土壤、粮食安全与人类健康：评论外文翻译资料

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欧洲土壤科学杂志，2015年3月，66, 257 – 276 doi: 10.1111/ejss.12216

特邀评论

土壤、粮食安全与人类健康：评论

M . A . O l i v e r ^a amp; P. J . G r e g o r y ^b,c

a雷丁大学人类与环境科学学院地理与环境科学系，土壤研究中心，White Knights，邮政信箱233，Reading RG6 6DW，英国

b East Malling Research，New Road，East Malling，肯特郡ME19 6BJ，英国

c雷丁大学农业政策与发展学院食品安全中心，英国雷丁Earley Gate, RG6 6AR

摘要

土壤或其成分对人体健康的直接影响是摄入、吸入或吸收。土壤中含有许多可以通过这些途径进入人体的传染微生物，但它也提供了我们最早的抗生素的生物基础。土壤的间接影响源于人类所消耗的食物的数量和质量。微量元素对人体有有益和毒性作用，尤其是在最佳摄入范围狭窄的情况下。重点研究了四种微量元素（碘、铁、硒、锌）对人体健康的影响。随着世界人口的增长，粮食安全问题越来越紧迫，维持土壤肥力和减少其退化的必要性也越来越迫切。缺乏足够的食物和营养不良的食物会导致不同程度的营养不足，从而导致健康不良。土壤和土地是有限的资源，农业用地与其他用途的竞争十分激烈。由于存在许多混杂因素，土壤和健康之间的关系常常难以摆脱。然而，最近对土壤过程的科学认识和影响人类健康的因素，使我们能够更深入地了解土壤对我们健康的影响。多学科的研究，包括土壤学、农学、农业可持续发展、毒理学、流行病学和医学科学将有助于发现新的抗生素，更深入的了解如何施肥用于影响健康的食品生产和破译土壤与人类健康之间复杂的关系。

公元前1500年，吠陀梵文圣经说道，“我们的生存取决于这一块土地。耕作它，它将生长食物，为我们提供燃料，带给我们庇护所，营造美丽环境。滥用它，土壤将会崩溃和死亡，好好对待它。”

引言

土壤通过摄取、吸入和吸收土壤或其成分直接影响人类健康，间接通过源自土壤农业的食物的数量和质量来影响人类健康。如果有毒物质或致病生物进入食物链并传递给人类，其中部分影响可能对健康有害（Brevik，2009；Brevik＆Burgess，2013）。

在公元前三世纪的中国医学文献中报道了环境与人类健康之间的联系。希波克拉底（大约公元前377-460年）也认识到环境因素影响疾病的分布（Foster，2002）。医学地质学的历史可以追溯到20世纪60年代，但它主要关注元素之间的关系及其对人类健康的影响。土壤和人类健康具有更广泛的职责，因为它不仅包含元素的影响，还包括农业的可持续性和土壤退化的影响，食品质量和安全性。医学地质学的文献很多（参见Selinus等，2013，作为其范围的例子），而土壤和人类健康的文献则较少。Brevik＆Burgess最近的一本书（2013年）部分填补了这方面的知识空白。

Oliver (1997)关于土壤和人类健康的评论文章强调了这个主题的多学科性，并且表明我们对（i）土壤的组成和行为知之甚少，（ii）土壤成分移入体内的途径和（iii）土壤成分一旦进入体内就可能损害健康的机制。在许多研究中，一个主要的主题是微量营养素在土壤中对健康的影响，这可能是因为他们在土壤中的行为具有长期的研究历史（Oliver，1997; Abrahams，2002; Steinnes，2010; Taylor等，2010）。

某些疾病的地理发病率与土壤属性密切相关：例如久坐人群中的贫血与土壤中的微量营养素缺乏有关，而长时间潜伏期的其他疾病来自累积暴露或早期生活状况（例如与氡相关的癌症；Oliver＆Khayrat，2002）。Hough（2007）从多因素造成的单一结果的角度着眼于人类健康和土壤的流行病学，但没有发现特定土壤污染物导致个体疾病的证据。他总结说，需要进行更多的个人研究来确定风险评估和监管的剂量-效应关系。

2013年全球人口达到了72亿，预计到2050年将增加到约96亿（基于中变量预测；在8.3-10.9亿之间），之后预计增长趋于稳定（联合国，2013）。土壤和土地是有限的资源；它们提供了我们大部分的食物，动物饲料以及世界上某些地区的燃料。土壤也过滤水和提供必需的矿物质。农用地受到其他用途的竞争日益激烈。尽管过去50年人口几乎增加了两倍，但世界耕地面积仅增长了12％（FAO，2011），因此平均每人可用耕地同期从0.45下降到0.25 ha（Bruinsma，2011）。食物的数量和营养质量支撑着人类健康，而大多数食物生产依赖于土壤。

诸如灌溉等技术进步可能会扩大可耕地面积（过去50年灌溉面积翻了一番；粮农组织，2011年）。然而，预测的增长幅度很小，未来农业生产的增长将主要来自现有农地生产力的提高。预计到2050年，与2009年相比（粮农组织，2011年），全球食品生产将增加70％，发展中国家增长达100％。

在这篇论述中，我们借鉴了Oliver（1997）的禁令，指出研究应当针对预防疾病而不是治疗疾病。我们通过皮肤，吸入和摄取途径，土壤基础药物等研究土壤病原体对健康的一些直接影响。并通过土壤，食物的营养价值和人类健康之间的相互作用产生间接影响。尽管土壤是许多著名的抗生素的来源，但它作为新药的资源的潜力几乎没有被发现。我们专注于四种对人类健康有重大影响的微量营养素，以及土壤科学家可以发挥重大作用的地方。我们总结了土壤退化对粮食安全和人类健康的一些影响以及土壤科学家在与卫生专业人员进行跨学科研究中的潜在作用。这篇论述说明了土壤与人类健康关系的重要性和复杂性，以及土壤对我们健康影响的多种方式（图1）。

土壤对人体健康的直接影响

土壤病原体

几个世纪以来，土壤中生物体感染的风险就已知（Jeffery＆van der Putten，2011）。例如，公元前四世纪的希波克拉底写道：“......土壤也是如此，无论是裸露的还是干燥的，还是树木繁茂的，浇水的，空洞的，高温的或高寒的。”土壤微生物之间相互作用，也适应土壤温度，pH和湿度的极端条件，因此可以发生改变其毒力的基因型和表型改变（Cassadevall，2006）。土壤中的致病生物通过三种途径进入人类，摄入（例如肉毒梭菌），吸入（烟曲霉）和通过皮肤（钩虫）和皮肤损伤（破伤风梭菌）。图2是无性扫描的曲霉菌、真菌子实体电子显微照片；分生孢子被释放到环境中，当被人吸入时会引起呼吸问题。

Pepper等人（2009）将土壤病原体描述为土着土壤（土壤中可以代谢，生长和繁殖的土着病原体），地理可携带的（土壤可以增强病原体的转运）或地质可治疗的（例如病毒，细菌，原生动物或蠕虫被人类和动物引入土壤中；参见Pepper，2013和他的表2以获得全面的列表），并且通常通过生物和非生物因素在土壤中快速灭活。对于土着地理病原体，孢子形成的病原体，在土壤中长期存活，对人体健康影响最为严重。它们包括破伤风梭菌（破伤风），炭疽芽孢杆菌（炭疽）等等。一旦进入厌氧人体组织中，破伤风梭菌孢子恢复到营养体形式并繁殖并产生神经毒素，破伤风痉挛（Baumgardner，2012）。

影响人类的真菌病原体往往是亲嗜性的（在特定的土壤和气候条件下增殖），例如在美国西南部形成孢子并引起“谷热”（球孢子菌病）的球孢子菌（Pepper等，2009）。酵母样真菌新型隐球菌和C. gattii发生在热带和亚热带地区的土壤中（Sorrell，2001）。他们的孢子吸入会导致人类的隐孢子虫病，这可能会影响神经系统，因为隐性脑膜炎或肺部如肺炎（Redshaw等，2013）。过去十年左右，加拿大和美国的温带地区出现与C. gattii有关的疾病爆发（MacDougall等，2007）；这可能是对气候变暖的反应。

原生动物，单细胞真核生物，在土壤中很常见（Loynachan，2013）；它们以细菌和真菌为食，对营养物质回收很重要。大多数原生动物对人体无害，但隐孢子虫，溶组虫体和蓝氏贾第鞭毛虫可引起腹泻；然而，它们在土壤中是短暂的（Loynachan，2013）。几种在人类中引起疾病的细菌似乎由土壤中的变形虫携带（W.Gaze，personal communication，2014），例如衣原体（泌尿生殖道疾病），军团菌（Legionnaires disease）和分枝杆菌属（结核）。

地理可传播的病原体通过水分散在土壤基质中或作为气溶胶传播到大气中。以这种方式可以运输由粪便污染的土地形成孢子或可地理治疗的病原体的土着土壤病原体（Kellogg＆Griffin，2006）。由啮齿类动物排泄的汉坦病毒和球孢子菌可以通过风运输（Brevik，2009）。从生物固体引入土壤的病毒包括诺沃克病毒（诺瓦克病毒）和甲型肝炎病毒，这些病毒在土壤溶液中可移动并可污染地下水（Abbaszadegan等，2003）。

图1土壤成分、农业、土壤肥力和人类健康之间的关系。

图2无丝分裂曲霉菌子实体的扫描电子显微照片，由分隔丝组成，称为分生孢子梗，其分生孢子链顶部（记为J. H. Carr 并由R.Simmons提供，从美国佐治亚州亚特兰大疾病控制和预防中心公共健康图像图书馆获得）。

肠道细菌（地质可治疗的），如弯曲杆菌、大肠杆菌和志贺菌属。是革兰氏阴性，不形成孢子，每年导致4-6百万人死亡。它们是婴儿死亡率的第二大常见原因（Jeffery＆van der Putten，2011）。摄入这些细菌的通常来源是被土壤污染的食物或水。

与许多地理可治疗的病原体相反，蠕虫可以在土壤中存活数年。Pepper等人（2009年）估计全球有20亿人感染了蠕虫，而Bultman等（2013）每年有130000人死于线虫感染。大多数蠕虫是线虫；它们包括钩虫、圆蛔虫、鞭虫和pin虫。它们通过摄入或通过皮肤进入身体，取决于它们的形式。钩虫幼虫通过皮肤病变和毛孔进入肠道，在那里它们钩到肠壁上并引起出血，导致贫血，产卵被排便并进入土壤循环再次开始（参见Abrahams，2002，生命周期图）。钩虫幼虫在温暖湿润的土壤中生长，具有包括粘土和有机物质的粒径分布（Mabaso等，2004）。图3显示钩虫型丝状幼虫。引起蛔虫病（小肠感染）的蛔虫（圆蛔虫）是最大和最普遍的线虫。感染是由于卫生条件差导致的，被感染的土壤直接摄入，或者从脏的蔬菜和水果摄入。

朊病毒

Prusiner（1982）提出了一种感染性蛋白质颗粒，它与影响人类和动物的传染性海绵状脑病（TSE）相关。感染性朊病毒剂是正常细胞朊病毒蛋白（PrP C）的错折叠同种型（PrP Sc）；它们具有相同的氨基酸序列（Prusiner，1998；Johnson等，2006），但是作为导致不同疾病的可区分菌株存在（Soto，2010）。

图3钩虫型丝状熔岩（由M.Melvin博士提供，可从美国乔治亚州亚特兰大疾病控制和预防中心的公共健康图像库获得）。

动物中的TSE包括绵羊瘙痒症，牛中的牛海绵状脑病（BSE），鹿中的慢性消耗性疾病以及人类中的变异型克雅氏病（vCJD）。Johnson等人（2006）认为，土壤是TSE传染性的储集层，朊病毒污染的土壤可能通过土壤摄入使TSE在物种间传播。他们发现，蒙脱石比高岭石和石英对PrP Sc具有更高的吸附容量，并且当结合时，朊病毒仍然具有感染性。此外，Johnson等人（2007）表明与蒙脱石结合的朊病毒具有口服生物可利用性并且具有增强的口服透射性。朊病毒似乎在土壤中持续了数年（Seidel等，2007），移动性有限（Smith等，2011），似乎不受其他微生物和酶的影响（Booth等，2013）。然而，Saunders等人（2012）认为沙质土壤中的朊病毒可能更容易转运到地下和地表和水面。TSEs的环境传播和动物和人类健康风险因素的流行病学分析（Saunders等，2012）需要对朊病毒在土壤中的行为进行进一步研究。

虽然朊病毒病很罕见，但错误折叠的蛋白质聚集体的重要性也可以在常见病症中发现，包括阿尔茨海默氏病（beta;淀粉样蛋白）和帕金森病（路易体中的alpha;突触核蛋白）以及超过20种其他人类疾病（Soto，2001； Chiti＆Dobson，2006）。目前，土壤中的朊病毒与人类疾病之间没有直接联系，但通过动物传播到人类可能会间接联系起来，如BSE和vCJD之间的关系所示（Hill等，1997）。

来自土壤的药物

抗生素

土壤最重要的医疗用途是从土壤生物体中分离抗生素。1940年代，Rutgers大学的Selman Waksman和他的团队首先从土壤放线菌中分离出抗生素（放线菌素、新霉素和链霉素），这些放线菌是革兰氏阳性菌，与细菌和真菌有许多共同特性。Waksman（1952）发现，一些微生物通过分泌防御性化学物质（抗生素）在土壤生态系统中获得竞争优势而彼此竞争（Ratnaddass等，2006）。Waksman于1952年获得诺贝尔生理学或医学奖，迄今唯一获得该奖项的土壤科学家（美国化学学会，2005年）。

Concepcion等人（2001）指出，1983年至1994年间批准的抗生素药物中有78％源自微生物产生的天然产物。Gans等人（2005）提出，在原始土壤中发生超过100万个不同的基因组，这对未来的人类健康可能是至关重要的，特别是当传染因子对现有药物的耐药性越来越高时。尽管土壤抗生素可能具有多样性， 目前抗生素的50％来自链霉菌属（Kieser等

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