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第六章金属的环境毒理学 戎秋涛等在 环境地球化学 一书中所采用的分类是将元素分为四类 生命元素包括两组元素 生命组成元素 它们在人体及生物体中的含量最高 可占人体的99 以上 主要是元素周期表中原子序数小的元素 包括 H C N O Ca P K S Cl Na Mg Si 生命必需元素 它们是人体维持正常机能所必需的元素Fe Cu Zn Mn Co I Mo Se F Cr V Ni Br 约占人体重量的0 025 它们在人体中的不足或过剩都会影响健康 甚至危及生命 毒性元素指对生物有毒性而无生物功能的元素 自然界中 这些元素多数形成硫化物矿物 除Be以外 其原子序数均比较大 不同的元素对不同的生物其致毒量是不同的 该类元素又可分为两类 毒性元素 Cd Cr Ge Sb Te Hg Pb Ga In As Sn Li 严格说来 几乎每一种元素当人们对它的摄取 或误服 过量都会产生毒性 上面所列的毒性元素是指它们对生物体无有益作用 而只有毒性 潜在毒性和放射性元素 Be Tl Th U Po Ra Sr Ba 无毒性稳定性元素该类元素的地球化学性质稳定 多呈氧化矿物或自然元素状态产出 并多数呈副矿物 由于它们在地壳中含量极低 故在生物体内的含量极微 至今未见到它们对生物体有毒性的报道 它们包括 Ti Zr Hf Sc Y Nb Ta Ru Os Rb Ir Pd Pt Ag Au 两性元素两性元素指的是B 其氧化物具弱酸性 对人体无明显中毒现象 化学元素从环节到有机体作用路线示意图 第一节汞 金属中毒性较高的元素之一 一 类型 Hg 无机汞化合物 硫化汞 HgS 升汞 HgCl2 甘汞 Hg2Cl2 溴化汞 HgBr 硝酸汞 Hg NO3 2 砷酸汞 HgHAsO4 雷汞 Hg CNO 2有机汞化合物 甲基汞 CH3 2Hg 乙基汞 C2H5 2Hg 氯化甲基汞 CH3HgCl 醋酸苯汞 CH3COOHgC6H5 等 二 Hg的来源 Hg矿和风化来源 煤和石油的燃烧 含Hg金属矿的冶炼 工业排放含Hg废水 施用含Hg农药 含汞废水排入天然水体后 常以一价离子 Hg 二价离子 Hg2 原子汞 Hg 和氧化汞 HgO 形式存在 水溶性汞易被水中微粒吸附 并因此而沉淀 只有少量汞存在于水中 三 Hg的环境转归 吸附作用水中胶体对汞有强烈的吸附作用 吸附能力的强弱顺序 硫醇 伊利石 蒙脱石 胺类化合物 高岭石 含羟基的化合物 细砂胶体 絮状物 悬浮状 底泥氯离子使胶体吸附汞作用明显减弱 但是腐殖质吸附汞不受影响 络合反应Hg2 nX HgXn2 nRHg X RHgXX Cl Br OH NH3 CN S2 等阴离子 R 甲基 苯基等 络合作用较强的负离子有S2 HS 及含SH 的有机物 存在H2S时 甲基汞以 CH3Hg 2S和CH3HgS 形态存在 络合能力很强 甲基化反应无机汞微生物的作用甲基汞水体和淡水淤泥中的厌氧细菌能够产生甲烷 使无机汞甲基化 其反应式如下 HgCl2 CH4微生物CH3HgCl HCl低汞污染 pH 7时产生甲基汞 CH3HgCl 高汞污染 pH 7时产生二甲基汞 CH3 2Hg 生态系统中 甲基汞通过食物链在生物体内富集 富集水平较高 进入人体造成更大危害 天然水溶液在非生物作用下 只要存在甲基给予体 汞也可以甲基化 在一些动物体内也存在甲基化过程 日本的水俣病由甲基汞引起的 20世纪50年代初期 日本熊本县的水俣地区 由于建立了生产化肥和有机原料的工厂 在生产氯乙烯和醋酸乙烯时需分别用氯化汞和硫酸汞作催化剂 大量的含汞废水排入附近水体 在细菌的作用下 水体中的无机汞转化为甲基汞 甲基汞又通过食物链的富集作用 使当地的鱼类含汞量过高 最后进入人体 发生了因有机汞中毒而引起的水俣病 影响汞甲基化的环境化学因素有 1 厌氧性微生物的活动 厌氧性微生物活动需要厌氧环境 但汞的甲基化过程 主要是依靠微生物的代谢产物 甲基维生素B12 在微生物细胞外进行 不需要厌氧环境 2 pH值水体中总甲基化取决于水的pH值pH大 微生物以制造二甲基汞为主 此化合物在水中不稳定 不溶于水 却易挥发 逸入大气 pH低 微生物以制造甲基汞为主 此化合物溶于水中 能在水中保持 被鱼 贝类吸收 3 硫化物 硫化物阻碍汞的甲基化 但如果在氧充足的水体中 硫化汞可形成甲基汞 但硫化汞的甲基化比汞离子的甲基化要缓慢得多 二者的比率为10 3 1 4 微生物数量 营养物质 温度 去甲基化作用甲基汞的降解有化学和生物两种途径 1 化学降解CH3HgS h CH3 HgSCH3HgSRh CH3 RS Hg CH3 2Hgh 2CH3 HgCH3 和一个H原子生成甲烷 或成对为乙烷 微生物对汞的反甲基化作用微生物分解甲基汞为甲烷和元素汞分解二甲基汞为甲烷 乙烷和元素汞汞的生物降解 反甲基化作用 是靠生物吸收 并在生物体内依靠酶系统的作用使其分解为甲烷和金属汞 由于汞和硫的亲和力 甲基汞常与半胱氨酸结合为复合物 其过程如下 2 生物降解 甲基汞是强脂溶性化合物 几乎可被生物体完全吸收 难分解排泄 在动物体内蓄积 通过食物链而逐级富集 如 其在鱼体内的半衰期是70天 在鱼体内的甲基汞不易清除 因而它具有很大的潜在毒性 环境中的甲基汞的存在形态以氯化物 碘化物 溴化物为主 即CH3HgCl CH3HgI CH3HgBr 但是具有4个该原子以上的烷基汞没有直接毒性 据研究 在烷基汞系列中只有甲基汞 乙基汞和丙基汞三种最低级的烷基汞是日本水俣病的致病性物质 汞在环境中的迁移循环汞进入水体后 经过物理化学 化学 生物等作用 或沉于底泥 或溶于水中 或富集于生物体 或挥发到大气中 从而构成汞在环境中的循环 砷化物亦可在微生物作用下发生甲基化 形成二甲砷 CH3 2AsH 它们通过食物链 转入生物体内 可能引起食物污染 四 Hg在体内的代谢 吸收消化道Hg及化合物呼吸道进入人体皮肤不同形态的Hg 进入体内的主要途径不同 其吸收率主要取决于溶解度 Hg金属 高度弥散性和脂溶性脂 水分配系数75 1Hg 蒸气 呼吸道70 80 肺泡膜透过血中的红细胞和其他细胞血流全身Hg金属无机Hg化合物有机Hg消化道吸收比率 0 01 5 15 90 分布红细胞携带肾 肝 心等脏器和组织Hg 蒸气 血脑屏障中枢神经系统血液身体其他部位无机Hg与血浆蛋白结合70 80 与硫蛋白结合肾近曲小管与硫蛋白结合肝 脾等有机Hg血脑屏障中枢神经系统红细胞携带肾 肝 心等脏器和组织 代谢体内Hg金属进入红细胞及肝细胞氧化Hg2 低分子化合物 巯基蛋白等 或阴离子等结合苯基和甲氧烷基Hg降解无机Hg2 甲基Hg降解无机Hg2 但反应要慢的多各种无机或有机Hg甲基Hg而 二甲基Hg肠道微生物甲基Hg体外Hg2 置换肝脏细胞金属硫蛋白上Zn CdHg的纯蛋白 含巯基非组蛋白Hg2 纯蛋白但在体内很难进行这两种反应 排泄Hg金属 蒸汽 主要肾脏尿排出生物半减期58天无机Hg 体内汞基蛋白胆汁肠道排出 体内低分子物质肾脏 主要 低分子蛋白结合物尿排出 肠道再吸收 重新进入血液和组织生物半减期40天甲基Hg胆汁肠道主要肠道垂吸收 进入肠肝循环10 肾脏排出微生物降解无机汞粪便排出生物半减期70天 Hg由肾脏 胆汁排出速度较快进入脑 睾丸 甲状腺 垂体等处的Hg释放很慢 经由呼吸道 汗腺 乳腺 唾液腺 皮脂腺 毛囊和胎盘等处排出少量Hg Hg毒作用Hg金属血液血脑屏障脑组织氧化Hg2 蛋白质脑损害可溶性无机Hg 金属硫蛋白蓄积在肾 肝 靶器官 甲基Hg血液脑抑制脑中蛋白质的活性和ATP产生中枢神经系统中毒 五 Hg毒作用及其机理 Hg毒作用的分子基础及机理Hg2 蛋白质的 SH或二巯基 S S 蛋白质结构与活性改变Hg 生物大分子的氨基 羧基 羰基 咪唑基 嘌呤基 嘧啶基 磷酸基等重要基团细胞结构和功能改变 损伤 Hg2 蛋白质的 SH或二巯基 S S 蛋白质结构与活性改变甲基Hg吸收入血红细胞膜的脂类吸收进入红细胞 血红蛋白的巯基随血血脑屏障脑组织 氨基 酮戊酸脱水酶影响乙酰碱胆合成 硫辛酸 泛酰硫氢乙胺和辅酶A的巯基干扰大脑丙酮酸的代谢 磷酸甘油变位酶 烯醇化酶 丙酮酸激酶 丙酮酸脱氢酶的巯基抑制脑中的ATP合成 细胞线粒体内的谷胱甘肽的巯基硫醇盐氧化还原功能完全丧失 白蛋白和球蛋白疏水部分的巯基蛋白质分子结构扭曲变形作用于线粒体内膜氧化磷酸化解偶联ATP减少 Hg 生物大分子的氨基 羧基 羰基 咪唑基 嘌呤基 嘧啶基 磷酸基等重要基团形成C Hg共价键细胞结构和功能改变 损伤甲基Hg 脑中的缩醛脂溶血磷脂溶解细胞膜 当Hg2 对蛋白质的数量超过巯基Hg2 蛋氨酸的N O键合络合作用 组氨酸的咪唑基的N配位作用 甘氨酸的氨基配位作用 金属对Hg毒性的抑制SeSe与Hg拮抗作用Se与Hg的键合方式 S Se Hg 阴离子 S Se Hg Hg Se S 在体内形成无活性的化合物ZnHg Zn2 诱导的金属硫蛋白中半氨酸的巯基保护高分子组分中的重要基团 六 Hg的环境标准 世界卫生组织 WHO 鱼体 0 5ug kg淡水 0 05ug L日本水体总Hg 0 5ug L排放Hg 5ug L烷基不得检出中国地面水无机Hg化合物 1ug L 第二节镉 一 类型以化合态存在氧化镉硫化镉 CdS 硝酸镉 Cd NO3 2 硫酸镉 CdSO4 等主要存在于固体颗粒中 人为活动产生的废水 废气 废渣排放铅锌矿开采工业生产 有色金属冶炼 电镀 电器 合金 焊接 玻璃陶器 油漆颜料 光电池 化肥 农药等 二 Cd的来源 镉的迁移转化 地壳中含量约0 2ppm 土壤中一般含量0 4ppm 镉污染土壤可高达数十ppm 重金属元素镉一旦进入土壤便会长时间滞留在耕作层中 由于它移动缓慢 故一般不会对地下水产生污染 土壤中镉的存在形态分为水溶性和非水溶性镉 离子态CdCl2 Cd NO2 2 CdCO3和络合态的如Cd OH 2呈水溶性的 易迁移 可被植物吸收 而难溶性镉的化合物如镉沉淀物 胶体吸附态镉等为难溶性镉 不易迁移和为植物吸收 但两种形态在一定条件下可相互转化 三 Cd的环境转归 在旱地土壤中多以CdCO2 Cd3 PO4 2和Cd OH 2形态存在 其中以CdCO3为主 尤其是在pH大于7的石灰性土壤中明显 淹水土壤则是另一情况 如水稻土 当土壤内积水时 在水下形成还原环境 有机物不能完全分解而产生硫化氢 当施用硫酸铵肥料时 由于硫还原细菌的作用 也大量生成硫化氢 在含硫化氢的还原环境中 镉多以CdS的形式存在于土壤中 而溶解度下降形成难溶性CdS形态 所以 在单一种植水稻的土壤中CdS积累将占优势 作物对镉的吸收 随土壤pH值的增高而降低 土壤中的有机质能与镉螯合成螯合物 从而降低镉的有效性 其次氧化 还原电位也影响作物对镉的吸收 Eh低或Eh降为零 则有利于形成难溶性的硫化镉 试验表明水稻各组织对镉的浓集量按根 杆 叶鞘 叶身 稻壳 糙米 吸收Cd经肠胃道吸入率1 7 经呼吸道30 吸烟是重要来源经皮下和肌肉注射吸收缓慢分布Cd吸收血液2 3Cd 血红蛋白Cd 细胞中的金属硫蛋白贮存肾 肝 脾 肺 胰腺 甲状腺 肾上腺 睾丸及卵巢等Cd胎盘屏障等生物半减期 20 30年排泻Cd经口体内90 粪便排出Cd吸收肾脏尿 四 Cd在体内的代谢 五 Cd毒作用及其机理 Cd毒作用的分子基础及机理Cd 巯基蛋白酶活性抑制或失活Cd 巯基蛋白在生物体内长期蓄积Cd的抗癌作用金属对Cd毒性的抑制 Cd 巯基蛋白酶活性抑制或失活Cd 蛋白质分子 含巯基 氨基 羧基 Cd结合蛋白抑制酶活性Cd 氨酰基氦酞酶蛋白质分子Cd置换Zn Co Cu 氨酰基氦酞酶失活减少蛋白质的分解和再吸收Cd 蛋白质分子 含巯基 氨基 羧基 Cd结合蛋白损失肾小管糖尿 蛋白尿 氨基酸尿症状尿中Ca P 粘蛋白增加粘度增加晶体 胶体关系改变肾结石Cd 蛋白质分子 含巯基 氨基 羧基 Cd结合蛋白肠道阻碍Fe吸收尿中Fe排出贫血Cd 蛋白质分子 含巯基 氨基 羧基 Cd结合蛋白骨髓抑制血红蛋白的合成 Cd 巯基蛋白在生物体内长期蓄积长期接触Cd吸烟者Cd蓄积肾 肝 肺 30mg Cd硫蛋白Cd MT在肾脏长期MT贮存在肾小球过滤肾小管吸收异化 重新合成Cd MT在肾近曲小管细胞MT耗尽作用于线粒体膨胀 变性诱导肝脏中MT合成 置换MT的ZnCd2 进入核细胞达到最大浓度DNA结构和功能的改变硫镉蛋白干扰RNA多聚酶活性 Cd的抗癌作用N 亚硝基二乙胺 NDEA 诱发肝脏肿瘤和肺部肿瘤 其中MT极少 而正常细胞中很高 Cd诱导MT增加抑制NDEA抗癌金属对Cd毒性的抑制SeSe与Cd拮抗作用Se Cd2 Cd Se络合物抑制Cd毒作用ZnCd MT中的Zn2 MT中的Cd Zn2 毒性降低促进MT形成FeCu 六 Cd的环境标准 食品中最高容许浓度 0 2mg kg地面水和生活饮水 0 01mg L渔业和灌溉用水 0 005mg L工业废水排放 0 1mg L车间空气 0 1mg m3 第三节铬 Cr是人体必需的微量元素 但过量接触 引起中毒甚至癌症 一 类型1 Cr2 CrO不稳定2 Cr3 Cr2O3 CrCl3最稳定 在水体中吸附在固体颗粒物上 沉积于水体 3 Cr6 CrO3 KCrO4 K2Cr2O7毒性最大 具有强氧化作用 多溶解于水中 天然源铬矿石人为源铬铁冶炼 耐火材料 电镀 制革 颜料 燃料 橡胶 陶瓷制造工业生产及燃料燃烧过程 二 Cr的来源 吸收呼吸道Cr消化道皮肤无机Cr化合物消化道Cr3 吸收率 0 1 3 肠胃道吸收率 0 5 膳食中天然Cr络合物易吸收一定范围 Cr吸收与含Cr量反比Cr6 吸收率 Cr3 有机Cr吸收率 无机Cr呼吸道吸收Cr与其化合物的溶解度密切相关 三 Cr在体内的代谢 分布Cr经口肝 肾 脾 骨骼经呼吸道肺 脾Cr血液 血浆中的含Fe球蛋白 白蛋白血液中Cr占体内总Cr的1 10 正常人体总Cr 6ugCr6 穿过红细胞膜 血红蛋白Cr3 红细胞膜 排泄呼吸道Cr低分子量结合物尿液排出经口Cr肠道排出汗液 乳汁 毛发 指甲排出Cr生物整体半衰期 27d肺 12 8d肝 1 2d尿 正常人Cr5 9 10ug d有害下限50ug L人发正常Cr0 69 0 96ug g男性0 27ug g女性0 57ug g 四 Cr的毒作用及其机理 Cr酸盐红细胞膜红细胞 生物大分子Cr6 Cr3 抑制谷光甘肽还原酶活性 出现高铁血红蛋白 红细胞携带氧的机能发生障碍内窒息缺氧Cr6 吸入鼻腔隔粘膜强氧化作用鼻腔瘙痒 干燥 反复出血 结痂 鼻中隔溃疡鼻中隔软骨穿孔Cr致敏作用Cr6 红细胞膜还原Cr3 产生对Cr3 的抗体 Cr6 致癌物细胞内Cr6 GHS还原维生素CCr5 Cr4 和C自由基 Cr3 Cr5 Cr4 C分子自由基 Cr3 浓度取决于还原剂的浓度 Cr6 还原过程 Cr5 对 DNA加合物和C自由基形成起积极作用 造成DNA的单链断裂 Cr6 K2Cr2O7 细胞核被细胞色素P 450的电子转移系统还原Cr3 DNA形成DNA和蛋白质的交联 Cr定位于DNA与蛋白质之间 细胞染色体畸变 人体Cr3 正常需要摄入量 0 02 0 5mg d饮用水标准 Cr6 0 1mg L渔业用水标准 Cr6 0 05mg LCr3 0 5mg L灌溉用水标准 总Cr 0 1mg L大气总Cr 0 15mg m3车间大气总Cr 0 1mg m3 五 Cr的环境标准 第四节铅 铅 lead Pb 灰白色金属 原子量207 20 比重11 34 熔点327 5 沸点1620 加热至400 5OO 时 即有大量铅蒸气逸出 并在空气中迅速氧化成氧化亚铅 Pb2O 而凝集为烟尘 随着熔铅温度的升高 可进一步氧化为氧化铅 PbO 密佗僧 三氧化二铅 黄丹 Pb2O3 四氧化三铅 红丹 樟丹 铅丹 Pb3O4 但都不稳定 最后离解为氧化铅和氧 一 理化性质 常见铅化合物除铅的氧化物外 还包括 碱式碳酸铅 铅白 铅粉 宫粉 2PbCO3 Pb OH 3 铬酸铅 铅铬黄 铬黄 PbCrO4 碱式硫酸铅 PbSO4 PbO 醋酸铅 铅糖 铅霜 Pb CH3COO 2 3H2O 硫酸铅 PbSO4 氯化铅 PbCl2 硝酸铅Pb NO3 2碘化铅 PbI2 硫化铅 PbS 四乙铅 Pb C2H5 4 二盐基性亚磷酸铅 2PbO PbHPO3 二盐基性硫酸铅 3PbO PbSO4 H2O 硬脂酸铅 工业铅接触 铅矿的开采 烧结和精炼 含铅金属和合金的熔炼 蓄电池制造 印刷业铸字和浇板 电缆包铅 机械工业铅浴热处理 自来水管道 食品罐头及电工仪表元件焊接 制造火车 汽车的轴承 挂瓦 制造X线和原子辐射防护材料 无线电元件的喷铅 修 拆旧船 桥梁时的焊割 以上作业铅以蒸气和烟尘形式逸散 当前国内危害最重的行业是蓄电池制造 铅熔炼及拆旧船熔割 二 来源 生活铅接触 彩陶 油漆含铅汽油及尾气金属制品如镀锌水管 锡酒壶 含铅用品其他如化妆品 铅字印刷儿童对铅十分敏感 三 铅在体内的代谢 铅及其化合物呼吸道消化道呼吸道 通常以蒸气 烟尘及粉尘形态进入 其吸入的铅量 随着尘粒的大小而有差异 如尘粒在2 7nm者吸收率达54 一般说 吸入的铅70 75 仍随呼气排出 仅30 50 吸收人体内Pb呼吸道肺泡内CO2的存在呈酸性溶解肺部血液吞噬细胞吞噬淋巴系统经气管 支气管咳出消化道 吸收 消化道 主要来自铅作业场所进食 饮水 吸收率5 10 食物中的含铅量 食品的成分和进食量对铅的吸收有很大的影响 日常生活食物 饮料中每天摄入铅量约300mg 分布体内Pb 红细胞血液肝 肾 脾 脑等和组织中90 95 无机铅Pb3 PO4 2沉积骨骼 毛发 牙齿骨骼Pb 骨小梁 骨皮质骨骼Pb较稳定 可长期贮存 但当食物中缺Ca使血钙降低 酸碱平衡紊乱 外伤 感染 饮酒或机体疲劳时 Pb3 PO4 2 PbHPO3 血液牙齿Pb最高 次长骨2 的铅进入血液90 Pb 红细胞10 Pb 血浆 血浆蛋白结合铅可扩散铅 PbHPO3 甘油磷酸铅 肝 肾 主动脉 肌肉 脂肪 脑等软组织也依次分布铅 其中脑内Pb含量最低 100ug kg肝脏 肝细胞膜主动转运 从血浆中选择性摄取Pb胆汁Pb在肾脏 7天后 30 40 Pb留于体内 其余排出四乙铅脑 肝脏 骨 肾 肺其他影响因素职业地区年龄 代谢无机Pb与巯基蛋白结合主要形成磷酸铅 稳定 磷酸氢铅甘油磷酸铅四乙铅肝脏内三乙铅分解二乙铅 无机铅 排泄Pb经口 90 Pb肠道排出Pb经呼吸道 气管痰咳出咽入消化道肺吸收血 尿液排出Pb肾脏 重要排泄器官 人体血Pb正常肾小球分泌 主要 人体血Pb高或中毒肾小管排泄 增多 汗液排Pb正常人 0 256mg d人乳0 1mg d毛发Pb在人体内的生物半减期 4年骨骼 21年 四 铅的毒作用及其机理 铅对血红蛋白合成的障碍 卟啉代谢 铅抑制 一氨基 一酮戊酸脱水酶 ALAD 铅抑制血红素合成酶和粪卟啉原脱羧酶 铅还影响红细胞中的核糖核蛋白体和可溶性的核糖核酸 铅还可直接抑制红细胞膜Na K 一ATP酶活性 铅对神经系统的作用铅使ALA 合成酶 增多 铅还能对脑内儿茶酚胺代谢发生影响 受损神经主要是神经细胞膜的改变和脱髓鞘铅对肾脏的作用损害线粒体 影响ATP酶而干扰主动运转机制 损害近曲小管内皮细胞及其功能 造成肾小管重吸收功能降低 同时还影响肾小球滤过率降低 合成酶 一氨基 一酮戊酸脱水酶 急性或亚急性中毒 临床特点为剧烈腹绞痛 贫血 中毒性肝病 中毒性肾病 多发性周围神经病 表现头晕全身无力 肌肉关节酸痛 不能进食 便秘或腹泻 肝脏肿大 肝区压痛 黄疽血压升高实验室检查 除铅中毒指标明显升高外 胆红质升高 ALA升高 尿中可见红细胞 白细胞 尿卟胆原阳性 血色素和红细胞均下降 神经系统检查 可发现四肢末端呈手套袜子型感觉减退 肌肉萎缩及肌无力 严重者发生铅麻痹 即垂腕 垂足症 铅毒性脑病 出现剧烈头痛 抽搐 谵妄 惊厥 木僵甚至昏迷 个别病人可发生麻痹性肠梗阻 一般说来 经驱铅治疗后 可很快恢复 除铅中毒性脑病外 很少有后遗症 预后良好 慢性中毒 职业性铅中毒多为慢性中毒 临床上有神经