恩施地区土壤-大米-人体系统中硒的迁移及健康风险评价

赵 晗,蔡 超

(1.中国科学院 城市环境研究所/中国科学院城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361000；2.中国科学院大学，北京100049)

恩施地区土壤-大米-人体系统中硒的迁移及健康风险评价

赵 晗1,2,蔡 超1

(1.中国科学院 城市环境研究所/中国科学院城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361000；2.中国科学院大学，北京100049)

采集湖北恩施4个地区的4种大米及相应的土壤样品,采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定土壤和大米中硒含量,并采用连续浸提的方法测定了土壤硒的赋存形态，最后通过体外胃肠道模型方法探究了大米中硒的生物可给性，并对当地人群硒中毒风险进行评估，以期为当地硒资源的开发管理提供科学依据。结果表明，恩施地区土壤硒含量为0.15 ～5.42 mg/kg,水溶态硒所占比例最低,为1.41%～3.80%；残渣态硒所占比例最高,为36.1%～41.7%。大米硒含量为0.07～1.61 mg/kg；大米硒富集系数为0.22～0.48；大米硒在胃阶段的生物可给性为45.7%～56.4%，在小肠阶段的生物可给性为58.4%～68.5%。鱼塘坝、长平、沙地、太阳河地区人均硒摄入量(PDI)分别为490、26、132、57 μg/d,恩施鱼塘坝地区人群有慢性硒中毒风险，沙地和太阳河地区人群膳食硒水平为丰富，长平地区人群膳食硒水平为缺乏。

硒; 土壤; 大米; 生物可给性; 硒中毒风险

硒是一种人体必需的微量元素，硒过多或过少对人体健康都不利。人体缺硒会导致克山病，硒过量会导致人体脱发脱甲等硒中毒症状[1-2]。适量的硒可以抗氧化、抗衰老，甚至防癌、抗癌等。全世界缺硒地区占2/3，已报道出现过硒缺乏病的主要有芬兰、美国、英国等20多个国家。我国有7亿多人口的膳食中硒缺乏，约有72%的县(市)存在不同程度的缺硒现象。缺硒严重影响人类健康以及畜牧业的发展。因此，适量补硒尤为重要。湖北恩施鱼塘坝具有全球唯一的独立成矿的硒矿床。所以，恩施地区富硒产业的打造以及开发是我国当前乃至未来的重大战略之一。但是，富硒产业的打造必须以基本的科学研究为依据，因此，对富硒地区硒的迁移转化及健康风险等方面的研究显得极为迫切。

恩施地区硒的迁移转化研究对当地作物的栽培等具有重大意义。Xu等[3]探究了恩施地区土壤-烟草系统中硒的迁移情况；Dai[4]研究了恩施地区土壤-茶叶系统中硒的迁移情况。大米作为人们的主食之一，研究其硒的迁移特征对人群的健康状况评价具有重要意义。目前，还没有关于恩施地区大米-人体系统中硒的迁移特征及健康风险评价研究。国内外学者通常采用PDI(probable daily intake of Se for a human)指数来进行硒健康风险评价，然而，过去国内外研究者往往利用食物中的硒含量直接计算PDI值。但是食物中的硒并不会被人体完全吸收，这样计算无疑增大了PDI值，所以，本研究首次采用硒的生物可给性进行PDI的计算。生物可给性是指食物直接进入人体的消化系统后，人体胃肠道溶解部分所占的比例[5]。为此,采集恩施地区不同硒水平的土壤和大米,探究土壤-大米-人体系统中硒的迁移情况，并采用体外人体肠胃模型研究大米硒的生物可给性,进而对恩施地区硒中毒风险进行评价，旨在为我国富硒地区富硒产业的开发提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

恩施土家族苗族自治州坐落在湖北西南部，位于鄂、渝、湘三省交汇处，属于我国西部大开发区域。 目前，在恩施发现了全球迄今为止唯一独立的硒矿床，打破了“硒不能独立成矿床”的理论，被誉为“中国硒都”。恩施富硒碳质岩层出露面积约为850 km2，矿层厚度在3.6～9.0 m，最高含硒量达8 000 mg/kg，硒含量为世界之最。

1.2 样品采集及处理

于水稻成熟期(2015年9月20日)，在湖北省恩施市鱼塘坝、长平、沙地和太阳河地区采集0～20 cm耕层土壤和对应土壤上的水稻(宜香107、科优21、川丰6号和谷优102)籽粒。土壤样品在室内阴凉处风干、压碎，拣去样品中的碎石、植物残体等杂物，过0.15 mm筛，装入聚乙烯塑料袋中备用。大米样品在实验室内先用自来水冲洗3次，然后用蒸馏水冲洗3次，室温下晾干，用冷冻干燥机烘干，去壳后再用植物碎样机粉碎并过0.15 mm筛，密封储存于聚乙烯塑料袋中备用。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤和大米硒含量 土壤样品的消解参考Williams等[6]采用的电热板消解法并稍做改进。称取经风干粉碎过筛的样品 0.2 g于消解管中，提前称取空的消解管质量，加10 mL浓硝酸、2.5 mL 高氯酸，摇匀，放置过夜，于低温电热板上加热至冒白烟，蒸至 1 mL左右，取下冷却，用超纯水定容至40 mL，称质量，样品液经0.22 μm滤膜过滤后待测，同时设空白对照，每个样品3个平行。

大米样品的消解参考王欣等[7]采用的微波消解法。称取大米粉样品0.2 g置于微波消解管中，加入2 mL浓硝酸、2 mL双氧水，微波消解过夜。消解结束后，冷却至室温，打开消解罐，样品液转移至50 mL离心管中，并用超纯水洗涤消解罐及盖3 次，合并洗涤液，定容至40 mL并摇匀，称质量，样品液经0.22 μm滤膜过滤后待测。每个样品设3个平行，同时设空白对照。

土壤和大米中硒含量都采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法进行测定， ICP-MS 采用 He 碰撞池模式。其中，土壤成分分析标准物质为GSS-1和GSS-3，大米成分分析标准物质为GBW10010。

1.3.2 土壤中硒的赋存形态 土壤中硒的赋存形态分析参考Wang等[8]的土壤硒的连续化学浸提五步法,并且针对恩施地区的样品稍做改进。各形态硒的提取方法如下。(1)水溶态：称取1.000 g土壤样品于10 mL离心管中，加入蒸馏水10 mL，加盖，平放于康式振荡器上，室温下振荡 1 h，然后以4 000 r/min离心30 min，取出上清液，定容，待测。(2)可交换态：在上述含有残渣的离心管中，加入0.1 mol/L KH2PO4-K2HPO4溶液10 mL，室温下同法振荡 2 h，以 4 000 r/min离心30 min，取出上清液，定容至10 mL，待测。(3)铁锰氧化物和碳酸盐结合态：在(2)含有残渣的离心管中，加入 3 mol/L HCl 10 mL，于 90 ℃恒温水浴加热50 min，并间歇振荡，然后以 4 000 r/min离心30 min，取出上清液，定容至500 mL，待测。(4)有机物结合态：在(3)含有残渣的离心管中，加入 0.1 mol/L K2S2O810 mL，于 90 ℃恒温水浴加热 2 h，并间歇振荡，然后以 4 000 r/min离心 30 min，取出上清液，定容至500 mL，待测。(5)残渣态：取出残渣，烘干，重新研磨。硒含量的测定方法同1.3.1。

1.3.3 硒富集系数 硒在植物中的富集系数主要体现了植物吸收富集硒的能力。大米样品硒富集系数为大米硒含量与其对应土壤硒含量的比值。

1.3.4 大米中硒的生物可给性 大米中硒的生物可给性采用Jaiswal等[9]的体外模拟消化方法测定。胃部阶段：称1.25 g大米粉置于50 mL血清瓶中，加入12.5 mL胃液(6%胃蛋白酶,pH值为1.75)，混合，振荡1～2 min。然后密封血清瓶，以150 r/min在37 ℃条件下振荡3 h。冷却后，在4 ℃下4 000 r/min离心20 min。样品液经0.45 μm 水性滤膜过滤后密封储存在0～4 ℃条件下待测，测量前先定容至50 mL,然后取出10 mL,稀释至100 mL，测量。小肠阶段：将胃阶段得到的溶液用NH4HCO3调整pH值到7.0，然后加入10 mL胰消化液(2%的胰酶和0.2%的胆汁)，混合，振荡1 min。其余操作同胃阶段。同时做空白试验和3个平行试验。硒含量的测定方法同1.3.1。

1.4 硒健康风险评价

本研究采用PDI指数进行硒健康风险评价，其计算公式为PDI=a×b×c/d。其中，a为大米硒含量；b为大米中硒的生物可给性,由于小肠是人体吸收硒最主要的场所，所以，本研究选取在小肠阶段的大米硒生物可给性进行计算；c为人均大米摄入量,本研究为217.8 g/d[10]；d为大米在所有食物组分中所占的比例，据Qin等[11]调查结果可知，恩施大米在所有食物组分中所占的比例为41.8%。

1.5 数据处理

采用 SPSS 19.0 进行数据统计与相关分析。

2 结果与分析

2.1 恩施地区土壤硒含量及其赋存形态

2.1.1 土壤硒含量 由图1可知，恩施地区硒含量介于0.15 ～5.42 mg/kg，土壤硒含量空间分布不均匀，不同地区土壤硒含量差异较大，表现为鱼塘坝>沙地>太阳河>长平。鱼塘坝地区土壤硒含量最高,达到5.42 mg/kg，高于中国硒过剩区的土壤基准值3 mg/kg[12]；长平地区土壤硒含量最低，为0.15 mg/kg。根据李家熙[13]关于富硒土壤的划分， 土壤硒含量大于0.4 mg/kg 为富硒土壤，介于0.2～0.4 mg/kg为中硒土壤,介于0.1～0.2 mg/kg为低硒土壤。鱼塘坝、沙地 、太阳河等地区都属于富硒土壤，长平地区属于低硒土壤。

不同字母表示各样品间差异显著(P<0.05)，下同

2.1.2 土壤硒的赋存形态 大米硒含量的高低，除了与土壤本底值相关，还与土壤硒的赋存形态息息相关。因此，了解土壤中硒的赋存形态十分有必要。由图2可知，水溶态硒所占比例最低,为1.41%～3.80%；残渣态硒所占比例最高,为36.1%～41.7%。土壤有效态硒是指真正可以被植物吸收利用的硒,它占土壤硒的比例近似等于可交换态硒和水溶态硒所占比例之和。恩施地区土壤有效态硒所占比例为10.3%～17.8%，普遍偏低，绝大部分是不能被植物利用的残渣态硒，说明该地区土壤硒的生物可利用性不高。另外,恩施不同地区土壤有效态硒所占比例相差不是很大，可见大米硒含量的多少主要取决于相对应土壤硒含量的多少。

图2 恩施地区土壤硒的赋存形态

2.2 恩施地区大米硒含量及富集系数

2.2.1 大米硒含量 由图3可知，恩施地区大米硒含量为0.07～1.61 mg/kg，其中鱼塘坝地区大米宜香107的硒含量最高，为1.61 mg/kg，长平地区大米科优21的硒含量最低,为0.07 mg/kg，沙地(川丰6号)和太阳河(谷优102)大米硒含量分别为0.43 mg/kg和0.17 mg/kg。研究区大米硒含量空间分布与土壤硒含量空间分布的大小顺序一致，也表现为鱼塘坝>沙地>太阳河>长平。可见， 土壤硒含量高的地区，大米硒含量也相对较高。鱼塘坝地区大米硒含量接近高硒中毒村的1.38 mg/kg[14]，显著高于恩施其他地区。因此，鱼塘坝地区的人群长期食用当地大米很可能有硒中毒风险，应该引起当地政府的重视。长平地区大米硒含量最低，当地人群若长期食用当地大米，很有可能出现硒缺乏症，可以适当和一些相对高硒的大米混合食用，改善硒的膳食水平。

图3 恩施地区不同水稻品种硒含量

2.2.2 大米硒富集系数 大米中硒含量的高低不仅与其所生长土壤的本底值和土壤硒的赋存形态有关，还与大米的生理结构密切相关。大米硒富集系数是表征大米富集硒能力的重要指标。由图4可知，恩施地区鱼塘坝、长平、沙地、太阳河地区各自对应的水稻品种宜香107、科优21、川丰6号、谷优102的硒富集系数差异显著，分别为0.30、0.48、0.22、0.41。其中，富硒能力最强的水稻品种是科优21，其次是谷优102，川丰6号最低。说明在考察大米富硒问题的时候，水稻品种也是一个不能忽视的因素。建议当地居民栽培水稻的时候，根据当地的实际情况选择合适的水稻品种。

图4 恩施地区不同水稻品种硒的富集系数

2.3 恩施地区大米硒的生物可给性及健康风险评价

2.3.1 大米硒的生物可给性 大米进入人体后，会被人体胃肠道吸收，本研究采用体外胃肠道模型探究了大米硒的生物可给性。由图5可知，不同水稻品种硒的生物可给性不同，胃阶段为45.7%～56.4%，小肠阶段为58.4%～68.5%，但均小于100%，说明大米进入人体后不能完全被人体吸收。在小肠和胃阶段，长平地区大米科优21硒的可给性最高，其次是太阳河地区大米谷优102，沙地地区大米川丰6号、鱼塘坝地区大米宜香107的硒可给性较低，说明水稻品种对硒的生物可给性有不可忽视的影响。不同水稻品种硒的生物可给性不同，可能是因为不同水稻品种各成分的含量和比例有差别。

不同字母分别表示同一消化阶段不同样品间差异显著(P<0.05)

2.3.2 大米硒的健康风险评价 PDI指数通常被用来评价人群膳食硒健康风险。由图6可知，恩施鱼塘坝、长平、沙地、太阳河地区PDI分别为490、26、132、57 μg/d。根据梅紫青[15]硒膳食营养水平判别标准以及世界卫生组织最新规定的硒允许最高剂量(400 μg/d)[16]，当PDI小于40 μg/d时,当地人群膳食硒水平为缺乏；PDI为40～200 μg/d时,当地人群膳食硒水平是正常；PDI为200～400 μg/d时,当地人群膳食硒水平是丰富;当PDI为400 ～800 μg/d时,当地人群有慢性硒中毒风险。因此，恩施鱼塘坝地区人群有慢性硒中毒风险，沙地和太阳河地区人群膳食硒水平为丰富，长平地区人群膳食硒水平为缺乏。

图6 恩施不同地区PDI指数

3 结论与讨论

本研究结果表明，恩施鱼塘坝地区土壤硒含量为5.42 mg/kg。Zhu等[17]采集了恩施鱼塘坝地区土壤，测得硒含量为4.75 mg/kg，与本研究结果比较接近。鱼塘坝地区大米硒含量为1.61 mg/kg。Sun等[18]采集了恩施鱼塘坝地区的大米样品，硒含量为2.18～8.44 mg/kg，略微高于本研究结果，这可能是由于采样品种和采样时间不同导致的。

大米硒含量的高低，除了与土壤本底值有关，还与土壤硒的赋存形态息息相关。本研究结果表明，土壤中水溶态硒所占比例最低,为1.41%～3.80%；残渣态硒所占比例最高,为36.1%～41.7%。吴少尉等[19]研究表明，恩施地区土壤水溶态硒所占比例最低，为3.1%；残渣态硒所占比例最高,为42.0%,这与本研究结果相近。另外一个影响硒在土壤-大米中迁移的因素是大米的硒富集系数。本研究结果表明，不同水稻品种的硒富集系数有差异，不同地区应该选择适宜的水稻品种进行栽培。

本研究采用硒的生物可给性进行PDI的计算。结果表明，胃阶段大米硒的生物可给性为45.7%～56.4%，小肠阶段大米硒的生物可给性为58.4%～68.5%，均小于100%，说明大米进入人体后不能完全被人体吸收。Jaiswal等[9]采集了印度的大米样品，发现在胃阶段硒的可给性为52%，小肠阶段硒的可给性为65%，小肠阶段显著高于胃阶段，这与本研究结果相近。另外，本研究发现，不同水稻品种硒的生物可给性存在差异。在硒含量比较低的地区，人群补硒时应该尽量挑选硒生物可给性比较高的水稻品种食用；在硒含量比较高的地区，人群应该选择硒生物可给性比较低的水稻品种，以免造成硒中毒。

鱼塘坝、长平、沙地、太阳河地区PDI分别为490、26、132、57 μg/d。恩施鱼塘坝地区人群有慢性硒中毒风险，当地政府应该采取措施降低该风险；沙地和太阳河地区人群膳食硒水平为丰富；长平地区人群膳食硒水平为缺乏，当地政府应该引起重视，采取措施改善人群缺硒状况。Huang等[20]利用食物总量计算出恩施沙地地区PDI指数为550 μg/d；Qin等[11]利用食物中硒含量计算出恩施高硒地区PDI指数为2 144 μg/d，与本研究结果存在差异，一方面是因为采样时间不同；另一方面是因为他们计算PDI都是通过食物硒含量直接计算，而本研究计算PDI引入了生物可给性，由于人体不可能完全吸收食物中的硒，生物可给性小于100%，本研究中硒生物可给性最大值为68.5%，所以此计算方式更加科学精确。

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Migration of Selenium in Soil-Rice-Human System and Health Risk Assessment in Enshi Area

ZHAO Han1,2,CAI Chao1

(1.Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Urban Environment and Health,Chinese Academy of Sciences，Xiamen 361000,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

In order to provide a scientific basis for the local management and development of the selenium resources，four soil samples and four relevant rice samples were collected in Enshi,the contents of selenium in soils and rice samples were measured by ICP-MS,and the combined forms of selenium were detected by sequencial extraction method,and the bioavailability of selenium of rice was explored by theinvitrogastrointestinal model.The results showed that selenium content of soil was 0.15—5.42 mg/kg in Enshi,the proportion of water soluble selenium was the lowest with 1.41%—3.80%,and the proportion of residual selenium was the highest with 36.1%—41.7%.The selenium contents of rice were 0.07—1.61 mg/kg,the bioconcentration factors of selenium in rice were 0.22—0.48,and the selenium bioaccessibility in rice were 45.7%—56.4% and 58.4%—68.5% in gastric phase and small intestine phase respectively.In addition,the intake of selenium per capita in Yutangba,Changping,Shadi,Taiyanghe were 490,26,132,57 μg/d,indicating that the local residents of Yutangba had potential chronic selenium poisoning risk,and the dietary nutrition belonged to rich level in Shadi and Taiyanghe,and the dietary nutrition belonged to lack level in Changping.

selenium; soil; rice; bioaccessibility; selenosis risk

2016-11-20

国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA06A204)

赵 晗(1990-),男,湖北恩施人,在读硕士研究生,研究方向：土壤化学与环境工程。E-mail:hanzhao@iue.ac.cn

X820.4;X53;X173

A

1004-3268(2017)06-0062-05