动物氟中毒机理研究

动物氟中毒机理研究 李卫芬 余东游浙江农业大学饲料科学研究所 氟是一种非金属元素,原子序数为 9。在所有元素中,氟的电负性最大,为 3.98。所以氟的化学 性质极为活泼,能与所有的元素发生反应(惰性气体除外), 因此 ,在自然界里找不到单质氟。大 多数的金属化合物难溶于水,但钠、钾、银、铝和汞的氟化物易溶于水。氟广泛存在于自然 界中,空气、水源、土壤和动、植物内都含有氟。氟是一种亲矿元素,含氟的矿石很多,目前 已知的就有 86 种,最主要的氟矿石是萤石(2) 、冰晶石 (36)和氟磷灰石 7( 4)3。虽然氟已被科学家们证实是动物的必需微量元素。适量的氟具有促进 动物生长、发育和繁殖、参与骨骼代谢防龋齿、影响动物造血功能及神经内兴奋性和传导 的作用。但科学家们感兴趣研究氟的最初原因不是动物缺乏氟,而是在饲料中添加了未加工 的磷矿石后,这些磷矿石作为动物钙、磷源,动物产生氟中毒 (,1928) 。随后,许多科学家对氟中毒进行了大量研究。 1932 年, 在摩洛哥确诊,它是一种人畜共患的慢性中毒病。我国属高氟区之一,60 年代我国已确诊有该病存在,据调查黑龙江、河南、甘肃、青海、云南、四川、贵州等地都 有地方性氟中毒发生。目前,由于氟污染,动物氟中毒更为严重(蚕) 。在畜牧生产上,主要由于 高氟劣质磷酸氢钙流入市场,致使畜禽中毒发生频率较高。 1 氟在动物体内的代谢 1.1 氟的吸收 动物可通过呼吸、饮水、饲料而摄入氟。氟的吸收部位主要在胃和小肠,氟 几乎是唯一在胃中吸收的元素,大肠则很少吸收氟。氟不但吸收率高,而且吸收速度很快。经 口摄入的氟随即进入胃和小肠,几分钟内便开始吸收,10进入血液,30约吸收 50%,60血液中氟达到高峰 ,90氟可全部被吸收。影响氟吸收的因素很多:(1)氟 化物的溶解度。氟化钠、氟化氢、氟硅酸钠易吸收,氟化钙、磷灰石、冰晶石等吸收率低。 (2)胃酸能增加某些难溶性氟化物的溶解度,从而提高吸收率。 (3)日粮中有些养分对氟吸收 有明显影响,如钙、镁、铝、蛋白质,对氟吸收有一定阻止作用,而脂肪促进氟的吸收。 1.2 氟的运输 国、内外对氟的跨膜作用进行了大量研究发现,氟离子本身不能通过细胞膜。 由于细胞内、外存在着梯度,氟的跨膜是以氟化氢形式被动扩散的。氟肠道浓度梯率 扩散肠道细胞跨膜血液血氟升高骨、肾双重作用血氟恢复正常水平在胃液 =1 条件下,胃中的氟有 99%以氟化氢形式存有,这是氟在胃中易于吸收的重要条件。 1.3 氟的排泄 动物体内氟可通过尿液、粪便、汗液等途径排出。尿液排出为总量的 75%,粪 便排出占 12.6%19.5%,汗排出占 7%10% 。只有微量的氟可通过毛发指甲和乳腺排出,产 蛋家禽可将氟排入蛋中。另外,氟可顺利通过胎盘向胎儿转移。 2 动物氟中毒的临床症状 氟中毒主要为无机氟中毒,少数由有机氟引起(主要有氟乙酰胺、氟乙酸钠等一类药效高、 残效期长的剧毒农药)。无机氟中毒又可分急性氟中毒和慢性氟中毒。 2 1 急性氟中毒症状多在食入过量氟化物半小时后出现临床症状。一般表观为碱厌食、流 涎、恶心呕吐、胃肠炎、腹泻、呼吸困难、肌肉震颤、阵发性强直痉挛、虚脱而死。如 1995 年 6 月在广东省河源市、南海市、惠州市等 23 个养鸭场都先后发生了蛋鸭氟中毒,表 现为 5%10%蛋鸭出现软脚、死亡现象,受精率和孵化率随之下降 10%左右。剖检发现,肝 表面、心肌、小肠粘膜有轻度出血,肾有点出血稍为肿胀。镜检可见肝细胞脂肪变性、局剖 出血、脑小血管扩张,瘀血、部分神细细胞变性坏死,肾小球肿用血。事发后检测饲料和磷酸 氢钙中氟的含量分别为 63110 6 和 1896610 6。2.2 慢性氟中毒症状在氟少量、长期进 入机体的情况下,一开始并不表现出任何不良影响,在此潜伏阶段中,动物受到两个很重要的 生理机制的保护,骨组织积集氟和肾脏排泄部分摄入的氟。在骨积集氟达正常量 3040 倍 之前,骨骼都起着缓冲物的作用。随后过量的氟从业已饱和的骨中溢出进入循环血液,转而进 入软组织中,此时为氟代谢分解阶段,开始出现如下症状。 2.2 1 采食量下降、生长减慢、繁殖率下降。 2.2.2 产蛋率下降(30%70% 和蛋品质下降、蛋壳变软、变薄、易破的软壳蛋、沙皮蛋和 畸形蛋增多),蛋重减小。2 2 3 跛行、骨骼矿化不良或骨质硬化、骨变厚、外生骨庞。 2 2 4 膜、韧带、腱钙化,使骨膜增厚、骨变厚、关节肿大。 2 2 5 氟斑牙。先为白垩型,随着病情加重,可继发生着色型和缺损型。 3 氟中毒病因 3 1 长期使用未经脱氟处理的磷酸钙作畜禽的矿物质补剂,可引起氟病。目前,畜禽的氟病 主要由这个原因引起。 3 2 工业污染致病。氟病常发生在(炼铝、磷肥、氟化盐 )多种金属治炼厂以及大型砖瓦窑 等周围地区。从这些工厂排出的废气,如、4 及一部分含氟粉尘,在邻近地区散落, 以致使该地区的植被,土壤和水被污染。当牧草的污染达 4010-6 以上时,对放牧动物即有 潜在危险。 3 3 自然条件致病。主要是一些干旱、风大、降雨量小、蒸发量大、地面多盐碱、地表土 壤或盐碱中含氟量高,致使牧草、饮水含氟量也随之增高,达到中毒水平。其次是荧石矿区及 附近等地的溪水、泉水和土壤中氟含量过高,引起人、畜共患的氟病() 。 3 4 家畜的急性无机氟中毒,偶见于奶牛因食大量过磷酸盐以及猪用氟化钠驱虫而用量过大 时。 4 氟中毒机理 4 1 影响钙、磷代谢 钙是一种亲氟元素,过量的氟会破坏动物正常的钙、磷代谢。首先过量氟会影响动物对钙离 子的吸收,这是因为氟与钙离子在肠道中能形成难溶性的氟化钙而影响动物对钙离子的吸收。 其次,氟离子被吸收进入血液后也能与血液中钙离子结合形成氟化钙,当动物饲粮缺钙或处于 特殊的生理状态时(泌乳、产蛋 ),动物的血钙会降低,低血钙刺激甲状旁腺素分泌 ,使钙又从骨 组织中游离出来,因此血钙可保持正常。钙代谢的紊乱,又会影响磷酸盐离子的沉积,低血钙 所引起的甲状旁腺素分泌增多会抑制肾上小管对磷的再吸收使尿磷上升。另外,过量氟使肾 脏受到损害,从而影响钙、磷的再吸收。 4 2 影响骨骼和牙齿的正常矿化 由于过量氟对钙、磷代谢产生了明显的影响,而且体内 90%的氟沉积在骨骼和牙齿中,所以 氟首先影响动物骨骼和牙齿组织的正常矿化过程,具体表现在以下几个方面:(1)血中形成的 氟化钙绝大部分沉积在骨组织中,使骨质硬化,密度增加,少量沉积于软组织内,也可使骨膜、 肌腱和韧带等钙化。低血钙刺激甲状旁腺素分泌增多,可使破骨细胞活性增加,促进溶骨现象,加 速骨的吸收,从而引起骨质疏松。(2)过量氟刺激成骨细胞和破骨细胞的活动 ,骨膜和骨内膜 增生,在骨表面产生各种形状的、白色粗糙致密坚硬的外生骨,还可引起皮质肥育、硬化、髓 腔变窄,使神经受压,从而出现疼痛,感觉障碍,瘫痪等一系列神经症状。(3)氟对骨胶原组织的 正常代谢可产生不利影响。等用家兔进行了实验研究,当给兔 2/氟 化钠时,动物体内脯氨酸的正常羟基化发生障碍,从而产生多量羟基不完全的胶原。(4)高氟 对骨骼强度的影响较复杂,有时骨骼强度增加,产生骨硬化,有时产生骨质疏松。 认为,骨质疏松是由于氟刺激甲状旁腺素腺产生甲旁腺素增加骨再吸收而引 起的。而骨硬化的原因是甲状腺素分泌量不足引起含氟骨的再吸收。潘照惠研究了氟化物 对鸡骨骼强度的影响,发现鸡在生长期饮用高剂量氟化物,不论是负重骨(胫骨、股骨) 还是非 负重骨(肱骨), 其骨骼弯曲的最大负荷明显降低,骨骼的弯曲强度也显著降低。 (5)氟离子引起 牙齿斑釉症的机理主要是它能影响牙齿釉核晶的形成。因为氟离子与珐琅质中的磷灰石羟 基离子相交换,在饱和的磷酸钙溶液中矿物质沉淀的改变,以及酸活性受到抑制等因素引起牙 质结构的异常,所以容易磨损,碎裂和脱落。 4 3 影响蛋的品质 氟的排泄主要是通过肾从尿中排出,而蛋禽可以从蛋壳中排出。蛋壳中少量氟与钙结合可使 蛋壳增厚,但氟过量反而使钙沉积受阻,使蛋壳变薄、造成蛋壳品质变差、畸形蛋多。 等(1977)报道了饲喂 210 4 氟的小鼠其尿中钙的排泄量增加,导致可用于形 成骨骼的钙下降。.等研究了氟中毒与蛋鸡表现,分别用 (0、1、4、7、10、13)10 4 的氟饲喂 () 蛋鸡。结果表明,高剂量氟 (10、13) 10-4可明显降低采食量、体增重、产蛋日、饲料效率和蛋品质。 4 4 影响动物内分泌 氟中毒会对分泌和激素含量产生明显影响。低血钙引起甲状旁腺素机能亢进,血液中 升高。等报道氟中毒患者循环血中含量升高,降钙素升高,而 报道降钙素降低。(1978,1979)发现在严重慢性氟中毒时,有 甲状腺素功能抑制现象,3 和4 浓度下降。氟中毒还会引起肾上腺素功能紊乱。 4 5 影响酶的活性 许多学者认为进入机体的氟可作用于酶系统。凡是需要钙、镁、锰、铁、铜、锌等金属的 酶,因其可形成氟金属复合体,氟都可以对它们发生影响。氟也可与磷酸蛋白的辅基相结合,形 成氟磷酸蛋白,从而抑制其活性。少数酶如丙酮酸激酶和葡萄糖6磷酸脱氢酶 (6) 在体内由氟化物激活。氟中毒时最常见的血清变化是碱性磷酸酶活性上升,但在骨 质疏松型氟中毒患者血清中并不出现此酶活性上升。磷性磷酸酶活性升高是成骨活跃的表 示。碱性磷酸酶可水解焦磷酸酶,焦磷酸酶是骨骼自然钙化的抑制剂。所以碱性磷酸酶升高 使钙化有利进行,促进成骨过程。氟化物可抑制动物中2+和 (2+,2+)的活性。(2+,2+)是一种内在的细 胞膜酶,穿越细胞膜的磷脂双层,负责钙离子的传递。该酶有两种存在方式1 和2,1 方 式具有两个高度亲合钙离子,2 形态时对钙离子的亲和能力低。氟的高负性可能与酶离子 1 形态亲水部位上的正电荷相互作用,引起1 形态结构变化,失去键合钙离子或镁 的能力。另一方面,某些( 2+,2+)分子的1 形态可能把氟化钙当作 游离的钙离子来识别,使得酶的1 形态结构发生变化。从而引起酶活性降低。 4 6 影响蛋白质、糖和脂肪代谢 大量研究结果发现,过量氟对蛋白质和的合成有抑制作用。等用 14 标记(亮氨酸)和 3标记(胸腺嘧啶) 掺入法研究了氟对细胞蛋白质和合 成作用的影响。结果表明,当培养液中氟化钠含量达 1 3/时,蛋白质和的合 成开始受到抑制,达 3/和 6/ 时,在 30内,蛋白质和的合成 率分别下降 80%和 85%,6后,的合成几乎等于零, 另一些学者发现高浓度的氟可使 聚合酶的活性抑制率达 90%,使的切除修复功能明显受损,前体的磷酸 化过程受到明显影响。同时还发现氟能损伤多肽链合成的启动过程,阻碍了 80核蛋白体离 解为 40和 60两个核蛋白亚单位,使多肽链合成的启动过程所需的核蛋白亚单位不足,并 认为这是蛋白质合成率下降的主要因素之一。林健菜等研究发现:蚕添食喷有 510-4 氟化 钠溶液的桑叶后,蚕血淋巴中谷丙转酶,蛋白酶的活性均受到严重抑制,进而影响了蚕体蛋白 质的合成。与对照相比,添氟区蚕血液淋巴中蛋白质含量降低 40%75%。(1979)认为:氟主要是干扰胶原的合成,使组织中胶原含量减 少。这是因为氟引起铜明显下降,因铜是赖氨酰氧化酶的组织成分,它在胶原合成中起重要作 用,故胶原被氟的损害是通过铜来完成的。由于和蛋白质合成的降低,动物细胞的生长,分 裂也受到了影响,从而使氟中毒的动物表现出生长减慢,繁殖率下降等症状。 等研究了不同氟摄入量对鼠繁殖率的影响,结果发现,高剂量氟对鼠的繁殖率有 很大影响。210-4 组在 10 周内无产一仔鼠 ,110-4 组鼠仅产下 9 只仔鼠,其中 6 只为死胎。 高氟通过影响酶的活性而妨碍动物体内的碳水化合物代谢。有人认为氟可抑制烯醇化酶。 这是因为氟能与其结合形成氟磷酸镁,从而抑制酶活性。烯醇化酶在糖的酵解过程中,可将 二磷酸甘油酸催化为二磷酸烯醇式丙酮酸,这样就使丙酮酸和乳酸在中间代谢中的形成量降 低。另有人认为可通过抑制乌头酸酶,使氟与柠檬酸盐形成氟柠檬酸,从而三羧酸循环被阻断 妨碍柠檬酸盐的氧化磷酸化过程。吕顺霖研究了氟中毒对家蚕幼虫肠组织糖原分解代谢,调 节的影响,发现氟中毒使家蚕中肠组织糖原磷酸化酶的活性下降从而使细胞内糖原的分解代 谢强度降低,使糖酵作用和三羟酸循环程度减弱,细胞的能量供应减少(磷酸化酶型为活性 型,型为无活性型,氟中毒较大幅度地降低了型的活性)。高氟对脂肪代谢的影响主要有 两个方面,一方面过量的氟使动物对脂肪的消化率降低,这时因为过量的氟抑制了动物胃肠道 中脂肪酶()的活性。 等研究了饲喂氟后小鼠对脂肪的利 用率,结果发现处理组小鼠的脂肪排出率明显高于对照。另一方面,过量氟使动物体内脂肪的 动用能力加强。有人发现添加氟使蚕脂肪酶活性提高,可能原因是氟进入蚕体内后,体内的糖 代谢受阻,其他生理代谢又受到了影响,为维持其生命的供能所需,蚕体自身机理会进行调节, 较多地动用体内储存的脂类,加速了脂肪酶体内脂类的分解,使添氟区蚕的脂肪酶活性远远高 于对照区。 4 7 影响肾脏功能 排泄氟最重要的器官是肾,它总是接触进入肾实质的高浓度氟,因为肾承受着长期触氟的侵袭。 一些研究表明不同程度的肾功能损伤取决于氟骨症病变的严重程度。较严重的骨骼损害常 拌有肾功能的明显缺陷。等描述了慢性氟骨症病人的肌酐和氟的消除率降低明 显有肾上小球功能障碍,但肾小管功能无变化。 4 8 影响造血功能及其免疫功能 实验动物摄入大量的氟对造血功能有明显影响。等发现:过量的氟摄入能导致 严重贫血,他认为氟能阻止原卟啉的合成,使血红蛋白减少,这是发生贫血的主要原因。过量 氟会降低动物的免疫