這種隨處可見(jiàn)的元素，差點(diǎn)讓全人類變成傻子

出品：科普中國(guó)

作者：張昊

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

今年3月，一項(xiàng)發(fā)表在權(quán)威雜志《美國(guó)科學(xué)院院刊》的研究指出，含鉛汽油曾經(jīng)的廣泛使用，讓全美超過(guò)一半人口的智力水平受到負(fù)面影響，平均每人的智商指數(shù)IQ，下降了2.6分。

今天，我們就聊聊“鉛”的故事。在正文開(kāi)始之前，我想再重復(fù)一遍大家耳熟能詳?shù)氖?，那就是我們用的鉛筆，雖然叫鉛筆，其實(shí)和鉛沒(méi)關(guān)系，鉛筆芯的成分是石墨，是碳的一種形態(tài)。所以即使小時(shí)候喜歡“咬筆頭”，也不必?fù)?dān)心。

回到主題。無(wú)獨(dú)有偶，2020年一項(xiàng)《美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)雜志》上的研究，科學(xué)家掃描了1000余名出生于新西蘭同一城鎮(zhèn)的45歲成年人的大腦結(jié)構(gòu)，他們成長(zhǎng)的時(shí)期正是含鉛汽油的使用高峰期。該研究稱，受試者們11歲時(shí)身體中每多攜帶5微克/分升的鉛，到45歲時(shí)，他們的大腦皮質(zhì)表面積比對(duì)照組減少了1平方厘米，海馬體體積減少了0.1立方厘米，智商值則平均低2點(diǎn)，有些人還表現(xiàn)出認(rèn)知能力衰弱。

其中，鉛暴露量最高的參與者大腦白質(zhì)完整性還會(huì)出現(xiàn)損傷。由于童年是大腦發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，故這段時(shí)間的鉛暴露會(huì)對(duì)大腦造成長(zhǎng)期影響，甚至可能在老年帶來(lái)退行性疾病。

在曾經(jīng)的日常生活中，有很多大家習(xí)以為常，實(shí)際上卻嚴(yán)重?fù)p傷人類大腦的事物。比如一度流行的鉛制水管，以及上面所說(shuō)的含鉛汽車(chē)尾氣。雖然這些鉛制水管和含鉛尾氣，正在慢慢淡出人類的生活，但它們?cè)斐傻奈：s像陰影一樣，長(zhǎng)久纏繞在為數(shù)眾多的受害者身邊。

含鉛汽油能夠在將近100年間大行其道，其中固然有妥協(xié)和無(wú)奈，但其背后的資本勢(shì)力和監(jiān)管失位同樣難辭其咎。汽油中為什么要添加鉛，人長(zhǎng)期吸入含鉛尾氣又會(huì)引發(fā)怎樣的癥狀，人類在未來(lái)能夠完全杜絕鉛的污染，甚至將鉛排除出常用材料嗎？

鉛結(jié)晶和加工后的鉛單質(zhì)塊 （圖片來(lái)源：維基百科）

含鉛汽油添加劑如何登上人類的歷史舞臺(tái)？

人類在不斷改良內(nèi)燃機(jī)的過(guò)程中，逐漸發(fā)現(xiàn)了所謂的“爆震”現(xiàn)象。早期內(nèi)燃機(jī)壓縮比低，氣缸內(nèi)溫度不高，只要火花塞不點(diǎn)火，缸內(nèi)的油氣混合物就不會(huì)發(fā)生燃燒。當(dāng)我們追求更高性能內(nèi)燃機(jī)的時(shí)候，不免要增大壓縮比，提高氣缸工作溫度。此時(shí)就可能出現(xiàn)部分油氣混合物在火花塞點(diǎn)火之前就發(fā)生自燃的現(xiàn)象，也就是汽油的爆震。

這就好比大家齊心協(xié)力賽龍舟時(shí)，有人不聽(tīng)號(hào)子劃船自己亂來(lái)，最終必然會(huì)影響整個(gè)團(tuán)隊(duì)。爆震對(duì)內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)絕對(duì)不是好現(xiàn)象，它不僅會(huì)讓內(nèi)燃機(jī)的燃效降低，還可能發(fā)出噪音甚至損壞氣缸。想要解決爆震，當(dāng)然可以從內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)和汽油本身兩方面入手，但內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展在當(dāng)時(shí)已經(jīng)陷入瓶頸，且增大壓縮比本來(lái)就是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展過(guò)程中不可避免的途徑。因此，工程師們只能在汽油身上想辦法。

含鉛汽油添加劑的發(fā)明人米基利（左）及其產(chǎn)品包裝（右）

圖片來(lái)源：維基百科

很快，供職于美國(guó)通用公司的托馬斯·米基利，于1921年發(fā)現(xiàn)了一種名為四乙基鉛的化合物可以很好地抑制汽油爆震。這種物質(zhì)合成工藝簡(jiǎn)單，成本相當(dāng)?shù)土抑恍枭倭刻砑泳湍苡行岣咂偷目贡鹦阅?。可惜的是，鉛元素和鉛的一些化合物在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是眾所周知的毒物，面向市場(chǎng)推出含鉛的汽油添加劑很可能會(huì)引發(fā)公眾的擔(dān)憂。

然而，通用公司對(duì)這一技術(shù)表現(xiàn)出了極大的興趣，為了產(chǎn)品能夠順利上市，他們?cè)诋a(chǎn)品命名時(shí)刻意隱瞞了汽油含鉛的事實(shí)，將其稱為“乙基汽油添加劑”。從生產(chǎn)線建設(shè)開(kāi)始，就已經(jīng)有多名工人因鉛中毒而患病甚至死亡。但是，在抗爆汽油添加劑巨大的經(jīng)濟(jì)利益面前，通用公司仍然不顧各種安全隱患，推動(dòng)四乙基鉛成為后來(lái)近100年使用最為廣泛的汽油添加劑。

劣跡斑斑的含鉛尾氣

含鉛汽油添加劑的危害很快開(kāi)始顯現(xiàn)。生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，工人急性中毒以及慢性職業(yè)性中毒的事件頻發(fā)。在消費(fèi)環(huán)節(jié)，大量含鉛廢物隨著汽車(chē)尾氣的排放進(jìn)入大氣，并在道路沿線地區(qū)富集。發(fā)達(dá)國(guó)家較早進(jìn)入汽車(chē)社會(huì)，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量在數(shù)十年前曾遙遙領(lǐng)先于發(fā)展中國(guó)家，因此更早成為鉛尾氣污染的受害者。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

由四乙基鉛汽油添加劑造成的急性中毒事件中，最為知名且最富有戲劇性的便是其發(fā)明人米基利的以身試法。1923年10月30日，為了打消公眾對(duì)這種物質(zhì)安全性的疑慮，米基利專門(mén)召開(kāi)了發(fā)布會(huì)，并在現(xiàn)場(chǎng)取出一小瓶四乙基鉛添加劑，并將其涂抹在手上，同時(shí)還對(duì)著瓶口嗅聞了60秒。誰(shuí)知這場(chǎng)發(fā)布會(huì)竟成了“大型車(chē)禍現(xiàn)場(chǎng)”，幾天后，不僅通用旗下的一所四乙基鉛工廠遭遇新澤西州政府關(guān)停，米基利本人也出現(xiàn)了嚴(yán)重的鉛中毒癥狀。他被送入醫(yī)院后，休養(yǎng)了整整一年時(shí)間才基本恢復(fù)。

而在1970年的東京柳町，也發(fā)生了嚴(yán)重的慢性鉛中毒事件。柳町是東京新宿區(qū)的一個(gè)街區(qū)，在當(dāng)時(shí)是幾條交通干道的交匯處，而且地形上位于谷底，空氣容易發(fā)生蓄積。汽車(chē)尾氣遇上“谷底”地形，使得該地區(qū)空氣中一氧化碳含量常年位于東京前列。這導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用窈粑兰膊〉陌l(fā)病率居高不下，甚至有“柳町哮喘”這樣的說(shuō)法。

冬天的汽車(chē)尾氣 （圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

為了對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦慕】禒顩r進(jìn)行摸底排查，醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行了內(nèi)容詳細(xì)的體檢。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此地受檢居民身體中的血鉛含量達(dá)到了平均47.7毫克每分升，最高138毫克每分升的水平，基本是國(guó)內(nèi)其余地區(qū)的7倍以上。而當(dāng)時(shí)日本厚生勞動(dòng)省規(guī)定的鉛職業(yè)傷害認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)為60毫克每分升，柳町的很多居民已經(jīng)處于鉛中毒的狀態(tài)。

不過(guò)，慢性鉛中毒對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響很難用具體數(shù)值進(jìn)行描述，畢竟這可能是持續(xù)數(shù)十年的緩慢進(jìn)程。上面的研究數(shù)據(jù)雖然存在一系列細(xì)節(jié)上值得推敲的紕漏，但總體上還是能夠反映出鉛中毒對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)長(zhǎng)久而深遠(yuǎn)的毒害性。那么，鉛這種元素和人體到底會(huì)發(fā)生怎樣的作用，它為什么會(huì)影響人的身體健康，鉛中毒后的癥狀和治療方法又是怎樣的呢？

鉛到底是一種怎樣的元素？

鉛是自然界中廣泛存在的金屬元素，鉛的單質(zhì)具有密度大、易熔煉、易加工等特點(diǎn)，在工業(yè)界和日常生活中用途廣泛。鉛的密度大約是鐵的1.4倍，因此鉛的單質(zhì)常用來(lái)制作各種形式的配重。鉛的各種化合物更是從工業(yè)革命時(shí)代起就成為了人類不可或缺的重要原料，除了汽油添加劑，鉛較大的工業(yè)用途還包括鉛蓄電池、錫鉛焊料、鉛涂料、鉛合金飾品等等。

用作射線屏蔽材料的鉛磚（左）和小型鉛蓄電池（右）

圖片來(lái)源：維基百科

作為一種有毒元素，鉛在單質(zhì)形式下存在時(shí)只要不進(jìn)入身體就完全沒(méi)有中毒風(fēng)險(xiǎn)。觸摸鉛的塊體材料非常安全，無(wú)需過(guò)多疑慮，但誤食鉛則非常危險(xiǎn)。單質(zhì)鉛在胃酸作用下會(huì)溶解出鉛離子，這些離子進(jìn)入血液后會(huì)很快流向全身，在多個(gè)器官造成損害。

2006年，美國(guó)曾發(fā)生過(guò)一起誤食純鉛飾品造成4歲兒童死亡的事件。一名患有輕微智力障礙的4歲男童由于突發(fā)嘔吐而前往醫(yī)院，醫(yī)生起初并未懷疑男童誤食毒物，只開(kāi)了止吐藥后便讓家長(zhǎng)帶男童回家。豈料兩天后男童情況突然惡化，腹痛嚴(yán)重并伴隨四肢無(wú)力。送往醫(yī)院后，男童相繼出現(xiàn)亢奮、呼吸困難、腦部水腫等一系列神經(jīng)系統(tǒng)癥狀、X光透視檢查顯示男童胃部存在異物。

入院4天后，男童血液中鉛濃度達(dá)到180毫克每分升，醫(yī)生這才懷疑急性鉛中毒的可能。但結(jié)論為時(shí)已晚，男童當(dāng)晚出現(xiàn)腦死亡癥狀，并在入院5天后不治身亡。死后的解剖結(jié)果顯示，男童胃部的異物為靴子上的心形裝飾物，其含鉛量達(dá)到了99.1%。

這起悲劇發(fā)生后，許多國(guó)家對(duì)市面上的廉價(jià)金屬飾品進(jìn)行了多次檢查，結(jié)論顯示鉛和鉛合金由于價(jià)格低廉且質(zhì)感扎實(shí)，直到現(xiàn)在仍然被某些廠商用來(lái)制作低成本飾品。這些飾品在日常佩戴過(guò)程中并不會(huì)對(duì)健康造成影響，但若被兒童誤食則有很大的中毒風(fēng)險(xiǎn)。

（單質(zhì)）鉛中毒實(shí)例：（左）鉛水管系統(tǒng)，（右）食腐動(dòng)物食用中鉛彈獵物后容易中毒

圖片來(lái)源：維基百科

鉛的化合物更有可能產(chǎn)生環(huán)境公害

說(shuō)完了鉛的單質(zhì)，我們?cè)賮?lái)看看鉛的各種化合物（包括鉛水管中溶解出的鉛離子）對(duì)人體有哪些健康風(fēng)險(xiǎn)。鉛的各種無(wú)機(jī)化合物雖然能夠在體外穩(wěn)定存在，但它們一旦通過(guò)呼吸道和消化道進(jìn)入身體就會(huì)逐漸沉積并緩慢分解，分解后的鉛離子在血液、軟組織和骨組織中含量最大。各臟器中，腎臟和肝臟因?yàn)閰⑴c鉛的代謝，因此鉛含量更高，腦中鉛含量相對(duì)就低得多。

汽車(chē)尾氣中釋放出的氣態(tài)有機(jī)鉛化合物，進(jìn)入人體主要是通過(guò)呼吸道途徑，由于具有脂溶性，皮膚也是其進(jìn)入人體的可能途徑之一。進(jìn)入人體后的鉛雖然也會(huì)蓄積，但一定程度上也能排出體外，糞便、尿液甚至呼吸都是鉛排出身體的途徑。與無(wú)機(jī)鉛化合物不同的是，吸入有機(jī)鉛化合物后腦中的鉛濃度會(huì)顯著增高，這也是含鉛尾氣容易對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成影響的重要原因之一。

鉛對(duì)身體的影響：（左）幼年時(shí)期有鉛暴露史者成年后大腦前額葉體積明顯變小（紅色部分），（中）鉛中毒后特殊的干骺端線，（右）鉛中毒后的嗜堿性點(diǎn)彩紅細(xì)胞

圖片來(lái)源：維基百科

鉛進(jìn)入人體后誘發(fā)異常的主要原因在于鉛能夠干擾血紅蛋白的合成。當(dāng)鉛在血液中的濃度達(dá)到40微克每分升以上時(shí)，與造血相關(guān)的生化過(guò)程就會(huì)開(kāi)始受到干擾，但此時(shí)體內(nèi)的異常狀況還不足以發(fā)展為短期內(nèi)能夠察覺(jué)的明顯癥狀。當(dāng)血鉛濃度達(dá)到60微克每分升以上時(shí)，身體中的肝、腎等多個(gè)臟器的指標(biāo)就可能出現(xiàn)異常。血鉛濃度進(jìn)一步上升到80微克每分升時(shí)，全身癥狀開(kāi)始顯現(xiàn)，首要的表現(xiàn)為貧血及特有的灰白面容，神經(jīng)系統(tǒng)也將出現(xiàn)頭痛、敏感、躁郁等各種表現(xiàn)。

當(dāng)體內(nèi)血鉛含量升高到150微克每分升以上時(shí)，人體已經(jīng)處于與急性鉛中毒相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，此時(shí)身體各大系統(tǒng)特別是神經(jīng)系統(tǒng)將出現(xiàn)嚴(yán)重異常。人腦的正常功能難以維持，運(yùn)動(dòng)和知覺(jué)神經(jīng)異常，在神經(jīng)麻痹作用下，患者常表現(xiàn)出特有的垂手癥狀。

警惕兒童殺手 （圖片來(lái)源：長(zhǎng)沙晚報(bào)）

近年來(lái)，不斷有研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期暴露在鉛含量超標(biāo)的環(huán)境中，即便血鉛濃度沒(méi)有達(dá)到傳統(tǒng)意義上的致病危險(xiǎn)值，人體內(nèi)的損害、特別是神經(jīng)系統(tǒng)的損害也已經(jīng)產(chǎn)生。因此，本次研究也并非提出了新結(jié)論，而不過(guò)是給長(zhǎng)期存在的觀點(diǎn)增加了一些新的佐證。與銅、鐵等其它金屬元素不同，鉛在人體內(nèi)沒(méi)有任何已知的作用，屬于純粹的有毒有害物質(zhì)。但由于鉛在自然界中的分布極為廣泛，人類將不可避免地通過(guò)各種途徑攝入鉛，這其中又以飲食為主。

我國(guó)居民日常的鉛攝入量依地區(qū)有所不同，以杭州居民為例，2014年的調(diào)查顯示，杭州居民的鉛攝入量約在每日80微克，這一數(shù)據(jù)與每日200微克的可耐受攝入量有不小的距離，但仍然顯著高于鄰國(guó)日本（約20微克）等較早對(duì)鉛污染進(jìn)行全面控制的國(guó)家。

隨著各類更加嚴(yán)格的環(huán)保措施的出臺(tái)，相信我國(guó)居民的鉛攝入量將會(huì)逐漸向世界先進(jìn)水平看齊。因此，在各工業(yè)門(mén)類中采取更加全面的“禁鉛”舉措，顯得更加重要。

鉛的存在狀態(tài)決定是否對(duì)環(huán)境有害

其實(shí)，決定鉛對(duì)人體和環(huán)境毒害作用大小的，是鉛的存在以及分布形態(tài)，后者則直接決定了含鉛材料能否大規(guī)模推廣應(yīng)用。例如，雖然工業(yè)用鉛的接近9成都用于鉛蓄電池，但其中的含鉛化合物釋放到外界污染環(huán)境的可能性很低，因此鉛蓄電池一直是制造車(chē)用電瓶和UPS備用電源的首選。而作為抗爆汽油添加劑的四乙基鉛以及電子工業(yè)中所用的錫鉛焊料則存在著很大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

錫鉛焊料雖然性能優(yōu)異成本低廉，但由于電路基板上存在諸多焊點(diǎn)，因此廢舊電路板上的含鉛合金事實(shí)上無(wú)法進(jìn)行回收，而電子產(chǎn)品巨大和消費(fèi)量和廢棄量又使得它們不可能被集中進(jìn)行無(wú)害化處理。最終，堆積在野外垃圾處理場(chǎng)的電路板在自然條件下可能會(huì)源源不斷地向土壤和地下水中釋放鉛，這些鉛最終會(huì)被植物和水生動(dòng)物富集，再通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體。

廢舊電路板 （圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

考慮到鉛使用不當(dāng)后潛在的環(huán)境危害性，即便四乙基鉛和錫鉛焊料有著不可比擬的性能優(yōu)勢(shì)，人類也必須向它們揮手告別。目前，世界上僅有數(shù)個(gè)國(guó)家和地區(qū)仍在售賣(mài)含鉛汽油，電子工業(yè)經(jīng)過(guò)將近30年的努力，也基本在民用消費(fèi)電子領(lǐng)域杜絕了錫鉛焊料的使用。這些舉措很好地抑制了環(huán)境中鉛含量的上升趨勢(shì)，也使得總體上人類通過(guò)呼吸和飲食攝入體內(nèi)的鉛含量降低。

縱觀地球演化發(fā)展的歷史，可以窺見(jiàn)每一種元素都是自然界賦予人類的寶藏，它們總是在某個(gè)時(shí)候?yàn)槿祟惖陌l(fā)展創(chuàng)造機(jī)會(huì)。雖然某些形式的鉛和鉛化合物具有一定的人體毒性，它們?nèi)匀皇呛芏鄨?chǎng)合下不可替代的關(guān)鍵材料。而且，只要按照科學(xué)的方式加以使用，這些含鉛材料并不會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成損害。未來(lái)，人類仍然需要更加嚴(yán)格地控制彌散形式的鉛進(jìn)入環(huán)境，同時(shí)也需要更合理地開(kāi)發(fā)、利用鉛，讓這些資源真正為人類造福。

參考文獻(xiàn)：

Half of US population exposed to adverse lead levels in early childhood

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2118631119

One of the worst public health dangers of the past century has finally been eradicated

https://www.vox.com/future-perfect/22650920/leaded-gasoline-eradicated-public-health

Lead exposure in last century shrank IQ scores of half of Americans, study finds

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/03/220307162011.htm