CREST推出特刊：植物-土壤-人体系统的砷与硒

导 读

为了提升Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊的质量与声誉，今年来Taylor & Francis出版方与期刊编辑部已推出了系列改革举措，今年5月份期刊主编马奇英（Lena Q. Ma）教授领衔撰写了社论（editorial）介绍相关举措，详见推文：

近期，CREST编辑部推出了特刊（Special Issue），每期特刊由期刊主编、共同主编或副主编领衔，基于近几年CREST期刊发文情况选择一个主题进行归档，并撰写社论（Invited Editorial）进行介绍。近十年来，环境中类金属砷（As）和硒（Se）的生物地球化学转化和生物效应得到了广泛关注，主要是由于它们在环境中的普遍分布及其对生物的毒性。期刊主编、浙江大学马奇英教授领衔组织了“植物-土壤-人体系统的砷与硒”的特刊，包括2018-2021年期间CREST期刊上发表的17篇相关综述论文，主题包括：1）环境中有机砷的转化和植物对无机砷的吸收（4篇综述），2）植物对硒的吸收及硒与有毒金属的相互作用（6篇综述），3）砷生物可给性与砷污染土壤修复（4篇综述），4）跨时空尺度的砷研究（3篇综述）。具体而言，这些综述论文概述了砷/硒在植物-土壤-人类生态系统中的吸收、转化、毒性、生物可利用性以及污染控制措施。未来的研究应侧重于更好地理解环境中砷/硒的循环和生物地球化学，并从One Health角度进一步解码其环境效应。

图1 社论图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

引言

砷和硒均为类金属，普遍存在于土壤中，主要以无机含氧阴离子的形式存在。作为一种致癌物，砷对生物具有高度毒性。与砷不同，硒是人体和动物必需的微量营养素，也是植物的有益元素。因此，理解砷/硒在土壤中转化和植物吸收的生物地球化学过程非常重要，这有助于减少植物对砷的吸收，同时增加植物对硒的吸收。

砷和硒在环境中的生物功能不仅取决于其浓度，还取决于其形态。环境中常见的无机砷包括亚砷酸盐、砷酸盐，有机砷包括一甲基胂酸、二甲基胂酸、胂糖、胂脂、胂甜菜碱和甲基化硫代砷酸盐。类似地，环境中常见的无机硒包括硒酸盐、亚硒酸盐，有机硒包括硒代半胱氨酸和硒代蛋氨酸。在土壤中，无机砷/硒占主导地位，能够被微生物和植物吸收。

除了环境中砷和硒的自然来源外，不断增加的人类活动，包括采矿和冶炼、燃煤和农药施用，加速了砷和硒向环境的转移，对生物造成毒害。在试图了解砷和硒的毒性作用的同时，我们还会利用硒的有益作用。这篇社论总结了2018-2021年间CREST期刊上出版的砷和硒的最新研究进展。在17篇综述中，11篇关注了砷，5篇关注了硒，1篇关注了砷-硒交互作用；涵盖了砷/硒在植物-土壤-人类生态系统中的吸收、转化、毒性、生物可利用性和相互作用（图2）。

图2 17篇CREST综述涵盖主题的示意图

环境中有机砷的转化和植物对无机砷的吸收

除了无机砷外，有机砷也广泛分布于环境中，主要来源于人类活动。最近的2篇综述集中于有机砷在环境中的赋存和归宿，以及它们在微生物、植物/人体中的代谢、毒理学和生物功能。Chenet al. (2020)总结了脂肪族和芳香族两类有机砷化合物在环境中的赋存、毒理学和生物转化。同时该文指出，理解有机砷的环境归宿和代谢途径、开发先进的分析技术和识别有机砷暴露的生物标志物非常重要。Xue et al. (2021)对有机砷化合物采用了另一种分类方法，即将有机砷分为水溶性和脂溶性两类，讨论了它们在环境中的赋存、生物合成、降解、毒性和潜在的生物学功能。鉴于我们对环境中有机砷化合物的循环和生物地球化学了解仍然甚少，开展不同学科的合作研究至关重要。

随着时间的推移，土壤中的有机砷最终会转化为无机砷而被植物吸收。然而，砷在植物中并无生理功能，因此砷通常会造成不良影响。其中，五价砷只要由植物的磷酸盐转运蛋白吸收，而三价砷则由水通道蛋白吸收。Tang and Zhao (2021)总结了植物（包括砷超积累植物蜈蚣草）对三价砷和五价砷在内的不同形态砷的吸收、转运、积累、解毒转运蛋白及其调控机制。而Deng et al. (2020)则专注于水通道蛋白介导的三价砷在微生物和植物中的吸收、转运和积累。根据这些转运蛋白的功能和表达模式，可以将其用于对砷低积累的作物进行基因工程改造以确保食品安全，或对高砷积累的植物进行植物修复强化。

植物对硒的吸收及硒与有毒金属的相互作用

与砷不同，硒是植物的有益元素，因此了解其在土壤中的生物地球化学转化以及开发增加植物硒营养的方法非常重要。Ding et al. (2019)评估了硒在土壤-植物系统中的生物地球化学转化，并讨论了控制土壤中硒生物有效性的潜在方法。他们认为梯度扩散薄膜（DGT）技术可以用于评估土壤中硒的生物有效性。此外，施用硒、氮、磷、硫肥料和富硒有机材料能够有效调控植物硒营养。Chauhan et al. (2019)探讨了植物对硒的吸收和代谢，主要关注含硒代谢物的有益功能。Kushwaha et al. (2021)综述了硒在土壤-微生物-植物系统中的作用，重点介绍了硒的形态、生物有效性、毒性及解毒机制。选择合适的植物品种和施肥策略以及应用共生菌是提高植物硒营养的重要措施。

作为一种有益元素，硒可以降低砷、镉、锑、汞等有毒金属对植物的胁迫。主要解毒机制包括抑制金属吸收与转运、降低氧化应激、改善植物生长以及通过螯合化、区隔化、形态转化降低金属毒性。Rizwan et al. (2021)综述了降低植物中砷、镉、锑和汞毒性的最佳硒添加量，并阐述了它们在植物内和根际中如何发挥作用。Ali et al. (2021)讨论了砷和硒的相互作用及其在植物、动物和人体中的相关毒害机制。Dang et al. (2019)探讨了硒和甲基汞之间的相互作用，并说明了硒在减少植物和底栖食碎屑动物（deposit-feeders）累积甲基汞中的作用。

砷污染土壤的砷生物可给性和修复

人类接触砷的重要途径包括偶然摄入砷污染土壤及食用砷污染大米。目前学界已开发了包括猪和小鼠在内的动物模型用于评估砷的人体生物有效性，但这些模型既昂贵又耗时。基于此，模拟人体胃肠液的体外方法已被开发并用于评估生物可给性砷，即土壤中可提取砷(Li et al. 2020)。其中，基于从不同研究中收集的107种具有成对生物有效性和生物可利用性数值的土壤，得出SBRC（Solubility Bioaccessibility Research Consortium）方法是评价砷污染土壤中砷生物可给性的最佳方法。

除了摄入砷污染土壤外，人体通过食用大米暴露砷也导致健康问题，特别是在亚洲国家，因此很多研究都聚焦于减少砷暴露的措施上。Kumarathilaka et al. (2020)综述了降低水稻砷积累的各种方法，包括：水分管理，施用硅肥、铁锰氧化物和生物炭，利用砷超累积植物蜈蚣草和耐砷菌进行生物修复，筛选低砷积累水稻品种。这些方法均有助于降低水稻籽粒中的砷含量。

鉴于砷污染场地的广泛存在，开发成本效益好的技术减少砷对植物-土壤-人类生态系统的不利影响非常重要。因此，吸附、稳定和封存等修复技术已得到开发。Yu et al. (2018)报道了用于砷吸附的稀土基吸附剂，包括镧/铈/钇氧化物，系统总结了它们的化学性质和吸附性能。采矿活动是土壤砷污染的重要来源。为了降低砷的毒性，Álvarez-Ayuso (2021)比较了稳定和封存含砷矿山废弃物的各种方法，还确定了各种处理技术应用效果的影响因素。

跨时空尺度的砷研究

长期以来，砷被用于医药和工业领域，但直到最近才成为全球关注。为了更好地理解砷作为一把双刃剑在我们社会中的作用，有必要了解涉及砷效益与风险方面的研究进展。基于文献计量分析，Li et al. (2021)总结了近120年来的砷研究进展，明确了砷的研究趋势。关于砷的毒性和有益作用，有三个里程碑事件：1）1960年代砷在半导体掺杂和农业农药中的广泛应用，2）1990年代初西孟加拉邦和孟加拉国的砷中毒事件，3）1990年代末三氧化二砷在治疗急性早幼粒细胞白血病中的应用。

土壤和地下水中的砷污染是全球关注的问题。虽然大多数工作侧重于人为来源，但地下水也受到地质来源砷的污染。Wang et al. (2021)展示了砷的水文地质模式，砷通常与阴离子氟和碘共存。更重要的是，他们提出了原生劣质地下水的四种基本成因类型，并为理解复杂的成因机制和预测砷等时空分布提供了理论框架。Bundschuh et al. (2021)总结了20个拉丁美洲国家砷污染状况。他们聚焦于过去10年的研究进展，提供了不同环境基质（包括土壤、水和沉积物）中砷暴露发生和影响的国家概况。

总结与展望

在本专刊中，选择了 2018-2021 年 CREST 期刊上关于 As 和 Se的 17 篇综述。内容涵盖：有机砷化合物的来源、转化及其生物学效应；微生物和植物吸收砷的分子机制；土壤-微生物-植物系统中硒的生物地球化学过程；硒与有毒金属的相互作用；土壤和水稻中砷的人体暴露评估与控制；通过吸附和稳定/封存修复砷污染水体和矿山废弃物；120年的砷研究历史；地下水和拉丁美洲的砷污染。

根据17篇综述，需要进一步关注以下研究领域：1）分析方法，特别是有机砷/硒，以更好地理解环境中砷/硒循环和生物有效性；2）区域和全球尺度砷和硒的动态循环，有助于制定更好的法规来降低砷毒性；3）砷和硒在植物中的生物转化及相关机制，以提高作物产量和保障食品安全；4）理解植物和人体中砷与硒的相互作用，有助于减少它们对生物体的不利影响。另外，低砷富硒作物的选育在近年来也引起了人们的广泛关注。简言之，我们需要开发集成方法降低砷/硒的风险，并通过将土壤-植物-微生物-动物-人体联系起来从One Health角度利用砷/硒的益处。

特刊论文列表

(1) Ali, W., H. Zhang, M. Junaid, K. Mao, N. Xu, C. Chang, A. Rasool, M. Wajahat Aslam, J. Ali, and Z. Yang. 2021. Insights into the mechanisms of arsenic-selenium interactions and the associated toxicity in plants, animals, and humans: A critical review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 51(7): 704-750.

https://doi.org/10.1080/10643389.2020.1740042

(2) Álvarez-Ayuso, E. 2021. Stabilization and encapsulation of arsenic-/antimony-bearing mine waste: Overview and outlook of existing techniques. Critical Reviews in Environmental Science and Technology DOI: 10.1080/10643389.2021.1944588.

https://doi.org/10.1080/10643389.2021.1944588

(3) Bundschuh, J., M. A. Armienta, N. Morales-Simfors, M. A. Alam, D. L. López, V. Delgado Quezada, S. Dietrich, J. Schneider, J. Tapia, O. Sracek, E. Castillo, L. M. Marco Parra, M. Altamirano Espinoza, L. R. Guimarães Guilherme, N. N. Sosa, N. K. Niazi, B. Tomaszewska, K. Lizama Allende, K. Bieger, D. L. Alonso, P. F. B. Brandão, P. Bhattacharya, M. I. Litter, and A. Ahmad. 2021. Arsenic in Latin America: New findings on source, mobilization and mobility in human environments in 20 countries based on decadal research 2010-2020. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 51(16): 1727-1865.

https://doi.org/10.1080/10643389.2020.1770527 

(4) Chauhan, R., S. Awasthi, S. Srivastava, S. Dwivedi, E. A. H. Pilon-Smits, O. P. Dhankher, and R. D. Tripathi. 2019. Understanding selenium metabolism in plants and its role as a beneficial element. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 49(21): 1937-1958.

https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1598240 

(5) Chen, J., L. D. Garbinski, B. Rosen, J. Zhang, P. Xiang, and L. Q. Ma. 2020. Organoarsenical compounds: Occurrence, toxicology and biotransformation. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 50(3): 217-243.

https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1619375 

(6) Dang, F., Z. Li, and H. Zhong. 2019. Methylmercury and selenium interactions: Mechanisms and implications for soil remediation. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 49(19): 1737-1768.

https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1583051 

(7) Deng, F., X. Liu, Y. Chen, B. Rathinasabapathi, C. Rensing, J. Chen, J. Bi, P. Xiang, and L. Q. Ma. 2020. Aquaporins mediated arsenite transport in plants: Molecular mechanisms and applications in crop improvement. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 50(16): 1613-1639.

https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1662704 

(8) Dinh, Q. T., M. Wang, T. A. T. Tran, F. Zhou, D. Wang, H. Zhai, Q. Peng, M. Xue, Z. Du, G. S. Bañuelos, Z. Q. Lin, and D. Liang. 2019. Bioavailability of selenium in soil-plant system and a regulatory approach. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 49(6): 443-517.

https://doi.org/10.1080/10643389.2018.1550987 

(9) Kumarathilaka, P., S. Seneweera,Y. S. Ok, A. A. Meharg, and J. Bundschuh. 2020. Mitigation of arsenic accumulation in rice: An agronomical, physico-chemical, and biological approach– A critical review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 50(1): 31-71.

https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1618691 

(10) Kushwaha, A., L. Goswami, J. Lee, C. Sonne, R. J. C. Brown, and K. H. Kim. 2021. Selenium in soil-microbe-plant systems: Sources, distribution, toxicity, tolerance, and detoxification. Critical Reviews in Environmental Science and Technology DOI: 10.1080/10643389.2021.1947678.

https://doi.org/10.1080/10643389.2021.1883187 

(11) Li, H. B., M. Y. Li, D. Zhao, J. Li, S. W. Li, P. Xiang, A. L. Juhasz, and L. Q. Ma. 2020. Arsenic, lead, and cadmium bioaccessibility in contaminated soils: Measurements and validations. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 50(13):1303-1338.

https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1656512 

(12) Li, C., J. Wang, B. Yan, A. J. Miao, H. Zhong, W. Zhang, and L. Q. Ma. 2021. Progresses and emerging trends of arsenic research in the past 120 years. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 51(13): 1306-1353.

https://doi.org/10.1080/10643389.2020.1752611 

(13) Rizwan, M., S. Ali, M. Z. u. Rehman, J. Rinklebe, D. C. W. Tsang, F. M. G. Tack, G. H. Abbasi, A. Hussain, A. D. Igalavithana, B. C. Lee, and Y. S. Ok. 2021. Effects of selenium on the uptake of toxic trace elements by crop plants: A review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 51(21): 2531-2566.

https://doi.org/10.1080/10643389.2020.1796566 

(14) Tang, Z., and F. J. Zhao. 2021. The roles of membrane transporters in arsenic uptake, translocation and detoxification in plants. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 51(21): 2449-2484.

https://doi.org/10.1080/10643389.2020.1795053

(15) Wang, Y., J. Li, T. Ma, X. Xie, Y. Deng, and Y. Gan. 2021. Genesis of geogenic contaminated groundwater: As, F and I. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 51(24): 2895-2933.

https://doi.org/10.1080/10643389.2020.1807452 

(16) Xue, X. M., C. Xiong, M. Yoshinaga, B. Rosen, and Y. G. Zhu. 2021. The enigma of environmental organoarsenicals: Insights and implications. Critical Reviews in Environmental Science and Technology DOI: 10.1080/10643389.2021.1947678.

https://doi.org/10.1080/10643389.2021.1947678 

(17) Yu, Y., L. Yu, K. Y. Koh, C. Wang, and J. P. Chen. 2018. Rare-earthmetal based adsorbents for effective removal of arsenic from water: A critical review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 48(22-24): 1127-1164.

https://doi.org/10.1080/10643389.2018.1514930

|供稿：浙江大学马奇英团队

|编排：曾镜羽

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