人類健康與地質(zhì)環(huán)境

幻燈片1

第四講人類健康與地質(zhì)環(huán)境

?預(yù)備知識(shí)

?豐度與原生環(huán)境

?人體與地球化學(xué)組成的關(guān)系

?原生地球化學(xué)異常與人體健康

?地質(zhì)環(huán)境污染與人體健康

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思考題

?解釋元素的豐度、常量元素、微量元素、原生地球化化學(xué)環(huán)境等概念？

?論述人體與地球化學(xué)環(huán)境的關(guān)系？

?論述地球化學(xué)環(huán)境的地帶性成因？

?地質(zhì)環(huán)境中元素遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律有哪些？

?從地質(zhì)環(huán)境角度談一談人類健康與長(zhǎng)壽的機(jī)密？

?什么是地方??？我國(guó)主要有哪些地方性疾??？這些地方病多發(fā)地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特征有

哪些？

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一、預(yù)備知識(shí)

?元素的基本性質(zhì)

?元素類型劃分

?元素的離子半徑

?元素的電負(fù)性

?巖礦的離子類型

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1.元素的基本性質(zhì)

?離子半徑(原子半徑)：是說明離子或原子大小的數(shù)值。

?電負(fù)性(X=I+E)：即元素的原子在化合物中吸引電子能力的標(biāo)度，也稱電負(fù)度或相對(duì)

電負(fù)性。

?電離能(I)：即基態(tài)的氣態(tài)原子或離子失去一個(gè)電子所需要的最小能量。電離能很大

程度上決定元素的金屬性和非金屬性。

?電子親和能(E)：即原子或離子獲得電子的能量。

?化學(xué)鍵：離子鍵、分子鍵、金屬鍵、共價(jià)鍵。

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2.元素類型劃分

Ml

兀

周期表

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3.元素的離子半徑

陰離子半徑一般較大(2.20~1.32),陽離子半徑一般較小(1.67~0.13)；一種元素，正

價(jià)越高，半徑越??；在元素周期表上，同一族元素的離子半徑隨周期數(shù)的增加而加大。

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4.元素的電負(fù)性

H

2.1

LiBeBCNOF

11.522.533.54

NaMRAlSiPSCl

0.91.21.51.82.12.53.0

KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBi

0.81.01.31.51.61.61.51.81.91.91.91.61.61.82.02.42.8

RbSrYZi-NbMoTcRuRliPdAgCdInSnSbTeI

0.81.01.21.41.61.81.92.22.22.21.91.71.71.81.92.12.5

CsBaLa*HfTa\VReOsIiPtAuHgTlPbBiPoAt

0.70.91.0?1.21.31.5i.72.22.22.22.41.91.81.91.91.92.02.2

FrRaAc**

0.70.91.4-1.3

同族元素，自上而下變?。煌芷谠?，自左到右增大。

?非金屬元素，電負(fù)性越大越活潑；金屬元素，電負(fù)性越小越活潑。

?過渡元素的電負(fù)性無明顯規(guī)律。

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5.巖礦的陽離子類型

圖例惰性氣體型離子銅型離子過渡型離子

?----------------------------------

根據(jù)電子層構(gòu)型將陽離子劃分為：惰氣體型（外層電子數(shù)2個(gè)或8個(gè)）、銅型（外層電

子數(shù)18個(gè)或18+2個(gè)）和過渡型（外層電子數(shù)在9~17個(gè)之間）三類。

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二、豐度與原生環(huán)境

?元素的豐度及其分類

?原生環(huán)境及其分類

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6.元素的豐度及其分類

?元素的豐度：是指元素在被研究對(duì)象中的相對(duì)含量，常用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。地殼元素

的豐度也稱克拉克值。

?常量元素：也稱多量元素。是指質(zhì)量含量不小于0.01%的元素。

?微量元素：也稱痕量元素。是指質(zhì)量含量小于0.01%的元素。

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7.原生環(huán)境及其分類

?原生環(huán)境：指由地殼、空氣、水等組成的未被人類改造的地質(zhì)環(huán)境。原生環(huán)境對(duì)人體

具有良性和惡性兩個(gè)方面的作用。

?原生地球物理環(huán)境：包括地球物質(zhì)組成及地磁場(chǎng)、地溫場(chǎng)、重力場(chǎng)、放射性場(chǎng)等。

?原生地球化學(xué)環(huán)境：主要是指原生環(huán)境的地球化學(xué)組成。

?地質(zhì)環(huán)境中某種元素缺乏或者過高的現(xiàn)象，稱為原生地球化學(xué)異常。

?致病環(huán)境因素：即造成人體機(jī)病的環(huán)境因素。

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二、人體與地球化學(xué)組成的關(guān)系

?人體與地球化學(xué)組成的關(guān)系

?人體元素的生理功能

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8.人體與地球化學(xué)組成的關(guān)系

?相似性與親緣關(guān)系：除了人體原生質(zhì)中的主要成分碳、氫、氧、氮和地殼中的主要成

分硅以外，其他化學(xué)元素在人體血液中的含量和地殼中這些元素的含量分布規(guī)律具有

驚人的相似性，由此可以說明人體化學(xué)組成與地殼演化具有親緣關(guān)系。

?現(xiàn)代人體的化學(xué)成分是人類長(zhǎng)期在自然環(huán)境中吸收交換元素并不斷進(jìn)化、遺傳、變異

的結(jié)果。

?人體中某種元素的含量與地殼元素標(biāo)準(zhǔn)豐度曲線發(fā)生偏離，就表明環(huán)境中該種元素對(duì)

人體健康產(chǎn)生了不良影響。

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漢密爾頓試驗(yàn)成果

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地殼中的元素

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地殼中的元素

化學(xué)

序號(hào)元素上陸殼中陸殼下陸殼陸殼整體洋殼

符號(hào)

1氧O46.60°o4N40Qo46。646.71°o46.19

2硅Si27.72°o27.710o27?o2169。。28.29

3鋁Al8.130o8.20%8.2%8.07%8.23Q

4鐵Fe5.00%4.10%6.3%5.05%5.639

5鈣Ca3.639o4.10%5?0。。3.65%4.159

6鈉N；i2.83Qo2.309o230°o2.75%2.36Q

7

鉀K2.59Qo2.10%1.50°o2.58。。2.09°

8鎂Mg2.090o2.30%2.90°o2.08°o2.330

9鈦Ti0.449。0.56%0.66%0.62%0.569

10氫H0.14?oN/A0.15°o0.14%0.140

11磷P0.120o1000ppin1000ppin1300ppm1050p

12鎰Mn0.10?o950ppm1100ppm900ppm950pi

13氟F0.08?o950ppm540ppin290ppm585Pl

14領(lǐng)Bn500ppm340ppin500ppin425Pl

15碳C0.03%480ppm(0.048%)1800ppm(0.18°o)940ppm200ppm(0

16鐵Si370ppm360ppin370pi

r硫S0.05%260ppm420ppin520ppin350pi

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地殼中的元素

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地殼中的元素

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地殼中的元素

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巖石中的元素

化學(xué)

序號(hào)元素上陸殼中陸殼下陸殼陸殼整體洋殼

符號(hào)

69瑞Te0.005PPm0.001ppm0.001p

70伯Pt0.003PPm0.037ppm0.005p

71金Au0.0011ppm0.0031ppm0.004p

72釘Ru0.001ppm0.001ppm0.001])

73毋P(l0.0006ppm0.0063ppm0.015p

74錦Re0.0004ppm0.0026ppm0.0007

75鏤Rh0.0002PPm0.0007ppm0.0011)

76鉞Os0.0001ppm0.0018ppm0.0015

77儂Ir0.0000003ppm(?)0.0004ppm0.001p

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巖石中的元素

?巖石中的微量元素類型：

?稀土元素(REE)：原子序數(shù)57-71的鐲系元素以及與鐲系相關(guān)密切的銃和鋁共17種元

素，分別是La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Sc,

Yo

?粕族元素(PGE)：即原子序數(shù)從44至46以及76至78的元素，也稱之為貴金屬元素,

包括Ru,Rh.Pd,Os,Ir,Pt,(Au)。

?過渡金屬元素：即原子序數(shù)從21至30的元素，包括Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,

Cu,Zno

?高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)：包括錮系元素，Sc和Y,及Th,U,Pb,Zr,Hf,Ti,Nb,Ta。

?低場(chǎng)強(qiáng)元素(LFSE)：又稱大離子親石元素(LILE)。包括Cs,Rb,K,Ba,Sr,Eu2+和

Pb2+o

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土壤中的元素

?土壤中發(fā)現(xiàn)60多種元素，其中：

?土壤養(yǎng)分是指由土壤提供的植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，能被植物直接或者轉(zhuǎn)化后吸

收。包括氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫⑸、鐵(Fe)、硼(B)、鋁(Mo)、鋅(Zn)、

錦(Mn)、銅(Cu)和氯(Cl)等13種元素

?大量元素：氧、硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、鈦等

?微量元素：硫、磷、錦、銅、鋅、硒等

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地下水中的元素

?地下水是一種復(fù)雜的天然水溶液，其中溶解有各種不同的離子、分子及多種氣體。

?天然地下水中有60種元素，其中：

?常量元素：氫、氧、氯、硫、碳等5種非金屬元素及鉀、鈉、鈣、鎂等4種金屬元素。

?微量元素：氮、磷、鐵、鎰、銅、鋅、硒等。

?元素在地下水中的含量取決于它在地殼中的含量及溶解度。

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動(dòng)植物體中的元素

?動(dòng)植物體發(fā)現(xiàn)60多種元素，其中：

?C、H、0、N、P、S、K、Ca、Mg等稱為常量元素。其中C、H、0、N、P、S稱為主要

素元；C、H、0、N為基本元素；C稱為最基本元素。

?微量元素：Fe、Cu、Zn、Mn^Co、Se、Mo、F、Cr、Ni、V、Sn、Si、As、Ba、Cd、Sr>

Br等。

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9.人體元素的生理功能

?人體內(nèi)的微量元素雖然甚少，但在生物化學(xué)過程中卻起關(guān)鍵性的作用，它們作為酶、

激素、維生素、核酸的成分，維持生命的代謝過程。

?在酶系統(tǒng)中起特異的活化中心作用。

?在激素和維生素中起特異生理作用。

?輸送宏量元素的作用。

?微量元素在體液內(nèi)與鉀、鈉、鈣、鎂等離子協(xié)同，可起調(diào)節(jié)滲透壓、離子平衡和體液酸

堿度，以保持人體的正常生理功能。

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微量元素的生理功能

?人體內(nèi)元素錯(cuò)綜復(fù)雜的拮抗和協(xié)同作用影響體內(nèi)的生理平衡，對(duì)人體健康具有重要意

義。

?人體必須的微量元素有15種：Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Se、Mo、F、Cr、Ni、V、Sn、

Si、ASo另外有4種尚未定論，包括Ba、Cd、Sr、Br。

?有些微量元素對(duì)人體不起生理功能作用：錯(cuò)、鋤、銀、鋁、硼、金、銀、鈦等。

?有些對(duì)人體有毒害作用：碎、鎘、汞、鉛、睇、銘及稀土金屬等。

巖漿巖與沉積巖的平均化成分（按元素%）

地殼巖石的平均沉積巖（費(fèi)爾斯

沉積巖（EE.巖漿:

元素成分（YM.哥德斯曼1934和維諾

魏克曼1954）和FJ

密特和B.麥松）格拉多夫1950）

O46.6049.9546.0

Si27.7227.5528.7

Al8.136.939.5

Fe5.003.905.8

Ca3.633.820.4

Mg2.091.531.4

K2.592.332.6

Na2.830.821.0

Ti0.440.340.6

C——2.01——

其他0.260.834.0

總計(jì)99.29100.00100.0

化學(xué)

序號(hào)元素上陸殼中陸殼下陸殼陸殼整體洋殼

符號(hào)

52祖TA2ppm1.7ppm2.0pp

53錯(cuò)Ge1.8ppin1.4ppin1.5pp

54鋁Mo痕量1.5ppm1.1ppm1.2pp

55碑As1.5ppm2.1ppm1.8pp

56欽Ho1.4ppm1.2ppm1.3pp

5"鉞Tb1.1ppin0.94ppin1.2pp

58錢Tm0.48ppin0.45ppin0.52pi

59澳Br0.37ppm3ppm2.4pp

60飪T10.6ppin0.530ppm0.850p

61錨Sb0.2ppin0.2ppin0.2pp

62碘I痕量0.14ppin0.490ppm0.450p

63鎘Cd0.11ppin0.15ppm0.15pi

64銀Ag0.0"0ppin0.080ppin0.075p

65汞Hg0.05ppin0.067ppm0.085p

66硒Se痕量0.05ppin0.05ppm0.05pi

6一錮In0.049ppin0.160ppm0.250p

68鋌Bi0.048ppin0.025ppm0.00851)

化學(xué)

序號(hào)元素上陸殼中陸殼下陸殼陸殼整體洋殼

符號(hào)

35短Ga18ppm19ppm19pp

36銃Sc16ppm26ppm22pp

37鉛Pb14ppm10ppin14pp

38鎊Sin7.9ppm6ppm7.05PI

39牡Th12ppin6ppm9.6pp

40錯(cuò)Pr9.5ppm8.7ppin9.2pp

41硼B(yǎng)痕量950ppm(?)8.7ppm10pp

42牝G<17.7ppm5.2ppm6.2pp

43銅Dy6ppin6.2ppin5.2pp

44飴Hf5.3ppm3.3ppin3.0pp

45銀Er3.8ppm3.0ppin3.5pp

46鏡Yb3.3ppm2.8ppm3.2pp

47鈿Cs3ppm1.9ppin3ppi

48鍍Be2.6ppm1.9ppm2.8pp

49錫Sn痕量2.2ppin2.2ppin2.3pp

50情Eu2.1ppin1.8ppm2.0pp

51鈾U無1.8ppin2.7pp

化學(xué)

序號(hào)元素上陸殼中陸殼下陸殼陸克整體洋殼

符號(hào)

18錯(cuò)Z1190ppm130ppm250ppm165

19鋁W160.6ppm190ppm1.25ppm

20帆V0.01。6160ppm190ppm120pji

21氯C10.05%130ppm170ppm450ppm145Pl

22銘Ci0.019b100ppm140ppin350ppm102pi

23珈Rb0.03%90ppm60ppin90pp

24鍥Ni80ppm90ppm190ppm84pp

25鋅Zn痕量75ppin”ppm70PP

26銅Cn0.01%50ppm68ppin60pp

2-缽Ce68ppm60ppm66.5p]

28鉉Nd38ppm33ppm41.5p|

29偶La32ppm34ppin39pp

30鈕Y30ppm29ppin35pp

31氮N0.005%25ppm20ppm19pp

32鉆Co痕量20ppm30ppin25Pp

33鋰Li20ppm17ppin20pp

34銀Nb20ppm17ppin20pp

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成人的微量元素需求量

注：摘自胡漢升，環(huán)境醫(yī)學(xué).北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1986

幻燈片28

三、原生地球化學(xué)異常與人體健康

?地球化學(xué)環(huán)境的地帶性特征

?地質(zhì)環(huán)境元素的遷移與富集

?原生地球化學(xué)異常對(duì)人體健康影響

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10.地球化學(xué)環(huán)境的地帶性特征

?元素的化學(xué)活動(dòng)與水、溫度、生物、土壤等因素密切相關(guān)。而水、溫度、生物、土壤

等具有經(jīng)度、緯度地帶性和垂直分帶性，因此元素遷移具有地帶性。

?地球化學(xué)環(huán)境按地理緯度從北向南可分為：酸性、弱酸性還原的地球化學(xué)環(huán)境；中性氧

化的地球化學(xué)環(huán)境；堿性、弱堿性氧化地球化學(xué)環(huán)境；酸性氧化的地球化學(xué)環(huán)境。

幻燈片30

中國(guó)自然地理與地球化學(xué)環(huán)境

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11.地質(zhì)環(huán)境中元素遷移與富集

?元素遷移：在一定環(huán)境條件下元素通常穩(wěn)定并保持平衡狀態(tài)；當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí),

元素隨之發(fā)生變化而發(fā)生轉(zhuǎn)移，并在新的環(huán)境條件下發(fā)生重新組合與再分布。

?元素分散與集中：是以克拉克值為比較標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)概念。當(dāng)一元素的濃集克拉克值小于

1時(shí)，則稱該元素分散，其濃集克拉克值大于1時(shí)，則稱該元素集中。

?元素富集：是指元素及其化合物在遷移過程中因物理吸附（泥沙、膠體）、化學(xué)沉淀和生

物吸收等作用而積聚于環(huán)境介質(zhì)中的現(xiàn)象。

位置氣候帶植被帶土壤帶

寒帶落葉針葉林棕色針葉林1：

酸

溫帶落葉闊葉林暗棕壤、棕壤褐土

東部地區(qū),I1

亞熱帶常綠闊葉林火標(biāo)塊、火紅堆、紅塊

了，

熱帶季雨林磚紅壤性土、磚紅壤

森林草原黑鈣土、黑環(huán)1:

,I1

草原栗鈣上、灰鈣上

nl

溫帶1則

荒漠、半荒漠灰棕漠土、風(fēng)沙土

西北地區(qū)荒漠、裸露荒漠棕漠土、風(fēng)沙土.、鹽上

森林草甸高草甸上

高寒帶草原高山草原土處

'-44/高山寒漠上境

微量元素一H需要

Fe12mg

Zn10~15ir

F1.5mg

Cu0.03mg/kg

I0」4nMc

Mil0.005-0.0

SeO.O2-O.O5

Cr0.002-0.00：

Mo0.002mg/kg

Co0」?031

V0.1?0.3ii

106

人體血液與地殼化學(xué)元素含量分布的相似性

（摘自揚(yáng)忠芳，現(xiàn)代環(huán)境地球化學(xué).北京：地質(zhì)出版社，1999）

幻燈片32

地質(zhì)環(huán)境元素遷移的方式

?按介質(zhì)類型劃分為：水、空氣、生物

?按物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本形態(tài)劃分為：機(jī)械、物理化學(xué)、生物

幻燈片33

地質(zhì)環(huán)境元素遷移的影響因素

?元素性質(zhì)：化學(xué)鍵、化合價(jià)、離子半徑、電負(fù)性、離子類型等

?pH值：主要指土壤和地下水的酸堿度。

?Eh值：氧化環(huán)境和還原環(huán)境下元素的遷移不同。

?絡(luò)合作用：經(jīng)絡(luò)合作用，特別是羥基絡(luò)合作用、氯離子絡(luò)合作用的重金屬離子易于溶

解和遷移。

?腐殖質(zhì)：有機(jī)體吸附與交換，腐殖酸的敖合作用與絡(luò)合作用。

?膠體吸附作用：氣候濕潤(rùn)、酸性水、有機(jī)質(zhì)豐富。

?氣候條件：包括直接和間接影響。

?地質(zhì)地貌條件：山地為元素的淋失地區(qū)，而低平地為元素的堆積富集區(qū)。

幻燈片34

元素遷移強(qiáng)度分級(jí)

元素遷移序列遷移序列的組成數(shù)量級(jí)別

1.強(qiáng)烈移失的Cl(Br,I),Sn?10

2.易移失的Ca,Na,Mg,Kn

3.可移失的SiO2(硅酸鹽),P,Mnn?10-1

4.略可移失的Fe,Al,Tin?10-2

5.實(shí)際上不移失的SiO2（石英）n?10-6

?母巖的主要造巖元素或化合物在風(fēng)化過程中轉(zhuǎn)移順序及其數(shù)量級(jí)別（據(jù)波雷諾夫,

1948；轉(zhuǎn)引自彼列爾曼，1953)

幻燈片35

12.原生地球化學(xué)異常對(duì)人體健康的影響

?原生地球化學(xué)異常影響人體正常生理功能，當(dāng)這種異常超出了人體生理調(diào)節(jié)能力時(shí)，

人體某些組織或生理功能可能發(fā)生病變。

?元素的遷移與富集是造地球化學(xué)環(huán)境的地帶性和異常的根本原因。一般的規(guī)律是：在

元素受到強(qiáng)烈淋溶的寒溫帶地區(qū)、元素缺乏的沙土地區(qū)或元素難以釋放的沼澤地區(qū)，

容易發(fā)生元素缺乏癥，相反，在元素濃集的十旱地區(qū)和火山噴發(fā)區(qū)，又容易發(fā)生元素

中毒性疾病。

?最常見的地球化學(xué)性地方病主要有：甲狀腺腫、氟中毒、克山病、大骨節(jié)病等。

地方性甲狀腺腫

?正常(100?300ug)

?碘缺泛(少于50ng)

?碘過量

幻燈片37

地方性氟中毒

?氟的主要來源：巖礦風(fēng)化；火山噴發(fā)；工礦企業(yè)“三廢”。

?高氟分布區(qū)帶：

?人體中氟正常含量2.6g,每天需要量lmg左右，如果超過4mg則會(huì)中毒，輕者“斑釉

病”，重者“氟骨癥”。

?火山活動(dòng)區(qū)發(fā)病帶；

?高氟巖石出露區(qū)和氟礦區(qū)發(fā)病帶；

?富氟溫泉區(qū)發(fā)病帶；

?干旱、半干旱富氟地區(qū)發(fā)病帶。

幻燈片38

地方性大骨節(jié)病

?致病原因尚不明確：生物地球化學(xué)說；食物性真菌中毒說；綜合生態(tài)效應(yīng)說等。

?大骨節(jié)病的地質(zhì)環(huán)境類型：

影響因素利于流行不利于

原地形地貌極地、高山、內(nèi)陸山區(qū)平原、沿海、盆地

生地質(zhì)作用侵蝕、沖刷嚴(yán)重侵蝕、沖刷程度輕

環(huán)花崗巖、石英巖；土層薄、有玄武巖、海相頁巖；土

巖上組成

境機(jī)質(zhì)少：砂土、灰化上澤土、黑土、栗色上、

匕工

降水降的集中，降水大量于蒸發(fā)量降雨量分散，蒸發(fā)占優(yōu)

候

食物當(dāng)?shù)禺a(chǎn)植物性食品為主飲食多樣化，海產(chǎn)品、

生

飲水地表軟化或石灰化水礦化度高的井水或泉水

活

致甲狀腺腫物質(zhì)有無

衛(wèi)

生活衛(wèi)生條件不良良

生

防治措施無仃

?表生天然腐殖環(huán)境病區(qū)一一低洼地區(qū)；

?沼澤相沉積環(huán)境病區(qū)一一干旱、稀疏草原;

?黃土高原殘?jiān)礈羡植^(qū)；

?沙漠沼澤沉積環(huán)境病區(qū)。

幻燈片39

地方性克山病

?致病原因：飲水中的腐殖酸過高。此外，環(huán)境亞硝酸鹽和領(lǐng)含量過高；水中有機(jī)物耗

氧量過高；飲水中