常見金屬元素對人體的作用及危害

李爭顯，李 偉，LEI Jiajun，LI Qianyu，劉林濤，周 廉

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

(2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

(3.University of Florida，Florida Gainesville 32611，USA)

(4.Arizona State University，Arizona Tempe 85281，USA)

1 前言

隨著材料的快速發展，人們的生活發生了翻天覆地的改變，每一個人都在享受著現代材料帶來的便利和幸福。任何事物都具有兩面性，人們從很早就已經開始認識到金屬對人體的危害，如人們對水銀(汞金屬)的認識、對具有放射性材料的認識等等。然而，實際調研發現，人們對金屬給人體帶來的危害的認識并不清楚，有些會危害人體健康的金屬制品仍在使用。

本文選取的13 種元素主要包括常見的重金屬元素(Pb，Hg，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn，Fe，Co，Mn)，除此之外還介紹了Al，Ti，Ba 等非重金屬元素。其中Pb，Hg，Cd 等劇毒致癌金屬對人體危害巨大，Cr，Cu，Ni，Ba，Mn，Co 幾種人體微量元素在人體內含量過多也會影響健康。Zn，Fe 兩種元素在人體內代謝失衡或缺乏都會造成一定危害。Al，Ti 并非人體必需元素，Al 對人體健康有害，而Ti 則屬于人體友好金屬。本文主要探討了13種常見金屬元素的來源、進入人體途徑，及其對人體健康的影響。

2 人類攝入金屬的主要途徑

金屬元素是一種常見的元素，其以單質、化合物的形式廣泛存在于自然界中。隨著人類工業的發展，金屬元素的應用越來越廣泛，與人類的接觸也不斷密切。工人們從事金屬礦物開采、冶煉、加工，居民居住在金屬礦開采地附近，以及人們使用金屬制品，都有可能通過吸入、攝入等方式，使金屬元素進入人體[1]。值得注意的是，金屬在環境中廣泛擴散，它們傾向于在人體的某些組織中積累，而且即使在低水平的攝入量下，也會對人體的健康造成損傷[2]。

人類攝入金屬元素的途徑主要有工業品、農業品、生活用品、食物及環境等，圖1 列出了比較重要的幾種途徑[3]。地殼中蘊含的金屬元素通過地下水、石油、天然氣和各種工業品的渠道進入空氣、食物及生活用品中，而人類是通過吸入的空氣、餐飲的食物、日常生活中使用的生活必需品接觸等途徑來攝入金屬的。工業化和城市污染加劇了生活環境中金屬含量的增加。工業化過程中，工廠排出的“三廢”會使水源、土壤和空氣受到金屬元素的污染。受污染的水源可以通過地表徑流和灌溉的方式，進一步污染其它水源和土壤，從而影響水質，增加金屬在水生物(魚、蝦)中的積累，空氣中的金屬塵埃可以直接被人體吸入，也可以落在植被或土壤中，進一步積累在農作物中，最終進入人體[3，4]。一旦金屬進入人體，由于其生物不可降解性、長的生物半衰期以及它們在不同身體部位如脂肪組織中積累的潛力，嚴重威脅人體健康[5]。金屬元素還會通過增加體內氧化應激，產生自由基破壞脂質、蛋白質、酶、DNA，同時還可以通過抑制基因表達、替代必需元素(Fe，Mg，Ca，Zn 等)和誘導癌細胞產生等方式對人體健康造成不可逆轉的危害[6，7]。

圖1 人類攝入金屬途徑[3]Fig.1 Exposure routes of heavy metals to human[3]

3 13 種常見金屬元素的危害及毒性機制

3.1 鉛

鉛(Pb)是地球上最豐富的天然物質之一，其顏色為明亮的銀白色，在干燥的氣氛中略帶藍色，與空氣接觸會變暗。鉛具有低的熔點和高的延展性，在采礦、冶煉、煉油、電池等900 多個工業行業上得到廣泛的應用[8，9]。除工業外，鉛還用于農業的肥料和農藥等領域。

鉛的來源:人類主要通過工業生產、食物、吸煙和家庭活動等途徑攝入鉛[10]。在美國，每年有超過20～100 萬噸的鉛通過汽車尾氣排出，排出的鉛有些被植物吸收，有些進入土壤中并流入水系[11]。靠近河流的工業單位污水排放量增加，會導致水中鉛濃度增加[12]。與此同時，含鉛農業用化肥和殺蟲劑的使用增加，也會導致嚴重的環境問題——土壤污染[13]。因此，鉛被人類攝入的主要來源是食物和飲用水。鉛的來源按照被人類攝取的渠道可分為3 類:①生活用品。在食品中，皮蛋、爆米花、普通含鉛質金屬罐頭、水果皮等；經常接觸的彩色包裝袋、油漆、含鉛化妝品、染發劑、汽油、含鉛的蠟燭；不合格的廚房用具如含鉛的陶瓷釉餐具、含鉛的金屬廚具等，當遇到酸性食物時，它們就會有鉛析出，混入食物。② 農作物和水產品。沒有處理徹底的鉛通過被排入河流、湖泊、海洋等進入水系，進入土壤中。而鉛不能被生物降解，會進入水產品或農作物中，成為人們的“美食”。③大氣環境。當前處于工業高速發展時期，交通工具主要還是汽車，雖然已經出現了無鉛汽油，但汽車的尾氣依然是空氣中鉛的主要來源。

鉛的毒性機制:鉛是通過氧化應激和離子機制的作用在活細胞中引起毒性。活性細胞中的氧化應激會使自由基和抗氧化劑之間產生不平衡，抗氧化劑可以使中間體解毒或修復所造成的損傷。抗氧化劑(如谷胱甘肽)存在于細胞中，使其免受自由基(如H2O2)的影響。但在鉛的影響下，活性氧(reactive oxygen species，ROS)含量升高，從而導致抗氧化劑含量降低[14，15]。在高濃度下，ROS 可能導致細胞、蛋白質、核酸、膜和脂質的結構損傷，加速了細胞的氧化[16]。

鉛毒性的離子機制，主要是金屬鉛離子可以代替Ca2+、Mg2+、Fe2+等其他二價陽離子和一價陽離子(如Na+)，影響細胞的代謝，可導致細胞粘附，影響細胞內和細胞間信號傳導，蛋白質折疊、成熟、凋亡、離子轉運、酶調節和神經遞質釋放等各種生物過程的顯著變化。鉛可以代替鈣，甚至在低摩爾濃度下影響蛋白激酶C 的產生，從而影響神經興奮調節和記憶儲存。另外，鉛在血液中和硫基具有較強的親和力，與硫基結合可以影響δ-氨基乙酰丙酸脫水酶的功能，催化δ-氨基乙酰丙酸(δ-ALAD)和膽色素原(PBG)的產生，還可以促使Zn2+(而不是Fe2+)與原卟啉結合導致鋅卟啉(ZPP)的產生，并導致血紅素的生成過程受阻[17-19]。鉛的攝入還可以導致膽固醇、甘油三酯和脂蛋白含量升高，引起心血管疾病的產生，同時鉛還可以擾亂血管內皮源性舒張因子的活性，降低血管的收縮性，引起高血壓[20，21]。

3.2 汞

汞(Hg)在常溫下是一種閃亮的銀白色無味液體，加熱時會變成無色無味的氣體。汞在自然界中主要以單質、鹽類化合物和有機化合物3 種形式存在，每一種都具有不同的毒性。汞被廣泛用于制造溫度計、氣壓計、比重計、汞弧燈、熒光燈，并可應用于電池、金屬冶煉、牙科制劑和造紙等行業。

汞的來源:金屬汞可以通過采礦和冶煉等過程進入空氣中，從而進入土壤、水和人體中，還可以通過倉儲過程中的自然侵蝕、工業排放和垃圾填埋場等方式進入水系，通過地表徑流進入河流、湖泊、海洋和地下水中，從而污染魚蝦等水生物，積聚于水生物中的汞最終進入人體，對人體造成嚴重危害[22，23]。自工業革命以來，汞在全球土壤、水和空氣中的含量已增加了3 倍，工業排出的含汞廢水中，氯堿行業占首位，其次是農藥、機械和炸藥等行業[24]。

汞的毒性機制:有機汞(如甲基汞和乙基汞)具有天然的親脂性，可以輕松穿過細胞膜進入動物和人體組織器官，其中甲基汞可以通過魚蝦等水生物進入人體，而乙基汞則可通過疫苗、防腐劑等進入人體[25，26]。甲基汞會聯合并加速神經毒素分子(天冬氨酸鹽、血清素、谷氨酸鹽)的產生，造成組織微管損傷、脂質過氧化和線粒體損傷。不同于甲基汞，乙基汞能夠迅速代謝成無機汞鹽，無機汞呈不均勻的分布模式，主要集中在腎臟，可導致急性腎功能衰竭等腎臟疾病[27，28]。

大腦是汞的主要靶器官，汞還可以損害其它任何器官，導致神經、腎臟和肌肉功能障礙。汞還可以擾亂膜電位，并中斷細胞內鈣穩態，在破壞蛋白質的第三級和第四級結構中發揮關鍵作用，并通過甲基汞與硫基的結合損害細胞功能。汞還介導了DNA 的轉錄和翻譯過程，可導致核糖體和內質網消失以及細胞活性下降。此外，汞在重金屬螯合作用下，和硫醇基結合，并通過自由硫醇基，加速了汞在各種配體中的遷移速度，這可以顯著增強汞在基體中的毒性[29，30]。

3.3 鎘

鎘(Cd)是具有銀白色光澤的金屬，具有一定的韌性和延展性，其在潮濕空氣中會緩慢氧化并失去金屬光澤，加熱時表面形成棕色的氧化物層，若加熱至沸點(767 ℃)以上，則會產生氧化鎘煙霧。鎘的毒性較大，被鎘污染的空氣和食物對人體危害嚴重，且在人體內代謝較慢，日本因鎘中毒曾出現“痛痛病”。一般情況下，人體過度攝入鎘會導致鎘中毒。世界衛生組織將鎘列為重點研究的食品污染物，國際癌癥研究機構(IARC)將鎘歸類為人類致癌物，會對人類造成嚴重的健康損害，美國毒物和疾病登記署(ATSDR)將鎘列為第7 位危害人體健康的物質，我國也將鎘列為實施排放總量控制的重點監控指標之一[31，32]。

鎘的來源:鎘在全球主要應用于制造鎳鎘電池、顏料、涂料、金屬合金、核燃料中子吸收器。食物、吸煙和飲水是鎘進入人體的主要方式。植物性食品中的鎘主要來源于冶金、冶煉、陶瓷、電鍍工業及化學工業如電池、塑料添加劑、食品防腐劑、殺蟲劑、顏料等的制造過程中排出的“三廢”，含鎘的物質通常通過廢水、廢氣排入環境中，污染水源和土壤，再通過灌溉、種植等途徑污染農作物[33-35]。除此之外，許多兒童和成人的玩具和飾品中也含有大量的鎘，兒童喜歡將玩具和飾品含在嘴里，這對兒童造成了一定的危害。

鎘的毒性機制:圖2 是鎘在人體內的致癌機制，鎘可以通過影響酶的轉錄因子、細胞信號轉導酶和DNA-胞嘧啶甲基化來抑制基因表達，基因組穩定性對細胞功能的正常運行是必不可少的，特別是對于染色體復制、基因表達和蛋白質合成極為重要[36，37]。鎘可以誘導細胞中的活性氧，降低抗氧化酶(如谷胱甘肽)的活性，抑制DNA 修復系統，從而可能導致細胞周期停滯、基因組不穩定、癌癥以及細胞死亡等[38]。鎘還可以誘導原癌基因(C-FOS、C-MYC、C-JUN)和一些轉化因子的過度表達，導致細胞的快速增殖，并自發地使增殖的細胞產生DNA損傷。研究表明，長期攝入低含量的鎘，還會促使女性乳腺癌細胞的增殖和擴散，增強雌性激素基因的過度表達和雌性受體細胞的活性，增加女性乳腺癌和其它與荷爾蒙相關的癌癥的發病率[39]。

圖2 鎘的致癌機制[37]Fig.2 Major mechanisms of cadmium-induced carcinogenesis[37]

3.4 鉻

鉻(Cr)是一種銀白色金屬，硬而脆，耐腐蝕。其存在氧化價態從+2 價到+6 價不等，其中+3 價和+6 價最為常見[40]。鉻是人體必需的一種微量元素，是正常生長發育和調節血糖的重要元素，具有保護心血管和控制體重的功能。正常人體內只含有6～7 mg 鉻，其主要分布于骨骼、皮膚、腎上腺、大腦和肌肉之中[41]。雖然鉻是人體必需的微量元素，然而一旦攝入過量，就會對人體造成危害。鉻的毒性與其價態有關，Cr3+對人體幾乎不產生有害作用，但長期攝入會引發累積中毒，且Cr3+在一定條件下可以轉化為有毒的Cr6+，Cr6+比Cr3+毒性高100倍，并且易被人體吸收、易在體內蓄積[42]。

鉻的來源:含鉻的金屬材料、顏料氧化劑、催化劑、鉻鋼、化肥、石油鉆井、金屬電鍍、皮革廠以及燃油、煤炭、石油燃燒排出的含鉻廢氣、廢水及廢渣等[42]。鉻也可以通過污水和化肥進入環境中，其中還原態的Cr3+不溶于水，而氧化態的Cr6+易溶于水，在自然界擴散迅速，且Cr6+毒性大，是鉻污染的主要形式[43，44]。皮革廠排放數種重金屬元素和化合物進入水中，由于氧氣在環境中的充足供應，還原價態的鉻不斷地被氧化為極易溶于水且具有極強毒性的氧化態形式[45]。在鉻酸鹽的生產中，含鉻殘余物的廢水灌溉會對農田造成很大程度的污染。伴隨著現代農業化的普及，鉻的殘余物、含鉻的灰塵以及含鉻廢水的灌溉，將鉻源源不斷地排入到環境中，對于土壤-植物系統造成了污染，從而進入食物鏈，對人體造成嚴重危害[46]。

鉻的毒性機制:Cr3+對細胞膜的穿透力差，因此通常沒有毒性，而Cr6+可以輕易穿透細胞膜，并通過吞噬作用被吸收。Cr6+是一種強的氧化物質，可以在體內被短暫還原為Cr4+和Cr5+，Cr5+的穩定是通過谷胱甘肽實現的。當Cr6+的還原過程遠離靶細胞時，被認為是一種解毒機制，而當Cr6+的還原臨近靶細胞時，就會有助于活性鉻的產生，Cr6+生物還原劑如硫醇和抗壞血酸鹽的反應會產生活性氧化物，如超氧化物離子、過氧化氫、羥自由基，最終引起細胞內的氧化應激，同時具有誘發基因突變和致癌的作用，因此Cr6+已經被國際癌癥機構列為人類致癌物質類別[47，48]。

3.5 鋁

鋁(Al)元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，是地殼中含量最豐富的金屬元素，其在自然界通常以氧化物、氟化物、硅化物等形式存在。鋁因含量豐富且具有良好的綜合性能，廣泛應用在航空、建筑、汽車、電力、食品包裝、餐飲制品等重要領域[49]。鋁元素不僅非人體所需，而且對人體的危害十分可怕。研究表明，鋁的毒性受到環境中有機物含量和pH 值的影響，由于酸雨和空氣中酸度的增加，使水和土壤中鋁的流動性和毒性增加，可以造成森林干枯、植物中毒、農作物減產甚至死亡、水生動物的死亡以及人體和其他動物身體功能的損傷[50]。

鋁的來源:鋁與人們的生活息息相關，人類可以說是生活在鋁的時代。人類主要通過攝入含鋁食品來攝入鋁元素。如含鋁的食品添加劑，常見的如油條、油餅中的明礬和蘇打，粉絲、涼粉中的鋁鹽。含鋁的食品添加劑如發酵粉和膨松劑常用于蒸饅頭、花卷、糕點、膨化小食品(蝦條、芝士條、龍卷果、豌豆脆)，飲用水中通常也會用含鋁的凈水劑[51]。另外，人類還會通過鋁鍋、鋁壺、鋁盆等鋁或鋁合金制品，在燒水、烹飪等活動中攝入鋁元素。在醫藥領域，鋁被用于疫苗(乙肝疫苗、牛痘疫苗、流感疫苗等)制造、藥品(抗酸劑、止疼藥、胃潰瘍藥等)生產以及藥品的包裝中[52-54]。人類還有可能通過呼吸攝入含有鋁的物質，空氣中的鋁主要來源于人類活動，如汽車尾氣、焚燒垃圾及冶金和水泥工廠排出的廢氣等，另外鋁還可以通過巖石的風化作用進入空氣中。

鋁的毒性機制:食物中任何形式的鋁化合物都可以溶于胃酸，被吸收轉移到人體各個部位，在人體內，Al3+會取代Mg2+和Fe3+，擾亂許多細胞間通訊、細胞生長和分泌功能[55，56]。鋁可以從胎兒時期到老年整個階段積累在人腦中，并替代一些必需元素參與腦中的生化過程，這增加了腦部額外的能量載荷，促使一些腦病的產生。鋁最復雜的毒性機制在于其在神經毒性產生中的促進作用，其可使藍斑核、黑質和腦部紋狀體神經元萎縮，增加老年癡呆癥和兒童自閉癥的發病率[57]。此外，體內過多的鋁還會對消化系統、腦、肝、骨、腎、造血系統、免疫系統等產生不良影響，同時也會干擾孕婦體內的酸堿平衡，使卵巢萎縮，影響胎兒生長并影響機體磷、鈣的代謝等。

3.6 銅

銅(Cu)是一種呈紫紅色光澤的金屬，有很好的延展性，且具有較好的導熱性、導電性和耐腐蝕能力，被廣泛應用于電氣、機械制造、建筑工業等領域。銅是人體健康不可缺少的微量營養元素，是人體中第三多的微量元素，僅次于鐵和鋅。銅還是人體酶的重要組成部分，對細胞呼吸、神經遞質和肽類激素的生成具有促進作用，還可以通過刺激血管內皮生長因子、纖維細胞生長因子和血管生成素的生成來促進人體血管的生成[58，59]。雖然銅作為人體必需的微量元素，對人體健康非常重要，但是其在人體中的含量一旦過量，就會導致人體組織形態和代謝的非正常變化。

銅的來源:環境中銅的自然來源主要包括大氣中塵埃、火山爆發、植被腐爛和森林火災等自然活動。銅還可以通過冶金熔煉、火力發電和垃圾焚燒等人為活動進入環境中，農業活動中農藥和殺蟲劑的使用也會將一部分銅排入到土壤中[60]。另外銅可以用于制造廚房用具、輸水管道，并可摻雜于化肥、殺菌劑、殺蟲劑、除藻劑和防污涂料中，這會很大程度上增加人體攝入銅的概率。

銅的毒性機制:試管細胞培養試驗表明，銅的慢性中毒會導致細胞的氧化損傷，這些氧化損傷可以導致細胞神經紊亂和銅的異常代謝。飲用銅濃度為3 mg/L 的水會引起胃腸道問題，并伴有惡心、腹瀉和嘔吐癥狀。攝入過量的銅鹽，特別是硫酸銅，會導致肝壞死，最終可導致死亡。然而迄今為止，流行病學研究并沒有建立銅的攝入與癌癥之間的關系[61]。另一個研究表明，銅在肝、腎、腦和角膜中的過度積累可導致威爾森病，該疾病的早期發病者是以肝臟的癥狀為主，例如倦怠、腹痛、肝腫大和黃膽，如果長期發展會演變成慢性肝炎、肝硬化，甚至肝衰竭，正常人肝臟中含銅的范圍是15～55 μg/g，而在威爾森病人肝臟中，它可能高達300 μg/g[62，63]。在西方發達國家，特別是奧地利蒂羅爾地區，曾報道了大量由銅中毒引起的肝硬化病例，當地人喜歡用銅制器皿喝牛奶，導致其自身攝入銅含量過多，改用不含銅的器皿后肝硬化的發病率急劇下降[64]。

3.7 鎳

鎳是一種銀白色金屬，具有很好的塑性、耐蝕性和磁性，被廣泛應用于鋼鐵、合金冶煉、電鍍、電池等領域。同時鎳也是人體必需的微量元素，正常情況下，成人體內含鎳約10 mg，血液中正常濃度為0.11 μg/mL，鎳在激素作用和生物大分子的結構穩定性上，以及新陳代謝過程中都有參與。鎳同時也是最常見的致敏性金屬，約有20%的人對鎳離子過敏，會引發過敏性皮炎。此外，鎳還是一種強烈的致癌金屬，如果吸入過多鎳金屬可導致肺癌和鼻竇癌，人體內攝入過多鎳也會導致心血管和腎臟疾病，美國環境保護署已將鎳精煉廠粉塵和鎳亞硫化物列為A 類人類致癌物[65，66]。

鎳的來源:人類攝入鎳的主要方式是吸入。從事鎳礦開采、含鎳合金冶煉和合金精煉的工人，在高鎳含量塵埃多的空氣中吸入大量的鎳及其化合物[67]。吸入鎳及其化合物的類別對其毒性和致癌性影響很大，鎳的毒性和致癌性取決于鎳化合物的細胞內溶解量和其理化特性，水溶性鎳化合物由于能夠被呼吸道快速清除，其致癌性和毒性遠小于半溶性的鎳化合物(如亞硫酸鎳鹽)[68]。除此之外，人們還可以通過不銹鋼餐具，在加熱烹飪特別是盛放酸性物質的情況下，加大對鎳的攝取，同時人們還可以通過皮膚接觸含鎳金屬手環、耳環、手表、硬幣和兒童玩具的方式，攝入一定量的鎳。

鎳的致癌機制:人類會吸入大約一半以上的直徑大于30 μm 的顆粒，直徑在100～200 μm 之間的顆粒吸入較少。大顆粒將沉積在鼻咽部區域，而較小的顆粒將主要沉積在肺部的氣管和細支氣管區域。圖3 總結了顆粒狀鎳化合物被細胞攝取和吞噬的機制。鎳的硫化物(NiS、Ni3S2)表面都帶有負電荷，并在細胞中被有效地吞噬，隨后被包含在酸性液泡中發生溶解[69]。被吞噬并將大量鎳離子遞送到細胞核中的致癌鎳顆粒通常不是致突變，但會導致染色體斷裂，鎳硫化物顆粒選擇性地攻擊X 染色體中的異染色質區域，導致長臂受損，但短臂不受影響，鎳離子與異染色質的選擇性相互作用可能是致癌鎳化合物不具有致突變性的原因之一[68]。此外，鎳化合物還可以通過增強DNA 損傷劑的細胞毒性和遺傳毒性來抑制DNA 修復，并且鎳還可以誘導胞嘧啶甲基化和組蛋白去乙酰化，導致遺傳性衰老/腫瘤抑制基因表達的失活，從而抑制基因的表達[70]。

圖3 鎳的細胞吞噬機制[69]Fig.3 Phagocytosis model of nickel into cell[69]

3.8 鋅

鋅(Zn)是一種淺灰色的過渡金屬，能與多種有色金屬形成合金，主要用于鋼鐵、冶金、機械、電氣、化工、輕工、軍事和醫藥等領域。與其它有毒重金屬相比，鋅對人體的毒性相對較小，是人體必需元素之一，參與人體內200 多種酶的組成，被譽為“生命之花”[71]。通常人體內含有2～3 g 鋅，其中骨骼和肌肉含有近90%，此外其它器官如胰腺、心臟、腦、肺、皮膚、腎臟、肝臟、前列腺和胃腸道中也可測量到鋅濃度[72]。全球約有1/3 的人群存在不同程度的鋅缺乏，人體缺鋅會影響身體生長，影響神經系統發育，并降低人體免疫[73，74]。少量鋅攝入對生存是必需的，如果過度補鋅(口服225～400 mg)，則會誘發惡心、嘔吐、腹痛、頭暈、貧血和嗜睡等[75]。

鋅的來源:人體中所需的鋅來源廣泛，存在于多種食物中，但在動植物性食物中，鋅的含量和吸收利用率差別很大，動物性食物含鋅豐富且吸收率高，植物性食物含鋅量相對少、吸收率相對低。動物性鋅元素主要存在于海產品、動物內臟中，而植物性鋅元素主要存在于大白菜、黃豆、白蘿卜、稻米(糙)、小麥和馬鈴薯中。此外，人們還可以通過含鋅的藥物攝入一定劑量的鋅。從事鋅礦開采、鋅及其合金冶煉以及鋅及其合金焊接的工人會通過從空氣中吸入和皮膚接觸的方式攝入鋅[76]。

鋅的毒性機制:鋅是人體必需的元素，且人類常常受缺鋅問題困擾，然而一但過度補鋅則會對身體造成一定程度的危害。從事鋅合金冶煉及鍍鋅鋼板焊接的工人，會從空氣中吸入大量的金屬煙霧(如氧化鋅)，從而患有一種金屬煙霧熱的病，這種病的臨床表現為關節痛、發熱、呼吸困難和咳嗽，通常在遠離其工作環境后消失[77]。在細胞水平上，鋅可以決定細胞的死亡或生長，細胞內過多或過少的鋅含量都將促使細胞凋亡，當細胞內鋅釋放時，可以導致細胞神經系統衰退，體內鋅的平衡失調會導致阿爾茨海默病的發作[78]。

3.9 鐵

鐵(Fe)是地球上分布最廣、最常用的金屬之一，是地殼中第二豐富的金屬元素。鐵同時也是所有生物體生存和成長不可或缺的元素，在10 多種人體必需的微量元素中，鐵無論是在重要性上還是在數量上都屬于首位。由于鐵易在Fe+2和Fe+3之間相互轉換，其對生物體的氧化還原過程非常重要，同時還是許多至關重要的蛋白質和酶的輔因子，有鐵參與的反應支持了絕大多數好氧微生物的呼吸過程[79]。雖然地球上鐵資源豐富，然而大多數鐵的化合物并不能被人體吸收，并且人體生長階段對鐵需求的猛增與補鐵的不及時，也會導致人體內缺乏鐵元素，甚至導致缺鐵性貧血[80]。

鐵的來源:鐵與人類的生活息息相關，鐵及其合金被廣泛應用于人類生產生活的各個領域，從航空、海洋國防領域到建筑、裝飾、餐飲領域，處處可以看到鐵及其合金的使用。人類主要從食物和藥品中攝取鐵元素，動物血、肝臟、雞胗、牛腎、大豆、黑木耳、芝麻醬、牛肉、羊肉、蛤蜊和牡蠣等食物中含有豐富的鐵，此外還可以利用鑄鐵鍋煮番茄或其它酸性食物，鍋中的鐵元素會隨著烹飪過程進入食物[81]。雖然很多食物中都含有鐵元素，然而我國仍然有許多人嚴重缺鐵，嚴重缺鐵的婦女和兒童必要時可以通過口服亞鐵鹽(硫酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵)補充一定劑量的鐵元素[82]。

鐵的毒性機制:如圖4 所示，鐵分布在人體各個組織中，并參與了各種各樣的代謝過程，包括氧運輸、脫氧核糖核酸(DNA)合成和電子運輸[83]。鐵在人體內的代謝平衡對人體健康至關重要，缺鐵仍然是世界上最常見和最普遍的一種營養失調，其往往會導致早產、認知和精神運動發育缺陷、工作能力受損、生長減弱、骨礦化改變和免疫反應減弱[84]。然而，人體攝入鐵過量會導致氧自由基的產生，從而對人體組織產生毒性。在鐵超載的疾病中(如遺傳性血色素沉著癥)，自由基的產生會導致組織損傷和器官衰竭，此外，過量的游離鐵被認為是致癌的，并且其產生的大量自由基可以導致DNA 鏈斷裂，激活致癌基因和腫瘤基因的復制[85]。長期接觸鐵的質量分數超過30%的石棉的工人，患“石棉肺”幾率大增[82]。

圖4 鐵在人體內的分布[83]Fig.4 Iron distribution in the human body[83]

3.10 鈷

鈷(Co)是一種稀缺的具有銀灰色光澤的金屬，具有一定延展性和鐵磁性。鈷是人體必需的微量元素，是維生素B12 的重要組成部分，人體中大約有1～2 mg 的鈷，在肝臟、腎臟、心臟和脾臟中含量較多，而在血清、腦和胰腺中也發現了低濃度的鈷[86]。研究發現，人體吸入大劑量的鈷及其化合物，會導致牙槽炎、哮喘、心肌炎和肺癌等病癥，國際癌癥研究機構已將鈷列為2B 類致癌物質，致癌物報告也將硫化鈷和鈷鎢硬質合金列入“合理預期為人類致癌物質”[87，88]。

鈷的來源:由于鈷具有高的熔點、強度和抗氧化性，主要用于超級耐熱合金、工具鋼、硬質合金、磁性材料及鋰電池領域。此外，鈷的化合物也被用于制作催化劑、干燥劑、顏料與染料等，鈷的同位素Co60和Co58具有很強的放射性，因此被用于核工業中[89]。人類主要通過吸入的方式攝取鈷，主要發生在鈷相關合金熔煉、焊接的工業場所。普通城市空氣中鈷含量約為1～2 ng/cm3，而在重工業城市中其濃度達到10 ng/cm3，在從事鈷及其合金熔煉工廠空氣中其濃度甚至高達1100 μg/cm3[90]。在核工業中，放射性的鈷顆粒會被當作放射垃圾排放到海洋或是進入放射垃圾填埋場中，工人潛在地也會吸入或攝入一部分鈷。此外，一部分含鈷合金還被用作人體臀骨和假肢的植入材料。然而近期研究表明，這些含鈷合金會造成移植者甲狀腺、心臟和神經系統功能紊亂，這些含鈷合金植入材料也有被公司召回的例子[91]。

鈷的毒性機制:可吸入鈷及其化合物自身在水中的溶解性對其毒性和致癌性影響很大，溶解度高的金屬鈷納米顆粒可以產生更強的細胞毒性，刺激細胞氧化應激，產生基因毒性。而低溶解度的鈷氧化物(CoO、Co3O4)雖然產生的細胞毒性較低，但其可以刺激細胞產生更強的氧化應激，且由于其可以在肺細胞中長期(數月甚至幾年)存在，因此可對肺細胞產生長期的負面影響[92]。此外，鈷可以抑制DNA 修復，產生活性氧和氮，改變基因表達方式，促使細胞癌變[93-96]。研究發現，由鈷引起的毒性影響還可以由父母遺傳給子女，鈷的過量攝入可以導致新生兒體重降低，并增加死胎的風險[97]。

3.11 鈦

鈦(Ti)是銀灰色的過渡金屬，其特征是質量輕、強度高、耐蝕性強、生物相容性好，廣泛應用于航空航天、武器裝備、冶金化工、生物醫療、體育器械和生活用品等領域。鈦并不是人體必需的微量元素，但其本身無毒性，且與人體不產生過敏反應，能抵抗人體分泌物的腐蝕，常用作人工關節、種植牙、血管支架和心臟瓣膜等醫療植入領域[98]。此外，經納米水溶鈦處理過的鈦及其合金植入材料可以增強基因表達、蛋白質合成和細胞生長，并可增加骨細胞和肌肉細胞的粘附力，同時納米水溶鈦處理的醫用膠帶還具有減輕運動員肌腱組織運動疲勞的功能[99]。雖然鈦本身對人體并沒有危害，但鈦的化合物如四氯化鈦和氧化鈦粉(鈦白粉)對人體具有一定的危害，國際癌癥研究機構已將氧化鈦列為人類2B 類致癌物質[100]。

鈦的來源:鈦在地球上的儲量十分豐富，主要分布在澳大利亞、南非、加拿大、中國和印度等國，已知的鈦礦物約有140 種，但工業應用的主要是鈦鐵礦(Fe-TiO3)和金紅石(TiO2)。氧化鈦作為鈦化合物的一種，被廣泛應用于涂料、化妝品和食品保藏領域中，且隨著納米科技的進步，直徑微納米級別的氧化鈦粉應用更加廣泛，然而納米氧化鈦粉被認為與人體肺癌的發生有關[101]。人類主要通過皮膚接觸和吸入的方式攝入鈦及氧化鈦，而吸入是鈦進入人體的主要方式，特別是對于從事鈦及氧化鈦生產和制造的工人，從空氣中吸入的劑量更大。

鈦的毒性機制:研究發現，從事氧化鈦生產的工人患肺癌的風險要高于其他人群[102]。人類吸入氧化鈦粉(特別是納米級尺寸的粉末)后，納米氧化鈦粉可以損傷肺、肝、腎等組織器官，其中肺是納米氧化鈦攻擊的主要目標，納米氧化鈦由于尺寸小、比表面積大等特性，可以迅速滲透進入靶細胞中，一定程度上刺激了細胞的氧化應激，并損傷細胞線粒體[103]。然而目前關于氧化鈦對肺細胞的攻擊及致癌機制還并不清楚，而將氧化鈦列為可能致癌物質，也得到了許多組織和機構的反對，因此關于氧化鈦的毒性機制還需要進一步研究[104]。

3.12 鋇

鋇(Ba)是一種具有銀白色光澤的堿土金屬，在自然界中并不以單質形式存在，而多以重晶石(硫酸鋇)的和毒重石(碳酸鋇)的形式存在于礦物中。鋇的化合物如鋇鎳合金通常被用于制造火花塞電極，也被用于真空管中的干燥和除氣元件，不溶的硫酸鋇則可被用作人體X 射線檢測輔助造影劑[105]。碳酸鋇、硝酸鋇和氯化鋇被用于制造陶瓷釉料、煙花和殺蟲劑[106]。鋇并不是人體必需的微量元素，除硫酸鋇外幾乎所有的鋇化合物對人體都有毒性，人類通過吸入或誤食鋇鹽，產生急性或慢性鋇中毒癥狀[105]。

鋇的來源:鋇在地殼中的含量為0.05%(質量百分比)，屬于地殼中第十四豐富的元素，主要以重晶石和毒重石的形式存在[107]。大部分飲用水中約含有0.03 mg/L的鋇元素，而在一些重污染地區其含量超過了美國環境保護屬所規定的的2 mg/L 限定標準，一些食物如巴西果、海藻和某些特定植物也含有較高含量的鋇[108，109]。雖然飲用水和食物中的鋇含量較低，不足以引起人們對鋇對人體危害的重視，但是長期攝入低含量的鋇對人體健康的影響數據仍在被收集，并值得進一步研究。工作在鋇或鋇化合物工廠(涂料生產、玻璃陶瓷生產)的工人，往往會從工作環境中吸入或通過皮膚接觸，攝入大劑量的硫酸鋇或是毒性更強的碳酸鋇、氯化鋇和氫氧化鋇。

鋇的毒性機制:鋇化合物在人體內的毒性與其在水中和體液中的溶解度有關，硫酸鋇不溶于水和人的體液，被認為對人體是無毒的。而碳酸鋇、氯化鋇可溶于水或人體液中，可以迅速穿過胃黏膜進入血液，被運輸到人體各個器官(腦、腎、脾臟、胰腺和心臟)，且鋇在心臟中的積累遠高于其它器官，增加了心血管疾病和心臟病的發病率[110]。攝入少量的鋇鹽會產生嘔吐、腹痙攣、腹瀉、呼吸困難、血壓增加或降低、面部麻木和肌肉無力等癥狀，而一次性攝入大量鋇鹽則會產生高血壓、心率失調并有可能導致人體死亡[111]。目前關于鋇鹽對動物的毒性機制有大量比較深入的研究，然而很難將鋇鹽對動物的毒性機制轉移到人類中，因此，關于鋇攝入對人體的毒性機制還需進一步詳細研究[105]。

3.13 錳

錳(Mn)是一種銀白色金屬，質堅而脆，在自然界常以無機化合物形態存在，其價態從-3 到+7，有11 種。作為重要的工業原料，錳被廣泛應用于鋼鐵、有色冶金、化工、電子、電池、農業、醫學等領域[112]。錳也是人體必需的微量元素，可以被人體細胞識別、運輸，其對人體免疫系統、血糖調節、脂類和碳水化合物代謝、骨骼生長和腦部功能具有重要的影響[113]。錳缺乏會導致人體生長受損、嬰兒先天缺陷、新陳代謝降低和骨生長受損等癥狀[114]。如同其他微量元素一樣，錳的過度攝入會使基體組織產生神經毒性，導致帕金森病[115]。

錳的來源:錳是地殼中含量第十二豐富的元素，以碳酸錳礦和氧化錳礦等形式存在，此外太平洋、印度洋和大西洋都有豐富的海底錳結核資源。錳及其化合物可以存在于土壤中，或是以顆粒的形式存在于水或空氣中，除了自然來源外，錳還可以通過化石燃料燃燒、農藥(代森錳)施用、汽車尾氣(錳添加劑汽油)、錳及其合金冶煉及焊接等人類活動排放到空氣、水和土壤中[116]。特別是對于從事錳鐵冶煉、電焊條的制造與電焊作業以及錳礦石的開采、粉碎或干電池的生產等作業的工人，可能會從工作環境中吸入大量的錳煙塵，此外居住于錳加工附近的居民也會從飲用水和空氣中吸入較多的錳[117]。

錳的毒性機制:處于錳礦開采或鋼鐵加工的工人往往由于吸入過量的錳，兩腿發沉、笨拙、走路速度減慢、易于跌倒、口吃、語言不清、做精細動作困難，這種癥狀被稱為錳中毒。如果攝入劑量過大，則會四肢僵直、說話含糊不清，下頜、唇、舌出現震顫，并產生精神病癥狀，進一步可發展為帕金森癥[118]。錳進入人體可以產生神經毒性，影響神經節、腦皮層和下丘腦，導致神經元萎縮和蒼白球膠質化，從而誘發帕金森癥。此外還可以通過一些其他機制，如多巴胺氧化、星型膠質細胞的膠質毒性、刺激氧化應激、線粒體功能障礙、帕金森病基因改變對人體健康產生危害[119]。

4 結語

本文主要綜述了鉛、汞、鎘、鉻、鋁、銅、鎳、鋅、鐵、鈷、鈦、鋇、錳13 種金屬與人體健康的關系。人類一般通過攝入、吸入、皮膚接觸等方式與金屬元素產生聯系，這些金屬中有的是人體的非必需元素，且對人的身體危害極大，有的則是人體必需元素，但在體內含量過低或過高都會導致人體疾病的產生。這些金屬對人類健康有害影響的嚴重程度與金屬的類型及其化學形態有關，并且還與金屬粒度、溶解度、劑量等有關，此外，不同金屬之間產生的協同作用會增強其對人體健康的影響程度。隨著人類活動(工業“三廢”排放、生活垃圾等)產生的環境污染問題日益嚴重，金屬元素對人體交互作用日益密切，金屬對人體健康的影響也日益嚴重。

從減少人類遭受金屬元素危害的角度出發，需做好如下事情:①建立農產品、工業品等金屬危害的相關標準，并立法監督；② 避免與一些金屬(特別是一些劇毒重金屬)直接接觸，使用安全清潔的水和食物，同時避免處于含金屬的煙霧環境中；③煙草中含有較多的金屬，需要大力提倡戒煙，減少對自身及他人的危害。人們對金屬元素給人體造成的影響研究還處于一個初級階段，許多在醫學方面的研究還不夠深入，隨著醫學研究的深入，隨著微量元素檢測水平的提高，相信人類可以將金屬元素對人體的危害減少到最小。