生物地化循环与人体健康

一、地方病

   自然界中由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造成一些元素在地表分布的不均。在一些生态系统中分散流失，在另一些生态系统中又积累。这种生物地化循环是常导致某些生态系统中生命含量的异常，或不足，或过剩，会造成植物、动物乃至人类的疾病。俗话说“一方水土养一方人”就是这个道理。这类疾病常呈现区域性，故称为“地方病”。据统计，人体必须的大量元素外，还需要铁、锰、硼等14种微量元素，在正常的情况下，这些元素在人体内处于相对平衡稳定状态。一旦平衡的稳定状态遭到破坏，病变就会发生。微量元素在人体内含量虽少，但对保持人体健康和生物的生长发育都有重要的意义。

   地方病在我国分布较广，居住于有关地方病病区的人口约占我国总人口的三分之一。对人体危害的地方病相当严重，地方病大多数与微量元素有关。氟过多而造成的地方性氟中毒，除上海市以外的29个省市几乎都有分布。有7000多万人口生活于缺硒的环境，这些地区流行克山病（已在16个省发现）、大骨节病（约有14个省发现）。地病性癌症，如肝癌、食管癌等均在一些地区流行。我国是缺碘症较为严重的国家之一，我国现有智力残疾人1000多万人，其中80%以上是因缺碘造成的。

二、微量元素碘

1.缺碘症

   碘是人体必须的微量元素。人体缺碘会引起甲状腺肿大，智力下降等一系列严重后果。而缺碘症（iodine deficiency disorder，iDD）是流行广、危害大、受害人数多的一种病症，世界上有110多国家约有10多亿人患有此病；中国有20多个省约4.25亿占40%的人口在此病区；北京也是缺碘地区，病区人口也达500万。在缺碘区，每个人都处于“隐性碘饥饿状态之中”。碘缺症影响到甲状腺激素的形成，影响到脑神经细胞的发育；影响到体格的发育和基础的代谢。所以，碘缺症损害了人的智力素质，破坏了生产力，而且是不可逆的终生损害。孕妇缺碘可致早产、死产、先天性畸形儿、先天聋哑儿等。碘缺症引起的危害不仅关系当前，更严重的影响了未来。

2.碘的分布

   碘及其化合物有-1、0、+1、+3、+5、+7价，碘主要以0、+1、+5价状态存在。碘是一种非常活泼、大多数碘化物,除银、汞、铅、铋等碘化物外都易溶于水的非金属元素。碘具有分散度高,迁移性强的特点。据考察碘的分布相当广泛而不均匀,是“山区少于平原,平原少于沿海,沿海少于海洋”。这是由于高原地区碘化物经过雨雪冲刷,流入了海洋的缘故。在第四纪冰川期亚洲、欧洲和北美洲等大陆被2000m厚的积雪覆盖,溶化中冲走了表层含碘丰富的成熟土壤。成熟土壤冲走后,陆地表露出来的母岩逐渐碎裂,形成新的土壤,新土中含碘量极少,约为成熟土壤的四分之一,近代水流仍然不断带走地壳的碘。据统计,要经过1_~2万年才能把生土中的碘补充到成熟土壤的程度。所以,对缺碘地区,必须长期的进行人工补碘。

3.碘的循环

   碘由陆地随水进入海洋,由海洋逸出进入大气,再通过降水进入陆地,形成一个大循环。在生物中,通过海洋、陆地两个食物链保持碘的生态平衡。陆地生态系统中植物直接从水中、土壤中吸收碘,而动物则从植物和水、空气中获得碘；海洋生态系统中,浮游生物直接从海水和淤泥中获得碘,鱼虾、浮游动物则从水生生物中取得碘；人类则既可从动、植物中,又可直接从水中和空气中获得碘。当然不论是海洋或陆地产的动植物都要从外界获得碘。所有生物中的碘,最终都要返回土壤、海洋中,由微生物分解成元素碘,继续被植物吸收利用。更具体一点说,土壤中的碘易随水流迁移,陆地上剧烈流入海洋的水运动在8000_~18000年前,第四纪冰川期,把地壳表面的土壤冲刷殆尽。新土壤由母岩重新形成。

   土壤黏土矿物和有机质可固定碘。自然土壤中的含碘量与黏粒含量呈显著的正相关，土壤黏度越重，其吸附碘的能力越强。黏土比砂土含碘量高。

   土壤的PH对碘的固定有重要意义。通常碱性、中性土的吸附比较牢固。在水中的迁移、转化：碘在环境中主要以碘化物形式存在,大多溶于水。碘在水的流动中容易发生迁移,最后流入海洋总贮存库,高达930亿t。碘在海洋中以i^-和iO₃^-的形式存在。碘离子在阳光下,可被氧化成游离碘；而iO₃^-状态的碘可被还原剂作用生成游离碘。

   海洋中的碘主要向大气中迁移和转化。波涛撞击，海水逸入大气的碘每年可达5000t，海面蒸发的碘一年为50000t。进入大气中碘可在空中环流，再随降水，雨雪落到地面。

4.碘的生物效应

   植物通过根部吸收碘，还可通过叶面从大气中吸收。不同植物含碘量不同：双子叶牧草中含碘量比禾本科高13倍；玉米、大麦比大多数双子叶植物含量少。

   关于碘对植物是否必须,尚未得到普遍证明。早在20世纪60年代初就有人发现能刺激高等植物生长。实验证明,过量的碘对植物会产生毒性。其毒性随植物种类和栽培条件而有显著不同。大麦和番茄在10mg/kg时产生毒害,而豌豆在0.5mg/kg时出现毒害症状,其严重程度随浓度的增高而增加。

   碘是动物和人体必需微量元素。碘是甲状腺素,即四碘甲腺原氨酸(T₄)和三碘甲腺原氨酸(T₃)的构成元素。它们以血浆蛋白结合的形式在体内循环,发挥激素功能。

   碘在人体内流动和合成甲状腺激素的过程：

   首先,吸收碘,通过甲状腺滤胞上皮细胞将血浆中的碘吸收。其次,碘被过氧化物酶作用下氧化成活性的碘原子；在碘化酶的催化下,迅速与甲状腺球蛋自分子上的酪氨酸苯环的第三位碳原子形成一碘酪氨酸(miT,即T₁)或者与第三、五位碳原子上形成二碘氨基酸(DiT,即T₂)。再次,甲状腺球蛋白上的两个T₂缩合脱一个丙氨酸即成为T₄。或者一个T₁与T₂结合在一起形成T₃,合成后的T₃、T₄仍然连结在甲状腺球蛋白分子上。T₃的激活比T₄高了3_~8倍。

   碘与甲状腺素在人体内所起的生物效应是：调节能量转换；促进生长发育；促进蛋白质的合成；活化100多种酶；维持中枢神经系统的结构以及保持正常精神状态和新陈代谢等重要功能。缺碘，可导致动物和人体一系列生理生化的紊乱，可引起甲状腺机能降低和肿大，免疫反应减弱，厌食，繁殖机能减退，生活力下降直至死亡。

三、微量元素硒与癌症

   近几十年来,癌症发病率在大多数国家已居于前三位,病人逐年增多。癌症病因及其防治的研究也成为科学研究的前沿领域。Higginson (1969)根据癌症在世界范围内分布状况、特点,提出80%_~90%的癌症是由环境引起的。近年来世界卫生组织(WHO)的报告也认为引起癌症主要是环境因素。致癌物(carcinogenic substance)是指那些接触后可能最终导致癌变的物质。某些微量元素如砷、铅、铬、镍等有致癌或促癌作用,而某些微量元素具有防癌、抗癌及诊断作用。

   近20年来,在许多流行病调查及致癌实验中显示硒(Se)对实验肿瘤具有抑制作用。硒是生命的必需元素。近年来它已成为国内外最受重视的微量元素之一。在我国已用硒预防克山病、大骨节病等。还认为硒可防癌、抗衰老等。近年来国际上已召开多次以硒为专题的医学会议。

   硒是类金属元素,硒化合物一般有-2、0、+4、+6四种价态。硒在地表土壤中的分布呈现地带性差异,据20多个国家报道可以看出,在地球的南北半球各有一条大致30°以上的中高纬度的缺硒分布带。在我国由东北向西南有一低硒带。克山病和大骨节病即流行于这一地带。土壤中平均含硒量约为0.1mg/kg。

   硒在天然水中以Se⁰、Se^2-、Se⁴⁺、Se⁶⁺状态存在。地表水和地下水的硒平均变动范围在0.1_~400ug/L,主要决定于地质结构的特征。地表水的硒含量受PH的影响很大。土壤中的硒以亚硒酸铁形态束缚存在,一般累积在富铁层中。在富含有机质和腐殖质的土壤中易积累硒。硒氧化成比较易溶的硒酸。由于淋溶作用硒可从土中排出。灌溉水中增加微量的硒，可明显提高植物各部分的含硒量。农作物、牧草等都对硒有一定的富集作用。在生物体内的硒都是以有机物，硒蛋白质的形式存在。将硒蛋白质水解证实硒主要以硒代半胱氨酸形式存在。

   人体中硒的水平决定于摄入食物的含量及其存在形式。硒化合物经消化道进入机体后都易被吸收。吸收的硒广泛分布体内，在肝和肾中可富集，在脾、肺、心肌、骨肌和脑中的含量依次递减，脂肪中几乎无硒。我国杨光圻（1983）建议，人体最低安全膳食供给量为每日40ug。在1973年中发现了含硒的谷胱甘肽过氧化物酶（gSH_px）是一种有过氧化氢和脂肪过氧化物和多种过氧化物的分解酶，此酶以谷胱甘肽（gSH）作底物能使有害的H₂O₂或ROOH还原成H₂O。

   人和动物的食物缺硒时,体内gSH_px活性低；脂质过氧化物增多；生物膜磷脂中不饱和脂肪酸类,易被过氧化成脂质过氧化物。从而造成内细胞损伤。补硒则是起到清除过氧化物和自由基的作用。

   早在1915年有人提出硒的抗肿瘤作用。g. Schrauzer进行了大量调查,指出低硒与肿瘤发病率的相关性。其后在27个国家的调查得到相似的结果。我国江苏启东为肝癌高发区,这里也发现肝癌与环境中硒有一定关系。硒的防癌机理受到关注。Waterberg提出硒的防癌、抗癌可能有如下作用：①改变致癌物的代谢途径,使之失活；②改变膜的通透性和运输功能；③清除致癌物的代谢活性物质,如自由基,使之不能达靶部位；④刺激免疫反应,提高免疫系统的保护能力,维持细胞正常代谢功能,及对致癌物的解毒作用等。这些调查和说明都是有意义的,仍然需进一步的深入研究。

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——摘自科学出版社·蔡晓明编著·《生态系统生态学》·第二篇 生态系统功能·第九章 第六节