五四青年节来啦！《知识就是力量》特别策划“青年科学家趣谈科学”系列内容，我们将从航空航天、生命科学、化学、人工智能、动植物、物理天文等领域挑选青年科学家，一方面带领大家认识中国优秀的青年科学家群体，另一方面，这些青年科学家将带领大家读科学、知科学、爱科学。
重金属摇滚给我们带来
排山倒海、震撼心魄的感受，
生活中的多种重金属元素
给人们带来的“震慑力”也非同小可，
一旦发现食物或者生活用具中
有某类重金属超标的隐患，
人们都避之不及。
接下来，
青年科学家王迪雅将带我们
揭开重金属锰的神秘面纱！
王迪雅 空军军医大学军事预防医学系军队劳动与环境卫生学教研室，讲师，博士。硕士、博士期间针对重金属锰的神经毒性机制进行了一系列研究。在锰诱导的神经炎症病理生理机制方面有较深的理论基础和实验经验。主要研究重金属对中枢神经系统学习记忆功能及行为运动能力的影响。研究成果以第一作者身份发表多篇SCI论文，单篇最高影响因子11.7。近年来，主持国家自然科学基金青年项目1项，陕西省自然科学基金面上项目1项，获中国科协青年人才托举计划1项，陕西省高校科协青年人才托举计划项目1项，获空军军医大学雏鹰计划项目支持，博士学位论文被评为陕西省优秀博士学位论文；以第一或共同第一作者发表SCI论文5篇，参与发表SCI论文5篇。
生命不可过多承受之——重金属锰
撰文/王迪雅
我们一般将密度大于4.5克每立方厘米的金属称为“重金属”，例如铅、汞、镉等。这些重金属不易降解，人体一旦摄入过量，它们会在体内沉积，对人体的健康带来极大的危害。而重金属锰又是其中较为特殊的一员，它本身为人体的必须微量元素，人体正常功能的进行离不开锰元素的摄入，但当人体摄入量超过需求量时，它就会产生毒性作用。
那么，锰在大自然及生活中究竟都以怎样的形式存在？我们会通过哪些途径接触到锰？接触到锰对人体究竟会存在怎样的影响？针对这些影响又该怎样预防呢？下面我们就一起揭开重金属锰的神秘面纱。
锰的发现和运用
在1774年，瑞典科学家舍勒发现净化的软锰矿，并在同年由奥地利科学家甘恩进行加热提纯，最终发现了锰的金属颗粒。在发现锰的半个世纪后的1825年，俄国将锰钢制作成功，这种锰钢坚硬又富有韧性，因此深受冶金业和制造业的推崇，正因为锰具有很好的去氧能力，可以将钢中的氧化铁还原成铁，从而改善钢的品质，降低钢的脆性，因此直到现在锰也依旧是钢铁及不锈钢合金的冶炼原料。
我国的锰矿主要分布在广西、湖南、云南、贵州等地区，其中一些地区曾经密布电解锰企业，为当地带来利益的同时，也对生态环境和居民的身体健康带来危害。直至今日，国家仍在对曾污染地进行大力度治理和严格的监督。
常见的锰化合物有二氧化锰、四氧化三锰、氯化锰、硫酸锰以及高锰酸钾等（图1），而在锰的化合物中，锰的价态越低，毒性越大。Mn2+比Mn3+的毒性大2.5-3倍，Mn4+比Mn6+的毒性大3-3.5倍。
▲图1 常见锰化合物
什么情况下会接触锰？
锰矿石的开采、粉碎、运输、加工和冶炼，以及制造锰合金的过程中都会使从事相关工作的人员接触到锰。此外，锰化合物还用于制造干电池、焊料、氧化剂和催化剂，在焊接和风割锰合金以及用锰焊条电焊时，均会产生锰烟尘，电焊时如果不进行有效通风，工人呼吸带的MnO2浓度可高达6mg/m3（图2）。
▲图2 电焊工工作中
在生产过程中，锰主要以锰尘和锰烟这两种形式存在，这两种形式也都很好理解，锰尘：开采和破碎锰矿石的生产过程中产生的微小尘粒，锰烟：当高温冶炼锰铁或使用含锰焊条进行电焊时，由于高温溶解而产生的气溶胶状锰氧化物。因此，职业中的锰中毒与作业时间、锰烟尘浓度、防护措施密切相关。
除了以上工业作业过程中接触锰的途径，农药中的代森锰（图3），汽油抗爆剂中代替四乙基铅的MMT等（图4），其中都存在各类锰化合物，通过在职业及环境中的接触，也增加了潜在的锰中毒危险。由此可知，职业因素和环境因素是锰暴露的重要来源。
▲图3 含代森锰锌的农药
▲图4 汽油抗爆剂MMT
锰进入人体后，怎么分布吸收？
正常情况下，锰的摄取来源就是我们平时的膳食和饮水，因此锰的吸收部位主要是在十二指肠。在生产中，锰多以锰烟、锰尘存在，因此呼吸道就是工业生产中锰吸收的主要途径。我们将锰吸收入体内后，它是怎样分布的呢？
通过示意图（图5），我们可以知道，吸收入血液的锰，与血浆中β1球蛋白结合为转锰素分布到全身，还有小部分锰可以进入红细胞形成锰卟啉，并迅速从血液转移到富含线粒体的细胞中，以不溶性磷酸盐的形式蓄积于肝、肾、脑及毛发中，且细胞内的锰有2/3贮留于线粒体内，此外锰还可以通过胎盘，传递给胎儿的中枢神经系统。
▲图5 锰在体内的吸收途径和分布
少部分经胃肠道吸收的锰入肝，在血浆铜蓝蛋白（CP）作用下将Mn2+氧化成Mn3+，再经铁传递蛋白转运至脑毛细血管脉络丛。此外，锰也可以通过血脑屏障或血脑脊液屏障直接入脑（图6）。
▲图6 锰入脑的途径
锰的生理和毒理作用
锰作为人体必需微量元素，有多种生理作用：
1.参与机体多种酶的合成和激活，具有维持血糖水平的作用。
2.锰参与蛋白质、维生素的代谢，是青少年生长发育不可或缺的微量元素。
3.锰还能够维持心血管系统的稳定，有研究表明动脉硬化患者心脏及主动脉内锰含量比健康人低，由此可见心血管疾病与锰的吸收不足有关。
4.锰还参与了遗传信息的传递及甲状腺、性腺的分泌功能，哺乳动物缺锰可引起生长停滞、骨骼畸形、智力下降等。
5.锰对造血功能也存在一定的影响，正常生理功能下，锰可以发挥刺激造血作用，贫血的动物施以小剂量锰盐或锰蛋白复合物可以缓解贫血症状，然而一旦摄入量过多，锰开始会刺激骨髓，继而转为抑制功能，造成肝损伤，引起胆汁淤积，肝组织生化改变及细胞坏死。
6.锰对神经系统的影响依旧是多和少的权衡，锰吸收过少就会造成锰缺乏，癫痫患者轻症者，血锰与正常人类似，重症者，血锰、发锰显著低于健康人。智力低下的患者也表现为锰缺乏，而锰吸收过多，就会造成锰中毒。
锰的生理功能和毒理功能之间最大的界限就是锰的摄入量，缺锰和锰的过量摄入都有可能对机体造成损伤。其中，锰的毒性作用主要表现为急性锰中毒和慢性锰中毒两种形式：
急性锰中毒通常发生于误食高锰酸钾或短时间内吸入高浓度氧化锰烟雾等生活和生产中的情况。误食高锰酸钾多发生与儿童和老人中，有新闻曾报道一名女童将高锰酸钾误以为是糖果吞下，最终造成口腔黏膜糜烂，通过消化道进入体内，还会造成恶心、呕吐、胃痛，严重时会造成胃肠黏膜坏死，出现剧烈的腹痛和便血。而在生产中，由于通风不良，使得工人短时间内吸入高浓度氧化锰烟雾，这种情况通常会引起咽痛、咳嗽、气急，并发生寒战和高热。
慢性锰中毒会引起严重的类似于帕金森氏病的神经系统疾病，患者多表现为行走困难、说话含糊不清、面部表情减少、动作笨拙、静止性震颤等。而这些症状主要就是因为锰进入大脑，对具有不同功能的脑区造成了影响，从而损伤了这些脑区对应的各类神经功能如学习记忆功能和行为运动功能（图7）。
▲图7 重金属锰中毒对不同脑区的影响
如何预防锰中毒？
针对锰中毒的预防主要是完善工作场所的通风设备和加强个人防护的意识。针对皮肤、饮食、呼吸这三种途径，分别做到控制源头，切断途径，末端治理。
1.在源头方面，首先要改革生产设备和原料，比如焊接作业尽量采用无锰焊条，或用自动电焊代替手工电焊，工厂使用抽风及吸尘装置等等。
2.在切断接触途径方面，从事相关工作的工作人员应主动采取防尘措施并佩带防毒防尘装备。
3.最后完善卫生防护制度，包括禁止在工作场所吸烟和进食，禁止将工作服，工作原料，工作设备带离工作区域，带入生活区域，等等。
▲图8 工作场所的通风设备
▲图9 个人防护装备
揭开了锰的神秘面纱，我们知道锰其实在生活中具有重要作用。重金属锰其实并不可怕，只要我们维持正常的摄入量，在职业和环境的接触途径中做好防护，锰将不再是生命不可承受之重，而是生命不可或缺之重。
今天，青年科学家王迪雅为我们带来的“重金属锰”的内容你都了解了吗？如果你有更多关于“重金属”的思考，欢迎留言区互动哟！