趙 晗， 蔡 超

(1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所/中國科學(xué)院城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建廈門 361000； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

硒為稀有分散元素，在地殼中含量很少，而且在土壤中的分布極不均勻。世界上土壤自然含硒量在0.01～2.00 mg/kg之間，一般土壤中硒含量約0.4 mg/kg[1]，可見湖北恩施地區(qū)屬于中國典型的高硒區(qū)。Qin等采集恩施富硒地區(qū)農(nóng)田土壤，硒含量高達(dá)5.90～24.3 mg/kg[2]。恩施富硒作物中煙草和茶葉等研究比較多，但是，玉米作為恩施地區(qū)栽培面積最大的作物研究得相對較少。Xu等采集了恩施地區(qū)煙草葉子，測得其硒含量為0.3～29.3 mg/kg[3]；Dai采集了恩施地區(qū)茶葉，測得其硒含量最高可達(dá)到7.53 mg/kg[4]。另外，對富硒作物中硒總量研究得比較多，對硒的生物可給性研究得比較少，而硒對人體健康的影響與生物可給性息息相關(guān)，且很少有研究關(guān)注到作物品種對生物可給性的影響。生物可給性是指食物直接進(jìn)入人體的消化系統(tǒng)后，人體胃腸道溶解部分所占的比例[5]。Lavu等探究了比利時韭菜和洋麻硒的生物可給性，在胃階段約為45%，在小腸階段約為75%，小腸階段顯著比胃階段要高[6]；Bhatia等研究了印度蘑菇硒小腸階段的生物可給性，約為57%[5]。本研究首次探討了玉米品種對硒的生物可給性的影響。

硒過多或過少對人體健康都不利，人體缺硒會導(dǎo)致克山病和大骨節(jié)??；硒過量會導(dǎo)致人體脫發(fā)、脫甲等硒中毒癥狀[7-8]。飲食是硒暴露的主要途徑，評估其健康風(fēng)險對于當(dāng)?shù)厝巳旱慕】禒顩r具有十分重要的意義。但是，目前探究食物硒健康風(fēng)險的研究并不多，而且國內(nèi)外的研究一般采用食物總硒直接參與計算。然而食物中的硒并不會被人體完全吸收，這樣無疑增大了硒中毒的健康風(fēng)險，所以本研究采用硒的生物可給性參與健康風(fēng)險評估的計算，旨在為開展富硒玉米的科學(xué)種植提供理論支持。

1 樣品采集與分析方法

1.1 玉米采集及預(yù)處理

樣點于2015年8月20日采自湖北省恩施市魚塘壩、長平、屯堡和紅土地區(qū)。土壤樣品取0～20 cm的耕作層土壤，玉米樣品采集于對應(yīng)的土壤上的玉米籽粒。其中，本研究玉米約4月開始種植，8月成熟，采樣時期為玉米的成熟期，采樣部位為玉米的果實。土壤樣品在室內(nèi)陰涼處風(fēng)干、壓碎，揀去樣品中的碎石、植物殘體等雜物，過100目篩，裝入聚乙烯塑料袋中備用。玉米樣品在實驗室內(nèi)先用自來水沖洗3次，然后用蒸餾水沖洗3次，室溫下晾干，用冷凍干燥機(jī)烘干，再用植物碎樣機(jī)粉碎并過100目篩，密封儲存于聚乙烯塑料袋中備用。

1.2 樣品測試與分析

土壤樣品的消解試驗開始于2015年8月23日，參考Williams等采用的電熱板消解法[9]并稍作改進(jìn)：稱取經(jīng)風(fēng)干粉碎過100目篩的樣品0.2 g于消解管中，提前稱取空的消解管質(zhì)量，加濃硝酸10 mL、高氯酸2.5 mL，搖勻，放置過夜，次日于低溫電熱板上加熱至冒白煙，蒸至1 mL左右，取下冷卻，以Milli-Q超純水定容至40 mL左右，稱質(zhì)量，樣品液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后待測，同時制作分析空白，每個樣品3個平行。

玉米樣品的消解參考王欣等采用的微波消解法[10]：稱取玉米粉樣品0.2 g(過100目)置于微波消解管(提前清洗，烘干)中，加入2 mL濃HNO3、2 mL H2O2，過夜，微波消解；消解結(jié)束后，冷卻至室溫，打開消解罐，樣品液轉(zhuǎn)移至40 mL離心管中，并用超純水洗滌消解罐及蓋3次，合并洗滌液，定容并搖勻，稱質(zhì)量，樣品液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后待測。每個樣品做3 個平行，同時做空白試驗。

土壤和玉米樣品都采用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜法)進(jìn)行分析測量，ICP-MS 采用 He 碰撞池模式。其中，土壤的處理過程中加入土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-1和GSS-3，植物的處理過程中加入玉米標(biāo)準(zhǔn)物GBW10012，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與重復(fù)樣品的測定，數(shù)據(jù)結(jié)果可靠。

土壤有效態(tài)的測量試驗于2015年8月30日開始，參考Wang等的土壤硒的連續(xù)化學(xué)浸提五步法[11]，并且針對恩施地區(qū)的樣品稍作改進(jìn)。各個形態(tài)提取方法如下：(1)水溶態(tài)。稱取 1.000 g 土壤樣品于 10 mL離心管中，加入蒸餾水 10 mL，加蓋，平放于振蕩器上，室溫下振蕩 1 h，然后以 4 000 r/min 轉(zhuǎn)速離心30 min，取出上清液，定容至10 mL，檢測。(2)可交換態(tài)。在上述含有殘渣的離心管中，加入 0.1 mol/L KH2PO4-K2HPO4溶液10 mL，室溫下同法振蕩 2 h，以 4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心30 min，取出上清液，定容至 10 mL，待測。(3)鐵錳氧化物和碳酸鹽結(jié)合態(tài)。在(2)含有殘渣的離心管中，加入 3 mol/L HCl 10 mL，于 90 ℃的恒溫水浴中加熱50 min并間歇振蕩，然后以 400 r/min轉(zhuǎn)速離心 30 min，取出上清液，定容至500 mL，待測。(4)有機(jī)物結(jié)合態(tài)。在(3)含有殘渣的離心管中，加入 0.1 mol/L K2S2O810 mL，于 90 ℃恒溫水浴中加熱 2 h并間歇振蕩，然后以 4 000 r/min 轉(zhuǎn)速離心 30 min，取出上清液，定容至500 mL，待測。取出殘渣，烘干，重新研磨。以下操作方法同上面土壤總硒含量的測定。

玉米可給性試驗于2015年9月12日開始進(jìn)行，采用Jaiswal等的體外模擬消化方法[12]。胃部階段：稱1.25 g玉米粉到50 mL血清瓶中，加入12.5 mL胃液(6%胃蛋白酶，pH值為1.75)，混合物振蕩1～2 min。然后密封血清瓶，以 150 r/min 轉(zhuǎn)速在37 ℃條件下振蕩3 h。每個樣品設(shè)置重復(fù)。冷卻后，在4 ℃下以5 000 r/min離心20 min。樣品液經(jīng) 0.45 μm 水性濾膜過濾，密封儲存在0～4 ℃條件下待測，測量前先定容至50 mL，然后取出10 mL，稀釋到100 mL上機(jī)測量。小腸階段：將胃階段得到的溶液pH值通過NH4HCO3調(diào)整到7，然后加入10 mL胰消化液(2%胰酶、0.2%膽汁)，混合物振蕩1 min；接下來操作同胃階段。樣品分析采用ICP-MS，同時做空白試驗和3個平行，數(shù)據(jù)結(jié)果可靠。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤硒含量

由圖1可知，本研究區(qū)土壤硒含量空間分布不均勻，差異較大。總體來看，魚塘壩地區(qū)土壤硒含量最高，達(dá)到(5.320±0.422)mg/kg；長平地區(qū)土壤硒含量最低，為(0.127±0.034)mg/kg?？梢?，土壤硒含量的最大值是最小值的 41.9 倍，基于算術(shù)平均數(shù)的變異系數(shù)為123%。魚塘壩地區(qū)之所以高硒，大多數(shù)研究者認(rèn)為是富硒炭質(zhì)巖石的暴露和風(fēng)化，然而朱建明等認(rèn)為魚塘壩高硒的重要原因是人為播撒富硒炭質(zhì)巖碎粒和火土肥[13]。

2.2 玉米硒含量

由圖2可知，本研究區(qū)玉米硒含量空間分布不均勻，差異較大?？傮w來看，魚塘壩地區(qū)玉米硒含量最高，達(dá)(1.400±0.131)mg/kg；長平地區(qū)玉米硒含量最低，為(0.065±0.009)mg/kg。魚塘壩地區(qū)玉米硒含量接近高硒中毒村的1.38 mg/kg，顯著高于恩施其他地區(qū)[14]。玉米硒含量最大值是最小值的21.5倍，基于算術(shù)平均數(shù)的變異系數(shù)為126%。不同地區(qū)的玉米硒含量差異較大，郭宇等報道，在漁塘壩采集的玉米樣品硒含量最大值為1.16 mg/kg[15]，這跟本試驗的結(jié)果比較接近；Moon等采集了韓國地區(qū)的玉米樣品，其硒含量比較低，為0.001 9 mg/kg[16]；Chilimba等研究了非洲馬拉維地區(qū)生物強(qiáng)化的玉米，其硒含量最高可達(dá)21 mg/kg[17]。

2.3 玉米的富集系數(shù)

由圖3可知，本研究區(qū)不同玉米品種的富集系數(shù)不同?？傮w來看，富硒能力最強(qiáng)的玉米品種是中玉335。其中富集系數(shù)范圍0.210～0.514，算數(shù)平均數(shù)為0.321，基于算術(shù)平均的變異系數(shù)是41.5%，富集系數(shù)最大值是最小值的2.45倍。玉米中硒含量不僅與其所生長土壤的本底值有關(guān)，還與玉米的生理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。玉米富集系數(shù)是表征玉米吸收富集硒能力的重要指標(biāo)，不同玉米品種的富集系數(shù)有差異，而且某些品種間差異十分顯著，說明在考察玉米富硒問題時，玉米品種也是一個不容忽視的重要因素。建議當(dāng)?shù)鼐用裨耘嘤衩讜r應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況選擇合適的玉米品種。

2.4 土壤硒的賦存形態(tài)

由圖4可知，本研究區(qū)土壤硒的賦存形態(tài)空間分布有差異，連續(xù)浸提致使土壤硒分為水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)5個部分，其中水溶態(tài)所占比例最低，殘渣態(tài)所占比例最高。土壤硒的有效態(tài)是指真正可以被植物吸收利用的土壤硒形態(tài)，主要包括可交換態(tài)和水溶態(tài)。由圖4可以看出，魚塘壩地區(qū)土壤硒的有效態(tài)比例最低，長平地區(qū)最高。另外，魚塘壩地區(qū)殘渣態(tài)比例最高。對土壤中硒的全量分析是確定土壤硒營養(yǎng)狀況的重要手段，但是卻不能很好地提供硒的生物可利用性方面的信息，不同形態(tài)的硒有顯著的地球化學(xué)差異，影響著硒在土壤環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和生物可利用性，因為了解土壤中硒的賦存形態(tài)十分必要。國內(nèi)外的研究者針對不同地區(qū)樣品提出了不同的土壤硒的連續(xù)化學(xué)浸提方法，如Wang等的五步法[11]、Shannasarka等的六步法[18]和朱建明等的七步法[19]。鑒于本次試驗土壤樣品的特質(zhì)和總硒水平，決定參考Wang等的五步法[12]并略加改進(jìn)，進(jìn)行試驗。恩施地區(qū)土壤普遍有效態(tài)比例低，殘渣態(tài)比例高，說明該地區(qū)土壤硒的生物可利用性不高。魚塘壩地區(qū)有效硒比例很低，但是土壤硒總量很高，所以真正可以被玉米利用的硒含量也相對比較高，導(dǎo)致了該地區(qū)玉米硒含量很高。雖然長平地區(qū)的土壤硒有效態(tài)比例最高，但是由于硒總量很低，真正被玉米利用的硒含量不高，導(dǎo)致該地區(qū)玉米硒含量很低。朱健明等采集了恩施地區(qū)的土壤樣品，試驗證明恩施地區(qū)土壤硒的可利用性普遍不高，比例最高的是植物不可利用的殘渣態(tài)硒[19]；吳少尉等采集了恩施地區(qū)富硒土壤，連續(xù)浸提的結(jié)果將恩施高硒地區(qū)土壤硒分為水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)5個部分，分別占總硒的3.1%、11.7%、16.7%、25.7%、42.0%[20]，這與本試驗的結(jié)果相近。

2.5 玉米硒的生物可給性

由圖5可知，本研究區(qū)采集的5種玉米品種硒的生物可給性存在差異。由此可以看出，5種玉米品種硒的生物可給性都是小腸階段顯著高于胃階段，在小腸和胃階段都是中玉335硒的可給性最高，惠民379最低。胃階段硒的生物可給性為23.6%～39.1%，小腸階段為44.9%～59.1%。說明玉米品種對硒的生物可給性有不可忽視的影響。不同的玉米品種硒的生物可給性不同，可能是因為不同玉米品種各成分的含量和比例有差別，不同研究者測出的玉米硒生物可給性結(jié)果不同，這可能是由于采樣地區(qū)和體外模型方法不同導(dǎo)致的。Jaiswal等采集了印度的玉米樣品，測出在胃階段的可給性為32%，小腸階段的可給性為51%，小腸階段顯著高于胃階段[12]，這跟本試驗結(jié)果相近，之所以小腸階段更高，可能是因為小腸是食物消化的主要場所，擁有更多的消化液和消化酶；而Khanam等同樣研究了印度的玉米樣品，測出玉米硒的生物可給性卻為10%左右[21]。恩施魚塘壩地區(qū)玉米力單1號雖然可給性不是最高的，但是由于玉米總硒含量很高，所以被人體攝入的硒含量也相對較高?？梢?，長期食用當(dāng)?shù)赜襁€是很有可能有硒中毒的風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)慎重對待。

2.6 PDI指數(shù)

PDI(probable daily intake of Se for a human)指數(shù)通常被用來評價人群膳食硒中毒風(fēng)險。Hawkesford等采集了北美地區(qū)的樣品，PDI為60～220 μg/d[22]；Yoneyama等采集了日本地區(qū)的樣品，PDI為140～178 μg/d[23]； Hira等采集了印度高硒地區(qū)的植物樣品，PDI為475～632 μg/d[24]。

本試驗采集玉米樣品硒含量最高為1.40 μg/g，玉米品種硒的生物可給性最高為59.1%。另外根據(jù)湖北省統(tǒng)計年鑒可知，恩施地區(qū)人均玉米攝入量為38 g/d，根據(jù)Qin等的調(diào)查結(jié)果可知，玉米供硒占所有食物組分的6.7%左右，從而可以算出PDI為469 μg/d[25]。最新硒允許最高劑量為400 μg/d，所以恩施魚塘壩高硒地區(qū)當(dāng)?shù)鼐用裼新晕卸撅L(fēng)險[26]。

3 結(jié)論

整體來看，本研究區(qū)域內(nèi)魚塘壩地區(qū)土壤硒含量最高，長平地區(qū)土壤硒含量最低；魚塘壩地區(qū)玉米硒含量最高，長平地區(qū)玉米硒含量最低；不同品種的玉米富集系數(shù)有差異，品種也是玉米富硒的一個不可忽視的重要因素；恩施地區(qū)土壤硒各賦存形態(tài)比例以殘渣態(tài)最高、水溶態(tài)最低；不同玉米品種在胃階段的生物可給性為23.6%～39.1%，在小腸階段的生物可給性為44.9%～59.1%，小腸階段顯著高于胃階段。本試驗探究了玉米品種對硒的生物可給性的影響，結(jié)果表明玉米品種也是玉米硒生物可給性的一個不可忽視的因素；魚塘壩地區(qū)PDI指數(shù)為469 μg/d，當(dāng)?shù)厝巳河新晕卸镜娘L(fēng)險。

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