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1、- 10 -環(huán)境保護、新材料、人體健康一、生物體中的化學(xué)元素的分類和主要功能存在于生物體(植物和動物)內(nèi)的元素大致可分為:(1).必需元素，按其在體內(nèi)的含量不同，又分為常量元素和微量元素；(2).非必需元素；(3).有毒(有害)元素。人體內(nèi)大約含30多種元素，其中有11種為常量元素，如C、H、O、N、S、P、C1、Ca、Mg、Na、K等，約占99.95%，其余的0.05%為微量元素或超微量元素。必需元素是指下列幾類元素：(1).生命過程的某一環(huán)節(jié)(一個或一組反應(yīng))需要該元素的參與，即該元素存在于所有健康的組織中；(2).生物體具有主動攝人并調(diào)節(jié)其體內(nèi)分布和水平的元素；(3).存在于體內(nèi)的生物活

2、性化合物的有關(guān)元素；(4).缺乏該元素時會引起生化生理變化，當補充后即能恢復(fù)。有2030種普遍存在于組織中的元素，它們的濃度是變化的，而它們的生物效應(yīng)和作用還未被人們認識，有待于研究，所以稱它們?yōu)榉潜匦柙?。另外一些則是能顯著毒害機體的元素。如，血液中非常低濃度的鉛、鎘或汞，具有有害的作用，就可稱為有毒元素，亦稱有害元素。 人類在適應(yīng)生存和進化中，逐漸形成一套攝人、排泄和適應(yīng)這些元素的保護機制，即人體內(nèi)的元素，不論是常量或微量，維持平衡狀態(tài)是經(jīng)過人類長期進化形成的。許多元素是否是必需還是有害，和攝入量(即在體內(nèi)的濃度)有關(guān)。每一種必需元素在體內(nèi)都有其合適的濃度范圍，超過或不足都不利于人體健康。

3、例如，人們對碘的最小需要量為0.1mg天，耐受量為1000mg天，當大于10000mg天即為中毒量。這些元素在生物體內(nèi)所起到的生理和生化作用，主要有幾個方面。(1).結(jié)構(gòu)材料。無機元素中Ca、P構(gòu)成硬組織，C、H、O、N、S構(gòu)成有機大分子結(jié)構(gòu)材料，如多糖、蛋白質(zhì)等。(2).運載作用。人對某些元素和物質(zhì)的吸收、輸送以及它們在體內(nèi)的傳遞等物質(zhì)和能量的代謝過程往往不是簡單的擴散或滲透過程，而需要有載體。金屬離子或它們所形成的一些配合物在這個過程中擔負重要作用。如含有Fe2+的血紅蛋白對O2和CO2的運載作用等。(3).組成金屬酶或作為酶的激活劑。人體內(nèi)約有四分之一的酶的活性與金屬離子有關(guān)。有的金屬離

4、子參與酶的固定組成，稱為金屬酶。有一些酶必需有金屬離子存在時才能被激活以發(fā)揮它的催化功能，這些酶稱為金屬激活酶。元素功 能HBCNOFNaMgSiPSC1KCaVCrMnFeCoCuZnSeMoSnI水，有機化合物的組成成分植物生長必需有機化合物組成成分有機化合物組成成分水，有機化合物的組成成分鼠的生長因素，人骨骼的成長所必需細胞外的陽離子，Na+酶的激活，葉綠素構(gòu)成，骨骼的成分在骨骼、軟骨形成的初期階段所必需含在ATP等之中，為生物合成與能量代謝所必需蛋白質(zhì)的組分，組成Fe-S蛋白質(zhì)細胞外的陰離于，Cl-細胞外的陽離子，K+骨骼、牙齒的主要組分，神經(jīng)傳遞和肌肉收縮所必需鼠和綠藻生長因素，促進

5、牙齒的礦化促進葡萄糖的利用，與胰島素的作用機制有關(guān)酶的激活、光合作用中水光解所必需最主要的過渡金屬，組成血紅蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白等紅血球形成所必需的維生素B12的組分銅蛋白的組分，鐵的吸收和利用許多酶的活性中心，胰島素組分與肝功能肌肉代謝有關(guān)黃素氧化酶，醛氧化酶，固氮酶等所必需鼠發(fā)育必需甲狀腺素的成分(4)調(diào)節(jié)體液的物理、化學(xué)特性。體液主要是由水和溶解于其中的電解質(zhì)所組成。生物體的大部分生命活動是在體液中進行的。為保證體內(nèi)正常的生理、生化活動和功能，需要維持體液中水、電解質(zhì)平衡和酸堿平衡等。存在于體液中的Na+、K+、C1-等發(fā)揮了重要作用。(5).“信使”作用。生物體需要不斷地協(xié)調(diào)機體內(nèi)

6、各種生物過程，這就要求有各種傳遞信息的系統(tǒng)。細胞間的構(gòu)通即信號的傳遞需要有接受器?；瘜W(xué)信號的接受器是蛋白質(zhì)。Ca2+作為細胞中功能最多的信使，它的主要受體是一種由很多氨基酸組成的單肽鏈蛋白質(zhì)，稱鈣媒介蛋白質(zhì)(分子量為16 700)。氨基酸中的羧基可與Ca2+結(jié)合。鈣媒介蛋白質(zhì)與Ca2+結(jié)合而被激活，活化后的媒介蛋白質(zhì)可調(diào)節(jié)多種酶的活力。因此Ca2+起到傳遞某種生命信息的作用。也有細胞內(nèi)信使，Ca2+也是細胞內(nèi)信使。鈣、磷、鈉、鉀等元素的生物功能(1).鈣是骨骼和牙齒的主要成分。調(diào)控人體正常肌肉收縮和心肌收縮，同時起細胞信使作用。例如，血液中Ca2+過多，會造成神經(jīng)傳導(dǎo)和肌肉反應(yīng)的減弱，使人對任

7、何刺激都無反應(yīng)，但血液中Ca2+太少，又會造成神經(jīng)和肌肉的超應(yīng)激性，在這種極度興奮的情況下，微小的刺激，比如一個響聲、咳嗽，就可能使人陷入痙攣性抽搐。(2).磷，骨骼和牙齒中除了含Ca外，磷也是一種重要的元素。人體內(nèi)90的磷是以磷酸根PO43-的形式存在，如牙釉質(zhì)中的主要成分是羥基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6和少量氟磷灰石Ca10F2(PO4)6，氯磷灰石等。牙釉質(zhì)是由不溶性物質(zhì)所組成，稱為羥基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6。使它從牙齒上溶解下來稱為去礦化，而形成時稱為再礦化。在口腔中存在著這樣一種平衡：健康的牙齒也同樣存在這樣的平衡。然而，當糖吸附在牙齒上并且發(fā)酵時，產(chǎn)生的H+

8、與OH-結(jié)合成H20以及PO43-而擾亂平衡，會引起更多的Ca10(OH)2(PO4)6溶解，結(jié)果使牙齒腐蝕。氟化物通過取代羥基磷灰石中的OH-有助于防止牙齒腐蝕，由此產(chǎn)生的Ca10F2(PO4)6能抗酸腐蝕。磷酸可以和有機化合物中的羥基(糖羥基、醇羥基，形成磷酸脂；如ATP就是三磷酸腺苷，磷脂就是存在細胞膜。ATP水解時放出高能量，如ATP的水解與細胞里的一個放熱反應(yīng)(如肌肉收縮或大分子的合成)相配合，則ATP的水解就可為其他反應(yīng)提供必要的能量。磷的化學(xué)規(guī)律控制著核糖、核酸以及氨基酸、蛋白質(zhì)的化學(xué)規(guī)律，從而控制著生命的化學(xué)進化。身體中磷的主要作用見圖所示。由于磷的分布很廣，因此人們?nèi)粘Ｊ称分?/p>

9、很少缺少這種元素。 (3).K+、Na+和C1在體內(nèi)的作用是錯綜復(fù)雜而又相互關(guān)聯(lián)的。K+和Na+常以KCl和NaCl的形式存在。K+、Na+和C1的首要作用是控制細胞、組織液和血液內(nèi)的電解質(zhì)平衡。這種平衡對保持體液的正常流通和控制體內(nèi)的酸堿平衡都是必要的。K+和Na+(與Ca2+和Mg2+一起)有助于使神經(jīng)和肌肉保持適當?shù)膽?yīng)激水平。NaCl和KCl的作用還在于使蛋白質(zhì)大分子保持在溶液之中，并使血液的粘性或稠度調(diào)節(jié)適當。胃里開始消化某些食物的酸和其他胃液、胰液及膽汁里的助消化的化合物，是由血液里的鈉鹽和鉀鹽形成的。另外，視網(wǎng)膜對光脈沖反應(yīng)的生理過程，也依賴于K+、Na+和C1有適當?shù)臐舛?。顯然，

10、人體的許多重要機能對這三種離子都有依賴關(guān)系，如圖所示。二、環(huán)境與環(huán)境污染 人類生活在大氣圈中，依靠空氣中的氧氣而生存。氧氣被吸進肺細胞后穿過細胞壁與血液中的血紅蛋白結(jié)合，由血液將氧輸送到全身，與身體中營養(yǎng)成分作用而釋放出人體活動必需的能量。一般成年人每天需要呼吸約10 m312m3的空氣，它相當于一天進食量的10倍、飲水量的3倍。人可幾周不進食，幾天不喝水，但斷絕空氣幾分鐘生命就難以維持，這充分表明空氣對維持生命的重要性，而清潔的空氣則是人類健康的重要保證。但大氣中總是含有一些對人體有害的物質(zhì)，如CO，NOX，S02等，它們被視作大氣污染物，現(xiàn)在能監(jiān)測到的污染物近百種，表中例舉了幾種主要的大氣

11、污染物。表：大氣污染物分 類成 分顆粒物含硫化合物含氮化合物氧化物鹵化物有機化合物碳粒，飛灰，CaC03，ZnO，PbO2，各種重金屬塵粒SO2，SO3，H2SO4，H2S，硫醇等NO，NO2，NH3等O3，CO，CO2，過氧化物等氧氣，HF，HCl等烴類，甲醛，有機酸，焦油，有機鹵化物，酮類，稠環(huán)致癌物等燃料的燃燒是造成大氣污染的主要原因。人類生活和工業(yè)、科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化，使燃料用量大幅度上升，從而造成大氣的污染日趨嚴重。隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，大都市中大量汽車的排氣也對環(huán)境造成了嚴重污染。另外，大氣中還有來自工業(yè)生產(chǎn)的其他污染物，石油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)大規(guī)模地發(fā)展也增加了空氣中污染物的種類和數(shù)量

12、。在農(nóng)業(yè)方面，由于各種農(nóng)藥的噴灑而造成的大氣污染也是不可忽視的問題。大氣污染對建筑、樹木、道路、橋梁和工業(yè)設(shè)備等都有極大危害。對人體健康的危害也日益明顯。下面就某些公認的綜合性大氣污染現(xiàn)象，介紹其污染源和對人類的危害。(1).汽車尾氣汽車是近代重要的交通運輸工具，隨著汽車數(shù)量的激增，汽車尾氣造成的環(huán)境污染也日益嚴重。汽車尾氣中的有害成分主要有CO，NOX。CO是汽油燃燒不完全的產(chǎn)物，其數(shù)量占尾氣成分的首位。化石燃料的不完全燃燒和高溫下存在的2CO+O2=2C02的平衡，使得CO存在于所有實際燃燒器的尾氣之中。CO無色、無臭、無味，當被吸人人體后，極易與血紅蛋白結(jié)合，其親合力比O2約大20030

13、0倍，使血紅蛋白失去攜氧能力。CO濃度低時會使人慢性中毒，濃度高時則會導(dǎo)致窒息死亡。 氮的氧化物種類很多，但在大氣中有危害作用的，主要是NO和NO2，習(xí)慣上將這兩種化合物以NOX表示，稱為氮氧化物。NOX主要是在氣缸點火的高溫瞬間由空氣中的氮與氧化合而成的。NOX對人體有危害，它進入人體后，開始是刺激呼吸器官，然后逐漸侵入肺部，與細胞液中水分結(jié)合成亞硝酸和硝酸后產(chǎn)生強烈的刺激與腐蝕作用，引起肺水腫。NO2的毒性高于NO，NO2氣體呈紅棕色，有特殊刺激臭味。NOX既有害于人體健康，還會腐蝕建筑物，并能導(dǎo)致形成酸雨和光化學(xué)煙霧，被列為大氣中的重要污染物。 大氣中的烴類污染物的定義并不嚴格，它是指各

14、種烴類及其衍生物，品種極多，一般以HC表示(此處HC主要是指油箱及化油器的逸散和滴漏的燃料油和部分因燃燒不完全而生成的烴類及其各種衍生物)。汽車尾氣排放的未經(jīng)燃燒的汽油和燃燒不完全而產(chǎn)生的多種烴類衍生物成分極其復(fù)雜，其中有飽和烴、不飽和烴、芳香烴以及這些烴類的含氧衍生物(如醛、酮等)，不僅成分種類多，且組成變化也大。烴類污染物對自然界的危害，主要是破壞了生態(tài)系統(tǒng)的正常循環(huán)，還誘發(fā)產(chǎn)生光化學(xué)煙霧。 直徑大于10m(1m=10-6m)的顆粒，能依靠其自身重力作用降落到地面，稱為降塵。它們在空氣中停留時間短，不易被人吸人，故危害不大。直徑小于10m的顆粒，在空氣中可較長時間飄游，稱為飄塵。對人體健康

15、危險性最大的是0.5m一5m的顆粒，這種飄塵可直接到達肺細胞而沉積在肺中，并可進入血液，導(dǎo)致呼吸道疾病，它們還可能和SO2，NO2等產(chǎn)生協(xié)同作用，損害粘膜、肺細胞，引起支氣管和肺部炎癥，部分病人最后會導(dǎo)致肺心病。汽車尾氣中的顆粒物包括鉛化合物、碳顆粒和油霧等。鉛化合物是大氣的重金屬污染物中毒性較大的一種，它來自于汽油的抗爆添加劑，這是一種含鉛的有機化合物四乙基鉛(C2H5)4Pb)其毒性比無機鉛化合物約大百倍，并且隨行車和風力擴散。它是引起急性精神性病癥的劇毒物質(zhì)，它可以在人體中不斷積累，當血液中鉛含量超過0.1 mg時，可造成貧血等中毒癥狀。所以現(xiàn)在逐步推廣使用無鉛汽油。碳顆粒是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，而油霧通常是由于油箱及化油器的逸漏而造成的。 (2).光化學(xué)煙霧 大氣中的HC和NOX等為一次污染物，在太陽光中紫外線照射下能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，衍生種種二次污染物。由一次污染物和二次污染物的混合物(氣體和顆粒物)所形成的煙霧污染現(xiàn)象，稱為光化學(xué)煙霧。NO。是這種煙霧的主要成分，又因其1946年首次出現(xiàn)在美國洛杉磯，因此又叫洛杉磯型煙霧，以區(qū)別于煤煙煙

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