Nature文章：土壤对人体健康的影响

导  读

土壤如何影响人体健康？从食品供应到水过滤到化学和病原体的曝露，比起我们大多数人能意识到的，土壤以更多的方式影响健康。

原文作者/Eric C. Brevik博士（Dickinson州立大学自然科学系）＆Lynn C. Burgess博士（Dickinson州立大学自然科学系）
编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员）
来源：Brevik, E. C. & Burgess, L. C. (2014) The Influence of Soils on Human Health. Nature Education Knowledge 5(12):1
https://www./scitable/knowledge/library/the-influence-of-soils-on-human-health-127878980 2014年Nature教育

前言

土壤在许多方面对人体健康很重要。全球人均消耗的卡路里，其中约78％来自直接在土壤中生长的作物，另有近20％间接来自依赖于土壤生产的陆地食物（Brevik，2013a）。此外，土壤也是人体营养物质的主要来源，它们同时还可以作为天然过滤器去除水中的污染物。但是，土壤也可能含有重金属、化学物质或可能对人体健康产生负面影响的病原体。

本文将总结一些土壤与人类健康之间更重要和直接的关系。

优质的食品生产和粮食安全

优质的食品生产和食品安全有几个组成部分，包括食品有足够的产量、食品中的营养成分充足，以及从食品中少含甚至不含潜在的有毒化合物（Hubert et al，2010）。要达到上述目标，土壤发挥着重要的作用。

土壤对作物产量和粮食安全的影响

当所有人都能获得充足、安全和富有营养的食物时，就能实现粮食安全（UN-FAO，2003年）。粮食安全是人类健康的中心（Brevik，2009a；Carvalho，2006），生产出足够产量且具有丰富营养的作物，在很大程度上取决于土壤特性和条件。尤其是当土壤具备发达结构、充足有机物质，以及其他有利于促进作物生长的物理和化学特性时，更能产生强大的产量，因此对于粮食安全至关重要（Reicosky等，2011；Brevik，2009b）。

反之，当土壤退化（包括水土流失、土壤结构破坏和养分含量的损失）时，就会降低作物生产并威胁到粮食安全（Brevik，2013b；Pimentel＆Burgess，2013；Lal，2009）（图1）。当土壤含有重金属一类物质时，则可能通过作物吸收将这些物质传递给人类，导致生产出不安全的食品，进而到毒害人类（Hubert et al，2010；Brevik，2009a）。

图1：土壤退化使得土壤无法支撑植物强壮地生长。大面积土壤退化可能威胁粮食安全。照片：美国农业部NRCS基因亚历山大

土壤元素的人体供应

仅11个元素就占人体中99.9％的原子。这些元素通常分为主要和次要元素，其中，主要元素有H、O、C和N四种，约占人体构成的99％，次要元素有Na、K、Ca、Mg、P、S和Cl等七种，约占人体构成的0.9%（Combs，2005）。

此外，还大约有18个元素被称为微量元素。这些微量元素被认为是少量维持人类生命所必需的。

然而，人类健康专家并不普遍认同这些微量元素的确切数量和特性。在被认为对人类生命至关重要的大约29种元素中，有18种对植物至关重要或有益，并且是从土壤中获得的，除了C、H、O是植物从空气和水中获得的外（Kirkby，2012），大多数其他元素可以通过植物从土壤中吸收（Brevik，2013a）。

因此，健康的、营养丰富的土壤才能使植物生长出含有人类摄食后其生命所需的大部分元素（Combs，2005；Committee on Minerals and Toxic Substances in Diets and Water for Animals, National Research Council，2005）。

负面健康影响

1、重金属

接触土壤重金属是人类重要的健康问题。砷是一种准金属，但它通常与重金属归类在一起。对人类健康最为关注的重金属包括：As、Pb、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni和Zn（Fergusson，1990）。重金属通过岩石风化自然地进入土壤，但人类活动也导致重金属进入了土壤。重金属是采矿业的副产品，它们存在于矿坑中和金属加工厂的周围。

重金属也从含有工业和家庭废物的垃圾填埋场以及来自污水处理厂的污泥中释放到土壤中。电子废物或与电子设备有关的废弃物是土壤中Pb、Sb、Hg、Cd和Ni含量增加的来源（Robinson，2009）。

城市土壤特别容易遭受来自汽车尾气、燃煤、垃圾焚烧等排放的重金属累积的侵害。在农业生产中，（化学）肥料、厩肥和杀虫剂的使用也导致土壤中重金属的积累（Senesi et al，1999）。砷被用作农药，因为它可能会持续数十年，果园土壤中砷的积累因此成问题（Walsh et al，1977）。对人体毒性最大的重金属是那些本身没有生物功能的破坏且通常影响大脑和肾脏的酶活性的物质，包括Cd，Pb，Hg和As（Hu，2002）。

2、有机化学品

有机化学物质在土壤中的累积也有自然和人为两条积累途径，许多有机化学物质是先沉积在空气和水中，最终进入土壤中。有机化学品的土壤污染是所有国家的严重问题（Aelion，2009）。这些有机化学物质大部分来自农业应用的除草剂、杀虫剂和杀线虫剂（图2）。

但是，有机化学品造成的土壤污染并不仅限于农业地区。由于工业活动、煤炭燃烧、机动车排放、垃圾焚烧以及污水和固体垃圾倾倒、城市地区的土壤也受到有机化学物质的污染（Leake，et al  2009）。

农业和城市地区都有包括来自市政和家庭化粪池系统废弃物、农场动物废弃物和其他生物废弃物引起的有机化学品、金属和微生物的复杂混合物的土壤污染（Pettry等，1973）。最近发现的一些健康问题，包括用于治疗人类和家畜的抗生素、激素和抗寄生虫药物衍生的药物废物（Albihn，2001）。

图2：农作物对农作物的应用是土壤系统中有机化学物质的一个来源。

照片由美国农业部NRCS的Jeff Vanuga拍摄

土壤中最常见的有机化学物质包括多卤联苯、芳香烃、杀虫剂、除草剂、化石燃料和化石燃料燃烧的副产品（Burgess，2013）。这些有机化学物质在土壤的上层被高度稀释，并且它们在与微生物反应中形成各种化学混合物。我们对这些化学混合物的健康影响的毒理学信息很少（Carpenter et al，2002）。对这些低浓度、化学混合物在土壤中的健康效应的研究非常有限（Feron et al，2002）。

由于许多有机化学品的半衰期很长，它们被称为“持久性有机污染物”。这些持久性有机污染物是能够抵抗在环境中的分解，并在食物链层层传递时呈现生物积累性。例子之一是1,1,1-三氯-2,2-双（对氯苯基）乙烷（DDT），它被证明可以破坏猛禽的激素系统（Vega et al，2007）。

3、飘尘

空气中的尘埃会影响人体健康，特别是当颗粒尺寸小于10微米时（即PM10，译者注）（Monteil，2008）。吸入尘埃的主要直接健康效应是刺激呼吸道和疾病，如肺癌。空气中的尘埃可能携带可能导致其他健康问题的其他物质，如病原体、有害气体、有机化学物质、重金属、昆虫、花粉和放射性物质（Bartos et al，2009）。人类可以将含有毒物的空气中的尘埃吸入肺部，毒物也可能通过这个渠道进入血液。此外，来自未铺设（硬化）的道路和工地，以及裸露田地的农业耕作和风蚀的会向大气中导入粉尘。

来自非洲的空气的尘埃对北美土壤来说是一个重要的健康问题。来自撒哈拉沙漠和萨赫勒沙漠的尘云沿着大西洋的信风吹来，非洲沙尘与北美洲土壤中Hg、Se和Pb的含量升高有关（Garrison et al，2003）。 1980年至2000年期间，美国哮喘病例增加了一倍多，而加勒比地区的哮喘病例也有所增加（Brevik，2013a），有研究初步认为来自非洲的空气尘埃与北美地区哮喘增加有关（Monteil，2008）。

4、土壤病原体

图3：女性躯干明显感染癣菌。这种感染是由土壤中发现的真菌红色毛癣菌（Trichophyton rubrum）引起的。摄影：Lucille K. Georg / CDC

虽然在土壤中发现的大多数生物对人类无害，但土壤确实也是个许多致病生物的家园。细菌是土壤中种类最丰富的生物，它们在地球上的每片土壤中都能找到。大多数真菌是通过分解死亡的生物体来吸收营养物质的腐生菌，已知在超过100,000种总的真菌物种中约有300种土壤真菌物种会引起人类疾病（Bultman等，2005）（图3）。例如，土壤真菌Exserohilium rostratum是造成美国2012年真菌性脑膜炎爆发的原因（Brevik＆Burgess，2013a）。

原生动物是单细胞真核生物。在土壤中发现的大多数原生动物以细菌和藻类为食，但一些原生动物导致人类寄生虫病如腹泻和阿米巴痢疾（Brevik，2013a）。

例如，蠕虫是一种寄生在人体肠道、淋巴系统或其他组织中的寄生虫。由蠕虫引起的疾病需要一个非动物的发育地点或水库进行传播，而土壤是一个共同的发育地点。每年全球数十亿人受到蠕虫感染，每年约有13万人死亡。蠕虫感染途径一般通过（口腔）摄入或皮肤渗透，并且在大多数情况下涉及肠道感染（Bultman等，2005）。

土壤不是病毒的天然储库，但病毒可在土壤中存活。通常通过人体脓液或污水废物将致病病毒引入土壤。研究已经发现土壤中出现过导致结膜炎、胃肠炎、肝炎、小儿麻痹症、无菌性脑膜炎或天花的病毒（Hamilton et al，2007；Bultman et al，2005）。

5、水质和土壤

土壤影响人体健康的主要方式是通过其去除水中污染物的能力。当水通过孔隙时，污染物通过物理捕获由土壤去除，通过化学吸附到固体表面，并通过生活在土壤中的微生物进行生物降解（Helmke＆Losco， 2013）。

对世界约40％的人口而言，饮用不洁净的水源已经成为一个重大的健康问题，每年有数百万人死于水源性疾病（Massoud et al，2009）。 人类可以利用土壤的净化能力来解决废水问题。 精心设计、妥善维护和运行的就地污水处理系统对降低人口密度低的地区的水传播疾病的风险非常有效（Massoud et al，2009）。 美国有25％的家庭使用就地污水处理系统（如化粪池系统）来处理废水（Katz et al，2011）。

近年来，利用土壤解决地下水污染问题一直是土壤科学研究中发展最快的领域之一（Brevik＆Hartemink ，2010）。

参考文献和推荐阅读

1)Aelion, C. M. Soil contamination monitoring. In Environmental Monitoring, eds. Inyang, H. I. & Daniels, J. L. (Oxford, England: Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) Publishers, 2009) Accessed February 5, 2014

2)Albihn, A. Recycling biowaste-human and animal health problems. Acta Veterinaria Scandinavica 95(Suppl), 69-75 (2001). doi:10.1186/1751-0147-43-S1-S69.

3)Bartos, T. et al. Which compounds contribute most to elevated airborne exposure and corresponding health risks in the Western Balkans? Environment International 35, 1066-1071 (2009). doi: 10.1016/j.envint.2009.06.005.

4)Brevik, E. C. Soil, food security, and human health. In Soils, Plant Growth and Crop Production, ed. Verheye, W. (Oxford, England: Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) Publishers, 2009a). Accessed December 31, 2013

5)Brevik, E. C. Soil health and productivity. In Soils, Plant Growth and Crop Production, ed. Verheye, W. (Oxford, England: Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) Publishers, 2009b). Accessed December 31, 2013

6)Brevik, E. C. Soils and human health: an overview. In Soils and Human Health, eds. Brevik, E. C. & Burgess, L. C. (Boca Raton: CRC Press, 2013a) 29-56.

7)Brevik, E. C. The potential impact of climate change on soil properties and processes and corresponding influence on food security. Agriculture 3, 398--417 (2013b). doi: 10.3390/agriculture3030398.

8)Brevik, E. C., & Burgess, L. C. The 2012 fungal meningitis outbreak in the United States: Connections between soils and human health. Soil Horizons 54, (2013). doi:10.2136/sh12-11-0030.

9)Brevik, E. C. & Burgess, L. C., eds. Soils and Human Health (Boca Raton: CRC Press 2013b).

10)Brevik, E. C. & Hartemink, A. E. Early Soil knowledge and the birth and development of soil science. Catena 83, 23-33 (2010). doi: 10.1016/j.catena.2010.06.011.

11)Bultman, M. W., Fisher, F. S., & Pappagianis, D. The ecology of soil-borne human pathogens. In Essentials of Medical Geology, ed. Selinus, O. (Amsterdam: Elsevier, 2005) 481--511.

12)Burgess, L. C. Organic pollutants in soil. In Soils and Human Health, eds. Brevik, E. C. & Burgess, L. C. (Boca Raton: CRC Press, 2013) 83-106.

13)Carpenter, D. O., Arcaro, K. F. & Spink, D. C. Understanding the human health effects of chemical mixtures. Environmental Health Perspectives 110(S1), 25-42 (2002).

14)Carvalho, F. P. Agriculture, pesticides, food security and food safety. Environmental Science & Policy 9, 685-692 (2006). doi: 10.1016/j.envsci.2006.08.002.

15)Combs Jr, G. F. Geological impacts on nutrition. In Essentials of Medical Geology, eds. Selinus, O. (Amsterdam: Elsevier, 2005) 161-177.

16)Committee on Minerals and Toxic Substances in Diets and Water for Animals, National Research Council. Mineral Tolerance of Animals, 2nd revised ed. Washington, DC: The National Academies Press, 2005.

17)Fergusson, J. E. The Heavy Elements: Chemistry, Environmental Impact, and Health Effects, 1st ed. Oxford, England: Pergamon Press, 1990.

18)Feron, V. J. et al. International issues on human health effects of exposure to chemical mixtures. Environmental Health Perspectives 110(S6), 893-899 (2002).

19)Food and Agriculture Organization of the United Nations. Trade Reforms and Food Security: Conceptualizing the Linkages. Rome: United Nations (2003).

20)Garrison, V. H. et al. African and Asian dust: from desert soils to coral reefs. BioScience 53(5), 469-480 (2003). doi: 10.1641/0006-3568(2003)053[0469:AAADFD]2.0.CO;2.

21)Hamilton, A. J. et al. Wastewater irrigation: the state of play. Vadose Zone Journal 6, 823-840 (2007). doi:10.2136/vzj2007.0026.

22)Handschumacher, P. & Schwartz, D. Do pedo-epidemiological systems exist? In Soil and Culture, eds. Landa, E. R. & Feller, C. (New York: Springer, 2010) 355-368. doi: 10.1007/978-90-481-2960-7_22.

23)Helmke, M. F. & Losco, R. L. Soil's influence on water quality and human health. In Soils and Human Health, eds. Brevik, E. C. & Burgess, L. C. (Boca Raton: CRC Press, 2013) 155-176.

24)Hough, R. L. Soil and human health: an epidemiological review. European Journal of Soil Science 58, 1200-1212 (2007). doi: 10.1111/j.1365-2389.2007.00922.x.

25)Hu, H. Human health and heavy metals exposure. In Life support: the environment and human health, ed. McCally, M. (Boston: MIT Press, 2002) 65-81.

26)Hubert, B. et al. The Future of Food: Scenarios for 2050. Crop Science 50, S33-S50 (2010). doi: 10.2135/cropsci2009.09.0530.

27)Katz, B. G., Eberts, S. M. & Kauffman, L. J. Using Cl/Br ratios and other indicators to assess potential impacts on groundwater quality from septic systems: A review and examples from principal aquifers in the United States. Journal of Hydrology 397, 151-166 (2011). doi: 10.1016/j.jhydrol.2010.11.017.

28)Kirkby, E. Introduction, definition, and classification of nutrients. In Marschner's Mineral Nutrition of Higher Plants, ed. Marschner, P. (Waltham: Elsevier, 2012) 3-5.

29)Lal, R. Soil degradation as a reason for inadequate human nutrition. Food Security 1, 45-57 (2009). doi: 10.1007/s12571-009-0009-z.

30)Leake, J.R. Adam-Bradford, A. & Rigby, J. E. Health benefits of ‘grow your own food' in urban areas: implications for contaminated land risk assessment and risk management. Environmental Health 8(S1), 1-6 (2009). doi: 10.1186/1476-069X-8-S1-S6.

31)Massoud, M.A., Tarhini, A. & Nasr, J. A. Decentralized approaches to wastewater treatment and management: Applicability in developing countries. Journal of Environmental Management 90, 652-659 (2009). doi: 10.1016/j.jenvman.2008.07.001.

32)Monteil, M. A. Saharan dust clouds and human health in the English-speaking Caribbean: What we know and don't know. Environmental Geochemistry and Health 30(4), 339-343 (2008). doi: 0.1007/s10653-008-9162-0.

33)Pepper, I. L. et al. Soil: a public health threat or savior? Critical Reviews in Environmental Science and Technology 39, 416-432 (2009). doi: 10.1080/10643380701664748.

34)Pettry, D. E. et al. Soil pollution and environmental health. Health Services Reports 88(4), 323-327 (1973).

35)Pimentel, D. & Burgess, M. Soil erosion threatens food production. Agriculture 3, 443-463 (2013). doi: 10.3390/agriculture3030443.

36)Reicosky, D. C., Sauer, T. J. & Hatfield, J. L. Challenging balance between productivity and environmental quality: Tillage impacts. In Soil Management: Building a Stable Base for Agriculture, eds. Hatfield, J. L. & Sauer, T. J. (Madison: Soil Science Society of America, 2011) 13-37. doi: 10.2136/2011soilmanagement.c2.

37)Robinson, B. H. E-waste: an assessment of global production and environmental impacts. Science of the Total Environment 408, 183-191 (2009). doi: 10.1016/j.scitotenv.2009.09.044.

38)Selinus, O. ed. Essentials of Medical Geology. (New York: Springer, 2013).

39)Senesi, G. S. et al. Trace element inputs into soils by anthropogenic activities and implications for human health. Chemosphere 39(2), 343-377 (1999). doi: 10.1016/S0045-6535(99)00115-0.

40)Vega, F.A., Covelo, E.F. & Andrade, M. L. Accidental organochlorine pesticide contamination of soil in Porrino, Spain. Journal of Environmental Quality 36(1), 272-279 (2007). doi: 10.2134/jeq2006.0053.

41)Walsh, L. M., Sumner, M. E. & Keeney, D. R. Occurrence and distribution of arsenic in soils and plants. Environmental Health Perspectives 19, 67-71 (1977).