生命必需元素轻微有毒元素和有毒元素

生命必需元素轻微有毒元素和有毒元素第1页/共22页生命必需元素、轻微有毒元素和有毒元素周期IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBVIIIIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIA01HHe2LiBeBCNOFNe3NaMgAlSiPSClAr4KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr5RbSrYZrNbMoTcRuRhPoAgCdInSnSbTeIXe6CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn7FrRaAcRfHa镧系CePrNdPmSmEuGdTdDyHoErTmYbLu锕系ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr红色：致癌金属；蓝色：促癌金属；下划线：胎盘通透性；斜体：致畸性；粗体：胎儿致死性。绿色背景：生命必需元素；深蓝色背景：对某种生物机能有轻微毒害作用的元素；粉色背景：生物有毒元素。第2页/共22页金属解毒途径A类途径：涉及细胞内钙、镁沉淀作用；B类途径：伴随与含硫配体有亲和力的金属，如铜、镉，形成细小颗粒；C类途径：在等脚类动物和蜘蛛体内独有的废弃铁的累积，形成细小颗粒。 然后，排泄进入消化系统内腔，再经由粪便排泄出体外。第3页/共22页金属汞(Hg)性质、发生及环境行为毒性及种群风险 主要中毒机理是二价汞离子与蛋白质和酶中的巯基反应形成牢固的硫汞键，改变了蛋白质和酶的结构和功能，使细胞代谢紊乱，导致组织器官病变。一般短期的二价汞离子的毒害是可逆的，停止接触，中毒症状可以逐渐消失。 日本南部九州岛两侧不知火山东岸的水俣湾和水俣市，鱼体甲基汞慢性中毒导致环境公害发生。第4页/共22页汞的生物地球化学循环－水体系统为例空气水沉积物有机和无机络合物HgPHg0HgPHg(II)Hg(II)Hg(II)CH3Hg+CH3Hg+藻类鱼人鸟/其它野生动物CH3HgCH3CH3HgCH3CH3HgCH3底栖生物pHHgSH2S指示水体系统中汞的最重要的化学和生物转化。沉积物，某些情况下包括水，是生物甲基化的主要场所。第5页/共22页与甲基汞形成有关的生物地球化学循环过程CH3Hg,Hg2+(CH3)2HgCH4+C2H3氧化作用光降解作用Hg0光降解作用干湿沉降陆上排气、火山Hg0沉降作用Hg0CH3Hg+Hg2+Hg0,Hg2+HgSHgS(CH3)2HgCH3HgSCH3(水生贝壳类)下层沉积物发生干扰作用可导致再氧化作用和火化作用细菌还原细菌悬浮物+上层沉积物CH3Hg+S2－细菌氧化甲基化细菌还原扩散鱼体中甲基化(细菌)大气分室水分室鱼类第6页/共22页汞的生物地球化学循环的一般定性模式Hg2+Hg0Hg+CH3Hg+RHgR降解作用细菌作用、鳌合作用日光生物氧化作用(细菌、植物)生物还原(细菌、霉菌、植物)生物氧化作用生物还原作用细菌作用、鳌合作用降解(光、生物)生物还原细菌细菌有机氧化物第7页/共22页水生生态系统中汞的生物放大过程沉积物:0.14(mg/g干重)蛤:0.17(mg/g鲜重)鲤科小鱼:0.012(mg/g鲜重)Bass(鱼):0.58(mg/g鲜重)梭子鱼:1.01(mg/g鲜重)水:未检出胡瓜鱼:0.32(mg/g鲜重)潜鸟:1.5(mg/g鲜重)鸥:1.7(mg/g鲜重)水生大型植物:0.01(mg/g鲜重)水獭:0.91(mg/g鲜重)海狸:0.01(mg/g鲜重)浣熊:0.22(mg/g鲜重)数据来自偏远的湖泊生态系统不同分室中总汞。显示营养级别增高浓度增加，即生物放大。第8页/共22页金属铅(Pb)发生、来源和性质环境暴露及毒性 铅主要与体内巯基结合，多方面干扰机体的生化和生理功能。影响最严重的代谢环节是抑制呼吸色素的生成，通过抑制线粒体呼吸和磷酸化而影响能量产生，以及通过抑制三磷酸腺苷酶而影响细胞膜的运输功能。毒性作用以对骨髓造血系统和神经系统损害最为严重，例如大气环境中的铅对儿童智力发展和行为产生严重影响。第9页/共22页无机铅循环的一般模式源迁移和转化暴露生物个体反应生态系统反应无机铅(生物地球化学特征)生物地球化学流(Flux)大气分室水分室土壤/沉积物分室生物圈水平生物体铅的生理特性铅的生物化学特性致死毒性或条件生物转化生物累积食物链转移群落结构和功能变化生态系统功能变化(循环方式、循环效率和呼吸/光合比值)第10页/共22页有机铅化合物生物地球化学循环的基本模式界面界面人为散发大气分室四烷基铅三烷基铅二烷基铅无机铅三烷基铅挥发作用降水作用四烷基铅三烷基铅二烷基铅无机铅废弃物和溅出废弃物和溅出水分室增溶和乳化水生生物摄入生物累积作用食物或海物消费沉积作用四烷基铅三烷基铅二烷基铅无机铅生物甲基化作用四烷基铅库沉积物(土壤)分室第11页/共22页金属镉(Cd)和铬(Cr)发生、来源及性质生理及生态行为毒性

日本神通川流域的富山县发生的骨痛病(骨软化症等一系列病理变化)公害事件源于稻米和饮用水的镉污染。 干扰线粒体中氧化磷酸化过程，损害肾小管而干扰对蛋白排出和再吸收，抑制维生素D的活化，还可引发贫血(阻碍铁的吸收和尿铁增加)。六价铬化合物毒性是三价铬的100倍，铬的毒性随化合物不同而异。六价铬和三价铬均有致癌作用，如铬化合物可导致肺癌，称为铬癌。三价铬有致畸胎作用，六价铬有较强的致突变作用。六价铬化合物容易被吸收，氧化性强，氧化生物大分子，使其受伤害，同时还原为三价铬过程中，对细胞有刺激性和腐蚀性。第12页/共22页镉生物地球化学循环的基本过程岩石沉积物CdSCmHnCdj(Cd,Zn)CO3,(Cd,Zn)S风化CdSCdCO3土壤吸收径流植物动物人排泄海洋沉淀或沉积开采燃烧释放转化Cd－SCH2CHCOOHNH2SCH2CHCOOHNH2CdO,CdCl2nH2OCdCl42－CdCl2nH2OCd(OH)2nH2O第13页/共22页镉生物地球化学循环的一般模式大气分室形态含Cd2+颗粒沉降扬尘沉降水体飞溅生物圈形态Cd2+,CdSR土壤浓度形态CdCO3,CdS,CdO,Cd2+岩石/土壤圈形态CdS,CdO,CdCO3,Cd2+沉积圈水圈淡水浓度形态Cd2+,CdCl,CdSO4,Cd(OH)+,CdCO3,CdSR,有机态镉海水浓度侵蚀，洪水形态(1)游离离子(Cd2+)；(2)颗粒态镉(CdS,CdSO4,CdCO3)；(3)胶态镉(CdSR和有机镉)；(4)可溶性镉络合物(OH,HS,Cl,Br)。(1)可溶态镉(2)可交换态镉；(3)可还原态镉；(4)碳酸盐态镉；(5)有机态镉；(6)硫化物镉；(7)残余态镉。第14页/共22页金属铜(Cu)、镍(Ni)发生、来源及性质毒性

(I)金属铜 研究主要关注金属铜对水生生物的影响，尤其是在酸敏感水体或软水中。在淡水和盐水中的生物有效性在很大程度上受水中溶解有机碳(DOC)含量的影响，金属铜趋向于与溶解腐殖酸和其它有机配体形成络合物。

(II)金属镍 镍的毒性强烈取决于其进入细胞后的形态，按急性毒性增加大体分为三类：

(1)水溶性盐类：NiCl2,NiSO4,Ni(NO3)2,Ni(CH3COO)2；

(2)颗粒态：Ni3S2,NiS2,Ni7S6,Ni(OH)2；

(3)脂溶性镍羰基：Ni(CO)4。第15页/共22页硒(Se)、磷(P)、氟(F)和砷(As)发生、来源及性质生理和生态行为毒性 我国著名的地方病“克山病”，也称“大骨节病”，与机体缺硒有关。适量补充硒还有一定的预防和抵抗癌症的功效。硒过量和不足也有危害。而磷主要与水体营养化状态有关(贫营养化、中营养化、富营养化)。元素氟与骨骼变形有关系，如过量氟导致氟骨症(骨骼硬化)。

砷毒作用机理主要是通过三价砷与巯基结合引发酶失活、五价砷引发氧化磷酸化解偶联、砷酸盐取代磷酸盐参入DNA分子，及其对毛细血管壁的毒性。砷与致畸变、致癌变和辅助致突变均有关系。第16页/共22页砷在生物圈内生物地球化学循环的定性模型输入工业源尘干湿沉降人类消费吸收废物吸收矿化作用含砷除草剂有机砷HAsO2H2AsO4HAsO2富氧层缺氧层淋失淋失H2AsO4HAsO2土壤生物甲基化作用局部循环输出(CH3)3AsO植物(CH3)3As+O2(CH3)3As(CH3)3AsHAs4O6(CH3)2AsO(OH)+O2H2AsO4

HAsO2

As2S3第17页/共22页砷的生物地球化学过程大气分室水分室土壤/沉积物分室氧化作用好氧厌氧细菌细菌甲基化还原细菌(CH3)2O(OH)AsO2(OH)2－AsO(OH)CH3AsO(OH)2甲基化(CH3)2AsO(OH)AsO2(OH)2(H2AsO4－)AsO(OH)(AsO2－)CH3AsO(OH)2(CH3)3As(CH3)2AsH还原FeAsO4As2S4,AsS2第18页/共22页元素不足或过量对哺乳动物的影响元素不足的影响过量的影响As脾脏肿大，头发生长不良胃病，惊厥，甲状腺肿Be无吸入引起肺癌Ca畸形骨骼，手足抽搐动脉粥样硬化，白内障，胆结石Cd减少生长？高血压？肾炎？Co贫血症心力衰竭，红细胞增多Cr角膜不透明，葡萄糖新陈代谢不良吸入引发肺癌Cu贫血症，头发卷曲或褪色黄疸，威尔逊氏病症F不良的骨骼和牙齿牙齿有斑点，骨骼硬化Fe贫血症青铜色扩尿病，铁尘肺Hg无脑炎，神经炎I甲状腺机能减退，甲状腺肿甲状腺机能亢进Mg惊厥麻木Mn骨骼变形，影响生殖腺，头发变红共济失调Mo降低黄嘌呤氯化酶活性生长受抑Na爱狄生病征(Addison’s)，痉挛Ni皮炎，肝脏变化皮炎，吸入引发肺癌Pb无贫血症，脑损伤，神经炎，肾癌Sb无心脏病Se不生育，肝脏坏死，肌肉失养症，白血球失效癌，指甲和头发变形Si骨骼不良和软骨生长肾结石，肺病Sn生长减弱V血性胆固醇降低生长减弱Zn侏儒病，生殖腺发育不全，皮炎贫血症第19页/共22页金属元素及其络合物的功能符号元素功能B硼植物生长必需F氟鼠的生长因素，人骨骼成长必需Na钠细胞外阳离子Mg镁酶的激活，叶绿素构成，骨骼成份Si硅骨骼和软骨成长初期必需P磷在ATP中，为生物合成与能量代谢必需S硫蛋白质组成，Fe－S蛋白Cl氯细胞外阴离子K钾细胞外阳离子Ca钙骨骼/牙齿主要成分，神经传递和肌肉收缩V钒鼠和绿藻生长因素，牙齿矿化Cr铬促进葡萄糖利用和胰岛素作用机制有关Mn锰酶的激活，光合作用水光解所必需Fe铁血红蛋白，细胞色素和铁硫蛋白组成Co钴红血球形成所必需维生素B12的成份Cu铜铜蛋白组分，铁吸收和利用Zn锌多种酶的活性中心，胰岛素成份Se硒与肝功能，肌肉代谢有关Mo钼黄素氯化酶，醛氧化酶，固氮氧化酶必需Sn锡鼠发育必需I碘甲状腺成份第