动物氟中毒机理研究李卫芬余东游浙江农业大学饲料科学研究所氟是一种非金属元素,原子序数为9。
在所有元素中,氟的电负性最大,为3.98。
所以氟的化学性质极为活泼,能与所有的元素发生反应(惰性气体除外),因此,在自然界里找不到单质氟。
大多数的金属化合物难溶于水,但钠、钾、银、铝和汞的氟化物易溶于水。
氟广泛存在于自然界中,空气、水源、土壤和动、植物内都含有氟。
氟是一种亲矿元素,含氟的矿石很多,目前已知的就有86种,最主要的氟矿石是萤石(ＣａＦ2)、冰晶石(Ｎａ3ＡｉＦ6)和氟磷灰石[Ｃａ7Ｆ(ＰＯ4)3]。
虽然氟已被科学家们证实是动物的必需微量元素。
适量的氟具有促进动物生长、发育和繁殖、参与骨骼代谢防龋齿、影响动物造血功能及神经内兴奋性和传导的作用。
但科学家们感兴趣研究氟的最初原因不是动物缺乏氟,而是在饲料中添加了未加工的磷矿石后,这些磷矿石作为动物钙、磷源,动物产生氟中毒(ＪａｃｏｂａｎｄＲｕｇｎｏｌｌ,1928)。
随后,许多科学家对氟中毒进行了大量研究。
1932年,ＨＶｅｌｕ在摩洛哥确诊,它是一种人畜共患的慢性中毒病。
我国属高氟区之一,60年代我国已确诊有该病存在,据调查黑龙江、河南、甘肃、青海、云南、四川、贵州等地都有地方性氟中毒发生。
目前,由于氟污染,动物氟中毒更为严重(蚕)。
在畜牧生产上,主要由于高氟劣质磷酸氢钙流入市场,致使畜禽中毒发生频率较高。
1氟在动物体内的代谢1.1氟的吸收动物可通过呼吸、饮水、饲料而摄入氟。
氟的吸收部位主要在胃和小肠,氟几乎是唯一在胃中吸收的元素,大肠则很少吸收氟。
氟不但吸收率高,而且吸收速度很快。
经口摄入的氟随即进入胃和小肠,几分钟内便开始吸收,10ｍｉｎ进入血液,30ｍｉｎ约吸收50%,60ｍｉｎ血液中氟达到高峰,90ｍｉｎ氟可全部被吸收。
影响氟吸收的因素很多:(1)氟化物的溶解度。
氟化钠、氟化氢、氟硅酸钠易吸收,氟化钙、磷灰石、冰晶石等吸收率低。
(2)胃酸能增加某些难溶性氟化物的溶解度,从而提高吸收率。
(3)日粮中有些养分对氟吸收有明显影响,如钙、镁、铝、蛋白质,Ｖｃ对氟吸收有一定阻止作用,而脂肪促进氟的吸收。
1.2氟的运输国、内外对氟的跨膜作用进行了大量研究发现,氟离子本身不能通过细胞膜。
由于细胞内、外存在着ｐＨ梯度,氟的跨膜是以氟化氢形式被动扩散的。
氟→肠道浓度梯率扩散肠道细胞跨膜ＨＦ血液→血氟升高→骨、肾双重作用→血氟恢复正常水平在胃液ｐＨ=1条件下,胃中的氟有99%以氟化氢形式存有,这是氟在胃中易于吸收的重要条件。
1.3氟的排泄动物体内氟可通过尿液、粪便、汗液等途径排出。
尿液排出为总量的75%,粪便排出占12.6%～19.5%,汗排出占7%～10%。
只有微量的氟可通过毛发指甲和乳腺排出,产蛋家禽可将氟排入蛋中。
另外,氟可顺利通过胎盘向胎儿转移。
2动物氟中毒的临床症状氟中毒主要为无机氟中毒,少数由有机氟引起(主要有氟乙酰胺、氟乙酸钠等一类药效高、残效期长的剧毒农药)。
无机氟中毒又可分急性氟中毒和慢性氟中毒。
2 1急性氟中毒症状多在食入过量氟化物半小时后出现临床症状。
一般表观为碱厌食、流涎、恶心呕吐、胃肠炎、腹泻、呼吸困难、肌肉震颤、阵发性强直痉挛、虚脱而死。
如1995年6月在广东省河源市、南海市、惠州市等23个养鸭场都先后发生了蛋鸭氟中毒,表现为5%～10%蛋鸭出现软脚、死亡现象,受精率和孵化率随之下降10%左右。
剖检发现,肝表面、心肌、小肠粘膜有轻度出血,肾有点出血稍为肿胀。
镜检可见肝细胞脂肪变性、局剖出血、脑小血管扩张,瘀血、部分神细细胞变性坏死,肾小球肿用血。
事发后检测饲料和磷酸氢钙中氟的含量分别为631×10 6和18966×10 6。
2.2慢性氟中毒症状在氟少量、长期进入机体的情况下,一开始并不表现出任何不良影响,在此潜伏阶段中,动物受到两个很重要的生理机制的保护,骨组织积集氟和肾脏排泄部分摄入的氟。
在骨积集氟达正常量30～40倍之前,骨骼都起着缓冲物的作用。
随后过量的氟从业已饱和的骨中溢出进入循环血液,转而进入软组织中,此时为氟代谢分解阶段,开始出现如下症状。
2.2 1采食量下降、生长减慢、繁殖率下降。
2.2.2产蛋率下降(30%～70%和蛋品质下降、蛋壳变软、变薄、易破的软壳蛋、沙皮蛋和畸形蛋增多),蛋重减小。
2 2 3跛行、骨骼矿化不良或骨质硬化、骨变厚、外生骨庞。
2 2 4膜、韧带、腱钙化,使骨膜增厚、骨变厚、关节肿大。
2 2 5氟斑牙。
先为白垩型,随着病情加重,可继发生着色型和缺损型。
3氟中毒病因3 1长期使用未经脱氟处理的磷酸钙作畜禽的矿物质补剂,可引起氟病。
目前,畜禽的氟病主要由这个原因引起。
3 2工业污染致病。
氟病常发生在(炼铝、磷肥、氟化盐)多种金属治炼厂以及大型砖瓦窑等周围地区。
从这些工厂排出的废气,如ＨＦ、ＳｉＦ4及一部分含氟粉尘,在邻近地区散落,以致使该地区的植被,土壤和水被污染。
当牧草的污染达40×10-6以上时,对放牧动物即有潜在危险。
3 3自然条件致病。
主要是一些干旱、风大、降雨量小、蒸发量大、地面多盐碱、地表土壤或盐碱中含氟量高,致使牧草、饮水含氟量也随之增高,达到中毒水平。
其次是荧石矿区及附近等地的溪水、泉水和土壤中氟含量过高,引起人、畜共患的氟病(Ｆｌｕｏｒｏｓｉｓ)。
3 4家畜的急性无机氟中毒,偶见于奶牛因食大量过磷酸盐以及猪用氟化钠驱虫而用量过大时。
4氟中毒机理4 1影响钙、磷代谢钙是一种亲氟元素,过量的氟会破坏动物正常的钙、磷代谢。
首先过量氟会影响动物对钙离子的吸收,这是因为氟与钙离子在肠道中能形成难溶性的氟化钙而影响动物对钙离子的吸收。
其次,氟离子被吸收进入血液后也能与血液中钙离子结合形成氟化钙,当动物饲粮缺钙或处于特殊的生理状态时(泌乳、产蛋),动物的血钙会降低,低血钙刺激甲状旁腺素分泌,使钙又从骨组织中游离出来,因此血钙可保持正常。
钙代谢的紊乱,又会影响磷酸盐离子的沉积,低血钙所引起的甲状旁腺素分泌增多会抑制肾上小管对磷的再吸收使尿磷上升。
另外,过量氟使肾脏受到损害,从而影响钙、磷的再吸收。
4 2影响骨骼和牙齿的正常矿化由于过量氟对钙、磷代谢产生了明显的影响,而且体内90%的氟沉积在骨骼和牙齿中,所以氟首先影响动物骨骼和牙齿组织的正常矿化过程,具体表现在以下几个方面:(1)血中形成的氟化钙绝大部分沉积在骨组织中,使骨质硬化,密度增加,少量沉积于软组织内,也可使骨膜、肌腱和韧带等钙化。
低血钙刺激甲状旁腺素分泌增多,可使破骨细胞活性增加,促进溶骨现象,加速骨的吸收,从而引起骨质疏松。
(2)过量氟刺激成骨细胞和破骨细胞的活动,骨膜和骨内膜增生,在骨表面产生各种形状的、白色粗糙致密坚硬的外生骨,还可引起皮质肥育、硬化、髓腔变窄,使神经受压,从而出现疼痛,感觉障碍,瘫痪等一系列神经症状。
(3)氟对骨胶原组织的正常代谢可产生不利影响。
Ｍｏｎｓｏｅｒ等用家兔进行了实验研究,当给兔2ｍｇ/ｋｇ氟化钠时,动物体内脯氨酸的正常羟基化发生障碍,从而产生多量羟基不完全的胶原。
(4)高氟对骨骼强度的影响较复杂,有时骨骼强度增加,产生骨硬化,有时产生骨质疏松。
Ｆａｃｃｉｎｉ认为,骨质疏松是由于氟刺激甲状旁腺素腺产生甲旁腺素增加骨再吸收而引起的。
而骨硬化的原因是甲状腺素分泌量不足引起含氟骨的再吸收。
潘照惠研究了氟化物对鸡骨骼强度的影响,发现鸡在生长期饮用高剂量氟化物,不论是负重骨(胫骨、股骨)还是非负重骨(肱骨),其骨骼弯曲的最大负荷明显降低,骨骼的弯曲强度也显著降低。
(5)氟离子引起牙齿斑釉症的机理主要是它能影响牙齿釉核晶的形成。
因为氟离子与珐琅质中的磷灰石羟基离子相交换,在饱和的磷酸钙溶液中矿物质沉淀的改变,以及酸活性受到抑制等因素引起牙质结构的异常,所以容易磨损,碎裂和脱落。
4 3影响蛋的品质氟的排泄主要是通过肾从尿中排出,而蛋禽可以从蛋壳中排出。
蛋壳中少量氟与钙结合可使蛋壳增厚,但氟过量反而使钙沉积受阻,使蛋壳变薄、造成蛋壳品质变差、畸形蛋多。
Ｃｈａｎｇｅ等(1977)报道了饲喂2×10 4氟的小鼠其尿中钙的排泄量增加,导致可用于形成骨骼的钙下降。
Ｗ.ｇｕｅｎｔｉｅｒ等研究了氟中毒与蛋鸡表现,分别用(0、1、4、7、10、13)×10 4的氟饲喂ＳｉｎｇｌｅＣｏｍｂｗｈｉｔｅｌｅｇｈｏｒｎ(ＳＣＷＬ)蛋鸡。
结果表明,高剂量氟〔(10、13)×10-4〕可明显降低采食量、体增重、产蛋日、饲料效率和蛋品质。
4 4影响动物内分泌氟中毒会对分泌和激素含量产生明显影响。
低血钙引起甲状旁腺素机能亢进,血液中ＰＴＨ升高。
Ｆｅｏｔｉａ等报道氟中毒患者循环血中ＩＰＴＨ含量升高,降钙素升高,而Ｓｉｖｒｕｍｍ报道降钙素降低。
Ｈｉｌｌｍａｎ(1978,1979)发现在严重慢性氟中毒时,有甲状腺素功能抑制现象,Ｔ3和Ｔ4浓度下降。
氟中毒还会引起肾上腺素功能紊乱。
4 5影响酶的活性许多学者认为进入机体的氟可作用于酶系统。
凡是需要钙、镁、锰、铁、铜、锌等金属的酶,因其可形成氟—金属复合体,氟都可以对它们发生影响。
氟也可与磷酸蛋白的辅基相结合,形成氟—磷酸蛋白,从而抑制其活性。
少数酶如丙酮酸激酶和葡萄糖—6—磷酸脱氢酶(Ｇ6ＰＤ)在体内由氟化物激活。
氟中毒时最常见的血清变化是碱性磷酸酶活性上升,但在骨质疏松型氟中毒患者血清中并不出现此酶活性上升。
磷性磷酸酶活性升高是成骨活跃的表示。
碱性磷酸酶可水解焦磷酸酶,焦磷酸酶是骨骼自然钙化的抑制剂。
所以碱性磷酸酶升高使钙化有利进行,促进成骨过程。
氟化物可抑制动物中Ｃａ2+—ＡＴＰａｓｅ和(Ｃａ2+,Ｍｇ2+)—ＡＴＰａｓｅ的活性。
(Ｃａ2+,Ｍｇ2+)—ＡＴＰａｓｅ是一种内在的细胞膜酶,穿越细胞膜的磷脂双层,负责钙离子的传递。
该酶有两种存在方式Ｅ1和Ｅ2,Ｅ1方式具有两个高度亲合钙离子,Ｅ2形态时对钙离子的亲和能力低。
氟的高负性可能与酶离子Ｅ1形态亲水部位上的正电荷相互作用,引起Ｅ1形态结构变化,失去键合钙离子或镁ＡＴＰ的能力。
另一方面,某些(Ｃａ2+,Ｍｇ2+)—ＡＴＰａｓｅ分子的Ｅ1形态可能把氟化钙当作游离的钙离子来识别,使得酶的Ｅ1形态结构发生变化。
从而引起酶活性降低。
4 6影响蛋白质、糖和脂肪代谢大量研究结果发现,过量氟对蛋白质和ＤＮＡ的合成有抑制作用。
Ｈｏｌｌａｎｄ等用14Ｃ标记Ｌｅｕ(亮氨酸)和3Ｈ标记Ｔ(胸腺嘧啶)掺入法研究了氟对ＬＳ细胞蛋白质和ＤＮＡ合成作用的影响。
结果表明,当培养液中氟化钠含量达1 3ｍｍｏｌ/Ｌ时,蛋白质和ＤＮＡ的合成开始受到抑制,达3ｍｍｏｌ/Ｌ和6ｍｍｏｌ/Ｌ时,在30ｍｉｎ内,蛋白质和ＤＮＡ的合成率分别下降80%和85%,6ｈ后,ＤＮＡ的合成几乎等于零,另一些学者发现高浓度的氟可使ＤＮＡ聚合酶的活性抑制率达90%,使ＤＮＡ的切除修复功能明显受损,ＤＮＡ前体的磷酸化过程受到明显影响。