重金屬毒理學理論和使用標準《環(huán)境毒理學》

1、重金屬毒理學理論和使用標準 環(huán)境毒理學概述貢Hg鉛Pb2環(huán)境化合物化合物的類型(e.g. 重金屬, 農藥, 溶劑, etc.).物理性狀(e.g.稠密的非水相液體DNAPLs,VOCs, 資源保護和恢復法確認的廢棄物RCRA characteristic waste). 持久性、生物累積、有毒化合物（PBT）: Persistent, Bioaccumulative and Toxic.法規(guī)或其他規(guī)定的(如：優(yōu)先污染物, 12種POPs (dirty dozen), RCRA(Resource Conservation and Recovery Act ) 廢物, 綜合環(huán)境響應、補償、責任法規(guī)

2、定的有害物質CERCLA Hazardous Substances).源頭, 途徑或終點(e.g. 真菌毒素, 蛇毒, 空氣污染物等).3優(yōu)先污染物（Priority Pollutants） 清潔水法(U.S.C. 466) 307(a)(1)列出的一組有毒化合物或分類。1977首次提出. 該列表目的是為了保護公眾健康，規(guī)范工業(yè)排放物.環(huán)境化合物4優(yōu)先污染物（Priority Pollutants） 銻Antimony,鉈thallium,石棉asbestos,丙烯醛acrolein, 丙烯腈acrylonitrile, 四氯化碳carbontetrachloride, 氯苯chloroben

3、zene, 二氯乙烷1,2-dichloroethane,二氯乙烯1,1dichloroethylene,硝基苯nitrobenzene, 汞mercury 二氯丙烷1,2-dichloropropane, 氯奈2-chloronaphthalene, 屈chrysene,二苯并(a,h)dibenzo(a,h)anthracene硫酸硫丹endosulfan sulfate, 二氯酚2- chlorophenol,鄰苯二甲酸丁基芐butylbenzyl phthalate, 多氯聯苯polychlorinated biphenyls.5殘留, 生物積累和毒性高毒性, 長時間滯留物質.隨食物鏈

4、增長.有繁殖、發(fā)育、突變、致癌或神經效應潛能.6殘留, 生物積累和毒性（12種POPs）艾氏劑Aldrin/狄氏劑dieldrin烷基鉛Alkyl-lead苯并a芘Benzo(a)pyrene氯丹ChlordaneDDT, DDP, DDEDioxins and furans六氯苯Hexachlorobenzene汞及其化合物滅蟻靈Mirex八氯苯烯OctachlorostyrenePCBs毒殺芬Toxaphene7重金屬的定義幾種主要說法是：(1)比重大于5或4的金屬為重金屬，比重大于5的金屬約有45種；(2)從原子序數21起，即從鈧起稱為重金屬。環(huán)境科學中所研究的重金屬。主要是指汞、銅、鎘

5、、鉛、鋅、鉻等元素，還有銀、錫、鈷、鎳、硒等。砷雖為非金屬，但毒性和某些性質類似于上述元素，類金屬砷也包括在重金屬之列。 1.概述8重金屬的定義幾種主要說法是：(1)比重大于5或4的金屬為重金屬，比重大于5的金屬約有45種；(2)從原子序數21起，即從鈧起稱為重金屬。環(huán)境科學中所研究的重金屬。 主要是指汞、銅、鎘、鉛、鋅、鉻等元素，還有銀、錫、鈷、鎳、硒等。砷雖為非金屬，但毒性和某些性質類似于上述元素，類金屬砷也包括在重金屬之列。 1.概述9102. 汞1112 貢的歷史HgS:朱砂(Cinnabar, Vermillion )自然汞Ancient mining in Spain, Italy

6、, China 公元前1500 年古埃及墓中發(fā)現Bible, France, 13th c.Hermes1213 一種神秘的元素Native mercury: argentum vivum （拉丁語：活的銀）朱砂的熱蒸汽冷凝形成汞: 水銀hydrargyrum(water silver, Gk)From Basil Valentine, Last Will and Testament, London, 1671 Chemiske forelasningar, Upsalla. 1775 Medicinisch-Chymisch- und Alchemistisches Oraculum, Ul

7、m, 1755 1314 Turba Philosophorum早期的拉丁煉金術課本之一,the Turba Philosophorum ，或煉金術匯編，出版于12世紀. “在所有哲人的評估中汞是第一個要素.”“金是由汞而凝結產生而成.”1415 全球汞循環(huán)1. 巖石、土壤、地表水或火山爆發(fā)、人類活動都產生汞.2. 通過大氣以氣態(tài)方式運動.3. 沉降到土地和地表水體.4. 轉化為元素進入不溶解的硫化汞5. 沉積或生物轉化為更揮發(fā)或溶解的形態(tài)，如甲基汞6. 再進入大氣或食物鏈中的生物累積1516 汞的水循環(huán)在土壤中, 元素態(tài)汞相對無害,二價或顆粒態(tài). 當二價Hg2+轉化到甲基汞(CH3Hg+)

8、才產生危害. 甲基汞是硫酸鹽還原菌在厭氧環(huán)境中代謝的副產品. 現在知道無機汞是如何在這個過程中轉化為有基汞的, 但一個假設是二價汞Hg2+ 與硫S 結合形成硫化汞鹽，這可被細菌吸收.HgS CH3Hg(II)X + H 1617 Mercury in the Modern Environment環(huán)境中70% 的汞來自人類活動: 金屬開采和冶煉,城市和醫(yī)學廢棄物焚燒, 污水, 燃煤電廠和水泥制造.火山爆發(fā)也是源.在過去100年間, 工業(yè)化使環(huán)境有效汞增加了三倍.Hg 屬于PBT物質（Persistent Bioaccumulative Toxic）Coal plant near Jangtse,

9、 China 1718 Mercury 的應用 燃料和色素 氣壓、流量計 陶藝 藥物和化妝品 人類和動物疫苗 種子和草皮殺菌劑 舊玩具和化學裝置 氯堿過程Chloralkali process(Cl2) 科學設備 運動鞋光亮劑 電池 老化橡膠和油漆 真空測量 水銀開關 溶劑 農藥他有獨一無二的性質：導電性、測溫度和壓力、防腐劑、催化劑Thermostat switch1819 文學人物Mad Hatter在Lewis Carroll 的愛麗絲漫游仙境中的mad Hatter 其“瘋”就是因為汞中毒.汞的硝酸鹽在19世紀被廣泛用于皮毛的防腐，皮毛衣物在當時是非常流行.長期在皮毛工廠工作的工人有煩

10、躁癥狀，這是吸入了汞煙氣的結果，有些效應是生物學上不可逆的.1920 醫(yī)學中的汞19世紀為治療梅毒使用了汞，產生許多副作用甚至導致死亡. 汞化合物過去曾用作利尿劑(diuretics), 抗傳染劑(anti-infectives), 軟瀉藥（laxatives）, 紅藥水skin treatments (“Mercurochrome”).Meriwether Lewis 探索了汞的毒性，造成抑郁、自殺等.2021 腎中毒Nephrotoxic汞產生主要的腎中毒效應，腎小管細胞膜.在低濃度, Hg 結合到膜蛋白的巰基上，作為利尿劑抑制Na+ 的再吸收. 有基汞制劑在1920s-1960s 一直作

11、為利尿劑汞撒利“Mersalyl” C13H17HgNO6 2122 甲基汞神經毒性Neurotoxicity of MeHg所有形態(tài)的汞都有神經毒性 甲基汞Methylmercury (MeHg) 是典型神經毒物. MeHg很低水平也能在發(fā)育中的胎兒中表現出神經毒性.Philip W. Davidson 2223 魚類和甲基汞魚類消費是人類暴露的主要源.海洋哺乳類和甲殼動物也有MeHg.水環(huán)境中的MeHg 主要源頭是大氣汞沉降，然后通過微生物的生物甲基化和生物放大沿食物鏈傳遞.在美國的大部分魚類汞含量低于0.5 ppm 但有些魚齡長, 大型肉食性魚類（carnivorous fish）含量超

12、過1 ppm.金槍魚Tuna, 鯊魚shark, 旗魚都超過1 ppm.Philip W. Davidson 2324 MeHg 暴露: 嬰兒和孩子大部分健康關懷來自孕期內in utero 暴露, 孕婦和兒童的暴露來自母乳和水產品消費.2425 甲基汞毒性事件1950s, MeHg 染毒主要是工業(yè)排放，發(fā)生在日本的Minamata 和Niigata . 超過21,000 人因水俁?。∕inamata disease）受害而索賠; 大約3 ,000 人經政府確認。在Minamata有600人死亡。這些排放污染的魚隨后被捕撈并被當地居民消費。染毒的人表現為多種神經損傷。 1971-1972年, 伊

13、拉克爆發(fā)中毒事件，起源于面包制作中用了MeHg 種衣劑殺真菌。受害者6 ,530人, 439 人死亡. Philip W. Davidson 2526 Japans top court orders government to pay Minamata mercury poisoning victims 22 years after case filedBy: KOZO MIZOGUCHI - Associated Press October 15, 2004 TOKYO - Japans top court ordered the government Friday to pay $703,

14、000 in damages to victims of the Minamata mercury poisoning 22 years after their famous case was filed over an industrial pollution disaster that killed more than 1,700 people and caused diseased mothers to give birth to deformed babies.After the decision, several plaintiffs rushed from the courthou

15、se and unfurled a banner declaring their victory to cheering supporters. The government apologized to victims for failing to prevent the pollution. We assure you that this horrific incident wont ever be repeated, Environment Minister Yuriko Koike said, making a deep bow to plaintiffs in a meeting af

16、ter the verdict. The government will tell about the lessons learned here for generations to come.“ The Minamata poisoning was Japans worst case of industrial pollution. Since the 1950s, hundreds of people have contracted Minamata disease - a neurological disorder caused by mercury poisoning - from e

17、ating tainted fish. The disease, first discovered in the 1950s, was named for Minamata Bay in southern Japan where a company dumped tons of mercury compounds.Babies of poisoned mothers were born with gnarled limbs. The victims were seared into memory by a famous series of photographs by W. Eugene Sm

18、ith from the 1970s, including one of a woman holding her deformed child in a bathtub.The case came to symbolize the dark side of Japans remarkable growth to the worlds second-largest economy in the post World War II era.According to government figures, 2,955 people contracted Minamata disease, and 1

19、,784 people have since died. Under a special law, victims can receive free medical care and compensation. Another 12,000 people who were sickened had received a one-time government payout but werent eligible for free medical care26Principles of Environmental Toxicology 27 Tomoko in Her Bath 2728 水俁病

20、Minimata Disease攝入大量甲基汞污染水產品后的神經紊亂，這些汞來源于兩個工廠的排放物Minamata and Niigata, Japan。Yukio Takizawa Akira Sekikawa2829 從水俁病汲取的教訓環(huán)境汞污染對人體產生嚴重的后果健康和環(huán)境考慮必須綜合到工業(yè)和經濟發(fā)展的規(guī)劃階段.Yukio Takizawa Akira Sekikawa29YearEvents1956First report unknown disease to Minamata Public Health Center (the official discovery of Minama

21、ta Disease).Restraint measures initiated to restrict intake of fish and marine creatures from Minamata Bay, etc.1965Showa Denko., Ltd. Stopped manufacturing of acetaldehyde.Discovery of Niigata Minamata Disease.Restraint measures initiated to restrict intake of fish and shellfish from the Agano Rive

22、r. 1968Chisso Co., Ltd., stopped manufacturing of acetaldehyde.The collective view of the government on the cause of Minamata Disease announced. 1969Law Concerning Special Measures for the Relief of the Pollution-related Disease enacted.1970Water Pollution Control Law established.30 水俁病年表301971Court

23、 decision on the first suit concerning Niigata Minamata Disease issued.(The responsibility of Showa Denko Co., Ltd. to pay compensation for damage recognized.)1973Court decision on the first suit on Kumamoto Minamata Disease issued.(The responsibility of Chisso Co., Ltd. to pay compensation for dama

24、ge recognized.)The agreement on compensation between the patients and Showa Denko Co., Ltd., reached.The agreement on compensation between patients and Chisso Co., Ltd. reached. 1974Dredging of the polluted bottom sediment of the Minamata Bay began.1976Dredging of the polluted bottom sediment of the

25、 Agano River began.1990Dredging the bottom sediment of Minamata Bay finished.Legal Reconciliation recommended31 3132 原因的研究 開始懷疑最可能的病因是腦炎（encephalitis）,然后是化學中毒. 很明顯，它不是一般的食物中毒. 推測是化學品中毒. 所有年齡段的男人和女人，包括孕婦癥狀相似并且貓也有類似的癥狀. 然后開始懷疑魚類和甲殼類中毒的可能性.Yukio Takizawa Akira Sekikawa3233 疾病調查考慮了患病人群的地理（ geographical

26、）和年代（ chronological ）分布, 懷疑是乙醛工廠排放的化學物質,工廠在Minamata灣邊. 開始沒有懷疑汞, 汞污染的理論是用了好多年才形成的. 這是因為這種疾病的病因學特殊.Yukio Takizawa Akira Sekikawa3334 MeHg from Acetaldehyde ManufacturingJapan Ministry of Environment Chisso Co., Ltd.CH3CHO 乙醛作為原料用在乙酸、乙酸乙酯和其他化合物合成中3435 以前的臨床知識不知道MeHg 這個病與傳統(tǒng)的工業(yè)汞中毒可以清楚地區(qū)別. 長達12 年調查的官方結論.

27、有關汞化合物的傳遞及食物鏈的科學經驗在當時非常有限, 同樣分析非常低濃度的甲基汞也有困難.Yukio Takizawa Akira Sekikawa3536 結論在1968 年, 日本政府分類了當時全部的有關水俁病的信息，發(fā)表了如下觀點: “水俁?。∕inamata disease）是中樞神經系統(tǒng)中毒的疾病，病因是甲基汞, 甲基汞是制造乙醛過程中的副產品，Chisso Co.Ltd. 位于Minamata City 和Showa Senko Co.Ltd., 位于Agano 河上游是兩個排放源. Yukio Takizawa Akira Sekikawa36Principles of Envi

28、ronmental Toxicology 37 Outbreak of Minamata Disease Japan Ministry of Environment 有些Minamata居民每天攝入300-1500 g水產品，其中汞平均含量為3-4 ug/g，引起中毒.3738 2001年確認病人的分布Japan Ministry of Environment 3839 魚體內汞污染水平Minamata Bay AreaAgano River BasinJapan Ministry of Environment 39Principles of Environmental Toxicology

29、40 環(huán)境污染控制 停止使用汞的生產流程 控制工業(yè)排放物 恢復環(huán)境, 包括清除污染的沉積物 禁止攝食污染的魚類和海產品4041 臨床特征I 四肢遠端感覺障礙. 小腦失調（Cerebellar ataxia）. 視野同心收縮. 眼球運動中樞紊亂. 中樞聽力損傷. 不平衡.Yukio Takizawa Akira Sekikawa4142 臨床特征II 嬰兒水俁病. 智力障礙. 不同程度的后天性神經不協調. 后天有水俁病體征，但沒有感覺紊亂.嬰兒水俁病包括胎兒水俁病，胎兒通過胎盤暴露甲基汞導致的疾?。怀錾笏畟R病，后天攝入甲基汞引發(fā)的疾病.Yukio Takizawa Akira Sekikawa

30、42Principles of Environmental Toxicology 43 手指肌肉攣縮這是典型的水俁病病人體征Yukio Takizawa Akira Sekikawa4344 先天性水俁病 Congenital Minamata Disease在Minamata, 孕婦攝食了污染魚類表現不是太顯著, 但是對胎兒有發(fā)育障礙, 包括大腦性麻痹（cerebral palsy）,智力低下（mental retardation）和癲癇（seizures). 這些結果稱為先天性水俁病, 首次提出了胎兒大腦對MeHg 暴露高度敏感. 有22 例報道. 產前暴露水平沒有查實; 沒有劑量反應關系

31、的信息. Philip W. Davidson 4445 診斷 由于水俁病各種體征也可以由其他疾病引起,診斷甲基汞暴露是確診的基礎, 這樣可以提高確診率. 對典型病人診斷是容易的，但是對非典型病人或中等典型的病人比較困難區(qū)別于其他疾病.Yukio Takizawa Akira Sekikawa4546 體征頻率1; Constriction of visual filed, 2; Superficial sensory disturbance, 3; Deep sensory disturbance, 4; Ataxia (adiadochokineses), 5; Ataxia in wri

32、ting, 6; Ataxia in buttoning, 7; Ataxia in finger-finger, in finger-nose tests, 8; Ataxia (Rombergs sign), 9; Impairment of speech, 10; Impairment of hearing, 11; Impairment of gait, 12; Tremor, 13; Muscular rigidity, 14; Ballism, 15; Chorea, 16; Athetosis, 17; Contracture, 18; Exaggerated tendon re

33、flex, 19; Weak tendon reflex, 20; Hemiplegia, 21; Salivation, 22; Sweating, 23; Slight mental disturbance4647 處理 沒有特殊有效的治療. 汞排出:青霉胺Penicillamine, 硫醇Thiol, Gulation, EDTA-Ca與vitamins功能訓練治療.早期階段藥物通常與Ringer 溶液或5% 葡萄糖液混合并且靜脈滴注.在伊拉克甲基汞的排出用D-penicillamine, N- acetyl-DLpenicillamine, thiol resin（硫醇樹脂）, etc

34、Yukio Takizawa Akira Sekikawa4748 Minimata 灣疏浚已知有70-150 噸的汞被排放到Minamata Bay ，Chisso Co. Ltd. 為快速安全處理這些含汞污泥,國家和Kumamoto地方當局會同Chisso 在1974年共同負擔疏浚和部分土地恢復工作.Yukio Takizawa Akira Sekikawa48Principles of Environmental Toxicology 49 Minimata 灣疏浚AreaTreated areaVolume of sludge disposedLandfill area582,000

35、m2 726,000 m2 Dredged area1,510,000 m2 784,000 m2 Total2,092,000 m2 1,510,000 m2 Japan Ministry of Environment 4950 新的Hg標準 不同的指示顯示了攻擊人體的不同數值(在成人神經體征水平)Average daily intake3-7 g/kgBody burden15-35mg（50kg weight)Total mercury concentration in blood20-50g/100mlTotal mercury concentration in hair50-125g

36、/g排放物汞標準是基于日本水污染控制法Total mercury0.005mg/lAlkyl mercury compoundsMust not be detected(Limit of detection 0.0005mg/l)Japan Ministry of Environment 50汞的環(huán)境衛(wèi)生標準 WHO: 每人周總汞攝入量不得超過0.3mg; 其中甲基汞不得超過。 汞在各種環(huán)境中的限量標準： 地面水、飲用水、農業(yè)灌溉水均為0.001 mg/L; 居民區(qū)大氣日平均允許標準為0.0003 mg/m3; 車間空氣金屬汞允許標準為0.01 mg/m3。 51Principles of E

37、nvironmental Toxicology 52 水俁病的紀念Completed in 1996, the 40th anniversary of the official discovery of Minamata disease: 1) As a prayer and requiem for those sacrificed to Minamata disease; 2) As a pledge, based on the experience of Minamata disease, to never allow the repetition of such disasters; 3

38、) so as to pass on the lessons of Minamata disease to future generations. (City of Minamata)5253 臨時的每周攝入許可 FAO/ WHO 聯合食品添加劑專家委員會推薦“任何汞作為漂白劑都有問題. 推薦暫時的允許周攝入量0.3mg 總汞, 甲基汞不超過0.2mg. 日本健康福利部為成人(body weight 50Kg)設定許可為總汞0.25mg 甲基汞0.17mg.5354 塞舌爾, 法羅群島兒童發(fā)育研究1998 大量消費海產品的人群. 兩個研究決定了產前MeHg 暴露和分娩后確定的神經發(fā)育結果. 暴

39、露水平是類似的(mean 4.0 ppm in Faeroes and 6.0 in Seychelles).塞舌爾的兒童發(fā)育研究檢查了同齡組(n =779)五次，分別在出生后(6.5, 19, 29, 66和107 個月). 法羅同齡組檢查了7 歲組和14 歲組.Philip W. Davidson 54Principles of Environmental Toxicology 55 Child MeHg: Divergent（分歧的） Findings兩個研究的發(fā)現是不同的. 塞舌爾, 46 主要終點跨越五個年齡組,僅一個終點顯示了與產前MeHg 暴露有關的不利效應.法羅, 在產前MeH

40、g 暴露和記憶、語言、視覺空間測量之間的不利效應發(fā)生在一個年齡組.在有些例子中這些離散結果發(fā)生在同樣的測量中.Philip W. Davidson 55Principles of Environmental Toxicology 56 MeHg 參比劑量 ATSDR, NRC, NIEHS 評估了MeHg 研究. USEPA 推薦參比劑量(RfD) 低于0.5 ug/kg/day 到 NRC 與EPA 的RfD 一致(2000).塞舌爾的數據沒有顯著的不利效應報告，所以要慎重.魚類組織殘留基準0.3 mg MeHg/kg (EPA 2001).! 法羅的報告有(PCBs) 在食物中，所以可能與

41、Hg暴露混淆.NRC 的結論引發(fā)了更多的問題.Philip W. Davidson 5657 公共政策問題 挑戰(zhàn): MeHg 是潛在的有食物有效性的神經毒素政府需要公共安全政策來使暴露最小化. 焦點: 疫苗(thiomersal)、牙醫(yī)用合金汞、孕期的魚類消費限制. 在US 不同管理當局有不同的最低劑量數據(FDA, EPA, ATSDR) . 魚類消費顧問有問題. 疫苗安全和公共健康關懷.需要進行低劑量研究.573.鉛Pb58鉛(lead，Pb)：灰白色金屬，原子量，比重，熔點327.5，沸點1620，加熱至4005OO時，即有大量鉛蒸氣逸出，并在空氣中迅速氧化成氧化亞鉛，而凝集為煙塵。隨著熔鉛溫度的升高，可進一步氧化為氧化鉛、三氧化二鉛、四氧化三鉛，但都不穩(wěn)定，最后離解