中國硒資源利用中若干關(guān)鍵科學(xué)問題的探討

臧華偉， 張澤洲， 龍澤東， 施文堯， 尹雪斌， 劉永賢 ， 袁林喜

1.西交利物浦大學(xué)健康與環(huán)境科學(xué)系，江蘇蘇州215123；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥230026；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院功能農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215123；4.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，長沙410125；5.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南寧530007

硒是人和動(dòng)物必需的微量元素[1]，也是植物生長的有益微量元素[2]。我國存在一條呈東北-西南走向的土壤缺硒帶(＜0.125 mg·kg-1)[3]，主要農(nóng)耕區(qū)土壤中低硒土壤(＜0.175 mg·kg-1)面積更是高達(dá)33.34%[4]。同時(shí)也存在點(diǎn)狀分布的富硒-高硒地區(qū)(＞0.450 mg·kg-1)，我國主要農(nóng)耕區(qū)土壤中富硒土壤(0.450～3.000 mg·kg-1)面積達(dá)到 8.65%，高硒土壤(＞3.000 mg·kg-1)面積為 0.036%，比如湖北恩施、陜西安康、安徽石臺(tái)、廣西巴馬、江西宜春等[4]。這些富硒-高硒地區(qū)有著豐富的天然硒資源，包括硒礦、硒超積累植物、富硒土壤、富硒水、富硒農(nóng)產(chǎn)品、富硒動(dòng)物制品、富硒/耐硒微生物種質(zhì)資源[5-7]。在湖北省恩施市雙河鄉(xiāng)漁塘壩發(fā)現(xiàn)的世界上迄今唯一的獨(dú)立硒礦床，硒儲(chǔ)量64 萬t，硒平均含量高達(dá)3 637.5 mg·kg-1[5]；在該硒礦區(qū)還發(fā)現(xiàn)了中國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的唯一的硒超積累植物——壺瓶碎米薺(Cardimine hupingshanensis)[8]，由于該植物在我國多省區(qū)具有長期的人群食用歷史，2021 年被國家衛(wèi)生健康委員會(huì)批復(fù)按照葉菜類蔬菜標(biāo)準(zhǔn)管理[9]，具有重要的食用價(jià)值；目前已經(jīng)從高硒地區(qū)土壤中分離出4 株嗜硒/耐硒菌種資源，包括：沃氏菌YLX-1(Wautersiella enshiensissp.nov. YLX-1)[10]、氧化微桿菌YLX-2(Microbacterium oxydansYLX-2)[11]、蘇云金芽孢桿菌YLX-4(Bacillus thuringiensisYLX-4)[12]、高山芽孢桿菌YLX-5(Bacillus altitudinisYLX-5)[13]，這些菌種資源在微生物有機(jī)硒轉(zhuǎn)化、富硒微生物肥料制備、含硒礦石微生物活化等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。陜西省安康市大巴山東段早古生代的巖層硒量達(dá)2.5～6.9 mg·kg-1,富硒地層厚度和跨度分別達(dá)40～50 m和400～500 km，是目前中國面積最大的富硒區(qū)[6]。《中國耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告》(2015 年)調(diào)查新發(fā)現(xiàn)349.6 萬hm2綠色富硒耕地，主要分布在閩粵瓊區(qū)、西南區(qū)、湘鄂皖贛區(qū)、蘇浙滬區(qū)、晉豫區(qū)及西北區(qū)[4]。研究顯示，產(chǎn)自天然富硒區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品硒含量比非富硒區(qū)要高數(shù)倍到數(shù)十倍，尤其是豆類(0.3～0.9 mg·kg-1)、茶葉(0.3～0.7 mg·kg-1)、食用菌(0.1～0.4 mg·kg-1)以及肉類(0.2～0.4 mg·kg-1)[14]。

目前，湖北、陜西、廣西、青海、浙江、福建、四川、江西、海南、湖南等?。▍^(qū)）人民政府已將開發(fā)富硒耕地作為實(shí)施農(nóng)業(yè)強(qiáng)省戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要工作，大力開發(fā)富硒特色耕地，形成特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5-6]。但是另一方面，目前對(duì)硒資源的利用依然存在大干快上、一刀切、簡單粗放的問題，甚至很多科研人員、消費(fèi)者、企業(yè)人員、政府人員對(duì)硒的認(rèn)識(shí)模糊，缺乏科學(xué)認(rèn)知，甚至持懷疑態(tài)度。同時(shí)，由于硒在土壤中常常與重金屬共生，導(dǎo)致富硒產(chǎn)品往往伴隨有重金屬鎘超標(biāo)現(xiàn)象，使得硒資源開發(fā)利用中存在潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)[14]。因此，本文基于作者及其團(tuán)隊(duì)對(duì)中國硒資源近10 年的研究，對(duì)中國硒資源利用過程中存在的幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行探討，有助于地方政府、產(chǎn)業(yè)界、科學(xué)界加深對(duì)中國硒資源的了解與認(rèn)識(shí)，以期為科學(xué)安全高效地利用天然硒資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 天然富硒區(qū)居民攝入硒有何健康效果？

1.1 安徽石臺(tái)

本團(tuán)隊(duì)于2016—2018 年在安徽石臺(tái)縣境內(nèi)篩選了一個(gè)富硒村（大山村）和一個(gè)貧硒村（庫山村），進(jìn)行了系統(tǒng)的地球化學(xué)、環(huán)境營養(yǎng)學(xué)調(diào)查，結(jié)果顯示，位于富硒區(qū)的大山村的耕作土壤總硒含量(2 285.9±1 046.2 μg·kg-1)顯著高于貧硒地區(qū)的庫山村(236.6±45.8 μg·kg-1,P＜0.05)；結(jié)合主要食物硒含量檢測與膳食調(diào)查，計(jì)算獲得大山村居民平均每日硒攝入量為 56±79 μg·d-1，而庫山村居民平均每日硒攝入量僅為 18±10 μg·d-1，存在硒缺乏的風(fēng)險(xiǎn)；進(jìn)一步對(duì)人群硒水平生物標(biāo)志物（發(fā)硒、血硒）分析表明，大山村全部居民的發(fā)硒(351.35±179.15 μg·kg-1)、血 漿 硒 (114.66±26.66 μg·kg-1)均顯著高于庫山村居民（發(fā)硒：274.77±103.80 μg·kg-1，血硒：83.04±25.42 μg·kg-1）[15]。該研究揭示了在天然富硒區(qū)環(huán)境中（食物自給自足），硒通過食物鏈進(jìn)入人體，顯著影響了居民的硒攝入量，進(jìn)而表現(xiàn)在人體的生理指標(biāo)上（發(fā)硒、血硒），有可能對(duì)健康產(chǎn)生顯著影響。

1.2 湖北恩施

在湖北恩施的研究中發(fā)現(xiàn)[15]，高硒地區(qū)（梨子壩村）居民每日硒攝入量(160±105 μg·d-1)遠(yuǎn)高于低硒地區(qū)(長坪村，34±9 μg·d-1)，而同樣位于高硒地區(qū)的漁塘壩村居民由于主食以外地大米為主，每日硒攝入量僅82±57 μg·d-1。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)梨子壩村和漁塘壩村全部居民發(fā)硒、血漿硒和硒蛋白P水平均不存在顯著差異,但均顯著高于長坪村，而3 個(gè)村莊所有居民血漿中谷胱甘肽過氧化物酶酶活則不存在顯著差異。為了探究天然條件下硒與居民的健康效應(yīng)關(guān)系，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合恩施3 個(gè)村莊居民的基本信息和心血管相關(guān)健康指標(biāo)，通過邏輯回歸分析發(fā)現(xiàn)，所有居民的發(fā)硒水平與總高脂血癥患病率、高收縮壓患病率呈正相關(guān)關(guān)系。男性居民血漿硒水平與總高血壓患病率之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，發(fā)硒水平與高收縮壓患病率和高舒張壓患病率之間存在顯著正相關(guān)性，但在女性居民中沒有觀察到相關(guān)性。相似的結(jié)果在其他天然富硒區(qū)也觀測到：Vinceti 等[16]在印度旁遮普富硒地區(qū)進(jìn)行的橫斷面研究結(jié)果顯示，高血壓患病率與血清、頭發(fā)和指甲樣本中的硒濃度呈正相關(guān)關(guān)系。Loomba 等[17]在位于旁遮普富硒地區(qū)的7 個(gè)村莊的研究中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用裎┞兜脑黾油c總膽固醇、白蛋白、游離三碘甲狀腺素、去離子酶活性以及紅細(xì)胞和血小板計(jì)數(shù)的升高有關(guān)。以上結(jié)果表明天然富硒區(qū)居民長期攝入充足或過量的硒可能會(huì)提高高血脂、高血壓的患病風(fēng)險(xiǎn)。但是實(shí)際上，硒是谷胱甘肽過氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶的重要成分，在脂質(zhì)代謝中起重要作用，可以清除細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫和脂質(zhì)過氧化物，維持血管的正常生理功能[18]。Xie等[19]研究發(fā)現(xiàn)，硒攝入量與高血壓發(fā)生率之間的關(guān)聯(lián)因地區(qū)而異，在土壤硒含量低的地區(qū)，提高硒攝入量可能有助于預(yù)防高血壓。因此，結(jié)合我們的研究，長期的硒攝入與人群心血管疾病患病率之間很可能存在“U”形曲線關(guān)系：缺硒人群通過提高硒的攝入量可以預(yù)防或降低心血管疾病的發(fā)生率，但是硒攝入充足的人群進(jìn)一步提高硒的攝入則存在誘發(fā)心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 海南

在海南省的一項(xiàng)橫斷面研究中，調(diào)查了255名健康百歲老人頭發(fā)中的礦物元素濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)足量的鐵和硒可能會(huì)增加百歲老人的壽命，相反，過量的磷和鉛對(duì)健康有害[20]。另一項(xiàng)針對(duì)海南省長壽指數(shù)與食物和水中微量元素含量之間關(guān)系的橫斷面調(diào)查則發(fā)現(xiàn)，從食物和水中獲取的銅、硒和鋅的每日攝入量與衰老和壽命指數(shù)之間呈正相關(guān)，而鉛的攝入量與這些指標(biāo)之間呈負(fù)相關(guān)[21]。關(guān)于硒與長壽之間的關(guān)系目前還沒有明確的結(jié)論，可能是因?yàn)槲鳛橐环N有效的抗氧化劑能夠保護(hù)細(xì)胞免受自由基氧化，減緩了衰老過程[22]。

綜上所述，長期在天然富硒區(qū)生活的人群可以通過食物鏈的方式從環(huán)境中有效攝入硒，但是，長周期的硒攝入與人體健康效應(yīng)可能存在U型曲線關(guān)系：硒攝入長期不足的人群通過提高硒的攝入可以預(yù)防或降低心血管疾病的發(fā)生率，但是硒攝入充足的人群進(jìn)一步提高硒的攝入則存在誘發(fā)心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

2 如何認(rèn)識(shí)天然富硒區(qū)中的硒-鎘共生問題？

2.1 天然富硒土壤與農(nóng)產(chǎn)品中的鎘污染現(xiàn)狀

湖北恩施典型富硒區(qū)的主要農(nóng)作物硒含量達(dá)到 13～688 μg·kg-1，其中 80% 以上的農(nóng)產(chǎn)品達(dá)到相應(yīng)的國家富硒農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或地方富硒產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，但其中24%的水稻、10%的土豆、40%的魔芋中的鎘含量超過《食品中污染物限量(GB2762-2017)》國家標(biāo)準(zhǔn)[23]。陜西南秦嶺-大巴地區(qū)的耕作土壤中硒含量達(dá)到 500～6 960 μg·kg-1(平均值2 780 μg·kg-1)，但其中89%的土壤鎘含量超過了《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)GB 15618-2018》農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(300 μg·kg-1，pH＜5.5)，鎘含量達(dá)到 630～14 880 μg·kg-1(平均值 2 380 μg·kg-1)[24]。安徽池州石臺(tái)縣土壤硒和鎘含量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)赝寥牢繛?50～2 560 μg·kg-1(平均值 1 190 μg·kg-1)，而土壤鎘含量100%超過國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，達(dá)到 800～2 600 μg·kg-1(平均值1 670 μg·kg-1)；所調(diào)查的當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的大米硒含量為 80～420 μg·kg-1，其中有 16% 超過國家標(biāo)準(zhǔn)《富硒稻谷GB/T 22499-2008》的上限值(300 μg·kg-1)，但56.82%的大米樣品中的鎘含量超過200 μg·kg-1的安全限量標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2017)[25]。

2.2 天然環(huán)境中的硒-鎘相互作用

為嘗試解決天然硒資源利用中的鎘污染問題，在貴州省地質(zhì)調(diào)查院2014 年開展的多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上，作者團(tuán)隊(duì)選取了具有富硒高鎘土壤地球化學(xué)背景的貴州省威寧縣小海鎮(zhèn)、雙龍鄉(xiāng)一帶作為研究區(qū)域(土壤總鎘含量為 1.43～3.74 mg·kg-1，土壤總硒含量為 0.35～1.04 mg·kg-1)，于 2015 年和 2017 年開展了采樣研究工作，發(fā)現(xiàn)在天然富硒高鎘土壤條件下，玉米作物的根-土界面存在顯著的硒-鎘互作雙重效應(yīng)，土壤生物可利用硒-鎘摩爾比值與玉米根中鎘摩爾含量存在顯著的倒“U”形曲線關(guān)系[26]，具體發(fā)現(xiàn)如下。

①玉米根部土壤可利用態(tài)硒-鎘摩爾比值與根中硒-鎘摩爾比值存在顯著的“U”形曲線關(guān)系，而其與根中鎘的摩爾含量存在顯著的倒“U”形曲線關(guān)系，但與根中硒的摩爾含量沒有顯著相關(guān)性，即：當(dāng)土壤可利用態(tài)硒-鎘摩爾比值＜0.7 時(shí)，土壤中可利用態(tài)鎘隨著該比值的增加而顯著減少，但根中積累的鎘含量卻出現(xiàn)顯著的增加，與此同時(shí)土壤和根中的硒含量并未出現(xiàn)顯著變化，從而導(dǎo)致根中硒-鎘摩爾比值出現(xiàn)顯著降低；當(dāng)土壤可利用態(tài)硒-鎘摩爾比值大于0.7 時(shí)，土壤中可利用態(tài)鎘隨著該比值增加而進(jìn)一步顯著減少，此時(shí)根中積累的鎘含量也出現(xiàn)顯著的減少，而此時(shí)土壤和根中的硒含量也并未出現(xiàn)顯著變化，從而導(dǎo)致根中硒-鎘摩爾比值出現(xiàn)顯著升高。

②利用強(qiáng)陰離子交換高效液相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜(SAX-HPLC-ICP-MS)的多元素形態(tài)同時(shí)分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)盡管在玉米根部沒有出現(xiàn)顯著的硒-鎘形態(tài)互作現(xiàn)象，但是在土壤可利用態(tài)硒-鎘摩爾比值≤0.7時(shí)，硒是以硒代胱氨酸的形式與鎘進(jìn)行互作反應(yīng)；而大于0.7 時(shí)，硒是以硒代蛋氨酸的形式與鎘進(jìn)行互作的。這說明硒可以在作物體內(nèi)與鎘發(fā)生互作反應(yīng)。

2.3 硒-鎘共生的毒理學(xué)認(rèn)識(shí)

硒具有清除動(dòng)物體內(nèi)自由基和抗氧化的功能，能緩解機(jī)體氧化應(yīng)激，拮抗鎘等金屬元素的毒性[27-28]。Liu 等[29]發(fā)現(xiàn)鎘暴露能顯著增加雞大腦和小腦中的鎘含量，增加一氧化氮生成量，提高誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和丙二醛的活性和含量，引起氧化應(yīng)激；而硒添加能顯著降低一氧化氮生成，抑制誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和丙二醛活性，降低氧化應(yīng)激水平，從而緩解鎘引起的雞腦部損傷。也有研究顯示添加亞硒酸鈉后對(duì)肉牛日增重影響不顯著(P＞0.05)，但能極顯著降低肉牛心臟中鎘的含量(P＜0.01)，同時(shí)也極顯著增加了胃、腎臟、肝臟等組織中鎘的含量(P＜0.01)[30]。Li 等[31]從分子生物學(xué)角度利用X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜監(jiān)測秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)中硒和鎘形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)在鎘脅迫的環(huán)境下，線蟲可以通過體內(nèi)谷胱甘肽以及植物螯合肽的作用，將Cd2+與SeO32-轉(zhuǎn)變?yōu)镃dSe 納米顆粒，進(jìn)而緩解鎘對(duì)其造成的毒害。

目前現(xiàn)有的研究主要是通過硒的單獨(dú)攝入來研究硒干預(yù)鎘的積累、遷移，或者毒理行為，對(duì)于硒-鎘共生的天然富硒農(nóng)產(chǎn)品中的鎘的毒理特征尚未開展系統(tǒng)研究?；谧髡邎F(tuán)隊(duì)的前期研究，硒很可能與遷移進(jìn)入植物體內(nèi)的鎘進(jìn)行巰基反應(yīng)，硒代氨基酸或硒蛋白會(huì)與鎘離子或植物螯合肽結(jié)合鎘進(jìn)行反應(yīng)，從而降低作物體內(nèi)鎘的生物活性或生物毒性（未發(fā)表數(shù)據(jù)）。由此，可以推測天然富硒區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中鎘的生物毒性可能比同等劑量鎘的非富硒農(nóng)產(chǎn)品的毒性要低。

綜上所述，盡管硒-鎘共生導(dǎo)致天然富硒農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬鎘含量超標(biāo)是目前限制硒資源開發(fā)的重要因素，但是應(yīng)從兩個(gè)方面來看待這個(gè)問題：一是可以通過調(diào)節(jié)作物根部土壤中可利用態(tài)硒-鎘的摩爾比值來降低重金屬鎘進(jìn)入作物可食部位的量，從而阻止鎘進(jìn)入食物鏈；二是應(yīng)對(duì)作物可食部位的硒-鎘共存的毒理行為進(jìn)行深入研究，探討現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下鎘超標(biāo)的富硒作物的食用安全性。

3 研究硒資源中硒形態(tài)組成有何重要意義？

3.1 硒形態(tài)種類與代謝途徑

自然界中硒以兩種形態(tài)存在：無機(jī)硒和有機(jī)硒。無機(jī)硒包括亞硒酸鹽（4價(jià)）、硒酸鹽（6價(jià)）和硒化物，一般與金屬硫化礦物共生，且具有較大的毒性[32]。有機(jī)硒是通過生物轉(zhuǎn)化形成的，一般指硒代蛋氨酸、硒代胱氨酸、甲基硒代半胱氨酸[33]。

硒酸鹽一般通過根部的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入植物體內(nèi)，較容易轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分，然后在植物葉片中被還原成亞硒酸鹽，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒的形態(tài)[34]；但是，亞硒酸鹽一般通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)通道或水通道的方式進(jìn)入植物根部，在植物的根部易被轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒（如：硒代蛋氨酸等），然后再向地上部位轉(zhuǎn)運(yùn)，從而導(dǎo)致亞硒酸鹽相較于硒酸鹽更容易積累在植物的根部[35]；有機(jī)硒可以通過植物的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)行吸收，優(yōu)先儲(chǔ)存在根部[36]。因此，如果土壤中以亞硒酸鹽為主或以亞硒酸鹽進(jìn)行硒營養(yǎng)強(qiáng)化時(shí)，植物根部的硒積累量會(huì)比地上部位多，且植物組織中轉(zhuǎn)化的有機(jī)硒占比較高；相反，以硒酸鹽為主的時(shí)候，地上部位的硒積累量比根部高，但會(huì)有顯著+6價(jià)硒殘留。

人體吸收的硒來源于食物或膳食補(bǔ)充劑，主要形態(tài)包括了硒代蛋氨酸、硒代胱氨酸、甲基硒代半胱氨酸、亞硒酸鹽和硒酸鹽。小腸是最主要的硒吸收部位，硒在腸道中被血紅細(xì)胞攝取，初始吸收效率可以達(dá)到80%～90%[37]。硒酸鹽可能通過鈉介導(dǎo)的載體吸收，但亞硒酸鹽通過被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入腸道細(xì)胞膜，硒代氨基酸的吸收途徑與氨基酸的吸收途徑一致[38]。一般而言，硒酸鹽需要通過煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸還原酶(NADPH)、谷胱甘肽(GSH)還原為亞硒酸鹽，進(jìn)一步還原為谷胱甘肽硒醇(GSSeH)，再轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵中間產(chǎn)物硒化氫(H2Se)；硒代蛋氨酸不僅可以直接代謝為甲基硒醇(CH3SeH)并進(jìn)一步形成硒化氫，還可以通過胱硒醚產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為硒代半胱氨酸，進(jìn)一步通過硒代半胱氨酸裂解途徑形成硒化氫。而甲基硒代半胱氨酸則是通過裂解酶作用產(chǎn)生甲基硒醇(CH3SeH)進(jìn)一步形成硒化氫[39]。硒化氫將會(huì)與血液中的血漿蛋白（如：血清白蛋白、SEPP1、GPX3）結(jié)合，進(jìn)入肝臟通過UGA 轉(zhuǎn)運(yùn)子編碼合成硒蛋白（目前已知的人體硒蛋白達(dá)到25 種）[1,38,40]，硒蛋白再由血液運(yùn)送至人體的各個(gè)器官和組織發(fā)揮生理功能。不同形態(tài)的硒在人體內(nèi)的代謝途徑和代謝效率會(huì)具有顯著差異，因此研究食物中的硒形態(tài)組成特征對(duì)于人體健康具有重要的意義。

3.2 主要硒資源中的硒形態(tài)組成特征

通過建立高效液相色譜-等離子體質(zhì)譜(HPLC-ICP-MS)的硒元素形態(tài)分析方法，對(duì)中國典型天然富硒農(nóng)產(chǎn)品和硒生物營養(yǎng)強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品中的總硒和硒形態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)分析[41]，包括：糧食作物水稻、小麥、燕麥、玉米、馬鈴薯、甘薯和木薯，蔬菜作物西蘭花、白菜、辣椒和胡蘿卜，水果類作物西瓜和獼猴桃，以及經(jīng)濟(jì)作物茶葉和辣木?？傮w而言，水果類作物（西瓜、獼猴桃）總硒含量最低，一般在幾十～幾百μg·kg-1（干重）的范圍，硒代蛋氨酸占比超過60%，沒有無機(jī)硒檢出；茄科作物（馬鈴薯、辣椒）、禾本科作物（水稻、小麥、燕麥、玉米）總硒含量均小于1 mg·kg-1（干重），硒形態(tài)以硒代蛋氨酸為主，達(dá)到50%～70%，但有部分4 價(jià)硒和6價(jià)硒的殘留，達(dá)到10%左右；薯類（甘薯、木薯）對(duì)硒具有一定的積累能力，總硒可以達(dá)到1～3 mg·kg-1（干重），但硒形態(tài)組成發(fā)生了顯著變化，硒代蛋氨酸占比出現(xiàn)明顯下降，達(dá)到10%～40%，甲基硒代半胱氨酸占比達(dá)到10%～30%，尤其在木薯中六價(jià)硒占比高達(dá)20%；十字花科作物（西蘭花、白菜）具有最高的硒積累能力，總硒可達(dá)到20 mg·kg-1（干重），但硒形態(tài)組成也最為復(fù)雜，6 價(jià)硒占比達(dá)到40%左右，4 價(jià)硒占比約為5%，而硒代蛋氨酸占比僅為20%左右；盡管茶葉的硒積累量不如十字花科作物，大約1～2 mg·kg-1（干重），但硒代半胱氨酸占比高達(dá)50%左右，其次是硒代蛋氨酸（20%左右），無機(jī)硒亦有檢出（10%左右）。

本團(tuán)隊(duì)也研究了不同的烹飪方法（蒸、煮、炸、制豆?jié){）對(duì)富硒小麥、富硒玉米和富硒大豆的硒形態(tài)的影響[42]，發(fā)現(xiàn)蒸、煮和油炸的烹飪方式對(duì)富硒小麥和富硒玉米中的總硒含量損失不到10%，而制豆?jié){過程中大約有50%的硒會(huì)殘留在豆渣中；對(duì)比烹飪前后硒形態(tài)的變化發(fā)現(xiàn)，硒代胱氨酸、硒代蛋氨酸、甲基硒代半胱氨酸的含量都較未加工的谷物有所降低，其中蒸的烹飪方式會(huì)降低硒代蛋氨酸含量4.4%～13.5%和硒代胱氨酸含量14%～100%；煮的烹飪方式降低了硒代蛋氨酸含量13.5%～22.7%，但是硒代胱氨酸與硒甲基硒代半胱氨酸均完全損失；對(duì)富硒小麥油炸之后，硒代蛋氨酸含量降低了3.1%，硒代胱氨酸含量降低了28.6%，而硒甲基硒代半胱氨酸下降幅度達(dá)到56.7%。研究結(jié)果表明后期的食物加工方式和烹飪方式也會(huì)對(duì)硒形態(tài)的穩(wěn)定產(chǎn)生顯著影響，需要進(jìn)一步的研究。

綜上所述，土壤中的硒形態(tài)多樣，作物對(duì)其吸收、代謝途徑亦不同，而且不同農(nóng)作物中的硒形態(tài)差別明顯，導(dǎo)致人體攝入硒出現(xiàn)代謝效率和功能上的差異，因此對(duì)于天然硒資源的認(rèn)識(shí)要從過去的“總硒”和“可利用硒”的角度轉(zhuǎn)移到“硒存在形態(tài)”，更為科學(xué)。

4 中國硒超積累植物對(duì)硒超積累的機(jī)制是什么？

中國硒超積累植物——壺瓶碎米薺(Cardamine hupingshanensis)是目前唯一一種中國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的硒超積累植物，于2013 年被Yuan 等[8]在湖北省恩施市漁塘壩硒礦區(qū)的礦坑排水系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，屬于十字花科碎米薺屬二年生或多年生草本植物，全株光滑無毛，株高約20～100 cm，單腎形或近心形，總狀花序，果實(shí)為線形長角果[43]。

4.1 硒的超積累特征

壺瓶碎米薺在恩施硒礦區(qū)自然生長條件下，根中可累積硒高達(dá)8 000 mg·kg-1, 葉中也可累積硒高達(dá)3 000 mg·kg-1，而且根部硒的富集系數(shù)高達(dá)28，根到莖/葉的硒遷移系數(shù)高達(dá) 2.5～3.0[8]，可以與之前在美國發(fā)現(xiàn)的兩種典型的硒超積累植物雙鉤黃芪(Astragalus bisulcatus)和沙漠王羽(Stanleya pinnata)相媲美。但與之不同的是，壺瓶碎米薺組織中積累的硒的形態(tài)主要是硒代胱氨酸，占比達(dá)80%以上，而雙鉤黃芪和沙漠王羽中主要積累的是甲基硒代半胱氨酸[44]。通過人工模擬胃腸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壺瓶碎米薺中硒具有高達(dá)50%的生物可給性，而且與無機(jī)硒相比，壺瓶碎米薺體內(nèi)的有機(jī)硒成分更加安全[45]。

4.2 微生物學(xué)特征

袁林喜等[46]對(duì)湖北恩施硒礦區(qū)生長的開花期壺瓶碎米薺采集根際土壤樣品和非根際土壤樣品，16S rRNA 基因文庫分析揭示壺瓶碎米薺根際微生物顯著區(qū)別于非根際微生物組成，尤其表現(xiàn)在具有更高的α多樣性，主要組成為α-變形綱(Alphaproteobacteria)、β-變形綱(Betaproteobacteria)、放線菌綱(Actinobacteria)、酸桿菌綱(Acidobacteria)和γ-變形綱(Gammaproteobacteria)，其中 α-變形菌綱和硝化螺旋菌綱作為代表性的根際微生物，可能有促進(jìn)壺瓶碎米薺對(duì)硒的吸收、積累的作用。進(jìn)一步，本團(tuán)隊(duì)從壺瓶碎米薺原位生長環(huán)境中分離到1 株硒耐受型微生物菌株，鑒定為氧化微桿菌(Microbacterium oxydans)，其最高可以耐受15.0 mg·L-1的硒（亞硒酸鈉）濃度；當(dāng)菌株暴露在1.5 mg·L-1的硒（亞硒酸鈉）溶液中，該菌株可以將溶液中的亞硒酸鈉在6～12 h 內(nèi)大量轉(zhuǎn)化為硒代胱氨酸[47]。此外，張如等[48]還從壺瓶碎米薺新鮮葉片組織內(nèi)分離純化得到1 株耐硒內(nèi)生菌-甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌(Bacillus methylotrophicus)，其可以將Se4+在32 h 內(nèi)高效地還原成硒代胱氨酸。以上研究表明，壺瓶碎米薺可能通過硒的超積累特性在根際構(gòu)建獨(dú)特的根際微生物群落，而且在植株組織內(nèi)也存在一些硒耐受型微生物及其群落，這些特異性微生物群落在硒的超積累過程及硒的形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，尤其是硒代胱氨酸的主導(dǎo)性積累中扮演了重要的角色。

綜上所述，對(duì)中國獨(dú)有的硒超積累植物——壺瓶碎米薺，目前僅開展了根際微生物、內(nèi)生微生物的初步研究，而對(duì)其硒超積累的分子機(jī)制、代謝途徑等方面尚未開展深入研究，有待進(jìn)一步挖掘。

5 展望

基于已有對(duì)中國硒資源利用中的關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，可以得出以下初步結(jié)論。

富硒土壤中的生物可利用硒可以通過食物鏈的方式有效進(jìn)入人體，提高人體的硒水平，包括血硒水平、發(fā)硒水平，以及谷胱甘肽過氧化物酶和硒蛋白P 等硒的生物標(biāo)志物的表達(dá)，具有顯著的健康效應(yīng)。但是，長周期的硒攝入與人體健康效應(yīng)存在“U”形曲線關(guān)系：硒攝入長期不足的人群通過提高硒的攝入可以預(yù)防或降低心血管疾病的發(fā)生率，但是硒攝入充足的人群進(jìn)一步提高硒的攝入存在誘發(fā)心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。由于我國天然富硒區(qū)大多在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，人群的食物來源封閉且單一，有利于開展硒的環(huán)境營養(yǎng)學(xué)、環(huán)境健康學(xué)的研究，探討長時(shí)間的硒攝入對(duì)人群健康效應(yīng)的影響，包括心血管疾病、糖尿病、肝臟疾病、腸道疾病等。此外，硒的攝入與人群的腸道微生物之間的關(guān)系也值得研究，尤其是篩選特異性的有益腸道微生物菌種資源，將會(huì)為未來硒-益生菌功能食品開發(fā)與硒-益生菌菌群移植提供重要思路。

硒-鎘共生導(dǎo)致天然富硒農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬鎘含量超標(biāo)依然是限制硒資源開發(fā)的重要因素，作物根部土壤中存在顯著的硒-鎘相互作用。當(dāng)土壤可利用態(tài)硒-鎘摩爾比值小于0.7 時(shí)，硒會(huì)促進(jìn)鎘在作物根中的積累；當(dāng)土壤可利用態(tài)硒-鎘摩爾比值大于0.7時(shí)，硒會(huì)抑制鎘在作物根中的積累。因此，未來可以嘗試在鎘超標(biāo)天然富硒區(qū)利用調(diào)節(jié)土壤中的可利用態(tài)硒-鎘摩爾比值的方式來調(diào)控鎘在作物中的過量積累問題。進(jìn)一步，吸收進(jìn)入作物體內(nèi)的硒會(huì)以硒代氨基酸的方式與鎘發(fā)生相互作用，有望降低鎘向可食部位的遷移，或者降低鎘的生物毒性，因此硒-鎘共存的農(nóng)產(chǎn)品的毒理評(píng)價(jià)也值得開展進(jìn)一步的研究。

由于硒資源中的硒存在形態(tài)多種多樣，不同種農(nóng)作物中硒形態(tài)差別明顯，而不同形態(tài)的硒在人體內(nèi)的代謝途徑和代謝效率具有顯著差異，因此研究硒資源中的硒形態(tài)組成特征對(duì)于人體健康具有重要的意義。未來在硒資源的開發(fā)利用中，要優(yōu)選對(duì)土壤硒積累能力更強(qiáng)、有機(jī)硒形態(tài)占比更高的十字花科農(nóng)作物進(jìn)行種植，對(duì)于硒資源的利用效率更高，安全性更好。此外，對(duì)富硒農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行深加工過程中不僅要關(guān)注總硒的損失情況，也要關(guān)注其中硒形態(tài)的穩(wěn)定性；以及如何在烹飪過程保持食物中硒形態(tài)的穩(wěn)定性依然需要進(jìn)一步的研究。

硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(SMT)機(jī)制被認(rèn)為是雙鉤黃芪和沙漠王羽能夠超積累硒的主要原因，但是并不能解釋壺瓶碎米薺超積累硒代胱氨酸的現(xiàn)象。盡管壺瓶碎米薺存在獨(dú)特的根際微生物和內(nèi)生微生物，有可能在硒的超積累過程中發(fā)揮了作用，但具體機(jī)制尚不清晰，需要進(jìn)一步的研究。同時(shí)，壺瓶碎米薺的生理生化和分子生物學(xué)方面的工作尚未開展，比如：植物組織的抗壞血酸和谷胱甘肽等抗氧化指標(biāo)的變化，以及與防御水平相關(guān)的茉莉酸、水楊酸、乙烯等有關(guān)基因水平的變化等。

因此，中國作為世界獨(dú)特的硒資源分布區(qū)域——既有連片的缺硒帶，也有點(diǎn)狀分布的富硒-高硒區(qū)，一方面要對(duì)天然硒資源予以重視、科學(xué)開發(fā)，另一方面要加強(qiáng)硒超積累植物與微生物、硒形態(tài)與代謝、天然富硒區(qū)硒與人體健康等領(lǐng)域的多學(xué)科研究，為健康中國做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。