆小症”。•是一种以软骨坏死为主要改变的地方性变形性骨关节病，研究表明可能与缺硒有关。•主要发生于儿童和少年，临床表现为关节疼痛、增粗变形，肌肉萎缩，运动障碍。•本病在我国分布于由东北斜向西南的宽带状地域内，包括14个省、市、区的302个县多病因地方病-大骨节病•地理分布–东南温暖湿润地带与西北寒冷干旱地带之间的过渡地区–以山区、半山区、丘陵地多见。山谷、河谷、等低洼潮湿地区发病尤重。–病区大至与土壤低硒地带一致硒地方病-大骨节病典型地方病案例研究1.山西太原盆地高氟地下水的地球化学成因2.西藏部分大骨节病区饮用水的水化学特征太原盆地地质简图与剖面图•太原盆地位于山西省中部，包括太原市、阳曲县、清徐县、榆次市、交城县、文水县、祁县、太谷县、介休市、孝义市、平遥县、汾阳县等12个行政区。•盆地周边出露的基岩地层包括寒武-奥陶系碳酸盐岩、石炭-二叠系煤系地层及三叠系碎屑岩。盆地内新生代沉积物厚度一般为几十～2000m，最厚达3800m。1.山西太原盆地高氟地下水的地球化学成因盆地地下水流向和氟含量等值线•以田庄断裂为界，太原盆地可分为南北两个子盆地；•A区：北部子盆地补给、径流区；•B区：北部子盆地排泄区；•C区：南部子盆地补给、径流区；•D区：南部子盆地排泄区；•地下水氟含量沿流向呈上升趋势，高氟水（1.5mg/L）一般分布在排泄区(ZoneBandZoneD)；•山前也有零星高氟水样，如well30inZoneA,well3,4inZoneC;•在所采集的58个水样中，14个为含量大于1.5mg/L的高氟水，最高氟含量达6.2mg/L。BoxandwhiskerplotsoftheconcentrationsofmajorionsingroundwatersamplesinZoneA,B,C,andD•排泄区地下水所有宏量组分含量均大于补给区，因此，沿地下水径流方向含水层矿物的溶滤是影响地下水地球化学的主要水化学过程之一。ABCDZone02004006008001000HCO3-(mg/L)ABCDZone05001000150020002500SO42-(mg/L)ABCDZone05001000150020002500Cl-(mg/L)ABCDZone02004006008001000Ca2+(mg/L)ABCDZone0100200300400500Mg2+(mg/L)ABCDZone020040060080010001200Na+(mg/L)ABCDZone02468F-(mg/L)•石英、长石、云母是含水层沉积物中的主要矿物；•所有地下水均落在高岭土稳定区内；•盆地孔隙水系统中长石、云母等矿物可发生非全等溶解，并水解为高岭土。[Na]/[Ca]ratioversusTDSvalueofgroundwatersamplesinZoneA,B,C,D0200040006000800010000TDS(mg/L)01020304050[Na]/[Ca]ZoneAZoneBZoneCZoneD•虽然从补给区到排泄区地下水Na、Ca含量均增加，但排泄区，特别是D区的地下水[Na]/[Ca]比值更高；•这与发生于孔隙含水层中的阳离子交换作用有关；•在盆地边缘或补给区一带，含水层介质以粗粒相的砂卵石为主，其离子交换能力非常有限；•但在径流区及排泄区，含水层中的细粒相沉积物、特别是粘土矿物的含量渐渐增加，其表面上吸附的Na+被地下水中的Ca2+所交替，结果为地下水中的Na+含量增加而Ca2+含量相对减少，[Na]/[Ca]随之增加。F-versusHCO3-andNa+ofallgroundwatersamples•地下水中的氟含量受到萤石溶度积常数的控制，因此水中低Ca含量有利于氟的富集。水中大量HCO3-可沉淀Ca，形成氟富集的有利条件。•含高含量HCO3-和Na+的地下水为pH偏高的苏打水，这种地下水有利于以下阴离子交换过程的发生：•沿地下水径流方向含水层矿物的溶滤过程使地下水中各宏量组分含量，包括HCO3-和Na+含量从补给区到排泄区逐渐上升；•排泄区Ca-Na交换过程的发生进一步提高了地下水的Na含量；•排泄区偏碱性的HCO3-Na型地下水有利于萤石的溶解以及水中羟基与含氟硅酸盐矿物的离子交换，从而在排泄区形成了高氟地下水；•盆地边缘的高氟水可能与工业污染有关。太原盆地高氟地下水成因小结•选择了一个面积6000平方公里以上的研究区开展工作；•所开展的高氟水成因研究基于系统的水文地质和水-岩相互作用研究；•建立了一个被广泛承认的高氟水形成的地球化学模型。研究意义已发表的论文被SCI他引13次•大骨节病是一种以关节软骨变性、坏死为主的慢性地方性疾病。疾病晚期继而出现关节周围代偿性软骨及骨质增生，使关节周径显著增粗变形。•该疾病主要发生于儿童和少年，临床表现为关节疼痛、增粗变形，肌肉萎缩，运动障碍。•1849年，俄国土地测量员尤伦斯基（Yurenski）在乌洛夫河流域首次发现大骨节病，故该病曾称为乌洛夫病。•其后，俄国医生卡申（Kashin）、别克（Beck）分别开展了本病的流行病学调查，确定其为一种独立的疾病，并于1906年撰文记述，因此大骨节病在国际上通称Kashin-BeckDisease（KBD）。2.西藏部分大骨节病区饮用水的水化学特征•中国是世界上大骨节病发病和流行范围最广的国家。在国外，俄罗斯西伯利亚东南部和朝鲜北部山区是主要的大骨节病病区；•我国的大骨节病病区主要分布在从东北到西南的带状区域内，包括黑龙江、吉林、辽宁、北京、山东、山西、陕西、内蒙古、河北、河南、甘肃、四川、青海、西藏和台湾。•西藏是国内大骨节病分布范围最广、病情最严重、活跃程度最高的地区（中国地方病防治研究中心西藏大骨节病考察组，2000），所辖7个地区（市）均有不同程度的大骨节病流行；•20世纪80年代在西藏开展的初步调查显示该地区有大骨节病县13个，20世纪末的调查则发现了20个新病县；•目前，病区共涉及33个县、108个乡、379个村；病县总人口达116.2万人，其中病区人口9.6万，现症病人1.8万人。西藏大骨节病区分布示意图•大骨节病的环境地质成因研究•环境低硒说•研究者发现大骨节病与环境低硒有密切关系：我国本病病区分布与低硒土壤地带大体上一致，大部分病区土壤总硒总量在0.15mg/kg以下，粮食硒含量多低于0.02mg/kg。中国土壤中总硒含量分布（据Tan等，2002）•大骨节病成因的环境低硒说也存在大量反例•有些地区低硒，并不发生大骨节病，如陕西的榆林、洛南以及四川、云南一些克山病病区；•有些地方硒并不很低，却有本病发生，如山东的益都，山西的左权、霍县，陕西的安康，青海的斑玛等；•补硒后不能完全控制本病的的新发。•为深入研究西藏大骨节病的环境地质成因，我们以西藏桑日县、尼木县、谢通门县、工布江达县为研究区，开展了以上行政区的大骨节病村与相邻非病村饮用水水样的采集工作；•对比了病村和非病村水样的水化学特征，总结出了病村饮用水的水化学异常。桑日大骨节病区一角桑日大骨节病区病例青稞地土壤采样大骨节病村和相邻非病村饮用水平均TDS对比对比结果无明显规律S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType20406080100120140160TDS(mg/L)S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType0.00.20.40.60.81.01.2Seg/L大骨节病村和相邻非病村饮用水平均硒含量对比对比结果无明显规律环境低硒引发大骨节病是一种非常流行的大骨节病成因论大骨节病村和非病村饮用水的水化学类型对比•主要水化学类型均为HCO3-Ca,HCO3-Ca·Na,andHCO3·SO4-Ca，病村有1个水样为SO4-Ca型，2个为HCO3-Ca·Mg型；•以下组分在病区和非病区饮用水中无统计意义上的差别大骨节病村饮用水的异常宏量组分：Al、Fe、NaS-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType02468101214Namg/LS-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType0.050.505.00Almg/LS-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType0.050.505.00Fe(mg/L)S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType550500Mn(μL)大骨节病村饮用水的异常微量组分：MnVoshchenko和Ivanov认为：从饮用水中过量摄入锰可导致破骨细胞活化，阻碍骨骼生长并引起大骨节病。微量元素对比大骨节病村饮用水的异常微量组分：Cd、Co、Cu、Ba（病区含量高）S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType0.000.050.100.150.200.25Cd(μg/L)S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType05101520Co(μL)S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType0306090120150Cu(μg/L)S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType46820406080Ba(μg/L)大骨节病村饮用水的异常微量组分：Mo（非病区含量高）S-ES-NN-EN-NX-EX-NG-EG-NType01234567Mo(μg/L)微量元素对比饮用水的碘含量对比环境介质碘含量对比S-ES-NN-EN-NG-EG-NType0.10.20.30.40.5I(μg/L)耕作土地土壤的碘含量对比环境介质碘含量对比S-ES-NN-EN-NG-EG-NType0.00.30.60.91.21.5I(μg/g)主要粮食作物青稞的碘含量对比环境介质碘含量对比S-ES-NN-EN-NG-EG-NType0123456I(μg/g)•Delangeetal.(1972)：人体缺乏碘摄入会引起甲状腺机能减退，进而阻碍儿童骨骼发展•Yamamuro(2001)：人体内碘缺乏可影响软骨损害后的自我修复•Moreno-Reyesetal.(2001)