全 文 ：生态科学2003年11月第22卷第4期 ECOLoGICSCIENCBNou2003，22(4)：35l～355
铝的生态与健康风险研究进展
张凯松1一，周启星1(1．中国科学院沈|5n应用生态研究所陆地生态过程重点实验室，沈阳110016；2．中国科学院研
究生院，北京100039)
【摘要】 人为蹶因加伙r锚进入环境的速度，也加删了锚对生命纽分的毒害作用与危害。奉义从毒理生态学、分了
生态学等ai旧角度分析了铝对环境的生态风险和对人类的健康风险，概述r有关锚生态风险与健康风险两个方面的最
新研究进胜，对控制、消除环境中铠毒的发生提¨{r催型．
关键词；锚毒；生态风险；健康风险：环境安令
中图分类号：x703 文献标识码：A 文章编号：1008—8873(2003)04—35I—05
Advano幅in％0logicalandhealthriskofalu血n岫tn雌osyst蜘陷，zhangKai-so 苷zhouQi-xing(KeyL丑bora【oryof
Tems砸alEcoIogicalPmcess．1n虬jtuIeofAppnedEc0109y．chineseAcademyofsciences，shenyang110016；GraduaIed
schoolofChjneseAcadam掣orScience，Be玎ing100039)
AbstraclChemicaIp01Iutionoflheenvironnl亡nthasbecomeamajors urccof oncemb causeofhuman瞅ivitics．’rhemis
mo佗如dmorcaIuminumwa虬eswhichisdischargedint0thenvimntmnta ahighincre越i“glyratcInpanicula^many
虬udieshaveinvestigacedtheimpactofaIuminumo biolainⅡ1e朗vimnment．Thisreviewdiscusses山erclalionsh幛bch桃en
alulTIinum协xlc时如decologicalrisk，e8pecialJyhe №一skofhumanbei“gs．focu甄ngontoxicoIogicalecologyandmoIecuIar
ecologyInthispaperwedemons盯砒edthimpactofaIuminumo envimnmentalsafeIyinreIationto111ec0Iogicalnsk锄d
he啦th—sk．Ina‘Idibon，chedevelopmcntof heI chniqucsint佗ati“gandminlmizi“gmuminumtoxicitywerediscus∞g．
Keywords；Aluminum【0xicity；B∞logjcalnsk；HeaIthnskEnvimnmentalsafety
铝是地壳中含量最丰富的金属元素之一。随着全
球范围内的酸雨问题致使水体祠f-E壤大面积酸化，铝
的溶出量和生物有效性迅速增加，由此导致日益明显
的生态与健康风险”’“’1⋯。不仅如此，我国还是一个
铝消费火国，城乡居民仍较为普遍使HJ铝制鼎烹调、储
藏和盛装食物雨I饮_Hj水等，无意间造成人量锅从锅制
品转入食物或饮刚水中，造成铝对环境的污染不断加
剧慨4“。特别是近年来，一方面．许多食品、饮料、
奶制品和药品等加一r过程中锕的含嚣呈升高趋势”‘“
4“；另一方面，水处理过程中冈广泛使用铝盐絮凝剂
致使部分出水铝含母超标。目前，以铝盐为絮凝剂对
饮用水进行净化处理现象*遍，在去除大然水体中的
颗粒物和其他污染物后，也残留了不同程度的铝。饮
刚水中铝含最反而大大超过了未处理水“⋯f。铝通过
饮用水进入人体内，对全国部分城市的饮用水水质调
布结果表明：以铝小于O．2m譬·L“为标准，所调查的
40座城市中有32．5％的城市饮州水中铝浓度超标，东
北地区超标的城市高达76．9％。这与尔北地区普遍使
用铝盐絮凝剂处理饮用水有荚”o：化学强化絮凝：I：艺
也带米不同程度的残留铝。有芙铝毒研究的报道很多，
本文从环境毒理学和分子生态学入手，试幽探讨由人
为原因造成的铝生态风险与健康风险问题。
1铝的陆生生态风险
大多数陆生植物对铝极其敏感，铝成为酸性土壤
中抑制植物生长的一个重要因素。当酸性土壤pH<
4．5～5．0，对植物有毒离子AP可以溶解出来，通过
根吸收在植物体内积累，进而阻碍植物生艮利减低作
物产量13“删。菌根是高等植物和真菌形成的共生体，
能火大增强植物对不良环境的抵抗能力。而酸雨和过
高的残余铝含量会显著抑制菌根的形成，酸雨特剐是
由酸雨引起的土壤酸化和铝毒可能是全球森林衰退的
重要原因p“。
可溶性锅对植物毒性较大，水培试验结果也表
明，产生危害的初始浓度一般为1mg·kg～。对一些
敏感作物米说，o，5嘴·K一的可溶性铝就可使其受害。
当土壤中的可溶性铝为1．0mg·k茸1时，可使小麦、
大麦、高梁昶『玉米的根、苇和1穗受到危害；当浓度达
到1．O～5．Omg·kg。时，可抑制蚕豆、豌豆、葱和大
麦的生长。值得注意的是，这些作物可以通过食物链
进一步影响到人类的健康。冈此，一般规定农业灌溉
J=Ij水中锅化台物的最高允许浓度为1．omg·kg．I”j。
牲盘项H：阑家点}l}青年科学牡盘(20225722)
竹：者简介：张凯松(1979一)，坩，博叶：_：，{氇i从事污承处婵材料及
环境治理技术研兑E-啪il：zhangkaisa@hotInallc哪
’通讯联系人；E-mail：功0uq@tmils斗IncrI
2003一10．15收稿．2003．11．15接受
万方数据
生态科学 22卷
铝对陆生植物毒害作用最明显的特征是铝抑制
了植物根尖细胞生K和细胞分裂，使植物变短、变粗，
影响根对水分和养分的吸收”“。SaIllIlels等试验表明，
对敏感性品种，当铝浓度为ll¨mol时，其根部组织
中铝积累量高达546．0ug·91(干重)，生欧抑制达
50％I蚰l。在根尖细胞内，交换态铝会先与核酸中DNA
内磷酸基团结合，使DNA结构中的舣链不能正常打开，
相应增加了DNA的稳定性，降低了染色体模板的活性，
抑制了DNA复制。铝可以与细胞螭中胶质、蛋白质等
成分相结合，降低细胞壁的弹性及导水性，从而影响
植物的生长。铝对陆生植物的毒害还表现在阻Ir植物
对磷、钙、镁等的吸收消化，使这些营养元素的含昔
K划处于平衡水平之下”‘’”I。Hu∞g等研究表明，铝
与磷脂结合的抑制膜对m{离子的运输作用，使植物体
缺乏矿质元素”“。
铝还可以与根多生物大分子发生强络合作_Hj，干
扰陆生植物代谢的正常进行，从而引发一系列代谢絮
乱，出现细胞、组织伤害等综合症状嘲。蓠先，铝能
降低Mg“．ATP酶、K+．Mg“．ATP酶、磷脂酶c等酶
的活性”2．邶l：其次，铝与钙调节蛋向、酶蛋白等生物
火分子结合，改变其结构并对其功能产生影响：再者，
铝还可抑制植物细胞内与光合作刚及呼吸作用有关的
酶活性，影响这些生理过程的正常进行。特5{|l是，铝
还能影响DNAiRNA等生物人分子的生物活性”J。
常学秀等利_【Ij3H-TdR渗入方法，研究了AI”对蚕豆
(№抽向劬)DNA合成及修复的影响。在低浓度(Ar+
<100mg·L_1)处理后，蚕豆DNA合成加快，并且不
同程度的诱导uDs(unscheduledDNAsynth sis，细胞
非按期合成)的发生；但在高丁此浓度的Ar作用下，
蚕豆DNA合成受抑制，浓度越高，抑制作Hj越明显，
且Al”对DNA合成的损伤不能被修复⋯。-
铝对十壤和植物生态系统的毒性主要取决于十壤
口H和植物种类。大多数陆生植物对锅毒敏感，但锅也
可以是某些植物如茶树、野牡丹的生长I促进剂。依据
植物组织中铝的浓度．可以将它们分为铝积累植物和
铝非积累植物或铝排斥植物。一种物质对生物有无毒
性并不是绝对的，关键在于生物是否发展了与之相适
应的利．【{!|雨l防御机制。一些陆生植物表现山抗铝毒能
力的显著遗传著别，这些植物可以通过两种途径对付
铝毒：从根尖排斥铝进入植物；当铝已进入植物原生
质就发展一种能力忍耐它。铝积累植物可以通过根系
分泌有机物的络合作州，从而避免铝毒。谢正苗等研
究了天然生态系统中6种铝排异或积累植物吸收和积
累铝的机理，认为新鲜植物组织的pH是控制植物对
锅吸收、转运和l积累的最重要因素9J。铝排异植物增
加了士壤中的pH值以避免根对铝的高量吸收；铝超
积累植物，其组织pH值低，降低了根际pH，使十壤
中锅更容易吸收。沈宏等研究结果表明：低磷雨』铝毒
胁迫明显降低菜豆的生物最，铝毒诱导菜豆柠檬酸的
分泌与积累存在显著的基冈型差异。菜豆有机酸特别
是柠檬酸的分泌使其适应低磷、铝毒胁迫的重要生理
反廊n
陆生环境中铝毒因环境条件的不同而异．环境pH
值被认为是影响铝毒的重要因素。当pH<5时，铝的
溶解度随溶液的pH降低而显若增加。当溶液中pH<
4．5时．11i优势离子是A1“．然后是AI(oHr‘和
Al(OH)2。在pH6左右铝溶解度最低。然后在pH>6．5，
其溶解度慢慢增加，因为在溶液中形成了可溶态的
Al(OH)t‘。在碱性条中卜下，单体羟基铝络合离子发生
聚合反应生成一系列聚合羟基形态，这些形态的铝被
认为对生物的毒性很小。因此，十壤酸化使铝以毒性
较大的形式溶出，危害森林和农作物。近年来研究结
果表明，絮凝剂中存在的A113聚合物是一种毒性很大
的铝聚合物。Al】3聚合物被证实对多种植物有很高的
生态毒性H”。但是，在中性pH值条件下，All3对动
物乖I水生生物的毒性被认为是非常低的。G6Ⅻnd等的
研究结果建议在白然士壤和地表水中All3可以被忽略
ⅢJ。土壤中天然配位体如腐殖酸、多酚类也具有络合
铝的作用。当环境中存在F、s04。等离子时，铝会形
成A1．F、AI．s04等络合物，络合物的毒性也远比Alj+
的毒性小．但也有相反的结论“J。
2铝的水生生态风险
全球酸沉降导致了大面积地表水酸化．全球酸沉
降产生的一个重要结果是铝从土壤中向水体中转移，
导致水体中铝浓度的提高，铝浓度的升高造成酸性水
体中生物种类特别是鱼类的伤害，一些鱼类绝迹，许
多鱼类数量大大减少，极大地影响了水生生态系统的
生态稳定性与多样性瑚l。
铝是导致酸化水体中鱼类死亡的关键因素，而不
是H+。Rask根据鱼类学调查和水化学调查结果推测
不稳定铝化合物是影响酸雨对不同物种毒性的关键闲
素””。P0l幻等对7种鱼类在3种不同类型水环境(富
含铝的酸性水体、酸性水体和中性水体)的毒性试验
结果表明：在富含铝的酸性水体中，7种鱼类出现大
鼍死亡，不同种类的鱼对铝毒反应的敏感程度不同，
其中大西洋鲑鼬抽口s口肠r最敏感，^硎cc触r和
妇^Ⅵ加“5叩舰¨J对锅毒有一定的耐受性。研究结果
万方数据
4期 张凯松，等：铝的生森与健康风险研究进展
证实，铝是在酸性水体中毒害淡水鱼类一个重要因
素ⅢI。低分子量的无机铝化台物被认为是引起鱼类锅
毒的晟重要铝盐种类oI。一些水生无脊椎动物也受到
酸性水体中铝离子浓度升高的影响”I。
铝对微生物及藻类的毒性研究相对较少，所报道
的伤害形式多表现在水溶性无机单体铝的浓度升高而
造成微生物幼体致死率增加以及对藻类生长的抑制作
用””。赵春棘等研究了铝絮凝剂对活性污泥中微生物
活性影响。这种影响是非急性的，微生物对铝毒有一
定的适应性，在投加量较高时．游离态的Ar对活性
污泥的影响高于聚合态的铝⋯l。}Ielliwell等研究了
Al(oH)+2对藻类的毒性作用∞I。chafnicr等则研究了
铝在酸性水体中对以分解落时为食的菌丝体的毒害作
用，浸泡在高浓度馥性水体中的落叶能富集低分子量
的无机铝化合物，受此影响真菌生长和细菌分解落叶
的速度均有下降，尽管这种影响还受到其他因素的限
制【19J。
‘
铝对水生生物的毒性虽然存在个体差异，铝毒的
严重程度取决于铝的化学结合形态，铝在永律枣不简
的化学结合形式，不同形态的铝化台物对鱼类韵毒害
作用也有所不同。铝可与氢氧化物、腐殖酸、硫酸盐
和可溶性有机物形成化台物。络合态改交了金属盐的
化学结合形式和毒性。Driscoll的研究结果表明。铝与
腐殖酸或柠檬酸结合能有效降低铝所带来的生态毒
性。从铝毒减轻程度来看，腐殖酸与铝结合要小于铝
与有机酸结合。经过O．5mg·L_1铝和11．7mg·L-’柠
檬酸溶液处理水中，溪红点鲑在14天后的成活率高于
87％(pH音5．2)和加_咛6(pl}4．4)，与相同pH值的对
照水溶液的效果大致相当，因此无机铝盐被认为是造
成鱼类铝毒的主要化台物田J：土壤矿物质风化结果乏
一的硅酸盐存在于水体中，对铝有独特的亲和力。
Bifchall等研究了硅对铝毒的影响。其结果表明：过
量的硅和铝硅化合物的存在，在皿I_5时铝的水生生
物活性和毒性显著减小。硅酸的浓度被认为是在研究
毒理学过程中的一个关键参数，对于相关的水处理将
十分重要。在大面积水域中铝对鳃组织利硅酸的竞争
是减少铝毒的关键因素【l剀J。另一方面，无机铝盐的化
学形态与pH、温度和水硬度等有密切相关性“‘”oJ。
M勰on研究表明，高浓度钙离子能降低铝对水生鱼类
的毒害程度⋯I。
近年来，铝在水生环境中的慢性毒性作用和生物
富榘己逐渐引起重视。在中性pH条件下，铝被认为
主要以不可溶性A1(ol五)3稳定形态存在””。Com蛐
等认为，铝可以通过生物在酸性水体中富集81’Ⅷ；
DfiscolI认为，锅在中性条件下，生物可利用性可能性
很小oI。但是，1‘msc0拄通过铝(100～500峙·L．1)
暴露试验结果袭明，在中性pH条件下，铝暴露对
曲M4∞靳mgndf括的活动性有影响，并推测在中性条
件下铝可能通过某些生物富集进入水生生物圈娜J。
El∞90v∞等研究了中性pH值条件下蜗牛旬"血“口
跏珊瑚№对铝毒的生物富集作用，结果显示铝能够
在中性口H条件下被蜗牛利用，主要通过内脏器官富
集进入，这使铝很容易进入食物链阱I。Fr∞f∞n的研
究表明，在pH值为8～9的偏碱性条件下，水中铝离
子浓度高于O．5聪·L-‘时，也可使鲑鱼致死，沉淀的
氢氧化铝不会使鲑鱼急性中毒，却能引起慢性中毒，
在米污染的水体中的解毒过程也比较缓慢”J。
3铝的健康风险
3．1生理生态效应
铝毒对高等脊椎动物的赶害也引起了人们的关
注。大量的研究结果不问程度地显示了人体摄取过量
的铝能弓f起严重缺舞．体内过高韵残留铝与导致神经
衰邋性疾病有联系，如早老性痴呆症(Al珈咖鞋’s
disca∞)、帕垒森练合症(Paddns船’s也se∞e)等脑神
经疾病有关，尽管到目前为止其致病机理尚不明确，
但普遍认为与铝毒有联系阻”矧。铝可能参与了与谷
氨酸盐有关的兴奋毒性伤害，可能诱导抑制谷氨酸盐
运输。改变谷氨酸盐的释放，造成与谷氨酸有关的酶
活性的改变。Nayak认为【4”，铝诱导酶活性的原因可
能是铝离子的直接作用或铝诱导细胞环境的改变。铝
诱导不同部位谷氨酸积累或谷氨酸如ABA酶活性改
变可能是铝诱导神经毒性的一个原因，但也有相反的
观点。
铝可影响神经活动的多个环节，涉及细胞形态、
神经递质、膜功能及有关酶类改变。体外实验研究显
示，铝可在神经细胞内积蓄，将神经母细胞瘤的细胞
在含锅培养液中孵化l周，细胞内铝浓度达10～20
Trm01．L’。，而其培养液中仅为100umm·L．1。铝还
可使体外培养的神经细胞瘤的细胞胞浆中神经微丝的
含量增多。铝还可在染色质上形成沉淀物，改变染色
质的特征，同时显示高剂量铝可以抑制神经细胞突触
膜Na．K-ArP酶活性Ⅲ。职业性接触铝烟(尘)对工
人具有神经毒性，引起神经系统功能改变，主要表现
在运动协调能力、反应速度和记忆力下降，语言障碍、
注意力和心理运动能力降低等行为功能改变。
Calevfo等{l7．1”研究了AP对不同种类的两栖类
生物胚胎的毒性效果，Al”的致死剂量为1．5
万方数据
生态科学 22卷
mmol·L-1特征症状为中枢神经、骨骼和眼睛严重受
损，更低浓度时造成头部和躯干部舯胀。Al”比同剂
量的C，造成的危害更大，最显著的变化在心脏系统，
心脏变大，大多数情况下，向前突出i胚胎表面出现
水泡和水肿，最终使心脏出缸。铝离子能干扰阳离子
的渗滤运输和阳离子功能紊乱，而且铝毒被认为与
Fe“的新陈代谢有关，Fe“的新陈代谢是细胞生长和
生命的基础过程。
3．2健康风险及对策
．铝对人体的毒性，临床上铝中毒表现主要有，铝
性脑病、铝性骨病和铝性贫血等，这些毒性给人体健
康带来了很大的危害。因此，美国国家标准协会将铝
化合物列为剧毒物品。有比较充分的动物和人体资料
证据表明，铝对人的神经有毒害作用，且属于高神经
毒物。
正常情况下，正常人体内含铝量在50～loOmg，
每天从饮食中摄入铝大致为3～100Ing。在正常情况
下，铝对机体可能是有益的，可以拮抗某些重金属的
毒害作用。由于铝在生理条件下的溶解度较低，故消
化道内的吸收率也较低(O．3～0．5％)，大部分随代谢
排出体外，少量的铝经消化道吸收后进入人体内，分
布于体内各器官，其中肝、肾、脾、脑和甲状腺是积
累铝较多盼器官。对一般人群的危害性并不很大。但
是由于过量的铅通过饮用水、食品、食物链、药物、
化妆品等多途径进入人体ml，其产生急性中毒的可能
性不大，但低剂量铝毒的长期影响不容忽视。这些接
触的特点是接触机会多，剂量低和长期性。由于受实
验条件所限，目前对长期低剂量人体铝毒的研究报道
较少，但各种条件(酸性、中性和碱性)下的急性毒
理学实验和大量野外调查结果显示，低剂量铝能够通
过长期缓慢积累产生毒性。因此对于如何减少和防范
铝毒对人类健康的影响显得尤其重要。因此，应当采
取一些必要防范措施以控制铝进入人体，降低人类健
康风险。例如：1)开发新型安全性能高的水处理产品
和生态化水处理工艺替代传统铝盐絮凝剂，改善水处
理絮凝工艺，提高絮凝效果，减少水处理过程中残留
铝含量；2)改善食品的加工和工艺条件，控制含铝食
品添加剂的用量；3)减少现有药物中铝的用量，开发
新型药物拮抗铝毒；4)加强对铝在生物链中传递过程
的研究，特别是通过超富集生物进入食物链，避免铝
通过食物链进入人体等。
4结论
人为原因加快了铝进入环境的速度，也加剧了铝
对生态系统中各生命组分的毒害作用与危害，毒害范
围大到毒!}个生物圈(如全球性森林衰退)小到对生物
分子水平的伤害。过量的铝对生态系统健康特别是人
类健康构成明显或潜在危险。因此，一方面，应严格
控制铝盐进入人体的途径，防Ih过量铝盐在人体内富
集；另一方面采取各种综合治理等手段减弱甚至消除
过量铝盐对生态系统的毒害作用，通过提升生态系统
抗风险能力来确保人类健康安全，避免通过生物链进
入人体。减弱现有生态系统铝毒并防范铝毒的新发生，
对于提高生态系统的抗风险能力特别是提高人类健康
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铝的生态与健康风险研究进展
作者： 张凯松， 周启星
作者单位： 张凯松(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室,沈阳,110016;中国科学院
研究生院,北京,100039)， 周启星(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验
室,沈阳,110016)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGIC SCIENCE
年，卷(期)： 2003,22(4)
被引用次数： 7次

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