生命元素与绿色化学化学元素与人体健康.pptx
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1、生命元素与绿色化学生命元素与绿色化学 杨桂琴1 1 生命元素、有益元素、沾染元素、有毒元素生命元素、有益元素、沾染元素、有毒元素 科学工作者通过研究环境元素和生命元素的关系,科学工作者通过研究环境元素和生命元素的关系,了解到生物体在适应生存和进化中,逐渐形成一套摄了解到生物体在适应生存和进化中,逐渐形成一套摄入、排泄和适应这些元素的保护机制。入、排泄和适应这些元素的保护机制。元素是如何被选择的,这是一个有趣而尚未完全解元素是如何被选择的,这是一个有趣而尚未完全解决的问题,但在生物演化过程中,总结了一些元素被决的问题,但在生物演化过程中,总结了一些元素被生物选择的规则,了解其中的两点:生物选择的
2、规则,了解其中的两点:(1 1)丰度规则)丰度规则 当生物的功能可以从几种可用当生物的功能可以从几种可用元素中选择其一去实现时,生物选择了在自然界存在元素中选择其一去实现时,生物选择了在自然界存在较丰富的那种元素。较丰富的那种元素。(2)有效规则)有效规则生物要选择更加有效的化合物加生物要选择更加有效的化合物加以利用。以利用。生命元素生命元素 研究表明,存在于生命体内的元素可分为四种类型:研究表明,存在于生命体内的元素可分为四种类型:(1)(1)生命元素生命元素:按其含量的不同,又分为:按其含量的不同,又分为常量元常量元 素素和和微量元素微量元素;(2)(2)有益元素有益元素(可能为潜在的生命
3、元素可能为潜在的生命元素);(3)(3)沾污元素沾污元素;(4)(4)有毒元素有毒元素。生命元素:生命元素:是指在生物体中能维持其正常生命活动是指在生物体中能维持其正常生命活动功能所不可缺少的元素。功能所不可缺少的元素。人体内大约含有人体内大约含有2727种生命元素。其中常量元素为:种生命元素。其中常量元素为:O O、C C、H H、N N、CaCa、P P、K K、S S、ClCl、NaNa、MgMg等,约占人体重等,约占人体重的的99.95%99.95%,微量元素仅占人体重的,微量元素仅占人体重的0.05%0.05%,它们是:,它们是:FeFe、F F、ZnZn、SiSi、BrBr、SnS
4、n、CuCu、V V、I I、MnMn、CrCr、SeSe、MoMo、Ni Ni、CoCo,但其作用不小,此外还有,但其作用不小,此外还有B B。在生命元素中在生命元素中13种非金属元素(种非金属元素(H、C、N、O、P、S、F、Cl、Br、I、Si、Se、B),除),除H外集中在外集中在p区右上区右上角,角,14种生物金属在周期表中有两个主要密集区:一是种生物金属在周期表中有两个主要密集区:一是A、A族的四金属族的四金属“岛岛”(K、Na、Ca、Mg),它),它们是常量元素;二是第一过渡系,它们是微量元素,是们是常量元素;二是第一过渡系,它们是微量元素,是生物体中金属蛋白和金属酶的重要结构成
5、分。生物体中金属蛋白和金属酶的重要结构成分。有益元素:有益元素:是指人体中假若缺少这些元素是指人体中假若缺少这些元素(如如LiLi、CeCe、AlAl、AsAs、RbRb、TiTi、SrSr、B B和稀土元素和稀土元素)虽然可以维虽然可以维持生命,但不能认为是健康的。持生命,但不能认为是健康的。沾污元素沾污元素:有:有20203030种普遍存在于各组织中的元种普遍存在于各组织中的元素,它们的浓度是变化的,而它们的生物效应还没有素,它们的浓度是变化的,而它们的生物效应还没有被完全确定,它们也可能来自环境的沾污,因此称沾被完全确定,它们也可能来自环境的沾污,因此称沾污元素。污元素。有毒元素有毒元素
6、(污染元素):当对沾污元素觉察出有(污染元素):当对沾污元素觉察出有害的生理或行为症状时,沾污元素就成为污染元素了,害的生理或行为症状时,沾污元素就成为污染元素了,例如,血液中的铅、镉和汞虽然浓度极低,但是起着例如,血液中的铅、镉和汞虽然浓度极低,但是起着有害作用,它们是污染元素。有害作用,它们是污染元素。2 2 元素在人体中的存在形态及生物功能元素在人体中的存在形态及生物功能元素在生物体中以不同形态存在,大致可分为四元素在生物体中以不同形态存在,大致可分为四种情况种情况 。(1 1)无机物结构元素)无机物结构元素CaCa、F F、P P、SiSi和少量的和少量的MgMg,以难溶无机化合物形态
7、存在于硬组织中,如以难溶无机化合物形态存在于硬组织中,如SiOSiO2 2、CaCOCaCO3 3、CaCa1010(PO(PO4 4)6 6(OH)(OH)2 2等。作为结构材料,等。作为结构材料,CaCa、P P构成构成骨骼、牙齿。骨骼、牙齿。(2 2)有电化学功能和信息传递功能的离子)有电化学功能和信息传递功能的离子Na、Mg、K、Ca、Cl等,分别以游离水合阳离子和阴离子形等,分别以游离水合阳离子和阴离子形式存在于细胞内、外液中,两者之间维持一定浓度梯式存在于细胞内、外液中,两者之间维持一定浓度梯度,度,Ca2+与氨基酸中的羧酸结合起到传递某种生物信与氨基酸中的羧酸结合起到传递某种生物
8、信息的作用;存在于体液中的息的作用;存在于体液中的Na+、K+、Cl-等起到维持等起到维持体液中水、电解质平衡和酸、碱平衡的作用。体液中水、电解质平衡和酸、碱平衡的作用。(3 3)生物大分子:)生物大分子:C C、H H、O O、N N、S S构成生物大构成生物大分子,这里系指蛋白质、肽、核酸及类似物等,需要分子,这里系指蛋白质、肽、核酸及类似物等,需要金属元素金属元素(例如,例如,MoMo、MnMn、FeFe、CuCu、CoCo、NiNi、ZnZn等等)结结合的大分子,包括具有催化性能和贮存、转换功能的合的大分子,包括具有催化性能和贮存、转换功能的各种酶。各种酶。(4 4)小分子:属于这一类
9、的元素,一般有)小分子:属于这一类的元素,一般有F F、ClCl、BrBr、I I、CuCu和和FeFe,存在于抗生素中;,存在于抗生素中;CoCo、CuCu、FeFe、MgMg、V V和和NiNi等存在于卟啉配合物中,如含有等存在于卟啉配合物中,如含有FeFe2+2+的血红的血红蛋白负责运载蛋白负责运载O O2 2的作用;的作用;AsAs、CaCa、SeSe、SiSi和和V V等存在于等存在于其它小分子中。其它小分子中。总之,生命必需元素在生物体内的化学形态十分总之,生命必需元素在生物体内的化学形态十分复杂,还有待进一步研究。复杂,还有待进一步研究。特别是微量元素,虽然其总含量仅占特别是微量
10、元素,虽然其总含量仅占0.05%,但它,但它在不同体内部位的状态与人体健康关系密切,有些疾在不同体内部位的状态与人体健康关系密切,有些疾病的发生和微量元素的平衡失调有关。病的发生和微量元素的平衡失调有关。3 3 污染元素对人体健康的危害污染元素对人体健康的危害目前在人体组织中发现的元素数目已多达目前在人体组织中发现的元素数目已多达7070余余种,仅在血液中就含有种,仅在血液中就含有3030多种元素。除了上述生命多种元素。除了上述生命元素外,其余元素是随着自然资源的开发利用和工元素外,其余元素是随着自然资源的开发利用和工业发展而进入环境,它们通过大气、水源和食物等业发展而进入环境,它们通过大气、
11、水源和食物等途径而侵入机体,有些成为人体中的污染元素。主途径而侵入机体,有些成为人体中的污染元素。主要污染元素对机体的危害见表。要污染元素对机体的危害见表。元元素素危害危害最小致死量最小致死量/10/10-4-4%BeBe致癌致癌4 4CrCr损害肺,可能致癌损害肺,可能致癌400400NiNi肺癌,鼻窦癌肺癌,鼻窦癌180180ZnZn胃癌胃癌 5757AsAs损害肝、肾及神经,致癌损害肝、肾及神经,致癌4040SeSe慢性关节炎,浮肿等慢性关节炎,浮肿等3.53.5Y Y致癌致癌-CdCd气肿,肾炎,骨痛病,高血压,致癌气肿,肾炎,骨痛病,高血压,致癌O.3O.30.60.6HgHg脑炎,
12、损害中枢神经及肾脏脑炎,损害中枢神经及肾脏1616PbPb贫血,损害肾赃及神经贫血,损害肾赃及神经5050污染元素对人体的危害污染元素对人体的危害4 4 生命必需元素的补充和有毒元素的促排生命必需元素的补充和有毒元素的促排 为了弥补生命元素的缺乏,必须自机体外及时予以补为了弥补生命元素的缺乏,必须自机体外及时予以补充供应。充供应。例如,克山病(因缺硒造成),以心肌坏死为主要症例如,克山病(因缺硒造成),以心肌坏死为主要症状。现在大都采用投硒的方法以提高体内的硒含量,普状。现在大都采用投硒的方法以提高体内的硒含量,普遍为口服亚硒酸钠或硒盐。遍为口服亚硒酸钠或硒盐。又如,地方性甲状腺肿大和地方性克
13、汀病(环境缺又如,地方性甲状腺肿大和地方性克汀病(环境缺碘造成)两种地方病的预防都是用投碘控制,目前我国碘造成)两种地方病的预防都是用投碘控制,目前我国广泛推广加碘食盐。碘盐是将碘化钾或碘酸盐加入食盐,广泛推广加碘食盐。碘盐是将碘化钾或碘酸盐加入食盐,世界卫生组织推荐的标准是世界卫生组织推荐的标准是1:1000001:100000。而对体内有害金属离子,目前清除办法,是选择合而对体内有害金属离子,目前清除办法,是选择合适的螯合剂与其结合成稳定的配合物而排除体外。这种适的螯合剂与其结合成稳定的配合物而排除体外。这种方法称为螯合疗法方法称为螯合疗法(或配体疗法或配体疗法)。所用的螯合剂称为促。所用
14、的螯合剂称为促排剂排剂(或解毒剂或解毒剂)。绿色化学绿色化学(GreenChemistry)又称又称:环境无害化学环境无害化学(EnvironmentallyBenignChemistry)环境友好化学环境友好化学(EnvironmentallyFriendlyChemistry)清洁化学清洁化学(CleanChemistry)绿绿色色化化学学0绿色化学概述绿色化学概述1.绿色化学研究的主要内容绿色化学研究的主要内容2组合化学与分子设计组合化学与分子设计绿绿色色化化学学0绿色化学概述绿色化学概述0-1绿色化学的基本含义绿色化学的基本含义0-2绿色化学提出的背景绿色化学提出的背景目目 录录绿色化
15、学绿色化学其目标是既从根本上保护环其目标是既从根本上保护环境,又能推进工业生产的发展。境,又能推进工业生产的发展。与传统化学和化工污染后治理的与传统化学和化工污染后治理的模式不同,绿色化学的宗旨是从模式不同,绿色化学的宗旨是从流程的始端就对污染进行控制和流程的始端就对污染进行控制和治理,对可持续发展和人类生活治理,对可持续发展和人类生活的改善具有重要意义。的改善具有重要意义。目目 录录20世纪化学工业的贡献世纪化学工业的贡献领域领域年代年代主要成就主要成就作用作用生物生物医药医药1928年年发现第一个抗生素:发现第一个抗生素:盘尼西林盘尼西林减轻疼痛减轻疼痛预防疾病预防疾病保健益寿保健益寿19
16、53年年发现发现DNA双螺旋结构双螺旋结构化工化工化肥化肥农药农药1913年年合成氨化肥的生产合成氨化肥的生产减轻人口减轻人口增长、对增长、对食品需求食品需求的压力的压力1941年年主要杀虫剂主要杀虫剂DDT进入进入市场增产粮食、蔬菜市场增产粮食、蔬菜石油石油工业工业下一页下一页20世纪化学工业的贡献世纪化学工业的贡献领领域域年代年代主要成就主要成就作用作用石石油油工工业业1921年年天然气、氢烃蒸气裂天然气、氢烃蒸气裂解制造乙烯解制造乙烯奠定石油工业奠定石油工业发展基础发展基础1930年年开始生产聚氯乙烯开始生产聚氯乙烯成功开发石化成功开发石化产品:合成纤产品:合成纤维、橡胶、塑维、橡胶、塑
17、料、洗涤剂、料、洗涤剂、涂料、粘合剂涂料、粘合剂家电部件、家电部件、遍及衣食住行遍及衣食住行1938年年生产出化纤尼龙生产出化纤尼龙193945年年开始生产顺丁橡胶开始生产顺丁橡胶化学工业的主要污染物化学工业的主要污染物废气废气污染物污染物主要来源主要来源硫氧化物硫氧化物氮氧化物氮氧化物硫酸厂、硝酸厂、染料厂、石硫酸厂、硝酸厂、染料厂、石化厂、化纤厂化厂、化纤厂卤化物卤化物氯碱厂氯碱厂、制冷剂厂制冷剂厂、有机合成厂有机合成厂有机类废气有机类废气 石化厂、有机合成厂石化厂、有机合成厂固体悬浮物固体悬浮物 发电厂、焦化厂发电厂、焦化厂硫化氢硫化氢硫醇硫醇石化厂、煤气厂、染料厂石化厂、煤气厂、染料厂
18、化学工业的主要污染物化学工业的主要污染物废液废液污污染染物物主主要要来来源源酸、碱类酸、碱类 硫酸厂硫酸厂、硝酸厂硝酸厂、磷肥厂磷肥厂、纯碱厂纯碱厂、石化厂石化厂氨氨氮氮煤气厂、氮肥厂、化工厂煤气厂、氮肥厂、化工厂重金属重金属电镀厂、冶炼厂等电镀厂、冶炼厂等有机物有机物农药厂、染料厂、食品加工厂农药厂、染料厂、食品加工厂油油类类石油炼制厂、石化厂石油炼制厂、石化厂氰化物氰化物煤气厂、有机合成厂、石化厂、煤气厂、有机合成厂、石化厂、酚、醛、酚、醛、有机氯等有机氯等煤气厂煤气厂、石化厂石化厂、炼油厂炼油厂、农药厂农药厂、氯碱厂氯碱厂硫化物硫化物石化厂石化厂、氯碱厂氯碱厂、染料厂染料厂、煤气厂煤气厂
19、、染料厂染料厂化学工业的主要污染物化学工业的主要污染物废渣废渣污污染染物物主主要要来来源源硫铁矿渣硫铁矿渣硫酸厂硫酸厂电石渣、盐泥电石渣、盐泥化工厂化工厂、氯碱厂氯碱厂磷石膏磷石膏磷肥厂磷肥厂碱碱渣渣炼油厂炼油厂煤渣煤渣小氮肥厂、合成氨厂小氮肥厂、合成氨厂铬渣铬渣含铬产品厂含铬产品厂硼镁渣硼镁渣硼砂厂硼砂厂提取化工产品后的矿物提取化工产品后的矿物各类化工厂各类化工厂化工生产与环境问题化工生产与环境问题全球十大环境问题:全球十大环境问题:大气污染、大气污染、臭氧层破坏、臭氧层破坏、全球变暖、全球变暖、海洋污染、海洋污染、淡水资源紧张和污染、淡水资源紧张和污染、土地退化和沙漠化、土地退化和沙漠化、
20、森林锐减、森林锐减、生物多样性减少、生物多样性减少、环境公害、环境公害、有害化学品和危险废物有害化学品和危险废物”。相关图片相关图片化工生产与环境问题化工生产与环境问题全球十大环境问题:全球十大环境问题:其中七个问题与化学物质污染有关,其中七个问题与化学物质污染有关,另外三个问题与化学污染有间接关系。另外三个问题与化学污染有间接关系。对环境的污染,化学品及其生产过程对环境的污染,化学品及其生产过程的问题是比较严重的。的问题是比较严重的。20世纪化学工业带来的污染世纪化学工业带来的污染(世界八大公害事件世界八大公害事件)事件事件污染污染物物发生时发生时间、地点间、地点致害原因致害原因中毒症状中毒
21、症状公害公害成因成因马斯河马斯河谷烟雾谷烟雾二氧二氧化硫化硫烟尘烟尘1930年年12月月比利时马斯河比利时马斯河谷谷SO2SO3肺部、咳嗽肺部、咳嗽1.工工厂多厂多工业工业污染污染物积物积聚聚2.遇遇雾天雾天多诺拉多诺拉烟雾烟雾1948年年10月月美国多诺拉美国多诺拉SO2+烟尘烟尘硫酸硫酸肺部、肺部、咳嗽、胸闷、咳嗽、胸闷、喉痛、呕吐喉痛、呕吐伦敦烟伦敦烟雾雾1952年年12月月英国伦敦英国伦敦世界八大公害事件世界八大公害事件事件事件污染污染物物发生时发生时间、地点间、地点致害原因致害原因中毒症状中毒症状公害公害成因成因洛杉矶洛杉矶光化学光化学烟雾烟雾光化光化学烟学烟雾雾1943.5-12月
22、月美国洛杉矶美国洛杉矶石油工业石油工业、汽汽车尾气车尾气/紫外紫外线作用线作用、眼病眼病喉头炎喉头炎氮氧氮氧、碳碳氢化物氢化物大气大气水俣水俣事件事件甲基甲基汞汞1943年年日本九州日本九州鱼吃甲基汞、鱼吃甲基汞、人吃鱼人吃鱼失常失常氮肥生产氮肥生产催化剂催化剂四日四日事件事件哮喘病哮喘病SO2煤尘煤尘1955年年3月月日本四日市日本四日市重金属微粒重金属微粒SO2肺部肺部,支支气管哮喘气管哮喘Co/Mn/Ti粉尘粉尘SO2世界八大公害事件世界八大公害事件事件事件污染污染物物发生时发生时间、地点间、地点致害原因致害原因中毒症状中毒症状公害公害成因成因米糠油米糠油事件事件多氯多氯联苯联苯1968
23、年日本年日本九州艾知县九州艾知县等等23个府县个府县食用含多氯联食用含多氯联苯的米糠油、苯的米糠油、全身起红疙瘩、全身起红疙瘩、呕吐、恶心、呕吐、恶心、肌肉通肌肉通生产中生产中多氯联多氯联苯进入苯进入米糠油米糠油富山富山骨痛病骨痛病镉镉1972年年3月月日本富山日本富山关节、神经、关节、神经、全身骨痛、骨全身骨痛、骨骼萎缩、食含骼萎缩、食含镉的米、水镉的米、水炼锌厂炼锌厂含镉废含镉废水水其它化学污染其它化学污染事件事件发生时间、地点发生时间、地点致害原因及严重后果致害原因及严重后果河面着火河面着火1970年年美国俄亥俄州美国俄亥俄州Cuyahoga河河严重化学污染引起河面严重化学污染引起河面着
24、火着火化学中毒化学中毒1984年印度年印度Bhopal化工厂化工厂甲基异氰酸大量泄漏致甲基异氰酸大量泄漏致死约死约4000人,伤者无数。人,伤者无数。皮癌增多皮癌增多1980年以后探明年以后探明氟氯烃对大气臭氧层破氟氯烃对大气臭氧层破坏,紫外光透过大气层坏,紫外光透过大气层问题的提出问题的提出事件提高了人类对化学品对生态环事件提高了人类对化学品对生态环境、人身健康、社区安全影响的普遍关注。境、人身健康、社区安全影响的普遍关注。美国政府提出的有关规定:美国政府提出的有关规定:19001960年年制定了制定了16项环保法规项环保法规19601995年间年间制定了制定了100项环保法律。项环保法律。
25、问题的提出问题的提出经过几十年的努力,这些污染的控经过几十年的努力,这些污染的控制、治理和研究已取得了巨大的成绩,制、治理和研究已取得了巨大的成绩,发明了处理废弃物的方法,治理了危险发明了处理废弃物的方法,治理了危险的污染点,减少了废弃物的排放。的污染点,减少了废弃物的排放。问题的提出问题的提出但各国生产使用的化学产品产量巨但各国生产使用的化学产品产量巨大,如美国每年约排放大,如美国每年约排放3109t,化学废,化学废弃物进入环境,用于控制治理或掩埋废弃物进入环境,用于控制治理或掩埋废弃物的花费巨大。美国化学工业每年要弃物的花费巨大。美国化学工业每年要花花1500亿美元去控制、处理或掩埋这些亿
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