五四青年節來啦！《知識就是力量》特別策劃「青年科學家趣談科學」系列內容，我們將從航空航天、生命科學、化學、人工智慧、動植物、物理天文等領域挑選青年科學家，一方面帶領大家認識中國優秀的青年科學家群體，另一方面，這些青年科學家將帶領大家讀科學、知科學、愛科學。
重金屬搖滾給我們帶來
排山倒海、震撼心魄的感受，
生活中的多種重金屬元素
給人們帶來的「震懾力」也非同小可，
一旦發現食物或者生活用具中
有某類重金屬超標的隱患，
人們都避之不及。
接下來，
青年科學家王迪雅將帶我們
揭開重金屬錳的神秘面紗！
王迪雅空軍軍醫大學軍事預防醫學系軍隊勞動與環境衛生學教研室，講師，博士。碩士、博士期間針對重金屬錳的神經毒性機制進行了一系列研究。在錳誘導的神經炎症病理生理機制方面有較深的理論基礎和實驗經驗。主要研究重金屬對中樞神經系統學習記憶功能及行為運動能力的影響。研究成果以第一作者身份發表多篇SCI論文，單篇最高影響因子11.7。近年來，主持國家自然科學基金青年項目1項，陝西省自然科學基金面上項目1項，獲中國科協青年人才託舉計劃1項，陝西省高校科協青年人才託舉計劃項目1項，獲空軍軍醫大學雛鷹計劃項目支持，博士學位論文被評為陝西省優秀博士學位論文；以第一或共同第一作者發表SCI論文5篇，參與發表SCI論文5篇。
生命不可過多承受之——重金屬錳
撰文/王迪雅
我們一般將密度大於4.5克每立方釐米的金屬稱為「重金屬」，例如鉛、汞、鎘等。這些重金屬不易降解，人體一旦攝入過量，它們會在體內沉積，對人體的健康帶來極大的危害。而重金屬錳又是其中較為特殊的一員，它本身為人體的必須微量元素，人體正常功能的進行離不開錳元素的攝入，但當人體攝入量超過需求量時，它就會產生毒性作用。
那麼，錳在大自然及生活中究竟都以怎樣的形式存在？我們會通過哪些途徑接觸到錳？接觸到錳對人體究竟會存在怎樣的影響？針對這些影響又該怎樣預防呢？下面我們就一起揭開重金屬錳的神秘面紗。
錳的發現和運用
在1774年，瑞典科學家舍勒發現淨化的軟錳礦，並在同年由奧地利科學家甘恩進行加熱提純，最終發現了錳的金屬顆粒。在發現錳的半個世紀後的1825年，俄國將錳鋼製作成功，這種錳鋼堅硬又富有韌性，因此深受冶金業和製造業的推崇，正因為錳具有很好的去氧能力，可以將鋼中的氧化鐵還原成鐵，從而改善鋼的品質，降低鋼的脆性，因此直到現在錳也依舊是鋼鐵及不鏽鋼合金的冶煉原料。
我國的錳礦主要分布在廣西、湖南、雲南、貴州等地區，其中一些地區曾經密布電解錳企業，為當地帶來利益的同時，也對生態環境和居民的身體健康帶來危害。直至今日，國家仍在對曾汙染地進行大力度治理和嚴格的監督。
常見的錳化合物有二氧化錳、四氧化三錳、氯化錳、硫酸錳以及高錳酸鉀等（圖1），而在錳的化合物中，錳的價態越低，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。
什麼情況下會接觸錳？
錳礦石的開採、粉碎、運輸、加工和冶煉，以及製造錳合金的過程中都會使從事相關工作的人員接觸到錳。此外，錳化合物還用於製造乾電池、焊料、氧化劑和催化劑，在焊接和風割錳合金以及用錳焊條電焊時，均會產生錳煙塵，電焊時如果不進行有效通風，工人呼吸帶的MnO2濃度可高達6mg/m3（圖2）。
在生產過程中，錳主要以錳塵和錳煙這兩種形式存在，這兩種形式也都很好理解，錳塵：開採和破碎錳礦石的生產過程中產生的微小塵粒，錳煙：當高溫冶煉錳鐵或使用含錳焊條進行電焊時，由於高溫溶解而產生的氣溶膠狀錳氧化物。因此，職業中的錳中毒與作業時間、錳煙塵濃度、防護措施密切相關。
除了以上工業作業過程中接觸錳的途徑，農藥中的代森錳（圖3），汽油抗爆劑中代替四乙基鉛的MMT等（圖4），其中都存在各類錳化合物，通過在職業及環境中的接觸，也增加了潛在的錳中毒危險。由此可知，職業因素和環境因素是錳暴露的重要來源。
錳進入人體後，怎麼分布吸收？
正常情況下，錳的攝取來源就是我們平時的膳食和飲水，因此錳的吸收部位主要是在十二指腸。在生產中，錳多以錳煙、錳塵存在，因此呼吸道就是工業生產中錳吸收的主要途徑。我們將錳吸收入體內後，它是怎樣分布的呢？
通過示意圖（圖5），我們可以知道，吸收入血液的錳，與血漿中β1球蛋白結合為轉錳素分布到全身，還有小部分錳可以進入紅細胞形成錳卟啉，並迅速從血液轉移到富含線粒體的細胞中，以不溶性磷酸鹽的形式蓄積於肝、腎、腦及毛髮中，且細胞內的錳有2/3貯留於線粒體內，此外錳還可以通過胎盤，傳遞給胎兒的中樞神經系統。
少部分經胃腸道吸收的錳入肝，在血漿銅藍蛋白（CP）作用下將Mn2+氧化成Mn3+，再經鐵傳遞蛋白轉運至腦毛細血管脈絡叢。此外，錳也可以通過血腦屏障或血腦脊液屏障直接入腦（圖6）。
錳的生理和毒理作用
錳作為人體必需微量元素，有多種生理作用：
1.參與機體多種酶的合成和激活，具有維持血糖水平的作用。
2.錳參與蛋白質、維生素的代謝，是青少年生長發育不可或缺的微量元素。
3.錳還能夠維持心血管系統的穩定，有研究表明動脈硬化患者心臟及主動脈內錳含量比健康人低，由此可見心血管疾病與錳的吸收不足有關。
4.錳還參與了遺傳信息的傳遞及甲狀腺、性腺的分泌功能，哺乳動物缺錳可引起生長停滯、骨骼畸形、智力下降等。
5.錳對造血功能也存在一定的影響，正常生理功能下，錳可以發揮刺激造血作用，貧血的動物施以小劑量錳鹽或錳蛋白複合物可以緩解貧血症狀，然而一旦攝入量過多，錳開始會刺激骨髓，繼而轉為抑制功能，造成肝損傷，引起膽汁淤積，肝組織生化改變及細胞壞死。
6.錳對神經系統的影響依舊是多和少的權衡，錳吸收過少就會造成錳缺乏，癲癇患者輕症者，血錳與正常人類似，重症者，血錳、發錳顯著低於健康人。智力低下的患者也表現為錳缺乏，而錳吸收過多，就會造成錳中毒。
錳的生理功能和毒理功能之間最大的界限就是錳的攝入量，缺錳和錳的過量攝入都有可能對機體造成損傷。其中，錳的毒性作用主要表現為急性錳中毒和慢性錳中毒兩種形式：
急性錳中毒通常發生於誤食高錳酸鉀或短時間內吸入高濃度氧化錳煙霧等生活和生產中的情況。誤食高錳酸鉀多發生與兒童和老人中，有新聞曾報導一名女童將高錳酸鉀誤以為是糖果吞下，最終造成口腔黏膜糜爛，通過消化道進入體內，還會造成噁心、嘔吐、胃痛，嚴重時會造成胃腸黏膜壞死，出現劇烈的腹痛和便血。而在生產中，由於通風不良，使得工人短時間內吸入高濃度氧化錳煙霧，這種情況通常會引起咽痛、咳嗽、氣急，並發生寒戰和高熱。
慢性錳中毒會引起嚴重的類似於帕金森氏病的神經系統疾病，患者多表現為行走困難、說話含糊不清、面部表情減少、動作笨拙、靜止性震顫等。而這些症狀主要就是因為錳進入大腦，對具有不同功能的腦區造成了影響，從而損傷了這些腦區對應的各類神經功能如學習記憶功能和行為運動功能（圖7）。
如何預防錳中毒？
針對錳中毒的預防主要是完善工作場所的通風設備和加強個人防護的意識。針對皮膚、飲食、呼吸這三種途徑，分別做到控制源頭，切斷途徑，末端治理。
1.在源頭方面，首先要改革生產設備和原料，比如焊接作業儘量採用無錳焊條，或用自動電焊代替手工電焊，工廠使用抽風及吸塵裝置等等。
2.在切斷接觸途徑方面，從事相關工作的工作人員應主動採取防塵措施並佩帶防毒防塵裝備。
3.最後完善衛生防護制度，包括禁止在工作場所吸菸和進食，禁止將工作服，工作原料，工作設備帶離工作區域，帶入生活區域，等等。
揭開了錳的神秘面紗，我們知道錳其實在生活中具有重要作用。重金屬錳其實並不可怕，只要我們維持正常的攝入量，在職業和環境的接觸途徑中做好防護，錳將不再是生命不可承受之重，而是生命不可或缺之重。
今天，青年科學家王迪雅為我們帶來的「重金屬錳」的內容你都了解了嗎？如果你有更多關於「重金屬」的思考，歡迎留言區互動喲！