元素、毒物和人体
研究环境对人体的影响不能不牵涉到元素与人的关系。从化学的观点来看，元素是构成万物的基本要素，人虽为万物之首，当然也不能超然于万物由元素构成的基本规律之外。实际上化学元素不仅是构成人体的基本要素，人体内每时每刻都在进行着各种元素参与其间的高度精细的化学反应，元素在人体的生长、发育、衰老、疾病、死亡中起着十分重要的作用。
与蛋白质、脂肪、糖类物质、胆固醇和各种维生素的构成一致，人体中占质量比重最大的元素是氧（65．0%），碳（18．0%）和氢（10．0%）。若以元素的摩尔数计则以氢元素在人体中的含量最大。质量百分数较大的元素还有氮（3．0%）、钙（2．0%）和磷（1．0%）。上述六种元素已占了人体重的99%左右。再次有钾（0．35%）、硫（0．25%）、钠（0．15%）、氯（0．15%）和镁（0．05%）。到镁为止的11种元素含量均在万分之一这个数量级以上，它们通常被称作人体中必需的宏量元素。人体中的蛋白质、脂肪、糖类物质、核酸即由碳、氢、氧、氮、磷、硫等构成，钙、钾、镁是细胞的必要组分，钙对骨骼特别重要，而钠和氯在体液中以盐的形式存在。
人体中还有许多生命和健康必须的痕量元素，已知的有铁、氟、锌、铜、碘、铬、锰、钼、硒和钴等，它们在人体中的含量很低，如铁含十万分之四，而钴的含量仅亿分之几。
还有不少元素被确定为对人体有毒，镉、汞、铅等为剧毒元素，其他还有铍、镓、锗、砷、铟、锡、锑、碲、钡、铊和铋等也被认为有毒。它们都会妨碍人体正常的代谢过程，影响人体的生理机能。
11种人体必需的宏量元素原子序数均在20号以前，而人体必需元素的总和除钼和碘外全集中在元素周期表的前四周期。前四周期共36个元素，除去四个惰性元素和已被确定有毒的铍、镓、锗、砷，尚有锂、硼、铝、硅、钪、钛、钒、镍和溴等元素在人体中的作用不得而知或知之不详，科学工作者们正努力进行探索。
元素有100多种，其中具有稳定同位素的就有80多种，人体必需的元素大多是原子量较小的，这与元素到人的进化过程一致。最初宇宙中物质主要以氢元素形式存在。后来经过聚变反应才逐渐形成了原子序数较低的一些元素，其间包括一些对生物物质较重要的“致生元素”，如碳、氮、氧、硫、磷、氯和某些金属。然后致生元素进入化学进化过程，在较低温度下化合成远古的小分子，包括甲烷、氨、一氧化碳、水、二氧化碳、硫化氢、氢等“致生分子”。接下去在太阳紫外线、电离辐射能等作用下，致生分子进化到有生单体，如氨基酸、糖、核苷酸等。在40亿年以前，化学进化过程过渡到生物进化过程，直至出现现代生命。人体的99%以上由原子序数在20以内的元素组成，而“重金属”通常为人体所很少需要且往往是对人体有毒的。
事实上有用与有毒之间、有毒与无毒之间并无明确界限。有的元素在一定数量范围内是人体必需的，超过了可能就有毒。如氟是形成强硬的骨骼和完好的牙釉所必需的，在骨盐中氟以氟化钙的形式存在，缺氟的人骨骼变脆，易发生龋齿，但若氟摄入量过多，可能会得骨骼畸形症（氟骨病）和斑齿症。有的元素以一种价态对人体有益以另一种价态对人体有害。如Cr3＋对人体是必需的，没有Cr3＋的帮助人体就不能有效地利用糖类物质，而六价铬对人体是有毒的。一般地说，一种元素的最稳定价态（如三价铬和五价砷）在自然界中遇到的机会最多，对人畜毒性最小，自然界中不常存在的价态（如六价铬和三价砷）对人畜的毒性较大。有的元素是否有毒则以其存在形式来决定。如同是磷元素，一般认为红磷无毒而白磷是剧毒的。碳元素、氮元素是人体大量需要的，但以它们构成的CN－极毒。有的元素毒性的强弱以其化合物的溶解性来决定。汞是剧毒元素。同是汞的化合物，甘汞（氯化亚汞，HgCl2）的溶解度小，对人体没有显著的毒性，升汞（氯化汞，HgCl2，）是水溶性的，吃1～2克即能致命，而甲基汞（Hg（CH3）2）是脂溶性的，可渗入细胞和脑中，毒性比升汞还大。又如钡对人体是有毒的，但硫酸钡可在X射线透视时作“钡餐”，原因是它既不溶于水又不溶于胃酸。还有些元素是否有毒取决于它与其他元素在体内浓度的比值。如钾和钠都是人体体液中的必需元素，但钾和钠在体液中要维持一定的比例关系，折合成氧化物来计算，K2O对Na2O的比值当在2．2左右的范围内，否则对与体液有密切关系的心脏不利。土豆和山芋中K2O对Na2O的比值远远高于体液，可能在体液的10倍以上，土豆和山芋多食后会觉得心中发烧，从某种意义上说这就表现了钾元素的毒性。有的地方将土豆和山芋沾盐吃是有道理的，可将钾对钠的比值降下来。
人体中两种元素间应维持一定数量关系的例子是很多的，如体内钙与磷的浓度乘积就基本上维持恒定。每百毫升血浆中钙和磷两者毫克数的乘积正常情况下在36～40之间，当血磷增高时，血钙就降低，反之血磷降低时血钙就升高。骨骼中钙和磷的浓度亦应维持平衡，因为骨盐的最重要成分是Ca3（PO4）2。当人体缺钙时，骨骼中就脱钙进入血液以维持血钙的水平，所以缺钙最直接受到伤害的是骨骼，婴儿和孕妇、乳母每天需摄入1～2克钙就是为了满足婴儿生长发育的需要。
但平常是我们不会将碳、氮、钾、钠这些元素看作有毒的元素的。
宏量元素固然重要，但环境对人体的毒害或恩赐往往表现在微量元素的给与不给上。环境污染物中有毒元素的含量通常是微乎其微的（除了大型的公害事件）。而且处于污染环境中的人们的不健康状态除了特殊的情形（如急性中毒）很少有及时或明显的临床症状，因此容易为人们所忽视。然而就是这些微乎其微的含量对人类健康产生了日益严重的威胁。例如，饮用水中镐含量若达到12微克／升（差不多就是饮用水标准中的上限），每人每天食用2．5升水，每日摄入的镉就是30微克。镉进入人体后不能全部随尿排出，随着年龄的增长，体内的镉就慢慢积累起来，当体内的含镉量以克计时就会引起骨痛病。至于生物界的食物链，则更容易将一些微乎其微的元素富集到超过原环境浓度的好几个数量级。
另一方面，人们常常漫不经心地舍弃食物中所含的人体必需的微量元素。大自然给我们提供的食物营养可能是完善和均衡的，但加工时人们常常只取食物中对口味的部分，而许多“合人意”的部分往往只是给人们提供了所需的热量，被舍弃的部分却含有人体必需的维生素、矿物质乃至一些必需的微量元素。如精制白面色香味俱佳，但粗面中含铁丰富的部分倒被加工除去了。一个缺铁性贫血患者，一边在服含铁的药物，一边可能长期食用缺铁的精白面粉。偏食最终会造成体内缺乏或过多聚集某些微量元素，这是已被实践证明了的。
现在我们从“元素与人”这个角度出发再来认识几种化学元素。
一、镁
虽然人体中含镁部分只有万分之五左右，但镁仍被算作人体必需的一种宏量元素（这相对其他元素而言）。镁是所有细胞的必要组分之一，镁离子在人体中最重要的作用是激活人体中的许多酶。我们知道各种酶本身是许多生物化学反应的催化剂，镁离子是许多酶的激活剂，它至少能参与催化十多个生化反应，而且在激活过程中它有相当高的特异性，它的作用往往不能用其他相同价态的金属离子来替代。
在细胞质内，葡萄糖在酶的作用下被氧化为二氧化碳和水同时释放出能量供应给机体。有人把这种糖氧化过程划分为三大步骤，其中有两个步骤需要镁离子来催化。
与人体血红素中的Fe2＋对应，植物叶绿素中有Mg2＋，所以绿叶菜中含有较丰富的镁，粗盐中也含有丰富的镁盐，这些可作为人体补充镁的来源。
但过量的镁盐也会对人体造成伤害，如被用作泻药的硫酸镁在血液中的浓度达到30毫克／升以上时就会出现呕吐、腹痛、虚脱等症状，遇肾脏排泄功能有障碍的病人还可能致死。就环境保护而言，与镁有关的工厂里的空气中不容许氧化镁烟雾的浓度超过15毫克／立方米。
二、铁
铁在人体内的含量约为十万分之四，一个体重为50千克的人含铁2克，相当于3枝一分硬币的重量。
人体内痕量元素的功能大致分四种：一是像镁那样用以使酶获得活性；二是参与激素的生理调节作用；三是影响核酸的代谢；四是协助其他元素的输送。铁是血红蛋白的一个重要部分，血红蛋白之所以能把氧带到全身每一个细胞中去，其主角就是铁。
血红蛋白的每一个亚单位中都含有一个铁原子，没有它血红蛋白就不能被制造出来，氧就不能得到输送。血红蛋白与氧的结合才使血液带上鲜红色。在血红蛋白分子中铁原子与氧分子结合而把氧储存起来，直至输送到需要的部位才把氧释放出来。一个血红细胞从心脏到达身体最远部分循环一周需要一分钟，当它回到肺部后才能取得一个新的氧分子，为了输送氧就需要很多铁原子，所以人体内铁元素的60%以上存在于血红蛋白内。
铁也是很多种酶的活性部位所在。铁还为许多体系的氧化还原作用所必需，因为铁有两种常见的价态（Fe2＋和Fe3＋），它们在人体内来回转变，其方便程度是其他元素很难替代的。
人体每天随粪便排出的铁约为1毫克。作为补充，成年男子每天约需吃进铁10毫克，因为其中只有10%的铁能为肠道所吸收。若小肠吸收功能不佳则需吃进更多的铁。值得注意的是一般膳食往往不能满足这个需要。日常饮食中含铁最多的食物为动物的肝脏和其他内脏。黑木耳、蘑菇、红枣、桂圆及多种蔬菜、水果中含铁也较丰富。由于人体易吸收Fe2＋而不易吸收Fe3＋，在给缺铁性贫血病人补充铁时，应给予无机的二价铁如硫酸亚铁等，同时给予还原性物质如维生素C以利于铁的吸收。
铁本身几乎无毒，但作为大气污染物，各种铁化合物对呼吸道的伤害是不可忽视的。在钢铁厂和铁制品厂，尘埃中最更要的成分莫过于铁的氧化物和硅酸盐，它们不但自身侵害人体，还可作为二氧化硫等大气污染物的载体和催化剂。在它们的协同作用下，大气污染的后果会变得异常严重。
三、锌
锌在人体中为痕量元素，在人体中的含量约为铁的1／2，在生理功能上，它对于生命的意义也是很重要的。锌包含在许多蛋白质中，也是大多数酶的一种必要组分，它能起激活这些酶的催化作用。缺锌会影响骨骼生长和性发育。缺锌儿童的身高和体重都赶不上不缺锌的儿童。锌可以使动物伤口愈合得更快，氧化锌就被广泛用于皮肤伤口的治疗。缺锌会失去味觉，体内缺锌的儿童常常表现出食欲不好，味觉不灵敏。风湿性关节炎也与缺锌有关。
人体中所有的锌几乎都存在于细胞内部。在那里它比任何别的痕量元素都更丰富。人和动物的精液中含有0．2%的锌，而在眼的视觉部分含锌高达4%。
人体中含锌量过高也不好。体内锌元素对铜元素的质量比值过高时会增加血中胆固醇值，患心脏病的可能性较大。青年人中如在婴孩时期吃过母奶的患心脏病者要较未吃过母奶的少，有人认为这是因为人奶中锌铜比为6∶1，而牛奶中是38∶1。经常作体育锻炼的人患心脏病的较少，汗中的锌铜比是16∶1，出汗能将锌较多地排出体外，降低了体内的锌铜比。
锌也可构成大气污染物。钢铁厂和生产铜、黄铜、铅等金属的冶炼厂、镀锌厂等都有氧化锌烟气的散布。人们吸入氧化锌烟雾后会发病，全身乏力、头痛、咳嗽、恶心、腹痛、寒战并发高烧乃至神志不清或痉挛。此即所谓“铸造热”，是一种急性中毒。用镀锌金属（如白铁皮）容器盛装酸性食物会产生锌盐（如柠檬酸锌等），吃了会中毒。
自然界中镉与锌往往伴生在一起，锌中毒往往伴有镉中毒。
四、碳
在众多的元素中，碳是极其特殊的，由它构成了种类比所有无机物总和多得多的有机物。在对人体构成的毒性方面，有机物也比无机物表现得更为复杂。各种无机化合物的毒作用往往与各元素所具有的毒作用相一致，而有机化合物的毒作用不仅与所含元素的种类有关，更与分子的化学结构相关。研究有机物时我们以烃为主体，可根据所引进的各种取代基团的种类大体上判断各类有机物共同的毒性和毒作用，但有机物的特点是异构体多，分子量变化范围大，毒作用往往有明显差异。
（一）烃
烃类包括许多系列。一般饱和烃的毒性较小，低级饱和烃稍有麻醉作用，中级烃的刺激性、麻醉作用均有增强，高级烃中则有的是具有致癌（石蜡癌）作用的。汽油、煤油、柴油中就含有较多的饱和烃。我们知道燃油可引起大气污染，其实石油产品本身也是具有一定毒性的。汽油中毒常见于其制造和使用的场所，特别是在涂料和洗涤剂操作中经常吸入汽油对人体是不利的。
不饱和烃的刺激、麻醉作用强于饱和烃。比如含有三键的乙炔，它在体内耗氧，使脑缺氧，容易引起昏迷、麻醉。此外由电石（碳化钙）制取的乙炔气中也常混有磷化氢（PH3）、砷化氢（AsH3）等有毒杂质。
芳香烃的毒性极大，其中以苯对中枢神经、血液的作用最强。苯是应用最广的溶剂和工业品之一，苯对环境的污染是屡见不鲜的。苯除对皮肤、粘膜可产生局部的刺激外，还可经皮肤吸收而中毒。当吸入高浓度的苯蒸气时，中枢神经受到强烈作用，会很快引起酒醉状，在呈现较强的兴奋作用后，继而发生关节炎、疲乏无力、昏睡、眩晕等，最后可能由于呼吸中枢痉挛而死亡。但苯中毒主要是慢性中毒，即产生于反复吸入低浓度的苯蒸汽。苯对血液有特殊作用，能引起出血症，能使作业人员的白细胞降低，造成出血性白血病。苯作用于血液，本身能被氧化成酚类物质，因此苯中毒后不久即可在尿中发现有酚。
苯的同系物由干在生物体内侧链首先被氧化，不会形成酚类物质，毒性有所降低。
芳香烃类中还有由苯环缩合而成的结构复杂的稠环化合物，它们不但有毒，据认为还可能致癌。煤焦油、汽车废气、烟草焦油中就多有稠环芳香族化合物。著名的致癌物苯并（a）芘（BaP）就是从煤焦油中分离出来的一种结构复杂的多环芳烃。
（二）烃的衍生物
烃的衍生物很多，包括卤代烃和醇、酚、醚、醛、酮、酸、酯等等。
因为卤素是强的毒性基团，所以卤代烃一般比母体烃类有更强的毒性。相对而言氟化烃的毒性较小。有机氯化物都是有毒的，一般具有相当强的局部刺激作用，能产生兴奋、震颤等中枢神经异常的症状，使肌肉麻痹、麻醉，使呼吸缓慢。对心脏、肝、肾等内脏也有不良影响。用氯仿作麻醉剂本身就说明了三氯甲烷的毒性，实在是不得已而为之。氯化烃对皮肤的损伤会引起痒痛、红肿、发炎。许多氯化物（如四氯化碳）由于不完全燃烧会产生光气（COCl2），继而引起肺的损害。许多卤代烃的毒性作用还表现在它们的脂溶性上，可以被皮肤、粘膜很快吸收。
氯化芳香烃是使肝脏引起严重病变的剧毒物质。有机氯化物杀虫剂实际上就是一些结构较复杂的氯化芳香烃。
一般说醇类物质的毒性较小，有较小的麻醉作用。低级醇由于易溶于水，易氧化，在体内血液中滞留时间不长，可在较短时间内随尿排出。甲醇有毒，喝了含甲醇的酒后可致盲或致死，一般认为其实是甲醇氧化后产生的甲醛或甲酸所致。甲醇中毒后用碱性药物（如碳酸氢钠）解毒。
饮酒能使人酒醉，这是出于乙醇有麻醉作用。饮酒之后，乙醇在成人体内大约以每小时10克左右的速度被氧化，产生热量，起到营养作用。但饮酒过度也能麻醉中枢神经，严重的酒精中毒甚至能致死。由于饮酒可促使新陈代谢的旺盛，可使各种危险药品如苯胺、硝基苯等的毒性加强，人体可能与这些危险药品接触时应禁止饮酒。
酚类物质具有使蛋白质变性的作用，对皮肤粘膜有腐蚀性，有杀菌作用，对人体也是有毒的。酚污染是水体污染中的重要内容。
醛类物质对中枢神经有麻醉作用并对粘膜有刺激作用。甲醛能与蛋白质中的氨基结合生成所谓的甲酰化蛋白，因此它的水溶液（福尔马林）可使蛋白质变性，广泛用作杀菌和防腐剂。在动物实验中，甲醛对所有动物都有喷嚏、咳嗽、流涎、催泪等刺激作用。对人体，甲醛在低浓度下能刺激眼粘膜，在稍高浓度下刺激上呼吸道，引起咳嗽、胸闷，并使粘膜溃烂，进而可在肺部引起化脓性炎症。工作场所甲醛的最高容许浓度为5ppm（6毫克／立方米）。如甲醛一样，乙醛、丙醛等都具有一定的毒性。
与酚和醛相比，酸类和酯类物质的毒性较小，但甲酸和甲酸酯由于含有醛基，有与醛类物质类似的麻醉和刺激作用。
（三）含氮有机物
含氮有机物种类也很多，如硝基化合物和氨基化合物等。
有机硝基化合物一般具有芳香味，爆炸性强，许多都被用作炸药。就毒性而言，它们当属最有毒的化合物。分子中硝基越多毒性越强。硝基化合物一般都能作用于肝、肾，抑制中枢神经，也会造成血液中毒。除直接吸入蒸汽外，也能经皮肤吸收引起中毒。
硝基芳香烃的毒性比硝基脂肪烃的毒性更显著，它的毒性作用有血液毒：由于红血球中的血红蛋白被硝基化合物氧化成高铁（三价铁）血红蛋白，降低了氧的输送供给能力；中枢神经毒：作用于中枢神经，引起头痛、呕吐、痉挛，并抑制中枢神经，导致昏睡；抑制代谢：能使末梢物质代谢过程迅速停止，或者由于使生物体所必需的物质发生过度氧化，引起体重减轻、体温升高、肝脏损害；刺激皮肤：刺激皮肤和黏膜，由于过敏症而引起皮炎和湿疹等。
硝基苯极易经皮肤吸收。它是剧毒物质，硝基苯中毒多数是因吸入其蒸汽而引起的。在化工厂工作场所的硝基苯最高容许浓度为1ppm（5毫克／立方米）。硝基苯中毒的诊断除根据贫血、黄疸、肝脏损害检查外还可检查高铁血红蛋白。
用作催泪瓦斯的化学制剂是一种氯化硝基烃，称作硝基二氯甲烷。从它的作用可知它是极具刺激性的。在1ppm以下的浓度它也能强烈刺激粘膜，7ppm（50毫克／立方米）以上时人体连一分钟也忍受不了。
硝基化合物中若同时有氨基，则其毒性更强，如硝基苯胺是比硝基苯或苯胺更强的血液毒剂，据认为它也是个致癌物质。
比硝基化合物更毒的还有亚硝基（－NO）化合物。事实上硝基化合物在人体血液中被还原后往往以亚硝基化合物形式存在。亚硝基化合物也是被认定为具有致癌作用的。
氨基（－NH2）化合物在有机物中称作胺。没有其他取代基的胺都有毒。低级脂肪胺是较强的碱，能腐蚀皮肤和黏膜，而高级胺因有脂溶性而侵害人体。
芳香胺的毒性更强，除与硝基芳香烃有类似的毒性外，它也能致癌。由于从事芳族胺工作的人员中多有发现膀胱癌患者，有人就将这种癌症称作苯胺癌。最简单也是典型的芳族胺是苯胺（C6H5NH2）。
既有硝基又有氨基的有机物叫做硝胺，既有亚硝基又有氨基的有机物叫做亚硝胺，它们的毒性甚至比硝基化合物和胺更强。许多化工厂（如染料厂）中就可能有此类化合物产生并污染环境。在胃内酸性条件下，无机亚硝酸盐与仲胺类物质（如二甲胺（CH3）2NH、二乙胺（C2H5）2NH等）作用可生成很多种亚硝胺类物质。经动物实验，亚硝胺易致胃癌和食道癌等。硝酸盐（及亚硝酸盐）、仲胺类物质在腌制品、不新鲜食物和烟草中含量较高，这也是环境保护中需要加以注意的。
含氮有机物中还有剧毒物质的典型代表氢氰酸（HCN）。在氰化法提取金及其他金属的工业中，在电镀工业中，在杀虫杀菌剂及有机腈类的制造业中使用氢氰酸或产生氢氰酸的机会是很多的。氢氰酸具有极强的络合能力，在金属工业中往往离不开它。这是一个不容忽视的公害问题，氢氰酸及氰化物可通过皮肤、肺、胃、粘膜进入体内。经口腔粘膜吸收1滴氢氰酸（约50毫克）瞬间即可致死。氢氰酸能与活细胞内的三价铁络合物结合，特别是和含铁呼吸酶结合之后可使全部组织的呼吸麻痹。氢氰酸不与正常的血液色素（亚铁血红蛋白）结合，但能与高铁血红蛋白结合，变成氰化氧化血红蛋白。所以氢氰酸中毒时，静脉血液由于组织呼吸停止，不再消耗氧气，静脉血液和动脉血液同样成鲜红色。
工作场所氢氰酸的最高容许浓度为10ppm（11毫克／米3）。由于鱼类在含有氢氰酸浓度为1毫克／升的水中即可全部死亡，因此含有氢氰酸的污水处理就成为重要的问题。在电镀废液中通入氧气或次氯酸盐可将氢氰酸氧化成无毒物质。也有利用离子交换法回收氢氰酸的。
氰化氢的同系物是脂肪饱和腈，如乙腈、丙腈等。低级腈多为液态，对中枢神经亦有麻痹作用。还因为它们在生物体内会分解产生氰化氢，它们有时也是很危险的。腈类物质也是化学工业中常见的，如丙烯腈就广泛用于合成纤维工业中。
有机物中还有含硫的物质，有的也极具毒性。如在第一次世界大战中被用作军用毒气的芥子气就是含硫化合物，学名叫二氯二乙硫醚。
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