主要污染物的环境毒理学效应

(一)重金属

随着工农业的快速发展，重金属污染物的排放使环境恶化日趋严重，已直接或间接地对生物和生态系统造成威胁。常见的重金属主要有汞、镉、铬、铅、钒、钴、钡等，其中汞、镉、铅危害较大。砷是一种类金属，因与重金属具有很多相似性，所以经常与重金属一起讨论。重金属在自然界中很难消失，但可以通过生物的富集作用和食物链传递的生物放大作用，在生物体内积累，从而危害人类健康。当重金属进入人体后，会抑制酶的合成和改变酶的活性，破坏人体内酶的正常活动。这类物质除了直接作用于人体引起疾病外，某些重金属还可能促进慢性疾病的发生。重金属与生物成分的相互作用，即和大分子物质的作用可能是大多数重金属产生毒性效应的主要原因。一般来说，进入有机体的重金属，几乎不是以离子的形式存在，而是与生物成分反应，形成金属络合物或金属螯合物。

重金属在环境中的浓度、分布、变迁、侵入方式、接触时间等作用条件的不同，其对生态系统和人类健康的影响也不同。如水环境中的汞，被生物吸收后可在体内发生甲基化作用，无机汞转化为毒性较高的甲基汞。三价砷可在生物体内转化为毒性较低的甲基胂酸和二甲基胂酸。当这些物质在生物体内累积超过阈值浓度时，它们将扰乱或破坏生物的正常生理功能。铬以多种价态广泛存在于自然界中，对人体的毒性与其价态有关。三价铬是人体必需的微量元素;六价铬容易进入细胞内后被还原为三价，同时产生五价铬中间体及多种氧自由基，故具有很强的毒性。单一化学物质对不同生物毒性作用不同，但长期存在于环境中的药物的复合作用是潜在的、危险的。

1．汞

汞是一种具有严重生理毒性的环境污染物。在自然界中，广泛分布于地壳表层的大部分汞与硫结合成硫化汞。汞的有机化合物——甲基汞具有严重的神经毒性，由甲基汞中毒所致的水俣病曾造成人类的灾害。甲基汞具有脂溶性和较长的半衰期。因此，水体中的甲基汞在水生生物体内具有极高的生物富集系数，并且能通过食物链传递而危害人类健康。汞的甲基化是水体污染危害的主要致毒机制。汞作为具有高度挥发性的污染物，能在全球范围内进行循环。土壤中的汞可挥发进入大气或直接被植物吸附，地表水中的部分汞也可以通过挥发作用进入大气。汞在大气中存在的时间较长，为0．7～1年。由于自然界蒸发冷凝作用，汞能通过大气干湿沉降返回地表或水体，而且能从低、中纬度向高纬度迁移。

汞及其化合物可通过呼吸道、消化道及皮肤等途径进入机体，在生物体内分布的递减次序为:肾＞肝＞血液＞脑＞末梢神经。汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛等。总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中只有15%被脑吸收，但首先受损的是脑组织，并且难以治疗，严重者甚至死亡。

以不同形式存在的汞，其毒性差异较大。金属汞通过食物和饮水进入人体后，一般不会引起中毒，因为金属汞通过消化道吸收的数量甚微。而侵入呼吸道的金属汞，能完全被肺泡吸收，并经血液运送至全身。无机汞中，氯化汞为剧毒物质;有机汞中，苯基汞的分解较快，毒性较弱，而以甲基汞和乙基汞为代表的烷基汞的毒性最大。当在体重为70kg的人体内，甲基汞蓄积量达到30mg时，出现感觉障碍;蓄积量达到100mg时，出现水俣病典型症状。

当人吃食了含有大量甲基汞的食物后，会发生甲基汞中毒，造成中枢神经病患。甲基汞具有脂溶性、原形蓄积和高神经毒性3个特性。甲基汞多数经过消化道进入人体或动物体内，在胃酸作用下，产生氯化甲基汞，经肠道吸收的甲基汞几乎全部进入血液，很快同红血球中的血红素分子里的巯基结合，形成非常稳定的巯基甲基汞，随血液运送到各器官。甲基汞通过血脑屏障，进入脑细胞，也能透过胎盘，进入胎儿脑中。因脑细胞富含类脂质，因此脂溶性的甲基汞与之有很高的亲和力而蓄积在脑细胞内。对于成年人，甲基汞主要侵害大脑皮层的运动区、感觉区、视觉区和听觉区，同时也侵害小脑;至于胎儿，则是全脑普遍受到侵害。

甲基汞分子结构中的C—Hg键结合得很牢固，不易被破坏，因而在细胞中为原形蓄积，随着时间的延长，损害日益严重。具体表现为手、足、唇麻木和刺痛，言语失常，视野同心性缩小，听觉失灵，震颤和情绪失常，这类损害的表现具有进行性和不可恢复性。

2．镉

在正常体内代谢中，镉不是一种必需的微量元素。镉可经消化道、呼吸道及皮肤吸收。人体消化道对镉的吸收率为1%～6%，呼吸道对镉的吸收率为10%～40%。由此可知，人体对空气源的镉污染比饮食源镉污染更为敏感。一般正常人每日从饮水摄入镉0～20μg，呼吸道吸入0～1．5μg。吸烟时吸入镉的量相当大，烟草能蓄积大量的镉，每支卷烟含镉1～2μg，吸烟时约10%的镉被吸收，可使肾和其他脏器镉含量明显增加。镉进入机体后，主要与含巯基的低分子质量(约10000)的血浆蛋白相结合，形成金属硫蛋白，随血流分布到全身的各个器官。首先选择性地储存于肝和肾，其次为脾、胰腺、甲状腺、肾上腺和睾丸，而脑、心、肠、骨骼和肌肉则无镉的存留或存量甚微。

消化道对镉的吸收率与镉化合物的种类、摄入量、共存的营养物质和化学物质等有关。高钙饮食后，镉在肠道的吸收率低;钙、铁、蛋白质摄入量低时，镉吸收明显增加;锌与镉化学性质非常相似，对镉的吸收可产生竞争抑制作用;维生素D也可影响镉的吸收。

蓄积性是镉对有机体作用的重要特征。镉进入有机体后，主要在肾、肝和脾中蓄积。当高浓度吸收镉时，临界器官是肺，主要症状是肺水肿。长期低浓度摄入镉时，临界器官是肾和肺，主要症状是肾功能损害，特别是小分子蛋白尿与肺气肿。人长期摄入受镉污染的饮水及食物，可使镉在体内蓄积并导致慢性中毒。日本著名的骨痛病(又称痛痛病)，就是慢性镉中毒的典型事例。据当时的调查结果显示，日本发病区的大米平均含镉0．5～0．8mg/kg，若当地居民以每日消费大米300g计，则每日通过大米而摄入的镉就可达150～240μg。镉引起骨痛病的机理可能是由于镉对肾功能的损害使肾中微生物D3的合成受到抑制，影响人体对钙的吸收和成骨作用。同时，镉使骨胶原肽链上的羟脯氨酸不能氧化产生醛基，妨碍骨胶原的固化与成熟，从而导致骨骼软化。镉对鱼类和其他水生生物都有强烈的毒性作用。

镉还对胚胎生长发育有明显影响。镉可抑制胚胎细胞分裂和DNA、蛋白质的合成，也可抑制胸腺嘧啶核苷激酶的活性。镉引起的畸形有多种，以颅脑、四肢和骨骼畸形多见。镉可引起高血压的发生，使睾丸因缺血而坏死，因大量破坏红细胞并使骨髓缺铁而导致贫血和骨质疏松，还可引起横纹肌肉瘤、皮下肉瘤及睾丸间质细胞瘤。

镉与含羧基、氨基，特别是含巯基的蛋白质分子结合而使许多酶的活性受到抑制是镉毒性作用的机理之一。镉离子可与组织蛋白羧基形成不溶性金属蛋白盐，也可与巯基形成稳定的金属硫醇盐，从而使许多酶系统的活性受到抑制和破坏，使肾、肝等组织中的酶系统功能受到损害。镉主要损害肾小管而干扰肾脏对蛋白质的排出和再吸收作用，并可影响近端肾小管的功能，引起蛋白尿、糖尿、氨基酸尿，尿钙及尿磷增加。

3．铅

铅不是生命必需元素，对所有生物均有毒。铅污染的来源广泛，主要来自汽车尾气、冶炼和制造业，其中汽车尾气排放是最严重的铅污染源。铅及其化合物的毒性主要取决于其分散度和溶解度。硫化铅难溶于水，毒性小;三氧化二铅、氧化铅等较易溶于水，毒性较大;铅尘、铅烟颗粒较小，化学性质活泼，易经呼吸道吸入，发生中毒的可能性较大。

环境中的铅主要经消化道进入人体，其次是呼吸道，无机铅化合物不能通过完整的皮肤，因此一般不经皮肤吸收。铅通常以蒸气、烟尘的形式进入呼吸道，吸入的铅烟有约40%进入血液循环系统。铅进入血液后，大部分与红细胞结合成为非扩散性铅，少量成为与血浆蛋白结合的结合性铅或可扩散铅。可扩散铅的量少但生物活性较大，可通过生物膜进入中枢神经系统。体内的铅90%以上存在于骨骼内，血液中仅占体内总铅量的2%。一般认为，软组织中的铅能直接产生毒害作用，硬组织中的铅具有潜在毒害作用。食入的铅除少数被吸收外，大部分由尿液排出;肠道吸收的铅通过肝脏，一部分可由胆汁排入肠内，通过粪便排出;呼吸道吸入的铅，相当部分经呼吸道纤毛作用排出，小部分被吸收。吸收入体内的铅，大部分经肾脏通过尿液排出，少部分随粪便、唾液、乳汁、汗液及月经排出，毛发和指甲也可排出少量铅。

长期接触微量铅的人，其体内蓄积的铅能阻碍血细胞的形成，导致智力下降;当蓄积到一定程度时会使人出现精神障碍、噩梦、失眠、头痛等慢性中毒症状;严重者会出现乏力、食欲不振、恶心、腹胀、腹痛或腹泻等;还可通过血液进入脑组织，损害小脑及大脑皮层，干扰代谢活动，使营养物质与氧气供应不足，引起脑小毛细血管内皮层细胞肿胀，进而发展为弥漫性脑损伤。长期铅暴露会使人受孕率降低。铅毒对儿童的影响更甚，儿童对铅的吸收量比成年人要高几倍。铅对儿童的伤害是直接的，且有些伤害是不可逆转的，当血铅浓度每100m L达到60mg时，就会由智力障碍引起行为异常。

铅的毒作用主要是与体内蛋白质的巯基相结合，从多方面干扰机体的生化和生理功能。受铅干扰最严重的代谢环节是呼吸色素(如血红素和细胞色素)的生成，铅可通过抑制线粒体的呼吸和磷酸化而影响能量的产生，并通过抑制三磷酸腺苷酶而影响细胞膜的运输功能。铅的毒性作用以对骨髓造血系统和神经系统损害最为严重。在轻度中毒或中毒早期，机体受到的损害以功能性损害为主;在严重中毒或中毒晚期，则可产生器质性损伤甚至不可逆性病变。

4．砷

砷在自然界中分布很广，无机砷化合物多以砷化合物和硫砷化合物形式存在，如As2O3 (砒霜)、As2S3(雌黄)、As2S2(雄黄)、Fe As S(砷黄铁矿)等。空气、水体和食物中一般含砷量很低，但大量燃煤地区的空气中、个别地区的地下水以及海产品中砷含量较高。无机砷进入人体内通过氧化还原和甲基化作用，转化为多种有机砷化物，主要包括甲基胂酸和二甲基胂酸。一般认为，无机砷中以三价砷毒性最强，无机砷化合物的毒性大于有机砷化合物。因此，甲基化常被认为是砷的一种解毒方式。当然，甲基化的砷也具有毒性，二甲基胂酸可致染色体改变、DNA损伤以及基因改变，具有遗传性和致癌性。

砷化合物可经呼吸道、消化道和皮肤吸收。砷化合物经呼吸道时能被黏膜完全吸收。在正常情况下，一般从空气中吸入的砷很少，低于1μg/d。无机砷化合物经呼吸道吸收的程度取决于其溶解度和物理状态，阴离子砷和易溶解性砷化合物在胃肠道中的吸收较迅速，不溶性砷化合物则不易被吸收。有机砷化合物的吸收主要通过肠壁黏膜的简单扩散方式进行，其吸收速率与浓度呈正相关。无机砷化合物被吸入血液后，大部分与血红蛋白上的珠蛋白结合，少量与血浆蛋白结合，并迅速通过血液分布到肝、肾、肺、肠、脾、肌肉和一些神经组织中。亚砷酸盐还可以蓄积于白细胞中。

研究表明，砷化合物对哺乳类细胞的致突变作用很微弱，一般情况下以辅致突变的形式在细胞突变中发挥作用。亚砷酸钠强力促进紫外线照射和烷化剂对哺乳类细胞染色体断裂和致突变作用。砷也具有致畸作用。国际肿瘤研究机构已经确认无机砷化合物为致癌物，砷可导致人类患皮肤癌、支气管癌、肺癌、淋巴瘤、白血病、肝癌、肺癌、胃肠癌等。

砷的毒效应主要是由于三价砷与巯基结合引起酶失活，五价砷引起氧化磷酸化解偶联、砷酸盐取代磷酸盐参入DNA分子，砷对毛细血管壁的毒性作用等。在酶、受体或辅酶中，作为特殊官能团的巯基，对这些蛋白质分子的活性起着重要的作用，改变巯基可引起其活性丧失。而在体外，三价砷易与含有巯基的分子反应。与蛋白质巯基具有高度亲和力的亚砷酸进入细胞后，与蛋白质巯基结合而抑制一些重要的生化反应，从而产生毒性。

(二)有毒有机污染物

有毒有机污染物是指在水中通常只以微克级(10－6g/L)或更低级水平存在，可造成人体中毒或者引起环境污染的有机物质。有毒有机物包括有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、含氮有机物、含磷有机物等。有毒有机污染物中研究较多的是持久性有机污染物(persistent organic pollutants，简称POPs)。持久性有机污染物是指能持久存在于环境中，具有很长的半衰期，且能通过食物链(网)累积，并对人类健康和环境造成不利影响的天然或人工合成的有机化学物质。这类物质具有高毒性、长期残留性、生物累积性和远距离迁移性等特性。有机污染物一般通过吸附作用、挥发作用、水解作用、光解作用、生物富集和生物降解作用等过程进行迁移转化。

有机氯农药是一类对环境具有严重威胁的人工合成有毒有机化合物。引起环境污染的有机氯农药主要包括DDT、DDD、艾氏剂、六六六等，都属于持久性农药。有机氯农药的化学性质和光学性质稳定，挥发性低，易溶于脂肪和有机溶剂而不易溶于水，在环境中的残留时间长。有机氯农药主要经消化道进入机体，并蓄积在脂肪组织以及脂质含量较高的组织器官，如大网膜、肾周围组织等，可引起中枢神经及某些实质脏器，特别是肝脏和肾脏的严重损害。

多氯联苯是联苯分子中一部分或全部氢被氯取代后生成的各种异构体混合物的总称。一般以4氯或5氯化合物为主，若10个氢都被置换，则可形成210种化合物。多氯联苯化学性质稳定，不易燃烧，强酸、强碱、氧化剂都难以将其分解，且耐热性高，绝缘性好，难挥发，所以常被用作绝缘油、润滑油、添加剂等，并被广泛用于电器绝缘材料和塑料增塑剂等。多氯联苯在环境中不易分解，极难溶于水，易溶于有机溶剂和脂肪，进入生物体内相当稳定，且易聚集于脂肪组织、肝和脑中，引起皮肤和肝脏损坏。

多环芳烃是由含碳化合物在温度高于400℃时，经热解环化和聚合作用而成的产物。多由石油、煤等燃料以及木材和可燃性气体等在不完全燃烧或高温处理条件下所产生的挥发性碳氢化合物，排入大气中后经干湿沉降到达地表，引起地表水和地下水污染。迄今已发现200多种，其中有相当部分具有致癌性，如苯并α芘、苯并α蒽等。多环芳烃经皮肤、呼吸道、消化道等被人体吸收，有诱发皮肤癌、肺癌、直肠癌、膀胱癌等负作用，而长期呼吸含多环芳烃的空气，饮用或食用含有多环芳烃的水和食物，则会造成慢性中毒。

环境中除了大部分是含碳化合物外，还包括含氮和含磷有机物。含氮有机物指分子中含有氮元素的有机化合物，也可看作烃类分子中的一个或几个氢原子被各种含氮原子的官能团取代而含有C—N键的生成物。含氮有机物的种类很多，主要有硝基化合物、胺、重氮和偶氮化合物等。含磷有机物通常指磷和碳直接相连形成C—P键的化合物，分为三价磷化合物和五价磷化合物。含磷有机物中值得注意的是有机磷农药的环境毒理学作用。有机磷农药进入血液后，使胆碱酯酶活性受到抑制，导致神经系统机能失调，使一些受神经系统支配的心脏、支气管、肠、胃等脏器发生功能异常。有机氮农药主要指氨基甲酸类杀虫剂，一般来说，有机氮农药的毒性较小，在环境中的滞留时间短，半衰期多数仅1～4周。

(三)有害气体

根据物理形态，大气污染物分为气态污染物和颗粒污染物。通常，在煤和石油燃烧而排放的大气污染物中，气态污染物占85%～90%，颗粒污染物占10%～15%。按照化学形态，大气污染物又分为含硫化合物、含氮化合物、碳氢化合物、碳氧化合物、卤素化合物、颗粒物质和放射性物质。此处只讨论二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和颗粒物的作用和危害。

二氧化硫是最常见的大气污染物。二氧化硫经7h后转化为三氧化硫的量可达20% ～30%，而三氧化硫的吸湿性强，可由大气中的固体颗粒吸附和催化，极易形成硫酸烟雾。二氧化硫也是形成酸雨的主要因素。酸雨可以使水体、土壤酸化，破坏森林，伤害农作物，损伤古迹文物，影响人体健康和生物生存环境。二氧化硫对人体的结膜和上呼吸道黏膜有强烈刺激性，可损伤呼吸器官导致支气管炎、肺炎，甚至肺水肿、呼吸麻痹。二氧化硫被呼吸道吸收后，进入血液分布全身。二氧化硫在体液中以其衍生物——亚硫酸根离子和亚硫酸氢根离子动态平衡的形式存在。二氧化硫衍生物在气管、肺、肺门淋巴结合食道中含量最高，其次为肝、肾、脾等器官。二氧化硫可刺激叶片的气孔开放，使大量水分蒸腾丧失、叶绿素破坏、细胞质壁分离、原生质凝固变性、叶肉细胞死亡、叶片的栅栏组织和海绵组织解体死亡，在叶片的脉间形成大小不同的块状或斑状伤斑。

氮氧化物习惯上以NOx表示，是大气中常见污染物，主要来自石油、煤、天然气等燃料的燃烧，其次是来自生产或使用硝酸的工厂，以及汽车排放的尾气。大气中含氮的氧化物有氧化亚氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)等，其中占主要成分的是NO和NO2。NO和NO2均难溶于水，因此不易在上呼吸道吸收，但容易进入下呼吸道直至肺的深部。当NO2进入肺泡后，溶于肺泡表面的水液中，形成亚硝酸和硝酸及其盐类，对肺组织产生强烈的刺激和腐蚀作用，引起其毒性作用，甚至肺水肿;还能以亚硝酸根和硝酸根离子的形式经肺进入血液，然后运输至全身，引起肾、肝、心等脏器损伤，最后随尿液排出。NO可引起变性血红蛋白的形成，而导致红细胞携氧能力下降;也可作用于动物中枢神经系统，在高浓度NO下暴露几分钟，可引起动物的麻痹和惊厥，甚至死亡。

一氧化碳是无色、无臭、无味、无刺激性的有毒气体，主要来源于含碳燃料、植物茎叶等的不完全燃烧，其次来源于炼焦、炼钢、炼铁等工业生产过程。CO是一种非蓄积性毒物，经呼吸道吸入，再通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，这种结合是紧密的，也是可逆的。CO与血红蛋白的亲和力比氧与血红蛋白的亲和力高200～300倍，所以CO与血红蛋白结合减弱了红细胞携带和运输氧气的能力，使组织缺氧，导致低氧血症。吸入高浓度CO时，可引起脑缺氧和脑水肿，继而发生脑血循环障碍，导致脑组织缺血性软化和脱髓鞘病变。CO还可加重心血管病患者的症状。

颗粒物包括固体颗粒和液体颗粒，分为总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物和细颗粒物。总悬浮颗粒物是粒径≤100μm的液体、固体或固液结合存在并悬浮于空气介质中的颗粒物;可吸入颗粒物(PM10)是粒径≤10μm，能被吸入人体呼吸道的颗粒物;细颗粒物(PM5)是粒径≤2．5μm，能被吸入人体下呼吸道深部直至肺泡的颗粒物。PM10和PM5的成分比较复杂，除含有严重危害健康的二氧化硅外，还含有许多重金属，并具有很强的吸附性，常吸附一些有害气体和具有致癌性的碳氢化合物，是多种有害物质的载体。颗粒物可刺激和腐蚀呼吸道黏膜。长期作用下，可使呼吸道防御机能降低，发生慢性支气管炎、支气管哮喘等疾病，也能诱发心血管病的发生。

(四)病原体污染物

在生活污水，以及饲养场、屠宰场、制革、医院等排出的废水中常含有各种病原体，如病菌、病毒、寄生虫等。人体接触被污染水体后，极有可能导致水媒型传染病的发生。病毒可引起小儿麻痹、传染性肝炎，病菌或寄生虫可引起血吸虫病、姜片虫病、痢疾、伤寒、副伤寒、霍乱、病毒性肝炎、阿米巴痢疾等。

病原体污染具有数量大、分布广、存活时间长、繁殖速度快、易产生抗药性、难以绝灭等特点。受病原体污染后的水体，微生物激增，其中许多是致病菌、病虫卵和病毒，它们往往与其他细菌和大肠杆菌共存，所以通常规定用细菌总数和大肠杆菌指数及菌值数为病原体污染的直接指标。

(五)放射性污染物

放射性污染物是指各种放射性核素污染物，由核工业、核动力、核武器生产和试验以及医疗、机械、科研等单位在放射性同位素应用时排放的含放射性物质的粉尘、废水和废弃物。放射性物质主要经消化道进入人体，而通过呼吸道和皮肤进入的较少。而在核试验和核工业泄露事故时，放射性物质经消化道、呼吸道和皮肤这3条途径均可进入人体而造成危害。

放射性物质直接使机体物质的原子或分子电离，破坏机体内某些大分子，如DNA、RNA、蛋白质分子及一些重要的酶。长期接触放射性物质，会导致人体致癌、白血病、白内障、寿命缩短等方面的损害以及遗传效应等。