這種隨處可見的元素，差點讓全人類變成傻子

出品：科普中國

作者：張昊

監(jiān)制：中國科普博覽

今年3月，一項發(fā)表在權威雜志《美國科學院院刊》的研究指出，含鉛汽油曾經的廣泛使用，讓全美超過一半人口的智力水平受到負面影響，平均每人的智商指數IQ，下降了2.6分。

今天，我們就聊聊“鉛”的故事。在正文開始之前，我想再重復一遍大家耳熟能詳的事，那就是我們用的鉛筆，雖然叫鉛筆，其實和鉛沒關系，鉛筆芯的成分是石墨，是碳的一種形態(tài)。所以即使小時候喜歡“咬筆頭”，也不必擔心。

回到主題。無獨有偶，2020年一項《美國醫(yī)學會雜志》上的研究，科學家掃描了1000余名出生于新西蘭同一城鎮(zhèn)的45歲成年人的大腦結構，他們成長的時期正是含鉛汽油的使用高峰期。該研究稱，受試者們11歲時身體中每多攜帶5微克/分升的鉛，到45歲時，他們的大腦皮質表面積比對照組減少了1平方厘米，海馬體體積減少了0.1立方厘米，智商值則平均低2點，有些人還表現出認知能力衰弱。

其中，鉛暴露量最高的參與者大腦白質完整性還會出現損傷。由于童年是大腦發(fā)育的關鍵時期，故這段時間的鉛暴露會對大腦造成長期影響，甚至可能在老年帶來退行性疾病。

在曾經的日常生活中，有很多大家習以為常，實際上卻嚴重損傷人類大腦的事物。比如一度流行的鉛制水管，以及上面所說的含鉛汽車尾氣。雖然這些鉛制水管和含鉛尾氣，正在慢慢淡出人類的生活，但它們造成的危害卻像陰影一樣，長久纏繞在為數眾多的受害者身邊。

含鉛汽油能夠在將近100年間大行其道，其中固然有妥協和無奈，但其背后的資本勢力和監(jiān)管失位同樣難辭其咎。汽油中為什么要添加鉛，人長期吸入含鉛尾氣又會引發(fā)怎樣的癥狀，人類在未來能夠完全杜絕鉛的污染，甚至將鉛排除出常用材料嗎？

鉛結晶和加工后的鉛單質塊 （圖片來源：維基百科）

含鉛汽油添加劑如何登上人類的歷史舞臺？

人類在不斷改良內燃機的過程中，逐漸發(fā)現了所謂的“爆震”現象。早期內燃機壓縮比低，氣缸內溫度不高，只要火花塞不點火，缸內的油氣混合物就不會發(fā)生燃燒。當我們追求更高性能內燃機的時候，不免要增大壓縮比，提高氣缸工作溫度。此時就可能出現部分油氣混合物在火花塞點火之前就發(fā)生自燃的現象，也就是汽油的爆震。

這就好比大家齊心協力賽龍舟時，有人不聽號子劃船自己亂來，最終必然會影響整個團隊。爆震對內燃機來說絕對不是好現象，它不僅會讓內燃機的燃效降低，還可能發(fā)出噪音甚至損壞氣缸。想要解決爆震，當然可以從內燃機結構和汽油本身兩方面入手，但內燃機結構的發(fā)展在當時已經陷入瓶頸，且增大壓縮比本來就是內燃機發(fā)展過程中不可避免的途徑。因此，工程師們只能在汽油身上想辦法。

含鉛汽油添加劑的發(fā)明人米基利（左）及其產品包裝（右）

圖片來源：維基百科

很快，供職于美國通用公司的托馬斯·米基利，于1921年發(fā)現了一種名為四乙基鉛的化合物可以很好地抑制汽油爆震。這種物質合成工藝簡單，成本相當低廉，而且只需少量添加就能有效提高汽油的抗爆震性能?？上У氖?，鉛元素和鉛的一些化合物在當時已經是眾所周知的毒物，面向市場推出含鉛的汽油添加劑很可能會引發(fā)公眾的擔憂。

然而，通用公司對這一技術表現出了極大的興趣，為了產品能夠順利上市，他們在產品命名時刻意隱瞞了汽油含鉛的事實，將其稱為“乙基汽油添加劑”。從生產線建設開始，就已經有多名工人因鉛中毒而患病甚至死亡。但是，在抗爆汽油添加劑巨大的經濟利益面前，通用公司仍然不顧各種安全隱患，推動四乙基鉛成為后來近100年使用最為廣泛的汽油添加劑。

劣跡斑斑的含鉛尾氣

含鉛汽油添加劑的危害很快開始顯現。生產環(huán)節(jié)中，工人急性中毒以及慢性職業(yè)性中毒的事件頻發(fā)。在消費環(huán)節(jié)，大量含鉛廢物隨著汽車尾氣的排放進入大氣，并在道路沿線地區(qū)富集。發(fā)達國家較早進入汽車社會，機動車保有量在數十年前曾遙遙領先于發(fā)展中國家，因此更早成為鉛尾氣污染的受害者。

圖片來源：veer圖庫

由四乙基鉛汽油添加劑造成的急性中毒事件中，最為知名且最富有戲劇性的便是其發(fā)明人米基利的以身試法。1923年10月30日，為了打消公眾對這種物質安全性的疑慮，米基利專門召開了發(fā)布會，并在現場取出一小瓶四乙基鉛添加劑，并將其涂抹在手上，同時還對著瓶口嗅聞了60秒。誰知這場發(fā)布會竟成了“大型車禍現場”，幾天后，不僅通用旗下的一所四乙基鉛工廠遭遇新澤西州政府關停，米基利本人也出現了嚴重的鉛中毒癥狀。他被送入醫(yī)院后，休養(yǎng)了整整一年時間才基本恢復。

而在1970年的東京柳町，也發(fā)生了嚴重的慢性鉛中毒事件。柳町是東京新宿區(qū)的一個街區(qū)，在當時是幾條交通干道的交匯處，而且地形上位于谷底，空氣容易發(fā)生蓄積。汽車尾氣遇上“谷底”地形，使得該地區(qū)空氣中一氧化碳含量常年位于東京前列。這導致當地居民呼吸道疾病的發(fā)病率居高不下，甚至有“柳町哮喘”這樣的說法。

冬天的汽車尾氣 （圖片來源：veer圖庫）

為了對當地居民的健康狀況進行摸底排查，醫(yī)療機構對當地居民進行了內容詳細的體檢。結果發(fā)現，此地受檢居民身體中的血鉛含量達到了平均47.7毫克每分升，最高138毫克每分升的水平，基本是國內其余地區(qū)的7倍以上。而當時日本厚生勞動省規(guī)定的鉛職業(yè)傷害認定標準為60毫克每分升，柳町的很多居民已經處于鉛中毒的狀態(tài)。

不過，慢性鉛中毒對神經系統(tǒng)的影響很難用具體數值進行描述，畢竟這可能是持續(xù)數十年的緩慢進程。上面的研究數據雖然存在一系列細節(jié)上值得推敲的紕漏，但總體上還是能夠反映出鉛中毒對人體神經系統(tǒng)長久而深遠的毒害性。那么，鉛這種元素和人體到底會發(fā)生怎樣的作用，它為什么會影響人的身體健康，鉛中毒后的癥狀和治療方法又是怎樣的呢？

鉛到底是一種怎樣的元素？

鉛是自然界中廣泛存在的金屬元素，鉛的單質具有密度大、易熔煉、易加工等特點，在工業(yè)界和日常生活中用途廣泛。鉛的密度大約是鐵的1.4倍，因此鉛的單質常用來制作各種形式的配重。鉛的各種化合物更是從工業(yè)革命時代起就成為了人類不可或缺的重要原料，除了汽油添加劑，鉛較大的工業(yè)用途還包括鉛蓄電池、錫鉛焊料、鉛涂料、鉛合金飾品等等。

用作射線屏蔽材料的鉛磚（左）和小型鉛蓄電池（右）

圖片來源：維基百科

作為一種有毒元素，鉛在單質形式下存在時只要不進入身體就完全沒有中毒風險。觸摸鉛的塊體材料非常安全，無需過多疑慮，但誤食鉛則非常危險。單質鉛在胃酸作用下會溶解出鉛離子，這些離子進入血液后會很快流向全身，在多個器官造成損害。

2006年，美國曾發(fā)生過一起誤食純鉛飾品造成4歲兒童死亡的事件。一名患有輕微智力障礙的4歲男童由于突發(fā)嘔吐而前往醫(yī)院，醫(yī)生起初并未懷疑男童誤食毒物，只開了止吐藥后便讓家長帶男童回家。豈料兩天后男童情況突然惡化，腹痛嚴重并伴隨四肢無力。送往醫(yī)院后，男童相繼出現亢奮、呼吸困難、腦部水腫等一系列神經系統(tǒng)癥狀、X光透視檢查顯示男童胃部存在異物。

入院4天后，男童血液中鉛濃度達到180毫克每分升，醫(yī)生這才懷疑急性鉛中毒的可能。但結論為時已晚，男童當晚出現腦死亡癥狀，并在入院5天后不治身亡。死后的解剖結果顯示，男童胃部的異物為靴子上的心形裝飾物，其含鉛量達到了99.1%。

這起悲劇發(fā)生后，許多國家對市面上的廉價金屬飾品進行了多次檢查，結論顯示鉛和鉛合金由于價格低廉且質感扎實，直到現在仍然被某些廠商用來制作低成本飾品。這些飾品在日常佩戴過程中并不會對健康造成影響，但若被兒童誤食則有很大的中毒風險。

（單質）鉛中毒實例：（左）鉛水管系統(tǒng)，（右）食腐動物食用中鉛彈獵物后容易中毒

圖片來源：維基百科

鉛的化合物更有可能產生環(huán)境公害

說完了鉛的單質，我們再來看看鉛的各種化合物（包括鉛水管中溶解出的鉛離子）對人體有哪些健康風險。鉛的各種無機化合物雖然能夠在體外穩(wěn)定存在，但它們一旦通過呼吸道和消化道進入身體就會逐漸沉積并緩慢分解，分解后的鉛離子在血液、軟組織和骨組織中含量最大。各臟器中，腎臟和肝臟因為參與鉛的代謝，因此鉛含量更高，腦中鉛含量相對就低得多。

汽車尾氣中釋放出的氣態(tài)有機鉛化合物，進入人體主要是通過呼吸道途徑，由于具有脂溶性，皮膚也是其進入人體的可能途徑之一。進入人體后的鉛雖然也會蓄積，但一定程度上也能排出體外，糞便、尿液甚至呼吸都是鉛排出身體的途徑。與無機鉛化合物不同的是，吸入有機鉛化合物后腦中的鉛濃度會顯著增高，這也是含鉛尾氣容易對神經系統(tǒng)造成影響的重要原因之一。

鉛對身體的影響：（左）幼年時期有鉛暴露史者成年后大腦前額葉體積明顯變?。t色部分），（中）鉛中毒后特殊的干骺端線，（右）鉛中毒后的嗜堿性點彩紅細胞

圖片來源：維基百科

鉛進入人體后誘發(fā)異常的主要原因在于鉛能夠干擾血紅蛋白的合成。當鉛在血液中的濃度達到40微克每分升以上時，與造血相關的生化過程就會開始受到干擾，但此時體內的異常狀況還不足以發(fā)展為短期內能夠察覺的明顯癥狀。當血鉛濃度達到60微克每分升以上時，身體中的肝、腎等多個臟器的指標就可能出現異常。血鉛濃度進一步上升到80微克每分升時，全身癥狀開始顯現，首要的表現為貧血及特有的灰白面容，神經系統(tǒng)也將出現頭痛、敏感、躁郁等各種表現。

當體內血鉛含量升高到150微克每分升以上時，人體已經處于與急性鉛中毒相當的狀態(tài)，此時身體各大系統(tǒng)特別是神經系統(tǒng)將出現嚴重異常。人腦的正常功能難以維持，運動和知覺神經異常，在神經麻痹作用下，患者常表現出特有的垂手癥狀。

警惕兒童殺手 （圖片來源：長沙晚報）

近年來，不斷有研究發(fā)現，長期暴露在鉛含量超標的環(huán)境中，即便血鉛濃度沒有達到傳統(tǒng)意義上的致病危險值，人體內的損害、特別是神經系統(tǒng)的損害也已經產生。因此，本次研究也并非提出了新結論，而不過是給長期存在的觀點增加了一些新的佐證。與銅、鐵等其它金屬元素不同，鉛在人體內沒有任何已知的作用，屬于純粹的有毒有害物質。但由于鉛在自然界中的分布極為廣泛，人類將不可避免地通過各種途徑攝入鉛，這其中又以飲食為主。

我國居民日常的鉛攝入量依地區(qū)有所不同，以杭州居民為例，2014年的調查顯示，杭州居民的鉛攝入量約在每日80微克，這一數據與每日200微克的可耐受攝入量有不小的距離，但仍然顯著高于鄰國日本（約20微克）等較早對鉛污染進行全面控制的國家。

隨著各類更加嚴格的環(huán)保措施的出臺，相信我國居民的鉛攝入量將會逐漸向世界先進水平看齊。因此，在各工業(yè)門類中采取更加全面的“禁鉛”舉措，顯得更加重要。

鉛的存在狀態(tài)決定是否對環(huán)境有害

其實，決定鉛對人體和環(huán)境毒害作用大小的，是鉛的存在以及分布形態(tài)，后者則直接決定了含鉛材料能否大規(guī)模推廣應用。例如，雖然工業(yè)用鉛的接近9成都用于鉛蓄電池，但其中的含鉛化合物釋放到外界污染環(huán)境的可能性很低，因此鉛蓄電池一直是制造車用電瓶和UPS備用電源的首選。而作為抗爆汽油添加劑的四乙基鉛以及電子工業(yè)中所用的錫鉛焊料則存在著很大的環(huán)境風險。

錫鉛焊料雖然性能優(yōu)異成本低廉，但由于電路基板上存在諸多焊點，因此廢舊電路板上的含鉛合金事實上無法進行回收，而電子產品巨大和消費量和廢棄量又使得它們不可能被集中進行無害化處理。最終，堆積在野外垃圾處理場的電路板在自然條件下可能會源源不斷地向土壤和地下水中釋放鉛，這些鉛最終會被植物和水生動物富集，再通過食物鏈進入人體。

廢舊電路板 （圖片來源：veer圖庫）

考慮到鉛使用不當后潛在的環(huán)境危害性，即便四乙基鉛和錫鉛焊料有著不可比擬的性能優(yōu)勢，人類也必須向它們揮手告別。目前，世界上僅有數個國家和地區(qū)仍在售賣含鉛汽油，電子工業(yè)經過將近30年的努力，也基本在民用消費電子領域杜絕了錫鉛焊料的使用。這些舉措很好地抑制了環(huán)境中鉛含量的上升趨勢，也使得總體上人類通過呼吸和飲食攝入體內的鉛含量降低。

縱觀地球演化發(fā)展的歷史，可以窺見每一種元素都是自然界賦予人類的寶藏，它們總是在某個時候為人類的發(fā)展創(chuàng)造機會。雖然某些形式的鉛和鉛化合物具有一定的人體毒性，它們仍然是很多場合下不可替代的關鍵材料。而且，只要按照科學的方式加以使用，這些含鉛材料并不會對人體和環(huán)境造成損害。未來，人類仍然需要更加嚴格地控制彌散形式的鉛進入環(huán)境，同時也需要更合理地開發(fā)、利用鉛，讓這些資源真正為人類造福。

參考文獻：

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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