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
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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
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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