硒与典型污染物汞、砷等元素交互作用研究领域取得新进展

发布时间：2020-04-01

硒作为一种天然解毒剂，具有拮抗重金属毒性的特殊功能。近年来，关于土壤-植物体系硒与重金属之间相互作用的研究逐渐成为领域热点之一。近期，环境地球化学国家重点实验室冯新斌课题组张华领导的交叉创新团队成员、博士在读研究生常传宇、巴基斯坦籍博士在读研究生Waqar Ali分别在“硒-汞、硒-砷交互作用领域”取得了重要进展，相关成果发表在国际著名SCI期刊《Environmental Science & Technology》和《Critical Reviews in Environmental Science and Technology》上。

一、稻田系统硒汞相互作用新认识：课题组前期研究曾首次发现汞矿区土壤硒的增加可以显著抑制水稻根部以上的茎、叶、果实等部位对土壤中无机汞和甲基汞的吸收和转运能力，这一现象与植物根围环境产生的Hg-Se难溶复合物有关，并被广泛证实。然而，历史性的大规模汞开采活动和潜在进行的非法土法炼汞活动所释放的汞极大地造成了土壤和大气双重汞污染。在这样一个高汞的环境里，尽管硒对汞的研究已经有报道，但是汞（包括土壤汞和大气汞）对硒在水稻中的生物富集影响仍不清楚。本研究通过野外实地采样和水稻盆栽实验发现暴露于高大气汞下的水稻植株硒的生物富集特征相较暴露于低大气汞的植株具有一定的差异，且这种差异主要体现在水稻叶片对硒的富集。研究进一步发现水稻叶片汞的生物积累和叶片硒的生物富集因子呈现显著正相关，即叶片汞的积累似乎促进了硒由地下向叶片的转运。由于叶片中的汞主要来自大气，因此，高大气汞则极有可能是导致叶片硒异常富集的诱因。尽管这一现象背后的机理尚未得到很好的解释，但我们猜想汞和硒之间的相互作用很可能会在叶片中发生，因为在叶片中，从大气吸收的汞（Hg⁰）和从土壤吸收的无机硒（Se⁺⁶，Se⁺⁴）分别被氧化和还原。汞和硒之间的相互作用可能会消耗水稻叶片中的可利用硒（Se⁺⁶，Se⁺⁴），从而促进硒由地下向叶片的转运。由于硒可以拮抗汞的毒性，本研究对了解汞污染对水稻硒生物积累的影响，以及评价汞在水稻中的危害和毒性至关重要。

　　农田系统硒-汞交互作用示意图

相关成果以“Bioaccumulation of Hg in rice leaf facilitates selenium bioaccumulation in rice (Oryza sative L.) leaf in the Wanshan mercury mine”为题，发表在环境科学与工程领域1区TOP期刊 Environmental Science & Technology（ES&T）上（DOI: 10.1021/acs.est.9b06486）; 论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.9b06486

截止目前为止，中科院地化所冯新斌课题组在农田系统硒汞交互作用研究领域已先后在ES&T发表4篇重要论文（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STOTEN、EP等重要刊物多篇SCI论文，引起全球著名出版社的关注并邀请出版了相关英文专著1部（Zhang et al., 2014；Springer出版社；ISBN 978-3-642-54918-2.），形成了较为系统的创新性成果。

鉴于上述研究成果和工作基础，张华研究员先后被聘请为生态环境部环境保护与对外合作中心特聘顾问、贵州铜仁国家土壤污染先行区建设专家组副组长、长江生态环境保护修复铜仁驻点研究专家组组长，带领团队成员为国家国际汞公约谈判与履约、国家土壤污染综合防治先行区建设尤其铜仁汞矿区环境健康风险评估以及环境汞污染防控与修复提供了重要科技支撑，相关成果受到政府主管部门的认可和推广。

二、硒、砷在土壤-植物-动物和人体系迁移、转化及相互作用: 准确理解砷和硒之间的相互作用是系统了解这些类金属在植物、动物和人类中的迁移、环境归宿和毒理学效应的关键。

张华团队的博士在读研究生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”为题，在国际著名刊物《Critical Reviews in Environmental Science and Technology》（环境科学与生态学领域；1区TOP; IF=5.980）上发表论文，系统论述了环境中砷（As）和硒（Se）的来源、它们在土壤-植物体系中的吸收、相互作用以及在主要生物体内中的毒理效应等，相关成果有助于人们进一步理解与As和Se污染相关的影响研究。

砷和硒通过产生活性氧引起细胞毒性和遗传毒性。与亚砷酸盐（As^III）相比，甲基化的亚砷酸盐，包括甲基砷化氢酸（MAs^III）和二甲基砷化氢酸（DMAs^III），表现出更大的细胞毒性和遗传毒性潜力，可以抑制有效酶、激活蛋白质AP？1，这是遗传稳定性的一个重要标志。甲基化As^III及其相关代谢物是一类潜在的致癌物质，可以通过阻断Se的代谢途径而引发毒性反应。体内硒化合物的不平衡会导致活性氧的产生，抑制或降低基因组的稳定性。As和Se之间的联系还可通过激活NF？B和AP-1等转录因子影响细胞信号传导。未来研究需要加强关注的方向有：1）开展试点研究，调查土壤-植物系统、动物和人类中砷和硒的解毒机制；2）土壤-植物系统、动物和人类中砷和硒之间毒性长期稳定性仍需进一步研究；3）水生生态系统As和Se之间的相互作用机制、对水生生物可能造成的生态风险和遗传毒性等；4）科学界应更重视深入了解各种生物体中砷、硒相互作用的机制及其相关可能影响，以进一步规范这些元素的合理使用和摄入。