原生地球化学环境与人类健康
人体内有几十种化学元素。除碳、氢、氧、氮主要以有机化合物的形式存在外，其他元素均以无机盐或矿物质的形式存在。这些矿物质中有一部分是维持人体正常生理功能所必需的，所以必须从饮食中持续供给。这些11元素，如氧、碳、氢、氨、钙、磷、钾、硫、钠、镁、氯等，在体内含量丰富，称为人体必需的宏量元素，约占人体总成分(质量分数)的60% ~ 80%。这些常量元素主要从蛋白质、脂肪、糖、无机盐、维生素、水等物质中补充，以满足人体新陈代谢的需要。其他元素在体内很少，有的甚至只有微量(含量为微克/千克)。一般将体内含量小于0.1g/kg的元素称为微量元素。目前已知人体必需的微量元素有铁、锌、碘、铜、硒、氟、钼、钴、铬、镍、钡、硅等14种。微量元素存在于血液、肝脏、脾脏、骨骼、肌肉、大脑、胰腺、甲状腺、肾上腺、视网膜、胰岛组织、前列腺、心脏、牙齿、指甲和肺中。微量元素对人体生理功能的影响主要有:①促进酶的催化作用；参与激素分泌活动，如甲状腺和肾上腺分泌活动；③是遗传物质核酸的成分；④参与代谢——人体内氧化还原系统的活动。微量元素主要来源于食物、饮用水、空气和药物，生物微量元素在人体营养中比维生素更重要。
人体内各种元素的平均丰度与地壳岩石中的平均丰度有一定的相关性。除了人体原生质中的主要成分碳、氢、氧、氮和地壳中的硅外，人体血液中其他化学元素的含量与地壳中这些元素的丰度惊人地相似，这说明人体的化学成分与地壳的演化有关。现代人体内的化学成分是长期吸收和交换自然环境中的元素，不断进化、遗传和变异的结果。自然界中微量元素进入人体的路径如图93所示。
图9-3自然界进入人体的微量元素示意图(根据卡拉W M，1997)
人体摄入的一些微量元素是人体必需的，没有这些元素，人就无法生存或保持健康，如氟、锌、钴、溴、铜、钡、硒、锰、碘、镍、钼、铬等。有些元素对人体有毒，如砷、镉、汞、铅、锑、铊和稀土金属。人体对各种微量元素的需求取决于年龄、生理条件、环境条件和遗传因素。根据世界卫生组织，成人对某些必需微量元素的需求量见表9-12。
表9-12成人必需微量元素的需要量
人体中微量元素虽然很少，但在生化过程中起着关键作用，维持着生命的代谢过程。表9-13列出了几种主要微量元素的生理意义、缺乏症状和主要来源。
表9-13几种主要微量元素的生理功能、缺乏症状、主要来源及供应标准
医学专家认为，当今人类90%以上的疾病都与人体微量元素的“贫”和“富”有关。许多疑难病、地方病都与人体微量元素失衡有关，维持人体微量元素的正常动态平衡，只能通过人体与环境的物质交换来实现。换句话说，元素的环境地球化学分布对人体健康有着直接而非常重要的影响。当人长期生活在元素含量低或过量的自然环境中，必然导致人体内某些元素的失衡，从而导致器官组织疾病，也就是俗称的“地方病”。地方病的发生与地理位置、地形、地质、水文、气候和居民的生活习惯密切相关。最常见的地球化学地方病主要是甲状腺、氟中毒、克山病和大骨节病。
(2)甲状腺肿
甲状腺肿又称甲状腺肿，是由于环境中碘缺乏或碘富集而引起的地方病。碘缺乏病是一种严重危害人类健康和影响儿童智力发育的地方病。主要影响人体的正常发育、大脑和神经系统的功能以及体热的维持。轻度表现为甲状腺肿大(俗称大脖子病)，称为地方性甲状腺肿；另一方面表现为发育迟缓、耳聋、身材矮小、瘫痪等障碍，称为地方性克汀病(俗称克汀病)。由严重缺碘引起的地方性甲状腺肿可发生在儿童和成人身上。如果孕妇在胚胎脑发育阶段严重缺碘，可导致胎儿脑发育不全，出生后的临床症状为愚笨、身材矮小、耳聋、哑、瘫痪等。
碘是人体必需的微量元素之一，与体质和智力的发育、神经、肌肉和循环的功能以及各种营养物质的代谢有关。健康成年人碘的总量约为20 ~ 50毫克，每日需碘量约为50 ~ 200微克，人体内70% ~ 80%的碘存在于人的甲状腺内，用于合成甲状腺激素，调节人体代谢，促进人体生长发育。人体内碘的主要来源是食物和水。然而，由于地球发展过程中地质和历史变迁的差异，碘在地壳表面的分布是不均匀的。一般是地球低于海洋，山脉低于平原，平原低于沿海。因此，大部分山区、高原和少数平原地区缺碘，生活在这些地区的人得不到足够的碘。
1.碘的地质和地理分布
甲状腺肿是一种普遍的地方病，在世界上许多国家和地区都有发生。比较严重的流行区分布在喜马拉雅山、阿尔卑斯山、高加索山脉和美洲西海岸。几乎所有重灾区都发生在偏远山区和经济生活水平低的地区。目前，全球约有6543.8+0亿人生活在碘缺乏地区，约有2亿人患有地方性甲状腺肿，300万人患有地方性克汀病。
中国是一个受到碘缺乏病严重威胁的国家。约有4.25亿人生活在碘缺乏地区，有654.38+0.5万人患有地方性甲状腺肿和重度克汀病，主要分布在西北、西南、中南部、东北和华北等山区。中国数百万痴呆症患者中，约90%是由碘缺乏引起的。
碘的地球化学特征决定了碘在自然界的分布不均匀，因此甲状腺肿的分布明显受地质因素的影响。地层有机质含量低或富含有机质的地层不发育或缺失，饮水和土壤中碘含量不足，都会引起甲状腺肿大。碘过量也会引起这种疾病。
2.碘的地球化学特征
原生碘存在于地壳岩石中，或通过火山直接从地表喷出。碘是一种极其活泼的成分，在地表环境中容易被氧化，往往以分子或化合物的形式存在。在地球化学演化过程中，碘相对富、贫，极地和高山地区丰度低，洼地和沿海地区丰度高；潮湿和淋溶地区少，干旱地区多；较少见于花岗岩和石英岩，较多见于玄武岩和海相页岩；在石灰性土壤和沙土中较少，在沼泽土、腐殖土、黑钙土和盐渍土中较多。
天然水中碘的含量变化很大。大气降水中，沿海地区为2微克/升，内陆地区为0.2微克/升；山区地表水和浅层地下水中碘含量较低，为0 ~ 0.2微克/升；平原地区相对较高，为5 ~ 100μg/L；盐碱区约为10 ~ 30μ g/L，海水碘含量较高，达到50μ g/L，油田一般为5 ~ 100μ g/L，最高为500μ g/L..
由于生物对碘的富集，生物体内的碘含量相对较高。海洋生物体内的碘含量比地壳高100 ~ 1000倍，陆生植物体内的碘含量比地壳高10倍。所以一般来说，有机质中的碘含量比较高，富含有机质的土壤中的碘含量也比较高。生物富集碘可以富集石油和沥青质沉积物中的碘，成为碘资源的主要来源。
3.碘的生物化学效应
碘是人体必需的微量元素，含量很少但作用很重要。碘在甲状腺中合成为甲状腺素，每个甲状腺素分子中必须有四个碘原子。因此，人体缺碘不能合成甲状腺素，导致甲状腺组织代偿性增生，颈部出现结节性隆起，即甲状腺肿。
4.致病机理及预防
甲状腺肿的原因很复杂。导致该疾病的因素是地质地理、土壤、水、食物和卫生条件(表9-14)。在自然环境中，存在干扰人体吸收碘的因素，如饮用钙、氟、镁、锌、铜、锂等元素较多的水，或富含腐殖酸和微生物的水，均可影响人体对碘的吸收。另外，吃牛奶(牧场十字花科植物太多)、芸苔属植物、大豆等。还会影响碘的利用，诱发甲状腺肿大。这些食物含有较多的高氯酸盐、硫氰酸盐、亚硝酸盐等。它们被称为致甲状腺物质。
目前，高碘性甲状腺肿的发病机制尚不十分清楚，多数学者认为与碘阻断作用密切相关。无论是正常人还是各种甲状腺疾病患者，在给予大量碘化钾或有机碘时，碘离子都会难以进入甲状腺组织，这就是所谓的碘阻断。
表9-14影响地方性甲状腺肿流行的因素
碘缺乏病的预防主要是为缺碘人群补碘。目前主要选择合适的饮用水和食物，或者采取加碘盐和口服碘化油丸、注射碘化油、食用碘化食物等方法。国内外实践证明，食用碘盐是一种有效、经济、安全、方便的措施。只要缺碘地区的人们坚持并正确食用碘盐，同时给育龄妇女口服碘化油丸，就能有效控制新克汀病患者的出现，消除碘缺乏病。施用富碘农业肥料还可以增加谷物中的碘含量，从而为缺碘地区的人们提供高碘含量。
(3)地方性氟中毒
地方性氟中毒，又称地方性氟中毒。是长期饮用高氟水或食用高氟食物引起的慢性中毒性疾病。地方性氟中毒在世界上广泛分布，在30多个国家有较高的发病率。我国各地都不同程度地流行氟中毒。全国约有762个县(旗)，约占全国县(旗)的三分之一，主要分布在黑龙江、吉林、宁夏、内蒙古、陕西、河南、山东等省，受灾人口约4500万。
1.地质地理分布
氟中毒的空间分布与后生地球化学环境密切相关，主要受岩石、地形、水文地球化学条件、土壤和气候的制约。高氟区可能出现在火山附近、高氟岩石裸露区、温泉附近、沿海地区以及干旱和半干旱地区。
火山灰、火山气体等喷出物含有大量氟，呈环状分布在火山口周围。生活在火山周围的居民患有氟斑牙和氟中毒。世界上一些著名的火山，如意大利的维苏威火山、那不勒斯山和冰岛的火山区，都有地方性氟中毒。
高氟岩石暴露区和氟矿区也是地方性氟中毒的发病区。如萤石、冰晶石、白云石、石灰岩、氟磷酸盐等富含氟，在风化淋滤迁移转化过程中，可增加地表水和地下水中的氟含量。
20℃以上的泉水也能溶解很多矿物质。温泉水的含氟量一般高于地表水，而且还随泉水温度的升高而增加，所以温泉地区常发生氟中毒。在我国和西藏的许多温泉区，泉水氟含量高达9.3 ~ 15 mg/L，温泉周围的居民患有严重的氟中毒。
在沿海地区，由于长期的海水渗透，形成了富盐的地球化学环境，海水中的氟也容易在这里富集。沿海地区大量开采地下水造成的海水入侵，不仅使土壤盐碱化，水井报废，而且使地下水含氟量增加，从而引起氟中毒。天津、沧州、潍坊等我国沿海地区都是氟中毒的高发区。
干旱半干旱地区气候干燥，降水少，地表蒸发强烈，地下水流不畅，氟浓度高，容易形成富氟区，也是氟中毒的高发区。印度许多地区氟含量丰富，总量为12×106t(世界约为85×106t)，地方性氟骨症患者超过1万人。
2.氟的地球化学特征
氟的天然来源有两种:①风化矿物和岩石；②火山爆发。由于自然地理条件不同，土壤含氟量差异很大。氟在酸性环境中以络合物的形式迁移，在碱性环境中多为离子型。地表水和地下水中的氟含量与气候带密切相关。湿润气候区的石灰性土壤带属于酸性淋溶环境，有利于氟的迁移。水中的氟含量一般为0.05 ~ 0.20mg/L；干旱半干旱草原黑钙土和栗钙土中氟含量高于盐渍土和碱土，干旱草原气候带水中氟含量可达2 ~ 12 mg/L。
氟在天然水中分布广泛，但极不均匀。据研究，海水中氟含量约为0.1毫克/升，河水为0.03 ~ 7毫克/升，温泉水为1.5 ~ 1.8毫克/升，盐湖水高达20 ~ 40毫克/升..天然水中的氟含量还受地形和地下水径流条件的控制。一般是山低平原高；丘陵低，洼地高。地下水径流条件差的地区，水中氟含量相对较高。
3.致病机理及预防
氟(F)是人体生命过程中的一种必需元素，具有重要的生理功能，它存在于人体的各个部位。每人每天正常氟需要量约为1mg，日本和美国营养研究机构公布的成人健康维持量为2.1 ~ 2.3 mg。
人体内80% ~ 85%的氟集中在骨骼和牙齿中。成人牙齿的氟含量为11mg/100g，而龋齿患者的氟含量仅为6 mg/100 g，饮用水中保持一定量的氟或从食物中摄取适量的氟，可以抑制细菌分解糖分所需的酶，加强牙釉质中烷基磷灰石的保护层，预防龋齿。其机理是氟可以取代牙釉质中一部分羟基磷灰石的羟基，形成酸不溶性晶体，从而增强口腔微生物对产酸的抵抗能力。如果摄氟量不足，氟化物转化为牙釉质的过程就会受到阻碍，从而促进龋齿的形成。国内调查数据显示，氟含量在0.5mg/L以下的地区居民龋齿率一般为50% ~ 60%；水氟含量在0.5 ~ 1.0 mg/L的地区，居民龋齿率一般只有30% ~ 40%。
如果每天有超过4毫克的氟化物进入人体，摄入的氟化物被吸收并沉积在骨组织中，就会导致氟中毒。轻度氟中毒表现为“斑釉病”，引起氟中毒；患了氟斑牙，牙齿表面失去光泽、粗糙，有的出现黄色、褐色、黑色色素沉着。这种疾病在中国北方许多地区都有发现，可导致片状或块状缺损，釉质破坏和脱落。我国几个地区的调查表明，正常情况下，饮用含氟0.5 ~ 1.0 mg/L的水时，氟斑牙患病率为10% ~ 30%，多为轻度釉质斑；1.0 ~ 1.5 mg/L时，大部分地区氟斑牙发病率已达45%以上，中重度患者明显增多。氟斑牙是过量摄入氟的早期征象，也是评价地方性氟中毒严重程度的主要指标之一。
重者为“氟骨症”。氟骨症患者早期全身四肢、脊柱、关节疼痛，全身无力。严重者可出现骨骼变形、关节病变、手掌皮质增厚、开裂、肢体功能障碍、腰椎变形、驼背，甚至丧失劳动能力或瘫痪。此病常见于我国内蒙古阿拉善右旗雅布莱盐池地区，因为饮用水中氟含量达到10 mg/L。
据国外报道，氟化物摄入量约为10mg/kg(体质量)，可能引起急性中毒。每日服用15 ~ 20 mg，持续10年后，可出现氟骨症；每日摄入20毫克，持续20年以上，可导致残疾。饮用水中的氟含量为8 ~ 20 mg/L，长期饮用会造成损害。3 ~ 8毫克/升可引起氟骨症；超过10mg/L时，会导致残疾。
氟也与肿瘤密切相关。根据美国癌症研究所的报告，美国每年35万癌症死亡病例中，有十分之一与饮用含氟水(在饮用水中人为添加氟化物)有关。有人用无机氟化物做大鼠致突变活性试验，结果表明氟是一种典型的无机诱变剂。我国科技工作者对内蒙古10个旗的饮用水中氟进行了调查，发现有8个旗高于国家标准规定的允许量。常见的65，438+06恶性肿瘤中，65，438+065，438+0与饮水中的氟呈正相关，对胃、食管、脑瘤有显著影响。
人体内约65%的氟化物来自饮用水，35%来自食物。水中氟含量对人体的影响如图94所示。各国对饮用水中氟含量的规定并不一致。举个例子， 世界卫生组织(世卫组织)制定的“饮用水质量标准” 指导世界各国制定饮用水水质标准规定氟含量限值为1.5mg/L/L欧盟制定的指导欧盟各国制定饮用水水质标准的《饮用水水质指令》规定氟的最大允许值为0.7 ~ 1.5 mg/L美国《国家饮用水暂行条例》规定饮用水氟含量为1.4 ~ 2.4 mg/L(视 环境温度)，而其他大多数国家都是1.0 ~ 1.5 mg/L，按照我国生活饮用水标准，水中氟含量为0.5 ~ 1.0 mg/L。
从预防龋齿的角度出发，当饮用水中的氟含量低于0.5mg/L时，可以考虑在水中加入一定量的氟化物，这就是所谓的饮用水氟化。美国很多地方都采用饮用水氟化，中国广州过去也在自来水中加氟。后来因为可以从饮食等因素补充，所以停用了氟化物。
从预防氟中毒的角度出发，当饮水中氟含量达到1.5mg/L或更高时，应考虑除氟。除氟的方法有很多。最方便的方法是用硫酸或石灰絮凝沉淀，但效率较差。在电便宜的地区，可以考虑蒸馏，也就是用含氟水制蒸馏水。冷冻法也可以生产脱氟水。含氟水结冰后，冰块融化，得到相对纯净的水。通常采用除氟剂吸附除氟法，用除氟剂以一定的过滤速度过滤含氟的水，使滤柱出水达到饮用水氟含量的规定要求。使用的脱氟剂有:磷酸三钙、骨灰和活性氧化铝。前两者机械强度差，再生用强碱和强酸，使用不方便。活性氧化铝机械强度好，不用强碱强酸再生受欢迎。电渗析、反渗透、离子交换也可用于去除水中的氟化物，脱盐的同时也可去除氟化物。但是工艺复杂，操作人员需要一定的培训，设备投入也高。这些方法通常用于含盐量和含氟量高的水。
图9-4水中氟含量对人体骨骼和牙齿生长的影响
此外，降低食物中的氟含量，限制高氟煤的燃烧和工矿企业向环境排放含氟“三废”，是预防食源性氟中毒和高氟煤烟尘污染型氟中毒的措施。
大骨节病
大骨节病是一种严重危害人类健康的畸形骨关节病。这种疾病在世界各地广泛分布。虽然已经研究了100多年，但原因还没有彻底查明。
我国是大骨节病发病人数最多的国家，病区分布在我国东部季风湿润区与内陆干旱区的过渡带，呈从东北到西藏的带状分布，包括296个县(市、市、自治区等。15黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山西、北京、山东、河北、河南、陕西、甘肃、四川、青海、西藏等省市自治区和台湾省。其中，黑龙江省(66个县市)受灾最为严重。俄罗斯的西伯利亚、朝鲜、瑞典、日本、越南等国家和地区也有发生。
1.地质地理分布
大骨节病分布广泛，跨越寒带、温带、热带三个气候带，自然环境复杂多变。疫区的地质地理环境可分为表生天然腐殖质环境、沼泽相沉积环境、黄土高原沟壑环境和沙漠沼泽沉积环境。
自然腐殖质环境区腐殖质丰富，土壤多为褐色和暗褐色森林土、草甸沼泽土和沼泽土。在该地区，大骨节病在经常饮用沼泽甸子水、沟水或孔隙渗出泉水的人群中较为严重，而在主要饮用河水、基岩泉水或深井水的人群中则较少发病或不发病。
沼泽相沉积环境主要分布在平原地区，如东北的松辽平原、松嫩平原、三江平原，自然景观以半干旱草原为主。这一带地势低平，水流不畅，沼泽湖泊星罗棋布。大骨节病的发生主要取决于地下水的开采层位。任何在湖泊和沼泽沉积物中开采地下水的人都更加频繁和严重。
黄土高原沟壑区侵蚀强烈，水土流失严重。当地居民常饮用坑水、沟水、渗泉水、渗井水，但这些地区地下水水质较差，常诱发大骨节病。
2.致病机理及预防
大骨节病的发病机制尚未确定。从患者的年龄来看，儿童和青少年常见。主要症状为关节疼痛、关节增厚变形、运动障碍、肌肉萎缩，轻者影响正常生活，重者完全丧失工作和生活能力。多年来，国内外学者对该病的病因提出了生物地球化学、食源性真菌中毒、综合生态效应等多种假说，其中以生物地球化学假说最为流行。
(1)生物地球化学理论
生物地球化学认为，大骨节病是一种矿物质代谢紊乱性疾病，其致病机制是由病区土壤、水和植物中某些元素的缺乏、过剩或失衡所致。有人认为，环境中缺乏钙、硫、硒等元素或铜、Bb、锌、镍、钼等金属元素过量都会引起疾病。也有人认为，环境中的元素失衡，如Sr多Ca少，Se多SO _ 2-4少，或Si多Mg少，是发病的主要原因。大骨节病还与环境中腐植酸含量高有关。
(2)食源性真菌中毒理论
根据食源性真菌中毒理论，大骨节病是由疫区被有毒镰刀菌污染的食物(玉米、小麦)引起的，居民长期食用这种食物而中毒。给动物接种镰刀菌强毒株，可引起动物骨骼出现类似大骨节病的病变。
(3)综合生态效应理论
综合生态效应理论认为，大骨节病是由多种生态因素引起的，如环境中元素分布异常、食物霉变、蛋白质和蔬菜缺乏、生活方式不当等，导致“骨膜缺损”成为大骨节病的主要病因。
大骨节病防治的根本原则是消除致病因素，积极调整和改善环境条件。实践证明，改水防病是目前最有效的措施之一。通过动物实验和软骨细胞实验，证明硒(Se)能抑制水中腐殖酸和镰刀菌毒素的毒性。如果将病房饮用水中的腐植酸含量控制在0.05毫克/升以下，可以取得明显的效果。此外，提倡杂食，加强营养，适量服用Na _ 2 SEO _ 3片，对大骨节病也有一定的防治作用。
(5)克山病
克山病是一种分布广泛的地方病，国内外均有发生，具有地域分布的特点。20世纪70年代初，我国科学家发现克山病与体内缺硒有关，适量摄入硒对克山病有明显的预防作用。临床观察表明，克山病是一种营养缺乏症，属于生物地球化学病。克山病的主要症状是心脏增大、心功能不全、心源性休克或心力衰竭、心律失常、心动过速或心动过缓等。这是一种严重的心肌疾病。中国克山病的分布与中新生代厚层陆相沉积有关，也与地形地貌密切相关。从地理上看，呈东北至西南的斜条状。据统计，我国有15个省区有303个县(旗)有克山病分布。
1.地质地理分布
我国克山病的分布可分为东北型、西北型和西南型三种类型，这些地区的共同特点是富含腐殖质。
东北克山病的特点是克山病患者多患有大骨节病，其分布与病情严重程度基本相同。自然环境主要是表生天然腐殖质环境和湖相沉积环境。病房里的居民大多喝地下潜水或富含腐植酸的地表水。
西北克山病以陕北黄土高原和陇东黄土高原为代表。病房里的居民经常喝被有机物污染的窑水、渗泉水、沟水。
西南克山病主要分布在云南高原和川东丘陵地区。病房内的居民经常饮用水质差、有机物污染严重的沟水、坑水、涝池水。
2.致病机理及预防
克山病的生物地球化学已取得很大进展。根据林念锋等人(1990)对腐植酸的系统研究，克山病与饮水中腐植酸过量有关。腐植酸可能以两种方式引起克山病。
1)与多种元素形成络合物或螯合物，进一步影响人体对铁、锰、镁等元素的吸收，导致人体缺乏这些微量元素而引发疾病。
2)低分子量腐植酸的毒性直接损害心肌并导致疾病。
环境中高含量的亚硝酸盐和钡也会引起中毒，导致克山病的发生。
此外，关于克山病的致病机制，还有一些观点，如营养缺乏说、生物病因学说等。根据营养缺乏理论，病区食物缺乏维生素A、B、C和氨基酸，而生物病因学理论认为克山病是病毒引起的自然疫源性疾病，属于病毒感染引起的心肌炎或食物中某些真菌中毒引起的心肌病。一些病毒学家认为，克山病区的一种或几种病毒由于适宜的水土条件而相互作用，直接或间接作用于心脏和肌肉而发病。
克山病的防治措施主要是改水或换水，防止致病因素进入人体。在硒含量较低的环境中，通过服药增加硒的摄入量，也能起到防病治病的作用。
近年来，环境医学的研究表明，癌症的高发区也具有区域性分布的特点，说明地球化学环境也是致癌的重要因素之一。人体缺钼可能会引起食道癌、肝癌。如我国河南省临县是食管癌高发区，病区地球化学环境以严重缺Mo为特征。长三角部分地区也是人体缺钼的肝癌高发区。