第七讲──铜与铝

袁诗璞

【金属毒理学知识讲座】

第七讲──铜与铝

袁诗璞

第一部分、铜

1 概述

在电镀中，铜与铜合金基体制件需作表面处理，镀取铜及铜合金也是用量较大的常规镀种之一。因此，无论作为金属还是其化合物，铜都是常接触的物质。

铜既是动物生理需要的微量元素之一，也是体内含量过多就会产生毒害性的元素之一。其对人的毒害作用比锌略大，因此，在电镀废水排放限量标准中的要求更严，为0.5 mg/L或0.3 mg/L。

铜是人类发现较早的元素之一。自然界中，铜除主要以辉铜矿(Cu2S)、黄铜矿(CuFeS2)、赤铜矿(Cu2O)、蓝铜矿[2CuCO3·Cu(OH)2]及孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]等形式存在之外，还与许多重金属的硫化物共生，分布很广；自然铜的矿床则稀少。铜在地壳中的丰度为0.007%。人类在史前时期，就用青铜来制造器具、兵器及装饰品、礼器。我国在4 000年前开始炼铜，商周时期，铜器应用已很广泛。

金属铜本身几乎无毒。电解冶炼铜时，有中毒事例发生，是因为当阴极电流密度较大时，杂质砷产生了剧毒的氢化砷气体：

同时，电解液中还会析出砷化铜毒物：

2 动植物与铜

2. 1 植物

尚不清楚铜是否为植物生长所必需的元素。在新开垦的土地上种植，若土壤中缺铜，会产生特有的铜欠缺症，使作物对各种病原菌的抵抗力下降。对于藻类的生长，铜是微量有效成分。

土壤对铜有积累性。植物根系从水中摄取可溶性铜化物，能在植物体内蓄积。但植物摄取过多的铜后会危害其正常生长，阻碍根系发育，抑制养分吸收，对水稻和大麦的生长发育尤其不利。例如，灌溉水中硫酸铜对水稻危害的临界质量浓度为0.6 mg/L。

2. 2 动物

不同动物对铜的耐受能力不同。铜离子能杀灭水中的微生物。水中含铜量超过0.01 mg/L，即会危害微生物对水体的自净作用，达到0.2 ppb(注：ppb在美、法为10−9，英、德为10−12，资料中未注明国别)时开始对鱼类产生毒性反应。我国规定地表水中铜的限量为0.1 mg/L，渔业用水为0.01 mg/L。因此，在认识电镀废水的排放限值要求时，不单只考虑毒害物对人体的危害，还应重视对农作物与农业养殖的危害。海生物养殖中，还发现海岸和港湾曾发生铜污染引起牡蛎肉变绿的事件。

大鼠试验结果发现，皮下注射硫酸铜，肝铜浓度增加、血红蛋白降低，红细胞与血球容积比也降低，肝、肾都可见急性中毒的组织学特征。大鼠经口投入CuSO4·5H2O的半致死剂量LD50为300 mg/kg。

对猪投以含铜250 mg/kg的饲料时，其增重较对照组更加明显，说明此浓度有利于养猪。但饲料中含铜量增至500 mg/kg时，猪则显示出体重下降与贫血，测定此时肝铜浓度达到 500 mg/kg湿重。绵羊经口给予20 mg/kg体重的铜，于第9周后出现溶血现象，肝铜浓度达500 mg/kg，而对照组仅50 mg/kg。溶血还可导致绵羊得急性肾小管损害。牛等反刍动物摄入相对低(＜16 mg/kg)的含铜食物时，如果食物中钼含量也低，那么可能产生铜的毒作用；相反，如果食物中钼含量过高，则会导致相对的铜缺乏，其影响比较复杂。

3 人体与铜

3. 1 铜的摄入途径

人每天由食物摄入的铜在1 ～ 3 mg之间波动，相当于成人每kg体重15 ～ 45 µg铜。成年人每日铜的需要量约为30 µg/kg体重，青年为40 µg/kg体重，婴儿的需要量则达80 µg/kg体重。食物中铜的质量分数约为1 mg/kg。肉食品、内脏、鱼和绿色蔬菜含铜丰富，谷物的含铜量很低，而牛奶则相对缺铜(“缺铜”意指食物中铜含量低于0.1 mg/kg)。可见，婴幼儿奶制品中应外加适量的铜。若喂食天然纯奶，再辅以鱼汤，则有好处。牡蛎、蕈、硬壳果、巧克力等的含铜量也高。

正常饮用水的含铜量从几µg至1 mg/L以上，人体从饮用水中摄入铜的量很大。但饮用水中铜含量超过3 mg/L则有异味，大于15 mg/L则不能饮用。按国标GB 5749–2006规定，我国饮用水中铜的最高限值为1.0 mg/L。

3. 2 铜是人体必需的微量元素

人和动物需要铜制造红细胞和血红蛋白。铜缺乏时发生贫血，是由于铁吸收迟缓，或者骨髓合成红细胞的速度受到限制。缺铜引起的贫血，其特点与缺铁性贫血相似。一般认为铜在血红蛋白合成上是一个活化剂。铜与氧化酶中的过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素氧化酶等有关。血清铜蓝蛋白具有氧化酶的活力，能够氧化肾上腺素、五羟色胺、二羟苯丙氨酸等。铜与细胞色素C氧化酶活力有关。

铜对合成弹性蛋白起一定作用。含铜的酶使赖氨酸脱氨氧化，产生与弹性蛋白交联的物质。缺铜时，由于弹性蛋白不足，可以发生血管缺陷，如夹层动脉瘤等。

婴儿胃肠道功能紊乱可诱发铜的缺乏症。成人长期应用硫酸锌作治疗药物，可因缺铜而导致贫血。与牛类似，人体过量摄入钼时，影响组织与血液铜水平，可出现尿铜增高和血铜降低。

3. 3 人体中铜的运转

人体可依体内铜水平来调节对铜的吸收率。当摄入小剂量铜时，吸收率可达 50%；摄入剂量大时，吸收率下降。

食物中的铜进入消化道后由胃肠黏膜吸收，通常吸收率为20% ～ 30%。

铜被吸收后进入血液。铜离子与血浆中的白蛋白松散结合，然后进入肝脏，与肝脏生成的α2球蛋白结合，形成铜蓝蛋白。2 ～ 5 h后，新合成的铜蓝蛋白从肝脏进入血液。新生儿肝脏铜质量分数约为30 mg/kg湿重，一周岁时下降至5 ～ 10 mg/kg湿重，在整个一生中浓度保持相对稳定。正常人全血、血浆和红细胞中的铜质量浓度大致为1 mg/L。妇女(特别是妊娠期妇女)的血清铜水平高于正常人的2倍以上。口服避孕药也可增高血清铜水平。性激素会影响铜蓝蛋白的合成，因而妊娠妇女在血清铜增高的同时伴有血清铜蛋白的增高。

铜主要贮存于肝、心、脑、肾和肌肉中。肝硬变时，其铜含量较高。

铜主要由胃肠道排出，由胆汁排出 80%，由肠壁排出 16%。铜在血液中与蛋白质结合后不能通过肾小球滤出，因而经尿液仅排出4%。当人体从食物中摄取的钼较多时，尿铜排泄增加。铜还可经汗液部分排出。

现已基本证实，正常人经注射铜盐后，其生物半减期约为 4周。一种先天性铜代谢疾病，亦称肝豆状核变性(Wilson病)，肝中铜过量积蓄，病患者的生物半减期则要长得多。

3. 4 铜对人体的毒害性

3. 4. 1 对呼吸系统的伤害

熔炼铜、焊接铜、磨光铜件的工人，油漆厂研磨氧化铜粉的工人，吸入细微铜或氧化铜微粒，可发生急性中毒，表现金属烟尘热。该现象在之前作过较详细介绍，不再赘述。长期大量接触铜尘和铜烟的工人，也可出现慢性中毒，包括鼻咽部黏膜充血，偶有鼻中隔溃疡。有些病人感觉周身乏力，有发冷、发热的感觉。

有文献在论及硝酸铜的毒性时，报道了从呼吸道吸入铜盐微粒时，慢性中毒与六价铬雾一样，可导致鼻中隔穿孔。轻者产生鼻、咽喉、上呼吸道炎症。

在种植葡萄时，喷洒硫酸铜液(是一种应用很广的杀虫剂)杀虫。几位工业卫生学家共报道了17例所谓“葡萄园喷务工肺”。这种疾病被认为是用波尔多氏液喷撒葡萄园时吸入硫酸铜后所产生的。人体标本可见肺表面呈现绿蓝色的斑块。组织学检查发现它的改变与矽肺改变相似，而且证实这种肺组织中铜含量最高。上述17例中还有3例确诊为肺癌，5例为肺结核，其中7例具有长期吸烟的习惯，故不能确定硫酸铜有致肺癌的作用。

3. 4. 2 皮肤损害

长期接触铜尘，皮肤和头发可被染成浅绿色或墨绿色。铜可使手掌和足跖角化，并可引起皮炎和湿疹。接触高浓度铜化合物可造成皮肤坏死。

3. 4. 3 眼部损害

长期接触铜尘也可造成眼结膜变色。眼接触铜盐可引起角膜溃疡、结膜炎和眼睑水肿。严重的角膜炎会造成视力模糊。从事铜锌锡合金枪弹铜壳生产的工人有发生铜性白内障的病例。

3. 4. 4 非职业性中毒

长期饮用被铜污染而含铜过高的水，食用因植物和水生物富集作用而含铜过高的食物，不当地使用含铜药物，误食或自杀性口服铜盐，都会引起铜的慢性或急性中毒。

慢性中毒表现为神经系统功能紊乱，肝肾功能障碍，心血管病死亡率增高。

硫酸铜和铜绿(碱式碳酸铜)对黏膜具有腐蚀性，硫酸铜的刺激性更强。口服CuSO4·5H2O 0.065 ～ 0.130 g即可产生症状，口服0.650 ～ 0.975 g可产生严重中毒。口服大量铜盐后，牙齿、齿龈、舌苔蓝染，口中有金属味，流涎、恶心、呕吐，上腹痛、腹泻。呕吐物因硫酸铜而染蓝色，因铜绿而染绿色。反复呕吐易因失水而休克。有些病人在2 ～ 3 d出现黄疸：病情轻者因溶血引起呕血和黑便，肝组织基本正常；重症者黄疸和肝功能异常明显，肝小叶中央坏死和郁胆。对口服硫酸铜自杀者观测，血铜质量浓度达8 mg/L时即可出现黄疸和肾脏损害。

口服铜盐后可损伤红细胞而引起血管内溶血，在第2 ～ 3 d尿中出现血红蛋白，之后发生急性肾小管坏死，出现尿闭、尿毒症，可导致昏迷、死亡。静脉注射铜盐的毒性很大，皮下注射氯化铜可发生坏死。静脉注射硫酸铜会发生溶血性贫血。心肌梗死者，某些肿瘤、甲状腺机能亢进、胆汁性肝硬变、类风湿关节炎患者的血铜浓度会增高；肝硬变、白色病患者及早产儿的肝铜量也会增高。

尚未见铜的致癌与致畸现象的报道。

第二部分、铝

1 概述

铝的相对质量密度为2.7，熔点660 °C，沸点2 500 °C，是一种质软、具延展性的轻金属，在自然界中分布很广，含铝矿物达2 500种之多。铝在工业及生活用品上应用很广。

表面处理中，铝及其合金有多种工艺加工，其量也较大。

有学者提出铝也是人体必需的微量元素，但对其生理学方面的研究尚不深入全面，因此这一观点并未被公认。

过去认为铝及铝化合物是无毒的，因而对其毒理学方面的研究与报道很少。后来发现动物摄入过多的铝也有害，因此对加工食品中的铝含量也提出了限值要求。

电镀废水现行排放限值标准为：总铝3.0 mg/L或2.0 mg/L，与总铁相同。

Al(OH)3的溶度积常数 Ksp：18 °C、微酸性下为1.1 × 10−15，25 °C、微碱性下为1.9 × 10−33，是所有铝化合物中最难溶于水的物质。当Al3+浓度为0.01 mol/L时，pH达到4.0即开始形成Al(OH)3沉淀；pH为5.2时沉淀完全；但当pH达到7.8时，开始复溶为偏铝酸盐；当pH为10.8时，沉淀全部溶完。这就给采用中和沉淀法使Ni2+、Cu2+与Al3+均同时沉淀达标造成了困难。

2 人体中的铝

人从饮水与食物中摄入铝，每天从饮食中摄入的量为10 ～ 100 mg。正常成人体内铝的总量为50 ～ 150 mg，血铝含量为0.02 mg左右。

铝经胃肠道吸收后，分布于所有组织，但以肝、肾、脾、甲状腺和脑中蓄积较多。未经吸收的铝由粪便排出。细微铝粉经呼吸道吸入后，沉积在呼吸道、肺和肺淋巴结，部分也可蓄积于肝和肾，并经尿和胆汁排出，此时人体各器官的含铝量以肺具首位，其次是皮肤。

3 铝的毒害性

3. 1 动物试验

3. 1. 1 急性中毒

对于不溶性铝化合物，即使一次给予较大剂量，也不会引起明显的急性中毒现象。

一些可溶性铝化合物对家兔的口服致死量如下：钠钒[Na2SO4·Al2(SO4)3·24H2O] 2 g/kg，醋酸铝5 ～15 g/kg，氯化铝3 ～ 5 g/kg。氯化铝与硫化铝一次服用超过5 g/kg，可使家兔于2 ～ 11 d内死亡，主要病理改变为肾小管损伤和肝脏的中心性坏死。

家兔皮下注射硫酸铝的致死量为100 mg/kg。静脉注射氯化铝的致死量：小鼠为25 mg/kg，家兔为10 mg/kg。

3. 1. 2 慢性中毒

家兔、豚鼠皮下注射氢氧化铝0.2 mL，每周1 ～2次，数十次后局部形成硬结，镜检可见坏死和浸润性改变。

小鼠饲料中添加质量分数为355 × 10−6的氯化铝，喂饲40 d，铝代谢尚无影响，但磷代谢已有轻微影响。大鼠饲料中铝含量达4 050 × 10−6，豚鼠和家兔饲料中的铝达到1 400 × 10−6时，血磷和骨磷下降。小鸡摄取含铝量达4 400 × 10−6的饲料后，可发生严重的佝偻病。

大鼠一次性气管注入1 μm以下粒径的铝尘粒40 mg时，可产生明显的肺纤维化。但另一试验又证明铝有抑制和预防矽肺时肺纤维化发生、发展的作用，因为在二氧化硅尘粒表面形成了一层难溶的胶性氢氧化铝外膜，改变了二氧化硅尘粒的表面结构，所以降低了石英的毒性作用。

3. 2 对人的毒性

磷是人体中需要量较大的重要元素之一。当人体摄入铝量超过正常的5 ～ 10倍时，可抑制磷自消化道的吸收而导致缺磷，使血磷降低(血清中三磷酸腺苷含量降低)，影响细胞和组织中的磷酸化过程，使掺入磷脂及核酸中的磷减少，从而干扰磷化合物的代谢。缺磷的原因是铝在胃肠道内与磷酸盐反应，形成了不溶性磷酸铝盐，其简化反应为：

长期摄入铝及其化合物，还可影响若干消化酶的活性。如抑制胃蛋白酶的活性，使胃酸降低而影响酸碱平衡，促使胃液分泌减少，以及黏蛋白分泌增加。对胰腺功能则无影响。

有研究认为，铝在脑中积蓄会对中枢神经产生影响，典型症状包括语言障碍，共济失调，惊厥，脑电图特征改变，痴呆，透析性脑病或透析性痴呆病，病后两年死亡。

3. 3 临床表现

3. 3. 1 非职业性中毒

用铵明矾[即硫酸铝铵，(NH4)2SO4·Al2(SO4)3·24H2O]溶液漱口会引起口干，其20%浓溶液可引起齿龈糜烂、坏死。误服后可产生局部刺激和腐蚀现象，严重时发生出血性胃炎。

误将醋酸铝注入膀胱，可引起坏死性肾盂炎和膀胱炎。长期用低浓度(0.4%)醋酸铝溶液湿敷皮肤伤口，也可产生刺激与腐蚀，而导致皮肤坏死。

3. 3. 2 职业危害

3. 3. 2. 1 急性损害

吸入高浓度氯化铝，可产生急性刺激性支气管炎。对皮肤黏膜有刺激作用，可引起急性结膜炎。氯化铝受潮溶解后所生成的盐酸可灼伤皮肤。

吸入烷基铝化合物的蒸气可引起类似金属烟尘热的表现，并对上呼吸道和眼结膜有刺激作用。未稀释的烷基铝原液有腐蚀性，可引起皮肤灼伤。

表面处理作业中，铝引起急性损害的可能性不大。

3. 3. 2. 2 慢性损害

(1) 铝尘肺。吸入超细的铝粉可产生铝尘肺。X射线检查可见肺野呈广泛的纹理增加，并出现多量网组织理，显示有肺间质纤维化改变，存在散在的2 ～ 3 mm的结节阴影。也有人认为铝、氧化铝、氢氧化铝的粉尘不损伤肺。尘肺者往往还与吸入其他物质(如矿物油、润滑剂)有关，后者的长期刺激作用更有可能是致病原因。在表面处理作业中，磨抛铝件时应预防铝尘肺的可能发生。

(2) Shaver病。这是含铝磨料生产中的工人，吸入在2 000 °C高温下熔融的矾土(Al2O3)、石英、铁和焦煤等物质混合逸出的烟雾而产生的疾病，可有气短、胸闷、胸痛、咳嗽、无力等症状，X线检查可见肺纹理增重和肺气肿。个别严重病例可因弥漫性肺间质纤维化而发生自发性气胸。然而病原是否就是铝，还不能肯定。

吸入氯化铝可引起支气管喘息发作，属于过敏性。

从现有认识来看，表面处理作业时，铝并无明显职业性损害。但人类的认识在不断加深，一切以小心为好。

[ 编辑：温靖邦 ]