重金属毒理学理论和使用标准《环境毒理学》

1、重金属毒理学理论和使用标准 环境毒理学概述贡Hg铅Pb2环境化合物化合物的类型(e.g. 重金属, 农药, 溶剂, etc.).物理性状(e.g.稠密的非水相液体DNAPLs,VOCs, 资源保护和恢复法确认的废弃物RCRA characteristic waste). 持久性、生物累积、有毒化合物（PBT）: Persistent, Bioaccumulative and Toxic.法规或其他规定的(如：优先污染物, 12种POPs (dirty dozen), RCRA(Resource Conservation and Recovery Act ) 废物, 综合环境响应、补偿、责任法规

2、定的有害物质CERCLA Hazardous Substances).源头, 途径或终点(e.g. 真菌毒素, 蛇毒, 空气污染物等).3优先污染物（Priority Pollutants） 清洁水法(U.S.C. 466) 307(a)(1)列出的一组有毒化合物或分类。1977首次提出. 该列表目的是为了保护公众健康，规范工业排放物.环境化合物4优先污染物（Priority Pollutants） 锑Antimony,铊thallium,石棉asbestos,丙烯醛acrolein, 丙烯腈acrylonitrile, 四氯化碳carbontetrachloride, 氯苯chloroben

3、zene, 二氯乙烷1,2-dichloroethane,二氯乙烯1,1dichloroethylene,硝基苯nitrobenzene, 汞mercury 二氯丙烷1,2-dichloropropane, 氯奈2-chloronaphthalene, 屈chrysene,二苯并(a,h)dibenzo(a,h)anthracene硫酸硫丹endosulfan sulfate, 二氯酚2- chlorophenol,邻苯二甲酸丁基苄butylbenzyl phthalate, 多氯联苯polychlorinated biphenyls.5残留, 生物积累和毒性高毒性, 长时间滞留物质.随食物链

4、增长.有繁殖、发育、突变、致癌或神经效应潜能.6残留, 生物积累和毒性（12种POPs）艾氏剂Aldrin/狄氏剂dieldrin烷基铅Alkyl-lead苯并a芘Benzo(a)pyrene氯丹ChlordaneDDT, DDP, DDEDioxins and furans六氯苯Hexachlorobenzene汞及其化合物灭蚁灵Mirex八氯苯烯OctachlorostyrenePCBs毒杀芬Toxaphene7重金属的定义几种主要说法是：(1)比重大于5或4的金属为重金属，比重大于5的金属约有45种；(2)从原子序数21起，即从钪起称为重金属。环境科学中所研究的重金属。主要是指汞、铜、镉

5、、铅、锌、铬等元素，还有银、锡、钴、镍、硒等。砷虽为非金属，但毒性和某些性质类似于上述元素，类金属砷也包括在重金属之列。 1.概述8重金属的定义几种主要说法是：(1)比重大于5或4的金属为重金属，比重大于5的金属约有45种；(2)从原子序数21起，即从钪起称为重金属。环境科学中所研究的重金属。 主要是指汞、铜、镉、铅、锌、铬等元素，还有银、锡、钴、镍、硒等。砷虽为非金属，但毒性和某些性质类似于上述元素，类金属砷也包括在重金属之列。 1.概述9102. 汞1112 贡的历史HgS:朱砂(Cinnabar, Vermillion )自然汞Ancient mining in Spain, Italy

6、, China 公元前1500 年古埃及墓中发现Bible, France, 13th c.Hermes1213 一种神秘的元素Native mercury: argentum vivum （拉丁语：活的银）朱砂的热蒸汽冷凝形成汞: 水银hydrargyrum(water silver, Gk)From Basil Valentine, Last Will and Testament, London, 1671 Chemiske forelasningar, Upsalla. 1775 Medicinisch-Chymisch- und Alchemistisches Oraculum, Ul

7、m, 1755 1314 Turba Philosophorum早期的拉丁炼金术课本之一,the Turba Philosophorum ，或炼金术汇编，出版于12世纪. “在所有哲人的评估中汞是第一个要素.”“金是由汞而凝结产生而成.”1415 全球汞循环1. 岩石、土壤、地表水或火山爆发、人类活动都产生汞.2. 通过大气以气态方式运动.3. 沉降到土地和地表水体.4. 转化为元素进入不溶解的硫化汞5. 沉积或生物转化为更挥发或溶解的形态，如甲基汞6. 再进入大气或食物链中的生物累积1516 汞的水循环在土壤中, 元素态汞相对无害,二价或颗粒态. 当二价Hg2+转化到甲基汞(CH3Hg+)

8、才产生危害. 甲基汞是硫酸盐还原菌在厌氧环境中代谢的副产品. 现在知道无机汞是如何在这个过程中转化为有基汞的, 但一个假设是二价汞Hg2+ 与硫S 结合形成硫化汞盐，这可被细菌吸收.HgS CH3Hg(II)X + H 1617 Mercury in the Modern Environment环境中70% 的汞来自人类活动: 金属开采和冶炼,城市和医学废弃物焚烧, 污水, 燃煤电厂和水泥制造.火山爆发也是源.在过去100年间, 工业化使环境有效汞增加了三倍.Hg 属于PBT物质（Persistent Bioaccumulative Toxic）Coal plant near Jangtse,

9、 China 1718 Mercury 的应用 燃料和色素 气压、流量计 陶艺 药物和化妆品 人类和动物疫苗 种子和草皮杀菌剂 旧玩具和化学装置 氯碱过程Chloralkali process(Cl2) 科学设备 运动鞋光亮剂 电池 老化橡胶和油漆 真空测量 水银开关 溶剂 农药他有独一无二的性质：导电性、测温度和压力、防腐剂、催化剂Thermostat switch1819 文学人物Mad Hatter在Lewis Carroll 的爱丽丝漫游仙境中的mad Hatter 其“疯”就是因为汞中毒.汞的硝酸盐在19世纪被广泛用于皮毛的防腐，皮毛衣物在当时是非常流行.长期在皮毛工厂工作的工人有烦

10、躁症状，这是吸入了汞烟气的结果，有些效应是生物学上不可逆的.1920 医学中的汞19世纪为治疗梅毒使用了汞，产生许多副作用甚至导致死亡. 汞化合物过去曾用作利尿剂(diuretics), 抗传染剂(anti-infectives), 软泻药（laxatives）, 红药水skin treatments (“Mercurochrome”).Meriwether Lewis 探索了汞的毒性，造成抑郁、自杀等.2021 肾中毒Nephrotoxic汞产生主要的肾中毒效应，肾小管细胞膜.在低浓度, Hg 结合到膜蛋白的巯基上，作为利尿剂抑制Na+ 的再吸收. 有基汞制剂在1920s-1960s 一直作

11、为利尿剂汞撒利“Mersalyl” C13H17HgNO6 2122 甲基汞神经毒性Neurotoxicity of MeHg所有形态的汞都有神经毒性 甲基汞Methylmercury (MeHg) 是典型神经毒物. MeHg很低水平也能在发育中的胎儿中表现出神经毒性.Philip W. Davidson 2223 鱼类和甲基汞鱼类消费是人类暴露的主要源.海洋哺乳类和甲壳动物也有MeHg.水环境中的MeHg 主要源头是大气汞沉降，然后通过微生物的生物甲基化和生物放大沿食物链传递.在美国的大部分鱼类汞含量低于0.5 ppm 但有些鱼龄长, 大型肉食性鱼类（carnivorous fish）含量超

12、过1 ppm.金枪鱼Tuna, 鲨鱼shark, 旗鱼都超过1 ppm.Philip W. Davidson 2324 MeHg 暴露: 婴儿和孩子大部分健康关怀来自孕期内in utero 暴露, 孕妇和儿童的暴露来自母乳和水产品消费.2425 甲基汞毒性事件1950s, MeHg 染毒主要是工业排放，发生在日本的Minamata 和Niigata . 超过21,000 人因水俣病（Minamata disease）受害而索赔; 大约3 ,000 人经政府确认。在Minamata有600人死亡。这些排放污染的鱼随后被捕捞并被当地居民消费。染毒的人表现为多种神经损伤。 1971-1972年, 伊

13、拉克爆发中毒事件，起源于面包制作中用了MeHg 种衣剂杀真菌。受害者6 ,530人, 439 人死亡. Philip W. Davidson 2526 Japans top court orders government to pay Minamata mercury poisoning victims 22 years after case filedBy: KOZO MIZOGUCHI - Associated Press October 15, 2004 TOKYO - Japans top court ordered the government Friday to pay $703,

14、000 in damages to victims of the Minamata mercury poisoning 22 years after their famous case was filed over an industrial pollution disaster that killed more than 1,700 people and caused diseased mothers to give birth to deformed babies.After the decision, several plaintiffs rushed from the courthou

15、se and unfurled a banner declaring their victory to cheering supporters. The government apologized to victims for failing to prevent the pollution. We assure you that this horrific incident wont ever be repeated, Environment Minister Yuriko Koike said, making a deep bow to plaintiffs in a meeting af

16、ter the verdict. The government will tell about the lessons learned here for generations to come.“ The Minamata poisoning was Japans worst case of industrial pollution. Since the 1950s, hundreds of people have contracted Minamata disease - a neurological disorder caused by mercury poisoning - from e

17、ating tainted fish. The disease, first discovered in the 1950s, was named for Minamata Bay in southern Japan where a company dumped tons of mercury compounds.Babies of poisoned mothers were born with gnarled limbs. The victims were seared into memory by a famous series of photographs by W. Eugene Sm

18、ith from the 1970s, including one of a woman holding her deformed child in a bathtub.The case came to symbolize the dark side of Japans remarkable growth to the worlds second-largest economy in the post World War II era.According to government figures, 2,955 people contracted Minamata disease, and 1

19、,784 people have since died. Under a special law, victims can receive free medical care and compensation. Another 12,000 people who were sickened had received a one-time government payout but werent eligible for free medical care26Principles of Environmental Toxicology 27 Tomoko in Her Bath 2728 水俣病

20、Minimata Disease摄入大量甲基汞污染水产品后的神经紊乱，这些汞来源于两个工厂的排放物Minamata and Niigata, Japan。Yukio Takizawa Akira Sekikawa2829 从水俣病汲取的教训环境汞污染对人体产生严重的后果健康和环境考虑必须综合到工业和经济发展的规划阶段.Yukio Takizawa Akira Sekikawa29YearEvents1956First report unknown disease to Minamata Public Health Center (the official discovery of Minama

21、ta Disease).Restraint measures initiated to restrict intake of fish and marine creatures from Minamata Bay, etc.1965Showa Denko., Ltd. Stopped manufacturing of acetaldehyde.Discovery of Niigata Minamata Disease.Restraint measures initiated to restrict intake of fish and shellfish from the Agano Rive

22、r. 1968Chisso Co., Ltd., stopped manufacturing of acetaldehyde.The collective view of the government on the cause of Minamata Disease announced. 1969Law Concerning Special Measures for the Relief of the Pollution-related Disease enacted.1970Water Pollution Control Law established.30 水俣病年表301971Court

23、 decision on the first suit concerning Niigata Minamata Disease issued.(The responsibility of Showa Denko Co., Ltd. to pay compensation for damage recognized.)1973Court decision on the first suit on Kumamoto Minamata Disease issued.(The responsibility of Chisso Co., Ltd. to pay compensation for dama

24、ge recognized.)The agreement on compensation between the patients and Showa Denko Co., Ltd., reached.The agreement on compensation between patients and Chisso Co., Ltd. reached. 1974Dredging of the polluted bottom sediment of the Minamata Bay began.1976Dredging of the polluted bottom sediment of the

25、 Agano River began.1990Dredging the bottom sediment of Minamata Bay finished.Legal Reconciliation recommended31 3132 原因的研究 开始怀疑最可能的病因是脑炎（encephalitis）,然后是化学中毒. 很明显，它不是一般的食物中毒. 推测是化学品中毒. 所有年龄段的男人和女人，包括孕妇症状相似并且猫也有类似的症状. 然后开始怀疑鱼类和甲壳类中毒的可能性.Yukio Takizawa Akira Sekikawa3233 疾病调查考虑了患病人群的地理（ geographical

26、）和年代（ chronological ）分布, 怀疑是乙醛工厂排放的化学物质,工厂在Minamata湾边. 开始没有怀疑汞, 汞污染的理论是用了好多年才形成的. 这是因为这种疾病的病因学特殊.Yukio Takizawa Akira Sekikawa3334 MeHg from Acetaldehyde ManufacturingJapan Ministry of Environment Chisso Co., Ltd.CH3CHO 乙醛作为原料用在乙酸、乙酸乙酯和其他化合物合成中3435 以前的临床知识不知道MeHg 这个病与传统的工业汞中毒可以清楚地区别. 长达12 年调查的官方结论.

27、有关汞化合物的传递及食物链的科学经验在当时非常有限, 同样分析非常低浓度的甲基汞也有困难.Yukio Takizawa Akira Sekikawa3536 结论在1968 年, 日本政府分类了当时全部的有关水俣病的信息，发表了如下观点: “水俣病（Minamata disease）是中枢神经系统中毒的疾病，病因是甲基汞, 甲基汞是制造乙醛过程中的副产品，Chisso Co.Ltd. 位于Minamata City 和Showa Senko Co.Ltd., 位于Agano 河上游是两个排放源. Yukio Takizawa Akira Sekikawa36Principles of Envi

28、ronmental Toxicology 37 Outbreak of Minamata Disease Japan Ministry of Environment 有些Minamata居民每天摄入300-1500 g水产品，其中汞平均含量为3-4 ug/g，引起中毒.3738 2001年确认病人的分布Japan Ministry of Environment 3839 鱼体内汞污染水平Minamata Bay AreaAgano River BasinJapan Ministry of Environment 39Principles of Environmental Toxicology

29、40 环境污染控制 停止使用汞的生产流程 控制工业排放物 恢复环境, 包括清除污染的沉积物 禁止摄食污染的鱼类和海产品4041 临床特征I 四肢远端感觉障碍. 小脑失调（Cerebellar ataxia）. 视野同心收缩. 眼球运动中枢紊乱. 中枢听力损伤. 不平衡.Yukio Takizawa Akira Sekikawa4142 临床特征II 婴儿水俣病. 智力障碍. 不同程度的后天性神经不协调. 后天有水俣病体征，但没有感觉紊乱.婴儿水俣病包括胎儿水俣病，胎儿通过胎盘暴露甲基汞导致的疾病；出生后水俣病，后天摄入甲基汞引发的疾病.Yukio Takizawa Akira Sekikawa

30、42Principles of Environmental Toxicology 43 手指肌肉挛缩这是典型的水俣病病人体征Yukio Takizawa Akira Sekikawa4344 先天性水俣病 Congenital Minamata Disease在Minamata, 孕妇摄食了污染鱼类表现不是太显著, 但是对胎儿有发育障碍, 包括大脑性麻痹（cerebral palsy）,智力低下（mental retardation）和癫痫（seizures). 这些结果称为先天性水俣病, 首次提出了胎儿大脑对MeHg 暴露高度敏感. 有22 例报道. 产前暴露水平没有查实; 没有剂量反应关系

31、的信息. Philip W. Davidson 4445 诊断 由于水俣病各种体征也可以由其他疾病引起,诊断甲基汞暴露是确诊的基础, 这样可以提高确诊率. 对典型病人诊断是容易的，但是对非典型病人或中等典型的病人比较困难区别于其他疾病.Yukio Takizawa Akira Sekikawa4546 体征频率1; Constriction of visual filed, 2; Superficial sensory disturbance, 3; Deep sensory disturbance, 4; Ataxia (adiadochokineses), 5; Ataxia in wri

32、ting, 6; Ataxia in buttoning, 7; Ataxia in finger-finger, in finger-nose tests, 8; Ataxia (Rombergs sign), 9; Impairment of speech, 10; Impairment of hearing, 11; Impairment of gait, 12; Tremor, 13; Muscular rigidity, 14; Ballism, 15; Chorea, 16; Athetosis, 17; Contracture, 18; Exaggerated tendon re

33、flex, 19; Weak tendon reflex, 20; Hemiplegia, 21; Salivation, 22; Sweating, 23; Slight mental disturbance4647 处理 没有特殊有效的治疗. 汞排出:青霉胺Penicillamine, 硫醇Thiol, Gulation, EDTA-Ca与vitamins功能训练治疗.早期阶段药物通常与Ringer 溶液或5% 葡萄糖液混合并且静脉滴注.在伊拉克甲基汞的排出用D-penicillamine, N- acetyl-DLpenicillamine, thiol resin（硫醇树脂）, etc

34、Yukio Takizawa Akira Sekikawa4748 Minimata 湾疏浚已知有70-150 吨的汞被排放到Minamata Bay ，Chisso Co. Ltd. 为快速安全处理这些含汞污泥,国家和Kumamoto地方当局会同Chisso 在1974年共同负担疏浚和部分土地恢复工作.Yukio Takizawa Akira Sekikawa48Principles of Environmental Toxicology 49 Minimata 湾疏浚AreaTreated areaVolume of sludge disposedLandfill area582,000

35、m2 726,000 m2 Dredged area1,510,000 m2 784,000 m2 Total2,092,000 m2 1,510,000 m2 Japan Ministry of Environment 4950 新的Hg标准 不同的指示显示了攻击人体的不同数值(在成人神经体征水平)Average daily intake3-7 g/kgBody burden15-35mg（50kg weight)Total mercury concentration in blood20-50g/100mlTotal mercury concentration in hair50-125g

36、/g排放物汞标准是基于日本水污染控制法Total mercury0.005mg/lAlkyl mercury compoundsMust not be detected(Limit of detection 0.0005mg/l)Japan Ministry of Environment 50汞的环境卫生标准 WHO: 每人周总汞摄入量不得超过0.3mg; 其中甲基汞不得超过。 汞在各种环境中的限量标准： 地面水、饮用水、农业灌溉水均为0.001 mg/L; 居民区大气日平均允许标准为0.0003 mg/m3; 车间空气金属汞允许标准为0.01 mg/m3。 51Principles of E

37、nvironmental Toxicology 52 水俣病的纪念Completed in 1996, the 40th anniversary of the official discovery of Minamata disease: 1) As a prayer and requiem for those sacrificed to Minamata disease; 2) As a pledge, based on the experience of Minamata disease, to never allow the repetition of such disasters; 3

38、) so as to pass on the lessons of Minamata disease to future generations. (City of Minamata)5253 临时的每周摄入许可 FAO/ WHO 联合食品添加剂专家委员会推荐“任何汞作为漂白剂都有问题. 推荐暂时的允许周摄入量0.3mg 总汞, 甲基汞不超过0.2mg. 日本健康福利部为成人(body weight 50Kg)设定许可为总汞0.25mg 甲基汞0.17mg.5354 塞舌尔, 法罗群岛儿童发育研究1998 大量消费海产品的人群. 两个研究决定了产前MeHg 暴露和分娩后确定的神经发育结果. 暴

39、露水平是类似的(mean 4.0 ppm in Faeroes and 6.0 in Seychelles).塞舌尔的儿童发育研究检查了同龄组(n =779)五次，分别在出生后(6.5, 19, 29, 66和107 个月). 法罗同龄组检查了7 岁组和14 岁组.Philip W. Davidson 54Principles of Environmental Toxicology 55 Child MeHg: Divergent（分歧的） Findings两个研究的发现是不同的. 塞舌尔, 46 主要终点跨越五个年龄组,仅一个终点显示了与产前MeHg 暴露有关的不利效应.法罗, 在产前MeH

40、g 暴露和记忆、语言、视觉空间测量之间的不利效应发生在一个年龄组.在有些例子中这些离散结果发生在同样的测量中.Philip W. Davidson 55Principles of Environmental Toxicology 56 MeHg 参比剂量 ATSDR, NRC, NIEHS 评估了MeHg 研究. USEPA 推荐参比剂量(RfD) 低于0.5 ug/kg/day 到 NRC 与EPA 的RfD 一致(2000).塞舌尔的数据没有显著的不利效应报告，所以要慎重.鱼类组织残留基准0.3 mg MeHg/kg (EPA 2001).! 法罗的报告有(PCBs) 在食物中，所以可能与

41、Hg暴露混淆.NRC 的结论引发了更多的问题.Philip W. Davidson 5657 公共政策问题 挑战: MeHg 是潜在的有食物有效性的神经毒素政府需要公共安全政策来使暴露最小化. 焦点: 疫苗(thiomersal)、牙医用合金汞、孕期的鱼类消费限制. 在US 不同管理当局有不同的最低剂量数据(FDA, EPA, ATSDR) . 鱼类消费顾问有问题. 疫苗安全和公共健康关怀.需要进行低剂量研究.573.铅Pb58铅(lead，Pb)：灰白色金属，原子量，比重，熔点327.5，沸点1620，加热至4005OO时，即有大量铅蒸气逸出，并在空气中迅速氧化成氧化亚铅，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、三氧化二铅、四氧化三铅，但都不稳定，最后离解