作者：文 静 , 徐天昊 , 彭瑞云
来源：军事医学科学院放射与辐射医学研究所
[ 摘要] 随着微波技术广泛应用于通讯、广播、工业电器设备、医疗及家用电器等, 其可能带来的生物危害及环境污染越来越引起人们的重视。 对微波辐射生物学效应、机制和防护研究已成为各国学者的研究热点且已取得一定进展。 本文就微波辐射对生物体健康的影响、生物效应机制及辐射防护进展作一综述 。
[ 关键词] 微波;辐射;生物效应;防护
[ 中图分类号] R818.74 [文献标识码] A
[ 文章编号] 1000-5501(2009)04-0385-03
近年来随着国民经济、医学科研、军事国防的发展, 微波已广泛应用于各个领域且深入到人们的日常生活中, 微波给人类带来极大益处的同时, 不可避免地对周围环境造成了不同程度的污染, 其所引起的生物学效应和对健康影响的研究备受关注。 现已明确, 微波可导致人体及动物多系统、多脏器的生物学效应[ 1, 2] 。 联合国人类环境会议已将微波辐射列为“造成公害的主要污染物”之一[ 3]。
1 微波辐射对生物体健康的影响
目前微波的生物效应和作用机制还不十分明了, 现有的研究则是学者试图从不同角度 、不同学科来解释这种复杂的生理、心理变化。 众多的流行病学调查和生物效应实验证实, 微波辐射对人体身心健康的影响客观存在, 长期受到辐射, 使人体容易产生疲倦, 机体免疫力低下, 机体生化反应失调, 代谢功能障碍, 自由基水平失衡[ 4, 5]。 一定强度微波辐射可通过热和(或)非热效应造成机体损伤。 现就微波辐射对生物体中枢神经、心血管、内分泌、免疫 、生殖系统的变化进行综述。
1.1 中枢神经系统
长期接触超剂量的微波工作者容易出现头昏头疼、失眠、胸闷等自觉症状的阳性率增高, 表明出现了辐射引起的神经衰弱综合征并伴有植物神经功能紊乱[ 6];脑血流图波幅弹性指数下降, 两侧波幅不对称, 外周血细胞染色体畸变和微核细胞检出率升高, 表明微波辐射环境引起大脑抑制过程占优势。 大量的报道提示微波辐射可能影响人的神经行为、认知能力, 与脑肿瘤、神经衰弱及老年性痴呆的发生有关。马菲等[ 7] 实验结果显示, 某高强度微波军事作业场所的平均功率密度在 1.1～ 21.2 mW/cm2 , 日累计照射剂量在 4.95 ~95.4mW· h/cm2 , 神经行为测试中情感状态减弱, 微波影响神经元的生理功能, 其通过影响 γ氨基丁酸(γ-aminobutiric acid, GABA)抑制系统的神经调节功能, 导致中枢神经系统兴奋与抑制平衡失调, 是阿尔海默(Alzheimerdisease, AD)及神经衰弱症状发生率增加的重要因素之一。 另有实验[ 8]观察电磁辐射对大鼠海马神经细胞丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activeatedproteinkinase, MAPK)家族基因及蛋白表达水平的影响, 发现电磁辐射可在基因转录和蛋白质表达水平上对 ERK和 JNK两条信号转导通路产生影响, 认为 ERK
和 JNK两条信号转导通路可能参与了电磁辐射导致的中枢神经损伤。
中枢神经系统细胞形态丰富、功能效应繁多, 但是由于短时高强度微波辐射和长期低剂量辐射效应研究中还未建立可供比较的剂量转换模式, 所以中枢神经系统的微波辐射效应还需进一步开展研究。
1.2 心血管系统
心血管系统是微波辐射较为敏感的靶器官之一。 国内已有大量的报道, 其结果大致相同, 主要有心悸、心电图异常率增加、窦性心动过缓、心律不齐、心脏束支传导阻滞等, 另外, 血压、脑血流、微循环也会有不同程度的改变[ 9]。 丁朝阳等[ 10] 调查 3 000 MHz, 72 ～ 100 μW/cm 2 微波作业人员未见明显心动过缓和窦性心律不齐, 但 P波改变、房室传导阻滞和束支传导阻滞等的发生率显著增加。 100 mW/cm2 以下的微波作业人员心电图发生异常, 如窦性心律不齐, ST-T改变、P波时限、PQ、PR及 QT间期延长[ 11]。 潘敏鸿等[ 12, 13]研究表明, 50 mW/cm2 的高功率微波(highpowermicrowave,HPM)辐射可造成心脏组织结构损伤, 心肌纤维变性, HPM辐射后 6 h～ 7 d内变性心肌范围呈进行性扩大并加重, 7 d可见心肌肌浆凝聚, 横纹消失, 而且随着辐射剂量的增加, 心脏内分泌功能受损, 大鼠血浆心钠素浓度于 1～ 7 d升高, 心肌 β 1肾上腺素受体表达增强, 参与了 HPM辐射致心脏损伤的病理生理过程。 Bortkiewicz等[ 14] 测试了 63名 22～ 67岁长期处于 50Hz电磁场环境下的工作人员, 发现电磁辐射能够影响心血管系统的植物神经调节功能, 且与辐射强度水平呈正相关。 以上报道提示, 微波辐射可引起心脏植物神经系统功能紊乱, 是对生物体健康危害较有特征性的表现, 但是相关结论还有待更多的实验验证。
1.3 神经内分泌
总体而言, 微波对内分泌损伤效应报道较少, 量效关系尚待明确。 匈牙利研究者[ 15]应用 1 800 MHz全球通系统(globalsystemformobilecommunications, GSM)的比吸收率(specificabsorptionrate, SAR)0.018 ～ 0.023 W/kg辐 射NMRI雄性鼠, 测定血清睾丸激素、绒毛膜促性腺激素、类固醇水平, 并进行睾丸、附睾、肾上腺、前列腺、垂体的组织学检查, 发现辐射可引起免疫系统参数的细微改变, 虽然变化尚在正常生理范围内, 但是具有统计学意义。 近年来的流行病学调查研究发现, 微波工作人员常见性欲减退、阳痿、精子减
少、月经紊乱、胎儿性别比例失调等表现。 国内研究结果显示[ 16], 微波辐射能在转录水平影响睾丸间质细胞类固醇合成、细胞色素 P450胆固醇侧链裂解酶 mRNA的表达, 而降低睾酮的合成。 目前, 学者认为暴露强度、时间、不同物种敏感度均会影响试验结果。总之 , 微波辐射对内分泌系统的效应实验数据有限, 未来需要更进一步实验积累才可强化这方面的认识。
1.4 免疫系统
免疫系统同样对微波辐射较为敏感, 主要出现巨噬细胞吞噬功能暂时下降, 淋巴细胞对有丝分裂原反应抑制;中性粒细胞生成减少或骨髓储存粒细胞减少, 抗感染力下降及死亡率上升。 白细胞是免疫系统的初级防御细胞, Polak等[ 17]实验发现, 微波辐射可减少白细胞的数量, 引起细胞代谢异常、染色体缺失、DNA无序合成, 同时改变细胞动力及自然杀伤细胞 NK活性。 国内流行病学调查[ 18]对 29名 HPM从
业人员的外周血 T淋巴细胞酸性非组蛋白进行染色分析, 提示 HPM下调 T细胞的免疫活性, 抑制机体的免疫功能。 目前微波对机体热效应的生物学影响及其作用报道较多, 观点也比较明确, 但对非热效应的生物学影响及其机制仍存有争议, 特别是微波对机体免疫机能影响的非热效应机制目前尚无一致的结论。
1.5 生殖系统
生殖损伤效应受多种因素影响, 如功率、频率、物种、辐射时间等。 一定强度的微波辐射, 可影响到生物体精子的活动度、存活率及穿卵率, 影响 RNA和 DNA的合成, 引发染色体畸变[ 18]。 王桂珍等[ 19] 对 368名接触微波 (400～ 9 400MHz)作业男工流调结果显示, 性欲减退的发生率随专业工龄的增长而升高, 有明显的时间 -效应关系, 性功能异常率随日暴露 时间延长而升高。 另有学者通过实验[ 20]发现HPM辐射能够改变大鼠曲细精管基膜部和精原细胞通透性, 严重影响血睾屏障的保护作用。
大多数研究结果认为, 在安全标准规定的照射水平以下, 一般不会产生健康损害。 但是当微波辐射作用于生物体, 必定会产生一系列生物学效应, 这些辐射变化有的可以代偿机制调节, 未造成不可逆损伤, 有的则使生物体组织产生病变, 诱发多种疾病和损伤。
2 微波辐射生物效应研究进展
随着微波辐射的生物效应作用机制研究日益深化, 即宏观向微观, 整体组织向细胞、分子水平发展, 各方面虽然取得了一定的进展, 但仍需进一步深入研究。
2.1 微波辐射对细胞增殖和基因表达的影响
在正常情况下, 细胞遵循着一定细胞周期进行增殖。 外界环境的刺激会引起细胞周期的变化, 从而使细胞增殖行为发生改变[ 21]。 研究表明, 在微波暴露条件下 , 电磁场对细胞内基质的影响过程中改变了细胞内环境, 尤其作为细胞内能量来源的线粒体受电场的影响, 必然会对细胞的生长增殖产生影响, 尤其重要的是细胞凋亡的发生。 有研究选用 2 45MHz微波在不同功率下照射人外周血淋巴细胞、红细胞, 发现 5mW/cm2 和 7 mW/cm 2 的照射能使染色体畸变率明显上升, 红细胞膜骨架蛋白发生部分解离[ 22]。 黄仕龙等[ 23]发现, 电磁场能明显促进大鼠骨骺干细胞的增殖和 Tharp蛋白的表达, 降低细胞凋亡率。 张晓军等[ 24] 报道电磁场作用于大鼠颅骨成骨细胞, 可以显著提高骨细胞的增殖率。 不同的试验结果是否意味着频率是细胞增殖和基因表达活性的相关因素呢, 如果是这样, 是否就可以利用不同的电磁波治疗不同疾病的患者, 这也许将会成为电磁场治疗手段研究的新方向。
2.2 微波辐射对第二信使的影响
已知 Ca2 +在细胞信息传递过程中起着重要作用, 对细胞的凋亡也有重大的影响。 细胞凋亡过程中需要[ Ca2+ ] i的升高, 许多研究证实了这一点。 从信使途径观察电磁场作用的机制, Liberty等[ 25]证明原癌基因的转录改变与胞内Ca2 + 浓度增高有关。 该研究选用 22 mT, 60 Hz的电磁场辐射已被刺激原激活的 T淋巴细胞, 然后分别检测胞内 Ca2 +和基因转录水平, 发现细胞内 Ca2 + 明显升高 。 实验表明, 微波辐射可对体细胞内 Ca2 + 产生影响, 因此 Ca 2+ 有可能作为信息分子激活一个控制代谢、信使细胞生长的酶系统的级联反应, 从而影响细胞增殖和分化及对原癌基因的调节, 其中是否存在其他调节因素也许会成为下一步研究的重点。
3 微波辐射的卫生标准与防护
处于发达的信息时代, 辐射在生活中难以避免, 因此辐射的防护问题受到人们普遍的关注。 相关机构也制定了相应的防护原则、方法与措施, 以便在防护实践中不断改进完善。 但是由于实验和流行病学调查结果未能得出公认的结论, 因此在电磁辐射的卫生标准制定上各国参差不一。 多数标准依据热平衡理论, 以比吸收率 SAR(specialabsorptionrate)4W/kg为损伤阈值, 对作业环境取 10倍安全系数, 导出暴露限值为 10mW/cm2 。 我国对作业人员操作微波辐射也选择了以比吸收率为参数。 职业照射:在每天 8 h的工作时间内, 任意连续 6 min全身平均的 SAR应小于 100 mW/kg;公众照射:在 24h内, 任意连续 6min全身平均 SAR应小于20mW/kg。 最新国际 IEEEC95.1-2005标准限值规定:“对公众照射在 30min内人体全身平均 SAR应小于 80mW/kg, 任意 1 g肌体中最大的 SAR应小于 1.6mW/kg[ 26]。
在防护问题上, Conrad认为微波辐射为 5～ 10 mW/cm2 ,作用 6～ 10 min是安全的[ 27], 但需注意微波产生的散射影响。 尽可能减少暴露于辐射源的时间;提高电磁场暴露职业人群的自我保护意识 , 加大辐射防治药物的研发(如细胞因子中的白介素 -1、中草药类的猪苓多糖 );建立健康监护制度, 定期对职业人员进行健康检查, 早期发现健康损害, 及时采取干预措施, 同时可充分获得医学流行病学资料, 从而评价某种辐射对人体健康的影响[ 28]。
总之, 微波辐射对机体作用是多方面的。 目前许多流行病学调查报告与实验室的研究结果存在很大差异, 甚至有些结果还相互矛盾, 这可能由于各研究试验条件限定, 因为研究的目的不同, 所采用的辐射方法、辐射强度及生物学效应指标方面的差异, 使得研究结果之间缺乏一致性及重复性。相信随着研究的深入, 有关电磁辐射对机体生物效应的作用机制将会得到逐步的揭示, 如构成微波辐射的各个变量各自对其生物学效应的贡献如何? 如何理解及表达微波辐射的“剂量”等等, 当这些现象的机制被深入的认识, 我们才能更好地利用这些差异, 才能在实际应用过程中有选择性地加强或减少某些生物学效应, 使其更好更安全的为人类服务。
[参考文献 ]
[ 1] YamaguchiH, TsarinaG, UenoS, etal.1439 MHzpulsedTDMA fieldsaffectperformanceofratsinaT-mazetaskonlywhen
bodytemperatureiselevated[ J] .Bioelectromagnetics, 2003, 24(4):223-230.
[ 2] D′AndreaJA, ChouCK, JohnstonSA, etal.Microwaveeffectsonthe nervoussystem[ J] .Bioelectromagnetics, 2003, 24(S6):S107-S147.
[ 3] 王保义, 杨杰斌, 郭庆功,等.毫微秒电磁脉冲的生物效应实验研究和机理分析[ J] .中国科学(C辑), 1997, 27(1):35-39.
[ 4] 刘金环.微量元素与辐射损伤 [ J] .微量元素与健康研究,2003, 20(3):46.
[ 5] 曹慧敏, 宋爱华, 吴新泉.电磁辐射的危害与预防[ J] .中国科学信息, 2005, 17:83.
[ 6] 丁朝阳, 吕志忠.微波辐射对作业人员某些生理功能的影响[ J] .解放军预防医学杂志, 1994, 12(6):454-456.
[ 7] 马 菲, 熊鸿燕, 张 耀, 等, 高强度电磁辐射对军事作业人群神经行为功能影响的流行病学调查[ J] .第三军医大学学报, 2004, 22(4):2048 -2051.
[ 8] 杨学森, 龚芊芬, 张广斌, 等.电磁辐射对大鼠海马 MAPK信号通路的影响[ J] .中国公共卫生, 2005, 21(6):693-672.
[ 9] 潘达颜, 杨超敏.微波辐射对人体健康影响的调查研究[ J] .职业医学, 1992, (6):330-332.
[ 10] 丁朝阳, 吕志忠, 窦兰君, 等.微波辐射对作业人员某些生理功能的影响[ J] .解放军医学杂志, 1994, 12(6 ):454 -456.
[ 11] 张鹤梧, 低场强微波对人体心电图的影响[ J] .中华劳动卫生职业病杂志, 1995, 13(13 ):286-287.
[ 12] 潘敏鸿, 彭瑞云, 高亚兵, 等.高功率微波辐射后大鼠心脏 β1肾上腺素能受体表达及其意义[ J] .中华放射医学与防护杂志, 2006, 26(3):298-300.
[ 13] 潘敏鸿, 彭瑞云, 高亚兵, 等.高功率微波辐射对大鼠心肌、血浆心钠素和内皮素的影响[ J] .军事医学科学院院刊, 2006,30(1):37-39.
[ 14] BortkiewiczA, GadzickaE, ZmyslonyM, etal.Neurovegetativedisturbancesinworkersexposedto50hzelectromagneticfields[ J] .IntOccupMedEnvironHeath, 2006, 19(1):53 -60.
[ 15] ForgacsZ, KubinyiG, SinayG, etal.Jointeffectsofmicrowave andchromiumtrioxideonroottipcellsofViciafaba[ J] .MagyOnkol, 2005, 49(2):149-151.
[ 16] 周 文, 杨进清, 王虚步, 等.电磁辐射对大鼠睾丸合成睾酮功能的影响[ J] .解放军预防医学杂志, 2004, 22(6):413-415.
[ 17] PolakA, FranekA, TaradajJ, etal.Estimationofmagneticradi-ationeffectsonleucocytes[ J] .PolMerkuriuszLek, 2006, 20(117):350 -354.
[ 18] 伊金玲, 张天许.高功率微波辐射对人体 T淋巴细胞免疫活性的影响[ J] .中国工业医学杂志, 2005, 18(5):305-306.
[ 19] 王桂珍, 王海燕, 狄妙香.微波和高频辐射对男工生殖机能的影响[ J] .内蒙古医学杂志, 2001, 33(6):564-565.
[ 20] 黄晓峰, 王春梅, 王爽, 等.高功率微波辐照对大鼠血睾屏障通透性的影响[ J] .中华放射医学与防护杂志, 2006, 26(2):186 -188.
[ 21] DinizP, ShomuraK, SoejimaKltoG, etal.Effectsofpulsede-lectromagneticfield(PEMF)stimulationonbonetissuelikefor-mationaredependentonthematurationstagesoftheosteoblasts[ J] .Bioelectromagnetics, 2002, 23(5):398-405.
[ 22] 杜忠民, 郭 鹞.毫米波辐照小鼠 EMT6乳腺癌细胞增殖活性的影响[ J] .中国病理生理杂志, 1994, 10(1):40-49.
[ 23] 黄仕龙, 陈安民.正旋波电磁场对鼠骨骺干细胞分化的生物学影响[ J] .中华物理医学与康复杂志, 2006, 28(2):76 -78.
[ 24] 张晓军, 张建宝, 文 峻, 等.极低频电磁场对成骨细胞增殖与分化的影响[ J] .中华物理医学与康复杂志, 2006, 28(2):79 -81.
[ 25] LibertyRP, CallahanDE, HarlandJ, etal.Experimentalevi-dencefor6 Hzmagneticfieldsoperatingthroughthesignal
transductioncascade.Effectsoncalcium influxandc-MYCmRNAinduction[ J] .FEBSLett, 1993,334(3):301 -308.
[ 26] 郭 鹞.漫谈电磁辐射生物效应[ J] .疾病控制杂志, 2002, 6(1 ):4-11.
[ 27] 万加华.有关微波的细胞遗传学问题[ J] .职业医学, 1988, 15(1):48 -50.
[ 28] 褚新奇.船舶电磁辐射对人体健康的影响及防护[ J] .中华航海医学与高气压医学杂志, 2007, 14(1):1 -2.