世界观察：这种随处可见的元素，差点让全人类变成傻子

2022-08-26 08:47:56 来源：科普中国

出品：科普中国

【资料图】

作者：张昊

监制：中国科普博览

今年3月，一项发表在权威杂志《美国科学院院刊》的研究指出，含铅汽油曾经的广泛使用，让全美超过一半人口的智力水平受到负面影响，平均每人的智商指数IQ，下降了2.6分。

今天，我们就聊聊“铅”的故事。在正文开始之前，我想再重复一遍大家耳熟能详的事，那就是我们用的铅笔，虽然叫铅笔，其实和铅没关系，铅笔芯的成分是石墨，是碳的一种形态。所以即使小时候喜欢“咬笔头”，也不必担心。

回到主题。无独有偶，2020年一项《美国医学会杂志》上的研究，科学家扫描了1000余名出生于新西兰同一城镇的45岁成年人的大脑结构，他们成长的时期正是含铅汽油的使用高峰期。该研究称，受试者们11岁时身体中每多携带5微克/分升的铅，到45岁时，他们的大脑皮质表面积比对照组减少了1平方厘米，海马体体积减少了0.1立方厘米，智商值则平均低2点，有些人还表现出认知能力衰弱。

其中，铅暴露量最高的参与者大脑白质完整性还会出现损伤。由于童年是大脑发育的关键时期，故这段时间的铅暴露会对大脑造成长期影响，甚至可能在老年带来退行性疾病。

在曾经的日常生活中，有很多大家习以为常，实际上却严重损伤人类大脑的事物。比如一度流行的铅制水管，以及上面所说的含铅汽车尾气。虽然这些铅制水管和含铅尾气，正在慢慢淡出人类的生活，但它们造成的危害却像阴影一样，长久缠绕在为数众多的受害者身边。

含铅汽油能够在将近100年间大行其道，其中固然有妥协和无奈，但其背后的资本势力和监管失位同样难辞其咎。汽油中为什么要添加铅，人长期吸入含铅尾气又会引发怎样的症状，人类在未来能够完全杜绝铅的污染，甚至将铅排除出常用材料吗？

铅结晶和加工后的铅单质块（图片来源：维基百科）

含铅汽油添加剂如何登上人类的历史舞台？

人类在不断改良内燃机的过程中，逐渐发现了所谓的“爆震”现象。早期内燃机压缩比低，气缸内温度不高，只要火花塞不点火，缸内的油气混合物就不会发生燃烧。当我们追求更高性能内燃机的时候，不免要增大压缩比，提高气缸工作温度。此时就可能出现部分油气混合物在火花塞点火之前就发生自燃的现象，也就是汽油的爆震。

这就好比大家齐心协力赛龙舟时，有人不听号子划船自己乱来，最终必然会影响整个团队。爆震对内燃机来说绝对不是好现象，它不仅会让内燃机的燃效降低，还可能发出噪音甚至损坏气缸。想要解决爆震，当然可以从内燃机结构和汽油本身两方面入手，但内燃机结构的发展在当时已经陷入瓶颈，且增大压缩比本来就是内燃机发展过程中不可避免的途径。因此，工程师们只能在汽油身上想办法。

含铅汽油添加剂的发明人米基利（左）及其产品包装（右）

图片来源：维基百科

很快，供职于美国通用公司的托马斯·米基利，于1921年发现了一种名为四乙基铅的化合物可以很好地抑制汽油爆震。这种物质合成工艺简单，成本相当低廉，而且只需少量添加就能有效提高汽油的抗爆震性能。可惜的是，铅元素和铅的一些化合物在当时已经是众所周知的毒物，面向市场推出含铅的汽油添加剂很可能会引发公众的担忧。

然而，通用公司对这一技术表现出了极大的兴趣，为了产品能够顺利上市，他们在产品命名时刻意隐瞒了汽油含铅的事实，将其称为“乙基汽油添加剂”。从生产线建设开始，就已经有多名工人因铅中毒而患病甚至死亡。但是，在抗爆汽油添加剂巨大的经济利益面前，通用公司仍然不顾各种安全隐患，推动四乙基铅成为后来近100年使用最为广泛的汽油添加剂。

劣迹斑斑的含铅尾气

含铅汽油添加剂的危害很快开始显现。生产环节中，工人急性中毒以及慢性职业性中毒的事件频发。在消费环节，大量含铅废物随着汽车尾气的排放进入大气，并在道路沿线地区富集。发达国家较早进入汽车社会，机动车保有量在数十年前曾遥遥领先于发展中国家，因此更早成为铅尾气污染的受害者。

图片来源：veer图库

由四乙基铅汽油添加剂造成的急性中毒事件中，最为知名且最富有戏剧性的便是其发明人米基利的以身试法。1923年10月30日，为了打消公众对这种物质安全性的疑虑，米基利专门召开了发布会，并在现场取出一小瓶四乙基铅添加剂，并将其涂抹在手上，同时还对着瓶口嗅闻了60秒。谁知这场发布会竟成了“大型车祸现场”，几天后，不仅通用旗下的一所四乙基铅工厂遭遇新泽西州政府关停，米基利本人也出现了严重的铅中毒症状。他被送入医院后，休养了整整一年时间才基本恢复。

而在1970年的东京柳町，也发生了严重的慢性铅中毒事件。柳町是东京新宿区的一个街区，在当时是几条交通干道的交汇处，而且地形上位于谷底，空气容易发生蓄积。汽车尾气遇上“谷底”地形，使得该地区空气中一氧化碳含量常年位于东京前列。这导致当地居民呼吸道疾病的发病率居高不下，甚至有“柳町哮喘”这样的说法。

冬天的汽车尾气（图片来源：veer图库）

为了对当地居民的健康状况进行摸底排查，医疗机构对当地居民进行了内容详细的体检。结果发现，此地受检居民身体中的血铅含量达到了平均47.7毫克每分升，最高138毫克每分升的水平，基本是国内其余地区的7倍以上。而当时日本厚生劳动省规定的铅职业伤害认定标准为60毫克每分升，柳町的很多居民已经处于铅中毒的状态。

不过，慢性铅中毒对神经系统的影响很难用具体数值进行描述，毕竟这可能是持续数十年的缓慢进程。上面的研究数据虽然存在一系列细节上值得推敲的纰漏，但总体上还是能够反映出铅中毒对人体神经系统长久而深远的毒害性。那么，铅这种元素和人体到底会发生怎样的作用，它为什么会影响人的身体健康，铅中毒后的症状和治疗方法又是怎样的呢？

铅到底是一种怎样的元素？

铅是自然界中广泛存在的金属元素，铅的单质具有密度大、易熔炼、易加工等特点，在工业界和日常生活中用途广泛。铅的密度大约是铁的1.4倍，因此铅的单质常用来制作各种形式的配重。铅的各种化合物更是从工业革命时代起就成为了人类不可或缺的重要原料，除了汽油添加剂，铅较大的工业用途还包括铅蓄电池、锡铅焊料、铅涂料、铅合金饰品等等。

用作射线屏蔽材料的铅砖（左）和小型铅蓄电池（右）

图片来源：维基百科

作为一种有毒元素，铅在单质形式下存在时只要不进入身体就完全没有中毒风险。触摸铅的块体材料非常安全，无需过多疑虑，但误食铅则非常危险。单质铅在胃酸作用下会溶解出铅离子，这些离子进入血液后会很快流向全身，在多个器官造成损害。

2006年，美国曾发生过一起误食纯铅饰品造成4岁儿童死亡的事件。一名患有轻微智力障碍的4岁男童由于突发呕吐而前往医院，医生起初并未怀疑男童误食毒物，只开了止吐药后便让家长带男童回家。岂料两天后男童情况突然恶化，腹痛严重并伴随四肢无力。送往医院后，男童相继出现亢奋、呼吸困难、脑部水肿等一系列神经系统症状、X光透视检查显示男童胃部存在异物。

入院4天后，男童血液中铅浓度达到180毫克每分升，医生这才怀疑急性铅中毒的可能。但结论为时已晚，男童当晚出现脑死亡症状，并在入院5天后不治身亡。死后的解剖结果显示，男童胃部的异物为靴子上的心形装饰物，其含铅量达到了99.1%。

这起悲剧发生后，许多国家对市面上的廉价金属饰品进行了多次检查，结论显示铅和铅合金由于价格低廉且质感扎实，直到现在仍然被某些厂商用来制作低成本饰品。这些饰品在日常佩戴过程中并不会对健康造成影响，但若被儿童误食则有很大的中毒风险。

（单质）铅中毒实例：（左）铅水管系统，（右）食腐动物食用中铅弹猎物后容易中毒

图片来源：维基百科

铅的化合物更有可能产生环境公害

说完了铅的单质，我们再来看看铅的各种化合物（包括铅水管中溶解出的铅离子）对人体有哪些健康风险。铅的各种无机化合物虽然能够在体外稳定存在，但它们一旦通过呼吸道和消化道进入身体就会逐渐沉积并缓慢分解，分解后的铅离子在血液、软组织和骨组织中含量最大。各脏器中，肾脏和肝脏因为参与铅的代谢，因此铅含量更高，脑中铅含量相对就低得多。

汽车尾气中释放出的气态有机铅化合物，进入人体主要是通过呼吸道途径，由于具有脂溶性，皮肤也是其进入人体的可能途径之一。进入人体后的铅虽然也会蓄积，但一定程度上也能排出体外，粪便、尿液甚至呼吸都是铅排出身体的途径。与无机铅化合物不同的是，吸入有机铅化合物后脑中的铅浓度会显著增高，这也是含铅尾气容易对神经系统造成影响的重要原因之一。

铅对身体的影响：（左）幼年时期有铅暴露史者成年后大脑前额叶体积明显变小（红色部分），（中）铅中毒后特殊的干骺端线，（右）铅中毒后的嗜碱性点彩红细胞

图片来源：维基百科

铅进入人体后诱发异常的主要原因在于铅能够干扰血红蛋白的合成。当铅在血液中的浓度达到40微克每分升以上时，与造血相关的生化过程就会开始受到干扰，但此时体内的异常状况还不足以发展为短期内能够察觉的明显症状。当血铅浓度达到60微克每分升以上时，身体中的肝、肾等多个脏器的指标就可能出现异常。血铅浓度进一步上升到80微克每分升时，全身症状开始显现，首要的表现为贫血及特有的灰白面容，神经系统也将出现头痛、敏感、躁郁等各种表现。

当体内血铅含量升高到150微克每分升以上时，人体已经处于与急性铅中毒相当的状态，此时身体各大系统特别是神经系统将出现严重异常。人脑的正常功能难以维持，运动和知觉神经异常，在神经麻痹作用下，患者常表现出特有的垂手症状。

警惕儿童杀手（图片来源：长沙晚报）

近年来，不断有研究发现，长期暴露在铅含量超标的环境中，即便血铅浓度没有达到传统意义上的致病危险值，人体内的损害、特别是神经系统的损害也已经产生。因此，本次研究也并非提出了新结论，而不过是给长期存在的观点增加了一些新的佐证。与铜、铁等其它金属元素不同，铅在人体内没有任何已知的作用，属于纯粹的有毒有害物质。但由于铅在自然界中的分布极为广泛，人类将不可避免地通过各种途径摄入铅，这其中又以饮食为主。

我国居民日常的铅摄入量依地区有所不同，以杭州居民为例，2014年的调查显示，杭州居民的铅摄入量约在每日80微克，这一数据与每日200微克的可耐受摄入量有不小的距离，但仍然显著高于邻国日本（约20微克）等较早对铅污染进行全面控制的国家。

随着各类更加严格的环保措施的出台，相信我国居民的铅摄入量将会逐渐向世界先进水平看齐。因此，在各工业门类中采取更加全面的“禁铅”举措，显得更加重要。

铅的存在状态决定是否对环境有害

其实，决定铅对人体和环境毒害作用大小的，是铅的存在以及分布形态，后者则直接决定了含铅材料能否大规模推广应用。例如，虽然工业用铅的接近9成都用于铅蓄电池，但其中的含铅化合物释放到外界污染环境的可能性很低，因此铅蓄电池一直是制造车用电瓶和UPS备用电源的首选。而作为抗爆汽油添加剂的四乙基铅以及电子工业中所用的锡铅焊料则存在着很大的环境风险。

锡铅焊料虽然性能优异成本低廉，但由于电路基板上存在诸多焊点，因此废旧电路板上的含铅合金事实上无法进行回收，而电子产品巨大和消费量和废弃量又使得它们不可能被集中进行无害化处理。最终，堆积在野外垃圾处理场的电路板在自然条件下可能会源源不断地向土壤和地下水中释放铅，这些铅最终会被植物和水生动物富集，再通过食物链进入人体。

废旧电路板（图片来源：veer图库）

考虑到铅使用不当后潜在的环境危害性，即便四乙基铅和锡铅焊料有着不可比拟的性能优势，人类也必须向它们挥手告别。目前，世界上仅有数个国家和地区仍在售卖含铅汽油，电子工业经过将近30年的努力，也基本在民用消费电子领域杜绝了锡铅焊料的使用。这些举措很好地抑制了环境中铅含量的上升趋势，也使得总体上人类通过呼吸和饮食摄入体内的铅含量降低。

纵观地球演化发展的历史，可以窥见每一种元素都是自然界赋予人类的宝藏，它们总是在某个时候为人类的发展创造机会。虽然某些形式的铅和铅化合物具有一定的人体毒性，它们仍然是很多场合下不可替代的关键材料。而且，只要按照科学的方式加以使用，这些含铅材料并不会对人体和环境造成损害。未来，人类仍然需要更加严格地控制弥散形式的铅进入环境，同时也需要更合理地开发、利用铅，让这些资源真正为人类造福。

参考文献：

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

关键词：四乙基铅神经系统汽车尾气