生物地化循環(huán)與人體健康

一、地方病

   自然界中由于環(huán)境條件的不同，地表元素發(fā)生遷移，常造成一些元素在地表分布的不均。在一些生態(tài)系統中分散流失，在另一些生態(tài)系統中又積累。這種生物地化循環(huán)是常導致某些生態(tài)系統中生命含量的異常，或不足，或過(guò)剩，會(huì )造成植物、動(dòng)物乃至人類(lèi)的疾病。俗話(huà)說(shuō)“一方水土養一方人”就是這個(gè)道理。這類(lèi)疾病常呈現區域性，故稱(chēng)為“地方病”。據統計，人體必須的大量元素外，還需要鐵、錳、硼等14種微量元素，在正常的情況下，這些元素在人體內處于相對平衡穩定狀態(tài)。一旦平衡的穩定狀態(tài)遭到破壞，病變就會(huì )發(fā)生。微量元素在人體內含量雖少，但對保持人體健康和生物的生長(cháng)發(fā)育都有重要的意義。

   地方病在我國分布較廣，居住于有關(guān)地方病病區的人口約占我國總人口的三分之一。對人體危害的地方病相當嚴重，地方病大多數與微量元素有關(guān)。氟過(guò)多而造成的地方性氟中毒，除上海市以外的29個(gè)省市幾乎都有分布。有7000多萬(wàn)人口生活于缺硒的環(huán)境，這些地區流行克山?。ㄒ言?6個(gè)省發(fā)現）、大骨節?。s有14個(gè)省發(fā)現）。地病性癌癥，如肝癌、食管癌等均在一些地區流行。我國是缺碘癥較為嚴重的國家之一，我國現有智力殘疾人1000多萬(wàn)人，其中80%以上是因缺碘造成的。

二、微量元素碘

1.缺碘癥

   碘是人體必須的微量元素。人體缺碘會(huì )引起甲狀腺腫大，智力下降等一系列嚴重后果。而缺碘癥（iodine deficiency disorder，iDD）是流行廣、危害大、受害人數多的一種病癥，世界上有110多國家約有10多億人患有此??；中國有20多個(gè)省約4.25億占40%的人口在此病區；北京也是缺碘地區，病區人口也達500萬(wàn)。在缺碘區，每個(gè)人都處于“隱性碘饑餓狀態(tài)之中”。碘缺癥影響到甲狀腺激素的形成，影響到腦神經(jīng)細胞的發(fā)育；影響到體格的發(fā)育和基礎的代謝。所以，碘缺癥損害了人的智力素質(zhì)，破壞了生產(chǎn)力，而且是不可逆的終生損害。孕婦缺碘可致早產(chǎn)、死產(chǎn)、先天性畸形兒、先天聾啞兒等。碘缺癥引起的危害不僅關(guān)系當前，更嚴重的影響了未來(lái)。

2.碘的分布

   碘及其化合物有-1、0、+1、+3、+5、+7價(jià)，碘主要以0、+1、+5價(jià)狀態(tài)存在。碘是一種非?；顫?、大多數碘化物,除銀、汞、鉛、鉍等碘化物外都易溶于水的非金屬元素。碘具有分散度高,遷移性強的特點(diǎn)。據考察碘的分布相當廣泛而不均勻,是“山區少于平原,平原少于沿海,沿海少于海洋”。這是由于高原地區碘化物經(jīng)過(guò)雨雪沖刷,流入了海洋的緣故。在第四紀冰川期亞洲、歐洲和北美洲等大陸被2000m厚的積雪覆蓋,溶化中沖走了表層含碘豐富的成熟土壤。成熟土壤沖走后,陸地表露出來(lái)的母巖逐漸碎裂,形成新的土壤,新土中含碘量極少,約為成熟土壤的四分之一,近代水流仍然不斷帶走地殼的碘。據統計,要經(jīng)過(guò)1_~2萬(wàn)年才能把生土中的碘補充到成熟土壤的程度。所以,對缺碘地區,必須長(cháng)期的進(jìn)行人工補碘。

3.碘的循環(huán)

   碘由陸地隨水進(jìn)入海洋,由海洋逸出進(jìn)入大氣,再通過(guò)降水進(jìn)入陸地,形成一個(gè)大循環(huán)。在生物中,通過(guò)海洋、陸地兩個(gè)食物鏈保持碘的生態(tài)平衡。陸地生態(tài)系統中植物直接從水中、土壤中吸收碘,而動(dòng)物則從植物和水、空氣中獲得碘；海洋生態(tài)系統中,浮游生物直接從海水和淤泥中獲得碘,魚(yú)蝦、浮游動(dòng)物則從水生生物中取得碘；人類(lèi)則既可從動(dòng)、植物中,又可直接從水中和空氣中獲得碘。當然不論是海洋或陸地產(chǎn)的動(dòng)植物都要從外界獲得碘。所有生物中的碘,最終都要返回土壤、海洋中,由微生物分解成元素碘,繼續被植物吸收利用。更具體一點(diǎn)說(shuō),土壤中的碘易隨水流遷移,陸地上劇烈流入海洋的水運動(dòng)在8000_~18000年前,第四紀冰川期,把地殼表面的土壤沖刷殆盡。新土壤由母巖重新形成。

   土壤黏土礦物和有機質(zhì)可固定碘。自然土壤中的含碘量與黏粒含量呈顯著(zhù)的正相關(guān)，土壤黏度越重，其吸附碘的能力越強。黏土比砂土含碘量高。

   土壤的PH對碘的固定有重要意義。通常堿性、中性土的吸附比較牢固。在水中的遷移、轉化：碘在環(huán)境中主要以碘化物形式存在,大多溶于水。碘在水的流動(dòng)中容易發(fā)生遷移,最后流入海洋總貯存庫,高達930億t。碘在海洋中以i^-和iO₃^-的形式存在。碘離子在陽(yáng)光下,可被氧化成游離碘；而iO₃^-狀態(tài)的碘可被還原劑作用生成游離碘。

   海洋中的碘主要向大氣中遷移和轉化。波濤撞擊，海水逸入大氣的碘每年可達5000t，海面蒸發(fā)的碘一年為50000t。進(jìn)入大氣中碘可在空中環(huán)流，再隨降水，雨雪落到地面。

4.碘的生物效應

   植物通過(guò)根部吸收碘，還可通過(guò)葉面從大氣中吸收。不同植物含碘量不同：雙子葉牧草中含碘量比禾本科高13倍；玉米、大麥比大多數雙子葉植物含量少。

   關(guān)于碘對植物是否必須,尚未得到普遍證明。早在20世紀60年代初就有人發(fā)現能刺激高等植物生長(cháng)。實(shí)驗證明,過(guò)量的碘對植物會(huì )產(chǎn)生毒性。其毒性隨植物種類(lèi)和栽培條件而有顯著(zhù)不同。大麥和番茄在10mg/kg時(shí)產(chǎn)生毒害,而豌豆在0.5mg/kg時(shí)出現毒害癥狀,其嚴重程度隨濃度的增高而增加。

   碘是動(dòng)物和人體必需微量元素。碘是甲狀腺素,即四碘甲腺原氨酸(T₄)和三碘甲腺原氨酸(T₃)的構成元素。它們以血漿蛋白結合的形式在體內循環(huán),發(fā)揮激素功能。

   碘在人體內流動(dòng)和合成甲狀腺激素的過(guò)程：

   首先,吸收碘,通過(guò)甲狀腺濾胞上皮細胞將血漿中的碘吸收。其次,碘被過(guò)氧化物酶作用下氧化成活性的碘原子；在碘化酶的催化下,迅速與甲狀腺球蛋自分子上的酪氨酸苯環(huán)的第三位碳原子形成一碘酪氨酸(miT,即T₁)或者與第三、五位碳原子上形成二碘氨基酸(DiT,即T₂)。再次,甲狀腺球蛋白上的兩個(gè)T₂縮合脫一個(gè)丙氨酸即成為T₄?；蛘咭粋€(gè)T₁與T₂結合在一起形成T₃,合成后的T₃、T₄仍然連結在甲狀腺球蛋白分子上。T₃的激活比T₄高了3_~8倍。

   碘與甲狀腺素在人體內所起的生物效應是：調節能量轉換；促進(jìn)生長(cháng)發(fā)育；促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成；活化100多種酶；維持中樞神經(jīng)系統的結構以及保持正常精神狀態(tài)和新陳代謝等重要功能。缺碘，可導致動(dòng)物和人體一系列生理生化的紊亂，可引起甲狀腺機能降低和腫大，免疫反應減弱，厭食，繁殖機能減退，生活力下降直至死亡。

三、微量元素硒與癌癥

   近幾十年來(lái),癌癥發(fā)病率在大多數國家已居于前三位,病人逐年增多。癌癥病因及其防治的研究也成為科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。Higginson (1969)根據癌癥在世界范圍內分布狀況、特點(diǎn),提出80%_~90%的癌癥是由環(huán)境引起的。近年來(lái)世界衛生組織(WHO)的報告也認為引起癌癥主要是環(huán)境因素。致癌物(carcinogenic substance)是指那些接觸后可能最終導致癌變的物質(zhì)。某些微量元素如砷、鉛、鉻、鎳等有致癌或促癌作用,而某些微量元素具有防癌、抗癌及診斷作用。

   近20年來(lái),在許多流行病調查及致癌實(shí)驗中顯示硒(Se)對實(shí)驗腫瘤具有抑制作用。硒是生命的必需元素。近年來(lái)它已成為國內外最受重視的微量元素之一。在我國已用硒預防克山病、大骨節病等。還認為硒可防癌、抗衰老等。近年來(lái)國際上已召開(kāi)多次以硒為專(zhuān)題的醫學(xué)會(huì )議。

   硒是類(lèi)金屬元素,硒化合物一般有-2、0、+4、+6四種價(jià)態(tài)。硒在地表土壤中的分布呈現地帶性差異,據20多個(gè)國家報道可以看出,在地球的南北半球各有一條大致30°以上的中高緯度的缺硒分布帶。在我國由東北向西南有一低硒帶?？松讲『痛蠊枪澆〖戳餍杏谶@一地帶。土壤中平均含硒量約為0.1mg/kg。

   硒在天然水中以Se⁰、Se^2-、Se⁴⁺、Se⁶⁺狀態(tài)存在。地表水和地下水的硒平均變動(dòng)范圍在0.1_~400ug/L,主要決定于地質(zhì)結構的特征。地表水的硒含量受PH的影響很大。土壤中的硒以亞硒酸鐵形態(tài)束縛存在,一般累積在富鐵層中。在富含有機質(zhì)和腐殖質(zhì)的土壤中易積累硒。硒氧化成比較易溶的硒酸。由于淋溶作用硒可從土中排出。灌溉水中增加微量的硒，可明顯提高植物各部分的含硒量。農作物、牧草等都對硒有一定的富集作用。在生物體內的硒都是以有機物，硒蛋白質(zhì)的形式存在。將硒蛋白質(zhì)水解證實(shí)硒主要以硒代半胱氨酸形式存在。

   人體中硒的水平?jīng)Q定于攝入食物的含量及其存在形式。硒化合物經(jīng)消化道進(jìn)入機體后都易被吸收。吸收的硒廣泛分布體內，在肝和腎中可富集，在脾、肺、心肌、骨肌和腦中的含量依次遞減，脂肪中幾乎無(wú)硒。我國楊光圻（1983）建議，人體最低安全膳食供給量為每日40ug。在1973年中發(fā)現了含硒的谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（gSH_px）是一種有過(guò)氧化氫和脂肪過(guò)氧化物和多種過(guò)氧化物的分解酶，此酶以谷胱甘肽（gSH）作底物能使有害的H₂O₂或ROOH還原成H₂O。

   人和動(dòng)物的食物缺硒時(shí),體內gSH_px活性低；脂質(zhì)過(guò)氧化物增多；生物膜磷脂中不飽和脂肪酸類(lèi),易被過(guò)氧化成脂質(zhì)過(guò)氧化物。從而造成內細胞損傷。補硒則是起到清除過(guò)氧化物和自由基的作用。

   早在1915年有人提出硒的抗腫瘤作用。g. Schrauzer進(jìn)行了大量調查,指出低硒與腫瘤發(fā)病率的相關(guān)性。其后在27個(gè)國家的調查得到相似的結果。我國江蘇啟東為肝癌高發(fā)區,這里也發(fā)現肝癌與環(huán)境中硒有一定關(guān)系。硒的防癌機理受到關(guān)注。Waterberg提出硒的防癌、抗癌可能有如下作用：①改變致癌物的代謝途徑,使之失活；②改變膜的通透性和運輸功能；③清除致癌物的代謝活性物質(zhì),如自由基,使之不能達靶部位；④刺激免疫反應,提高免疫系統的保護能力,維持細胞正常代謝功能,及對致癌物的解毒作用等。這些調查和說(shuō)明都是有意義的,仍然需進(jìn)一步的深入研究。

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——摘自科學(xué)出版社·蔡曉明編著(zhù)·《生態(tài)系統生態(tài)學(xué)》·第二篇 生態(tài)系統功能·第九章 第六節