第七講──銅與鋁

袁詩璞

【金屬毒理學知識講座】

第七講──銅與鋁

袁詩璞

第一部分、銅

1 概述

在電鍍中，銅與銅合金基體制件需作表面處理，鍍?nèi)°~及銅合金也是用量較大的常規(guī)鍍種之一。因此，無論作為金屬還是其化合物，銅都是常接觸的物質(zhì)。

銅既是動物生理需要的微量元素之一，也是體內(nèi)含量過多就會產(chǎn)生毒害性的元素之一。其對人的毒害作用比鋅略大，因此，在電鍍廢水排放限量標準中的要求更嚴，為0.5 mg/L或0.3 mg/L。

銅是人類發(fā)現(xiàn)較早的元素之一。自然界中，銅除主要以輝銅礦(Cu2S)、黃銅礦(CuFeS2)、赤銅礦(Cu2O)、藍銅礦[2CuCO3·Cu(OH)2]及孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]等形式存在之外，還與許多重金屬的硫化物共生，分布很廣；自然銅的礦床則稀少。銅在地殼中的豐度為0.007%。人類在史前時期，就用青銅來制造器具、兵器及裝飾品、禮器。我國在4 000年前開始煉銅，商周時期，銅器應用已很廣泛。

金屬銅本身幾乎無毒。電解冶煉銅時，有中毒事例發(fā)生，是因為當陰極電流密度較大時，雜質(zhì)砷產(chǎn)生了劇毒的氫化砷氣體：

同時，電解液中還會析出砷化銅毒物：

2 動植物與銅

2. 1 植物

尚不清楚銅是否為植物生長所必需的元素。在新開墾的土地上種植，若土壤中缺銅，會產(chǎn)生特有的銅欠缺癥，使作物對各種病原菌的抵抗力下降。對于藻類的生長，銅是微量有效成分。

土壤對銅有積累性。植物根系從水中攝取可溶性銅化物，能在植物體內(nèi)蓄積。但植物攝取過多的銅后會危害其正常生長，阻礙根系發(fā)育，抑制養(yǎng)分吸收，對水稻和大麥的生長發(fā)育尤其不利。例如，灌溉水中硫酸銅對水稻危害的臨界質(zhì)量濃度為0.6 mg/L。

2. 2 動物

不同動物對銅的耐受能力不同。銅離子能殺滅水中的微生物。水中含銅量超過0.01 mg/L，即會危害微生物對水體的自凈作用，達到0.2 ppb(注：ppb在美、法為10?9，英、德為10?12，資料中未注明國別)時開始對魚類產(chǎn)生毒性反應。我國規(guī)定地表水中銅的限量為0.1 mg/L，漁業(yè)用水為0.01 mg/L。因此，在認識電鍍廢水的排放限值要求時，不單只考慮毒害物對人體的危害，還應重視對農(nóng)作物與農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖的危害。海生物養(yǎng)殖中，還發(fā)現(xiàn)海岸和港灣曾發(fā)生銅污染引起牡蠣肉變綠的事件。

大鼠試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，皮下注射硫酸銅，肝銅濃度增加、血紅蛋白降低，紅細胞與血球容積比也降低，肝、腎都可見急性中毒的組織學特征。大鼠經(jīng)口投入CuSO4·5H2O的半致死劑量LD50為300 mg/kg。

對豬投以含銅250 mg/kg的飼料時，其增重較對照組更加明顯，說明此濃度有利于養(yǎng)豬。但飼料中含銅量增至500 mg/kg時，豬則顯示出體重下降與貧血，測定此時肝銅濃度達到 500 mg/kg濕重。綿羊經(jīng)口給予20 mg/kg體重的銅，于第9周后出現(xiàn)溶血現(xiàn)象，肝銅濃度達500 mg/kg，而對照組僅50 mg/kg。溶血還可導致綿羊得急性腎小管損害。牛等反芻動物攝入相對低(＜16 mg/kg)的含銅食物時，如果食物中鉬含量也低，那么可能產(chǎn)生銅的毒作用；相反，如果食物中鉬含量過高，則會導致相對的銅缺乏，其影響比較復雜。

3 人體與銅

3. 1 銅的攝入途徑

人每天由食物攝入的銅在1 ～ 3 mg之間波動，相當于成人每kg體重15 ～ 45 μg銅。成年人每日銅的需要量約為30 μg/kg體重，青年為40 μg/kg體重，嬰兒的需要量則達80 μg/kg體重。食物中銅的質(zhì)量分數(shù)約為1 mg/kg。肉食品、內(nèi)臟、魚和綠色蔬菜含銅豐富，谷物的含銅量很低，而牛奶則相對缺銅(“缺銅”意指食物中銅含量低于0.1 mg/kg)?？梢?，嬰幼兒奶制品中應外加適量的銅。若喂食天然純奶，再輔以魚湯，則有好處。牡蠣、蕈、硬殼果、巧克力等的含銅量也高。

正常飲用水的含銅量從幾μg至1 mg/L以上，人體從飲用水中攝入銅的量很大。但飲用水中銅含量超過3 mg/L則有異味，大于15 mg/L則不能飲用。按國標GB 5749–2006規(guī)定，我國飲用水中銅的最高限值為1.0 mg/L。

3. 2 銅是人體必需的微量元素

人和動物需要銅制造紅細胞和血紅蛋白。銅缺乏時發(fā)生貧血，是由于鐵吸收遲緩，或者骨髓合成紅細胞的速度受到限制。缺銅引起的貧血，其特點與缺鐵性貧血相似。一般認為銅在血紅蛋白合成上是一個活化劑。銅與氧化酶中的過氧化氫酶、過氧化物酶、細胞色素氧化酶等有關。血清銅藍蛋白具有氧化酶的活力，能夠氧化腎上腺素、五羥色胺、二羥苯丙氨酸等。銅與細胞色素C氧化酶活力有關。

銅對合成彈性蛋白起一定作用。含銅的酶使賴氨酸脫氨氧化，產(chǎn)生與彈性蛋白交聯(lián)的物質(zhì)。缺銅時，由于彈性蛋白不足，可以發(fā)生血管缺陷，如夾層動脈瘤等。

嬰兒胃腸道功能紊亂可誘發(fā)銅的缺乏癥。成人長期應用硫酸鋅作治療藥物，可因缺銅而導致貧血。與牛類似，人體過量攝入鉬時，影響組織與血液銅水平，可出現(xiàn)尿銅增高和血銅降低。

3. 3 人體中銅的運轉(zhuǎn)

人體可依體內(nèi)銅水平來調(diào)節(jié)對銅的吸收率。當攝入小劑量銅時，吸收率可達 50%；攝入劑量大時，吸收率下降。

食物中的銅進入消化道后由胃腸黏膜吸收，通常吸收率為20% ～ 30%。

銅被吸收后進入血液。銅離子與血漿中的白蛋白松散結(jié)合，然后進入肝臟，與肝臟生成的α2球蛋白結(jié)合，形成銅藍蛋白。2 ～ 5 h后，新合成的銅藍蛋白從肝臟進入血液。新生兒肝臟銅質(zhì)量分數(shù)約為30 mg/kg濕重，一周歲時下降至5 ～ 10 mg/kg濕重，在整個一生中濃度保持相對穩(wěn)定。正常人全血、血漿和紅細胞中的銅質(zhì)量濃度大致為1 mg/L。婦女(特別是妊娠期婦女)的血清銅水平高于正常人的2倍以上?？诜茉兴幰部稍龈哐邈~水平。性激素會影響銅藍蛋白的合成，因而妊娠婦女在血清銅增高的同時伴有血清銅蛋白的增高。

銅主要貯存于肝、心、腦、腎和肌肉中。肝硬變時，其銅含量較高。

銅主要由胃腸道排出，由膽汁排出 80%，由腸壁排出 16%。銅在血液中與蛋白質(zhì)結(jié)合后不能通過腎小球濾出，因而經(jīng)尿液僅排出4%。當人體從食物中攝取的鉬較多時，尿銅排泄增加。銅還可經(jīng)汗液部分排出。

現(xiàn)已基本證實，正常人經(jīng)注射銅鹽后，其生物半減期約為 4周。一種先天性銅代謝疾病，亦稱肝豆狀核變性(Wilson病)，肝中銅過量積蓄，病患者的生物半減期則要長得多。

3. 4 銅對人體的毒害性

3. 4. 1 對呼吸系統(tǒng)的傷害

熔煉銅、焊接銅、磨光銅件的工人，油漆廠研磨氧化銅粉的工人，吸入細微銅或氧化銅微粒，可發(fā)生急性中毒，表現(xiàn)金屬煙塵熱。該現(xiàn)象在之前作過較詳細介紹，不再贅述。長期大量接觸銅塵和銅煙的工人，也可出現(xiàn)慢性中毒，包括鼻咽部黏膜充血，偶有鼻中隔潰瘍。有些病人感覺周身乏力，有發(fā)冷、發(fā)熱的感覺。

有文獻在論及硝酸銅的毒性時，報道了從呼吸道吸入銅鹽微粒時，慢性中毒與六價鉻霧一樣，可導致鼻中隔穿孔。輕者產(chǎn)生鼻、咽喉、上呼吸道炎癥。

在種植葡萄時，噴灑硫酸銅液(是一種應用很廣的殺蟲劑)殺蟲。幾位工業(yè)衛(wèi)生學家共報道了17例所謂“葡萄園噴務工肺”。這種疾病被認為是用波爾多氏液噴撒葡萄園時吸入硫酸銅后所產(chǎn)生的。人體標本可見肺表面呈現(xiàn)綠藍色的斑塊。組織學檢查發(fā)現(xiàn)它的改變與矽肺改變相似，而且證實這種肺組織中銅含量最高。上述17例中還有3例確診為肺癌，5例為肺結(jié)核，其中7例具有長期吸煙的習慣，故不能確定硫酸銅有致肺癌的作用。

3. 4. 2 皮膚損害

長期接觸銅塵，皮膚和頭發(fā)可被染成淺綠色或墨綠色。銅可使手掌和足跖角化，并可引起皮炎和濕疹。接觸高濃度銅化合物可造成皮膚壞死。

3. 4. 3 眼部損害

長期接觸銅塵也可造成眼結(jié)膜變色。眼接觸銅鹽可引起角膜潰瘍、結(jié)膜炎和眼瞼水腫。嚴重的角膜炎會造成視力模糊。從事銅鋅錫合金槍彈銅殼生產(chǎn)的工人有發(fā)生銅性白內(nèi)障的病例。

3. 4. 4 非職業(yè)性中毒

長期飲用被銅污染而含銅過高的水，食用因植物和水生物富集作用而含銅過高的食物，不當?shù)厥褂煤~藥物，誤食或自殺性口服銅鹽，都會引起銅的慢性或急性中毒。

慢性中毒表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂，肝腎功能障礙，心血管病死亡率增高。

硫酸銅和銅綠(堿式碳酸銅)對黏膜具有腐蝕性，硫酸銅的刺激性更強?？诜﨏uSO4·5H2O 0.065 ～ 0.130 g即可產(chǎn)生癥狀，口服0.650 ～ 0.975 g可產(chǎn)生嚴重中毒?？诜罅裤~鹽后，牙齒、齒齦、舌苔藍染，口中有金屬味，流涎、惡心、嘔吐，上腹痛、腹瀉。嘔吐物因硫酸銅而染藍色，因銅綠而染綠色。反復嘔吐易因失水而休克。有些病人在2 ～ 3 d出現(xiàn)黃疸：病情輕者因溶血引起嘔血和黑便，肝組織基本正常；重癥者黃疸和肝功能異常明顯，肝小葉中央壞死和郁膽。對口服硫酸銅自殺者觀測，血銅質(zhì)量濃度達8 mg/L時即可出現(xiàn)黃疸和腎臟損害。

口服銅鹽后可損傷紅細胞而引起血管內(nèi)溶血，在第2 ～ 3 d尿中出現(xiàn)血紅蛋白，之后發(fā)生急性腎小管壞死，出現(xiàn)尿閉、尿毒癥，可導致昏迷、死亡。靜脈注射銅鹽的毒性很大，皮下注射氯化銅可發(fā)生壞死。靜脈注射硫酸銅會發(fā)生溶血性貧血。心肌梗死者，某些腫瘤、甲狀腺機能亢進、膽汁性肝硬變、類風濕關節(jié)炎患者的血銅濃度會增高；肝硬變、白色病患者及早產(chǎn)兒的肝銅量也會增高。

尚未見銅的致癌與致畸現(xiàn)象的報道。

第二部分、鋁

1 概述

鋁的相對質(zhì)量密度為2.7，熔點660 °C，沸點2 500 °C，是一種質(zhì)軟、具延展性的輕金屬，在自然界中分布很廣，含鋁礦物達2 500種之多。鋁在工業(yè)及生活用品上應用很廣。

表面處理中，鋁及其合金有多種工藝加工，其量也較大。

有學者提出鋁也是人體必需的微量元素，但對其生理學方面的研究尚不深入全面，因此這一觀點并未被公認。

過去認為鋁及鋁化合物是無毒的，因而對其毒理學方面的研究與報道很少。后來發(fā)現(xiàn)動物攝入過多的鋁也有害，因此對加工食品中的鋁含量也提出了限值要求。

電鍍廢水現(xiàn)行排放限值標準為：總鋁3.0 mg/L或2.0 mg/L，與總鐵相同。

Al(OH)3的溶度積常數(shù) Ksp：18 °C、微酸性下為1.1 × 10?15，25 °C、微堿性下為1.9 × 10?33，是所有鋁化合物中最難溶于水的物質(zhì)。當Al3+濃度為0.01 mol/L時，pH達到4.0即開始形成Al(OH)3沉淀；pH為5.2時沉淀完全；但當pH達到7.8時，開始復溶為偏鋁酸鹽；當pH為10.8時，沉淀全部溶完。這就給采用中和沉淀法使Ni2+、Cu2+與Al3+均同時沉淀達標造成了困難。

2 人體中的鋁

人從飲水與食物中攝入鋁，每天從飲食中攝入的量為10 ～ 100 mg。正常成人體內(nèi)鋁的總量為50 ～ 150 mg，血鋁含量為0.02 mg左右。

鋁經(jīng)胃腸道吸收后，分布于所有組織，但以肝、腎、脾、甲狀腺和腦中蓄積較多。未經(jīng)吸收的鋁由糞便排出。細微鋁粉經(jīng)呼吸道吸入后，沉積在呼吸道、肺和肺淋巴結(jié)，部分也可蓄積于肝和腎，并經(jīng)尿和膽汁排出，此時人體各器官的含鋁量以肺具首位，其次是皮膚。

3 鋁的毒害性

3. 1 動物試驗

3. 1. 1 急性中毒

對于不溶性鋁化合物，即使一次給予較大劑量，也不會引起明顯的急性中毒現(xiàn)象。

一些可溶性鋁化合物對家兔的口服致死量如下：鈉釩[Na2SO4·Al2(SO4)3·24H2O] 2 g/kg，醋酸鋁5 ～15 g/kg，氯化鋁3 ～ 5 g/kg。氯化鋁與硫化鋁一次服用超過5 g/kg，可使家兔于2 ～ 11 d內(nèi)死亡，主要病理改變?yōu)槟I小管損傷和肝臟的中心性壞死。

家兔皮下注射硫酸鋁的致死量為100 mg/kg。靜脈注射氯化鋁的致死量：小鼠為25 mg/kg，家兔為10 mg/kg。

3. 1. 2 慢性中毒

家兔、豚鼠皮下注射氫氧化鋁0.2 mL，每周1 ～2次，數(shù)十次后局部形成硬結(jié)，鏡檢可見壞死和浸潤性改變。

小鼠飼料中添加質(zhì)量分數(shù)為355 × 10?6的氯化鋁，喂飼40 d，鋁代謝尚無影響，但磷代謝已有輕微影響。大鼠飼料中鋁含量達4 050 × 10?6，豚鼠和家兔飼料中的鋁達到1 400 × 10?6時，血磷和骨磷下降。小雞攝取含鋁量達4 400 × 10?6的飼料后，可發(fā)生嚴重的佝僂病。

大鼠一次性氣管注入1 μm以下粒徑的鋁塵粒40 mg時，可產(chǎn)生明顯的肺纖維化。但另一試驗又證明鋁有抑制和預防矽肺時肺纖維化發(fā)生、發(fā)展的作用，因為在二氧化硅塵粒表面形成了一層難溶的膠性氫氧化鋁外膜，改變了二氧化硅塵粒的表面結(jié)構(gòu)，所以降低了石英的毒性作用。

3. 2 對人的毒性

磷是人體中需要量較大的重要元素之一。當人體攝入鋁量超過正常的5 ～ 10倍時，可抑制磷自消化道的吸收而導致缺磷，使血磷降低(血清中三磷酸腺苷含量降低)，影響細胞和組織中的磷酸化過程，使摻入磷脂及核酸中的磷減少，從而干擾磷化合物的代謝。缺磷的原因是鋁在胃腸道內(nèi)與磷酸鹽反應，形成了不溶性磷酸鋁鹽，其簡化反應為：

長期攝入鋁及其化合物，還可影響若干消化酶的活性。如抑制胃蛋白酶的活性，使胃酸降低而影響酸堿平衡，促使胃液分泌減少，以及黏蛋白分泌增加。對胰腺功能則無影響。

有研究認為，鋁在腦中積蓄會對中樞神經(jīng)產(chǎn)生影響，典型癥狀包括語言障礙，共濟失調(diào)，驚厥，腦電圖特征改變，癡呆，透析性腦病或透析性癡呆病，病后兩年死亡。

3. 3 臨床表現(xiàn)

3. 3. 1 非職業(yè)性中毒

用銨明礬[即硫酸鋁銨，(NH4)2SO4·Al2(SO4)3·24H2O]溶液漱口會引起口干，其20%濃溶液可引起齒齦糜爛、壞死。誤服后可產(chǎn)生局部刺激和腐蝕現(xiàn)象，嚴重時發(fā)生出血性胃炎。

誤將醋酸鋁注入膀胱，可引起壞死性腎盂炎和膀胱炎。長期用低濃度(0.4%)醋酸鋁溶液濕敷皮膚傷口，也可產(chǎn)生刺激與腐蝕，而導致皮膚壞死。

3. 3. 2 職業(yè)危害

3. 3. 2. 1 急性損害

吸入高濃度氯化鋁，可產(chǎn)生急性刺激性支氣管炎。對皮膚黏膜有刺激作用，可引起急性結(jié)膜炎。氯化鋁受潮溶解后所生成的鹽酸可灼傷皮膚。

吸入烷基鋁化合物的蒸氣可引起類似金屬煙塵熱的表現(xiàn)，并對上呼吸道和眼結(jié)膜有刺激作用。未稀釋的烷基鋁原液有腐蝕性，可引起皮膚灼傷。

表面處理作業(yè)中，鋁引起急性損害的可能性不大。

3. 3. 2. 2 慢性損害

(1) 鋁塵肺。吸入超細的鋁粉可產(chǎn)生鋁塵肺。X射線檢查可見肺野呈廣泛的紋理增加，并出現(xiàn)多量網(wǎng)組織理，顯示有肺間質(zhì)纖維化改變，存在散在的2 ～ 3 mm的結(jié)節(jié)陰影。也有人認為鋁、氧化鋁、氫氧化鋁的粉塵不損傷肺。塵肺者往往還與吸入其他物質(zhì)(如礦物油、潤滑劑)有關，后者的長期刺激作用更有可能是致病原因。在表面處理作業(yè)中，磨拋鋁件時應預防鋁塵肺的可能發(fā)生。

(2) Shaver病。這是含鋁磨料生產(chǎn)中的工人，吸入在2 000 °C高溫下熔融的礬土(Al2O3)、石英、鐵和焦煤等物質(zhì)混合逸出的煙霧而產(chǎn)生的疾病，可有氣短、胸悶、胸痛、咳嗽、無力等癥狀，X線檢查可見肺紋理增重和肺氣腫。個別嚴重病例可因彌漫性肺間質(zhì)纖維化而發(fā)生自發(fā)性氣胸。然而病原是否就是鋁，還不能肯定。

吸入氯化鋁可引起支氣管喘息發(fā)作，屬于過敏性。

從現(xiàn)有認識來看，表面處理作業(yè)時，鋁并無明顯職業(yè)性損害。但人類的認識在不斷加深，一切以小心為好。

[ 編輯：溫靖邦 ]