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食水與飲料礦泉水中主要
無機化合物與人體的關係



本文摘錄自上海市輕工科技情報研究所出版之『飲用水與飲料礦泉水的研究開發』一書, 本公司徵求原著袁仁濤先生同意予以轉載,本文係袁先生多年研究報告之一,特別在此表 達謝意。

食水與飲料礦泉水中主要無機化合物
與人體的關係

第一節 水中無機化合物的危害作用

許多無機化學物質(如汞、鉛、鎘及其他化合物)可以通過飲水對人和溫血動物產生危害作 用。世界衛生組織早在1970年即指出:不僅要研究化學物質隨飲水進入人體後的致毒作用 ,而且還要研究它們的致癌作用(產生惡性腫瘤);致畸作用 (引起新生兒畸形);和致變作 用(引起遺傳變異,即引起基因的變化,這種作用不僅在一代動物身上有反映,出現症狀, 而且還影響子孫後代)。

在試驗條件下,砷、硒、鋅、鐳、鈀、釔等隨飲水進入體內,或鉻(六價)、鈹、鉛、汞、 鎳、鈷、銀、鈰、鍗、鉭、鏑、釓、鈾、白金和鐠等由其他途徑進入體內,對溫血動物均 有致癌作用。在試驗條件下,砷、鎘、鉛、鋰、鈷、鋁、鎵等對動物有致畸作用。以紅鱒 魚作試驗,証明硫化鋅可使之產生致變作用。

水中含鐵、銅、錳、鋅、氯化物、硫酸鹽和氨的濃度高時,水的色、嗅、味性狀會發生變 化,某些無機化合物有劇毒,在土壤和植物體內有累積作用,含有這類化合物的水(或廢 水),則不能用來灌溉農田。聚積在魚體組織內的有害無機化合物,通過食用,對人有致 毒危險,如汞在微生物、魚及其餌料體內,可累積到很高濃度,對小黑鱸和中弓魚進行六 個月的試驗表明,水中鎘濃度為0.0005∼0.85毫克/升時,累積在魚體內的鎘濃度,可達到 水中鎘含量的2∼210倍;累積在牡蠣組織內的鎘、銅、鋅的含量,較水體內高3∼4倍;魚 類既使短期(一周)生活在含鎘的魚缸內,也可發現其機體內聚積鎘:肝臟內為4.91∼6.71 毫克/公斤體重,腎臟內2.26∼4.13毫克/公斤體重。在水體中生活的牡蠣,其組織內還可 累積鉛、汞、鎘、鋅、銅和鈷等。

在一些工業城市中,有害無機化合物以各種化合物的形式進入水體,這些化合物對人體、 溫血動物、水生植物或微生物均能產生共同作用,即所謂的聯合作用,這種作用有以下幾 種情況:

(一)協同作用:即某些毒物的作用效率,大於其簡單總合作用;
(二)拮抗作用:即某些毒物的作用效率,小於其簡單總合作用;
(三)加成作用:即簡單總合作用;

某些物質,特別是許多有害物質聯合作用時,常常出現協同作用;但有時也不出現這種現 象,如水中的鎘和鋅與氰化物作用時,毒性增大,而砷與硒作用時,毒性則減小。

水的物理化學性能,如水溫、含氧量、硬度、PH值等,對許多無機化合物的毒性均有影響。 隨著水溫的增高,水生物的新陳代謝作用也加快,所以吸收的毒物也增多。 各種有害物質在不同硬度的水中(軟水的碳酸鈣含量為20毫克/升,硬水為 260毫克/升), 對魚類的平均致死濃度(毫克/升),列表如下:

※魚類在水中持續96小時
實 驗 平均致死濃度
化合物
魚 類
軟 水
硬 水
氯化鎘 淡水魚
0.63
73.5
硫酸銅 淡水魚
0.022
1.76
硫酸錫 淡水魚
0.78
33.4
氯化鉛 淡水魚
5.58
482
硫酸鈹 淡水魚
0.19
20.3
紅鱒魚
0.4
7.2

PH值由6.6提高到8.0,和鋅濃度為7毫克/升時,淡水鮭的平均存活時間可延長2倍。由此 可見,在硬度低的水體中,雖然也有金屬致毒作用小的情況,一般說來,它的致毒作用還 是較大的,因此,自來水經軟化,硬度降低後,會使金屬在水中的毒性增高。

由上述情況的介紹,可見無機化學物質通過飲水對人體的危害作用甚大,世界衛生組織, 於七十年代初,即制定了食水水質的國際標準,(包括有害物質的含量),不過以前,在提 出水中有害物質的最高允許濃度論據時,僅考慮了有害物質隨飲水進入試驗動物體內,而 未考慮隨空氣和食物進入體內的問題,因而規定的最高允許濃度標準是不夠合理的,故世 界衛生組織強調指出食水的國際標準,不僅要考慮有害物質可隨飲水進入體內 (據計算, 體重70公斤的人,每天飲水量為2升),而且應考慮所有其它進入體內的途徑;此外還應考 慮外界環境中,規定的物質總含量,及其對生物體的生理指標和生化指標的影響,以及這 些物質產生致癌、致畸、致突變作用的可能性,這是七十年代以來,世界許多國家對食水 課題研究的主攻方向。

第二節 微(痕)量元素的定義功能及對人體的關係

(一)微量元素的定義

宇宙萬物都是由物質構成的,構成物質的基本單元是百餘種化學元素。人體也是如此,據 科學研究,現已証實人體是由蛋白質、脂肪、醣、無機鹽、維生素、水及微量生物活性物 質所組成。這些化學元素或物質,在人體內現已發現有60多種,如按化學元素的重量百分 比計算,氧約占65%、碳約占18%、氫約占10%、氮約占 3%,以上4種元素約占人體重 量的96%;其餘7種元素:鈣約占1.94%、磷約占1.15%、鉀約占0.34%、硫約占0.23% 、鈉約占0.13%、氯約占0.12%、鎂約占0.04%,這7種加起來,約占人體重量的3.95% ,以上兩組合計11種,占人體總重量的99.95% ,稱為人體必需常(宏)量元素;另外還有 14種元素,在人體內只占百萬分之一(ppm)∼萬萬分之一 (ppb),這十幾種元素加在一起 ,僅占人體重量的0.05%,稱之為生物微量元素(biological trace elements )。凡含量 占人體重量0.01%以下,即萬分之一以下的元素,統稱為與人體有關的生物微(痕)量元素。

目前對人體必需生物微量元素公認的定義是:

1.它是維持人體生命、發育、繁殖所必需的元素。
2.它是成人的日攝取量在100毫克以下的元素。

(二)生物微量元素的功能及對人體的關係。 在闡述生物微量元素的功能及對人體的關係之前,還需要先介紹一下人體組成的基本情況 ;上面已經提到人體是由蛋白質、脂肪、碳水化合物、水、無機鹽、生物微量元素、維生 素等物質組成的有生命和思維活動的人,這些化學物質或元素,在人體內均占有一定的比 例,現以一個60公斤(Kg)體重的成人為例,列表如下:

項次 化學物質名稱 含量(Kg) 占體重%
1 36 60
2 脂肪 10.8 18
3 蛋白質 9.6 16
4 無機鹽及生物微量元素 2.58 4.3
5 維生素A,B1,B2,C,D,PP等 0.6 1
6 碳水化合物 0.42 0.7
合 計 60 公斤 100 %

人體必需的常量元素,主要用於構成人體的機體和起電解質作用,而生物微量元素則是人 類生存不可缺少的營養成份,在人體內成為某些R、激素、核酸、維生素等的活性中心, 維持著生命的代謝過程,如缺乏某種生物微量元素,就會引起生理功能及結構異常,發生 種種病變及疾病,通常雖不直接危及生命,但為生命活動所必需,故又稱為必需微量元素 ,適量時對身體有益,但過量時就會有害。

生物微量元素對人體的生理功能有:

1.促進 的催化作用──生物微量元素能活化人體內上千種的 ,其中大多數是金屬 和金 屬離子 。微量金屬元素能極大地提高 的催化作用,如失去金屬, 的活力將極度下降, 甚至喪失。

2.參與激素的分泌活動──生物微量元素能參與甲狀腺、腎狀腺等分泌激素的活動,如果 缺少某些生物微量元素則將影響這些激素的合成,從而影響對人體某些生理功能的調節。

3.是遺傳物質核酸的構成部份──核酸是遺傳信息的攜帶者,而核酸中含有多種生物微量 元素,所以生物微量元素能在遺傳中起到某些作用。

4.參與新陳代謝──生物微量元素參與了人體內氧化還原系統的活動,使細胞中儲存的物 質產生能量,並利用這種能量,起到新陳代謝的作用,大多數生物微量元素的含量隨年齡 增長而減少,這說明與衰老有著直接的關係。

5.生物微量元素是人的機體內氧的輸送者

人類對生物微量元素的認識,有一個漫長而又逐步加快的過程。鐵是最早發現的人體必需 生物微量元素, 150年前發現了碘,其後以十年左右發現兩個必需生物微量元素的速度前 進,至七、八十年代,人們開始進一步重視生物微量元素,同時對生物微量元素在生命過 程中的意義、生理功能,代謝過程、缺乏時的表現及防治、過量時的中毒及防治等,有了 更詳細的了解,到目前為止,已知人體必需生物微量元素有14種,它們是:

鐵、鋅、銅、碘、錳、硒、氟、鉬、鈷、鉻、鎳、釩、鍚、硅

隨著科學研究的進展,有生物功能的人體微量元素的數目還將增加,而不僅限於目前已知 的數目。

人體微量元素在體內分布甚廣,一般在所有器官中均可檢出,但非均勻分佈,有些器臟組 織含有某種生物微量元素,相對比較集中,如:

──血液、肝、脾、骨;
──肌肉、肝、腦、骨骼;
──視網膜、胰島組織、前列腺;
──甲狀腺、腎上腺、肌肉;
──骨骼肌、肝、胰、腦;
──肝、胰、心、腎;
──頭髮、齒、指甲、骨;
──肝、腎;
──肝、腎、肌肉;
──心、肝、肺等;

機體微量元素的分佈不均,表明機體某部位結構與生物微量元素的特異性功能密切相關, 在某些病理情況下,就可幫助檢測人體的組織狀況,或臨床診斷疾病。

人體必需微量元素在體內的作用,有著定量的生理劑量範圍,在攝入不足而出現缺乏症狀 ,與攝入過多而出現中毒反應的劑量之間,呈現出一段最適宜的安全攝取量,不同的元素 有不同的適宜量範圍,如飲水中碘的含量與甲狀腺腫患病率的關係中,缺碘與碘過多,均 可引起地方性甲狀腺腫;而且,機體微量元素對人體的適宜劑量與中毒劑量的界限,大都 很小,所以,對攝入量的研究,是當今各國重點研究的對象。

機體微量元素之間,彼此既有協同作用又相互拮抗,而處於精密的平衡狀態。這是由於電 子結構和化學物理特性的差異,元素之間彼此起著生物干擾作用,如有拮抗作用的元素: 鐵──錳; 鐵──銅; 銅──鋅; 銅──鉬; 硒──汞;

有協同作用的元素:
銅──汞; 硒──鈷; 砷──鉛。

人的機體內,某種元素的缺乏或過多的原因,一般有兩種情況:

一是直接來自本身的原因;二是其它元素干擾了其功能的間接反應,如元素之間的拮抗作 用,可增強元素的毒性作用,所以,研究人體內機體微量元素之間的相互關係和適宜比例 ,與研究某單一元素的作用,是同等重要的。

隨著生命科學的發展,微量分析技術的提高和生物醫學成果的累積,人們逐漸認識到,生 物微量元素對人類的生、老、病、死及遺傳代謝,有著重要的,甚至是決定性的作用。由 於生物微量元素不像某些維生素能在人體內自行合成,而是主要來自食物、飲水、空氣和 藥物等,所以有人說,在人體所需的營養中,生物微量元素比維生素更為重要。

在研究生物微量元素與人體健康的關係中,微量分析技術則是關鍵手段之一,八十年代微 量分析技術的靈敏度已比六十年代提高了兩個數量級,目前國際上所用的儀器分析法,如 石墨爐原子吸收法,火花源質譜法和電感耦合等離子體質譜法的檢出限,已可達到ppt級 (即億萬分之一),中子活化法可達10 ppt,而激光共振電離光譜法則可達到10 ppt。不過

這些儀器分析法,還存在著基體干擾問題,需要在進行檢測前除去其基體。所以只有進一步 研究和發展精密的靈敏度高的微量分析儀器和化學分析,才能提供更精確可靠的微量元素 分析數據,做為研究人體生理機能的依據,以提高人們對生物微量元素與人體健康的相互 關係的認識,以及與激素、維生素間的關係,以了解在極微量的範圍內,生物微量元素的 有效性和毒性的平衡,還要從營養學方面來進一步研究生物體內所需含有生物微量元素的 微量成分,進而預防某些疾病、癌症、畸形或遺傳變異的發生。


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