我国地理环境硒缺乏与健康研究进展

李海蓉, 杨林生*, 谭见安, 王五一, 侯少范, 李永华, 虞江萍, 韦炳干

1.中国科学院地理科学与资源研究所, 陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101; 2.中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100039

我国地理环境硒缺乏与健康研究进展

李海蓉1,2, 杨林生1,2*, 谭见安1, 王五一1, 侯少范1, 李永华1, 虞江萍1, 韦炳干1

1.中国科学院地理科学与资源研究所, 陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101; 2.中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100039

我国地理环境硒缺乏的范围和程度都比较严重。综述了自20世纪60年代末以来我国环境硒缺乏与健康研究方面的进展，包括我国环境硒的地域分异与克山病和大骨节病的关系、低硒环境成因与低硒环境改良，以及硒与地方性砷中毒防治等方面的研究进展。在此基础上提出了未来地理环境中硒与健康的研究方向，以期为环境硒资源的开发利用和不同人群硒营养的健康基线研究提供科学的理论依据。

环境硒；地域分异；克山病；大骨节病；低硒带；阈值；砷中毒

自1817年瑞典科学家Berzelius发现硒以来，在相当长的时间里，硒一直被视为有毒元素，直至1957年Schwarz和Foltz首次证明硒是动物必需微量元素，1973年Roetruck发现硒是谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的必要活性组分。硒被证实是人体必需的微量元素后，人们对硒的生物学功能及其与健康关系的研究不断深入[1～3]。我国是世界范围内地理环境硒缺乏范围最广、缺硒程度最严重的国家之一，有关硒缺乏与克山病和大骨节病关系的研究引起了全球硒与健康研究的广泛关注。本文综述了自20世纪60年代末以来我国环境硒缺乏与健康研究方面的进展，以期为环境硒资源的开发利用和不同人群硒营养的健康基线研究提供科学的理论依据。

1 环境硒的地域分异规律及低硒带的成因

1.1克、大两病分布与低硒带的发现

克山病是一种病因未明、死亡率极高的地方性心肌病，主要分布在我国黑龙江、吉林、辽宁、河北、内蒙古、山西、山东、河南、陕西、甘肃、四川、云南、西藏和湖北等14个省/自治区[4]；大骨节病为一种病因未明的地方性、多发性、变形性骨关节病，主要分布于黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、山东、北京、陕西、山西、河南、四川、宁夏、甘肃、青海和西藏等15个省(市)/自治区[5]。通过对全国主要克、大病区的调查采样分析，进行多元素筛选，在1973年证实病区粮食硒含量普遍偏低，且病区土壤、头发中含硒量也偏低。在此基础上，根据硒的化学地理特征，于1974年明确提出了低硒带的概念。后经补充采样和调查，于1976年证实我国存在一条自然环境低硒带，其分布与克山病、大骨节病分布相吻合[6～8]。自然环境低硒带呈东北—西南走向，在纬度上跨度较大，主要分布在东北到西南的温带、暖温带，属半干旱、半湿润气候，主要为棕、褐土系列环境，低硒带内土壤及母质(母岩)、粮食、水和人体中硒含量显著低于其他地区[9～13]。

1.2硒的地域分异机制和低硒带的成因

低硒带的形成是由硒在环境中的迁移特性及其生物学特性所决定的，土壤低硒是低硒带形成的基础。通过对全国各地的236个土壤剖面表层样品的硒测定数据分析表明，我国不同类型土壤表土含硒量有明显的差异，最高的是砖红壤、红壤、黄壤和西北内陆盐土和盐化草甸土，最低的是以棕褐土系列为中轴的土壤，从我国东北的暗棕壤、黑土向西南方向经黄土高原的褐土、黑垆土到川滇的棕壤性紫色土、红褐土、红棕壤、褐红壤至青藏高原东部和南部的亚高山草甸土(黑毡土) ，构成一条完整的低硒带[5,6,8～11]。地带性的气候-生物因素是我国土壤硒呈明显带状区域分异的主要因素，在其作用下，土壤成土过程及土壤主要物理化学性质(有机质性质与含量、质地、粘土矿物的构成、胶体的性质与含量、pH、Eh等)变化影响土壤中硒的保留量、赋存形态及其土壤—植物的传输量。位于我国东南部的热带、亚热带地区，岩石风化成土过程中随着富铝化作用和红壤化、砖红壤化过程的加强，伴随铁铝的积累，硒也相应富集。而西部干旱半干旱的偏碱性环境利于硒的迁移，但由于降水少，淋溶作用较弱，加上多处于内流区域，由剥蚀区淋溶下来的硒多在植物生长的内陆盆地和绿洲富集；而地处温带-中度风化-中至弱酸性-硅铝质地区一般较不利于硒的保留。在成土过程较弱的条件下，地质和岩性因素对环境硒的水平也有重要的作用，如川东和滇北的低硒病区、黄土高原低硒病区等分别与低硒紫色岩层和低硒黄土母质有关，湖北恩施和陕西紫阳的硒中毒地区的出现，则是受到高硒沉积岩层(黑色)影响的结果。此外，地貌因素对硒的分异也有显著影响，如侵蚀淋溶的正地貌区与堆积富集的负地貌区硒分布往往有较大差异[6,10,14～19]。

1.3低硒带的阈值和硒生态景观

通过对我国东南和西北两个非病区以及病带内27个省、自治区和直辖市， 300个土壤剖面、2 000余份粮食样品和3 000余份人发样品的硒含量分布规律的分析，进一步确证了我国低硒带的地理分布，并基于地理区划理论和方法，划分了低硒带的环境阈值，并绘制了能综合反映我国土壤硒、粮食硒和人发硒的生态景观类型图(图1)。从图1可以看出，我国从东北到西南走向存在着明显的低硒带。

2 低硒与克、大两病病情的关系

2.1低硒环境与克、大两病病情的关系

克山病、大骨节病分布与低硒带分布相吻合的发现，证实了克山病和大骨节病病区属于低硒环境。20世纪70年代的研究表明，我国克、大两病病带内地理生态系统内所有物质硒含量都明显低于西北和东南两个非病带(表1)；20世纪80年代进一步研究分析表明，病带内并非处处都是病区，在病带内存在无病区或健康岛。对比研究发现，病带内病区生态系各物质硒的含量，都显著低于病带内非病区相应的物质含硒量[9,20]。

图1 我国硒元素生态景观类型图[5,6,20,21]Fig.1 Selenium ecological landscape map of China[5,6,20,21].

表1 1970年代我国西北、东南非病带和克、大两病病带地理生态系统物质硒含量平均值(μg/g)[20]Table 1 The average selenium content of geographical ecosystem materials in Keshan/Kashin-Beck Disease endemic areas and non-endemic areas in the northwest and southeast of China in 1970s(μg/g)[20].

注：n为样本量。

2.2低硒环境内硒营养与克、大两病病情的关系

克、大两病病区病人以农村人口为主，居住环境相对封闭，居民主要消费当地产的谷物，因此当地粮食中硒含量就成了居民的硒营养背景。20世纪80年代以前，克山病病区食物链中硒的通量处于低水平，病区居民从畜牧产品和粮食中每天摄入的硒只有25 μg左右, 而邻近的非病区居民每天摄硒量一般大于30 μg，城市人群摄硒量高者可达84.1 μg，病区人群硒摄入量不足，体内硒含量也明显偏低[21]。低硒状态也是我国大骨节病区人群硒营养的普遍现象，病区内94%的人群血硒值低于0.030 μg/mL，只有4%的人群高于0.035 μg/mL；而非病区人群血硒值低于0.035 μg/mL的仅有5%，76%的人群血硒高于0.065 μg/mL。发硒含量也类似，就全国范围来说，大骨节病病区发硒低于0.100 μg/g，低硒带东南、西北两侧的非病区发硒均值都大于0.300 μg/g，说明低硒带直接影响人群体内的硒营养水平。在低硒带内大骨节病区的人群，其婴儿-幼儿期是机体硒的生理降低阶段，当营养不良尤其是蛋白质不足时，导致体内摄硒不足，因而，大骨节病最小发病年龄出现在1 岁左右，可见体内硒营养水平与大骨节病发病有密切关系[21,22]。

2.3克、大两病病情消长与硒的关系

自20世纪80年代以来，随着防病措施的落实以及农村实行改革开放政策，病区居民经济状况明显改善，生活水平显著提高，克、大两病病情稳步下降。1980年以来对15个省的调查和分析表明，生态系统中岩石、土壤、粮食硒含量与20世纪80年代前相比变化不明显，但病区人发中硒含量明显升高，表明随食物来源不断丰富，食物链的物质循环由自给自足的封闭状态逐步向半开放、开放模式演变，对低硒自然环境的依赖性日趋降低，病区人群硒摄入量逐渐上升，人体硒营养水平不断提高，相应克山病和大骨节病的患病率也大幅度下降，许多未采取防病措施的病区自然演变为轻病区或历史消退病区[20,23,24]。典型病区定位连续观察表明，我国克山病、大骨节病病情下降率与发硒含量在0.100～0.150 μg/g和>0.150 μg/g范围人群的百分比增加呈正相关，与<0.100 μg/g的人群百分比呈负相关，证明改革开放以来，克山病、大骨节病病情下降是由于病区居民硒营养水平的普遍提高[24]。

2.4青藏高原大骨节病持续活跃与环境硒的关系

目前全国范围克、大两病基本达到控制水平，但位于青藏高原的青海、西藏、四川阿坝等地大骨节病病情虽有所下降，但仍有新发病例出现，部分地区大骨节病依然活跃。本团队对青藏高原硒的地域分异与大骨节病持续活跃的研究发现[25～37]：①高寒气候、地表破碎、土地退化和较弱的成土条件下，高原土壤中硒的含量和有效性更低，整个生态环境硒处在更低的生态循环中，病区土壤、水、粮食、人发中的硒含量与病情呈稳定的负相关；②青藏高原人文环境极其特殊，除了全国克山病、大骨节病区普遍存在的经济落后、生活闭塞之外，当地居民的饮食结构更加单一，农区主要以当地自产的青稞为主，极少蔬菜和肉食，青稞中蛋白质和硒等生命元素的含量很低，重病区人群硒摄入量不足硒最低需要量的一半。牧民饮食中高营养和高硒的奶制品和肉类较多，膳食中粮食的来源较为开放，与之对应，青藏高原地区农区大骨节病病情最重，其次为半农半牧区，牧区基本无发病；③近年来，随着多项惠民政策的相继实施，青藏高原大骨节病病区生产和生活条件得到显著改善，以换粮、集中补硒等为主的大骨节病综合防治措施取得了明显成效，主粮供给模式已从原有封闭的自给自足逐渐向半开放的模式转变，外源性高硒含量大米和面粉食用频率的增加直接增加了病区人群体内硒的摄入，藏区儿童发硒含量稳步上升，大骨节病病情呈下降趋势。

3 低硒环境的改良和干预

3.1低硒环境改良

由于克山病和大骨节病与硒缺乏密切相关，病区低硒自然环境和一定历史时期的社会经济发展落后，膳食结构单一等是制约克、大两病发生、流行和病情消长的主要环境和社会因素，因此，我们提出通过“改良低硒环境，发展病区经济”等综合措施，以达到提高膳食硒的营养、从根本上控制两病的对策，并在陕西黄土高原等典型病区开展现场示范实验，取得了良好的生态-经济效益和防病效果。主要措施包括：①针对病区生态环境脆弱的基本特点，采取以水土保持为中心的环境改良措施，控制土壤环境中硒的淋失；②通过施加硒肥、作物喷硒等措施，以增加农作物中硒的含量[38]；③通过调整产业结构，发展林果业和畜牧业，提高病区经济并提高外源高硒食物的输入等，降低病区人群对低硒环境的依赖；④通过定期和精准补硒，提高病区人口硒的营养。

3.2硒与砷中毒防治

基于硒具有拮抗砷对机体损伤的机理，本团队研发了有机硒制剂并在内蒙古饮水型砷中毒病区首次开展了防治砷中毒的临床应用现场实验和动物实验研究。研究表明，切断高砷水源后，硒制剂对地方性砷中毒具有明显的治疗效果。主要表现在[39～45]：①硒对地方性砷中毒临床治疗效果显著，砷中毒特异性皮肤病变转归明显；②硒对砷中毒引起的全身性疾病(如肝脏损伤、微循环改变、心电图改变等)的疗效显著，并有保护作用；③硒对人体内过量砷累积有显著排除效果；④硒制剂对砷引起的遗传物质损伤有阻断、保护和修复作用，并对砷中毒的远期恶性癌变可能有良好的预后作用。

4 展望

越来越多的研究发现硒对人类健康的影响远比以前的认识要重要得多。与此同时，随着全球环境变化和人类活动的加剧，以及我国社会经济变化和生活环境的改变，地理生态系统中各要素间物质循环和人类的膳食和营养因素也在发生着重大变化，因此，未来环境硒与健康研究一方面要加强土壤和作物中硒的含量、生物有效性变化及其与气候变化和环境污染等自然环境变化的关系研究；另一方面要加强不同人群硒营养变化及其影响因素研究；三是要加强不同人群健康与硒的营养基线关系研究；四是加强足硒或高硒环境中硒的行为和健康关系的研究，尤其是硒与长寿、癌症和心脑血管疾病等方面的研究[46～50]，为环境中硒资源的开发利用及其健康影响研究提供科学的理论依据。

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环境硒与健康研究团队介绍

中国科学院地理科学与资源研究所环境硒与健康研究团队长期研究硒在环境中的迁移转化、分布、地域分异规律及其与克山病、大骨节病、地方性砷中毒、区域长寿等疾病和健康关系研究，为地方病的环境病因和防治及硒的开发利用做出了重大贡献。从“六五”至今，先后主持国家科技部科技攻关/科技支撑项目、中科院重大/重点项目、自然科学基金重点/面上项目等相关科研项目30余项，获得国家、省(部)级以上奖励 10多项，发表论文300余篇，出版专著8部，获得专利及成果转化5项。现有成员20余人，其中高级研究人员8人，博士/硕士研究生10人。

ProgressonSeleniumDeficiencyinGeographicalEnvironmentanditsHealthImpactsinChina

LI Hairong1,2, YANG Linsheng1,2*, TAN Jian’an1, WANG Wuyi1, HOU Shaofan1, LI Yonghua1, YU Jiangping1, WEI Binggan1

1.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironment,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

The range and degree of selenium (Se) deficient in geographical environment of our country is serious. This paper reviewed the main progress on the Se deficiency in environment and its impacts on human health in the last 50 years of China. The main topics were the relationship between the regional differentiation of environmental Se and Keshan Disease(KSD) and Kashin-Beck Disease(KBD), the occurrence mechanism of low Se environment and its improvements, and the prevention and treatment of endemic arsenism with Se supplementation. Based on the progress, the future studies of environmental Se and human health was proposed in order to provide a scientific basis for the development and utilization of Se resources and the research on baseline nutrition level of Se in different population.

environmental selenium; regional differentiation; Keshan Disease; Kashin-Beck Disease; low-selenium belt; threshold value; endemic arsenism

2017-07-28;接受日期2017-08-11

国家自然科学基金项目(41671500；41230749)资助。

李海蓉，副研究员，研究方向为环境与健康。E-mail：lihr@igsnrr.ac.cn。*通信作者：杨林生，研究员，研究方向为环境与健康。E-mail: yangls@igsnrr.ac.cn

10.19586/j.2095-2341.2017.0095