微量元素與生命科學(xué)

微量元素研究是關(guān)系到中華民族復(fù)興強(qiáng)盛的大事

“古羅馬興盛打敗古埃及，掠奪大量的鉛鋅合金為宮廷打造各種餐飲器具，供王公貴族使用，結(jié)果權(quán)貴們生怪病、不生育，“鉛元素導(dǎo)致古羅馬消亡”。近代，“日本”國土小，人矮小，天皇很傷心。文革期間在東海長江口撈 “攀枝花鋼廠倒到金沙江的鋼碴”。經(jīng)分析鋼碴：釩、鈦、鈷、鎳含量比天然礦石高出很多倍。改革開放了，日本指名買：含硒的四川魔芋，富鉬的紹興加飯酒，在內(nèi)蒙要買整個(gè)中華麥飯石山，擬搬運(yùn)到日本�，F(xiàn)在日本人不矮了。所以，微量元素研究是關(guān)系到中華民族復(fù)興強(qiáng)盛的大事。”[1]

——陳祥友

微量元素研究已經(jīng)滲透到生活的方方面面，尤其是與生命科學(xué)緊密相連，更體現(xiàn)出其實(shí)用價(jià)值。

一、微量元素簡介

微量元素是相對主量元素（宏量元素，大量元素）來劃分的，根據(jù)寄存對象的不同可以分為多種類型，目前較受關(guān)注的主要是兩類，一種是生物體中的微量元素，另一種是非生物體中（如巖石中）的微量元素。

1.巖石中的微量元素

巖石中微量元素基于地球化學(xué)行為可分為：稀土元素（REE）：原子序數(shù)57-71的鑭系元素在地球化學(xué)上又稱之為稀土元素，包括：La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu;鉑族元素（PGM，原子序數(shù)從44至46以及76至78），如果包括金也稱之為貴金屬元素，包括：Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,(Au);過渡金屬元素（原子序數(shù)從21至30），包括：Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn。高場強(qiáng)元素（HFSE）包括鑭系元素，Sc和Y，以及Th, U, Pb, Zr, Hf, Ti, Nb,Ta; 低場強(qiáng)元素（LFSE）又稱大離子親石元素(LILE)，包括：Cs, Rb, K, Ba, Sr,二價(jià)Eu和二價(jià)Pb。

2.人體中的微量元素

人體是由６０多種元素所組成。根據(jù)元素在人體內(nèi)的含量不同，可分為宏量元素和微量元素兩大類。凡是占人體總重量的0.01%以上的元素，如碳、氫、氧、氮、鈣、磷、鎂、鈉等，稱為宏量元素；凡是占人體總重量的0.01％以下的元素，如鐵、鋅、銅、錳、鉻、硒、鉬、鈷、氟等，稱為微量元素（鐵又稱半微量元素）。微量元素在人體內(nèi)的含量真是微乎其微，如鋅只占人體總重量的百萬分之三十三。鐵也只有百萬分之六十。

微量元素雖然在人體內(nèi)的含量不多，但與人的生存和健康息息相關(guān)。它們的攝入過量、不足、或缺乏都會不同程度地引起人體生理的異常或發(fā)生疾病。微量元素最突出的作用是與生命活力密切相關(guān)，僅僅像火柴頭那樣大小或更少的量就能發(fā)揮巨大的生理作用。值得注意的是這些微量元素必須直接或間接由土壤供給。根據(jù)科學(xué)研究，到目前為止，已被確認(rèn)與人體健康和生命有關(guān)的必需微量元素有18種，即有鐵、銅、鋅、鈷、錳、鉻、硒、碘、鎳、氟、鉬、釩、錫、硅、鍶、硼、銣、砷等。每種微量元素都有其特殊的生理功能。盡管它們在人體內(nèi)含量極小，但它們對維持人體中的一些決定性的新陳代謝卻是十分必要的。一旦缺少了這些必需的微量元素，人體就會出現(xiàn)疾病，甚至危及生命。如缺鋅可引起口、眼、肛門或外陰部發(fā)紅、丘疹、濕疹。又如鐵是構(gòu)成血紅蛋白的主要成分之一，缺鐵可引起缺鐵性貧血。國外曾有報(bào)道：機(jī)體內(nèi)含鐵、銅、鋅總量減少，均可減弱免疫機(jī)制(抵抗疾病力量)，降低抗病能力，助長細(xì)菌感染，而且感染后的死亡率亦較高。微量元素在抗病、防癌、延年益壽等方面都還起著不可忽視的作用。

二．微量元素研究的應(yīng)用及前景[2]

中國的微量元素研究涉及的學(xué)科面廣，技術(shù)面深，積累的數(shù)據(jù)和資料豐富，獲得的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)見多多。20多年來的研究和實(shí)踐為今后的深入探討、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和理論創(chuàng)新奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。近十年來，微量元素研究主要集中在金屬離子活化酶的領(lǐng)域及金屬蛋白的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能和生化反應(yīng)機(jī)理方面。用最新的生化理論設(shè)計(jì)某些金屬離子的配合物的催化反應(yīng)模型，以探索生命金屬元素在生物體中的存在方式、狀態(tài)及對生命運(yùn)動的作用機(jī)理 ，諸如基因轉(zhuǎn)移、氧化還原或水解過程。

（一）微量金屬離子在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

微量元素的研究成果表明，人體必需的金屬離子主要是以配合物的形式存在于人體內(nèi)，它是控制體內(nèi)正常代謝活動的關(guān)鍵因素。但是，人體必需的金屬元素在體內(nèi)的存在量有嚴(yán)格的濃度范圍，嚴(yán)重的缺乏或過量都會引起疾病。

1.微量元素銅鋅與癌癥

研究表明，90％以上的癌癥與環(huán)境有關(guān)，病人癌組織的微量元素譜往往發(fā)生變化，其中銅鋅與癌癥的關(guān)系最為重要，對肝癌 、胃腸道癌 、女性生殖器官腫瘤等多種腫瘤患者的血清分析都得出一致的結(jié)論：惡性腫瘤患者血清中 Zn／Cu比值明顯低于正常人，而進(jìn)行手術(shù)摘除惡性組織或藥物治療后，患者血清中Zn／Cu比值回升。因此，有人認(rèn)為血清中的Zn／Cu可反映腫瘤惡性程度及判別患者愈后狀況。

2.微量元素與眼科

目前，微量元素與眼科研究主要集中于微量元素在白內(nèi)障發(fā)生、發(fā)展中所起的作用。白內(nèi)障患者晶體中Zn、Cu含量較正常晶體含量少，Ca、Se含量增加，血清中鋅含量減少，Mg、Ca含量增加。

3.微量元素鈷和鐵

鈷是維生素 B12分子的一個(gè)必要組成部分。維生素 B12能促進(jìn)紅血球的增加和肌肉蛋白的合成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，如果草飼料中缺少鈷，將會引起嚴(yán)重的脫毛癥，然而，只要在飼料中加入微量的鈷 (每晝夜 1mg)便可治好脫毛癥。

鐵：大多數(shù)動物的血是紅色的，它的紅色是由含鐵的血紅蛋白造成的。Fe2+被四個(gè)氧原子所配位，剩下兩個(gè)位置，其中一個(gè)為蛋白質(zhì)分子組氨酸的氮原子所占據(jù)，另一個(gè)被O2或 H2O所占據(jù)。由于配位在 Fe2+上的 02和H20是可互換的，所以血紅蛋白在肺部結(jié)合氧，然后隨血液輸送到體內(nèi)需氧部位，在那里 02又被H20取代出來。鐵的正常代謝過程受到許多疾病干擾．尤其是鐵與血液疾病密切關(guān)聯(lián)。

4.微量元素與免疫

必需微量元素如 Zn、Mn、Cu、MS、Se缺乏時(shí)，免疫器官發(fā)生萎縮，體液免疫和細(xì)胞免疫降低；Fe、Zn、Cu缺乏時(shí)，T細(xì)胞數(shù)減少，功能也低。許多有害的微量元素如 Cd、Pb、As、Hg 等有增加對病毒及細(xì)菌易感性、抑制抗體產(chǎn)生的作用 。

5.微量元素與出生缺陷

微量元素缺乏或過多可導(dǎo)致各種出生缺陷。目前經(jīng)動物實(shí)驗(yàn)及臨床研究發(fā)現(xiàn)的致畸微量元素有Fe、Zn、Cu、Se、Mn、F、V、Mo、 Ni、Cr、 Al、 Li、Cd、Hg、Pb、Ti、In、Ga、U等元素或其化合物，可由母體經(jīng)胎盤主動或被動擴(kuò)散方式進(jìn)入胎影響胎兒的正常生長發(fā)育，其中 Ci、Hg、Tl、Se有對人類致畸的報(bào)導(dǎo)。

6.化學(xué)法模擬生物固氮

生物體內(nèi)的反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，在不少酶分子中含有金屬離子，固氮酶含于固氮細(xì)菌內(nèi)，其功能是在無氧條件下將分子氨轉(zhuǎn)化為氨或銨鹽。固氮酶主要由鈷鐵蛋白和鐵蛋白組成，前者的功能是結(jié)合底物氮分子，而后者則起貯存和活化電子的作用。一種蛋白質(zhì)除含鐵外，還含有鉬，叫鈷鐵蛋白；另一種蛋白質(zhì)含有鐵，稱鐵蛋白。它們在固氮催化過程中起著決定性作用。固氮酶能在常溫常壓下將氮轉(zhuǎn)化為氨。目前，地球上植物生長所需的氮肥，估計(jì) 88％是由自然界植物固氮作用所生成的。因此人類能模擬固氮酶固氮，要比人工合成氨省能源、省材料。模擬生物固氮是一個(gè)具有遠(yuǎn)大經(jīng)濟(jì)意義和科學(xué)價(jià)值的重要課題 ，現(xiàn)已處于實(shí)驗(yàn)室階段。倘若將生物功能原理應(yīng)用于化學(xué)，改善現(xiàn)有的化學(xué)工藝，必將創(chuàng)造出嶄新的化學(xué)工程，專家們預(yù)測：2l世紀(jì)將是生物無機(jī)化工的時(shí)代。

從營養(yǎng)學(xué)的角度講，飲食應(yīng)講究合理的膳食結(jié)構(gòu)，除要保證充足能量供應(yīng)外，還需要有足夠的維生素和適量的微量元素，所以彌補(bǔ)生命必需的營養(yǎng)元素是至關(guān)重要的。消費(fèi)者應(yīng)注意維生素及微量元素并不是一般意義上的“補(bǔ)藥”越多越好。應(yīng)根據(jù)自身的地域、身體等情況合理選用，要有針對性地補(bǔ)；否則，不加選擇地大量亂用絕不會起到營養(yǎng)的效果，甚至還會引起副作用。生物無機(jī)化學(xué)的發(fā)展 ，為應(yīng)用生物學(xué) 、無機(jī)化學(xué)原理解決微量元素學(xué)的問題 ，提供了理論基礎(chǔ) ，而微量元素學(xué)中某些生物 、化學(xué)問題的解決 ，又反過來促進(jìn)了生物無機(jī)化學(xué)的發(fā)展，隨著生物無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)的發(fā)展， 必然會帶來微量元素學(xué)的飛速發(fā)展。

總之，微量金屬元素與人體健康的關(guān)系是密切而錯(cuò)綜復(fù)雜的，微量元素主要通過和有機(jī)物形成生物大分子來發(fā)揮其生理功能。因此，分析體液或組織中微量金屬離子可能成為一個(gè)重要的診斷方法。專家們預(yù)言：未來的醫(yī)學(xué)，必將是以元素類藥物主要藥物，以元素醫(yī)學(xué)為核心的醫(yī)學(xué)。

（二）微量元素肥料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

農(nóng)作物的生長發(fā)育，不僅需要常量營養(yǎng)元素，而且還需要如Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B等微量元素 ，這些微量元素和氮 、磷 、鉀 三要素同等重要 ，不可代替。由于農(nóng)作物產(chǎn)量大幅度提高，只施常量元素化肥 ，不增加有機(jī)肥料用量 ，就有可能導(dǎo)致某些微量元素的缺乏。例如南方某些地方因土壤缺硼 ，油萊表現(xiàn)為花而不實(shí) ，嚴(yán)重時(shí)植株死亡 ，造成絕收；黑龍江嫩江地區(qū)曾因土壤缺硼發(fā)生過大面積春麥“不稔”現(xiàn)象，嚴(yán)重地降低了產(chǎn)量。這說明農(nóng)作物對硼的需要量雖然根少 ，但不可缺少 ．因?yàn)楦鞣N必需的營養(yǎng)元素從缺乏到過量之間的臨界范圍狠窄，缺乏或過量都將對作物產(chǎn)生嚴(yán)重危害。微量元素對植物生理所起的作用愈來愈為人們所矚目，例如，植物一旦缺鐵，葉子就發(fā)黃，枝干變得干枯，光合作用銳減，這樣，產(chǎn)量將會大大下降；盆栽花卉和果樹如果多年生長在同一塊地上，更容易得這種植物缺綠癥。對染上缺綠癥的植物，直接追施硫酸亞鐵等無機(jī)鹽，往往沒有效果。這是由于土壤 PH值變化影響了肥效。如果在其根部淋灑些鐵的EDTA的配合物 ，效果就會好得多，這是由于此配合物在水溶液中的穩(wěn)定性較高，不易離解 ，鐵離子不會因?yàn)橥寥赖乃釅A度波動而產(chǎn)生沉淀 ．仍能為植物提供充足的可溶性的鐵離子。根據(jù)這一思路研制了多種農(nóng)用配合物作為特種肥料，因此各種新型肥料 、長效肥料 、各種添加劑就相繼問世。我國的腐植酸資源豐富，應(yīng)多使用腐植酸類配合劑。

三．微量元素研究對生命科學(xué)的重要意義[3]

中國20年來的經(jīng)驗(yàn)證明，微量元素研究是關(guān)系國計(jì)民生的大事，微量元素平衡是人民健康長壽的保證，微量元素實(shí)踐是發(fā)展科學(xué)的重要前提。開展微量元素研究對中國物質(zhì)文明和科學(xué)文化的發(fā)展具有重要理論意義和實(shí)際意義。

（一）地方病流行問題

大量調(diào)查已弄清，中國克山病、大骨節(jié)病主要分布于東南濕潤地帶向西北干旱、半干旱地帶之過渡地帶，形成一條從東北至西南走向的帶狀區(qū)，在帶狀區(qū)內(nèi)病區(qū)呈不連續(xù)灶狀分布。這一地區(qū)的土壤-動物、植物-人體系統(tǒng)處于低硒循環(huán)狀態(tài)，病區(qū)硒水平又低于非病區(qū) (中國科學(xué)院地理研究，1982)。中國地方性甲狀腺腫主要與環(huán)境中碘含量異常有關(guān)，全國201個(gè)地區(qū) (其中包括碘缺乏、碘正常和碘過剩的地區(qū))飲水碘含量經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后與甲狀腺腫患病率呈明顯的拋物線圖式，以患病率5％作為病區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以大致定出飲水的最適碘質(zhì)量濃度范圍為10～300μg／L，飲水碘質(zhì)量濃度低于10 μg／L或高于300 μg／L的地區(qū)，甲狀腺腫患病率均升高，質(zhì)量濃度愈低或愈高，患病率愈高 (王明遠(yuǎn)，1985)。中國地方性砷中毒主要有兩種類型。飲水型地方性砷中毒分布于8個(gè)省、市、自治區(qū)(新疆、山西、吉林、寧夏、青海、安徽、內(nèi)蒙古、北京)40個(gè)縣(旗)市，砷中毒患病率與飲水砷最高濃度之間有顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系。燃煤型地方性砷中毒主要分布于2個(gè)省 (貴州、陜西)8個(gè)縣市，砷中毒的發(fā)生與燃煤釋放的砷污染有關(guān) (金銀龍，2003)。地方病主要出現(xiàn)于地表元素缺乏或過剩的生物地球化學(xué)區(qū)內(nèi)，有人把這種引起生物與環(huán)境化學(xué)平衡破壞的地區(qū)歸納為八種成因類型，王明遠(yuǎn) (1985)已根據(jù)考察數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料編制成中國元素缺乏和過剩的生物地球化學(xué)區(qū)分布圖，包括缺硒、缺鉬、缺鋅、缺銅、缺硼、缺碘區(qū)和富硼、富砷、富氟、富硒、富碘、富鉈區(qū)，以及土壤鹽分累積地區(qū)。我國還編篡出版了《中華人民共和國地方病與環(huán)境圖集》(中華人民共和國地方病與環(huán)境圖集編篡委員會，1989)。

（二）有害物質(zhì)排放問題

除職業(yè)性暴露外，我國一般人群受重金屬污染的情況也相當(dāng)嚴(yán)重。這主要來源于工業(yè)廢水的排放和通過大氣的釋放。20世紀(jì)80年代初期，中國工業(yè)廢水每年的汞、鎘、鉛、砷排放量分別達(dá)62、256、3006、 1200 t，到20世紀(jì)末，雖然這些有害物質(zhì)的年排放量已分別降到 l1、179、889、777 t，但從1981年到2000年，20年內(nèi)汞、鎘、鉛、砷的累積排放量已達(dá)529、3296、28717、22792 t(《中國環(huán)境保護(hù)》編委會，2000)。重金屬的廢水排放將直接影響飲用水源，我國地表飲水的汞、鎘、鉻、鉛污染已相當(dāng)普遍(刁維萍，2004)。關(guān)于有害物質(zhì)的大氣排放問題，可以燃煤為例加以說明。中國是產(chǎn)煤大國，煤不僅供家庭煮飯取暖之用，也是中國能源的主要來源(占中國總能源的75％左右)。從1978年到1994年，我國煤的消耗量逐年增加，1995年煤耗量已達(dá)1978年的3倍。燃煤釋放的砷是我國地方性砷中毒的重要原因 (燃煤型地方性砷中毒占中國地方性砷中毒總受影響人口的14％)，更是中國汞污染的重要來源。據(jù)估計(jì)，1995年各類燃煤向大氣排放的總汞量達(dá)214t，從1978年到1995年，累積排放總量更高達(dá)2493 t，每年以4.8％的速度增加 (王起超，1995；Zhang，2002)。有些省份1995年的大氣汞排放量高達(dá)20 t以上，如山西 (29．88 t)、貴州 (22.58 t)、河南 (19.99 t)，有些工業(yè)化水平較高、人口較多的城市，每年每104m2地區(qū)的汞排放量高達(dá)2t以上 (如上海、北京、天津)，有些省份也達(dá)1～2 t。

（三）健康長壽的保障

營養(yǎng)的評估和監(jiān)督：調(diào)查揭示了當(dāng)前我國營養(yǎng)和衛(wèi)生方面存在的問題：我國參考人鈣、鋅、硒攝入量偏低，鉛、鎘、錳和鈉的攝入量又過高，尤其是近年來鉛、鎘和汞攝人量的升高，應(yīng)當(dāng)引起重視 (諸洪達(dá)，2000)。在人體調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)我國兒童鈣、鋅水平均偏低，據(jù)1995～2000年全國17省市33個(gè)城市55篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，中國兒童平均缺鋅率為47.4％，缺鈣率為31.4％。兒童缺鐵的情況也相當(dāng)嚴(yán)重，例如，江西省婦幼保健院檢測了634例0～3歲門診兒童血液樣品，發(fā)現(xiàn)有65.6％的血鐵值低于正常值下限 (聶忠華，2003)。在中國人的膳食結(jié)構(gòu)中，肉類在微量元素?cái)z入量中是占第三位(如鉀、鐵、碘、硒、鉻)，甚至第二位(如鋅)的重要因素。但近年來，我國也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)動物微量元素缺乏癥或中毒癥的流行：硒缺乏和氟中毒已在全國范圍內(nèi)造成危害；新疆20個(gè)地區(qū)流行羔羊銅缺乏癥，發(fā)病率高達(dá)80％以上；內(nèi)蒙古巴盟地區(qū)流行的綿羊脫毛癥，發(fā)病率達(dá)50％～60％；十幾個(gè)省市流行過畜禽缺鋅癥。有些地區(qū)豬的碘缺乏發(fā)病率達(dá)39％，綿羊達(dá)60％，牛犢高達(dá)70％～80％，母畜流產(chǎn)率達(dá)47％ (李光輝，2004)。家畜、家禽的微量元素缺乏，也直接影響人體的微量元素平衡。疾病的篩選和診斷：微量元素分析有可能為疾病，特別是疑難疾病做出預(yù)報(bào)或診斷。1990年，徐輝碧研制成“云錫礦工肺癌風(fēng)險(xiǎn)人群微型計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，對342名礦工進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)報(bào)肺癌的準(zhǔn)確率達(dá)94％。頑癥的預(yù)防和治療：許多疾病，特別是一些帶有地區(qū)性特征的微量元素缺乏病，可通過人群服用補(bǔ)充劑或提高谷物質(zhì)量的辦法加以預(yù)防或糾正。以硒為例，山西林縣29584名普通人群通過5年補(bǔ)充胡蘿卜素、維生素E和硒酵母，使胃癌發(fā)病數(shù)降低16％，癌總發(fā)病數(shù)降低8％，胃癌死亡數(shù)降低20％，癌總死亡數(shù)降低13％(諸亞君，1997)。江蘇啟東通過作物噴灑亞硒酸鈉使玉米和元麥硒含量均提高6倍左右。

（四）土壤與惡性腫瘤

惡性腫瘤 80％～90％與環(huán)境因素有關(guān)，有些腫瘤具有明顯的地區(qū)性特征，如江蘇啟東的肝癌、太行山區(qū)及川西北地區(qū)的食管癌等等(馮子道，1987)。劉延芳(1993)測定了江西省30個(gè)縣、市土壤中6種元素含量，結(jié)合8種惡性腫瘤死亡率資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)硒與結(jié)腸癌、直腸癌、肺癌死亡率呈顯著負(fù)相關(guān)；砷與胃癌、肝癌呈顯著負(fù)相關(guān)，而與乳腺癌呈顯著正相關(guān)；鉬與直腸癌、宮頸癌呈顯著負(fù)相關(guān)；錳與直腸癌呈顯著正相關(guān)；鈷與食管癌、直腸癌呈顯著正相關(guān)；錫與胃癌、肝癌、食管癌呈顯著負(fù)相關(guān)。曾昭華(2002)利用江西省91個(gè)縣、市土壤l8種元素含量和各類癌癥死亡率資料，研究了兩者的相關(guān)關(guān)系和相對危險(xiǎn)度，發(fā)現(xiàn)癌癥死亡率高低與許多微量元素的豐缺有關(guān)，如胃癌死亡率隨土壤鈷、銅、鈦、鉻、鎳、硼、釩、鐵含量增高而上升，隨錫、鉛、鈹、氟含量增高而下降，有較明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系，與鈹和氟的關(guān)系更為明顯；結(jié)腸癌死亡率隨土壤鉻、鈷、釩、鎳、銅、鈦、汞含量增高而上升，隨錫、鈹含量增高而降低。曾昭華(2002，2003)還對土壤化學(xué)元素與癌癥的相關(guān)性作了分類探討，對癌癥與土壤重稀土、癌癥與土壤鍶的關(guān)系作了進(jìn)一步研究。其他研究也表明，江蘇啟東肝癌高發(fā)與缺硒有關(guān)；山西林縣等太行山區(qū)食管癌高發(fā)區(qū)，土壤中銅、鉬含量比低發(fā)區(qū)低30％～40％；四川閬中、鹽亭等川西北地區(qū)食管癌高發(fā)區(qū)，土壤和飲水中銅、錳、鎂含量偏低。

四、微量元素研究現(xiàn)狀及展望

自從地球上出現(xiàn)生命以來，它經(jīng)歷了幾十億年的演化過程，已達(dá)到至精至靈的地步。生命本身蘊(yùn)藏著無盡的奧秘，僅有數(shù)百年發(fā)展史的人類近代科學(xué)與生命體的優(yōu)良機(jī)制相比，真可說是望塵莫及。

在生命科學(xué)的研究中，以生物元素及其化合物為對象的生物無機(jī)化學(xué)占有重要的地位。微量金屬元素參與了人體中50％～70％的酶組分；構(gòu)成體內(nèi)重要的載體和電子傳遞系統(tǒng)；參與某些激素和維生素的合成；與某些原因不明的疾�。ㄈ绨┌Y和地方�。┫嚓P(guān)等。隨著分子生物學(xué)、超微量分析和結(jié)構(gòu)測試技術(shù)的發(fā)展，人們研究了生物體內(nèi)金屬元素存在的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)及其生物功能。微量元素研究作為生物無機(jī)化學(xué)的重要分支，已經(jīng)以蓬勃的活力向生命科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域交叉、滲透而迅速發(fā)展，并獲得實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是醫(yī)學(xué)，從地方性疾病、心血管病、免疫功能失調(diào)、某些腫瘤至新藥物和營養(yǎng)素，從減輕病狀至增進(jìn)健康和防止衰老，無處不顯示出生命微量元素的活力。有人預(yù)言：微量元素不“微”，它將與抗生素、維生素、激素并駕齊驅(qū)，為人類健康做出新貢獻(xiàn)。今日人類對于自身命運(yùn)的重視，隨著新世紀(jì)的降臨而愈加突出。

我國的微量元素研究具有密切聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用了生物無機(jī)化學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)科學(xué)等有關(guān)的方法、觀點(diǎn)、理論，不少研究課題都來自生產(chǎn)和生活實(shí)踐，并取得了可喜的成果。人類在21世紀(jì)將面臨諸如全球性污染、天然資源和能源耗竭、人口膨脹等嚴(yán)重影響生存的各種難題，為促使這些問題得到解決，就需要加強(qiáng)生命科學(xué)各前沿領(lǐng)域的研究，積極開展微量元素的研究工作正是適應(yīng)了國內(nèi)外的這種發(fā)展趨勢。

當(dāng)前比較活躍的方面有哪些？

（一）微量元素與地方病

目前，我國患各種地方病的病人多達(dá)6 000多萬，威脅農(nóng)村的大片人群。其中克山病、大骨節(jié)病和某些地方性癌癥與環(huán)境低硒有關(guān)。采用補(bǔ)硒的防治方法，使克山病的發(fā)病率從13％降低至0.02％，這是我國科學(xué)家使用微量元素征服疾病的創(chuàng)舉。流行于28個(gè)省、市的地方性氟中毒，經(jīng)查明是飲水或食物中的高氟量所致�，F(xiàn)有1000多萬智力殘疾人的地方性甲狀腺腫和克汀病是缺碘引起的；還有高碘地區(qū)地方性甲狀腺腫，其中以患克汀病的兒童癡呆、畸形的危害為大。中國政府于1993年制定了《中國2000年實(shí)現(xiàn)消除碘缺乏病規(guī)劃綱要》，并已全面施行食鹽加碘的措施。還有環(huán)境高砷引起的砷中毒、可能與硫酸鹽和鎂過多有關(guān)的新疆“伽師病”等等。鑒于這些地方病的病因和發(fā)病機(jī)制尚未被充分徹底的認(rèn)識，我國有關(guān)專家建議對非金屬元素硒、氟、碘、砷以及硅酸鹽、磷酸鹽等予以更多的關(guān)注。法國醫(yī)學(xué)家預(yù)言：目前存在著一種能制造血液、但尚未被人知曉的生物領(lǐng)域，這就是植物。他們發(fā)現(xiàn)，玉米、油菜、煙草中含有類似人體的血紅蛋白基因，如加入微量的鐵原子，就可造成人體所需的血紅蛋白。人體血液主要由血漿、血球和血小板三種成分組成，血紅蛋白則是血球的重要組成部分。這項(xiàng)試驗(yàn)如獲成功，它將為人類提供取之不盡、用之不竭的血源。這種“植物源血液”不會給人體帶來因輸血而感染的肝炎、艾滋病等疾病，也不會出現(xiàn)人體免疫系統(tǒng)的排異問題。這樣血液的問世，對廣大缺鐵性貧血病患者和輸血病人，將是莫大的福音。

（二）微量元素與癌癥

微量元素與腫瘤的發(fā)病、防治存在著密切的關(guān)系。從有關(guān)腫瘤的流行病學(xué)研究，從器官、細(xì)胞進(jìn)而分子水平的動物實(shí)驗(yàn)，以至人體臨床試驗(yàn)都已證明，體內(nèi)硒、銅、鋅、鉬、鐵、碘、錳、鍺等多種微量元素的多寡和比例失衡與否，在很大程度上影響著腫瘤的產(chǎn)生、發(fā)展及其防治和預(yù)后。其中許多研究成果已開始用于腫瘤及其癌前病變的預(yù)防和治療，前景令人鼓舞。硒和鋅、鎂、鉬、銅可以抑制癌癥的發(fā)生。在我國江蘇省啟東肝癌高發(fā)區(qū)，用硒防癌已獲得實(shí)際效果。有關(guān)硒的防癌機(jī)理存在幾種認(rèn)識，較為重要的是含硒的谷胱甘肽過氧化物酶具有破壞體內(nèi)過氧化物，從而保護(hù)細(xì)胞膜免受損傷的作用。鋅則是參與超氧化物歧化酶的組分，可阻滯細(xì)胞脂膜過氧化而防癌。對鋅的其他研究也頗活躍。 我國的補(bǔ)硒預(yù)防肝癌項(xiàng)目經(jīng)16年艱苦研究后證實(shí)，補(bǔ)硒可使肝癌發(fā)生率下降35％，使有肝癌家族史者發(fā)病率下降50％，并能阻斷乙肝病毒表面抗原攜帶者發(fā)生肝癌，阻抗人群中病毒性肝炎的傳播。最近國外研究也同樣證實(shí)補(bǔ)硒可使人群中肝癌、肺癌和結(jié)腸癌的發(fā)病率降低40％～50％。硒顯示為微量元素群中最具抗癌力的主攻手。在抗腫瘤化學(xué)藥物中，用得最多的是順鉑型配合物，例如順式二氯三氨合鉑[Pt（NH3）2Cl2] 等。在非鉑抗腫瘤配合物方面，鍺有機(jī)化合物和錫有機(jī)化合物的抗癌活性，以及它們的合成、表征、藥理、構(gòu)效關(guān)系的研究也值得重視。此外，鈦、鋇、鐵、鈷、銅和鉬等的相應(yīng)配合物都有一定的抗癌作用。稀土放射性同位素已被用來診斷和治療腫瘤，例如90Y治療前列腺癌和乳腺癌，169Yb廣泛用于大腦、肝、肺、骨等癌癥的診治。有致癌作用的元素（大量時(shí)）有鎳、鉻、砷、鐵；可疑的有鈹、鎘、鈷、鈦、鋅等；有促癌作用的是銅、錳等。由動物實(shí)驗(yàn)還得到硒、鋁、銀、汞都有致癌作用。上述元素的作用機(jī)制和條件尚未清楚，由于鋅和硒已在較大范圍內(nèi)作肥料和防治疾病使用，故對它們的潛在危險(xiǎn)應(yīng)充分弄清。

(三)農(nóng)業(yè)用微量元素

我國許多地區(qū)施用鋅、錳、硼、銅、鐵等微肥，稀土元素近年來也已廣泛使用，增產(chǎn)效果明顯。由于在農(nóng)業(yè)上使用的微量元素可直接通過食物鏈進(jìn)入人體，則需對這些微量元素進(jìn)行深入探究。經(jīng)初步衛(wèi)生毒理學(xué)試驗(yàn)得知，稀土毒性雖低，但從它們能與生物分子作用以及長遠(yuǎn)效果考慮，仍應(yīng)查明稀土化合物的生物安全性；在糧食、肉類等食物中的存在狀態(tài)；在動、植物和人體內(nèi)的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)、變化形式，與不同配體的關(guān)系；對多種酶或酶原的激活和抑制作用，以及稀土化合物的藥理性質(zhì)等。目前，在某些地區(qū)已在應(yīng)用微量元素飼料。如何使這種飼料既能收到經(jīng)濟(jì)效益，又不致給人體帶來潛在危害，是擺在我們面前的重要課題。鑒于我國是稀土礦藏豐富的國家，那么致力于解決如何充分發(fā)揮稀土元素的科學(xué)與生產(chǎn)效益這個(gè)問題，也就成了極具現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。

（四）微量元素的營養(yǎng)與毒性

英國Hamilton等人在研究人體血液與地殼物質(zhì)的化學(xué)組成后，發(fā)現(xiàn)人體血液的化學(xué)元素組成不僅與海水成分相似，而且各元素的豐度分布趨勢也有很大的類似性。這種相關(guān)性表明，人體與環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)和能量交換存在著穩(wěn)態(tài)平衡。 本書作者等關(guān)于生命活細(xì)胞與過渡系元素等生物學(xué)相關(guān)性的研究，則從動態(tài)實(shí)驗(yàn)有力地支持了這一觀點(diǎn)。鑒于生命與自然環(huán)境表現(xiàn)出如此息息相關(guān)的依存關(guān)系，他們認(rèn)為人體內(nèi)存在著一個(gè)廣泛平衡的生物元素三維圖譜，它包括微量元素平衡在內(nèi)的調(diào)控系統(tǒng)。一旦這個(gè)平衡遭到外來因素的破壞，使得某種元素不適于平衡量的上、下閾值時(shí)，人的健康就會受到影響或損害。因而必須通過食物和藥物的添補(bǔ)進(jìn)行調(diào)理，使之恢復(fù)生物元素譜的多元平衡關(guān)系，以復(fù)原體內(nèi)正常進(jìn)行著的種種生物化學(xué)反應(yīng)。人們除了注意微量元素與地方病、與癌的相關(guān)性以外，還對內(nèi)分泌、心血管、肺氣腫、腎功能、免疫缺陷、白內(nèi)障等其他疾病進(jìn)行了某個(gè)元素或多個(gè)元素與發(fā)病相關(guān)性的研究。應(yīng)當(dāng)指出，膳食中如缺乏氨基酸、維生素和無機(jī)鹽，可能會誘導(dǎo)或抑制微粒體酶，從而改變有毒化學(xué)物的生物轉(zhuǎn)化速率，也能影響細(xì)胞膜的功能。缺乏蛋白質(zhì)、鈣、磷和維生素C，會使有害金屬的毒性增強(qiáng)。發(fā)生在貧困和交通閉塞地區(qū)的一些疾病，隨著人們生活水平的提高，將會自然減少和消失。這說明營養(yǎng)不良也是發(fā)病的重要因素，需加強(qiáng)有針對性的研究和開發(fā)。

（五）中醫(yī)中藥的微量元素

我國的科學(xué)工作者繼承和發(fā)揚(yáng)了古代的科學(xué)遺產(chǎn)，積極開展中醫(yī)中藥的微量元素研究工作，出現(xiàn)了可喜的苗頭。例如，中醫(yī)的“證”與微量元素的關(guān)系，地道藥材、中藥歸經(jīng)、炮制方法與微量元素含量的關(guān)系，某些微量元素與中藥有效成分之間關(guān)系的研究等，均取得了一定的成績，并獲得了各種藥材所含元素的大量數(shù)據(jù)。早在明代李時(shí)珍所著的《本草綱目》中就記載有161種礦物藥，并對金屬礦石的性質(zhì)及與疾病的關(guān)系作了論述。其中有不少論述是有關(guān)微量元素的，這些都是世界上有關(guān)微量元素的早期寶貴資料。目前，這方面有待在深度和廣度上進(jìn)行深入研究。我國有關(guān)專家曹治權(quán)等提出，要在系統(tǒng)論和中醫(yī)藥理論的指導(dǎo)下，對中醫(yī)藥的微量元素及其活性配合物等存在狀態(tài)作全面研究后，再進(jìn)行綜合分析，以便推動祖國醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展。

（六）微量元素與健康的理論探索

生物無機(jī)化學(xué)研究元素和疾病發(fā)生、發(fā)展以及防治的關(guān)系時(shí)，與流行病學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、毒理學(xué)等的方法不同。它將人體看成是與各種化學(xué)反應(yīng)密切配合的體系，當(dāng)某個(gè)觸發(fā)因子引起微擾時(shí)，經(jīng)放大導(dǎo)致分子損傷，不正常細(xì)胞和死細(xì)胞增多，內(nèi)穩(wěn)態(tài)體系失常而發(fā)病。有關(guān)腫瘤、衰老、炎癥、心血管病、白內(nèi)障等的病理很多，但這個(gè)化學(xué)病理體系是從分子和亞分子生物學(xué)的角度去考慮的，認(rèn)為共同的觸發(fā)因子是自由基。已有大量實(shí)驗(yàn)證明，超氧離子自由基•O2-及由它衍生的活性氧如•OH、H2O2、1O2、ROOH等對重要生物分子起損害作用，甚至造成DNA鏈斷裂或變異。從對大骨節(jié)病、克山病和癌癥的研究中，都可找到自由基存在的依據(jù)，而硒則對因脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生的自由基起消除劑的作用。結(jié)合國內(nèi)實(shí)際和國際動向，開展“自由基”、“過氧化”的理論研究將是頗為有益和必要的，以便我們從更深的層次認(rèn)識疾病的本質(zhì)。

有關(guān)微量元素的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)正在全國各地涌現(xiàn)，已有較為健全的全國性研究會和省、市級學(xué)術(shù)組織。我國有關(guān)微量元素研究的論文每年數(shù)以百篇計(jì)，分別發(fā)表在國內(nèi)、外各種學(xué)科刊物上。國內(nèi)已出版和即將出版的有“微量元素”（1984～1992年起更名為“微量元素與健康研究”）、“中國地方病學(xué)雜志”（1982年～）、“微量元素與食物鏈”（1990年～）、“微量元素科學(xué)”、“廣東微量元素科學(xué)”、“營養(yǎng)學(xué)報(bào)”、“中華腫瘤雜志”、“中草藥”、“中國中藥雜志”、“中華醫(yī)學(xué)雜志”、“中華兒科雜志”、“衛(wèi)生研究”等刊物，建立了大型微量元素?cái)?shù)據(jù)庫，有關(guān)微量元素的專著和會議論文集也陸續(xù)發(fā)行。不少醫(yī)院和高校科研單位成立了微量元素研究室或門診部，走向多學(xué)科聯(lián)合的道路。

國外常見的則有：Bioinorg.Chem.、Biol.Trace Element Res.、Trace Element in Med.、J.Clin.Nutr.、J.Inorg.Nucl.Chem.、Med.Sci.Res.等專業(yè)刊物，以及為數(shù)眾多的會議文集。譯文或綜述有《國外醫(yī)學(xué)：醫(yī)學(xué)地理分冊》（1980年- ）和《衛(wèi)生學(xué)分冊》等。此外，有關(guān)微量元素研究方面的論文也發(fā)表在其他醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、衛(wèi)生保健、分析化學(xué)等相關(guān)刊物上。 我國科學(xué)工作者的長期實(shí)踐表明，在微量元素領(lǐng)域里充滿著許多誘人的問題等待人們?nèi)ヌ剿骱徒鉀Q。隨著科學(xué)的普及和深入，對微量元素的研究成果必將為我們提供更加合理的營養(yǎng)和食物，幫助人們征服疾病與增進(jìn)健康。 美國一批著名科學(xué)家在關(guān)于優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域的倡議中鄭重提出，要應(yīng)用和發(fā)展化學(xué)技術(shù)去解決屬于分子水平的生命問題，加速轉(zhuǎn)化有關(guān)生物方面的定性知識，使其在人類、動物醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等方面成為生物工程中的有用物品。出生、成長、繁衍和死亡等生命過程都是生物和化學(xué)變化的表現(xiàn)，各門學(xué)科尤其是生物和化學(xué)正處在分子水平及分子聚集體水平上揭示這些復(fù)雜過程的岔口上。我們相信，強(qiáng)化本領(lǐng)域的工作并使之獲得更大的進(jìn)展，必將為21世紀(jì)的自然科學(xué)及提高人類健康水平增添新的活力。

五、存在問題[3]

中國微量元素研究在過去的幾十年中取得豐碩的成果，但也存在思想認(rèn)識不一，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏可比性，以及組織結(jié)構(gòu)分散等方面的不足：

（一）對人體內(nèi)外生態(tài)環(huán)境的整體性和系統(tǒng)性認(rèn)識不足

自然界的微量元素存在著一定的規(guī)律，如元素的普遍性，元素時(shí)空分布的不均一性，元素豐度變化的有序性，元素生物效應(yīng)的規(guī)律件和多重性，元素相互關(guān)系的協(xié)同性和制約性，元素平衡的可調(diào)性，以及地球生態(tài)環(huán)境的可變性，等等。因此，整個(gè)大自然是一個(gè)統(tǒng)一體，任何重大自然活動或人類行為都可能破壞原先的平衡而引起微量元素的缺乏或過剩；任何元素含量異�；蚴Ш舛伎赡芤�發(fā)動物和人的不適或病理變化，無論有癥狀的還是無癥狀的；任何疾病都是元素“關(guān)系病”，而不是單元素“要素病”；微量元素，實(shí)際上本無所渭“必需”或“有毒”，而僅僅是一個(gè)劑量問題或認(rèn)識與否、證明與否的問題。FA0／IAEA／WH0多少也已改變過去對必需微量元素的提法，而把所謂的“必需微量元素”分為三 類：(1)人體必需微量元素，共8種，包括碘、鋅、硒、銅、鉬、鉻、鉆及鐵：(2)人體可能必需的元素，共 5種，包括錳、硅、硼、釩及鎳：(3具有潛在的毒性，但在低劑量時(shí)可能具有人體必需功能的元素，包括氟、鉛、鎘、汞、砷、鋁及錫，共7種(WHO，1996；中國營養(yǎng)學(xué)會，2000)。因此，開展所謂的“零鉛工程”或“零×工程”的提法是不科學(xué)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。

（二）對飲水中微量元素的作用認(rèn)識不夠

水是生命之源，人體組織中含有70％以上的水。近代研究表明，水中帶有微磁矩和親電性 ，適當(dāng)?shù)慕饘匐x子在人的生命活動或遺傳密碼子連續(xù)性中起著催化、激活、動力的作用。廣西巴馬長壽村山水是含有多種微量元素的高能態(tài)水：高能態(tài)水可使人體不正常的血相態(tài)和微電場分布 (亦稱氣場分布)向正常狀態(tài)轉(zhuǎn)化 (金日光，2000)。

人體的各個(gè)部位，凡是有水的地方就有生命相關(guān)元素和生命動力元素離子共存著：長期以來有關(guān)純凈水的盲目爭論已經(jīng)開始危害我國瓶裝水的健康發(fā)展。

此外，我國評價(jià)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)儀器也很缺乏，檢測水凝聚體大小的17O核磁共振譜儀和檢測血相狀態(tài)的超短聚集暗場高倍顯微鏡還很少，而檢測人體微電場分布的克里安檢測儀國內(nèi)尚無一臺。后兩種儀器是鑒定飲用水效果的重要儀器。

（三）文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的不可比性

文獻(xiàn)中許多數(shù)據(jù)缺乏可比性，其中有取樣不規(guī)范問題，實(shí)驗(yàn)條件的控制問題，測定過程中的質(zhì)量保證問題，對照對象不合理，以及參比值(或正常值)不統(tǒng)一等問題。

有些重要參數(shù)還存在嚴(yán)重分歧，最明顯的是中國人的膳食汞攝入量，陳君石1993年和1997年的報(bào)道值分別為10.3 μg／d和5.2 μg／d，而諸洪達(dá)2000年的報(bào)道值為34.5 μg／d，兩者相去甚遠(yuǎn)。

（四）組織結(jié)構(gòu)分散

中國的微量元素組織，就全國范圍而言，除中國微量元素科學(xué)研究會外，還有許多分屬于其他學(xué)會的二級學(xué)會或?qū)�業(yè)委員會，它們在推進(jìn)學(xué)術(shù)交流和傳播科學(xué)知識方面起著十分重要的作用，但學(xué)會不是權(quán)力機(jī)構(gòu)，不能組織或協(xié)調(diào)重大項(xiàng)目的科研和攻關(guān)，也難以就共同性問題，如標(biāo)準(zhǔn)方法的制訂，正常參考范圍或限值的確定等，開展合作。

學(xué)會組織結(jié)構(gòu)分散也會帶來其他方面的負(fù)面影響，對有些問題可能會因?qū)W派不同或見解不一引起糾紛，有機(jī)鍺事件即為一例。

此外，目前雖有三家微量元素專業(yè)性雜志， 但尚無全國核心期刊。

六、幾點(diǎn)建議[3]

近年來，我國大規(guī)模的全圍性調(diào)查研究課題和資料已較過去大為減少，這些調(diào)查雖“勞民傷財(cái)”，卻對政府決策或任務(wù)規(guī)劃十分重要。為了今后中國微量元素科學(xué)的順利發(fā)展，作者提出如下建議。

（一）成立國家級微量元素專家委員會

建議在國家科技部或全國政協(xié)內(nèi)成立微量元素科學(xué)委員會或?qū)＜医M，負(fù)責(zé)定期組織全國性重大專題研究現(xiàn)狀、問題及對策研討會，提出報(bào)告，供決策部門參考；負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)全國性專項(xiàng)調(diào)查或評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

（二）建立中國人體和總膳食全元素?cái)?shù)據(jù)庫

建議成立或健全國家級微量元素研究機(jī)構(gòu)，集中優(yōu)秀人才，采用世界上最先進(jìn)儀器設(shè)備和研究手段，對血液、頭發(fā)、總膳食全元素譜開展全國性調(diào)查，建立中國人體和中國總膳食微量元素?cái)?shù)據(jù)庫，探討元素譜系內(nèi)的相互關(guān)系或平衡模式。

（三）開展長壽成因調(diào)查

我國有兩大類六大長壽地區(qū)。建議對我國六大長壽區(qū)開展生態(tài)系物質(zhì)(包括飲用水)和長壽老人微量元素譜的全面調(diào)查，從一個(gè)側(cè)面揭示長壽成因之謎。

（四）開展中國食用海藻全元素成分調(diào)查

中國海域?qū)挘�食用海藻豐富，但除在建國早期作過部分元素調(diào)查外，尚無有系統(tǒng)研究。建議開展食用海藻的全元素調(diào)查，特別是南海地區(qū)的海藻。建立海藻鉛、汞、砷、鎘、硒等重金屬元素的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（五）研究和開發(fā)大眾化元素平衡保健食品

提倡、鼓勵(lì)和號召民營企業(yè)資助大眾化元素平衡食品的研究和開發(fā)，例如，類似元素平衡鹽、中國營養(yǎng)平衡米等類食品，有步驟地向全民推廣，以抑制現(xiàn)代病的發(fā)生和擴(kuò)展。

來自：微量元素分析儀

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