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文档简介

1、Vol.16 No.1Jan., 2004第16卷第1期2004年1月化学进展PR0GRESSIN CHEMISTRY环境中锑的分布、存在形态及毒性和生物有效性何孟常! 万红艳(北京师范大学环境科学研究所环境模拟与污染控制国家重点联合实验室北京100875摘 要 由于自然过程及人类活动的影响,锑及其化合物在环境中普遍存在,环境中锑的污染也日益严重。近年来,国外对锑污染的研究日益重视。锑不是植物必需的,但能够被植物根系吸收。已有证据表明锑对生物及人体产生毒性。本文主要对环境中锑的分布和存在形态,及对动物和人体的毒性和对生物有效性研究进展进行评述。关键词锑污染分布形态毒性生物有效性中图分类号:X1

2、31; 0614.5 文献标识码:A 文章编号:1005-281X(2004)01-0131-05Distribution ,Speciation,Toxicity and Bioavailabilityof Antimony in the Environment!He MengchangWan Hongyan(State Key Joint Laboratoryof EnvironmentaISimuIationand PoIIutionControl, Institute of EnvironmentaISciences Beijing NormaIUniversity,Beijing 1

3、00875)Abstract An tim onyan d its compo un dsarewideIy used i n variousma nu facturi ngan d semic on duct ingin dustries. It presentsin the environmentasa resuItofnaturaI processand humanactivities. Thecontaminationofantimonyin the en- vironmentis increasingIysevere.in recentyears, interestin the re

4、Iativeresearchhasgrownin abroad. Antimonyis non- essentialto plants but can be readily takenup by roots from soiIs in soIubIeforms. Furthermore researchwascarried out a nd provedthe toxicity of someof its compo un dsto biota and huma n being. In this article, the authorsma in ly reviewed someresearc

5、heson the distribution, speciation toxicologicalbehaviorand availability of antimonyto flora and biota in the soil and water.Key wordsantimonypollution; distribution; speciation toxicity; bioavailabilityVol.16 No.1Jan., 2004Vol.16 No.1Jan., 2004收稿:2002年12月,收修改稿:2003年1月!国家自然科学基金资助项目(No.29977002II 通讯联

6、系人 e-mail: hemc一、引言锑是一种广泛分布的有毒元素,在岩石圈中主要以Sb>Sj存在,并与砷的硫化物和氧化物共存。 世界锑储量大约 4.5 6百万吨,中国大约占3.0 3.5百万吨。有关锑产量的报道不一致,中国、玻利维亚、俄罗斯、南非和塔吉克斯坦是主要的锑生产 国。锑及其化合物的用途广泛,主要用于生产陶瓷、 玻璃、电池、油漆、烟火材料及阻燃剂,其中制作阻燃剂是锑的主要用途;还用于生产半导体、红外线检测 仪、两极真空管及用做驱虫剂等。世界主要国家锑 的用量都很大,每年约1215万吨;美国是最大的 锑消费国,每年消费2.5 2.7万吨;其次是中国,每 年消费1.2万吨左右;第三是

7、日本,每年消费1万吨 左右;欧共体各国年消费约 2.6 3.0万吨。这些 物质最终都没有回收利用, 被抛弃到环境中,再加上 岩石风化,土壤流失,冶炼厂及焚烧厂的废物排放, 使环境中的锑污染越来越严重而且引起了国外的高第1期何孟常等环境中锑的分布、存在形态及毒性和生物有效性135度重视。许多研究证明锑对人体及生物具有慢性毒性及 致癌性。锑及其化合物被美国环保局及欧盟列为优 先污染物,它也是日本环境厅密切关注的污染物。 在巴塞尔公约中关于危险废物的越境迁移限定中将 锑列为危险废物之列。中国的锑矿储量和锑生产量 为世界之最,有关环境中锑的污染有过一些报道,但对其毒性和生物有效性缺少了解。本文在综述国

8、内 外文献的基础上,对锑在环境中的分布、 存在形态, 对动物和人体的毒性及生物有效性等研究进展进行 评述,为我国锑污染的研究和防治提供参考。二、环境中锑污染的分布及存在形态!"环境中锑的背景浓度及污染源分布世界土壤中 sb的含量范围是 0.2 10mg/kg,中 位值是0.1mg/kg。土壤锑的背景浓度范围为 0.05 4.0mg/kg,通常 < 1mg/kg。我国土壤锑的背 景浓度为0.38 2.98mg/kg。天然水体中锑的背景 浓度一般低于1! g/L,但在温泉及地热水中锑的浓 度可高达500 g/L以上,受人为污染的水体中锑的 浓度可比其背景浓度大100倍以上,海水中锑

9、的浓度也较高,达20q g/L。由于人类活动的影响及锑化合物的广泛使用, 环境中锑污染比较严重。锑的污染源分为天然源及 人为源,以人为源为主。环境中锑的污染源主要有 以下几种:(1) 城市垃圾废物。一些研究表明城市废物中 锑的浓度为 8 40gsb/吨。Watanabe等人对日本城 市废物中的锑进行了研究,结果表明大约每吨含锑 40 50g,美国和加拿大分别为 40和33gsb/吨干重。 据估计,日本每年大约排放5X107吨城市垃圾,假如每吨垃圾含锑40g,则每年城市废物排放 2 000吨 锑,相当于日本锑产量的 20%。这还不包括一些工 业废物,如建筑行业、废旧卡车和电子仪器等,这些行业含有

10、更多的含锑防火材料 刃。城市废物中锑的 浓度平均为 2.9mg/kg湿重和5.2mg/kg干重。日本 家庭生活垃圾中锑的浓度达7.6mg/kg,其中80%来自布料、窗帘、纺织品和塑料中的阻燃剂。在城市垃 圾焚烧后的废物中,含有一定量的锑。城市垃圾烘 烧后的残渣中锑的浓度达38mg/kd3,烘烧工厂废水中sb的浓度为2.3 4.0 mg/L40。目前有不少国 家在一些新建及改建的建筑中常用含锑的焊料来代 替含铅的焊料焊接水管,这就增加了自来水中锑的 含量。(2) 矿区冶炼厂周围。在锑冶炼厂周围表土和植物中锑的浓度分别达1 489mg/kg和336mg/kg;在铜冶炼厂周围的河流沉积物中,锑的浓度

11、达1% ;在铅冶炼厂周围的土壤中锑的浓度达260mgsb/kg。在法国一个废弃的三硫化二砷矿山附近的河流,除了高浓度砷污染之外,锑的浓度也很高,河水中锑的浓 度达249 385 g/L,是法国饮用水水质标准 (1q g/L)的25 40倍,沉积物中锑的浓度最高达 1108 g/g°由于高浓度砷和锑的污染,加拿大河流表水中锑的浓度接近1 g/L, 般小于10 g/L。最近,加拿大对两个地区的天然水和自来水的调查表 明,锑的浓度范围从小于 5 g/L到高达17 g/L。在 一些采矿和冶炼厂的废水及城市填埋场的渗滤液 中,锑的浓度为10 40 g/L。在一个污水处理厂的 废水中锑的浓度达

12、0.3 2100 g/L。最近,Filella等 人还对天然水中锑的发生、形态和来源进行了评述。中国是一个产锑大国, 湖南的锡矿山是世界最 大的锑矿之一,其矿区周围的土壤、水体及植被都受 到污染,周边河水及被污染的井水锑的浓度分别为 0.037 0.063 ! g/L 及 24.02 42.03! g/ml,矿区周围 土壤中锑的浓度达1 565mg/kd60。何孟常等人在湖 南的锡矿山周围采取表层土壤分析测试研究表明主 要的锑污染源来自尾矿砂、 冶炼炉渣、炼锑砷碱渣等 的重金属浸出污染土壤,含锑废水灌溉土壤和大气 锑尘的污染等,而且发现稻田土中锑的含量比旱土 中锑的含量高,对所收集的植物分析研

13、究表明植物 中锑的浓度较高70 °(3) 含锑燃料的燃烧释放物。大气中的锑主要来自煤炭和石油的燃烧,在美国的远郊、近郊和城市 大气中锑的浓度分别为0.0045 1、0.6 7和0.5 171 ng/m3。#"锑的存在形态锑在土壤、沉积物和水环境中的化学形态比较 复杂,存在无机及有机形式。锑的无机形态主要以 三价和五价锑的形态存在。在氧化性水体中,主要以五价锑的形态存在,但在一些海水中,热力学不稳 定的三价锑也能检测到。在厌氧水体中,锑的存在形态还不清楚。根据热动力学平衡计算,厌氧条件下锑应该以五价锑的形态存在,但是在一些系统中有氧化形态锑的存在。沉积物中的锑主要与不稳定 的

14、Mn、Fe和Al的水合氧化物结合,并能被胡敏酸结 合。影响锑吸附的因素包括基质表面电荷、锑的化学形态及与表面的相互作用。sb( OH) 3和酒石酸锑等三价锑化合物容易被 MnOOH、Al (OH) 3和FeOOH 吸附,也容易被胡敏酸吸附并符合Langmuir等温方程式。在锑冶炼厂周围遭受SbQ污染的土壤中,锑容易被王水提取,主要以不稳定的形态存在。 Lin tschi nger等人利用溶齐催取方法,对矿区土壤中 锑的存在形态进行了初步研究, 结果表明:虽然土壤 主要被三价锑严重污染, 但提取液中主要以五价锑 形态存在,其有效性是低的。在中等还原性的土壤 中,锑主要与相对不稳定的铁、铝水合氧化

15、物相结合。在有机质含量高的土壤中,锑也容易与土壤有机胶体相结合引。在锑矿区土壤中锑的存在状态主要以残渣态为 主,其次是Fe/Mn结合态、有机/硫化物结合态和碳 酸盐结合态,可交换态和水溶态占的比率最小。土 壤中存在的锑主要以五价锑的形态存在,几乎占总锑量的90%以上】切。近年来,对锑的有机形态的研究也逐渐增多,目前用于锑形态分析的甲基化有机锑标准只有五价的 三甲基锑化合物,它有3种不同形式:三甲基氯化锑 (TMSbC2)、三甲基氢氧化锑(TMS( OH) 2)和三甲基 氧化锑(TMSbO , 一甲基和二甲基的五价锑化合物 仍未制得10。但在一些河流和港湾的沉积物中,还发现一甲基、二甲基、三甲基

16、和三乙基锑的衍生物的 存在,只是其量在溶解锑中所占的比例较小(10%左右),并且发现单甲基物比二甲基物含量要高且主要 集中在表层水体“。已有证据表明一种真菌 (scop- ulariopsisbrevicaulis)能够把无机锑转化成三甲基 锑。在一种淡水植物(potamogetarpectinatuQ提取 液中也检测到有机锑化合物的存在13o Felkmann等用GC-ICPMS分析测定了垃圾和发酵气体中的有 机锑化合物,也检测到 MeSb的存在,检测限可达 0如。三、锑的毒性及生物有效性!"锑对动物和人体的毒性人体及动物可以经过水、空气、食品、皮肤接触和呼吸等各种途径接触到环境中

17、的锑。人体通过食 品和水每天吸收的锑量估计在4.6 g/天。与其它元素一样,锑及其化合物的理化性质、毒性大小取决 于锑的氧化态及其结合体。不同价态的无机锑化合 物的毒性大小顺序为:S(0) > S(" ) > Sb(# ),有 机锑化合物的毒性一般较无机锑小。S(")与红细胞具有高亲和性,其毒性是Sb(# )的10倍左右, SbQ被认为是致癌物质I。锑的急性中毒表现为肚子痛、呕吐、脱水、肌肉痛、抽筋、尿血、无尿及尿毒 等症状,甚至引起肝硬化、 肌肉坏死、肾炎、胰腺炎 等口切。最初Brieger等用三硫化锑对小鼠及大白兔 实验发现三硫化锑会导致心脏退化、体重下降、

18、视觉 模糊、肺重增加、肺间隙发炎及组织间隙纤维化等症 状。后来有人用五价的葡萄糖锑酰钠对老鼠实验结 果表明,它会引起蛋白尿、 降低红细胞数及血糖水 平、增加白细胞数及血尿素等症状 。Poon等人研 究了三价锑的慢性毒性, 在饮水中添加三价可溶性 锑盐酒石酸锑钾,经过90天的慢性暴露,锑能够引 起老鼠产生轻微的化学和血液学的变化,同时引起甲状腺、肝、胸腺、脾和脑下垂体等组织产生相应的 结构变化。当锑的浓度达到5mg/L时,能引起雌性老鼠血液葡萄糖显著下降。基于生物化学和组织变 化及红细胞和脾脏中锑的残留,残留浓度在各组织中的排序为红细胞 > 脾 > 肝 > 肾 > 脑及脂

19、肪 > 血 清。并确定饮用水中锑的“未观察的副效应浓度”(NOAEL)为0.5mg/L,相当于每天每公斤体重吸入 0.06mg锑。国际IARC组织认为Sk2O3可能对实 验动物和人体具有致癌性。但没有证据证实SbC3等化合物具有致癌性。1994年Jones调查表明在锑 冶炼厂工作的工人的肺癌死亡率高,并且证明从接触到病发有近20年的潜伏期佝。为了进一步证明 锑对人体及动物的毒性,Hua ng等人研究了三氯化 锑对哺乳动物细胞 DNA的伤害和编程性细胞(apoptosis) 死亡,在大于50 M SbC3浓度下暴露4h,能引 起大颊鼠卵巢细胞、人体支气管上皮细胞和人体纤 维原细胞微核的形成

20、。啮齿动物和人体细胞短时期 暴露SbC3能引起细胞改变,证明SbC3具有基因毒 性和细胞毒素性质河。目前发现锑化物不仅有以 上毒性作用,还会影响人体某些酶及器官的作用。 三价的SbC3和三氧化二锑能够增加老鼠V79细胞和人体淋巴细胞姊妹染色体(SCE的交换速率,五价的Sb2O5和SbC5对姊妹染色体交换速率没有影 响。2000年Poon开始研究三价锑 (PAT)对人体红 细胞中谷胱甘肽-S-转移酶(GST的影响,结果表明 PAT以IC50为0.05 mg/L对人体红细胞中谷胱甘汰 - S瑕移酶(GST起抑制作用,而且其抑制潜力仅次于 谷胱甘汰-S申专移酶(GST的传统抑制剂利尿酸 (一 种抗水

21、肿药),比其它重金属(Hg2*、ClT 'Ck2*、 Cr3+、Fe2*)的抑制作用都要大,但这种抑制作用五 价锑却没有2"。锑不仅影响土壤及淡水水体,而且还影响到海洋生态系统。关于海水中锑的报道不太多,海水中锑的浓度为20。! g/L,多数人认为锑在海水中不太 活跃是保守物质,海水中的锑由海岸地质环境决定, 因为深海锑的浓度不同并认为不存在深海锑循 环门。最近Takayanag等的研究结果发现锑对RedSeabream Pargusmajor)这种主要的商业鱼具有急性 毒性作用,并确定了不同形态的锑在不同接触时间 下的半致死浓度。其中96hLC50如下:SbC3为 12.4

22、mg/L, SbC5 为 0.93 mg/L, K Sb(OH)为 6.9 mg/L,并且发现五价锑对某些生物的毒性比三价锑 大适。!"锑对植物的有效性锑不是植物所必需的,当以溶液的形态存在时, 容易被植物所吸收并与必要的代谢物竞争,对植物产生毒性。土壤中锑的移动性低,主要是由于锑的硫化物溶解度较低所至。在一些成熟的植物叶片 中,锑的浓度达到150mg/kg,对植物产生毒害作用。 Matthew等 (1996)对14种蘑菇进行调查表明,这14种蘑菇中都含有不同浓度的锑,只是在不同的蘑菇种类中浓度不同而已,其浓度变化为4 322 g/ cf24。据调查意大利一些老锑矿区土壤中可提取态

23、锑的浓度达139 793mg/kg,生长在此的大维管束植 物中锑的分布状况表明,藿香(Achilleaageratum)、丝 茅草(Plantago lanceolata)和 Sileneuulgaris 等植物能 强烈地积累锑,藿香叶子和花中累积的锑分别达1 367mg/kg和1 105mg/kg,丝茅草的根累积的锑达1 150mg/kg,Silene Vulgaris的茎中锑的浓度达 1 164 mg/kg,认为这些植物能够用作土壤锑的指示植 物25:° Hammel等研究了土壤中锑的可移动性,他们利用1M NH4NQ 溶液提取土壤(wfV=20g/50ml), 得到可溶性锑的浓

24、度。他们调查了废弃的矿区土壤中锑的浓度范围为20 100mg/kg,最高值达 160260mg/kg。可 移动性锑的浓度为0.02 0.29 mg/ kg,占0.06% 0.59%。它们还分析了胡萝卜、洋葱、番茄、甜菜等19种蔬菜及粮食作物各组分中锑 的浓度分布,根中锑的浓度小于 0.02 0.09 mg/kg, 茎叶中锑的浓度为0.02 2.2 mg/kg,果实中锑的浓 度为0.02 0.06 mg/kg,特别是在萬苣、芹菜及菠菜 中锑的浓度高达2.2 mg/kg血。三价及五价的锑对 水稻种子发芽及根系的生长能够产生影响,在较低浓度(0 50 ! g/ml)时,三价锑能够促进水稻芽的生 长,

25、与对照组相比增加8.2% 18.7% ;但较高浓度(1001000! g/ml)时,三价的锑阻碍芽的生长,与对 照组相比减少 0.6% 37.1% ;只要锑的浓度大于 1! g/ml,无论是三价还是五价的锑都会阻碍水稻根 系的生长。并且实验还证明锑会严重影响水稻的产 量,随浓度的增加产量降低,并且三价的锑比五价的 影响要大切。土壤中生物可利用态锑的浓度比较 高,一般在2.5 13.2mg/kg,中等可利用态占土壤总 锑的1.62% 8.26%,生物不可利用态锑的浓度占 88.2% 97.91% :创。此外,还有许多的调查研究表明锑能在植物中 进行迁移与累积,如在藻类及其它淡水植物中都检 测到有

26、锑的迁移与累积并影响到植物的生产及生 长。四、锑的环境标准由于锑的毒性和生物有效性,各国对环境中的 锑都制定了比较严格的标准。Eikmann和Kloke (1993)认为土壤中锑的允许浓度为5 mg/kg, Crom-mentuijn等强调土壤中锑的最大允许浓度为3.5 mg/kg。德国规定人体每日平均吸锑量为 23 gSb/d28。WHO规定锑的人体ADI值为0.86 ! g/kg,但实际吸入量为0.17 0.33! g/kg体重。欧盟规定饮用水中锑的 ADI值为5 g/L:旳。美国环保 局规定人体对 Sb和S( " )0的ADI值为0.4 g/kg, 空气中锑的允许浓度为q g/

27、L,饮用水中锑的最高污染水平为6 g/C3叭'加利福尼亚环保局根据化合物不产生致癌和非 致癌毒性风险,计算了饮用水中锑及其化合物的健 康保护浓度(health-protectiVeconeentratior)。其计算 公式如下:C( mg/L) = ( NOAEL X BWX RSC) /(UFX L/day) °式中:NOAEL为未观察负效应水平,由于缺乏 NOAEL 值,用 0.43 mg/kg-day 的 LOAEL 值代 替;RSC为相对源贡献率,以40%计算;UF为不确定 性因子,为300;L/day为成人每天消耗的水量,取值2 L /day; BW为成人体重,以7

28、0 kg计。根据上述公 式得:C= ( 0.43 mg/kgX70 kg X 0.4 )/(300 X2 L/ day) = 0.02 mg/L = 20 ppb°因此,美国加利福尼亚 州确定饮用 水中锑的公共卫生目标/ public health goal, PHG)为 20 g/L。目前,还没有关于食品中锑的允许标准及通过 食品吸收锑的慢性毒性致死浓度、亚致死浓度和长期毒性效应数据。五、研究展望大量的调查与研究已经证实锑是一种有毒的危险物质,不仅影响植物而且还危害动物与人体,应该引起人类的高度重视,特别是象中国锑储量和生产 量为世界之最的大国,更应该关注锑污染的调查与 研究,评价

29、其毒性和生物有效性。关于环境中锑的行为、毒性及生物有效性,国外 已经做了不少的工作,在以后的研究中应该重点加 强以下几方面的研究工作:(1)从化学形态上看,已有的研究工作主要集中在三价及五价锑的毒性及生物有效性研究, 而对其 有机形态特别是甲基化形态研究得不多,在以后的研究中可以加强有关甲基化锑的毒性及生物有效性 研究,特别是它在水生生态系统中的行为。(2) 从研究的主体或对象上看,过去主要集中在 土壤及水体的锑污染,而对大气中的含锑粒子的研 究比较欠缺,事实上锑的排放在大气中能进行长距离迁移,例如从中欧迁移到挪威,而且城市固体废物 焚烧后的飞灰中锑的含量极高。所以在以后的工作 中可以在这一领

30、域多加注意,例如大气中的锑对人 体健康及鸟类飞禽的影响等。(3)从研究方法上看,到目前为止主要是利用小动物进行实验室毒理实验等微观研究,事实上这种研究方法并不能真实反映复杂环境中锑对生态系统 的影响。以后应该从系统的观点出发逐步找到一些新的方法对锑的影响加以系统研究。参考文献1 RenZF, OingZX, ChenZ Y. World NonferrousMetals, 2002,7 : 23252 WatanabeN, Inoue S, Ito H. Chemosphere 1999, 39 ( 10):16891698:3 ReimannD O. Kurzberich.UOI/539A/

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49、德氢化物发生原子荧光光谱法测定水中痕量锑期刊论文-化学工程与装备2010(8)7. 孙蕾.黄懿.胡军.樊晶晶 工业废水中锑污染物排放标准制定的原则与依据期刊论文-中国环境监测2009(6)8. 杨敬德氢化物发生原子荧光光谱法测定水中痕量锑期刊论文-现代仪器2009(6)9. 张道勇.潘响亮.穆桂金.顾会明 铝渣吸附去除水中锑的研究期刊论文-水处理技术2008(10)10. 杨丽君.贾树松 氢化物发生-原子荧光光谱法测定水中总锑期刊论文-预防医学论坛2008(3)11. 马红琼.孟兰.焦艳娜.李晖 氢化物发生-原子荧光光谱法测定中药材中痕量锑期刊论文-理化检验-化学分册2008(12) 万玉霞.

50、任景玲 原子荧光光度法测定天然水体中的Sb(V) 和Sb(m)期刊论文-海洋科学2011(4) 38.曾敏.廖柏寒.曾清如.张永.骆其金.欧阳彬 湖南郴州、石门、冷水江3个矿区AS亏染状况的初步调查期刊论文-中国公共卫生2010(5)14. 严梅君.郭亚飞.余晓平.邓天龙 环境样品中痕量锑的形态分析研究进展期刊论文-广东微量元素科学2010(12)15. 黄开胜.李思源.何小青.赵彦.陈建明.李伟恒 电感耦合等离子发射光谱ICP-AES和原子吸收光谱(AAS测定涂料 中多种元素的比较研究期刊论文-现代涂料与涂装2010(1)16. 张玲.徐胜.邱国院.杨寿昌.陈红云 巍山某锑矿厂周围水土中锑含

51、量的检测分析期刊论文-大理学院学报2008(12)17. 张锂.韩国才巯基葡聚糖凝胶分离富集氢化物发生原子荧光法测定地球化学样品中锑期刊论文-冶金分析2007(6)18. 梁淑轩.高宁.孙汉文 大豆种子萌发和幼苗生长对锑胁迫的响应期刊论文-科学技术与工程2013(4)19. 王素娟.杨爱江.吴永贵.黄豫.袁旭 锑矿采选固废与冶炼废渣的化学特性及重金属溶出特性期刊论文-环境科学与技术2012(6)20. 张亚平.张婷.陈锦芳.彭然 水、土环境中锑污染与控制研究进展期刊论文-生态环境学报2011(8)21. 龚雪云.张磊.石杰 氢化物发生-原子荧光光谱法测定不同产地烟叶中锑量期刊论文-理化检验:化学分册2012(6)22. 李航彬.杨志辉.袁平

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