有毒的重金属环境污染 | Cell Press论文速递

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重金属环境污染日益严重，在世界范围内造成了不良影响，引起了学术界的高度关注。农业和金属工业的快速发展、废物处理不当、化肥和农药的使用……所有这些人类活动使无机物质污染了水、土壤和大气。本综述介绍了重金属污染物的环境进入途径和生命周期。有些金属会影响生物功能和生长，而另一些金属则会对一个或多个器官造成损害，导致癌症等严重疾病。在本文中，马耳他研究小组描述了金属在人体内的药代动力学和毒理学过程。这项研究题为“重金属及其影响”，发表在《细胞出版社》上。

介绍

环境是指人类、植物、动物和微生物生存或工作的空间，包括土地、大气和水。地球系统由四个圈组成：生物圈、大气圈、岩石圈和水圈。

一百年来，工业快速发展的同时，也以近乎残酷的速度扩大了对地球自然资源的开采，加剧了世界环境污染问题。无机离子、有机污染物、有机金属化合物、放射性同位素、气体污染物、纳米颗粒等多种污染物严重污染环境。本文主要讨论重金属污染。

“重金属”一词的定义一直不明确。最初重金属只是指它们的高原子量或密度，但现在“重金属”一词也用于描述对环境和人类有毒的金属化学元素和准金属。一些重金属是有毒的，例如一些类金属和较轻的金属，例如硒、砷和铝；其他重金属通常无毒。考虑到原子量高（大于5g/cm3）和日常生活中常见的两个条件，常见的重金属包括：钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、钼、镉、铂、金、汞、铅。本综述旨在阐明环境中这些重金属的产生途径、药代动力学机制以及对人类的毒理学影响。

重金属污染源

这些重金属自地壳形成以来就天然存在于地壳中。重金属使用量的激增导致陆地和水生环境中金属物质的增加。毫无疑问，人类活动是污染的主要原因。采矿、冶炼、铸造等金属工业是主要污染源。垃圾填埋场、垃圾场、排泄物、牲畜和鸡粪、径流、汽车和道路都是浸出金属的来源。农业领域重金属的利用一直是重金属污染的重灾区。污染源包括农药、杀虫剂、化肥等。在此基础上，火山活动、金属腐蚀、土壤和水中金属蒸发、沉积物再悬浮、水土流失、地质风化等自然原因也会加剧重金属污染。

重金属的性质

准金属倾向于形成共价键，导致它们表现出毒理学特性。这一性质最重要的意义是它们可以与有机基团共价结合形成亲脂性离子和化合物。当它们与细胞大分子的非金属元素结合时，会产生毒性作用。通过变得亲脂，类金属在生物圈中的分布及其毒性作用与相同元素的简单离子形式的分布及其毒性作用不同。例如，三丁基氧化锡和甲基化形式的砷具有剧毒。与非金属元素结合的重金属的例子是与蛋白质的巯基结合的铅和汞。重金属可以通过四种方式进入人体——摄入受污染的食物、吸入受污染的空气、饮用受污染的水以及农业、制药、制造业、住宅和工业区等专门领域的皮肤接触。

金属不会分解或生物降解。但生物体可以解毒金属离子，将其活性元素隐藏在蛋白质中，或以不溶性形式沉积在细胞内颗粒中，然后从粪便中排出或长期储存在体内。重金属一旦进入我们的身体，就会在我们的系统中积聚。这种生物累积可能导致一系列相关症状。有些重金属是生命所必需的，称为必需元素，参与多种生化和生理功能。然而，过量的必需元素可能有毒。必需的重金属元素广泛应用于农业、工业、医药等部门，并由此进入环境。

人体必需的重金属元素主要分为三类——人体所需的常量元素、大量矿物质和微量元素。大多数生物物质的组成需要四种重要的主要元素——氢、碳、氮和氧。除此之外，还有其他七种主要元素，称为常量矿物质，其作用是维持结构化合物、氨基酸和核酸的离子平衡。这些元素包括钠、镁、磷、硫、氯、钾和钙。微量元素包括硅、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、钼、碘13种元素。必需元素对于维持骨骼结构形成、调节酸碱平衡和维持胶体系统非常重要。它们也是关键酶、结构蛋白和激素的重要组成部分：锌是许多酶的组成部分；铁对于血红蛋白的形成很重要；硒是谷胱甘肽过氧化物酶所必需的。非必需金属在体内不起任何关键作用，但它们可能有毒并影响体内必需元素的水平。下图显示了重金属的污染途径。

金属毒性会形成自由基，导致 DNA 损伤、巯基稳态改变和脂质过氧化。金属介导的钙稳态因膜损伤而改变，进而激活各种钙依赖性系统，包括核酸内切酶。与自由基形成相关的研究主要集中在铁、铜、镍、铬和镉。后三种金属被认为具有致癌性。铁、铜、钒、铬和钴都遵循超氧化物和羟基自由基的芬顿反应。

金属介导的自由基引起 DNA 碱基变化的突变，揭示了致癌和氧化损伤之间的联系。自由基的形成可以引起各种DNA碱基变化，其中大多数是促突变的。已知金属镉、镍和砷会抑制 DNA 修复机制。抗氧化剂通常可以抵抗铁的毒性，其主要途径包括三种：（1）防止分子氧、过氧化物反应和亚铁离子的螯合； (2)保持铁的螯合和氧化还原状态，使铁无法还原分子氧； (3)捕获形成的自由基。巯基化合物，包括谷胱甘肽，被认为是最有效的抗氧化剂。它们可以捕获自由基，维持细胞的氧化还原状态并减少过氧化物，从而保护细胞。自由基和其他活性物质的富集形成也可用于确定金属诱导的毒性和致癌性。

污染物进入途径、影响和生态系统迁移

污染物可能以各种方式进入生态系统并出现在水圈、岩石圈和大气中。诚然，污染物可以通过火山活动、岩石风化等自然方式进入生态系统，但人类活动才是污染物进入生态系统的最大原因。有些是偶然的，例如海难、漏油、采矿和火灾；其他则是有意的，例如农药的应用以及工业废水和污水的处理。重金属或任何其他污染物的移动取决于温度、地表水的移动和方向、气团的循环和风速。除此之外，分配系数、极性、蒸气压和分子稳定性等其他因素也会影响污染物的分布和运动。

1.土壤污染

土壤污染可能是有意或无意发生的。废水灌溉、杀虫剂、动物粪便、化肥、含铅涂料、矿石废物（尾矿）、污水污泥、石油馏分泄漏、燃煤残渣、废物倾倒等活动都会污染土壤。农田使用未经处理的污水和废水会导致大量重金属在农作物中积累，随后被人类摄入。将污水和污水带入土地的山洪爆发以及涉及有毒化学品的车辆事故等事故也可能造成污染。重金属不可降解，因此会长期保留在土壤中。

重金属已经进入食物链，对生态系统造成破坏。重金属还会影响有机污染物的生物降解性，使其更难降解，从而对环境造成二次污染。土壤中的金属对所有生物圈都构成重大风险。它们可直接被植物吸收，危害食物链，改变pH值、颜色、孔隙度等指标，影响土壤质量，污染水源。

2、水污染

水污染的罪魁祸首有两个——城市化和工业化。来自村庄、城镇、城市和工业的径流将污染物输送到水体中并在沉积物中积累。只要微量金属元素进入水体，就可能对人类和生态系统造成极大的毒性。重金属的毒性取决于许多因素，例如金属的类型、金属的性质、金属的生物作用、金属接触的生物体以及生物体的生命周期。如果一种生物受到影响，就会影响整个食物链，影响整个身体。这将对人类产生更大的影响，因为他们通常是食物链的最后一环。随着食物链中重金属浓度的增加，更多的重金属会在我们的体内积累。

未经处理的污水含有高浓度的重金属，这些重金属在污水处理过程中没有被降解。它们在最终废水或污泥中被去除。进入水中的污水的性质和污染物取决于污水处理的质量。已经制定了多项控制措施并制定了严格的法规，以及减少水中污染物含量的创新技术。

水中的污染物可以以不同的形式存在，例如地表水、溶液或悬浮物形式。它们可以在水中长距离移动，之后颗粒物可以落到底部；液滴可以落入沉积物或上升到表面。污染物在河流中移动的距离取决于污染物的流速、稳定性和物理状态。在海洋中，风和洋流也会将污染物输送到更远的地方。重金属等持久性污染物可以通过鱼类等海洋生物进入食物链，从而影响大型鱼类、鸟类和哺乳动物（包括人类）等捕食者，然后它们将污染物输送到不同的生态系统中。中间。

3、空气污染

除了造成水污染外，城市化和工业化还造成空气污染。污染物以不同的形式进入大气。它们可以是颗粒、液滴或气体的形式，或者与颗粒或液滴组合。虽然较小尺寸的颗粒可以传播更长的距离，但颗粒和液滴不会传播很长的距离，通常在短距离后落到地面。

自然和人类活动会产生颗粒物，特别是细颗粒和灰尘。自然活动通过沙尘暴、火山活动、土壤侵蚀和岩石风化产生颗粒物。人类活动通过工业活动、化石燃料燃烧、汽车尾气、冶炼等产生颗粒物。颗粒物会导致严重的健康问题，还会导致基础设施恶化、酸雨形成和腐蚀。下雨时落入水中的颗粒物也会导致水体富营养化并导致雾霾。

烟囱是空气污染的主要来源之一。烟囱高度和天气决定污染物的传播距离。烟囱越高，污染物传播的距离就越远。气候越温暖，风就越强，污染物传播的距离就越远。在寒冷多雾的天气里，污染物的传播距离很短。

内燃机和喷气发动机也是空气污染的两个来源。除了改进发动机之外，催化转化器和无铅汽油还有助于减少车辆污染。除此之外，农药的使用也是污染物的另一个来源。冰箱、气溶胶和放射性污染也会造成空气污染。

根据大气温度随高度分布的特点，大气可分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层。对流层和平流层对于污染物的输送至关重要。对流层是最靠近地球的层，平流层在其上方，臭氧层在顶部。对流层内存在强烈的垂直混合，空气环流模式一致，污染物可在短时间内输送。平流层中几乎没有垂直混合。空气污染物进入空气循环时可以传播很远的距离，造成全球影响。可溶性颗粒可以与雨水发生反应，进入水中，然后落到陆地上。

生态系统中重金属的循环

大量重金属的积累会导致重金属毒性增加。在一些地区，烟囱建得非常高，这样烟囱就不会集中在一处，从而稀释了金属排放。生物体上的潜在毒素还包括阻止细胞质中发生基本生化反应的不溶性沉积物。

金属不可生物降解，并且会长期存在于环境中。它们还可以与土壤或沉积物中的其他元素发生反应，这种反应会使它们的毒性更大。例子包括无机汞，它可以形成有毒的甲基汞，以及水、沉积物和土壤中细菌的活动。

人为活动可能导致污染场地中的金属浓度极高，例如废弃的矿场或以前使用过的含金属农药。在这些地区，植被稀疏，仅生长抗金属菌株。有时在这些地区会进行封顶，即在受污染的土地上放置一层不渗透层，并在上面放置新的土壤。封盖可防止植被吸收任何金属，并防止重金属随沉水进入地下水。

农民有时会使用污水污泥并将其混合到土壤中。这些农田的土壤中也发现了高浓度的重金属元素，常见的有铜、锌、铅、镉、铬等。金属冶炼会通过空气污染造成局部污染，并最终沉积在土壤中。受铅污染的汽油、铅猎枪子弹和铅捕鱼都会导致我们环境中的铅污染。霰弹枪弹丸被鸟类吸收，然后通过食物链传播，从而在湿地中发现了铅。如果粘土含量、有机质和 pH 值较高，金属会与土壤结合得更多。

大多数河流都受到污染，特别是那些流经工矿区附近的河流。这些河流流入海洋，大部分都沉入海洋。金属的溶解度主要取决于水的pH值。含有重金属的河水流入海洋会增加海洋酸度并降低金属的溶解度，导致金属沉淀回河床。

重金属专着

本节详细介绍了重金属，包括铝、钒、铬、锰、钴、镍、铜、锌、砷、硒、钼、银、镉、汞和铅。国际癌症研究机构 (IARC) 根据重金属的致癌性将其分为四类。

所有类型的金属过量都会导致疾病。必需金属对人体至关重要，但它们的过量和缺乏都会对人体产生不利影响。金属缺乏通常是由腹泻引起的吸收不良引起的。金属摄入量、吸收率、组织分布、浓度和排泄率等因素都会影响金属过量及其毒性作用。其毒性机制包括抑制酶活性、蛋白质合成、改变核酸功能和改变细胞膜通透性。

有毒和致癌金属可以与核蛋白和DNA相互作用，加剧生物大分子的氧化。一些金属（铜、铁、镉、铬、镍、汞、钒）可产生活性自由基，导致 DNA 损伤、脂质过氧化和蛋白质巯基消耗。反应性自由基包括各种自由基（氧自由基、硫自由基、碳自由基），这些自由基来自超氧化物自由基、脂质过氧化物和过氧化氢，以及与有毒金属和肽螯合物络合的氨基酸和蛋白质。金属毒性不良反应包括神经毒性、肝毒性和肾毒性。

（各金属详细药代动力学和毒理过程请参考原文）

讨论

大气、土壤和水体中的重金属污染主要是人类活动造成的。许多重金属是我们日常饮食中必需的，但含量很少。过量摄入重金属可能会引起不可逆转的症状，严重时甚至可能危及生命。在产生重金属的行业工作的工人应格外注意佩戴防护用品，以减少每天因职业接触而摄入的重金属。由于重金属中毒的许多症状与其他神经系统疾病相似，因此在诊断和治疗时应注意鉴别诊断。

要消除重金属对人体的危害，最重要的是从源头入手，从源头上阻止重金属进入人体。植物修复和间作是吸收和去除土壤、沉积物和水中重金属的好方法。超富集植物 ( ) 可以在土壤中生长以去除重金属。这些类型的植物有选择性地吸收传输污染物的根系并进行生物累积，在植物完全降解重金属时将其去除。

植物固定 ( ) 和植物提取 ( ) 发生在无机化合物中。植物提取是将重金属从根部转移到树枝的过程。植物固定仅指植物中涉及去除重金属的那些方面。有机化合物通过植物降解、根瘤菌过滤和根瘤菌降解过程被去除。

间作方法涉及同时种植两种不同类型的植物。与间作结合使用时，植物修复效果也会得到改善，这比使用螯合剂更环保。间作应选择适宜的品种。间作被认为可以增加田地的多样性和稳定性，在减少化肥使用的同时，这种方法还可以减少杂草和病虫害。间作有三种类型：

混合间作——不同作物同时收获；

行间种植——不同作物交替种植；

接续种植 - 当其他物种达到繁殖阶段时播种第二批作物。

有机农业可以被认为是减少重金属进入体内的另一种方法。不使用杀虫剂，水必须经过净化处理，污染物含量极低。生物多样性用于消除昆虫，同时增加野生动植物群。

重金属也可以从水中去除，影响其效果的因素包括温度、pH、离子强度和天然有机物。副产品和农业废物最能去除重金属，例如牛粪以及大米和花生加工后留下的废物。矿藏和天然土壤去除重金属的效果最差。

重金属一旦进入体内，就会与一些食物发生螯合。香菜、野生蓝莓、大蒜、柠檬水、小球藻、螺旋藻、咖喱、绿茶、大西洋红豆杉、大麦草、西红柿和益生菌有助于逐渐清除体内的金属。

综上所述

人类通过多种方式使世界陷入重金属污染之中，对人类健康造成了不可忽视的危害。我们应该更好地了解重金属、它们的危害以及如何处理它们。只有知己知彼，才能消除重金属污染。