第六节 微量元素
宇宙间的万事万物都是由化学元素组成，人体也不例外。这些化学元素不仅是组成人体的基本要素，而且对于人体生长、发育、疾病、衰老、死亡中起着十分重要的作用。人体内化学元素的含量可分为宏量元素和微量元素两类。宏量元素有氧、碳、氢、氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁和硅等，占人体总重量的99．95%。微量元素是人体内含量少于0．01%的化学元素。它们在人体内的含量为几个ppm到100ppm。人体必需的微量元素有铁、锌、铜、铬、锰、钴、氟、碘、钼、硒等。另外，还有一些从外环境通过各种途径（水、食物、空气等）进入人体的有毒微量元素，如汞、镉、铊、铍、铅等。人体必需的微量元素也是动物在生长和发育过程中所必需的。
在1847年，欧洲人发现铜与血红蛋白有密切地关系，可以相互结合，可说是对微量元素的生理作用最早的认识。1850—1854年发现地方性甲状腺肿与环境中的食物缺碘有关。1885年发现铁与细胞呼吸作用的关系。1930年以后，相继发现许多地区由于微量元素（铁、钴等）的缺少或过多而产生人体质衰弱、生长停滞和死亡率增高等。微量元素在生命过程中的作用，终于引起了人们广泛的注意。光谱分析法等的出现，使测试生物体内微量元素成为可能，大大推动了微量元素与健康关系的研究工作。
人体内的化学元素有两种来源：①自然来源。如岩石层中的化学元素及其化合物经过多年风化、淋溶和生物作用变为土壤，通过土壤、水、食物进入机体。生物体以新陈代谢的形式同所生存的环境进行不停的物质交换，从而获得机体所需要的各种化学元素。近年来证实生物体的化学组成同所生存地区的地质环境有密切的关系。微量元素过多或缺少而引起的疾病，往往具有明显的地区性。如缺碘地区多出现地方性甲状腺肿和地方性克汀病；含氟量过多地区常有地方性氟中毒（氟斑牙和氟骨症）；土壤含钴量过低的地区，牲畜多发生地区性干血痨症（消瘦、虚弱，最后死亡）等。②人为来源。如对含汞、镉、铅、砷等矿的开采、冶炼和利用，使这些元素进入人类环境，通过空气、水、土壤和食物进入人体。
微量元素在人体内的含量虽然极低，却具有巨大的生物学作用。其生理功能主要有：①微量元素能协助宏量元素的输送，如含铁血红蛋白有输氧功能。②微量元素是体内各种酶的组成成分和激活剂。已知体内千余种酶大都含有一个或多个微量金属原子，如锌能激活肠磷酸酶；肝、肾过氧化酶，又是合成胰岛素所必需的锰离子可激活精氨酸酶和胆碱酯酶等；钴是维生素B12的组成成分之一，等等。③可参与激素作用，调节重要生理功能。如碘是甲状腺激素的重要成分之一，环境缺碘则机体不能合成甲状腺激素，就会影响机体正常代谢和儿童的生长发育。④根据体外实验，一些微量元素可影响核酸代谢。核酸是遗传信息的载体，它含有浓度相当高的微量元素，如铬、钴、铜、锌、镍、钒等。这些元素对核酸的结构、功能和脱氧核糖核酸（DNA）的复制都有影响。
微量元素同其他元素一样，容易受到体内平衡机制的调节和控制。摄入量过低，会发生某种元素缺乏症；但摄入量过多，微量元素积聚在生物体内也会出现急、慢性中毒，甚至成为潜在的致癌物质。大量流行病学调查证实，环境中微量元素的含量，对肿瘤的发生和发展有重大影响。如土壤和水中缺锰，可能是芬兰和中国某些地区癌症发病率高的原因；美国某些环境缺硒，可能是造成肠癌高发区的原因。关于微量元素与畸胎的关系，动物实验显示，缺锌可使大鼠胚胎各个系统和器官产生畸形，DNA合成降低。
对微量元素的毒害和营养作用的研究，主要集中在下述几个方面：摄入量过多或过少对人体健康会造成什么影响；在人体内的分布及其靶器官；在体内的含量（高限、低限和常见量）；各元素的相互作用；营养对微量元素作用的影响以及微量元素作用剂量从动物外推到人的过程中所存在的问题等。
1．硅（Si）
对在生物界中，认识硅的历史和重要性并不长久。1972年，发现硅是鸡和大鼠生长和发育必不可缺的元素。而后，硅对人体健康与疾病的关系也引起了人们的重视，继而被认为是人类所必需的微量元素之一。
硅的分布主要集中于骨骼、肺、淋巴结、胰腺、肾上腺、指甲和头发。在主动脉、气管、肌腱、骨骼和皮肤的结缔组织中含量最高。小动脉、角膜、巩膜也有相当高的含量。每百克的组织可含数百微克。脑组织中含量极低，可能由于血脑屏障阻止硅进入脑内。硅还可通过胎盘进入胎儿体内。硅是胶原、弹力纤维和细胞外无定形连接物质的组成成分。硅也存在于亚细胞结构中的各种酶结构中。近几十年证明，硅与维持机体的正常生长和骨骼的形成有关。硅是成骨细胞的主要成分之一，参与骨的钙化过程。骨质疏松、指甲脆弱、肺部疾患、生长缓慢者，组织内硅的含量与正常者相比可减少到50%。
硅与冠心病有密切地关系。现已引起人们的重视。硅能增强血管的弹力纤维，特别是内膜弹力层，可构成一道屏障以阻碍脂质入侵。因此，硅抗动脉粥样硬化的作用可能就是由于硅能起到保持弹力纤维和间质完整性而防止粥样硬化斑块的形成。
随着年龄的增长，各种组织中的硅含量逐渐减少。随着动脉壁的硬化，组织内硅的含量也减少。因而，硅含量的减少程度可作为老化的参考指标，用以提醒老年人加强保健延缓衰老。硅的抗衰老作用可能与它与粘多糖的变化有关。
硅与肿瘤的关系没有什么定论。但有一点可以肯定，即便有引起癌症的作用，也不是食物中硅的作用，而是硅粉尘的作用所致。
2．镍（Ni）
镍是人体正常生活必不可缺的微量元素，它可以激活肽酶，有增强胰岛素降低血糖的作用；有刺激生血功能的作用。各种贫血及肝硬化病人血镍均比正常人低。镍参与人体某些酶的代谢和组成，对维持人体生理功能起着一定的生物作用：
（1）镍可增强胰岛素分泌，起到降低血糖作用。
（2）镍有刺激造血功能作用，可用于治疗各种贫血及肝硬化。
（3）镍作为神经镇静剂治疗头痛、神经痛和失眠。
（4）镍对肺心病、哮喘病及心肺功能不全患者有缓解作用。
缺血心肌释放的镍，可使冠状动脉进一步痉挛，使冠状动脉供血不足，加重心肌损伤，镍直接作用于心肌，引起冠心病。
3．钼（Mo）
钼是一切固氮高植物所必需的营养物质，也是维持动脉壁弹性的必需物质之一，它参与一些酶的代谢。钼对心肌有保护作用，国外有学者发现心律不齐及原因不明的心绞痛病人血清钼降低。钼是抑癌物质，钼可以减少机体对致癌物质的吸收，并加速其分解排泄。
居住在地理环境低钼区的人群，其心脏和主动脉内钼含量显著低于不缺钼地区的人群。经分析发现心肌梗死者心肌的含钼量显著降低，心肌中含钼越少的部位损害越重。缺钼的人群中，食管癌发病率较高。缺钼可以造成心肌坏死，心绞痛发作；缺钼能降低机体免疫功能，引发肿瘤疾病。
4．硒（Se）
硒是一种强抗氧化剂，是人体必需微量元素之一，其作用与维生素E相似，但效力更大。硒可用于调节体内氧化还原反应的速度，影响某些重要酶的代谢及活性，调节维生素A、C、E、K在体内的吸收及消耗。硒又是体内谷胱甘肽过氧化物酶的重要组分，对细胞膜的结构有保护作用，对机体的免疫力有促进作用。
缺硒可引起白肌病，在人类环境中的硒及人体的硒负荷水平与克山病的发病具有一定的相关性。给病区人群补充一定量的硒可降低克山病的发病率。另外硒在动物实验中已证实具有多种抗致癌物质的作用。但过量的硒可引起硒中毒，出现脱发、脱甲等。
人体摄入的硒几乎都来自食物，如海产品、动物肾、肉类、大米、谷物等含硒量较多，水果、蔬菜等含硒量较少。元素硒在体内无生物学作用，无机硒和有机硒被吸收后可转变为有生物活性的物质。摄入过量的硒可导致中毒，硒的中毒剂量：食物为5ppm，饮用水为0．5ppm。大多数地区膳食中硒的含量是足够而安全的。目前世界上大多数国家还未规定膳食中硒的供给量，我国有专家建议每人每日30～200μg。
5．锡（Sn）
经过大量的研究证明，锡是人体必需的微量元素之一，能促进蛋白质和核酸代谢，有利于生长发育，据科学研究锡与寿命有关。
缺锡使人体发育缓慢，特别是儿童，缺锡影响生长发育，严重者发生侏儒症。
6．锶（Sr）
锶在人体内能促进骨骼发育生长，维持人体正常生理功能，防治心血管疾病，与人的寿命有关。锶在人体内的代谢，与钙极为相似，可促进骨骼钙的代谢，是人体骨骼及牙齿的正常组成成分。经研究发现，锶与钙、镁、硅、锂一样，可降低心血管病的死亡率，其机制是锶在肠道内与钠竞争，从而减少钠的吸收，并增加钠的排泄。近年来调查发现冠心病、肺心病病人头发内锶含量明显低于健康人。长寿老人聚居地的土壤和水中锶明显高于对照组地区。这些都表明锶与维持人体正常生理功能有密切关系。缺锶会引起龋齿，骨质疏松。
7．锗（Ge）
锗元素的发现和有机锗的合成研制成功几十年来，世界各国学者研究证明，有机锗无毒性，具有诱发自身干扰素、增加NK细胞活性、活化巨噬细胞、促进抗体产生及抗肿瘤、抗衰老生物作用。国家卫生部已正式确认有机锗为食品，中国微量元素学会名誉理事长于若木同志，在论述锗对人体健康的作用中指出：锗是制氧机，有机锗是抗癌剂，是“血液消毒剂”，可以清除机体中的废物，如脂质过氧化物等。衰老的原因之一，就是体内废物积累，影响了血液的运行和输氧功能。清除了废物，恢复了正常生理功能，自然就思维敏捷，行动灵活了。我们把有机锗的功能归纳为以下三个方面：①促进生理功能正常化。对高血压病人有明显的降压作用，且不会使血压低于正常值；可促进人体各种生理或生化功能恢复正常。②治疗肿瘤和促进产生抗癌因子。③提高人体免疫机能，防治多种疾病。对心脏病发作、不育症、预防孕妇流产、治疗烧伤面，对肝炎、肝硬化和老年骨质疏松症及各种疑难疾病均有令人满意的神奇效果。
有机锗还有抗肿瘤的功能。日本佐佐木研究所佐藤医学博士等人在大鼠腹水型肝癌及膀胱癌研究中，首先证实了有机锗的抗癌作用。日本应用有机锗治疗5万多例肿瘤患者取得明显疗效，包括肺癌、肝癌、生殖系癌和白血病。美国和瑞典等国家对有机锗也进行了广泛的临床实验，证实了有机锗对恶性肿瘤疗效非常显著。
日本报道有几千万人服用锗食品，报道锗中毒文章33篇，共63例次。而李贺成报道《国外锗中毒的真相》一文中的中毒病例，是由于服用了二氧化锗而不是有机锗。
8．铬（Cr）
铬有2价、3价和6价三种形式，其中只有3价铬具有生物化学效应，是人体新陈代谢的重要元素之一。它协助胰岛素发挥生物作用，没有铬，胰岛素就不能发挥其正常功能。它是维持正常糖代谢的必需元素之一。缺铬可使糖耐量降低，诱使胰岛素的敏感部位对激素的反应性降低。缺铬时生物体可出现发育不良、生命期缩短、代谢低下，并有角膜损伤。常见于妊娠期妇女、糖尿病患者、营养不良的儿童和老年人。
动物性食品中的铬含量比植物性食品多，野生动物组织中的铬比人体组织中的多。铬於酸以复合物的形式存在于多种食品中，啤酒酵母和於酸的铬复合物对高血压和高血脂病人均有益处，对葡萄糖耐量异常的病人，啤酒酵母可显著改善葡萄糖耐量，降低血清胆固醇，减轻过量胰岛素对葡萄糖负荷的反应。
由于对铬在食物中存在的形式及生物学利用率的了解不足，因此不能准确估计人体对铬的需要量。世界卫生组织建议每人每日供给量30～200μg。
铬是一种银光闪闪的金属，像自行车上镀的“克罗米”就是铬。铬也是人体必需的微量元素。科学家通过实验指出：如果没有铬，人体里胰岛素就不能充分发挥作用，造成生长发育不良。铬的缺少，又会影响视力。通过对青少年近视病例的调查分析表明，日常饮食中缺少铬，会使眼睛的晶状体变得凸出，屈光度增加，因而造成近视。
如果饮食正常，一般是不会缺铬的。可是偏食，总吃精细食品，就会造成缺铬。因为越精制的食品，含铬量越低。相反，粗制品的含铬量就比较高，如粗糖的铬含量比精糖的铬含量高100～200倍。
人体每天需要从食物中得到20～500μg的铬，只要饮食正常，可以满足人体对铬的需求。假如你感到缺铬，或者开始近视，那么，不妨经常吃些含铬量较多的食物，如糙米、全麦片、小米、玉米、粗制红糖等等。
9．钴（Co）
钴是维生素B12分子的一个必要组分，B12是形成红细胞所必需的成分。
10．锰（Mn）
锰参与许多酶催化反应，是一切生物离不开的。
11．钼（Mo）
钼是某种酶的一个组分，这种酶能催化嘌呤转化为尿酸。钼也是能量交换过程所必需的。微量钼是眼色素的构成成分，在豆荚、卷心菜、大白菜中钼含量较多。多吃这些蔬菜对眼睛有益。
12．碘（I）
碘是人体必需的微量元素之一，是甲状腺激素的重要成分，其生物学作用主要通过在甲状腺内合成的甲状腺激素来体现。甲状腺是人体最大的内分泌腺，它对碘有高度的亲和力，甲状腺内含有的碘占人体总含碘量的80%以上。在甲状腺内的碘经过生物氧化以后生成甲状腺激素。
甲状腺激素是人体正常代谢不可缺少的激素，对机体的作用复杂而强烈。甲状腺激素不仅刺激蛋白质、DNA、RNA的合成，还参与糖、脂肪、维生素、水和盐类的代谢。另外甲状腺激素对高等动物的生长发育非常重要，尤其是神经系统。人类胚胎期缺乏甲状腺激素，神经系统发育、分化受影响，出生后智力低下。儿童期缺乏甲状腺激素则体格、性器官发育障碍，出现呆小症。成人缺乏时主要表现为反应迟钝、基础代谢率低、浑身无力，严重缺乏时使细胞间水潴留，引起黏液性水肿。甲状腺激素合成分泌过多表现为过度兴奋、易激动、基础代谢率升高、突眼、多饮多食、进行性消瘦等甲亢症状，严重时可发生甲状腺危相。
人体所需的碘主要通过饮食和饮水提供，由食物提供的碘占人体需碘量的90%以上，其中以海产品中含量最高，可达2000μg/kg。碘在消化道几乎完全被吸收，钙、镁、氟对碘的吸收有一定的影响。碘进入血液后迅速富集于甲状腺，主要经肾脏排泄。人体对碘的需要量随年龄、性别、体质及生理状态而变化，一般日供应量在150～500μg之间。我国规定加碘食盐的碘含量不低于20mg/kg，日耗盐量5～10g以上。
（1）碘与人体健康
碘化钾、碘化钠、碘酸盐等含碘的化合物，在实验室中都是重要的试剂；在食品和医疗上，它们又是重要的养分和药剂，对于维护人体健康起着重要的作用。碘是人体内的一种必需微量元素，是甲状腺激素的重要组成成分。正常人体内含碘15～20mg，其中70%～80%浓集在甲状腺内。人体内的碘以化合物的形式存在，其主要生理作用通过形成甲状腺激素而发生。因此，甲状腺激素所具有的生理作用和重要机能，均与碘有直接关系。人体含碘量与环境（土壤、水）及食物含碘量有关，直接受每日碘摄入量的影响。摄入量过少，会使体内含碘量减少。食物和水中的碘大多是无机碘化合物，极易被胃肠道吸收。人体一般每日摄入0．1～0．2mg就可满足需要。正常情况下，通过食物、饮水及呼吸空气即可摄入所需的微量碘。但一些地区由于种种原因，水质、地质中缺碘，食物含碘也少，造成人体摄碘量不足。人体缺乏碘可导致一系列生化紊乱及生理功能异常，如引起地方性甲状腺肿，导致婴、幼儿生长发育停滞、智力低下等。碘缺乏病是世界上分布最广、发病人数最多的地方病。我国是世界上严重缺碘的地区，全国约有四亿人缺碘。长期以来，人们对甲状腺肿等碘缺乏病的发生与预防进行了大量研究，世界卫生组织对此给予了相当的重视，各国政府也采取了一些措施，如：提供含碘（碘的化合物）食盐和其他食品（如高碘蛋），井水加碘，食用含碘丰富的海产品等，其中以含碘食盐最为方便有效。值得注意的是，人体摄入过多的碘也是有害的，是否需要在正常膳食之外特意“补碘”，要经过正规体检，听取医生的建议，切不可盲目“补碘”。
（2）碘盐含碘越多越好吗？
食盐中一般都是加碘的，可是否加的越多越好呢？答案是否定的。人们在长期缺碘的情况下突然增加碘的摄入量，或长期日摄入量超过800μg，也会导致甲状腺肿大和碘至甲亢。我国卫生部门已关注到广东沿海地区及珠江三角洲地区碘至甲亢发病率上升的问题，计划调整碘盐中碘的含量，从原来的40亳克/千克降低至30亳克/千克，使居民在摄入足量碘的同时，最大限度地减少碘至甲亢的发生。
碘元素遇高温、潮湿和酸性物质易挥发，为了保证碘的利用率，国家对碘盐含碘浓度有严格的下限。此话似有不妥，因为元素性质指的是元素的化合价、原子半径、金属性非金属性、电离能等。碘元素能形成单质和多种化合物，它们的性质大不相同，如碘的单质是紫黑色固体，有微弱的毒性，受热升华，遇淀粉溶液变蓝；碘化钾是无色或白色固体，微有潮解性，对热是稳定的，但在空气中易被氧化游离出碘；碘酸钾则是氧化剂；次碘酸极不稳定，仅存在于溶液中，能与盐酸反应。因此笼统地说碘元素遇高温、潮湿和酸性物质易挥发是不准确的。
有一点容易被人误会，即以为食盐加碘就是加入碘的单质，其实不然，加的是碘的化合物：碘化钾或碘酸钾。
（3）地方性甲状腺肿
甲状腺是人体最大的内分泌器官，合成和分泌甲状腺激素，有促进组织代谢和身体发育的作用。碘是合成甲状腺激素的原料，缺碘时甲状腺激素合成与分泌不足，反射性引起促甲状腺素分泌过多，导致甲状腺代偿性增生、肿大。地方性甲状腺肿是世界上流行最广泛的一种地方病，俗称“大粗脖”、“瘿袋”，以甲状腺肿大为主要特征，严重时可出现克汀病。
此病在世界上流行非常广泛，据估计全世界约有两亿患者，在中国除东南沿海个别省市外，几乎都有该病流行，尤以西北、东北、华北和西南等地区的山区及丘陵地带为重。在疾病流行区患者可见于任何年龄，多发于青春发育期，女性发病率高于男性。
目前碘缺乏作为地方性甲状腺肿的病因已得到世界公认，但近年来研究发现还有其他因素引起甲状腺肿大，如硫氰酸盐、过氯酸盐等。另外萝卜、黄豆、白菜等含有硫脲类及磺胺、对氨基水杨酸等，均可引起甲状腺肿大。本病常始于青春期，起病缓慢，最初甲状腺弥漫性肿大，逐渐加重。腺体表面可见静脉曲张，部分患者可出现压迫症状，甲状腺功能一般正常。在久病多结节的基础上可发生甲亢或恶变。本病应以预防为主，以碘化食盐最为安全有效，亦可用碘油注射。治疗甲状腺肿可口服碘化钾，对于甲状腺机能减退者应用甲状腺激素治疗。当腺体过大出现压迫症状或有恶变时，可行甲状腺全切除术。
碘在体内的主要功能是参与合成甲状腺素。缺碘会导致甲状腺机能亢进，儿童缺碘会造成智力低下。
13．氟（F）
氟存在于岩石、土壤、水体、动植物及人体中，是人与动物必需的微量元素。氟常以氟化物的形式存在，可通过食物、饮水、空气而进入人体。天然水源均含有一定量的氟化物，地下水一般比地面水的含氟量高。通过饮水而进入人体的氟占摄入总量的50%以上。食物中也含有微量的氟，其中以海产品和茶叶中含量较高。摄入的氟主要在胃肠道和肺部吸收，在骨和牙齿中蓄积，经肾脏排泄。缺氟时儿童龋齿患病率增高，摄入适量的氟有一定的预防龋齿作用。
摄入过多的氟容易影响细胞酶系统的功能，破坏钙、磷代谢平衡，损害骨、牙齿的正常结构，出现氟中毒的症状和体征。在我国由于缺氟所致的儿童龋齿患病率增高，或由于摄入过量的氟而引起的氟斑釉及氟骨症均有存在。无论南方、北方均有较大面积的地方性氟中毒病区，且病情相当严重。目前氟中毒已成为我国饮水与健康的一个重大课题。
缺氟或摄入过量的氟都容易导致地方性氟病，又称地方性氟中毒，是由于环境中氟含量过高，进入人体内的氟过多，蓄积而引起的全身慢性氟中毒，主要表现为氟斑牙和氟骨症。氟是人体必需的微量元素之一，主要分布在骨骼、牙齿、指甲和毛发中。氟在体内有重要的生理功能，可促进骨骼的钙化，对神经兴奋的传导和某些酶的活性均有一定作用，但氟过量可导致中毒。
地方性氟病是一种世界性的地方病，亚洲、欧洲、非洲、美洲等均有报道。在我国主要流行于贵州、陕西、甘肃、山东、河北、辽宁、吉林、黑龙江等省。氟斑牙多见于儿童，随年龄增长而病情加重。氟骨症多侵犯成年人，并随年龄增长而发病率增高、病情加重，性别差异不显著。
大多数地方性氟中毒是由于饮水中氟含量过高而引起的，也有的地区因食物中含氟高致病。过量的氟可使人体的钙磷代谢平衡破坏，氟与钙结合形成氟化钙，沉积于骨骼和软组织，使血钙降低，甲状旁腺功能增强，促进骨的溶解和吸收。氟化钙的形成亦影响牙齿的钙化。此外，个体营养不良尤其维生素A、C等缺乏时容易引起氟骨症。
地方性氟病是全身性慢性氟中毒，在儿童主要表现为牙齿出现斑釉，既氟斑牙，成人表现为四肢、脊柱关节持续性酸痛，既氟骨症。
地方性氟病应以预防为主：采用低氟水源、药物除氟、减少食物中含氟量以及限制含氟“三废”的排放。临床上尚无特效疗法，常用对症治疗、中药治疗、补充钙及维生素D等，氟斑牙可用药物脱色。严重的氟骨症形成椎管梗阻致截瘫者，可用外科手术治疗。
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