常见金属元素对人体的影响
本文选取的13种元素主要包括常见的重金属元素。其中Pb，Hg，Cd等剧毒致癌金属对人体危害巨大，Cr，Cu，Ni，Ba，Mn，Co几种人体微量元素在人体内含量过多也会影响健康。Zn，Fe两种元素在人体内代谢失衡或缺乏都会造成一定危害。Al，Ti并非人体必需元素，Al对人体健康有害，而Ti则属于人体友好金属。
按照被人类摄取的渠道可分为
类：
生活用品。在食品中，皮蛋、爆米花、普通含铅质金属罐头、水果皮等；经常接触的彩色包装袋、油漆、含铅化妆品、染发剂、汽油、含铅的蜡烛；不合格的厨房用具如含铅的陶瓷釉餐具、含铅的金属厨具等，当遇到酸性食物时，它们就会有铅析出，混入食物。
农作物和水产品。没有处理彻底的铅通过被排入河流、湖泊、海洋等进入水系，进入土壤中。而铅不能被生物降解，会进入水产品或农作物中，成为人们的
美食
铅的毒性机制
铅是通过氧化应激和离子机制的作用在活细胞中引起毒性。活性细胞中的氧化应激会使自由基和抗氧化剂之间产生不平衡，抗氧化剂可以使中间体解毒或修复所造成的损伤。抗氧化剂
如谷胱甘肽
存在于细胞中，使其免受自由基
的影响。但在铅的影响下，活性氧
含量升高，从而导致抗氧化剂含量降低。在高浓度下，
ROS
可能导致细胞、蛋白质、核酸、膜和脂质的结构损伤，加速了细胞的氧化。铅毒性的离子机制，主要是金属铅离子可以代替
Ca2+
Mg2+
Fe2+
等其他二价阳离子和一价阳离子
，影响细胞的代谢，可导致细胞粘附，影响细胞内和细胞间信号传导，蛋白质折叠、成熟、凋亡、离子转运、酶调节和神经递质释放等各种生物过程的显著变化。铅可以代替钙，甚至在低摩尔浓度下影响蛋白激酶
的产生，从而影响神经兴奋调节和记忆储存。另外，铅在血液中和硫基具有较强的亲和力，与硫基结合可以影响
氨基乙酰丙酸脱水酶的功能，催化
氨基乙酰丙酸
和胆色素原
的产生，还可以促使
而不是
与原卟啉结合导致锌卟啉
的产生，并导致血红素的生成过程受阻。铅的摄入还可以导致胆固醇、甘油三酯和脂蛋白含量升高，引起心血管疾病的产生，同时铅还可以扰乱血管内皮源性舒张因子的活性，降低血管的收缩性，引起高血压。
金属汞可以通过采矿和冶炼等过程进入空气中，从而进入土壤、水和人体中，还可以通过仓储过程中的自然侵蚀、工业排放和垃圾填埋场等方式进入水系，通过地表径流进入河流、湖泊、海洋和地下水中，从而污染鱼虾等水生物，积聚于水生物中的汞最终进入人体，对人体造成严重危害。自工业革命以来，汞在全球土壤、水和空气中的含量已增加了
倍，工业排出的含汞废水中，氯碱行业占首位，其次是农药、机械和炸药等行业。
汞的毒性机制
有机汞
如甲基汞和乙基汞
具有天然的亲脂性，可以轻松穿过细胞膜进入动物和人体组织器官，其中甲基汞可以通过鱼虾等水生物进入人体，而乙基汞则可通过疫苗、防腐剂等进入人体。甲基汞会联合并加速神经毒素分子
天冬氨酸盐、血清素、谷氨酸盐
的产生，造成组织微管损伤、脂质过氧化和线粒体损伤。不同于甲基汞，乙基汞能够迅速代谢成无机汞盐，无机汞呈不均匀的分布模式，主要集中在肾脏，可导致急性肾功能衰竭等肾脏疾病。
大脑是汞的主要靶器官，汞还可以损害其它任何器官，导致神经、肾脏和肌肉功能障碍。汞还可以扰乱膜电位，并中断细胞内钙稳态，在破坏蛋白质的第三级和第四级结构中发挥关键作用，并通过甲基汞与硫基的结合损害细胞功能。汞还介导了
DNA
的转录和翻译过程，可导致核糖体和内质网消失以及细胞活性下降。此外，汞在重金属螯合作用下，和硫醇基结合，并通过自由硫醇基，加速了汞在各种配体中的迁移速度，这可以显著增强汞在基体中的毒性。
三废
，含镉的物质通常通过废水、废气排入环境中，污染水源和土壤，再通过灌溉、种植等途径污染农作物。除此之外，许多儿童和成人的玩具和饰品中也含有大量的镉，儿童喜欢将玩具和饰品含在嘴里，这对儿童造成了一定的危害。
镉的毒性机制
镉可以通过影响酶的转录因子、细胞信号转导酶和
DNA
胞嘧啶甲基化来抑制基因表达，基因组稳定性对细胞功能的正常运行是必不可少的，特别是对于染色体复制、基因表达和蛋白质合成极为重要。镉可以诱导细胞中的活性氧，降低抗氧化酶
如谷胱甘肽
的活性，抑制
DNA
修复系统，从而可能导致细胞周期停滞、基因组不稳定、癌症以及细胞死亡等。镉还可以诱导原癌基因
CMYC
和一些转化因子的过度表达，导致细胞的快速增殖，并自发地使增殖的细胞产生
DNA
损伤。研究表明，长期摄入低含量的镉，还会促使女性乳腺癌细胞的增殖和扩散，增强雄性激素基因的过度表达和雌性受体细胞的活性，增加女性乳腺癌和其它与荷尔蒙相关的癌症发病率。
含铬的金属材料、颜料氧化剂、催化剂、铬钢、化肥、石油钻井、金属电镀、皮革厂以及燃油、煤炭、石油燃烧排出的含铬废气、废水及废渣等。铬也可以通过污水和化肥进入环境中，其中还原态的
Cr3+
不溶于水，而氧化态的
Cr6+
易溶于水，在自然界扩散迅速，且
Cr6+
毒性大，是铬污染的主要形式。皮革厂排放数种重金属元素和化合物进入水中，由于氧气在环境中的充足供应，还原价态的铬不断地被氧化为极易溶于水且具有极强毒性的氧化态形式。在铬酸盐的生产中，含铬残余物的废水灌溉会对农田造成很大程度的污染。伴随着现代农业化的普及，铬的残余物、含铬的灰尘以及含铬废水的灌溉，将铬源源不断地排入到环境中，对于土壤
植物系统造成了污染，从而进入食物链，对人体造成严重危害。
铬的毒性机制
Cr3+
对细胞膜的穿透力差，因此通常没有毒性，而
Cr6+
可以轻易穿透细胞膜，并通过吞噬作用被吸收。
Cr6+
是一种强的氧化物质，可以在体内被短暂还原为
Cr4+
Cr5+
Cr5+
的稳定是通过谷胱甘肽实现的。当
Cr6+
的还原过程远离靶细胞时，被认为是一种解毒机制，而当
Cr6+
的还原临近靶细胞时，就会有助于活性铬的产生，
Cr6+
生物还原剂如硫醇和抗坏血酸盐的反应会产生活性氧化物，如超氧化物离子、过氧化氢、羟自由基，最终引起细胞内的氧化应激，同时具有诱发基因突变和致癌的作用，因此
Cr6+
已经被国际癌症机构列为人类致癌物质类别。
乙肝疫苗、牛痘疫苗、流感疫苗等
制造、药品
抗酸剂、止疼药、胃溃疡药等
铝的毒性机制
食物中任何形式的铝化合物都可以溶于胃酸，被吸收转移到人体各个部位，在人体内，
Al3+
会取代
Mg2+
Fe3+
，扰乱许多细胞间通讯、细胞生长和分泌功能。铝可以从胎儿时期到老年整个阶段积累在人脑中，并替代一些必需元素参与脑中的生化过程，这增加了脑部额外的能量载荷，促使一些脑病的产生。铝最复杂的毒性机制在于其在神经毒性产生中的促进作用，其可使蓝斑核、黑质和脑部纹状体神经元萎缩，增加老年痴呆症和儿童自闭症的发病率。此外，体内过多的铝还会对消化系统、脑、肝、骨、肾、造血系统、免疫系统等产生不良影响，同时也会干扰孕妇体内的酸碱平衡，使卵巢萎缩，影响胎儿生长并影响机体磷、钙的代谢等。
铜的毒性机制
试管细胞培养试验表明，铜的慢性中毒会导致细胞的氧化损伤，这些氧化损伤可以导致细胞神经紊乱和铜的异常代谢。饮用铜浓度为
3mg/L
的水会引起胃肠道问题，并伴有恶心、腹泻和呕吐症状。摄入过量的铜盐，特别是硫酸铜，会导致肝坏死，最终可导致死亡。然而迄今为止，流行病学研究并没有建立铜的摄入与癌症之间的关系。另一个研究表明，铜在肝、肾、脑和角膜中的过度积累可导致威尔森病，该疾病的早期发病者是以肝脏的症状为主，例如倦怠、腹痛、肝肿大和黄胆，如果长期发展会演变成慢性肝炎、肝硬化，甚至肝衰竭，正常人肝脏中含铜的范围是
，而在威尔森病人肝脏中，它可能高达
300μg/g
。在西方发达国家，特别是奥地利蒂罗尔地区，曾报道了大量由铜中毒引起的肝硬化病例，当地人喜欢用铜制器皿喝牛奶，导致其自身摄入铜含量过多，改用不含铜的器皿后肝硬化的发病率急剧下降。
镍是一种银白色金属，具有很好的塑性、耐蚀性和磁性，被广泛应用于钢铁、合金冶炼、电镀、电池等领域。同时镍也是人体必需的微量元素，正常情况下，成人体内含镍约10mg，血液中正常浓度为0.11μg/mL，镍在激素作用和生物大分子的结构稳定性上，以及新陈代谢过程中都有参与。镍同时也是最常见的致敏性金属，约有20%的人对镍离子过敏，会引发过敏性皮炎。此外，镍还是一种强烈的致癌金属，如果吸入过多镍金属可导致肺癌和鼻窦癌，人体内摄入过多镍也会导致心血管和肾脏疾病，美国环境保护署已将镍精炼厂粉尘和镍亚硫化物列为A类人类致癌物。
人类摄入镍的主要方式是吸入。从事镍矿开采、含镍合金冶炼和合金精炼的工人，在高镍含量尘埃多的空气中吸入大量的镍及其化合物。吸入镍及其化合物的类别对其毒性和致癌性影响很大，镍的毒性和致癌性取决于镍化合物的细胞内溶解量和其理化特性，水溶性镍化合物由于能够被呼吸道快速清除，其致癌性和毒性远小于半溶性的镍化合物
如亚硫酸镍盐
。除此之外，人们还可以通过不锈钢餐具，在加热烹饪特别是盛放酸性物质的情况下，加大对镍的摄取，同时人们还可以通过皮肤接触含镍金属手环、耳环、手表、硬币和儿童玩具的方式，摄入一定量的镍。
、小麦和马铃薯中。此外，人们还可以通过含锌的药物摄入一定剂量的锌。从事锌矿开采、锌及其合金冶炼以及锌及其合金焊接的工人会通过从空气中吸入和皮肤接触的方式摄入锌。
锌的毒性机制
锌是人体必需的元素，且人类常常受缺锌问题困扰，然而一但过度补锌则会对身体造成一定程度的危害。从事锌合金冶炼及镀锌钢板焊接的工人，会从空气中吸入大量的金属烟雾
如氧化锌
，从而患有一种金属烟雾热的病，这种病的临床表现为关节痛、发热、呼吸困难和咳嗽，通常在远离其工作环境后消失。在细胞水平上，锌可以决定细胞的死亡或生长，细胞内过多或过少的锌含量都将促使细胞凋亡，当细胞内锌释放时，可以导致细胞神经系统衰退，体内锌的平衡失调会导致阿尔茨海默病的发作。
铁与人类的生活息息相关，铁及其合金被广泛应用于人类生产生活的各个领域，从航空、海洋国防领域到建筑、装饰、餐饮领域，处处可以看到铁及其合金的使用。人类主要从食物和药品中摄取铁元素，动物血、肝脏、鸡胗、牛肾、大豆、黑木耳、芝麻酱、牛肉、羊肉、蛤蜊和牡蛎等食物中含有丰富的铁，此外还可以利用铸铁锅煮番茄或其它酸性食物，锅中的铁元素会随着烹饪过程进入食物。虽然很多食物中都含有铁元素，然而我国仍然有许多人严重缺铁，严重缺铁的妇女和儿童必要时可以通过口服亚铁盐
硫酸亚铁、葡萄糖酸亚铁
补充一定剂量的铁元素。
铁的毒性机制
如下图所示，铁分布在人体各个组织中，并参与了各种各样的代谢过程，包括氧运输、脱氧核糖核酸
合成和电子运输。铁在人体内的代谢平衡对人体健康至关重要，缺铁仍然是世界上最常见和最普遍的一种营养失调，其往往会导致早产、认知和精神运动发育缺陷、工作能力受损、生长减弱、骨矿化改变和免疫反应减弱。然而，人体摄入铁过量会导致氧自由基的产生，从而对人体组织产生毒性。在铁超载的疾病中
如遗传性血色素沉着症
，自由基的产生会导致组织损伤和器官衰竭，此外，过量的游离铁被认为是致癌的，并且其产生的大量自由基可以导致
DNA
链断裂，激活致癌基因和肿瘤基因的复制。长期接触铁的质量分数超过
30%
的石棉的工人，患
石棉肺
几率大增。
铁在人体内的分布
由于钴具有高的熔点、强度和抗氧化性，主要用于超级耐热合金、工具钢、硬质合金、磁性材料及锂电池领域。此外，钴的化合物也被用于制作催化剂、干燥剂、颜料与染料等，钴的同位素
Co60
Co58
具有很强的放射性，因此被用于核工业中。人类主要通过吸入的方式摄取钴，主要发生在钴相关合金熔炼、焊接的工业场所。普通城市空气中钴含量约为
，而在重工业城市中其浓度达到
10ng/cm3
，在从事钴及其合金熔炼工厂空气中其浓度甚至高达
1100μg/cm3
。在核工业中，放射性的钴颗粒会被当作放射垃圾排放到海洋或是进入放射垃圾填埋场中，工人潜在地也会吸入或摄入一部分钴。此外，一部分含钴合金还被用作人体臀骨和假肢的植入材料。然而近期研究表明，这些含钴合金会造成移植者甲状腺、心脏和神经系统功能紊乱，这些含钴合金植入材料也有被公司召回的例子。
钴的毒性机制
可吸入钴及其化合物自身在水中的溶解性对其毒性和致癌性影响很大，溶解度高的金属钴纳米颗粒可以产生更强的细胞毒性，刺激细胞氧化应激，产生基因毒性。而低溶解度的钴氧化物
虽然产生的细胞毒性较低，但其可以刺激细胞产生更强的氧化应激，且由于其可以在肺细胞中长期
数月甚至几年
存在，因此可对肺细胞产生长期的负面影响。此外，钴可以抑制
DNA
修复，产生活性氧和氮，改变基因表达方式，促使细胞癌变。研究发现，由钴引起的毒性影响还可以由父母遗传给子女，钴的过量摄入可以导致新生儿体重降低，并增加死胎的风险。
钛在地球上的储量十分丰富，主要分布在澳大利亚、南非、加拿大、中国和印度等国，已知的钛矿物约有
140
种，但工业应用的主要是钛铁矿
和金红石
。氧化钛作为钛化合物的一种，被广泛应用于涂料、化妆品和食品保藏领域中，且随着纳米科技的进步，直径微纳米级别的氧化钛粉应用更加广泛，然而纳米氧化钛粉被认为与人体肺癌的发生有关。人类主要通过皮肤接触和吸入的方式摄入钛及氧化钛，而吸入是钛进入人体的主要方式，特别是对于从事钛及氧化钛生产和制造的工人，从空气中吸入的剂量更大。
钛的毒性机制
研究发现，从事氧化钛生产的工人患肺癌的风险要高于其他人群。人类吸入氧化钛粉
特别是纳米级尺寸的粉末
后，纳米氧化钛粉可以损伤肺、肝、肾等组织器官，其中肺是纳米氧化钛攻击的主要目标，纳米氧化钛由于尺寸小、比表面积大等特性，可以迅速渗透进入靶细胞中，一定程度上刺激了细胞的氧化应激，并损伤细胞线粒体。然而目前关于氧化钛对肺细胞的攻击及致癌机制还并不清楚，而将氧化钛列为可能致癌物质，也得到了许多组织和机构的反对，因此关于氧化钛的毒性机制还需要进一步研究。
钡在地壳中的含量为
质量百分比
，属于地壳中第十四丰富的元素，主要以重晶石和毒重石的形式存在。大部分饮用水中约含有
0.03mg/L
的钡元素，而在一些重污染地区其含量超过了美国环境保护属所规定的的
2mg/L
限定标准，一些食物如巴西果、海藻和某些特定植物也含有较高含量的钡。虽然饮用水和食物中的钡含量较低，不足以引起人们对钡对人体危害的重视，但是长期摄入低含量的钡对人体健康的影响数据仍在被收集，并值得进一步研究。工作在钡或钡化合物工厂
涂料生产、玻璃陶瓷生产
的工人，往往会从工作环境中吸入或通过皮肤接触，摄入大剂量的硫酸钡或是毒性更强的碳酸钡、氯化钡和氢氧化钡。
钡的毒性机制
钡化合物在人体内的毒性与其在水中和体液中的溶解度有关，硫酸钡不溶于水和人的体液，被认为对人体是无毒的。而碳酸钡、氯化钡可溶于水或人体液中，可以迅速穿过胃黏膜进入血液，被运输到人体各个器官
脑、肾、脾脏、胰腺和心脏
，且钡在心脏中的积累远高于其它器官，增加了心血管疾病和心脏病的发病率。摄入少量的钡盐会产生呕吐、腹痉挛、腹泻、呼吸困难、血压增加或降低、面部麻木和肌肉无力等症状，而一次性摄入大量钡盐则会产生高血压、心率失调并有可能导致人体死亡。目前关于钡盐对动物的毒性机制有大量比较深入的研究，然而很难将钡盐对动物的毒性机制转移到人类中，因此，关于钡摄入对人体的毒性机制还需进一步详细研究。
代森锰
施用、汽车尾气
锰添加剂汽油
锰的毒性机制
处于锰矿开采或钢铁加工的工人往往由于吸入过量的锰，两腿发沉、笨拙、走路速度减慢、易于跌倒、口吃、语言不清、做精细动作困难，这种症状被称为锰中毒。如果摄入剂量过大，则会四肢僵直、说话含糊不清，下颌、唇、舌出现震颤，并产生精神病症状，进一步可发展为帕金森症。锰进入人体可以产生神经毒性，影响神经节、脑皮层和下丘脑，导致神经元萎缩和苍白球胶质化，从而诱发帕金森症。此外还可以通过一些其他机制，如多巴胺氧化、星型胶质细胞的胶质毒性、刺激氧化应激、线粒体功能障碍、帕金森病基因改变对人体健康产生危害。
参考文献：
[1]李争显.《常见金属元素对人体的作用及危害》
[2]网络
本文由来自生育帮
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