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中微量元素与人类建康

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发布时间: 2016-01-12
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中微量元素与人类建康

中国地质科学院矿产资源研究所  宣之强

现代生物及人类是地球形成与地质历史演化的产物。因此,人类和生物的生存及健康是与地质环境至关重要。前人硏究认为,地质环境在宏观方面主要与地貌、岩石、土壤和水等环境地质因素有关;在微观方面则与地质环境中化学元素及其化合物有关。本文重点阐述元素与健康以及土壤与健康相关内容。

1、 元素与健康   

元素与健康是当代生命科学和环境科学等所共同关注的课题。医学科学家开展了对元素与人类的生殖、生长、发育、代谢、遗传、免疫、疾病、癌变、思维、记忆、衰老、长寿、保健等诸方面深入的研究,如在利用元素进行诊断和治疗疾病中取得长足进步。

自从1869年俄国化学家门捷列夫发现了重要的自然定律“元素周期律”,它为人类化学和物理学奠定了科学基石,也为近代的生命科学、生物地球化学的发展开辟了新的领域,成为发展医学或生物地质科学的重要理论依据。

生命的起源是通过化学的途径完成的,人类的健康与化学元素关係密切,元素的性质决定生命的生长与繁衍。科学研究发现:(1)随着元素原子序数的增加,亲生物元素减少,非亲生物元素和有毒元素增加,原子序号34(Se)以前多为亲生物元素;大于34号的亲生物元素仅有42(Mo)和53(I);(2)金属元素中Be、Mg、Ca、Sr、Ba特别容易聚集于生物的骨骼中、可称亲骨元素;而Cr、Mo、Zn、Cd等过渡元素易聚集肝肾中,故称肝肾元素。

生命起源于海洋中,其组成元素必需具备一定量的恒定的丰度和有较高的化学活性和生物学活性,具有较强的健合能力;此外,该元素还能参与生物结构的组成、能参与生物机体的代谢,能起氧化反应及与有机化合物键合。

   元素周期表中原子序数在34号以前的元素大多数能满足以上条件,所以能成为生物的必需元素。生物必需元素主要是通过动物实验和人群观察硏究而被发现和证实的。

    1.1  生物必需大量元素  

    生物必需大量元素包括H、C、N、O、 P、S和K、Na、Ca、Mg、Cl共11种。它们占人体元素总重量的99.95%,前6种元素是构成生物体结构的主要元素,也是构成有机分子的基本元素,约占人体重的97.25%。后5种元素也起结构作用,但更重要的是人体内的电解质成分、它们大约占人体总重量的2.7%。此外,Ca、Mg还具有多种重要的酶学功能和其它重要的生化功能。

    1.2  生物必需微量元素  

    多数学者认为,生物必需微量元素应该具备以下条件:从饮食或饲料中除去某一种元素后,就会表现出由该元素引起的生理缺乏状态,而加入相同或相近元素后,该缺乏状态就可以得到缓解、这种特异元素应当具有某种特异的生化功能。近代能为较多的人所接受的生物必需微量元素有16种,依原子序数排列为:Li、B、F、Si、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、Sn、I,以后可能会有新发现。

    1.3  生物可能必需元素   

    有些微量元素对生物似乎起着某些有益的作用,但对其生物学意义和性质又不十分清楚,所以不能肯定是生物必需微量元素。因此,将这类元素归为可能的生物必需元素,我们提出6种元素。它们是Ti、Ge、As、Br、Rb、Sr。

    1.4  有毒元素  

    严格说,几乎每一种元素当人们对它的摄取过量或组成化合物都会有产生毒性,如CaCl2有毒性、LiCl的毒性更强…,我们所指的是无生物学作用的有毒元素是狭意的,即它们在自然界的含量一般很小,很少能达到中毒剂量,只能在特定的自然条件下,或是被汚染的环境中对人体才会产生毒害,如Be、Al、Ga、Cd、In、Sb、Te、Hg、Tl、Pb、Bi、Ra、U。

    1.5  非必需元素  

    特指那些地壳丰度极小、化学性质极不活泼,其化合物不溶或难溶于水,且不具有生物学功能或具有放射性的元素。在人为的汚染环境中,其中的部分元素才有可能进入生物体内。它们包括He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn惰性气体元素6个,15个镧系元素、3个锕系元素,以及其它24个元素共有48个。

    2、土壤与健康  

    早在2000多年前《准南子》一书提出了“土地各以类生人”的概念,指出“坚土人刚,弱土人儒,墟土人大,沙土人细,息土人美,耗土人丑,轻土多利,重土多迟”。因为土壤类型不同,人类的健康、生态乃至性格也有明显差异。

    上个世纪60年代起,我国对土壤与大骨节病、克山病、癌症、氟病和地方性甲状腺肿大等地方病的关係进行了20多年大量的研究。其中成果有:认为克山病的分布与低Mo土壤有关;若低Mo或低Se可能与癌症高发有关;大骨节病的分布与红土和薑结石有关;在灰化土、沼泽土、泥炭土、腐植土、冰碛土地帶心血管病的发病率或死亡率显著升高。而在石灰岩母质上发育的碳酸钙土壤带很少见到各种地方病,可以认为黑钙土和碳酸盐土以及棕色土和棕钙土是一种有利健康的土壤。对于缺乏某些生物必需元素的土壤,有针对性地施加硒(Se)、钼(Mo)、锌(Zn)、铜(Cu)等各种中微量元素矿物肥料,可弥补谷物等作物元素之不足,以预防某些生物必需元素缺乏性疾病。

    土壤还可以直接影响地表水和地下水的化学成分,通过饮水和生产生活用水影响生物和人类健康。如,我国东北山地地方病区中的许多大骨节病病村,使用的是从沼泽土层和泥炭土层中渗出的水,富含腐殖质的土壤对水质的不良影响是很显著的。

3、科学施肥与土壤调理   

我国人多地少的国情,促使更加要在保护耕地数量的同时更要关心耕地土壤的质量。半个世纪以来,为了高产、在不平衡施肥等技术和管理上失衡影响下,用地而不养地,造成我国土壤的综合肥力持续下降,形成农业“增肥不增产”和人民“吃啥都不健康”怪圈。因此,科学平衡施肥和土壤调理成为农业生产中非常重要的问题。

土壤是从千万年岩石风化成土过程中转化而来,成为植物可以吸收的有效元素营养形态、构成土壤的基本肥力。因此,土壤不仅是农牧作物生长的介质,而且是生物所需养分的主要供给者。我国长期高产农业代来的土壤有效矿物质元素短缺,已严重影响农牧作物的健康和丰产。

现代生物学家等将植物生长必需的营养元素统计达十七种之多,除碳、氢、氧外,将氮、磷、钾称为三大主量元素;包含硅、钙、镁、硫、铁、锰、锌、铜、硼、钼和氯等列为中量-微量元素,而且各个营养元素具有同等重要性和不可相互替代性。同时还有镍、钛、钠、钴、钒、铝、稀土元素等矿物质元素,虽然不是所有植物都必需的、但对某些植物是必需的,或者对大多数植物是有益的或有用的。这和本文中地质、地球化学家结合生物学和医学研究“元素与健康”结论是一致的,而上文中说的是天然环境中人类和生物生命健康与元素丰、缺存在内在关係,是我们讨论人类农牧业生产中,由于长期过渡开发生产,导致土壤肥力透支、矿物质元素失去比例或平衡致使增肥不增收现象的原因及理论依据。例如,常期使用氮、磷、钾肥、致使土壤板结;中微量元素减少,农作物易生病,使产量与作物质量都下降。

    因此,科学平衡施肥是农业生产中非常重要的实际问题,农业专家把必需元素肥料的这种相互关係归纳为肥料的三大定律:(1)同等重要律,即大量元素与中-微量元素同等重要,缺一不可。(2)不可替代律,各种必需营养元素不能相互替代,缺什么元素就得施加什么元素。(3)最小养分律,要保证农作物正常生长发育而获得高产,必需满足它所需的一切营养元素,其中其一元素若达不到最小需求,产量就会受到这一最少的营养元素所制约。

我国农业部作为一项基本国策启动了“沃土工程”,其中测土配方平衡施肥是这一工程的关键。

对此,中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院矿产资源研究重点实验室的科学家以富钾硅酸盐岩石为原料,自主研制成一种新型多元素矿物肥料-矿物质微孔土壤调理剂,将富钾硅酸盐岩石中的钾、硅、钙、镁、铁、锰、磷、鈦、钠、铝、硼、铜、钼等十多种矿物质元素整体转化为植物可以吸收的有效营养成分,它的普适性和低成本使其可能成为促进平衡施肥、改善土壤性能和肥力,提高农作物质量和产量,为提高中国人食品安全提供新的矿肥技术支撑起了创新范例。


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