第11讲地球化学

环境地球化学第1页,第五章：地球化学环境与人类健康,本章主要内容：人体与地球化学环境的关系；人体中元素的分布；微量元素与人类健康；地球化学环境与人类疾病（地方性疾病）。,环境地球化学第2页,第一节:人体与地球化学环境的关系,一、人体化学组成与地球化学环境的关系自然界的各种元素或化合物都是以空气、水和食物等形式经由呼吸道和消化道进入体内的。研究表明，人体的各种化学元素和平均含量与地壳中相应各种化学元素的含量相适应，显示了明显的相关性。因此，化学元素的相适应证明，人和地球化学环境有着密切的联系。,环境地球化学第3页,环境地球化学第4页,人体化学元素组成,环境地球化学第5页,第一节:人体与地球化学环境的关系,人体中有60余种元素，其中人体的99.954是由氢、氧、氮、碳、磷、硫、氯、钾、钠、钙、镁和铁等宏量元素(含量0.01)组成，其余不到0.05的部分主要是由氟、锌、碘、铜、钒、锰、镍、钴、硒、铬和钼等微量元素(含量0.01)组成。尽管人体中以氧、碳、氢、氮等宏量元素为主，并成为人体各种软组织、体液和血液内的主要组成元素，但那些在人体中所占比例虽不到0.05的微量元素，对人体健康却有着不可忽视的作用。,环境地球化学第6页,第一节:人体与地球化学环境的关系,二、人体与环境的辩证关系人体与环境之间最本质的联系是能量的传递和物质的交换，人与地壳物质保持的平衡是通过人体的新陈代谢与周围环境进行物质交换实现的。如果由于某种自然的或人为的原因，使环境中新出现或增加了某种化学物质，或减少了某种化学物质(环境变化)，超过了人体生理功能所能承受的适应能力，人和地球化学环境的平衡关系就会遭到破坏，人体健康就要受到影响，甚至发生疾病或死亡。人体各种生理功能在某种程度上对环境的变化是适应的，并能使人体与环境达到统一，但这些功能有一定的限度。如当某些元素在自然界含量过高或偏低时就会造成一些地方病；当有毒物质通过呼吸、饮水、食物等直接或间接地进入人体就会造成疾病，影响遗传甚至危及生命。,环境地球化学第7页,第一节:人体与地球化学环境的关系,三、人类疾病类型与地球化学环境的关系1疾病的类型遗传性疾病先天性疾病匮乏性疾病现代病,环境地球化学第8页,第一节:人体与地球化学环境的关系,2疾病类型与环境的关系遗传性疾病与环境遗传性疾病起因于生殖细胞或受精卵里物质的不利变化。遗传物质的损害主要是基因缺陷和染色体畸变。环境因素可以影响遗传物质，许多化学物质都可以引起突变。先天性疾病与环境该类型疾病是胚胎发育过程中某些环境因素造成的。在怀孕期间，胎儿在母体内发育过程中，由于受不良环境因素的刺激，如过量放射性的照射、严重噪声的影响以及有害化学物质的侵扰等，使胎儿发育异常，出现各种先天性疾病，如先天性心脏病、先天性畸形等。,环境地球化学第9页,第一节:人体与地球化学环境的关系,匮乏性疾病与环境由于区域自然环境恶劣，经济、文化落后所造成，主要表现为三个特点：由于人们所处的生活条件恶劣、营养不足所造成的营养不良性疾病；由于医疗、交通落后、人口拥挤、卫生条件差所造成的传染性疾病；由于区域生态环境中有不利健康的因子存在，造成特定环境的特有的地方病，即原生性地方病。现代病与环境由于现代社会的发展，出现了大量的现代病，以癌症心血管和各种职业病为典型代表，主要发生在发达国家和地区以及大城市。国际上已比较一致地认为90以上人类的癌症与环境因素有关。,环境地球化学第10页,第一节:人体与地球化学环境的关系,四、人体对环境致病因素的反应人类环境的任何异常变化，都会不同程度地影响到人体的正常生理功能。但是，人类具有调节自己的生理功能来适应不断变化着的环境的能力。如果环境的异常变化不超过一定限度，人体是可以适应的；如果环境的异常变化超出人类正常生理调节的限度，则可能引起人体某些功能和结构发生异常，甚至造成病理性的变化。这种能使人体发生病理变化的环境因素，称为环境致病因素。人类的疾病多数是由生物的、物理的、化学的致病因素所引起。在环境致病因素中环境污染又占最重要的位置。人体对致病因素引起的功能损害有一定的代谢能力，在疾病发展过程中，有些变化是属于代偿性的，有些变化则属于损伤，两者同时存在。当代偿过程相对较强时，机体还可能保持着相对的稳定，暂不出现疾病的临床症状，这时如果致病因素停止作用，机体便向恢复健康的方向发展。,环境地球化学第11页,第二节:人体中元素的分布,生命组成元素这类元素是生命必须的宏量元素，它们在人体及生物体中的含量最高，可占人体的99.95（以70公斤人体重量计）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、P、S、K、Na、Ca、Mg、Cl、Si;其中前6种元素是构成生物体结构的主要元素，也是构成有机分子的基本元素，它们占人体重量的97.25%。生命必需元素这类元素是生命必须的微量元素，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，它们虽然在人体内含量甚微，但在人类生命过程中起着重要作用，这些元素在人体中的不足或过剩都会影响到人的健康，甚至危及生命。,环境地球化学第12页,第二节:人体中元素的分布,判断元素的必需性应符合以下条件：必须存在于一切生物的所有健康组织内；在不同的动物体内的浓度应该相当恒定；元素一旦从生物体中缺失，往往会发生结构上或生理上的异常；补足这种元素，则可防止异常的发生或使其恢复正常。,环境地球化学第13页,第二节:人体中元素的分布,毒性元素对生物有毒性而无生物功能的元素。该类元素又可分为两类：毒性元素：Cd、Ge、Sb、Te、Hg、Pb、Ga、In、As、Sn、Li，这些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。非必须元素非必须元素是指那些地壳丰度极小，化学性质极不活泼，其化合物不容于水或难溶于水，而且不具生物学功能的元素。它们多具放射性。一般不易与人类所接触，也就不易为生物所吸收。非必须元素包括氦、氖、氩、氪、氙、氡6个气体元素，15个镧系元素，锕、钍、镤3个锕系元素，以及其它的24个元素共计48个。,环境地球化学第14页,第二节:人体中元素的分布,无毒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。这些元素包括：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。,环境地球化学第15页,人体所摄取的微量元素(mg/d),环境地球化学第16页,人体所摄取的微量元素(mg/d)（续）,环境地球化学第17页,第二节:人体中元素的分布,人体所摄取的微量元素(mg/d)（续）,环境地球化学第18页,第二节:人体中元素的分布,元素生物学分类周期表,环境地球化学第19页,第二节:人体中元素的分布,二、人体中元素的缺乏和过量供应某些元素在人体各组织中的分布具有明显的选择性，一般表现为：脑：Cd、Sr、Br、A1；肾：Bi、Pb、Cd、Se、As、Si；肝：Pb、I、Sm、Se、As、Zn、Cu；肺：Sb、Sn、Se、Cr、Al；淋巴结：U、Tb、Sb、Mn、A1、Li。,环境地球化学第20页,人体不同组织对环境元素选择性富集，从而会由于地球化学环境中某种或某些元素的过量或缺乏而导致器官组织病变的发生。实验证明，当有机体由于缺乏某种微量元素而生长不良或不能完成其生命循环时，补充少量的这种元素，对有机体是非常必需的，但当供给量超过了有机体的需要时，同一个元素又可能起毒害作用。生命必须元素的不足或过量，都会导致生物的病害。元素适量时，植物就能茁壮生长。当元素过量时就显示它对植物的毒性，甚至导致死亡。这一现象被称为伯特兰得定律。即生物最适营养定律。这一定律不仅适用于植物，同时也适用于动物和人类。,第二节:人体中元素的分布,环境地球化学第21页,第二节:人体中元素的分布,必需和有毒元素的缺乏和过量对有机体的影响曲线,环境地球化学第22页,第二节:人体中元素的分布,有毒元素生理效应曲线,环境地球化学第23页,第二节:人体中元素的分布,化学元素从环境到有机体作用路线示意图,环境地球化学第24页,第二节:人体中元素的分布,四、人体中元素的分布元素在人体中分布是不均一的,不同肌体元素含量如下：人体骨胳中的主要元素：Ca、P、S、Si、Mg、F、Mn等，其中的Ca、P、S、Mg等具结构性作用。Sr、Ba、Pb、Be、Cd、U、Au、Li等元素与骨骼有较强的亲合性，它们在骨中过量的蓄积将会产生不同程度、不同性质的损害。这些元素在骨中的量占人体总量的百分数分别为：Sr为99；F为98.9；Pb为97.6；Ba为91；Be为75；Mg为70；U为65.5；Li为50；Mn为43.4。,环境地球化学第25页,第二节:人体中元素的分布,牙齿中的元素多由Ca、P、F、Si、V等元素组成。毛发中的元素由Si、Ni、As、Zn、F、Fe、Ti等组成。肌肉中的元素Zn、Cu、Ca、Mg、V、Se、Br等元素，它们在肌肉中的量占人体总量的百分数为；Zn为65.2；Br为60；Se为38.3；Cu为34.7。脂肪中的元素V、Hg、Cr、Nb、Sn等，其中V、Cr对脂肪代谢和降低胆固醇有重要作用。钒、汞、铬、铌、锡在脂肪中的蓄积量分别可达总量的90、69.2、37、26和25。,环境地球化学第26页,第二节:人体中元素的分布,血液中的主要微量元素Fe、Co、Mo、Cu、V等，其中铁在血液中的含量可占人体总铁的70。肺中的元素Sb、Sn、Se、Cr、Al、Si、Fe等。肾中的元素Cd、Hg、Zn、Bi、Pb、Se、As、Si等。肝中的元素Se、Cu、Zn、Fe、As、Cr、Mo、V、I等。淋巴系统中易富集的元素Si、U、Te、Sr、Mn、Pb、Li等元素。,环境地球化学第27页,元素与人体健康之间的关系,环境地球化学第28页,元素与人体健康之间的关系（续）,环境地球化学第29页,元素与人体健康之间的关系（续）,环境地球化学第30页,元素与人体健康之间的关系（续）,环境地球化学第31页,第三节：微量元素与人类健康,一、微量元素的生理功能微量元素是指占人体重量小于0.01、人体所必须而又不能由肌体自身制造的元素。它虽然在人体内甚少，但在生物化学过程中却起关键性的作用，它们做为酶、激素、维生素、核酸的成分，维持生命的代谢过程。人体对各种微量元素的需要，依年龄、生理条件、环境条件及遗传因素等情况而定。,环境地球化学第32页,第三节：微量元素与人类健康,人体必需微量元素对成人的供给量,环境地球化学第33页,第三节：微量元素与人类健康,微量元素的重要生理功能在酶系统中起特异的活化中心作用。酶是一种大而复杂的蛋白质结构，它的作用在于强化生化作用。几千种已知的酶中，大多数含有一个或几个金属原子。失去金属元素，酶的活力就丧失或下降；获得金属元素，酶的活力就恢复。在激素和维生素中起着特异的生理作用。某些微量元素是激素和维生素的成分或重要活性部分，缺少这些元素，肌体内就无法合成这类激素或维生素。如甲状腺激素中缺少碘原子，就失去效用，人体就会得甲状腺肿大病。协助输送宏量元素的作用，如铁是血红蛋白的重要组成部分，血红蛋白借助氧化作用把氧带到体内每个组织、器官的细胞中去，供应代谢的需要。微量元素在体液内，与钾、钠、钙、镁等离子协同，可起调节渗透压、离子平衡和体液酸碱度的作用，以保持人体的正常生理功能。,环境地球化学第34页,第三节：微量元素与人类健康,二、元素的协同和拮抗作用生命元素的拮抗作用是指在生物体总中，一种元素对另外一种元素的正常生理功能产生的干扰的现象，这种干扰多数是抑制或者抵消，但也有可能是加剧。铜与钼、硒与汞、铜与锌、铊与硒、铜与镉、锌与镉之间存在着生物的拮抗作用。,环境地球化学第35页,第三节：微量元素与人类健康,元素拮抗作用的几种机理直接化学反应产生的拮抗作用。在生物体内的这种化学反应，某种意义上类似于体外的无机化学反应。如果两元素能生成难离解的稳定化合物或两元素间能发生氧化还原反应，它们之间可能存在着生物拮抗作用。前者如As、Hg、Cd、Ag、Sb等元素对Se的拮抗，后者如Cr6+对Fe2+的拮抗；干扰元素作用于金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基团，使酶或蛋白质遭到破坏，从而实现对酶或蛋白质中有益元素的间接拮抗。如干扰离子与生物体中的有机质（如酶的辅基）结合得更稳定，从而使肌体中某些元素被置换出来。,环境地球化学第36页,第三节：微量元素与人类健康,由于某一元素的作用，使金属酶反应体系中的一环受阻，从而产生对另一元素的间接拮抗。这一类型的拮抗机理，虽然在两元素的性质上找不出直接的关系，但是从酶作用体系中是可以分析出它们的相关作用的。铜对于钼的拮抗可能属于这一种。在生物体中，相似原子结构的元素在有机络合物中互为取代而造成的拮抗作用。已经观察到的拮抗关系中，WMo、CdCa、VMn、NiCu、MnMg应属这种类型。从原子结构理论出发，可以预测Fe2+Zn2+、Fe3+Mn3+、Sb5+Mo6+、Cu2+Co2+、Ni2+Mg2+、Ru2+Co2+也存在拮抗关系，这是因为它们的原子结构常数十分接近。,环境地球化学第37页,第三节：微量元素与人类健康,三、配合作用所谓配合作用是指采用金属配合物(或螯合物)的配位体原理排除进入机体的各种有毒元素的去毒作用。许多由污染途径进入人体的有毒元素，可以针对性地采用某些络合剂和螯合剂有效地加以排除。,环境地球化学第38页,第三节：微量元素与