第一章 土壤与肥料中的潜在有害因子
第一节 三聚氰胺
一、三聚氰胺的基本性质
三聚氰胺(Melamine),简称三胺,又称密胺、三聚氰酰胺、氰脲三酰胺,是一种三嗪类含氮杂环有机化合物。三聚氰胺及其同系物的结构式如图1-1所示。
图1-1 三聚氰胺及其同系物的分子结构
A.三聚氰胺;B.三聚氰酸一酰胺;C.三聚氰酸二酰胺;D.三聚氰酸
三聚氰胺最早于1834年由德国化学家von Liebing J采用双氰胺法合成,分子式C3N6H6, C3N3(NH2)3,分子量为126.12,是一种白色单斜棱晶体。无味,在常压下,354℃下可分解。能溶于甲醛、乙酸、热乙二醇、甘油、吡啶,微溶于水、乙醇,不溶于乙醚、苯和四氯化碳。
通常情况下三聚氰胺性质较稳定,但在高温下会分解,释放出氰化物、氮氧化物和氨等有毒物质。由于其呈弱碱性(pH=8),故能与大多数酸反应,形成三聚氰胺盐。在中性或微碱性情况下,与甲醛发生缩合反应,生成羟甲基三聚氰胺。在微酸性条件下(pH值5.5 ~6.5),与羟甲基的衍生物发生缩聚反应,生成树脂产物。三聚氰胺遇到强酸或强碱水溶液,会发生水解反应,氨基逐步被羟基取代,先生成三聚氰酸二酰胺,进一步生成三聚氰酸一酰胺,最终生成三聚氰酸,这三者均为三聚氰胺的同系物。
三聚氰胺本身毒性较小,1994年国际化学品安全规划署和欧洲联盟委员会合编的《国际化学品安全卡手册》第三卷说明:长期或反复大量摄入三聚氰胺可能对肾与膀胱产生影响,导致产生结石。
三聚氰胺是一种用途广泛的基本有机化工中间产品,最主要的用途是作为生产三聚氰胺/甲醛树脂(MF)的原料,部分亚洲国家也用来制造化肥。该树脂硬度比脲醛树脂高,不易燃,耐水、耐热、耐老化、耐电弧、耐化学腐蚀,有良好的绝缘性能、光泽度和机械强度,广泛用于木材、塑料、涂料、造纸、纺织、皮革、电气、医药等行业。其用途主要有以下几个方面:
(1)装饰贴面板:可制成防火、抗震、耐热的层压板,色泽鲜艳、坚固耐热的装饰板,作飞机、船舶和家具的贴面板及防火、抗震、耐热的房屋装饰材料。
(2)涂料:用丁醛、甲醇醚化后,作为高级热固性涂料、固体粉末涂料的胶联剂,可制作金属涂料和车辆、电器用高档氨基树脂装饰漆。
(3)模塑粉:经混炼、造粒等工序可制成密胺塑料,无毒、抗污,潮湿时仍能保持良好的电气性能,可制成洁白、耐摔打的日用器皿、卫生洁具和仿瓷餐具,电器设备等的高级绝缘材料。
(4)纸张:用乙醚醚化后可用作纸张处理剂,生产抗皱、抗缩、不腐烂的钞票和军用地图等高级纸。
(5)三聚氰胺——甲醛树脂与其他原料混配,还可以生产出织物整理剂、皮革鞣润剂、上光剂和抗水剂、橡胶粘合剂、助燃剂、高效水泥减水剂、钢材氮化剂等。
二、三聚氰胺及其同系物的生理毒性
2007年3月,含有中国进口蛋白粉的宠物食品在美国引发猫狗死亡,始作俑者就是三聚氰胺。2008年8月,我国爆发的三聚氰胺奶粉制品事件涉及的面之广,性质之恶劣,危害之大到了令人发指的地步。2010—2011年三聚氰胺竟“重现”,又有多家企业因涉嫌生产、销售三聚氰胺超过国家标准的乳制品被监管部门依法查处,甚至还有报道广东潮安县几家食品公司曾经购入含三聚氰胺的问题奶粉来加工奶糖等食品。
三聚氰胺为何会出现在食品当中呢?蛋白质主要由氨基酸组成,其含氮量一般不超过30%,平均含氮量为16%。各个品牌奶粉中蛋白质含量为15%~20%,如以18%计算,含氮量为2.88%。而三聚氰胺含氮量为66.6%,是蛋白质平均含量的4.16倍,牛奶的151倍,奶粉的23倍。每100g牛奶中添加0.1g三聚氰胺,就能提高0.4%蛋白质。食品工业历来通用的蛋白质测试方法为凯氏定氮法,通过测定总氮来估算蛋白质含量。这种方法只能知道氮的总量,不能识别氮的来源和氮源的种类,正是由于食品和饲料工业蛋白质含量测试方法的缺陷,给不法商人留下了制造伪劣食品的空间。三聚氰胺是一种白色结晶粉末,没有什么气味和味道,掺杂后不易被发现,常被不法商人用作食品添加剂,以冒充食品中的蛋白质,因此三聚氰胺也被人称为“蛋白精”。
然而,大量研究发现,三聚氰胺及其同系物对人和动物的危害不容忽视。
(1)对泌尿系统的毒性
三聚氰胺进入体内后主要通过肾脏排泄,血液经滤过、重吸收到最后形成终尿大约要经过1000倍浓缩,三聚氰胺被浓缩后达到一定程度就可以与其在体内分解后形的三聚氰酸形成结晶结构,损害肾脏,最终导致肾功能衰竭,所以有很强的肾脏毒性。三聚氰胺在动物体内的代谢方式是一种惰性代谢,主要以原体的形式经尿液排出体外。有研究表明,三聚氰胺和三聚氰酸对年幼的大鼠较年长的大鼠产生更为严重的肾损伤和更多的结晶沉积,且雄性大鼠较雌性大鼠更易发生肾损伤和肾结晶沉积。也就是说对年幼的、雄性的大鼠发生肾结晶沉积和肾功能衰竭的危险性更高。此外,曾有人对不同性别、尿液pH值等因素对形成三聚氰胺相关结石风险进行研究,结果显示,男性以2.4∶1的比例较女性易发生肾结石;酸性尿液与正常尿液以1.78∶1的比例较正常尿液增加了产生三聚氰胺相关肾结石的风险。
王玉燕等人发现大鼠每日染毒25mg/kg 体重,5周后肾脏由于结晶体的挤压使肾组织严重缺血呈土黄色沙石样改变。对狗的慢性毒性研究发现,三聚氰胺能导致肾纤维化,远曲小管和集合管上皮增生、扩张,同时还导致甲状腺萎缩和淋巴细胞浸润,此外还可引起钙质沉着等。Chen等利用大鼠对三聚氰胺和三聚氰酸混合物进行了3个月的亚慢性毒性检测,也发现了肾脏中混有坏死细胞碎片及炎性细胞。Park D等经研究证实,三聚氰胺和三聚氰酸混合攻毒时具有很强的剂量依赖性,剂量达到400mg/kg时肾毒性加剧,会引起急性间质性肾炎、肾小管严重扩张、肾小球萎缩。蔡仕彬等研究了三聚氰胺在SD大鼠胚胎发育过程中对胎鼠肾的致病性,发现三聚氰胺通过胎盘屏障进入胎鼠体内,沉积在肾脏,对胎鼠肾生长发育具有损伤作用,损伤主要在肾小管和肾间质,也有研究认为三聚氰胺或三聚氰酸对成年鼠的肾毒性大于新生鼠。Reimschuessel R等研究发现鳃鱼和鳟鱼对三聚氰胺和三聚氰酸也较为敏感,而且由于鱼类排泄较哺乳动物慢,所以受损害更严重。
黄新凤等在病理学检测中发现三聚氰胺高剂量组可引起膀胱组织瓣膜下水肿、血管扩张,局部可见瓣膜上皮脱落,部分膀胱组织可见膀胱内沉积物,证明其攻毒后对实验动物膀胱的毒性。
(2)对消化系统的毒性
一般认为三聚氰胺在胃内可能由胃酸催化,部分水解生成三聚氰酸,再吸收入血发挥其毒性到达各脏器发挥其毒性。经检测三聚氰胺在血中、肝内和血浆中的浓度基本相同,说明其是在体液中分布的,并不在肝脏中代谢。但研究还是发现蛋鸡饲料中单独添加10~30mg/kg三聚氰酸会使肝细胞肿大、出现空泡变性。谢志辉等研究发现,随着三聚氰胺与三聚氰酸混合剂量的升高,Bax 蛋白表达量逐渐增多,且三聚氰胺与三聚氰酸混合高剂量情况下能诱导肝细胞发生凋亡。调控肝细胞凋亡的基因主要为Bax、Caspase-3,而凋亡抑制基因Bcl-2则与三聚氰胺和三聚氰酸诱导小鼠肝细胞凋亡的调控无关。通过对小鼠肝脏解剖可见,混合剂量越大,肝脏组织发生病变越严重。
(3)对神经系统的毒性
江泉观等发现大鼠连续4个月以上吸入三聚氰胺会出现中枢神经系统功能紊乱。在体外试验中,Wang Y等研究了三聚氰胺及其混合物对大鼠海马神经元细胞的影响,发现不仅混合物会损害神经细胞,甚至低水平的三聚氰胺对培养的海马神经元细胞也会产生损伤。Han YG等评估了三聚氰胺对已分化PC12神经细胞的影响,结果表明三聚氰胺引起早期细胞凋亡主要浓度范围是33~3300mg/L,并呈浓度依赖性,在3300mg/L以下几乎不会引起分化的PC12细胞坏死,并认为三聚氰胺通过引起细胞凋亡来抑制分化的PC12细胞的增殖,并且氧化应激参与了这一过程。
(4)对生殖系统的毒性
Yin等研究发现,三聚氰胺及其与三聚氰酸混合均对小鼠的睾丸有一定的毒性作用,表现在生精细胞层数减少,核肿大、溶解且染色不均。此外,曲精小管某些部位的精子数减少或无成熟的精子,并导致睾丸间质细胞和各级生精细胞的形态结构发生了改变。三聚氰胺及其与三聚氰酸混合均可以诱导小鼠睾丸生精细胞发生凋亡,且二者混合较三聚氰胺单独作用毒性更强。Chang等研究发现三聚氰胺及其与三聚氰酸混合作用均会使精子畸形率明显升高(p<0.05),并抑制睾酮的分泌,促进雌二醇的分泌。有研究表明与对照组和三聚氰酸组相比,三聚氰胺组小鼠早期和晚期胎儿死亡数显著增加(p<0.05)。研究还发现在羊水中有三聚氰胺,这说明了三聚氰胺可以从母体转移到胎儿体内,并且发现当母体摄入高剂量的三聚氰酸后也可以在羊水中检测到三聚氰酸。
(5)对免疫系统的毒性
Yoon YS等的研究数据表明饲喂三聚氰胺组小鼠的白细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱粒细胞的数量均有所减少。另外,饲料中添加三聚氰胺对吉富罗非鱼血清总蛋白及全血的白细胞数、血红蛋白及血小板数都会产生显著影响。关于过敏反应,Lazarov A发现83例纺织性皮炎病例中约20.7%源于对三聚氰胺甲醛和乙烯脲三聚氰胺甲醛过敏,Garcia Gavin J等也报道了因三聚氰胺——甲醛树脂职业暴露所致的背部和手腕部位湿疹,皮肤斑。
(6)细胞毒性
针对细胞毒性,目前国内外研究多数集中在三聚氰胺及其同系物对动物的肾细胞、神经细胞的影响。尹荣焕等的研究表明,三聚氰胺及其与三聚氰酸混合作用都会对Vero细胞产生一定的毒性,能够使Vero细胞的形态发生改变,抑制细胞的增殖,干扰Vero 细胞对中性红的摄取率,并且二者混合作用对Vero细胞毒性比三聚氰胺单独作用毒性更强。Wang ZF等研究了三聚氰胺对单细胞真核生物模型——纤毛类原生动物梨形四膜虫的细胞毒性作用,发现三聚氰胺不仅对梨形四膜虫的生长速率具有抑制作用,而且可以使细胞发生形变。
(7)遗传毒性及致癌性
Ronald E Banes等指出向5只刚断奶的乳猪静脉注入6.13mg/kg的三聚氰胺,收集超过24h的血样,用紫外高效液相色谱仪来分析,然后与在小鼠上的研究比较,发现三聚氰胺也引起了乳猪膀胱结石和其过渡期的细胞增生。Kumura M等证实饲喂含30mg/kg三聚氰胺饲料能诱发344鼠膀胱肿瘤和输尿管肿瘤,研究者已利用三聚氰胺处理小鼠成功复制出泌尿道肿瘤模型。张国文等研究发现三聚氰胺通过嵌插的方式作用于DNA的加合位点,通过形成DNA加合物的形式对DNA造成损伤作用,并有可能使DNA产生诱变。林居纯等对昆明小鼠进行三聚氰胺微核试验、精子畸形试验及致畸胎试验的研究发现,三聚氰胺对骨髓细胞没有毒性和不产生致突变作用,但其对精子的致畸率呈剂量效应关系,精子畸形表现在折尾、无钩和胖头,其中以折尾为主,说明三聚氰胺对精子有一定的致畸毒性和潜在的遗传毒性。目前国际癌症研究机构(IARC)评估三聚氰胺对人类致癌性属于三级,即对人类的致癌性尚无法分类。
(8)其他毒性
Cianciolo等用被三聚氰胺污染的猫食喂养猫之后观察到,70只猫中有43只出现体征,包括无食欲、呕吐、多尿、烦渴和嗜睡等,喂养7~11d后38只猫出现氮质血症。研究者还发现了三聚氰胺的其他毒性,大鼠连续4个月以上吸入三聚氰胺会出现体重增加迟滞,肺内炎性改变等。研究证实在蛋鸡的饲料中单独添加10 ~ 30mg/kg 三聚氰胺,还可以显著降低1~21d产蛋率,单独添加等量三聚氰酸,1~21d蛋鸡饲料利用率有降低趋势(p=0.070),当三聚氰酸剂量达到50mg/kg时,则能显著降低饲料利用率。而三聚氰胺和三聚氰酸联合中毒的猪临床上还表现出渐进性消瘦、皮肤粗糙等症状。
三、农业土壤中三聚氰胺的来源及潜在危害
三聚氰胺加入牛奶/奶粉中引起的恶性事件,教训极其深刻。已使得全世界对食品安全更加关注和重视,并重新审视与食品相关的一系列链源头的安全风险防范措施和意识。
王亭亭等研究发现,土壤中三聚氰胺的降解动态符合Logistic方程,并且同时证实,实验的两种蔬菜均可以吸收土壤中的三聚氰胺。实际种植农产品的过程中,多种途径都可能导致三聚氰胺进入农用产品,还能被植物吸收,但其在植株体内不易被代谢,极易形成残留,这样就会导致植物性农产品受到三聚氰胺的污染。
种种迹象表明,三聚氰胺作为一种重要的广泛用于化工、建筑、模塑等领域的原料,其废弃物极有可能流向饲料或肥料领域。作为食品的“食品”——肥料,人们已认识到不是所谓的“废物”就能用于化肥的制备,化肥的有毒有害物质或潜在的危害物质风险值得认真的评估剖析,并加以限量控制和监管。对于植物性农产品,要想避免或减少三聚氰胺的残留污染,最重要的就是从肥料等农业投入品限量标准入手,加强肥料和植物性农产品中三聚氰胺的监督检测。
对于肥料中掺入三聚氰胺的风险评估,可以做的研究工作还有很多,比如三聚氰胺在肥料和植物以及农产品中检测方法的研究,三聚氰胺在肥料——土壤——植株农产品中的残留和运移规律研究,通过生物学试验的方式找出三聚氰胺对不同作物产生毒害的值,以及从食品安全角度探究肥料中三聚氰胺的限量标准等。最终目的只有一个,为人们的餐桌提供更丰富、优质和安全的食品。