有毒的重金属环境污染 | Cell Press论文速递

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Heliyon Soil Science（土壤科学）新专栏正式上线啦。Soil science致力于发表土壤科学领域的论文，促进学术传播和交流。本专栏的多元化学术编辑团队能更好地支持土壤科学研究。期待收到您的投稿。

重金属环境污染日益严重，已经在世界范围内造成不利影响，受到学界高度关注。农业和金属工业的快速发展、废物处理不当、化肥和杀虫剂的使用……所有这些人类活动都使得无机物肆意污染水域、土壤和大气。本综述展示了重金属污染物的环境进入路径及其生命周期。有些金属会影响生物功能和生长，有些则会累及一个或多个器官损伤，导致癌症等重疾。马耳他的研究团队在本文描述了金属在人体内的药代动力学和毒理学过程。这项研究以“Heavy metal pollution in the environment and their toxicological effects on humans”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Heliyon上。

简介

环境是指人类、植物、动物和微生物生活或工作所围绕的空间，包括土地、大气和水。地球系统由四个圈层组成：生物圈、大气圈、岩石圈和水圈。

在过去的一百年里，工业在飞速发展的同时，也以近乎残酷的速度扩大了对地球自然资源的开发，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、气体污染物和纳米粒子等多种污染物严重污染环境。本文主要就其中的重金属污染展开讨论。

关于“重金属”一词的定义一直不甚明确。起初重金属仅仅指其高原子量或高密度，但如今“重金属”一词亦被用来描述对环境和人类有毒的金属化学元素和类金属。其中，有些重金属是有毒的，比如硒、砷和铝等一些类金属以及较轻的金属；其他的重金属则通常没有毒性。综合考虑高原子量（大于5g/cm3）和日常生活常见性两个条件，常见的重金属包括：钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、钼、镉、铂、金、汞、铅。本综述意在阐述这些重金属污染在环境中的产生路径，药代动力学机制，以及它们对人类的毒理学影响。

重金属污染来源

自地球形成以来，这些重金属即在地壳中自然存在。重金属使用量激增使得陆地环境和水生环境中的金属物质激增。毫无疑问，人类活动是污染的主要原因。采矿、冶炼、铸造和其他以金属为基础的行业是污染的主要来源。垃圾填埋场、垃圾场、排泄物、牲畜和鸡粪、径流、汽车和道路等都是浸出金属的来源。农业领域的重金属使用也一直是重金属污染的重灾区，其污染来源包括农药、杀虫剂、化肥。在此基础上，火山活动、金属腐蚀、土壤和水的金属蒸发以及沉积物再悬浮、土壤侵蚀、地质风化等自然原因亦会加重重金属污染。

重金属的性质

类金属倾向于形成共价键，使它们表现出毒理学特性。这种特性最重要的意义在于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。由于变得亲脂性，类金属在生物圈中的分布及其毒性反应与同元素简单离子形式的作用并不相同。譬如三丁基氧化锡和甲基化形式的砷的毒性就很高。重金属与非金属元素结合的例子是铅和汞与蛋白质的巯基结合。重金属可通过以下四种方式进入人体——摄入受污染的食物、吸入受污染的空气、饮用受污染的水、在农业、制药、制造业、住宅和工业专门区域的皮肤接触。

金属不能分解也不可生物降解。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，或者以不溶形式沉积在细胞内颗粒中，之后随粪便排出体外或在体内长期储存。重金属进入我们的身体之后，它们就会在我们的系统中累积。这种生物累积会导致相关的一系列症状。一些重金属是生命所必需的，被称为必需元素，参与各种生化和生理功能。然而过量的必需元素就可能产生毒性。必需重金属元素被广泛应用于农业、工业、医药和其他部门，并由此进入到环境中。

必需的重金属元素主要分为三类——身体所需的主要元素、巨量矿物质，以及微量元素。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，另有其他七种主要元素被称为巨量矿物质，它们的作用是维持结构化合物、氨基酸和核酸离子平衡。这些元素包括钠、镁、磷、硫、氯、钾和钙。微量元素则包括13种元素：硅、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、钼和碘。必需元素对维持骨骼结构形成、酸碱平衡调节、胶体系统维持很重要。它们也是关键酶、结构蛋白和激素的重要组成部分：比如锌是许多酶的组成部分；铁对血红蛋白的形成很重要；硒对谷胱甘肽过氧化物酶至关重要。非必需金属在体内没有任何关键作用，但它们可能产生毒性，影响体内必需元素的水平。下图显示了重金属的污染路径。

金属毒性会形成自由基，从而导致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，而膜损伤又会激活包括内切酶在内的各种钙依赖性系统。自由基形成相关研究主要集中在铁、铜、镍、铬和镉。后三种金属被认为具有致癌特性。铁、铜、钒、铬和钴都遵循超氧化物和羟基自由基的芬顿反应。

金属介导的自由基导致DNA碱基改变的诱变性，揭示了致癌和氧化损伤之间的联系。自由基的形成会引起各种DNA碱基改变，其中大多数是促突变性的。目前已知金属镉、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、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）捕获所形成的自由基。包括谷胱甘肽在内的巯基化合物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，从而起到保护细胞的作用。自由基和其他反应性物种的富集形成也可以用于确定金属诱导的毒性和致癌性。

污染物进入路径、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，从而存在于水圈、岩石圈和大气圈之中。诚然，污染物可以通过火山活动和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。有些是意外事故，比如沉船、漏油、采矿和火灾；有些则是故意为之，比如应用杀虫剂以及工业废水和污水处理。重金属或任何其他污染物的移动都取决于温度、地表水的运动和方向、气团的循环和风的速度。除此之外，分配系数、极性、蒸汽压力和分子稳定性等其他因素影响污染物的分布和运动。

1.土壤污染

土壤污染可以是意外事故，也有可能是故意为之。废水灌溉、杀虫剂、动物粪便、化肥、含铅油漆、矿山矿石废物（尾矿）、污水污泥、石油馏分油溢出、煤炭燃烧残留物、废物倾倒等活动会污染土壤。在农田中使用未经处理的污水和废水造成了大量重金属富集在作物之后，之后被人类吃进肚中。突发洪水将污水和污染水带到土地上，以及有毒化学品车辆事故等意外事故亦会造成污染。重金属不可降解，因此会在土壤中停留很长时间。

重金属已经进入了食物链之中，业已对生态系统造成了破坏。重金属还会影响有机污染物的生物降解性，使它们变得更难降解，从而对环境造成二次污染。土壤中的金属对所有生物圈而言都是极大的风险。它们可以直接被植物吸收，危害食物链，改变包括pH值、颜色、孔隙度等指标，影响土壤质量，污染水源。

2.水污染

造成水污染的罪魁祸首主要有两个——城市化和工业化。村镇、城市和工业的径流将污染物输送进入水体，并积聚在水体的沉积物中。只要有微量的金属元素进入水体中，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很多因素，例如金属种类、金属性质、金属生物学作用、金属接触到的生物以及生物的生命周期。一个生物受到影响，就会影响到整个食物链，牵一发而动全身。由于人类通常是食物链中的最后一环，因此这将对人类产生更大的影响。随着食物链中重金属浓度的增加，我们体内会积累更多的重金属。

未经处理的污水中含有高浓度的重金属，这些重金属在污水处理中不会降解。它们要么在最终废水中被去除，要么在污泥中被去除。进入水中的污水的性质和污染物都取决于污水处理的质量。目前已经建立了几项控制措施，并制定了严格的法规，同时革新技术来减少水中的污染物量。

水中的污染物可以以地表水、溶液或悬浮形式等不同的形式存在。它们可以通过水传播很长的距离，之后颗粒物质可以下降到底部；液滴则既可以下降到沉积物中，也可以上升到地表。污染物在河流中的传播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得更远。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，进而影响大型鱼类、鸟类和哺乳动物（包括人类）等捕食者，之后捕食者会将污染物迁运到不同的生态系统之中。

3.大气污染

城市化和工业化除了会造成水污染之外，也是空气污染的罪魁祸首。污染物以不同的形式进入大气。它们可以是颗粒、液滴或气态形式，也可以与颗粒或液滴结合。尽管尺寸较小的颗粒可以移动更长的距离，但颗粒和液滴不会长距离移动，通常会在短距离后落在地面上。

自然和人类活动产生了颗粒物，特别是细颗粒物和灰尘。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。而人类活动则通过工业活动、化石燃料燃烧、汽车尾气、冶炼等方式产生颗粒物。颗粒物会引发严重的健康问题，还会导致基础设施恶化、酸雨形成、腐蚀。下雨时颗粒物落入水中还会导致水的富营养化，并可能导致雾霾。

烟囱是大气污染的主要来源之一。烟囱的高度和天气决定了污染物的传播距离。烟囱越高，污染物传播得越远。气候越温暖，风越大，污染物传播得越远。在寒冷多雾的天气里，污染物传播的距离很短。

内燃机和喷气发动机也是空气污染的两个源头。除了改进发动机之外，催化转换器和无铅汽油也有助于减少车辆污染。除此之外，农药的使用是另一个污染物来源。冰箱、气溶胶和放射性污染也会造成空气污染。

按大气温度随高度分布的特征，可把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。对流层和平流层对污染物的输送至关重要。对流层是最接近地球的一层，平流层在它上面，臭氧位于顶部。对流层内会发生强烈的垂直混合，空气循环模式一致，污染物可以在少量时间内输送。平流层则几乎没有垂直混合。空气污染物在进入空气循环时可以走得很远，造成全球影响。可溶性颗粒物可与雨水发生反应，进入水中，落向陆地。

生态系统中重金属的循环

大量重金属的积聚会造成重金属毒性增加。某些地区会将烟囱建得很高，使得它们不会集中落在某一地方，从而稀释金属的排放。生物体上的潜在毒素还包括不溶性沉积物，它会阻止细胞质中发生的基本生化反应。

金属不可生物降解，在环境中长期存在。它们还可以与土壤或沉积物中的其他元素反应，这种反应会使其更具毒性。例如无机汞可以形成有毒甲基汞，以及水、沉积物和土壤中细菌的活性。

人为活动可导致受污染场地（如废弃的矿区或以前使用的含金属杀虫剂）中含有超高浓度的金属元素。这些地区，植被稀少，只有耐金属的菌株在该地区生长。有时会在这些地区引入封顶，即在受污染土地的顶部放置不透水层，并在其上放置新的土壤。封顶能使得植被不吸收任何金属，也可让重金属不随下沉水进入地下水之中。

农民有时会使用污水污泥，并将其混合在土壤中。这些农田的土壤中也会发现高浓度的重金属元素，常见的有铜、锌、铅、镉和铬。金属冶炼会通过大气污染造成局部污染，最后沉积于土壤之中。铅污染的汽油、铅制猎枪子弹和铅捕捞都导致了我们环境中的铅污染。猎枪子弹被鸟类吸收，然后通过食物链传播，其结果就是湿地中也发现了铅。如果粘土含量、有机质和酸碱度更高，金属与土壤的结合就会更多。

大多数河流都已受到污染，那些从工业和矿区附近经过的河流尤甚。这些河水流向海洋，并大多在海中下沉。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使得海洋酸水平上升，金属的溶解度降低，从而使得金属复又向下沉淀到河床。

重金属各论

本节将对重金属进行详细介绍，这些重金属包括铝、钒、铬、锰、钴、镍、铜、锌、砷、硒、钼、银、镉、汞和铅。国际癌症研究机构（IARC）根据致癌性将重金属分为四个类别。

所有类型的金属过量都可能致病。必需金属对人体至关重要，但其过量和缺乏都会对人体造成不利影响。金属缺乏通常是由腹泻引起的吸收不良带来的。金属的摄入量、吸收率、组织分布、浓度、以及排泄率等因素均会对金属过量及其毒性效应产生影响。其毒性机制包括酶活性的抑制、蛋白质合成、核酸功能的变化和细胞膜通透性的变化等。

具有毒性和致癌性的金属可以与核蛋白和脱氧核糖核酸相互作用，恶化生物大分子氧化。一些金属（铜、铁、镉、铬、镍、汞、钒）可以产生反应性自由基，进而导致脱氧核糖核酸损伤、脂质过氧化和蛋白质巯基耗竭。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），它们来自超氧自由基、脂质过氧化物和过氧化氢，以及与有毒金属络合的氨基酸、蛋白质和肽的螯合物。金属毒性不良反应包括神经毒性、肝毒性和肾毒性。

（详细的各金属药代动力学与毒理学过程参见原文）

讨论

大气、土壤和水体的重金属污染都主要是人类活动的结果。很多重金属在我们的日常饮食中都必不可少，但需求量很小。如较大摄入重金属就可能会导致不可逆的症状，严重情况下甚至危及生命。在可产生重金属行业工作的工人应该格外小心，佩戴防护装备，以减少每日因职业暴露而摄入的重金属。由于重金属中毒的许多症状类似于其他神经系统疾病，因此诊疗时应注意鉴别诊断。

想要清除重金属对人体的危害，最重要的是从源头入手，在一开始就避免重金属进入人体，植物修复和间作就是一种从土壤、沉积物和水中吸收和去除重金属的好方法。可以在土壤中种植超富集植物（hyperaccumulator plants）来去除重金属。这些类型的植物有选择性吸收的根系，可将污染物转移，并生物积累，随着植物的完全降解，重金属也得以去除。

植物固定（phytostabilisation）和植物提取（phytoextraction）发生在无机化合物中。植物提取是重金属从根部转移到枝条中的过程。植物固定仅指植物中参与重金属去除的环节。而有机化合物则是通过植物降解、根瘤菌过滤和根瘤菌降解的过程被去除。

间作方法指同时种植两种不同种类的植物。与间作同时使用，植物修复亦会得到改善，这比使用螯合剂更环保。需要选择合适的物种用于间作。间作被认为可以增加田间的多样性和稳定性，在减少肥料使用的同时，这种方法也减少了杂草和病虫害。间作分为三种类型：

混合间作——不同的作物同时收获；

行间作——不同的作物在交替的行中种植；

接力种植——当其他物种达到繁殖阶段时播种第二种作物。

有机农业可以被视为另一种减少重金属进入人体的方法。不使用杀虫剂，水处理必须是纯化的形式，达到非常低的污染物水平。生物多样性被用来清除昆虫，同时增加野生动植物群。

重金属也可以从水中去除，其效果的影响因素包括温度、pH值、离子强度和天然有机物。副产品和农业废弃物在去除重金属方面效果最好，比如牛粪和大米和花生加工后剩余的废物。矿藏和天然土壤的重金属去除效果最差。

重金属一旦进入体内，就会与一些食物发生螯合作用。香菜、野生蓝莓、大蒜、柠檬水、小球藻、螺旋藻、咖喱、绿茶、大西洋紫杉、大麦草、西红柿和益生菌等则有助于逐渐清除体内金属。

结论

人类正在以如此多的方式让世界深陷重金属污染的泥潭之中，这已经对人类健康产生了不可忽视的危害。我们应该更好地了解重金属及其危害、了解应对之法。只有知己知彼，才能消除重金属污染。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Heliyon上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Heavy metal pollution in the environment and their toxicological effects on humans

▌论文网址：

https://www.cell.com/heliyon/fulltext/S2405-8440(20)31534-6

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04691

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