同位素示蹤技術在土壤硒素轉(zhuǎn)化中的應用及硒素植物有效性研究進展

余豐源 蔣代華 李圣會 王世佳

摘要：硒（Se）是人體和動物必需的一種微量元素。分析了環(huán)境中硒素的存在形式，綜述了同位素示蹤技術在土壤硒素轉(zhuǎn)化中的應用及硒素植物有效性研究進展，并對硒同位素示蹤技術的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：硒（Se）;硒形態(tài);硒同位素;同位素示蹤技術

中圖分類號：S124+.2?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）07-0011-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.002

Abstract： Selenium is an essential trace element for human beings and animals. The application of isotopic tracer technology in the transformation of selenium and its soil and the availability of plants are reviewed，and the development trend of isotopic tracer technology of selenium is prospected.

Key words： selenium; selenium morphology; Se isotopes; stable isotope tracer technique

硒素（Se）是人類和其他哺乳動物等多種生物必需的微量元素，兼具營養(yǎng)和解毒等生物學功能[1，2]，有“抗癌之王”“心臟守護神”“長壽元素”“微量元素中的胰島素”“肝病的天敵”等美譽[3-6]。硒的缺乏會導致谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）酶活性降低，嚴重時可能會誘發(fā)克山病。硒還具有抗癌作用，能夠有效降低癌癥的發(fā)生率[7]。硒是一種人體必需的超痕量營養(yǎng)元素，但其營養(yǎng)性的閾值范圍較窄，已經(jīng)引起不同領域研究者的廣泛關注[8，9]。

土壤中硒素分布極不均勻，因此極易導致相關地區(qū)硒污染及人類疾病。植物是土壤中硒素遷移與轉(zhuǎn)化的重要媒介，在硒素進入食物鏈中起著關鍵作用。目前世界范圍內(nèi)人工栽培植物對硒素的吸收能力差異較大，在中國、南非、北歐等地區(qū)都表現(xiàn)出硒缺乏現(xiàn)象，而在印度和美國加州地區(qū)硒卻達到了致毒水平，因此在栽培作物時如何保持合理的硒素吸收顯得尤為重要[10-15]。硒的同位素被證明是一種氧化還原過程中的有效示蹤劑，借助同位素示蹤技術，可以精準定量地描述硒素的吸收與轉(zhuǎn)化，因此同位素示蹤技術在植物硒素代謝和硒素循環(huán)研究中具有廣闊的應用前景，并受到越來越多學者的重視。

1?環(huán)境中硒素的存在形式

1.1?土壤中硒素的賦存形態(tài)

中國是一個缺硒的國家，大部分地區(qū)土壤中的硒素含量不足0.1mg/kg，硒素含量較多的地區(qū)僅有陜西紫陽、湖北恩施以及近幾年發(fā)現(xiàn)的大面積連片酸性富硒土壤的廣西[16，17]。譚見安[18]根據(jù)中國硒素生態(tài)景觀標準，將硒元素進行安全等級劃分，結(jié)果表明中國絕大部分土壤處于缺硒狀態(tài)。土壤中硒素賦存形態(tài)復雜，受到土壤類型、土壤有機質(zhì)、成土母質(zhì)、氣候等多因素的影響，這些因素制約著土壤硒素的轉(zhuǎn)化與遷移。

土壤類型不同，硒的賦存形態(tài)及其分布特征也不同。不同價態(tài)和形態(tài)的硒素在土壤中具有不同的遷移、轉(zhuǎn)化能力，相應地對于植物的有效性也不同。按照硒素在土壤中賦存化合物的形態(tài)可以分為以下幾種：①元素態(tài)Se，是土壤微生物還原亞硒酸鹽或硒酸鹽的產(chǎn)物，僅占少量;②硒酸鹽和亞硒酸鹽;③金屬硒化物;④有機結(jié)合態(tài)，主要由動植物殘體形成，主要為胡敏酸結(jié)合態(tài)（HA-Se）和富里酸結(jié)合態(tài)（FA-Se）;⑤小分子有機硒化物，如含硒蛋白質(zhì)、硒基氨基酸等。按照價態(tài)可將土壤中的硒分為六價硒（SeO42-）、四價硒（SeO32-）、零價硒（Se0）和負二價硒（硒化物Se2-）。按照硒素在土壤中的結(jié)合態(tài)可以分為水溶態(tài)和弱吸附態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)以及殘渣態(tài)等[19-21]。交換態(tài)硒主要指那些被水合氧化物、黏土礦物及腐殖質(zhì)表面吸附的四價硒酸離子，在一定條件下可被植物吸收[22]。水溶態(tài)硒與部分交換態(tài)硒因可以被植物直接吸收利用而成為土壤中最直接的有效硒源。

1.2?植物中硒的賦存形式

天然植物中的硒主要是以硒酸鹽和有機態(tài)硒的形式存在，聚硒植物和非聚硒植物的存在形式不同。在聚硒植物中硒主要以可溶性的硒代氨基酸形式存在，在非聚硒植物中，硒主要以蛋白質(zhì)形式存在。植物中硒素的存在形式與硒的生物利用度、毒性及其化學形態(tài)密切相關。在植物中，無機態(tài)（低生物利用度，潛在毒性）的硒可以轉(zhuǎn)化為更安全、更高生物活性的有機結(jié)合態(tài)，繼而改善硒素營養(yǎng)特性[23]。有學者發(fā)現(xiàn)玉米、南瓜和胡蘿卜葉片中硒素的賦存形態(tài)主要是以蛋白硒形式存在，硒在非蛋白質(zhì)或多糖中分布很少[24，25]。通過對蛋白質(zhì)硒的成分進行分析發(fā)現(xiàn)，水溶性蛋白質(zhì)、鹽溶性蛋白質(zhì)、醇溶性蛋白質(zhì)及堿溶性蛋白質(zhì)都能結(jié)合一定量的硒，其中以水溶性硒蛋白質(zhì)為主。

1.3?土壤硒素的植物有效性

土壤硒素的植物有效性是指土壤中能被植物直接吸收或在一定條件下發(fā)生轉(zhuǎn)化后被植物吸收的可利用度。富硒土壤的含義是指土壤總硒含量高，但并不能代表種植的作物就一定能夠富硒。一般情況下，土壤中可以被植物直接吸收利用的硒稱為有效硒或可利用態(tài)硒，一般僅占土壤全硒含量的5%左右[26，27]。土壤中硒的總量只能看作是土壤的潛在供應能力和貯量的指標，植物能直接吸收、利用的僅僅是土壤全部硒含量中的極小部分。有研究表明，農(nóng)作物的含硒量與土壤中水溶態(tài)硒、有機態(tài)硒等有效態(tài)硒的含量呈正比;在水溶態(tài)硒、交換態(tài)硒和有機態(tài)硒等有效態(tài)硒含量高的土壤中生長的農(nóng)作物含硒量相對較高，才能達到富硒農(nóng)產(chǎn)品的要求，而這些取決于富硒土壤類型，硒素賦存形態(tài)，土壤物理、化學和生物學特性[27，28]?？傊?，植物從土壤中吸收硒并非取決于土壤總硒，而是受到土壤硒賦存形態(tài)及其轉(zhuǎn)化條件的影響，土壤理化及生物學特性是影響硒素轉(zhuǎn)化的內(nèi)在因素，決定著土壤硒素植物的有效性。

2?同位素示蹤技術的特點和應用

2.1?同位素示蹤技術

原子序數(shù)相同（具有相同數(shù)目質(zhì)子）的原子具有相同的化學性質(zhì)，都屬于同一種元素。盡管一種元素的所有原子都含有同樣多的質(zhì)子，但它們可能有不同的中子數(shù)，具有不同中子數(shù)的同種元素的原子稱為該元素的核素，同一元素的不同核素之間互稱為同位素[29]。同位素示蹤技術是利用放射性同位素或經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定性核素作為示蹤劑，研究各種物理、化學、生物、環(huán)境等領域中科學問題的技術。

2.2?同位素示蹤技術的優(yōu)勢

根據(jù)同位素有無放射性，可以將同位素示蹤技術分為穩(wěn)定性同位素示蹤技術和放射性同位素示蹤技術。放射性同位素示蹤技術有著靈敏度高，操作簡便，定位、定量準確等優(yōu)勢。相比放射性同位素，穩(wěn)定性同位素示蹤技術雖然沒有放射性同位素的精確度高，但是其最大的優(yōu)勢就是無放射性，在分離、標記化合物合成及其應用過程中沒有特殊的防護要求[30]。另外，穩(wěn)定性同位素的半衰期較長，具有不受研究時間限制等優(yōu)勢[31]。與傳統(tǒng)方法相比較，同位素示蹤技術能在微量尺度下，更精確地量化養(yǎng)分元素和重金屬元素在土壤環(huán)境中的轉(zhuǎn)化、分布及植物吸收分配等變化規(guī)律，具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。

2.3?同位素示蹤技術的應用

國內(nèi)對于穩(wěn)定性同位素的應用主要集中在土壤環(huán)境領域，主要用在碳、氮、鉛等常見元素的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)方面的研究。作為一種有機碳動態(tài)研究的新方法，尹云峰等[32]利用該技術（穩(wěn)定同位素13C）研究了添加玉米秸稈下紅壤總有機碳和重組有機碳的分解速率，結(jié)果表明在5%和10%秸稈用量下，紅壤重組有機碳中來自玉米秸稈的碳的比例為51.3%～78.0%，而來自原有的重組有機碳比例僅為22.0%～48.7%。董雯怡等[33]利用15N定量表征了毛白楊苗木對不同形態(tài)氮素的吸收效果，結(jié)果顯示毛白楊苗木在施肥后不同時期內(nèi)，NO3-15N肥吸收量均高于NH4-15N肥吸收量，而且NO3-15N肥平均利用率（不同時期氮肥利用率平均值）要遠高于NH4-15N肥利用率。土壤各不同組分在有機質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化過程中的動態(tài)各有特點，其作用和貢獻也有所不同，采用穩(wěn)定性同位素示蹤技術可以深入探究土壤有機質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化動態(tài)及調(diào)控機制[34]。通過應用13C方法研究玉米秸稈分解期間土壤有機碳的動態(tài)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新加入玉米秸稈后土壤有機碳分解速度同原土相比，分解速度加快;在培養(yǎng)初期胡敏酸形成速度小于富里酸，隨培養(yǎng)時間的延長富里酸可以轉(zhuǎn)化為胡敏酸或二者相互轉(zhuǎn)化;在整個培養(yǎng)過程中，新加入玉米秸稈的土壤和原來土壤中固有的有機碳都隨著培養(yǎng)時間延長而分解，但后者分解速度較慢，表明短期培養(yǎng)條件下可以用13C方法研究新加入有機碳在土壤中的分解動力學[35]。為了探明烏魯木齊市小白菜中Pb的污染來源，李萍等[36]采用Pb同位素示蹤法，結(jié)合小白菜盆栽試驗，分析灌溉水、土壤、降塵對小白菜Pb的貢獻率及小白菜Pb的可能來源。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大氣降塵對小白菜可食用部Pb含量的影響最大，灌溉水對小白菜根系Pb含量累積的影響最大，表明尾氣煙灰、燃煤、建筑降塵是導致烏魯木齊市葉類蔬菜可食用部Pb含量超標的主要原因。以上研究表明，穩(wěn)定性同位素示蹤技術在元素遷移轉(zhuǎn)化過程的研究中具有廣闊的應用空間和應用價值。

3?硒的同位素化學

硒有6種天然同位素，分別為74Se、76Se、77Se、78Se、80Se和82Se，對應的豐度分別為0.89%、9.37%、7.64%、23.77%、49.61%和8.73%[37，38]。隨著工業(yè)水平的發(fā)展，更多先進方法和高精度儀器的發(fā)展運用，硒同位素分析技術也得到了極大完善[39，40]。為硒素在植物、土壤和生物領域的研究提供了一個新的契機。但是目前，國內(nèi)關于穩(wěn)定性同位素技術在硒素方面的應用鮮有報道。

3.1?同位素示蹤技術在硒素遷移轉(zhuǎn)化過程的應用

為了探明外源硒施入土壤后在老化過程中的形態(tài)轉(zhuǎn)化、分布及最終的賦存狀態(tài)，Tolu等[41]將穩(wěn)定同位素77Se加入農(nóng)田土和林地土，老化3個月后利用高效液相色譜與電感耦合等離子體質(zhì)譜（HPLC-ICP-MS）聯(lián)用定期測定添加的外源硒（同位素富集的示蹤劑）和內(nèi)源硒在土壤中的形態(tài)、含量和分布情況，最終發(fā)現(xiàn)外源硒施入土壤后的形態(tài)、含量和分布與內(nèi)源硒在土壤中的特征趨于一致。Di Tullo等[42]運用77Se（IV）的同位素示蹤技術研究外源硒加入土壤環(huán)境中隨時間遷移、分布和形態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，通過對硒素滯留時間及其動力學過程分析，發(fā)現(xiàn)外源硒在土壤中的老化是一個包括化學反應和生物擴散的緩慢過程。像生物地球化學研究中的硫和氮同位素比值一樣，硒穩(wěn)定同位素比值可以作為硒來源和硒氧陰離子還原的指標。Johnson等[43]采用硒同位素比值的方法研究舊金山灣河口地區(qū)的水、煉油廠廢水、沉積物中80Se/76Se的比值，結(jié)果表明從上游水體中可溶性硒的還原不是硒進入沉積物的主要過程。

3.2?同位素示蹤技術在硒素植物有效性方面的研究

硒的穩(wěn)定性同位素技術也可以用來評價大氣硒對植物中硒總量的貢獻，Zieve等[44]利用酵母念珠菌培養(yǎng)放射性硒75Se-二甲基硒化物，以不同濃度和特定活性供應給生長在室內(nèi)的植物，把穩(wěn)定的富硒同位素76Se-亞硒酸鹽在不同濃度下供給水培植物根系。用雙重標記法確定了硒素供應的兩條主要途徑。葉面噴施試驗結(jié)果表明，即使在水培中存在亞硒酸鹽，植物也能很容易地從大氣中吸收二甲基硒化物，當二甲基硒化物濃度降低時，植株的積累量也隨之減少，葉片和根系都積累了一定量的硒。進一步分析發(fā)現(xiàn)葉片中有0.36%的硒素來自大氣中的二甲基硒化物。Di Tullo等[45]首次在以黑麥草為例的植物中應用穩(wěn)定同位素示蹤技術，該研究在植物上應用77Se（IV）和77Se（VI）雙峰穩(wěn)定性同位素示蹤技術，同時監(jiān)測亞硒酸鹽和硒酸鹽兩種常用的植物硒源的生物結(jié)合，結(jié)果表明無機硒可以通過有機化合物或與含硒蛋白質(zhì)結(jié)合的方式進行生物轉(zhuǎn)化，雖然一定量的硒素以亞硒酸鹽或硒酸鹽的形式被植物吸收，但在形態(tài)和組織分配上存在著明顯的差異，進一步發(fā)現(xiàn)在植物葉片中亞硒酸鹽轉(zhuǎn)化為有機形式主要是通過與高分子量化合物結(jié)合，而硒酸鹽因具有高度的流動性，很少被同化為有機形式。

3.3?硒同位素示蹤技術在人體代謝方面的貢獻

穩(wěn)定同位素示蹤技術也為人體代謝的研究提供了一種安全高效的方法[46]。無機硒化合物亞硒酸鹽（SeIV）和硒酸鹽（SeVI）通常用于食品補硒，但需要有關的吸收和保留的數(shù)據(jù)來評價它們的營養(yǎng)價值。Dael等[47]利用這兩種特征良好的穩(wěn)定性硒素示蹤劑來檢測人類吸收和保留硒素的數(shù)據(jù)，得出了成人男性和嬰兒的吸收和排尿特性不同，但對亞硒酸鹽和亞硒酸鹽吸收和保留相同的結(jié)論。

3.4?硒同位素在地球科學領域中的應用

硒同位素在環(huán)境硒的來源和生物地球化學反應中都扮演著重要角色，在示蹤劑方面表現(xiàn)出極大的應用潛力[38]。通過對湖北恩施黑色巖系風化體系中硒同位素的試驗，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)同位素存在25.57%的較大變換范圍，證實了黑色巖系表生風化作用能夠?qū)е挛凰氐臉O大分餾，且呈現(xiàn)出重同位素流失、輕同位素在風化產(chǎn)物中富集的趨勢[48]。

4?結(jié)語

硒素是人類和動物生命活動中必需的微量元素，因硒素具有揮發(fā)性強、基體干擾和多種氧化狀態(tài)的特點，導致其成為環(huán)境樣品中很難提取和分析的元素。同位素示蹤技術能在微量尺度下，更精確地量化元素在土壤環(huán)境中的轉(zhuǎn)化、分布及植物吸收分配等變化規(guī)律，具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。運用同位素示蹤技術可以使硒素在人體健康、植物生理、土壤賦存形態(tài)等方面的研究得到更深層次的發(fā)展。特別是對硒素在植物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、賦存形態(tài)、植物-土壤的遷移轉(zhuǎn)化過程、植物吸收和氧化過程中的賦存形態(tài)、轉(zhuǎn)化方式與途徑以及相關硒化合物的進一步厘定有著重要科學價值，為中國富硒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供重要依據(jù)。隨著同位素示蹤技術的完善，硒同位素示蹤技術有望在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、環(huán)境科學、地球科學等領域得到廣泛應用。

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