硒與典型汙染物汞、砷等元素交互作用研究取得進展

2020-12-23 中國科學院

　　硒作為一種天然解毒劑，具有拮抗重金屬毒性的特殊功能。近年來，關於土壤-植物體系硒與重金屬之間相互作用的研究逐漸成為領域熱點之一。近期，中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室馮新斌課題組張華領導的交叉創新團隊成員、博士在讀研究生常傳宇、巴基斯坦籍博士在讀研究生Waqar Ali分別在「硒-汞、硒-砷交互作用領域」取得新進展，相關成果發表在國際期刊Environmental Science & Technology 和Critical Reviews in Environmental Science and Technology上。

　　一、稻田系統硒汞相互作用新認識：課題組前期研究曾首次發現汞礦區土壤硒的增加可以顯著抑制水稻根部以上的莖、葉、果實等部位對土壤中無機汞和甲基汞的吸收和轉運能力，這一現象與植物根圍環境產生的Hg-Se難溶複合物有關，並被廣泛證實。然而，歷史性的大規模汞開採活動和潛在進行的非法土法鍊汞活動所釋放的汞極大地造成了土壤和大氣雙重汞汙染。在這樣一個高汞的環境裡，儘管硒對汞的研究已經有報導，但是汞（包括土壤汞和大氣汞）對硒在水稻中的生物富集影響仍不清楚。本研究通過野外實地採樣和水稻盆栽實驗發現暴露於高大氣汞下的水稻植株硒的生物富集特徵相較暴露於低大氣汞的植株具有一定的差異，且這種差異主要體現在水稻葉片對硒的富集。研究進一步發現水稻葉片汞的生物積累和葉片硒的生物富集因子呈現顯著正相關，即葉片汞的積累似乎促進了硒由地下向葉片的轉運。由於葉片中的汞主要來自大氣，因此，高大氣汞則極有可能是導致葉片硒異常富集的誘因。儘管這一現象背後的機理尚未得到很好的解釋，但研究人員猜想汞和硒之間的相互作用很可能會在葉片中發生，因為在葉片中，從大氣吸收的汞（Hg0）和從土壤吸收的無機硒（Se+6，Se+4）分別被氧化和還原。汞和硒之間的相互作用可能會消耗水稻葉片中的可利用硒（Se+6，Se+4），從而促進硒由地下向葉片的轉運。由於硒可以拮抗汞的毒性，該研究對了解汞汙染對水稻硒生物積累的影響，以及評價汞在水稻中的危害和毒性至關重要。

　　相關成果以Bioaccumulation of Hg in rice leaf facilitates selenium bioaccumulation in rice (Oryza sative L.) leaf in the Wanshan mercury mine 為題，發表在環境科學與工程領域期刊Environmental Science & Technology（ES&T）上（DOI: 10.1021/acs.est.9b06486）。

　　截至目前，馮新斌課題組在農田系統硒汞交互作用研究領域已先後在ES&T發表4篇論文（Zhang et al., ES&T. 2012, 46, 10040–10046 ；Zhang et al., 2014, 48, 1206-1212; Zhang et al., ES&T. 2015, 49(6): 3540-3547；Chang et al., ES&T. 2020, 54, 3228-3236）及在STOTEN、EP等刊物發表多篇論文，並出版相關英文專著1部（Zhang et al., 2014；Springer出版社；ISBN 978-3-642-54918-2.），形成了較為系統的創新性成果。

　　鑑於上述研究成果和工作基礎，張華先後被聘請為生態環境部環境保護與對外合作中心特聘顧問、貴州銅仁國家土壤汙染先行區建設專家組副組長、長江生態環境保護修復銅仁駐點研究專家組組長，帶領團隊成員為國家國際汞公約談判與履約、國家土壤汙染綜合防治先行區建設尤其銅仁汞礦區環境健康風險評估以及環境汞汙染防控與修復提供了重要科技支撐，相關成果受到政府主管部門的認可和推廣。

　　二、硒、砷在土壤-植物-動物和人體系遷移、轉化及相互作用: 準確理解砷和硒之間的相互作用是系統了解這些類金屬在植物、動物和人類中的遷移、環境歸宿和毒理學效應的關鍵。

　　張華團隊的博士在讀研究生Waqar Ali等作者以Insights into the mechanisms of arsenic-selenium interactions and the associated toxicity in plants, animals, and humans: A critical review 為題，在國際刊物Critical Reviews in Environmental Science and Technology上發表論文，系統論述了環境中砷（As）和硒（Se）的來源、它們在土壤-植物體系中的吸收、相互作用以及在主要生物體內的毒理效應等，相關成果有助於人們進一步理解與As和Se汙染相關的影響研究。

　　砷和硒通過產生活性氧引起細胞毒性和遺傳毒性。與亞砷酸鹽（AsIII）相比，甲基化的亞砷酸鹽，包括甲基砷化氫酸（MAsIII）和二甲基砷化氫酸（DMAsIII），表現出更大的細胞毒性和遺傳毒性潛力，可以抑制有效酶、激活蛋白質AP-1，這是遺傳穩定性的一個重要標誌。甲基化AsIII及其相關代謝物是一類潛在的致癌物質，可以通過阻斷Se的代謝途徑而引發毒性反應。體內硒化合物的不平衡會導致活性氧的產生，抑制或降低基因組的穩定性。As和Se之間的聯繫還可通過激活NF-B和AP-1等轉錄因子影響細胞信號傳導。未來研究需要加強關注的方向有：1）開展試點研究，調查土壤-植物系統、動物和人類中砷和硒的解毒機制；2）土壤-植物系統、動物和人類中砷和硒之間毒性長期穩定性仍需進一步研究；3）水生生態系統As和Se之間的相互作用機制、對水生生物可能造成的生態風險和遺傳毒性等；4）科學界應更重視深入了解各種生物體中砷、硒相互作用的機制及其相關可能影響，以進一步規範這些元素的合理使用和攝入。

　　論文連結：1 2

農田系統硒-汞交互作用示意圖

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