环境毒理学

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：⑴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；⑵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：⑴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。⑵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，pH7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-hνCH3·+HgSCH3HgSRhνCH3·+RS·+Hg(CH3)2Hghν2CH3+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+δ-氨基-γ-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Hg0.5ug/L排放Hg5ug/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