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)是常導致某些生態(tài)系統(tǒng)中生命含量的異常，或不足，或過剩，會造成植物、動物乃至人類的疾病。俗話說“一方水土養(yǎng)一方人”就是這個道理。這類疾病常呈現(xiàn)區(qū)域性，故稱為“地方病”。據(jù)統(tǒng)計，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(wěn)定狀態(tài)。一旦平衡的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，病變就會發(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，居住于有關地方病病區(qū)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(shù)與微量元素有關。氟過多而造成的地方性氟中毒，除上海市以外的29個省市幾乎都有分布。有7000多萬人口生活于缺硒的環(huán)境，這些地區(qū)流行克山?。ㄒ言?6個省發(fā)現(xiàn)）、大骨節(jié)?。s有14個省發(fā)現(xiàn)）。地病性癌癥，如肝癌、食管癌等均在一些地區(qū)流行。我國是缺碘癥較為嚴重的國家之一，我國現(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(shù)多的一種病癥，世界上有110多國家約有10多億人患有此病；中國有20多個省約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500萬。在缺碘區(qū)，每個人都處于“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，破壞了生產力，而且是不可逆的終生損害。孕婦缺碘可致早產、死產、先天性畸形兒、先天聾啞兒等。碘缺癥引起的危害不僅關系當前，更嚴重的影響了未來。
2.碘的分布
碘及其化合物有-1、0、+1、+3、+5、+7價，碘主要以0、+1、+5價狀態(tài)存在。碘是一種非?；顫?、大多數(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,遷移性強的特點。據(jù)考察碘的分布相當廣泛而不均勻,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)碘化物經過雨雪沖刷,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,要經過1~2萬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(qū),必須長期的進行人工補碘。
3.碘的循環(huán)
碘由陸地隨水進入海洋,由海洋逸出進入大氣,再通過降水進入陸地,形成一個大循環(huán)。在生物中,通過海洋、陸地兩個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、浮游動物則從水生生物中取得碘；人類則既可從動、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的動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。更具體一點說,土壤中的碘易隨水流遷移,陸地上劇烈流入海洋的水運動在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，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(xiàn)能刺激高等植物生長。實驗證明,過量的碘對植物會產生毒性。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時產生毒害,而豌豆在0.5mg/kg時出現(xiàn)毒害癥狀,其嚴重程度隨濃度的增高而增加。
碘是動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T2縮合脫一個丙氨酸即成為T4。或者一個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(jié)能量轉換；促進生長發(fā)育；促進蛋白質的合成；活化100多種酶；維持中樞神經系統(tǒng)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,癌癥發(fā)病率在大多數(shù)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研究的前沿領域。Higginson (1969)根據(jù)癌癥在世界范圍內分布狀況、特點,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。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,在許多流行病調查及致癌實驗中顯示硒(Se)對實驗腫瘤具有抑制作用。硒是生命的必需元素。近年來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(jié)病等。還認為硒可防癌、抗衰老等。近年來國際上已召開多次以硒為專題的醫(yī)學會議。
硒是類金屬元素,硒化合物一般有-2、0、+4、+6四種價態(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?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范圍在0.1~400ug/L,主要決定于地質結構的特征。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。在富含有機質和腐殖質的土壤中易積累硒。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，硒蛋白質的形式存在。將硒蛋白質水解證實硒主要以硒代半胱氨酸形式存在。
人體中硒的水平決定于攝入食物的含量及其存在形式。硒化合物經消化道進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(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。
人和動物的食物缺硒時,體內gSHpx活性低；脂質過氧化物增多；生物膜磷脂中不飽和脂肪酸類,易被過氧化成脂質過氧化物。從而造成內細胞損傷。補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進行了大量調查,指出低硒與腫瘤發(fā)病率的相關性。其后在27個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(qū),這里也發(fā)現(xiàn)肝癌與環(huán)境中硒有一定關系。硒的防癌機理受到關注。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,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(tǒng)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。這些調查和說明都是有意義的,仍然需進一步的深入研究。
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——摘自科學出版社·蔡曉明編著·《生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學》·第二篇 生態(tài)系統(tǒng)功能·第九章 第六節(jié)
