金属元素与人体健康_王玉光

金属元素与人体健康

王玉光

(内蒙古财经学院旅经系)

摘　要:随着人们健康意识逐渐增强,营养素与人体健康的关系越来越引起人们的关注。本文从金属元素的结构特点论述了金属元素与人体健康的关系。

关键词:金属;结构;健康

在已发现的化学元素中,金属元素约占80%。上个世纪60年代,一些化学家为了对金属作更深入的研究,将金属划分为A型、B型和过渡型三类。A型金属是指前三个短周期的金属,A型金属离子主要特征是离子不含d轨道电子,离子呈球型对称结构,所以极化力小,在人体中重要的常量元素钾、钠、钙、镁等均属于这一类。A型金属形成配合物的稳定性规律,基本上可以用静电作用模型加以解释,即这些金属离子配合物的稳定性与金属离子或配体所带电荷数的平方比金属离子或配体的半径大小有正相关关系。A型金属普遍特性是对配体中电负性较大的O、F的亲和性大于配体中S和其他卤素亲和性。A 型金属的水合物非常稳定,不易形成氨合物和氰化物。碳酸盐、磷酸盐、氢氧化物等化合物是二价A型金属重要的难溶物质,还可以与有机化合物中含氧官能团(如羰基、羧基)形成弱的配合物。

B型金属离子含有d轨道电子(d轨道电子处于充满状态),最外层的价电子有的全失、有的部分失去。B型金属与A型金属相比较有了d轨道的电子容易变形,所以极化力强,其典型的离子有一价的银离子、二价的锌离子、二价的铅离子和二价锡离子等。B型金属离子比A型金属离子更容易形成稳定的配合物,而且配位键起着重要作用,仅靠解释A型金属的静电模型是不够的,影响配合物的稳定性还与金属离子和配体中配位原子的电负性有关。一般金属离子电负性高而配体中配位原子电负性低,形成的配合物稳定性相对就高。如第二副族的锌、镉、汞随着原子序数的增加电负性逐渐增强,其配合物的稳定性一般也随着原子序数的增加而增强。还如卤素离子随着原子序数的增加电负性逐渐减弱,其配合物的稳定性一般在逐渐增强(卤化银的稳定性AgI大于Ag Br大于AgCl)。B型金属离子还有一个显著的特点,可直接与碳形成有机配合物,而且稳定性也较高,对人体健康构成了极大的威胁。

过渡金属离子的电子构型是介于A型金属离子和B型金属离子之间的一种状态,d轨道含有1至9个电子,过渡金属离子不仅有空轨道,而且各轨道的能量也比较接近,具备了形成配合物的基本条件。同时过渡金属离子的半径小、核电荷数较高,中心原子对配位体极化作用较强,使其比A型金属离子和B 型金属离子更易形成配合物。影响过渡金属离子配合物稳定性的因素也远比对A型金属离子和B型金属离子复杂的多。一般第一系列比第二系列更接近A型金属离子的性质,同一系列从左到右随着原子序数的增加性质更接近于B型金属离子。静电作用对过渡金属离子配合物的稳定性影响非常大,第一列过渡金属二价金属离子随着原子序数的增加原子半径递减,由此造成的强静电效应使过渡金属配合物的稳定性增加。

特别有趣的是,人体中各种金属的含量多少与这种金属在地壳表面的丰度相对一致。而且金属上述分类方法与金属对人体健康的影响方面也表现出某种规律性。A型金属K、Na、Ca、M g这四种金属元素在营养学被称为常量金属元素。(常量元素是指:以人体重0.01%为界计,小于的为微量元素,大于的为常量元素;如以需求标准计算,每人每日需求量在100毫克以下的当属微量元素,超过100毫克的为常量元素。)这四个金属元素是人体重要的必需营养素,在调节人体体液酸碱平衡;细胞内外渗透压的平衡;维持神经、肌肉的兴奋性;形成骨骼等硬组织,支撑身体,维持有力运动形式;肌肉的收缩;使血的凝固和酶活化发挥重要生理功能。再看金属微量元素,它们几乎都是过渡型金属,主要包括Fe、M n、Co、Cu、Zn、M o、V、Ni、Cr、Li等。过渡金属离子虽然它们在人体体内存在的量很低,每种金属微量元素的标准量不足人体总重量的万分之一,却在低浓度下具有非常重要生物学功能。它能影响人体免疫功能;胎儿的生长发育;还与癌症的发病率等有关。过渡金

30内蒙古石油化工 2009年第13期 收稿日期:2009-02-19

属离子与A型金属离子相比,不仅易于配位体中的O形成稳定的配合物,而且与配位体中的N、S也可形成很稳定的配合物。人体经过漫长的进化过程形成了一套维持这些金属微量元素的体内平衡机制,体内缺乏和过度摄入都会导致人体生理功能发生异常,缺乏会使人体生理功能出现障碍,严重时会导致疾病的发生甚至死亡;过量时,首先出现临界毒性,之后达到致死毒性。尤其体内微量元素过量比缺乏更难对付,缺乏时适量补充很容易恢复正常,而过量后清除起来往往非常困难。任何营养素都有一个最佳范围,基本原则是“少了不行,多了有害”。B型金属元素在营养学上认为是一些与正常人体生命活动无关的人体非必需金属元素,而其中二价汞离子、二价镉离子、二价铅离子等微小的量进入人体就会对身体健康产生严重毒害作用。发生在上个世纪中叶日本震惊世界的水俣病和骨痛病恶性中毒事件以及罗马帝国的灭亡的罪魁祸首就是这三种离子。其中“水俣病”就是由于甲基汞中毒引起的。汞及其化合物广泛应用于工农业生产,如:电镀、仪表、化工、制药、涂料、化妆品、另外有机汞拌种或在农作物生长期施用有机汞农药均可污染环境,进入人体的汞主要来源与受污染的食品。由工厂排出的工业废水、废气、废渣中含有一定量的无机汞离子,这些无机汞在环境中在有机物的作用下转化成有机汞(主要是甲基汞)。而且还发现,生活在汞含量在0.0001mg/L 水中的浮游生物体内汞的含量可达0.001-0. 002mg/L,并且随着食物链的级别而逐渐升高,生物体内汞的含量也呈现递增趋势,大型食肉动物体内汞含量竟高达水中的数万倍甚至更高。这种现象称之生物累积作用。这种存在形态的改变和生物累积作用是重金属对人体健康造成危害的两个重要特征。环境中的轻微污染,就可能对人类健康构成巨大危害。汞在胃肠道吸收与其汞存在形式有关。金属汞很少由肠道吸收,故其经口毒性较小。二价无机汞化合物在胃肠道中的吸收率为1.4%%—15.6%,平均为7.0%左右。吸收后经血液转运,约以相等的量分布于红细胞和血浆中,一般与血红蛋白血浆蛋白的巯基结合。二价无机汞化合物一般不易通过胎盘屏障,主要由尿和粪便排出。无机汞作用的靶器官主要是肝脏和肾脏及神经系统,严重中毒者神经系统遭到破坏。口腔炎和意向性震颤是汞中毒典型症状。长期与汞接触的人群有牙齿松动、脱落,呕吐、口水增多等症状,神经系统机能出现症状主要表现为手指、舌尖甚至眼连睑明显震颤、尤其以手的震颤最为厉害。早期为微小震颤,随着病情加重震颤越来越厉害。有机汞吸收较高,如甲基汞的吸收率为95%。因甲基汞脂溶性很高,通过脂肪易于扩散进入组织细胞中,也主要蓄积与人体的肝脏和肾脏,并且通过血脑屏障进入脑组织。大脑组织中的一些成分对甲基汞具有特殊的亲和力,其浓度是血液浓度3—6倍。汞的存在形式不同,其毒性也不同。无机汞一般主要引起急性中毒,有机汞多引起慢性中毒。有机汞在人体内的生物半衰期平均为70天左右,而在大脑内的半衰期为230天左右。甲基汞的毒性大多认为是其在机体内与含有巯基酶相结合,这些酶包括过氧化酶、葡萄糖脱氢酶、细胞色素氧化酶、琥珀酸氧化酶、琥珀酸脱氢酶等。它们与甲基汞结合后成为酶的抑制剂使酶失去活性,从而破坏了细胞新陈代谢的基本功能。慢性甲基汞中毒的病理损害主要为细胞变性、坏死周围神经髓鞘脱失。中毒表现起初为疲乏、无力、头晕、失眠,而后感觉异常,出现手指、足趾、舌和口唇等末稍处麻木,严重者出现共济失调、发抖、视力范围变小、听力丧失、精神紊乱,最严重者可因疯狂痉挛而导致死亡。“骨痛病”就是由二价镉对食品的污染引起的。镉对食品的污染主要是工业废水的排放造成的。含镉工业废水污染水体,在经水生生物的累积作用,使水产品中镉的含量显著增加。用含镉的污水灌溉农田亦可污染土壤,再经农作物吸收是食品中镉的残留量大大增高。用含镉金属的容器存放酸性食品或饮料时,导致大量的镉溶出,造成对食品的污染。日本某镉污染严重地区,稻米平均含量为1.41mg/kg,(而非污染区一般含量为0. 08mg/kg),贝类含量竟高达420mg/kg(而非污染区为0.05m g/kg)。食品被镉污染后,含镉量有很大的差别,海产品和动物食品(尤其是肾脏)高于植物性食品,一般植物性食品以谷类、根茎类含量较高。镉对人体健康的危害主要为镉进入人体以消化道吸收为主,吸收率为5%左右,低蛋白、低钙、低铁的膳食有利于镉的吸收,发现维生素D也可促进镉的吸收。吸收的镉经血液运至全身。血液中的镉一部分与红细胞结合,一部分与血浆蛋白结合。这些结合的镉主要分布在肝脏和肾脏,因此肝脏和肾脏是慢性镉中毒的靶器官。镉的半衰期为12年左右。镉对肾脏的危害作用主要在于有毒的镉的化合物蓄积在肾的表皮中导致输尿管排出蛋白尿。一般当肾表皮镉的含量达到200mmg/kg左右时,就会出现肾管机能失调。镉污染造成最严重的事件就是“骨痛病”。1955年日本富山县神通川流域一种奇怪的疾病,因为病人患病后全身非常疼痛难以忍受,整日喊痛不止,因此取名痛痛病(也称骨痛病)。经调查确定,位于该地区上游有一个开采铅锌矿,排放含镉的烟气和颗粒。多年来,来自这个工厂的镉被带到下游地区污染了土壤和水源,致使当地居民长期食用被镉污染的稻米和被镉污染的水源而引起镉慢性中毒。此病的

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