第九章環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查

第九章環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查

環(huán)境問(wèn)題主要包括兩個(gè)方面：①第一環(huán)境—原生的、與地質(zhì)背景直接有關(guān)的環(huán)境；②第二環(huán)境—由人類活動(dòng)產(chǎn)物參與的環(huán)境。研究?jī)?nèi)容包括如下四個(gè)方面：①相對(duì)于人類健康必需元素而言的缺乏和過(guò)剩的地球化學(xué)調(diào)查；②對(duì)人體健康有害的元素分布調(diào)查；③人為污染源及污染區(qū)的地球化學(xué)監(jiān)測(cè)；④地質(zhì)歷史時(shí)期環(huán)境變化的地質(zhì)地球化學(xué)記錄。應(yīng)用地球化學(xué)主要對(duì)前三類環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查和評(píng)價(jià)。

環(huán)境問(wèn)題第一環(huán)境問(wèn)題物理問(wèn)題：地震、海嘯、火山活動(dòng)、崩塌、滑坡、泥石流、洪澇、干旱、臺(tái)風(fēng)等化學(xué)問(wèn)題：元素分布不均勻、地球化學(xué)高含量及低含量區(qū)帶等生物問(wèn)題：蟲害等第二環(huán)境問(wèn)題城市化、工農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的污染污染：大氣、水體、土壤及沉積物、生物、放射性等物理和化學(xué)污染干擾：噪聲、振動(dòng)、熱、電磁輻射等環(huán)境干擾不合理開發(fā)利用自然資源導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞礦山開采、金屬冶煉、森林破壞、草原退化、水熱平衡失調(diào)、沙漠化、鹽漬化、水土流失、物種滅絕、自然景象破壞等第一節(jié)環(huán)境科學(xué)、人體健康與環(huán)境污染物

一、環(huán)境與環(huán)境科學(xué)

環(huán)境，就是人類生存的環(huán)境，是人類賴以生存和發(fā)展的各種因素的總和。從地球化學(xué)學(xué)科的本身出發(fā)，研究對(duì)象主要集中于地球表層系統(tǒng)的各種介質(zhì)的化學(xué)問(wèn)題，即第一環(huán)境問(wèn)題中自然介質(zhì)中化學(xué)元素的地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)以及第二環(huán)境問(wèn)題中人為污染源及污染區(qū)化學(xué)元素、無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)毒害化合物的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

二、人體健康與微量元素對(duì)人體內(nèi)無(wú)機(jī)元素來(lái)說(shuō)，存在著所謂“必需元素”和“非必需元素”的提法。必需元素的三個(gè)條件為：①它存在于一種動(dòng)物的所有健康的活組織中，并總能在動(dòng)物體內(nèi)恒定地被檢測(cè)到；②當(dāng)它從組織中被消耗掉或被移走時(shí)，動(dòng)物就出現(xiàn)缺乏癥狀，而重新得到足夠的補(bǔ)充時(shí)，這些缺乏癥狀就隨之消失；③這些缺乏癥狀的出現(xiàn)，應(yīng)被證實(shí)是由于分子水平上的特殊的生物化學(xué)損壞的結(jié)果。按照這樣的條件，目前已知對(duì)人的生長(zhǎng)、發(fā)育、活動(dòng)和繁殖是必需的金屬元素至少有20多種。如Fe、Zn、Rb、Sr、Cu、Ag、Mn、Cr、Mo、Co、V、K和Na等，還有其他如C、H、O、N、P、Cl、Br、F、Se、B、I、Si和As等元素。人體必需微量元素對(duì)成人的供給量微量元素成人一日需要量鐵12mg鋅10～15mg氟1.5mg銅30μg/kg體重碘140μg錳5～10μg硒20～50μg鉻52～2.5μg鉬2μg/kg體重鈷0.13mg釩0.1～0.3mg圖(a)曲線的平臺(tái)部分指示了對(duì)有機(jī)體生長(zhǎng)和發(fā)育的最適宜濃度(即G.Bertrand最適濃度定律)。不同的元素可能有不同寬度的平臺(tái)曲線。當(dāng)環(huán)境中元素的供給量低于有機(jī)體所要求的最適宜濃度時(shí)，有機(jī)體的生長(zhǎng)表現(xiàn)出缺乏癥狀；而當(dāng)環(huán)境中元素的供給量超過(guò)最適宜濃度時(shí)，有機(jī)體就會(huì)中毒，甚至死亡。例如，氟具有重要的生理功能，可促進(jìn)牙齒和骨骼的鈣化，對(duì)神經(jīng)興奮傳導(dǎo)有一定作用。人體正常生理需求量為0.5～1.5mg/d。當(dāng)缺乏氟時(shí)，引起齲齒病，老年性骨骼變脆。當(dāng)攝入過(guò)量時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生氟牙病，氟中毒(腹痛、腹瀉、嘔吐)。圖(b)表示為一種非必需(無(wú)生物功能、有毒)元素過(guò)量對(duì)有機(jī)體影響的理想曲線。三、第一環(huán)境問(wèn)題--自然介質(zhì)中化學(xué)元素缺乏和過(guò)量與地方病

所謂的地方性疾病，是指具有一定的發(fā)病區(qū)域環(huán)境的疾病，它是一種影響范圍大，潛伏周期長(zhǎng)，并具突發(fā)性流行，不易根治的疾病。在我國(guó)，目前主要有地方性甲狀腺腫、克山病、大骨節(jié)病、地方性氟中毒病。1．碘缺乏和過(guò)量與地方性甲狀腺腫大

地方性甲狀腺腫大（簡(jiǎn)稱地甲?。┦鞘澜缟狭餍凶顝V的一種地方病。

地方性甲狀腺腫主要分布于北半球的高緯度地帶，包括歐洲、亞洲、美洲的北半部，略呈帶狀。非洲的剛果河流域、南美的巴拉那河流域都有較大面積分布，但地帶性不明顯。我國(guó)是世界甲狀腺腫流行較嚴(yán)重的國(guó)家之一，廣泛分布于山區(qū)和內(nèi)陸，如長(zhǎng)白山、張廣才嶺、大興安嶺、小興安嶺、燕山、太行山、呂梁山、秦嶺、川東和川西山區(qū)、云貴高原、青藏高原以及天山山脈、昆侖山山脈都是本病嚴(yán)重流行區(qū)。目前的研究結(jié)果表明：地方性甲狀腺腫的發(fā)病率山區(qū)高，平原低。土壤、作物和飲水中的碘含量與地方性甲狀腺腫的發(fā)病率呈正負(fù)相關(guān)。對(duì)我國(guó)201個(gè)地區(qū)飲水的碘含量與地方性甲狀腺腫患病率所作的統(tǒng)計(jì)分析表明，兩者呈拋物線關(guān)系，方程為：

y＝114.23－37.09＋2.92X2X=lg（10×c）（μg/L）以患病率5％作為標(biāo)準(zhǔn)，飲水的碘含量范圍為10.35～317μg/L。當(dāng)水碘低于最適濃度的下限（10μg/L）時(shí)，飲水中含碘量愈低，地方性甲狀腺腫患病率愈高，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)水碘高于最適濃度的上限濃度時(shí)，飲水中的碘含量愈高，地方性甲狀腺腫患病率愈高，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。飲水的含碘量ln(10X)地方性甲狀腺發(fā)病率%10040600208024681210μg/l下限4.640

g/l，上限為8.035

g/l5%2.氟過(guò)量與地方性氟病

地方性氟病是一種世界性地方病，主要流行于印度、原蘇聯(lián)、美國(guó)、美國(guó)、墨西哥、日本、馬來(lái)西亞、德國(guó)、羅馬尼亞、希臘、西班牙、葡萄牙、意大利、冰島、阿根廷、阿爾及利亞、摩洛哥、東非、埃及、突尼斯、新西蘭、澳大利亞等國(guó)，遍及五大洲。我國(guó)主要主要流行于貴洲、陜西、甘肅、山西、山東、河北、吉林、黑龍江等省。它的主要表現(xiàn)是氟中毒引起的斑釉牙、氟骨癥和氟攝入不足引起的齲齒。近年，我國(guó)考古學(xué)家在山西陽(yáng)高縣許家寨發(fā)現(xiàn)了10萬(wàn)a前的古人類化石，其中有許多的斑釉齒，與現(xiàn)代許家窯村發(fā)現(xiàn)的斑釉齒完全一致。地方性氛中毒的分布可分為地帶性和非地帶性的。

地帶性氛中毒的分布與自然地理緯度有關(guān)，其主要分布于干旱及半干旱帶，年降水量為200～400mm左右，或更少。主要位于赤道南北的15°～35°之間，它包括了中國(guó)、原蘇聯(lián)、和蒙古境內(nèi)的干旱、半干旱區(qū)。氟中毒的發(fā)病原因可分為飲水型，燃煤污染型和食物型。危害最大的是飲水型，在我國(guó)的干旱、半干旱高氟潛水病區(qū)，如“三北”地區(qū)、安徽、江蘇北部的部分地區(qū)；分散分布的深層高氟地下水病區(qū)，如河北滄州、天津、新疆奎屯、山東惠民。人體在長(zhǎng)期攝入過(guò)量的氟時(shí)，在機(jī)體內(nèi)可形成CaF2。CaF2沉著于骨及軟骨組織中，破壞鈣磷代謝，影響骨骼正常發(fā)育生長(zhǎng)。CaF2還可導(dǎo)致牙齒鈣化不全，牙釉受損。過(guò)量的氟可抑制許多酶的活性，干擾基因合成，影響甲狀腺、胰腺、腎上腺、性腺等的內(nèi)分泌功能，從而使胃、胰、心臟、大腦、肝臟等臟器和器官受到損傷，對(duì)生殖功能也有一定影響；過(guò)量的氟對(duì)中樞神經(jīng)有毒害作用，影響神經(jīng)傳導(dǎo)，破壞條件反射，引起神經(jīng)中毒。生活在高氟區(qū)的人群，往往有肢體麻木、知覺(jué)異常、反應(yīng)遲鈍、嗜睡不醒等癥狀。

嚴(yán)重的氟中毒就是氟骨癥。表現(xiàn)為骨質(zhì)被破壞、堆積、骨質(zhì)軟化，骨外膜贅骨增生，韌帶鈣化，骨質(zhì)疏松。隨之而來(lái)的是肌肉萎縮、肢體變形。氟骨癥的臨床特征是腰部和腿部的大關(guān)節(jié)疼痛、運(yùn)動(dòng)障礙、彎腰駝背、四肢畸形，甚至癱瘓殘廢。

3．低硒帶與克山病

克山病是一種病因未完全查明，慢性病癥的地方性心肌病。1935年在黑龍江克山縣首次發(fā)現(xiàn)。1935年冬，克山縣首次爆發(fā)流行一種怪病?；颊甙l(fā)病時(shí)表現(xiàn)出心力衰竭，嚴(yán)重的不到幾小時(shí)便死亡。由于搞不清致病原因，只好就地命名為“克山病”。經(jīng)過(guò)醫(yī)學(xué)工作者與地學(xué)工作者對(duì)病區(qū)的地理、地貌和水、土及糧食中化學(xué)元素的長(zhǎng)期調(diào)查研究，終于發(fā)現(xiàn)病區(qū)土壤中硒的含量普遍低于其它地區(qū)，從而導(dǎo)致人體缺硒生病。我國(guó)環(huán)境低硒帶基本的生態(tài)化學(xué)地理特征是土壤、植物、動(dòng)物和人體系統(tǒng)均處于低硒生態(tài)循環(huán)狀態(tài)：（1）土壤硒含量低。（2）糧食硒含量低。（3）人體硒營(yíng)養(yǎng)低。4.砷中毒自從人類發(fā)現(xiàn)砷以來(lái)，直到本世紀(jì)的上半葉，對(duì)砷的利用愈來(lái)愈廣泛，已涉及到醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)及其它工業(yè)部門。砷中毒按其發(fā)病過(guò)程可分為急性和慢性兩大類。急性砷中毒多為大量意外接觸砷所引起的，它可嚴(yán)重?fù)p害胃腸道、呼吸道、皮膚和神經(jīng)系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為疲乏無(wú)力、嘔吐、皮膚發(fā)黃、腹痛及神經(jīng)痛，甚至引起昏迷，嚴(yán)重者表現(xiàn)為神經(jīng)異常、呼吸困難、心肌衰竭而死亡。急性砷中毒的致死劑量為70～180mg。慢性砷中毒表現(xiàn)為肌無(wú)力、食欲減退、皮膚角化及某些神經(jīng)癥狀。慢性砷毒患者的皮膚粗糙，而且異常干燥；頭發(fā)脆而易脫落；掌及路部皮膚增厚，角化過(guò)度；許多部位出現(xiàn)皮疹，少數(shù)可見(jiàn)皮膚潰瘍；軀干部位皮膚色素沉著，亦可見(jiàn)細(xì)小的脫色斑點(diǎn)，俗稱為“蛤模皮”或“花肚皮”，這是診斷砷中毒的一個(gè)重要標(biāo)志?；颊叩闹福ㄖ海┘状植跓o(wú)光澤、脆薄易損，并出現(xiàn)1～3mm寬的白色橫紋，這是砷中毒的典型特征。神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)為多發(fā)性神經(jīng)炎，如肢體感覺(jué)遲鈍、麻木、刺痛、壓痛，嚴(yán)重者表現(xiàn)為肌無(wú)力、行動(dòng)困難、運(yùn)動(dòng)失調(diào)；四肢遠(yuǎn)端麻木、感覺(jué)遲鈍，乃至失去知覺(jué)。長(zhǎng)期攝入大量的砷，可導(dǎo)致皮膚癌——一種非惡性的腫瘤。疣狀角化(砷中毒)根據(jù)砷中毒的來(lái)源，可分為藥物性型、污染和職業(yè)型、生物地球化學(xué)型三種類型。砷中毒的防治，對(duì)于新開發(fā)的水源，投入使用前應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)；在砷中毒地區(qū)，進(jìn)行改水，在未找到合格水源之前可對(duì)高砷水采用絮凝法、石灰軟化法、活性氧化鋁吸附法降砷，實(shí)踐表明含砷0.6mg/L的1升高砷水加入0.1mg明礬，可使砷降至0.03mg/L。5.伽師病

伽師病主要分布于新疆喀什平原的伽師縣、岳普湖縣一帶，病區(qū)面積約5000km2，其主要癥狀是長(zhǎng)期患慢性腹瀉，血鉀普遍較低、女性不孕、男性不育、肝腫大（見(jiàn)圖）。伽師病嚴(yán)重流行的地區(qū)是在伽師縣和岳普湖縣的東南部，與沙漠接壤，屬于荒漠鹽土區(qū)。主要分布于克孜河下游沖積平原區(qū)，西起伽師縣的米縣鄉(xiāng)一帶，東至巴楚縣西部的克拉欽克，南部包括岳普湖縣西部和麥蓋提縣的英阿瓦提鄉(xiāng)。新疆喀什平原不孕癥示意圖新疆喀什平原低血鉀癥示意圖伽師病發(fā)病的地球化學(xué)環(huán)境克孜河下游沖積平原為廣闊的荒漠鹽土區(qū)，它的東南與托克拉克沙漠連接，氣候十分干旱，年降水量為56.lmm，蒸發(fā)量為2241.2mm，為降水量的40倍。由于地表水、潛水很少，其分布受季節(jié)性影響很大，所以鹽分在表土層中大量聚集，尤其在封閉的洼地，往往可以見(jiàn)到沉積的鹽層?？俗魏邮且粭l典型的硫酸鹽水河，在水中除了聚集有大量的氯化物外，還聚集了大量的鈉、鈣、鎂的硫酸鹽。該區(qū)的環(huán)境介質(zhì)偏堿性，氧化還原電位較高，錳、鋅的化學(xué)活動(dòng)性及生物學(xué)活性均較低。因此，在水土和谷物中，錳、鋅的含量偏低，例如，病區(qū)的土壤含錳量為360μg/g，而世界土壤的平均含量為850μg/g；病區(qū)的小麥含錳量為12.5～22.0μg/g，而非病區(qū)的小麥含量為25.1～45.0μg/g，差別是很明顯的。

水質(zhì)與發(fā)病率的統(tǒng)計(jì)分析表明，以SO4-2以的作用最為明顯。SO4-2具導(dǎo)瀉作用，而長(zhǎng)期腹瀉會(huì)引起體內(nèi)鉀大量流失，引起內(nèi)分泌紊亂，可能是造成不育不孕的原因之一；與生殖和生長(zhǎng)密切相關(guān)的鋅、錳由于流失而缺乏;引起電解質(zhì)及酶的代謝紊亂，使機(jī)體的代謝平衡受到破壞。同時(shí)，大量的鎂進(jìn)入機(jī)體后，促進(jìn)電解質(zhì)的代謝紊亂，干擾機(jī)體對(duì)鋅、錳的吸收;飲用水中高含量的鈣，也會(huì)影響機(jī)體對(duì)鋅的吸收。因此，可以認(rèn)為，飲用水中硫酸鹽的高含量是導(dǎo)致不育不孕癥的主導(dǎo)因素。鋅參與精子內(nèi)糖酵解和氧化過(guò)程，保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和通透性，使精子具有良好的活力;精漿含鋅量低的人，則其精子活力低下。男童缺鋅會(huì)影響生殖器官的發(fā)育。高等生物的腦垂體中含錳最豐富。腦垂體是生命活動(dòng)的控制中心，可分泌生長(zhǎng)素、胰島素、促腎上腺皮質(zhì)激素和促性腺激素，以調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)的各種重要生理功能。錳不足可導(dǎo)致促性腺激素的合成分泌失調(diào)，卵巢變性萎縮，睪丸變性和性欲減退。6.大骨節(jié)病大骨節(jié)病是一種伴有機(jī)體改變對(duì)稱的地方性畸形骨關(guān)節(jié)病，病情有明顯的地方性。在我國(guó)主要分布于黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、河南、山東、山西、陜西、四川、甘肅、青海、西藏、臺(tái)灣等14個(gè)省區(qū)。據(jù)報(bào)道，在俄羅斯、瑞典、日本、朝鮮、越南等國(guó)也有此病流行。飲水源與大骨節(jié)病的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料表明，居民的發(fā)病率與飲水水源類型密切相關(guān)，飲窖水、溝水的居民發(fā)病率最高，飲井水、泉水的居民發(fā)病率最低，或不發(fā)病。水質(zhì)分析表明：病區(qū)和非病區(qū)飲水中Ca、Mg、SO

42-、Fe、F、Ba、Sr、Cu、Mo、Pb、Zn、Mn等元素含量不存在顯著差異。但是，在腐殖酸含量和KMnO4耗量之間有極顯著的差異。窖水、溝水的腐殖酸(-OH)含量和KMnO4耗量最高，飲基巖裂隙泉水的這兩項(xiàng)值最低。各病區(qū)200個(gè)水樣的腐殖酸測(cè)定表明，嚴(yán)重、較嚴(yán)重污染的飲水腐殖酸含量平均為0.34mg/L，范圍為0.14～3.19mg/L；輕度或無(wú)污染的飲水腐殖酸平均含量為0.05mg/L，范圍為0.02～0.16mg/L。同時(shí)病區(qū)飲水中的Se含量也顯著低于非病區(qū)，全國(guó)病區(qū)平均為0.17±0.17μg/L，而非病區(qū)平均為0.97±0.55μg/L。由于大骨節(jié)橫跨寒、溫、熱三大氣候帶，自然地理環(huán)境復(fù)雜多變，但是我們可以把復(fù)雜的病區(qū)環(huán)境劃分為四種類型：表生天然腐殖環(huán)境病區(qū)類型；湖沼相沉積環(huán)境病區(qū)類型；黃土高原殘?jiān)礈羡植^(qū)類型；沙漠沼澤草炭沉積環(huán)境病區(qū)類型。此外，在我國(guó)的云南、貴州兩省，一些偏僻的山區(qū)，人們表現(xiàn)出頭暈，耳嗚，四肢酸痛無(wú)力，食欲減退，重者視神經(jīng)障礙到失明，有時(shí)一夜間頭發(fā)全部脫光，這就是人們說(shuō)的“鬼剃頭”，其原因就是地區(qū)性地球化學(xué)元素異常，Tl元素含量過(guò)高而導(dǎo)致的Tl中毒。7.地球化學(xué)環(huán)境與癌癥

癌癥分布不僅表現(xiàn)出地方性，其地帶性特征也較明顯。這種關(guān)系明顯地反映在水文地球化學(xué)(特別是水中元素的地理分布)的地帶性特征上。胃癌主要分布在中、高緯度地帶，如芬蘭、荷蘭、瑞典、英國(guó)、原蘇聯(lián)、日本、美國(guó)、加拿大等國(guó)的部分地區(qū)（主要是北部），胃癌的死亡率較高，而在低緯度帶和赤道附近，胃癌則較少發(fā)生。胃癌高發(fā)帶的主要自然特征是氣候寒冷濕潤(rùn)、植被繁茂、土壤多富含腐殖質(zhì)；地表水、潛水豐富，為富含腐殖質(zhì)的重碳酸鹽一硅質(zhì)軟水，礦化度一般為100～200mg／L，甚至小于100mg／L，Ca、Mg、Se、Mo、Cu、Zn等元素缺乏。與胃癌相反，肝癌主要流行于低緯度地帶，如東南非和東南亞地區(qū)。在歐洲、北美洲、大洋洲很少發(fā)生肝癌。肝癌高發(fā)區(qū)屬于干旱、半干旱的環(huán)境，水源缺乏；或者是處于濕熱氣候的沿海地帶。其特點(diǎn)是飲水水質(zhì)不良。

食管癌的主高發(fā)區(qū)主要位于東南非和中亞地區(qū)。如伊朗的東北部里海沿岸一帶，到哈薩克斯坦、土庫(kù)曼斯坦、烏茲別克斯坦，與我國(guó)西北部的食管癌主發(fā)區(qū)連成一片，形成一個(gè)中亞高發(fā)帶。其環(huán)境特征是，氣候干旱、水源缺乏、土壤鹽漬化程度較高，屬硫酸鹽一重碳酸鹽水或硫酸鹽一氯化物水帶；地表及地下水的礦化度均較高，且偏堿性，水中As、Se、Mo、V、Cr、B、Ni、I、F等元素富集。

癌癥的分布往往與某些類型的巖石或土壤有關(guān)。如南非的食管癌高發(fā)區(qū)多為玄武巖層分布區(qū)；我國(guó)山西某地的食管癌可能與無(wú)煙煤的分布有關(guān)；河南的食管癌主要分布于安山巖和中更新統(tǒng)的洪積層分布區(qū)；廣西南寧的肝癌高發(fā)區(qū)主要為石灰?guī)r分布區(qū)，而在砂、頁(yè)巖地區(qū)肝癌發(fā)病率顯著降低。三種主要癌癥的地理分布均有明顯的地域差異。胃癌高死亡率地區(qū)主要分布在西北和沿海一帶各省。西北地區(qū)又以甘、青、寧為高發(fā)區(qū)；沿海地區(qū)以江、浙、閩以及遼東、山東兩個(gè)半島集中高發(fā)區(qū)；晉、冀、豫三省交界處也是集中高發(fā)區(qū)?？偟奈赴┓植夹?/p>