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(tǒng)中分散流失，在另一些生態(tài)系統(tǒng)中又積累。這種生物地化循環(huán)是常導(dǎo)致某些生態(tài)系統(tǒng)中生命含量的異常，或不足，或過剩，會(huì)造成植物、動(dòng)物乃至人類的疾病。俗話說“一方水土養(yǎng)一方人”就是這個(gè)道理。這類疾病常呈現(xiàn)區(qū)域性，故稱為“地方病”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(nèi)處于相對(duì)平衡穩(wěn)定狀態(tài)。一旦平衡的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，病變就會(huì)發(fā)生。微量元素在人體內(nèi)含量雖少，但對(duì)保持人體健康和生物的生長(zhǎng)發(fā)育都有重要的意義。
地方病在我國(guó)分布較廣，居住于有關(guān)地方病病區(qū)的人口約占我國(guó)總?cè)丝诘娜种?。?duì)人體危害的地方病相當(dāng)嚴(yán)重，地方病大多數(shù)與微量元素有關(guān)。氟過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多萬人口生活于缺硒的環(huán)境，這些地區(qū)流行克山病（已在16個(gè)省發(fā)現(xiàn)）、大骨節(jié)?。s有14個(gè)省發(fā)現(xiàn)）。地病性癌癥，如肝癌、食管癌等均在一些地區(qū)流行。我國(guó)是缺碘癥較為嚴(yán)重的國(guó)家之一，我國(guó)現(xiàn)有智力殘疾人1000多萬人，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(yán)重后果。而缺碘癥（iodine deficiency disorder，iDD）是流行廣、危害大、受害人數(shù)多的一種病癥，世界上有110多國(guó)家約有10多億人患有此?。恢袊?guó)有20多個(gè)省約4.25億占40%的人口在此病區(qū)；北京也是缺碘地區(qū)，病區(qū)人口也達(dá)500萬。在缺碘區(qū)，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(xì)胞的發(fā)育；影響到體格的發(fā)育和基礎(chǔ)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(dāng)前，更嚴(yán)重的影響了未來。
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?；顫姟⒋蠖鄶?shù)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(qiáng)的特點(diǎn)。據(jù)考察碘的分布相當(dāng)廣泛而不均勻,是“山區(qū)少于平原,平原少于沿海,沿海少于海洋”。這是由于高原地區(qū)碘化物經(jīng)過雨雪沖刷,流入了海洋的緣故。在第四紀(jì)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(jù)統(tǒng)計(jì),要經(jīng)過1~2萬年才能把生土中的碘補(bǔ)充到成熟土壤的程度。所以,對(duì)缺碘地區(qū),必須長(zhǎng)期的進(jìn)行人工補(bǔ)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,再通過降水進(jìn)入陸地,形成一個(gè)大循環(huán)。在生物中,通過海洋、陸地兩個(gè)食物鏈保持碘的生態(tài)平衡。陸地生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)中,浮游生物直接從海水和淤泥中獲得碘,魚蝦、浮游動(dòng)物則從水生生物中取得碘；人類則既可從動(dòng)、植物中,又可直接從水中和空氣中獲得碘。當(dāng)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(xù)被植物吸收利用。更具體一點(diǎn)說,土壤中的碘易隨水流遷移,陸地上劇烈流入海洋的水運(yùn)動(dòng)在8000~18000年前,第四紀(jì)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(jī)質(zhì)可固定碘。自然土壤中的含碘量與黏粒含量呈顯著的正相關(guān)，土壤黏度越重，其吸附碘的能力越強(qiáng)。黏土比砂土含碘量高。
土壤的PH對(duì)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(zhuǎn)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(dá)930億t。碘在海洋中以i-和iO3-的形式存在。碘離子在陽光下,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(zhuǎn)化。波濤撞擊，海水逸入大氣的碘每年可達(dá)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(yīng)
植物通過根部吸收碘，還可通過葉面從大氣中吸收。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(shù)雙子葉植物含量少。
關(guān)于碘對(duì)植物是否必須,尚未得到普遍證明。早在20世紀(jì)60年代初就有人發(fā)現(xiàn)能刺激高等植物生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明,過量的碘對(duì)植物會(huì)產(chǎn)生毒性。其毒性隨植物種類和栽培條件而有顯著不同。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(xiàn)毒害癥狀,其嚴(yán)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(gòu)成元素。它們以血漿蛋白結(jié)合的形式在體內(nèi)循環(huán),發(fā)揮激素功能。
碘在人體內(nèi)流動(dòng)和合成甲狀腺激素的過程：
首先,吸收碘,通過甲狀腺濾胞上皮細(xì)胞將血漿中的碘吸收。其次,碘被過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。或者一個(gè)T1與T2結(jié)合在一起形成T3,合成后的T3、T4仍然連結(jié)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(nèi)所起的生物效應(yīng)是：調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換；促進(jìn)生長(zhǎng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(dǎo)致動(dòng)物和人體一系列生理生化的紊亂，可引起甲狀腺機(jī)能降低和腫大，免疫反應(yīng)減弱，厭食，繁殖機(jī)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,癌癥發(fā)病率在大多數(shù)國(guó)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(jù)癌癥在世界范圍內(nèi)分布狀況、特點(diǎn),提出80%~90%的癌癥是由環(huán)境引起的。近年來世界衛(wèi)生組織(WHO)的報(bào)告也認(rèn)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(dǎo)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,在許多流行病調(diào)查及致癌實(shí)驗(yàn)中顯示硒(Se)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤具有抑制作用。硒是生命的必需元素。近年來它已成為國(guó)內(nèi)外最受重視的微量元素之一。在我國(guó)已用硒預(yù)防克山病、大骨節(jié)病等。還認(rèn)為硒可防癌、抗衰老等。近年來國(guó)際上已召開多次以硒為專題的醫(yī)學(xué)會(huì)議。
硒是類金屬元素,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(xiàn)地帶性差異,據(jù)20多個(gè)國(guó)家報(bào)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(guó)由東北向西南有一低硒帶?？松讲『痛蠊枪?jié)病即流行于這一地帶。土壤中平均含硒量約為0.1mg/kg。
硒在天然水中以Se0、Se2-、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(jié)構(gòu)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(jī)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(nóng)作物、牧草等都對(duì)硒有一定的富集作用。在生物體內(nèi)的硒都是以有機(jī)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(jī)體后都易被吸收。吸收的硒廣泛分布體內(nèi)，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，脂肪中幾乎無硒。我國(guó)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(xiàn)了含硒的谷胱甘肽過氧化物酶（gSHpx）是一種有過氧化氫和脂肪過氧化物和多種過氧化物的分解酶，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(nèi)gSHpx活性低；脂質(zhì)過氧化物增多；生物膜磷脂中不飽和脂肪酸類,易被過氧化成脂質(zhì)過氧化物。從而造成內(nèi)細(xì)胞損傷。補(bǔ)硒則是起到清除過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(diào)查,指出低硒與腫瘤發(fā)病率的相關(guān)性。其后在27個(gè)國(guó)家的調(diào)查得到相似的結(jié)果。我國(guó)江蘇啟東為肝癌高發(fā)區(qū),這里也發(fā)現(xiàn)肝癌與環(huán)境中硒有一定關(guān)系。硒的防癌機(jī)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(yùn)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(dá)靶部位；④刺激免疫反應(yīng),提高免疫系統(tǒng)的保護(hù)能力,維持細(xì)胞正常代謝功能,及對(duì)致癌物的解毒作用等。這些調(diào)查和說明都是有意義的,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·《生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)》·第二篇 生態(tài)系統(tǒng)功能·第九章 第六節(jié)
