第二篇不同環境因素的毒性第七章主要環境污染物的毒理學第一節重金屬的毒理學一、概述金屬：元素周期表中從硼（B）砹（At）連接線左側除氫之外所有元素的總稱。一、重金屬比重>4.0:60種元素比重>5.0:45種元素環境科學中所研究的重金屬，主要是指汞、銅、鎘、鉛、鋅、鉻等元素，還有銀、錫、鈷、鎳、硒等。砷、硒的毒性和某些性質與重金屬相似，歸入重金屬。

二、重金屬的主要污染源為：1）施用農藥（含Pb、Hg、Cd、As）2）采礦、冶煉3）使用重金屬的工業生產過程4）煤、石油燃燒排放出Pb、Ni等廢氣。總之，工業“三廢”的排放、城市垃圾、污泥和含重金屬的農藥、化肥等。土壤重金屬污染的主要來源

來源

污染物礦產開采、冶煉、加工排放的廢氣、廢水、廢渣 Cr、Hg、、As、Pb、Ni、Mo煤和石油燃燒過程中排放的飄塵 Cr、Hg、As、Pb

等電鍍工業廢水 Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、Zn等塑料、電池、電子工業排放的廢水 Hg、Cd、Pb、Ni、Zn燃料、化工制革工業排放的廢水 Cr、Cd汽車尾氣 Pb農藥、化肥 As、Cu、Cd重金屬污染的土壤，涉及的元素主要有汞、鎘、鉻、鉛、銅、砷、氟等。海洋重金屬污染的來源、途徑和污染危害趨勢Ag100.071012.3河流Ⅱ(L)As390.73785傾廢Ⅲ(L)Cd17101.162河流、大氣Ⅲ(L)Co220.7153.7河流I(L)Cr28002024022河流I(L)Cu600025025022傾廢、河流、大氣Ⅱ(L)Hg103.23.526河流、大氣Ⅳ(R)Ni660300170246河流I(L)Pb30003001500.4大氣、河流Ⅳ(W)Se10.5784大氣Ⅱ(L)V121231256大氣I(W)元素世界產量103t/y大氣輸入103t/y河流輸入103t/y殘留時間a103y污染途徑污污危害趨勢bZn5300670060018.5傾廢、河流、大氣Ⅱ(L)三、環境中金屬的遷移與轉化1、金屬主要通過水在環境中遷移轉運；2、金屬也通過食物鏈（網）進行轉移。可從食物鏈的一級轉到另一級，在此轉運過程中還有逐級濃集放大的作用。金屬濃集放大的倍數取決于金屬、生物與環境。生物富集系數（f）生物富集系數（f）如：f=生物體內毒物殘留濃度/海水中毒物的濃度重金屬對人的危害必需營養元素：K,Na,Ca,Mg,Cu,Zn,Fe,Mn,V,Ni,Mo,Cr,Co污染元素：Hg,Cd,Pb,As,Cr環境元素豐度控制生物體內原始豐度；健康狀態下，生物體內元素豐度保持嚴格的穩態；環境元素與生物體內元素保持動態平衡，平衡失調，則出現健康損害四、金屬的體內代謝（一）吸收主要---經過消化道吸收其次---經過呼吸道吸收少量---經過皮膚吸收1、經消化道吸收（1）離子狀態金屬元素（溶解狀態）直接被吸收（2）金屬元素+食物有機物復合物消化成可溶性物質a、被動轉運、易化吸收擴散、主動轉運

b、微胞飲（3）不可溶解金屬鹽類巨噬細胞吞噬腸絨毛2、影響消化道吸收金屬鹽的因素（1）元素的化學形式：脂溶性強的元素有機化合物（易）水溶性強的元素無機鹽（易）含氧酸元素如Po43-、So42-、Vo43-、Aso3-、Tco42-、Ge44-等陰離子(易)單價堿性鹽類如鈉、鉀、銨鹽（易）多價堿性鹽類（很慢）形成沉淀的鹽如磷酸鹽、硫酸鹽、草酸鹽等（很難）（2）元素的種類：a.消化道對不同金屬鹽類的吸收率相差很大；b.不同金屬元素在消化道的吸收部位不同；c.不同元素在胃腸內的吸收方式有差異。（3）胃腸道內的pH：金屬元素在酸性環境中呈離子狀態，如鐵、鋅、銅、錳、鉻等在酸性環境中均可形成可溶性氯化物，再在胃內與氨基酸等結合形成復合物進入小腸被吸收。（4）腸道微生物與腸道粘膜競爭金屬元素：有的微生物分泌特殊的螯合劑與鐵形成易被微生物吸收的鐵螯合劑（鐵色素），使粘膜細胞難以吸收利用。（5）年齡的影響：嬰幼兒對環境種金屬污染較敏感，乳兒期腸粘膜未成熟，胞飲作用大于成人，因而對Pb、Cd、Fe、Co等的吸收率高。（6）膳食成分食物中的磷酸鹽、植酸鹽、纖維素等影響金屬元素的吸收。植酸鹽能抑制腸道對鉻的吸收，而草酸鹽能增加鉻的轉運；食物鈣鎂含量高時可與植酸鹽形成植酸鈣或植酸鎂，在小腸堿性環境中可與鋅形成難溶的復鹽，阻礙鋅吸收。微生物C和檸檬酸可促進鐵吸收，乳類、蛋類和植物性蛋白可抑制鐵的吸收。（7）金屬間的競爭性抑制作用：當兩種或更多種金屬元素可與消化道粘膜細胞上的同一受體部位結合時，且這些元素同時存在時，可發生競爭性結合，某種元素過多可干擾另一種元素的吸收。過量鐵抑制鋅吸收；鋅過多抑制鐵吸收；鋅抑制銅吸收；鎘、汞、銀、鉬干擾銅的吸收；食物中含銅、鎘、汞、鋅、砷、銀過多干擾硒吸收和生物學效應；銅、鈷、錳等增加鐵的吸收。3、經呼吸道吸收大氣中懸浮的顆粒物和氣體中的金屬元素可通過呼吸道進入機體。進入呼吸道越深、接觸面積越大、停留時間愈長、吸收愈多。金屬顆粒物的吸收與其在呼吸道不同部位的沉著、纖毛清除和肺泡廓清活動有關。較大粒徑顆粒物沉著在呼吸道可經粘液纖毛清除而隨痰排出；粒徑大于10μm可進入上呼吸道、氣管、支氣管；3~10μm可進入細支氣管；0.5~3μm可到達肺泡；小于0.5μm，由于不易沉著而保持懸浮狀態易被呼出。肺泡內的顆粒大部分經吞噬細胞吞噬進入淋巴系統或存留于附近淋巴結內，或隨血液運行。可溶解的被吸收入血。影響呼吸道吸收的因素：金屬元素的種類金屬顆粒物的大小金屬化合物的溶解物呼吸的深度、速率血液循環速度肺泡內的二氧化碳（Co2可增加某些金屬化合物的溶解度）外界環境的氣溫、濕度、有無溶劑等4、經皮膚吸收經過皮膚吸收主要是通過表皮吸收其次是毛囊、皮脂腺及汗腺吸收。脂溶性的金屬及其化合物，如四乙基鉛、有機汞化合物、有機錫化合物等可通過皮膚進入體內。脂/水分配系數較大的金屬化合物可簡單擴散通過皮膚屏障；一些水溶性的金屬化合物可通過毛囊、皮脂腺和汗腺進入血液。影響皮膚吸收的因素脂溶性強的金屬化合物易通過皮膚，透過毛細血管進入血液的擴散速度取決于水溶性，脂/水分配系數接近1的化合物最易被皮膚吸收；未電離的分子比離子態易吸收；皮膚角質層的厚度、接觸面積、完整性等皮膚接觸有機溶劑時金屬元素也易通過周圍環境溫度在20~25℃，每升高10℃，皮膚穿透性增加1~2倍；濕度上升，穿透力也隨之增大。（二）轉運進入血液的金屬元素，可以游離狀態存在；可與血中氨基酸、白蛋白等結合；吸附在紅細胞膜上并可進入紅細胞內；與特異轉運蛋白結合而運輸。金屬轉運速度：血漿中游離的金屬離子﹥與血漿成分結合的金屬離子﹥與血球結合的金屬元素金屬與血漿成分結合方式分：（1）與血漿中低分子成分結合，是金屬轉運、分布和排泄的重要形式；（2）與血漿蛋白（主要是白蛋白）松散結合，易分離；（3）與特殊金屬蛋白或轉運載體蛋白形成牢固的結合，只有靠絡合劑或比該金屬結合力更大的金屬才能將其分離。在某些情況下這種結合主要起金屬轉運作用。（三）分布不同器官對不同金屬的選擇性明顯不同；元素的分布主要取決于器官的血流量，血流供應越豐富，元素分布越多；隨后元素發生再分布，主要受與器官親和力大小的影響。金屬元素的分布與金屬的浸入途徑、溶解度、化學形式、代謝特點、毒性性質及器官特點等有關。例：經過肺吸入的水蒸氣，主要隨血流分布在腦組織，引起腦損傷；水溶性的汞離子，很難通過血腦屏障，進入腦組織很少；脂溶性較強的烷基汞，可通過血腦屏障進入腦組織。（四）排泄主要（大量）：通過消化道和膽道—糞便形式經腎——尿液經肺—呼吸其次（少量）：上皮和粘膜細胞脫落、淚、汗、唾液、乳汁、月經等。再次（微量）：毛發和指甲一種金屬可由幾種途徑排泄；同有一種金屬的排泄途徑也可因劑量和代謝轉化而變化。如：攝入低劑量放射性鉻酸鹽時可從尿和糞中排泄，攝入高劑量穩定性鉻酸鹽時幾乎全部經糞排出；汞在吸收之初，主要由糞排除，后來主要由尿排除；口服的無機鉛主要由糞排出，口服的四乙基鉛主要由尿排出；大部分金屬陽離子由口攝入時，因腸道不易吸收主要從糞排出。1、經腎由尿排泄一般吸收入血液的各種小分子金屬元素大多數從尿排出，排出的量相差很大。2、經消化道排泄（1）膽汁排泄大分子金屬元素一般經膽汁排泄；金屬不溶性膠體化合物被轉運至網狀內皮系統（以肝臟為主）后，也主要經膽汁排泄。脂溶性較強的較小金屬絡合物分子，容易進入腸肝循環。（2）胰液排泄（3）消化道上皮細胞的脫落3、經呼吸道排出金屬在體內代謝轉化為揮發性化合物時，可從呼吸道隨呼氣排出。如硒、砷、碲等可在體內轉化成揮發性二甲基硒、三甲基胂、二甲基碲從呼吸道排出。4、其他途徑出汗（五）體內蓄積當金屬的吸收量大于排出體外的量時，金屬可在體內蓄積起來。金屬的蓄積作用可使金屬形成惰性復合物儲存于組織內，不表現毒性作用。但在一頂的生理條件下，儲存的金屬可釋放入血引起毒效應。如鉛可以難溶的磷酸鹽沉積在骨骼內，但在一定生理條件改變時可從骨中釋放出來引起機體中毒。五、金屬的聯合作用相互作用方式：1、獨立作用2、相加作用3、協同作用4、拮抗作用相互作用機理：（1）發生化學反應，相互作用形成不溶性鹽或相對穩定的絡合物（復合物）或水溶性化合物；（2）競爭生物膜上的載體蛋白，從而影響彼此的吸收和轉運；（3）代謝系統競爭酶的活性中心，以一種金屬代替另一種金屬，使酶活性降低甚至喪失，從而影響細胞生理功能；（4）誘導合成金屬巰蛋白或置換金屬蛋白中的金屬成分。金屬間拮抗作用機制：（1）影響吸收和轉運，或在腸道內發生化學反應形成難溶物，使其不能吸收；或通過競爭生物膜上的載體蛋白，抑制該種金屬的生物轉運，影響進入靶細胞和靶分子；（2）相互置換和競爭大分子活性位點，多同型置換；（3）誘導金屬巰蛋白，將有毒元素沉積于非作用部位。如Cd誘導的金屬巰蛋白可與Hg結合形成難溶性絡合物而蓄積于非作用部位。一些非必需的金屬元素取代人體必需元素引起機體損傷。由于金屬元素之間存在復雜的拮抗和協同關系，所以在評定環境金屬污染對健康的影響時，除了考慮各種金屬的單獨作用外，尚應考慮不同金屬之間的相互影響。（六）金屬對健康的危害1、慢性中毒2、致癌作用3、致畸作用4、變態反應5、對免疫功能的影響重金屬對植物的危害大氣沉降土壤動物糧食作物土壤微生物家禽家畜蔬菜污泥垃圾肥料灌水其他土壤人農田系統中重金屬的生態循環CouldwaterinterceptionPrecipitationDryDepositionParticulates-GasesINPUTSForestFloorMineralSoilFLUXESLitterfallStemflowParentMaterialDecopositionRootUptakeRootDiebackWeatheringOUTPUTSResuspensionofmetalsfromfires,dust…ThroughfallErosiontoStreamsRunoffOutputtoStreams重金屬的生物有效性：一般是指環境中重金屬元素在生物體內的吸收、積累或毒性程度。生物有效性影響因素1、土壤中的重金屬總量2、土壤溶液的pH3、土壤的有機質含量4、化學試劑的影響5、元素之間的相互作用6、粘土含量7、植物種類8、農業活動9、污染時間重金屬毒害的外觀癥狀及危害癥狀：根系發育異常，地上部青枯，葉片失綠等，嚴重時全株死亡重金屬可完全抑制土壤中的共生固氮過程對土壤中酶活性產生影響在土壤—植物系統中的遷移直接影響到植物的生理生化和生長發育，從而影響作物的產量和質量重金屬對植物生物膜傷害重金屬是脂質過氧化的誘導劑,當重金屬處理植物時,細胞內自由基的產生和清除之間的平衡受到破壞,導致大量的活性氧自由基產生,自由基引發膜中不飽和脂肪酸產生過氧化反