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1、第九章环境地球化学调查 环境问题主要包括两个方面 第一环境 原生的 与地质背景直接有关的环境 第二环境 由人类活动产物参与的环境 研究内容包括如下四个方面 相对于人类健康必需元素而言的缺乏和过剩的地球化学调查 对人体健康有害的元素分布调查 人为污染源及污染区的地球化学监测 地质历史时期环境变化的地质地球化学记录 应用地球化学主要对前三类环境问题进行调查和评价 第一节环境科学 人体健康与环境污染物 一 环境与环境科学环境 就是人类生存的环境 是人类赖以生存和发展的各种因素的总和 从地球化学学科的本身出发 研究对象主要集中于地球表层系统的各种介质的化学问题 即第一环境问题中自然介质中化学元素的地球
2、化学调查与评价以及第二环境问题中人为污染源及污染区化学元素 无机化合物和有机毒害化合物的监测与评价 二 人体健康与微量元素对人体内无机元素来说 存在着所谓 必需元素 和 非必需元素 的提法 必需元素的三个条件为 它存在于一种动物的所有健康的活组织中 并总能在动物体内恒定地被检测到 当它从组织中被消耗掉或被移走时 动物就出现缺乏症状 而重新得到足够的补充时 这些缺乏症状就随之消失 这些缺乏症状的出现 应被证实是由于分子水平上的特殊的生物化学损坏的结果 按照这样的条件 目前已知对人的生长 发育 活动和繁殖是必需的金属元素至少有20多种 如Fe Zn Rb Sr Cu Ag Mn Cr Mo Co
3、V K和Na等 还有其他如C H O N P Cl Br F Se B I Si和As等元素 人体必需微量元素对成人的供给量 图 a 曲线的平台部分指示了对有机体生长和发育的最适宜浓度 即G Bertrand最适浓度定律 不同的元素可能有不同宽度的平台曲线 当环境中元素的供给量低于有机体所要求的最适宜浓度时 有机体的生长表现出缺乏症状 而当环境中元素的供给量超过最适宜浓度时 有机体就会中毒 甚至死亡 例如 氟具有重要的生理功能 可促进牙齿和骨骼的钙化 对神经兴奋传导有一定作用 人体正常生理需求量为0 5 1 5mg d 当缺乏氟时 引起龋齿病 老年性骨骼变脆 当摄入过量时 则会产生氟牙病 氟中
4、毒 腹痛 腹泻 呕吐 图 b 表示为一种非必需 无生物功能 有毒 元素过量对有机体影响的理想曲线 三 第一环境问题 自然介质中化学元素缺乏和过量与地方病所谓的地方性疾病 是指具有一定的发病区域环境的疾病 它是一种影响范围大 潜伏周期长 并具突发性流行 不易根治的疾病 在我国 目前主要有地方性甲状腺肿 克山病 大骨节病 地方性氟中毒病 1 碘缺乏和过量与地方性甲状腺肿大地方性甲状腺肿大 简称地甲病 是世界上流行最广的一种地方病 地方性甲状腺肿主要分布于北半球的高纬度地带 包括欧洲 亚洲 美洲的北半部 略呈带状 非洲的刚果河流域 南美的巴拉那河流域都有较大面积分布 但地带性不明显 我国是世界甲状腺
5、肿流行较严重的国家之一 广泛分布于山区和内陆 如长白山 张广才岭 大兴安岭 小兴安岭 燕山 太行山 吕梁山 秦岭 川东和川西山区 云贵高原 青藏高原以及天山山脉 昆仑山山脉都是本病严重流行区 目前的研究结果表明 地方性甲状腺肿的发病率山区高 平原低 土壤 作物和饮水中的碘含量与地方性甲状腺肿的发病率呈正负相关 对我国201个地区饮水的碘含量与地方性甲状腺肿患病率所作的统计分析表明 两者呈抛物线关系 方程为 y 114 23 37 09 2 92X2X lg 10 c g L 以患病率5 作为标准 饮水的碘含量范围为10 35 317 g L 当水碘低于最适浓度的下限 10 g L 时 饮水中含
6、碘量愈低 地方性甲状腺肿患病率愈高 二者呈负相关关系 当水碘高于最适浓度的上限浓度时 饮水中的碘含量愈高 地方性甲状腺肿患病率愈高 两者呈正相关关系 2 氟过量与地方性氟病地方性氟病是一种世界性地方病 主要流行于印度 原苏联 美国 美国 墨西哥 日本 马来西亚 德国 罗马尼亚 希腊 西班牙 葡萄牙 意大利 冰岛 阿根廷 阿尔及利亚 摩洛哥 东非 埃及 突尼斯 新西兰 澳大利亚等国 遍及五大洲 我国主要主要流行于贵洲 陕西 甘肃 山西 山东 河北 吉林 黑龙江等省 它的主要表现是氟中毒引起的斑釉牙 氟骨症和氟摄入不足引起的龋齿 近年 我国考古学家在山西阳高县许家寨发现了10万a前的古人类化石 其
7、中有许多的斑釉齿 与现代许家窑村发现的斑釉齿完全一致 地方性氛中毒的分布可分为地带性和非地带性的 地带性氛中毒的分布与自然地理纬度有关 其主要分布于干旱及半干旱带 年降水量为200 400mm左右 或更少 主要位于赤道南北的15 35 之间 它包括了中国 原苏联 和蒙古境内的干旱 半干旱区 氟中毒的发病原因可分为饮水型 燃煤污染型和食物型 危害最大的是饮水型 在我国的干旱 半干旱高氟潜水病区 如 三北 地区 安徽 江苏北部的部分地区 分散分布的深层高氟地下水病区 如河北沧州 天津 新疆奎屯 山东惠民 人体在长期摄入过量的氟时 在机体内可形成CaF2 CaF2沉着于骨及软骨组织中 破坏钙磷代谢
8、影响骨骼正常发育生长 CaF2还可导致牙齿钙化不全 牙釉受损 过量的氟可抑制许多酶的活性 干扰基因合成 影响甲状腺 胰腺 肾上腺 性腺等的内分泌功能 从而使胃 胰 心脏 大脑 肝脏等脏器和器官受到损伤 对生殖功能也有一定影响 过量的氟对中枢神经有毒害作用 影响神经传导 破坏条件反射 引起神经中毒 生活在高氟区的人群 往往有肢体麻木 知觉异常 反应迟钝 嗜睡不醒等症状 严重的氟中毒就是氟骨症 表现为骨质被破坏 堆积 骨质软化 骨外膜赘骨增生 韧带钙化 骨质疏松 随之而来的是肌肉萎缩 肢体变形 氟骨症的临床特征是腰部和腿部的大关节疼痛 运动障碍 弯腰驼背 四肢畸形 甚至瘫痪残废 3 低硒带与克山病
9、克山病是一种病因未完全查明 慢性病症的地方性心肌病 1935年在黑龙江克山县首次发现 1935年冬 克山县首次爆发流行一种怪病 患者发病时表现出心力衰竭 严重的不到几小时便死亡 由于搞不清致病原因 只好就地命名为 克山病 经过医学工作者与地学工作者对病区的地理 地貌和水 土及粮食中化学元素的长期调查研究 终于发现病区土壤中硒的含量普遍低于其它地区 从而导致人体缺硒生病 我国环境低硒带基本的生态化学地理特征是土壤 植物 动物和人体系统均处于低硒生态循环状态 1 土壤硒含量低 2 粮食硒含量低 3 人体硒营养低 4 砷中毒自从人类发现砷以来 直到本世纪的上半叶 对砷的利用愈来愈广泛 已涉及到医药
10、农业 牧业 林业及其它工业部门 砷中毒按其发病过程可分为急性和慢性两大类 急性砷中毒多为大量意外接触砷所引起的 它可严重损害胃肠道 呼吸道 皮肤和神经系统 主要表现为疲乏无力 呕吐 皮肤发黄 腹痛及神经痛 甚至引起昏迷 严重者表现为神经异常 呼吸困难 心肌衰竭而死亡 急性砷中毒的致死剂量为70 180mg 慢性砷中毒表现为肌无力 食欲减退 皮肤角化及某些神经症状 慢性砷毒患者的皮肤粗糙 而且异常干燥 头发脆而易脱落 掌及路部皮肤增厚 角化过度 许多部位出现皮疹 少数可见皮肤溃疡 躯干部位皮肤色素沉着 亦可见细小的脱色斑点 俗称为 蛤模皮 或 花肚皮 这是诊断砷中毒的一个重要标志 患者的指 趾
11、甲粗糙无光泽 脆薄易损 并出现1 3mm宽的白色横纹 这是砷中毒的典型特征 神经系统表现为多发性神经炎 如肢体感觉迟钝 麻木 刺痛 压痛 严重者表现为肌无力 行动困难 运动失调 四肢远端麻木 感觉迟钝 乃至失去知觉 长期摄入大量的砷 可导致皮肤癌 一种非恶性的肿瘤 疣状角化 砷中毒 根据砷中毒的来源 可分为药物性型 污染和职业型 生物地球化学型三种类型 砷中毒的防治 对于新开发的水源 投入使用前应进行系统的水质监测 在砷中毒地区 进行改水 在未找到合格水源之前可对高砷水采用絮凝法 石灰软化法 活性氧化铝吸附法降砷 实践表明含砷0 6mg L的1升高砷水加入0 1mg明矾 可使砷降至0 03mg
12、 L 5 伽师病伽师病主要分布于新疆喀什平原的伽师县 岳普湖县一带 病区面积约5000km2 其主要症状是长期患慢性腹泻 血钾普遍较低 女性不孕 男性不育 肝肿大 见图 伽师病严重流行的地区是在伽师县和岳普湖县的东南部 与沙漠接壤 属于荒漠盐土区 主要分布于克孜河下游冲积平原区 西起伽师县的米县乡一带 东至巴楚县西部的克拉钦克 南部包括岳普湖县西部和麦盖提县的英阿瓦提乡 新疆喀什平原不孕症示意图 新疆喀什平原低血钾症示意图 伽师病发病的地球化学环境克孜河下游冲积平原为广阔的荒漠盐土区 它的东南与托克拉克沙漠连接 气候十分干旱 年降水量为56 lmm 蒸发量为2241 2mm 为降水量的40倍
13、由于地表水 潜水很少 其分布受季节性影响很大 所以盐分在表土层中大量聚集 尤其在封闭的洼地 往往可以见到沉积的盐层 克孜河是一条典型的硫酸盐水河 在水中除了聚集有大量的氯化物外 还聚集了大量的钠 钙 镁的硫酸盐 该区的环境介质偏碱性 氧化还原电位较高 锰 锌的化学活动性及生物学活性均较低 因此 在水土和谷物中 锰 锌的含量偏低 例如 病区的土壤含锰量为360 g g 而世界土壤的平均含量为850 g g 病区的小麦含锰量为12 5 22 0 g g 而非病区的小麦含量为25 1 45 0 g g 差别是很明显的 水质与发病率的统计分析表明 以SO4 2以的作用最为明显 SO4 2具导泻作用 而
14、长期腹泻会引起体内钾大量流失 引起内分泌紊乱 可能是造成不育不孕的原因之一 与生殖和生长密切相关的锌 锰由于流失而缺乏 引起电解质及酶的代谢紊乱 使机体的代谢平衡受到破坏 同时 大量的镁进入机体后 促进电解质的代谢紊乱 干扰机体对锌 锰的吸收 饮用水中高含量的钙 也会影响机体对锌的吸收 因此 可以认为 饮用水中硫酸盐的高含量是导致不育不孕症的主导因素 锌参与精子内糖酵解和氧化过程 保持细胞膜结构的完整性和通透性 使精子具有良好的活力 精浆含锌量低的人 则其精子活力低下 男童缺锌会影响生殖器官的发育 高等生物的脑垂体中含锰最丰富 脑垂体是生命活动的控制中心 可分泌生长素 胰岛素 促肾上腺皮质激素
15、和促性腺激素 以调节机体内的各种重要生理功能 锰不足可导致促性腺激素的合成分泌失调 卵巢变性萎缩 睾丸变性和性欲减退 6 大骨节病大骨节病是一种伴有机体改变对称的地方性畸形骨关节病 病情有明显的地方性 在我国主要分布于黑龙江 吉林 辽宁 内蒙古 河北 河南 山东 山西 陕西 四川 甘肃 青海 西藏 台湾等14个省区 据报道 在俄罗斯 瑞典 日本 朝鲜 越南等国也有此病流行 饮水源与大骨节病的调查统计资料表明 居民的发病率与饮水水源类型密切相关 饮窖水 沟水的居民发病率最高 饮井水 泉水的居民发病率最低 或不发病 水质分析表明 病区和非病区饮水中Ca Mg SO42 Fe F Ba Sr Cu
16、Mo Pb Zn Mn等元素含量不存在显著差异 但是 在腐殖酸含量和KMnO4耗量之间有极显著的差异 窖水 沟水的腐殖酸 OH 含量和KMnO4耗量最高 饮基岩裂隙泉水的这两项值最低 各病区200个水样的腐殖酸测定表明 严重 较严重污染的饮水腐殖酸含量平均为0 34mg L 范围为0 14 3 19mg L 轻度或无污染的饮水腐殖酸平均含量为0 05mg L 范围为0 02 0 16mg L 同时病区饮水中的Se含量也显著低于非病区 全国病区平均为0 17 0 17 g L 而非病区平均为0 97 0 55 g L 由于大骨节横跨寒 温 热三大气候带 自然地理环境复杂多变 但是我们可以把复杂的病区环境划分为四种类型 表生天然腐殖环境病区类型 湖沼相沉积环境病区类型 黄土高原残源沟壑病区类型 沙漠沼泽草炭沉积环境病区类型 此外 在我国的云南 贵州两省 一些偏僻的山区 人们表现出头晕 耳呜 四肢酸痛无力 食欲减退 重者视神经障碍到失明 有时一夜间头发全部脱光 这就是人们说的 鬼剃头 其原因就是地区性地球化学元素异常 Tl元素含量过高而导致的Tl中毒 7 地球化学环境与癌症癌症分布不仅表现出
