SO2的危害及其流行病学与毒理学研究 毒理学研究方法

刘玉香

太原理工大学环境科学与工程学院，太原 030024

摘要：二氧化硫(SO₂)是大气中最常见的污染物之一。SO₂的大量排放使城市空气污染不断加重，对环境和人类健康造成了极大的危害。大量的流行病学研究表明SO₂不仅可以引起呼吸系统疾病，而且对心血管系统，甚至生殖系统都会产生影响；毒理学研究也表明SO₂对人和动物多种组织器官均有毒性作用，有些毒作用甚至比肺组织的改变还要严重，SO₂是一种全身性毒物。而通过产生各种自由基引起器官组织发生氧化损伤作用可能是SO₂毒作用的一种主要机制。

关键词：二氧化硫；流行病学；毒理学

文章编号： (1673-5897（2007）2-225-07) 中图分类号：X171.5文献标识码：A

随着工业化和城市化的快速发展，大气污染，尤其是城市大气污染日益严重，并已成为全球性的社会公害，使人类的生存环境和社会的可持续发展面临着严重的挑战。目前，人类每年排放到大气中的颗粒物多达1.0亿吨，二氧化硫(SO₂)约为2.5亿吨,氮氧化物约为0.5亿吨（张一平1999），此外还有很多危害人体健康的无机物和有机物，严重污染着人类赖以生存的大气环境。

SO₂是最常见的大气污染物之一，含硫石油、煤、天然气的燃烧，硫化矿石的熔炼和焙烧，各种含硫原料的加工生产过程等均能产生SO_2，由煤和石油燃烧产生的约占大气中SO₂含量的70%(中国环境年鉴编委会,1998)。中国是燃煤大国，煤炭占总能源结构的75%，而且燃煤方式大部分采用原煤直接燃烧，由燃煤产生的SO₂占其排放总量的80%以上。作为一次性能源燃烧，煤中所含硫的90%将转化为SO₂形式排放，这是我国酸雨污染的主要来源。由于SO₂排放带来的是广泛的、全球性的空气污染，因此，已引起世界各国政府的高度重视(王玉明,2002)。我国在1995年就通过了修订的《中华人民共和国大气污染防治法》，规定在全国划定酸雨控制区和SO₂污染控制区，此后又实施了SO₂污染排放收费工作。尽管如此，我国的SO₂污染形势仍不容乐观。

1二氧化硫的危害

SO₂是一种无色、具有辛辣及窒息性气味的气体,味阈值为0.3ppm，当达到30~40ppm时，即可使人感到呼吸困难(姚志麒等, 1986;奚旦立等,1997)。SO₂在空气中铁和锰等金属离子的催化下进一步氧化形成三氧化硫(SO3)，后者的毒性较前者大10倍左右(孟紫强,2000)。

随着工业的发展，SO₂的污染和危害日趋严重。20世纪在世界范围内发生的八大公害事件中,有4起(1961年的日本四日市哮喘事件,1948年的美国宾夕法尼亚州多诺拉事件,1930

年的比利时马斯河谷事件,1952年的伦敦烟雾事件)是直接由SO₂污染引起的。SO₂对人类健康的危害已逐渐受到人们的重视。近年来研究发现，SO₂对各种植物也会造成轻重不同的损伤。长期接触SO₂会使植物叶面和内部结构受损，光合作用减弱，使植物枯萎，直至死亡。这主要是由于过量的SO₂进入植物细胞中溶于水形成亚硫酸，产生毒性作用(郑淑颖,2000)。其毒性机制为:SO₂通过植物气孔(或皮孔)进入细胞间隙，再进入叶肉细胞，破坏叶绿体，呈现各种伤害症状，SO₂也可通过诱导植物产生活性氧(ROS)，如O2、OH和H2O2,造成氧化胁迫伤害(Nouchi2002)。SO₂对叶绿素具有漂白作用,使叶绿素分子降解为无光合作用的脱镁,导致叶片枯萎,致使光合作用和植物生长发育受到抑制。据报道,低浓度SO₂长期暴露可降低小麦叶片光合色素含量，随着暴露时间的延长和暴露浓度的升高,色素含量降低的比例逐渐增大(舒俭民,1988 )

此外, SO₂对工业及民用设施、材料的腐蚀极大,如重庆的嘉陵江大桥,由于处于SO₂污染严重地区,腐蚀较快,每年须除锈喷漆一次,耗资20万元。SO₂还能使空气中的动力线硬化、拉索钢绳使用寿命缩短、建筑材料变色、塑像及艺术品毁坏等(熊振湖等,2003 )。

SO₂排放还可以导致酸雨污染,研究表明,我国酸性降水中硫酸根与硝酸根的当量之比约在5~10之间,因此,我国的酸雨为硫酸型,这主要是由人为排放SO₂造成的(汪家权等,2004)。20世纪70年代末美国和欧洲一些国家相继发现酸雨与森林的大面积退化有着直接关系。20世纪80年代以来,我国开始研究酸雨对树木的影响,并认识到酸雨已威胁到我国某些地区的森林生态系统。酸雨的长期影响会降低土壤中微生物的活性,影响枯枝落叶的分解，当酸雨量大于土壤缓冲能力时,土壤就会酸化,肥力降低,进而危害农作物和森林。据报道SO₂和酸雨对蔬菜生长和产量具有显著影响,其复合污染可使西红柿、胡萝卜和棉花等农作物生长受阻,产量降低,且二者的复合作用明显高于单一因素的作用(刘连贵等,1996)。另外, SO₂和酸雨还可以使水体pH降低,影响鱼卵孵化和鱼类生长.

目前, 污染已成为全球三大公害之一,严重威胁人类的生存环境,因此治理 污染就成

为亟待解决的问题.

2 二氧化硫的流行病学研究

SO₂是一种具有强烈刺激作用的气体,关于其对人群健康的影响,报道最多的是对呼吸系统的作用。大多数流行病学调查显示,在SO₂浓度较高的地区,一些呼吸系统疾病的发生率较高,特别是感冒、流鼻涕、咽喉疼等肺功能测试结果表明,在出现这些症状的同时,患者的呼吸在很大程度上受到抑制，急慢性肺疾病的发生频率较高,同时会加重哮喘患者的呼吸道堵塞(陈小琳, 1993) 国外的一些研究表明与对照区相比,SO₂污染区人群因上呼吸道感染而引起的急诊住院率显著增加(Heinrichetal.,2002;Frye etal.,2003;Hajat et al.,2002;Levetin etal.,2001)。在我国,江耀安(1988)研究了大气中SO₂含量与人群肺功能的关系,其结果显示,随着大气中SO₂日平均浓度的增加，肺活量(FVC)、第一秒时间肺活量(FEV1)、0.75~0.25秒强力呼气量及强力呼吸中期流速均降低,而强力呼气时间延长另外,他还指出生活在SO₂日平均浓度为0.143mgm·m^-3环境下的居民,呼吸道疾病发病率较高,肺功能下降,气道阻力高于对照组1倍。这一系列结果在一定程度上揭示了SO₂接触剂量与其健康危害效应的相关关系。陈小琳等(1994)发现大气SO₂污染与慢性咽炎和慢性支气管炎的发生有关,大气SO₂浓度每增加60μgm3，上述疾病发生的优势比为1.38和1.32，表明长期居住在SO₂污染地区居民呼吸道常见疾病发生的危险性增加,这可能与呼吸道防御功能因SO₂慢性刺激而降低有关。

大多数流行病学调查表明,单纯的SO₂暴露似与肺癌死亡率无关,但是很多情况下它却能促进致癌剂的致癌作用。有研究还指出,SO₂促进癌症的发生与其抗营养作用有关。SO₂能吸收紫外线,从而引起暴露人群维生素D缺乏,由于维生素D可减少大肠癌和乳腺癌的危险性,这样SO₂间接增加了这种癌症的发生最近也有研究指出SO₂确实与污染区居民的肺癌和脑癌的发生有关(Nyberget al.,2000;Andersson et al.,1998;Bond et al.,1983;Bandetal.,1997).

除了对呼吸系统的影响外, SO₂对心血管系统的影响也有报道，Sunyer等(2003)对欧洲7个地区的环境污染与人群心血管疾病的关系进行了研究,证实排除PM₁₀的影响后SO₂仍可独立引起接触人群心血管系统疾病特别是缺血性心脏病的发生,平均每增加10mgm^-3SO₂,缺血性心脏病的发生增加0.7%.Venners等(2003)对中国重庆的研究资料也表明当地SO₂日平均值与人群心血管和呼吸系统疾病死亡的危险度密切相关。

另外,高浓度SO₂可剂量依赖性地引起孕妇早产，SO₂浓度每增加100mgm^-3· ,可使孕期缩短约0.75wk（12.6h），提示SO₂污染可能是孕妇早产的危险因素(Xuetal.,1995 )。 此外SO₂污染还可引起新生儿出生体重低下(Bobak,2000;Leeet al.,2003)。说明SO₂不仅对人体健康有威胁,还可能间接影响到下一代的健康。

3 二氧化硫的毒理学研究

3.1 SO₂是一种全身性毒物

一般认为,及其体内衍生物———亚硫酸盐和亚硫酸氢盐对人和动物的呼吸系统有毒性作用,可引起气道阻塞性疾病如气管炎、哮喘、肺气肿等多种呼吸道疾患,甚至与肺癌的发生有关(Atkinsonetal.,1993;孟紫强, 2000.)。SO₂可降低鼻部纤毛细胞的摆动频率从而降低机体的异物清除能力和对外部有害物质的抵抗力,使机体处于气管炎和支气管炎的易感状态。SO₂还能影响气道分泌活性,影响气管、支气管的正常功能。动物实验表明单纯SO₂吸入染毒可引起气喘,咳嗽、粘液分泌增多,气道狭窄,气道阻力增加和对组胺刺激的反应性降低等典型的气管和支气管炎症状,严重者还 可 引 起 肺 水 肿 (Koshinoetal.,1990; Seltzeretal.,1984.) 然而,近年来的研究表明,SO₂不仅对呼吸系统有毒性作用,而且是一种全身性毒物。SO₂在血液和其他组织中的含量会随吸入空气中SO₂浓度的增加而成比例增加(Etliket al.,1995)。SO₂可以引起肺的脂质过氧化损伤、DNA损伤、基因组表达谱的改变以及细胞超微结构的损伤，而且对中枢神经系统(如脑)、心血管系统(如心)、消化系统(如胃、肠、肝)、免疫系统(如脾)及生殖系统(如睾丸)均有毒性作用(孟紫强等2006b；2001d；Menget al.,2003a;孟紫强, 2003b.)。有些毒作用甚至比肺组织的改变还要严重 (孟紫强, 2006 ) 。研究表明,SO₂吸入引起了所有实验组雌、雄小鼠脏器脂质过氧化水平显著提高,并伴随着SOD、GPx酶活性及GSH含量的显著降低,引起雌雄小鼠所试 种脏器的氧化应激和抗氧化的明显改变( Langley-Evans etal.,1996;孟紫强, 2003b;孟紫强等, 2001b ; 2001c );SO₂吸入也会引起大鼠及豚鼠脑组织的氧化应激(Haideretal.,1981;Yargicogluetal.,1999) 另外,SO₂衍生物还可引起大鼠海马神经元、背根节神经元、大脑CAI区神经及心肌细胞膜上Ca²⁺、K⁺ 、Na⁺ 离子通道的变化(孟紫强等,2002c;2006a),表明SO₂可能通过影响神经元和心肌细胞膜上的离子通道而对神经系统和心血管系统产生不利影响。这些结果表明,一定浓度SO₂暴露可能引起人和动物多种器官和系统的损伤,影响或促进多种器官疾病的发生或加重.

3.2对遗传物质的影响

研究显示SO₂动式吸入或其衍生物腹腔注射能够引起小鼠脑、肺、肝、脾、肾、小肠、骨髓、胸腺、海马细胞的DNA损伤,使DNA迁移距离增加,DNA链断裂增多(孟紫强等, 2002a

);将体外培养的人血淋巴细胞接触5×10^-5~2×10^-3mmol·L^-1浓度范围内的NaHSO₃后可引起人血淋巴细胞姐妹染色体互换(SCE)和微核(MN )发生率增加,并可使淋巴细胞有丝分裂周期延迟、细胞分裂指数下降,且这些作用存在显著的剂量效应关系(Meng etal.,1992 )。另外, SO₂的体内衍生物———亚硫酸钠和亚硫酸氢钠均可诱发中国仓鼠肺成纤维(CHL)细胞染色体畸变(CA )和MN频率显著增高(孟紫强等, 2000;2001a.)。采用标准的突变细胞克隆技术、

PCR及DNA序列分析方法研究NaHSO₃对CHO-AS52细胞gpt基因的影响,发现高浓度的NaHSO₃能诱发该基因发生突变,且其突变频率随该化学物浓度的增加而增高(孟紫强,1997Menget al.,1999; )。

3.3 SO₂自由基损伤学说

孟紫强教授对SO₂的毒作用机制提出了“SO₂自由基损伤学说”或“膜损伤学说”(孟紫强等,2002b) .SO₂被吸收进入体内后,首先在体液中转化为它的代谢衍生物———亚硫酸钠和亚硫酸氢钠(两者分子比为3:1),SO₂对动物和人的毒性,实质上是通过这些衍生物对组织、细胞及生物大分子的损伤而达到的(Shapiro,1977) .SO₂进入体内后,溶于体液之中,随后分解形成亚硫酸盐、亚硫酸氢盐和氢离子的动态形式,亚硫酸氢盐进入机体后极易通过电子氧化作用形成三氧化硫阴离子自由基(SO₃^-),而SO₃^-可与O₂迅速反应生成过氧自由基,经过代谢转化可以形成各种硫中心自由基和氧中心自由基(Leeetal.,2003);另外还有研究表明SO₂吸入可引起H₂O₂和其他活性氧自由基的形成(Gunnisonetal.,1971;Reistetal.,1998;Curtisetal.,1988;Mottleyetal.,1985;Beck-Speier etal.,1994) .SO₂吸入产生的各种自由基由于它们的化学反应活性可攻击生物膜上的多不饱和脂肪酸,导致膜相结构的破坏,脂质过氧化水平增高.

4 研究展望

虽然SO₂流行病学和毒理学研究均取得了一定的进展,但目前仍然不够深入和全面,还有许多问题需要进一步的研究和探讨:1) 环境因素引起的基因表达谱的改变,将引起多种mRNA和多种蛋白质合成速率的变化,从而使细胞内多种蛋白质之间的平衡被破坏,导致细胞代谢和生理功能紊乱.基因表达谱的改变可直接影响细胞的生长、分化和凋亡,间接影响基因组的稳定型甚至引起基因突变和DNA损伤.SO₂可以引起基因表达谱的改变,其中有许多基因是易感基因,这些易感基因如何与SO₂相互作用,其结构及其多态性与疾病之间有何联系,迄今知之甚少.2)毒理学研究的重要目的是保护人体健康,SO₂是一种全身性有毒物质,对它的防护研究目前仅仅是起步阶段,还有待深入研究.3)调查和研究SO₂与人群疾病之间的关系,建立污染物与疾病之间的定量关系,以达到预防和控制公害病或环境病,更好地保护易感人群.目前SO₂对人群健康的影响,报道最多的是对呼吸系统的作用,其次是心血管系统,而对其他系统如中枢神经系统、消化系统、免疫系统及生殖系统的毒性作用报道很少.4)大气污染物通常由多种成分组成,污染物的复合影响一般不同于单一污染物,复合污染的影响很复杂,因其组成成分的性质、比例以及与其他环境因素的相互影响等条件不同,所起的作用可能是相加、协同或拮抗作用.因此,研究多种污染物的复合影响具有更加现实的意义. 现在大量开展的是SO₂单一污染对生物体影响的研究,关于复合污染的影响以及机理目前还知之甚少,有待进一步的深入研究.

总之,随着毒理学理论的不断发展和毒理学研究方法的不断更新, SO₂毒性及其防护研究必将日臻完善.

通讯作者简介:刘玉香(1969—),女,硕士,主要从事环境医学与毒理学研究.

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