硒與重金屬互作的植物根際過(guò)程研究進(jìn)展

倪 剛，胡承孝，李長(zhǎng)印，蔡苗苗，趙小虎

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/微量元素研究中心/新型肥料湖北省工程實(shí)驗(yàn)室/土壤環(huán)境與污染修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

0 引言

重金屬在植物體內(nèi)的積累可降低農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。統(tǒng)計(jì)顯示，國(guó)內(nèi)每年有超過(guò)1200萬(wàn)t糧食受重金屬污染，減產(chǎn)超過(guò)1000萬(wàn)t[1]。食用受重金屬污染的糧食，可誘發(fā)一系列疾病。雖然學(xué)界素來(lái)十分重視農(nóng)田重金屬污染問(wèn)題，但其賦存形態(tài)多、易遷移轉(zhuǎn)化、不易降解的特點(diǎn)，導(dǎo)致只能通過(guò)吸附固定、轉(zhuǎn)化形態(tài)等方式進(jìn)行治理，即研究土壤固相、Eh、pH、微生物等土壤環(huán)境因子對(duì)重金屬的形態(tài)及含量的影響。硒是人和動(dòng)物的必需元素，也是植物的有益元素。土壤溶液中硒的濃度及形態(tài)、價(jià)態(tài)的不同導(dǎo)致植物吸收硒的速率和形式也有所不同，同時(shí)誘導(dǎo)與硒吸收競(jìng)爭(zhēng)密切相關(guān)的根際條件的變化，如硫酸鹽、磷酸鹽、金屬元素等的存在也能影響其吸收過(guò)程[2]。

根際是植物吸收養(yǎng)分以及各環(huán)境因素發(fā)生復(fù)雜交互作用的重要場(chǎng)所，根際過(guò)程介導(dǎo)了農(nóng)產(chǎn)品對(duì)硒與重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移，闡明硒在根際微環(huán)境中與重金屬互作的特征與過(guò)程，對(duì)改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)意義重大。筆者圍繞根系-土壤界面，闡述硒緩解重金屬毒性過(guò)程與重金屬元素的直接或間接作用，以期為深入開(kāi)展硒在重金屬污染農(nóng)田中的應(yīng)用提供參考。

1 重金屬在土壤中的主要形態(tài)及其影響因素

土壤重金屬一般可分為殘?jiān)鼞B(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)5種形態(tài)。殘?jiān)鼞B(tài)重金屬因存在于礦物晶格中而難以發(fā)生遷移[3]；鐵錳氧化物的形成受土壤酸堿性及氧化還原電位影響，而鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬是由鐵錳氧化物吸附沉淀離子生成，故其生物有效性與土壤pH、Eh密切相關(guān)[4]；土壤中H+增多會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬參與反應(yīng)而增大其有效性[4]；有機(jī)物結(jié)合態(tài)重金屬的有效性在Eh較高的環(huán)境中更易受抑制[5]；而可交換態(tài)重金屬受土壤固相影響較大，易于與黏土礦物或腐殖質(zhì)等發(fā)生吸附/解吸作用。此外，根系分泌物、微生物等皆可直接或間接影響重金屬形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。

2 硒在土壤中的主要形態(tài)及其影響因素

硒在土壤中分別以可溶態(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(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)6種形態(tài)存在[6]。可溶性硒中，硒酸鹽主要存在于堿性土或通氣性良好的土壤中；亞硒酸鹽則主要存在于酸性、中性土壤，或還原性條件的土壤（如水稻土）中[7]，且亞硒酸鹽更易與粘粒礦物或有機(jī)質(zhì)發(fā)生吸附作用而被固定。此外，研究表明pH增大可促進(jìn)土壤中硒的甲基化致使其移動(dòng)性增強(qiáng)，有機(jī)物可結(jié)合有效態(tài)硒而降低其有效性，金屬氧化物（如鐵、鋁氧化物）也可吸附固定各形態(tài)的硒[8]，甚至有研究表明磷的適量增多有利于增加可溶態(tài)硒的含量[9]。顯然，土壤酸堿性、氧化還原電位、土壤固相、有機(jī)物等皆能改變硒的賦存形態(tài)。

3 根際微環(huán)境及其對(duì)重金屬與硒的影響

根際發(fā)生的一系列生物、化學(xué)和物理過(guò)程與非根際土壤有所不同，這些過(guò)程是因根系生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收、環(huán)境因素變化而產(chǎn)生的，而這些過(guò)程也對(duì)微生物生態(tài)學(xué)和植物生理學(xué)產(chǎn)生了較大的影響。其中，土壤pH、微生物與重金屬的活化密切相關(guān)[10]，脲酶、磷酸酶等養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶的活性也介導(dǎo)了重金屬與硒的形態(tài)轉(zhuǎn)換[11-12]。根際微生物也能夠通過(guò)自身吸附作用或生命活動(dòng)中的分泌物直接或間接影響根際土壤中的硒。

4 硒與重金屬互作的根際過(guò)程

硒與重金屬不僅能夠通過(guò)直接接觸反應(yīng)生成復(fù)合物，而且土壤中的主要環(huán)境因子根表鐵膜、土壤固相、Eh、pH、微生物、根系分泌物等因素也可介導(dǎo)兩者的間接作用過(guò)程。

4.1 根際環(huán)境中硒與重金屬的直接作用

硒與重金屬在根際遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程中可能發(fā)生直接作用，如無(wú)機(jī)硒與砷可直接反應(yīng)生成不溶性沉淀[13]。根際土壤中硒的濃度與無(wú)機(jī)汞含量呈正相關(guān)，當(dāng)土壤中硒/汞摩爾比為1:1時(shí)，或在有機(jī)酸作用下硒與汞反應(yīng)生成HgSe，或者以其他方式結(jié)合成某種難溶性復(fù)合物，都將導(dǎo)致植物根系從土壤溶液中吸收的重金屬減少[14-15]。而且，根際土壤中的SeO42-和SeO32-在還原性條件下轉(zhuǎn)化為Se2-后，也可與Cd2+結(jié)合生成相應(yīng)的難溶性復(fù)合物，雖然低濃度硒可以抑制土壤中鎘的活化，但硒濃度愈高此抑制效果愈弱[16]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，富硒區(qū)表層土中鎘、汞、砷易于與硒伴生，且彼此之間存在一定的協(xié)同作用[17]。

4.2 根際環(huán)境中硒與重金屬可能的間接作用

4.2.1 根表鐵膜介導(dǎo)的間接作用 重金屬脅迫可促進(jìn)植物根表鐵膜的形成[18]，而施加低濃度外源硒也可達(dá)到此效果，但若外源硒濃度過(guò)高反而抑制根表鐵膜的形成[19]，即重金屬與硒皆可影響根表鐵膜的形成。而根表鐵膜亦可反作用于二者，能夠吸附、氧化還原、固定根際的某些金屬離子，從而降低重金屬有效性[20-21]，且鐵膜中的鐵可以與重金屬競(jìng)爭(zhēng)植物體內(nèi)的結(jié)合位點(diǎn)，增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的抗性。研究發(fā)現(xiàn)，根表鐵膜中鐵的含量與砷、鎘、鉛含量呈顯著正相關(guān)[20,22]，且水稻的根表鐵膜可以富集Hg2+及MeHg，從而抑制根系對(duì)汞的吸收；濕地植物對(duì)重金屬銅、鋁的抗耐能力較強(qiáng)，可能是因?yàn)殂~進(jìn)入根表鐵膜后被鈍化，而鐵膜中的磷酸鹽還可與鋁反應(yīng)生成沉淀[15]。根表鐵膜不僅可作為金屬離子的庫(kù)，還可作為亞硒酸鹽的源，其顯著促進(jìn)根系對(duì)亞硒酸鹽的吸收[23]，鐵膜中硒的積累量與鐵膜的量呈正相關(guān)[24]。

鐵膜存在時(shí)，添加亞硒酸鹽顯著降低根表重金屬含量（如鎘、汞），而添加硒酸鹽對(duì)根表重金屬無(wú)顯著影響，由此可知根際硒與重金屬能夠通過(guò)根表鐵膜發(fā)生間接作用，但不同形態(tài)硒的作用效果可能有所不同[19]。

4.2.2 土壤固相介導(dǎo)的間接作用 土壤固相是土壤中的重要成分，其表面積、表面電荷及官能團(tuán)等因素決定其能夠與硒及金屬離子發(fā)生吸附/解吸、絡(luò)合/螯合、氧化/還原反應(yīng)[25-26]。

鐵氧化物、土壤膠體、有機(jī)質(zhì)等固相組分皆可與砷、鎘、鉛、鉻等重金屬吸附/解吸或絡(luò)合/螯合，從而影響重金屬有效性[27-28]，粘土礦物、鐵鋁氧化物、羥基氧化物和有機(jī)質(zhì)等固相也易于吸附亞硒酸鹽，土壤溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)可與其結(jié)合生成DOM-Se復(fù)合物[29]，鐵的氧化物及羥基氧化物與亞硒酸鹽有極高的親和性[30]，黏土礦物吸附硒形成復(fù)合體后同樣能夠降低其有效性[31]，甚至低價(jià)態(tài)金屬化合物對(duì)亞硒酸鹽也有一定的吸附作用[32]，但硒酸鹽因在土壤溶液中具有較大的移動(dòng)性而不易被吸附[33]。故硒與重金屬可能因?yàn)榇嬖诟?jìng)爭(zhēng)吸附或其他關(guān)系而通過(guò)土壤固相發(fā)生間接相互作用。

4.2.3 pH與Eh介導(dǎo)的間接作用 施加外源添加劑、植物根系分泌物、微生物活動(dòng)或通氣條件的變化等所引起的根際土壤pH和Eh改變，可誘導(dǎo)硒與重金屬的賦存形態(tài)及有效性發(fā)生改變，而外源硒和重金屬也可改變土壤pH和Eh，從而間接介導(dǎo)相關(guān)反應(yīng)。

pH通過(guò)改變重金屬的吸附位、存在形態(tài)和配位性能等改變其有效性[34]。試驗(yàn)表明，增大根際土壤pH可降低鎘、汞等重金屬的有效性[35-36]，也可降低土壤對(duì)硒的吸附量。另一方面，金屬離子與H+競(jìng)爭(zhēng)吸附位而對(duì)根際土壤pH產(chǎn)生影響，施加適量外源硒也可增大土壤pH[37]。根際環(huán)境中的Eh及溶解氧水平與非根際土壤存在差異，因而使某些變價(jià)重金屬如鉻、汞、砷等發(fā)生氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致其有效性升高或降低[38]，Hg2+還原至毒性更低的Hg0形態(tài)，AsO43-被還原為AsO33-后生物毒性顯著增大，Cr6+還原至Cr3+后有效性降低[39]。還原條件使外源硒轉(zhuǎn)化為四價(jià)硒后被土壤大量吸附，從而使淹水土壤可溶性硒含量低于干旱土壤[40]。施加低濃度外源硒可顯著增高土壤pH，同時(shí)降低土壤Eh[41]，且硒與重金屬也能夠作用于根際微生物、土壤酶等，通過(guò)影響其豐度或活性間接影響土壤pH及Eh。

4.2.4 根際微生物介導(dǎo)的間接作用 根際微域中存在的細(xì)菌和真菌可通過(guò)胞外多聚體、鐵載體、金屬結(jié)合蛋白等對(duì)重金屬進(jìn)行胞外吸附、胞內(nèi)積累[42-43]，也可將硒從高毒性形態(tài)轉(zhuǎn)化為低毒性形態(tài)。一定濃度的硒與重金屬也會(huì)使微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性產(chǎn)生變化。

關(guān)于微生物介導(dǎo)重金屬及硒形態(tài)及價(jià)態(tài)變化的研究日趨重要。研究表明，鐵氧化細(xì)菌可促進(jìn)根表鐵膜的形成，從而影響根際重金屬離子和硒的有效性，根際土壤中叢枝菌根能夠顯著降低有效態(tài)重金屬的含量[44]，如異化硫酸鹽還原菌、菌根真菌等微生物活動(dòng)可使根際土壤中鎘、汞、砷、鉻等重金屬含量及形態(tài)發(fā)生變化[28,45-48]，某些根際細(xì)菌還可直接將SeO42-和SeO32-轉(zhuǎn)化為Se0、Se2-或有機(jī)硒化合物[15,49]。另一方面，不同種類(lèi)重金屬污染也導(dǎo)致微生物基因拷貝數(shù)和群落多樣性發(fā)生不同程度的變化[50]，在重金屬鉻污染土壤中施加外源硒，不僅可使土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)降低了重金屬毒性[51]，由此可見(jiàn)硒和重金屬可能通過(guò)改變微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，間接介導(dǎo)彼此在土壤中的存在。

4.2.5 根系分泌物介導(dǎo)的間接作用 根系分泌物包括還原糖、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、氨基酸、酚類(lèi)化合物等，可通過(guò)調(diào)節(jié)根際pH、Eh、根際微生物的數(shù)量和活性以及重金屬離子的溶解度等方式來(lái)控制硒與重金屬的生物有效性[52]，且硒與重金屬也可影響根系分泌物的生成。

植物根系分泌物可甲基化根際土壤中硒、汞、砷（如化合態(tài)硒轉(zhuǎn)化為毒性極低的二甲基硒），使后者揮發(fā)進(jìn)入大氣，黏膠和高、低分子分泌物還可與根際土壤中重金屬離子絡(luò)合或螯合[42]，而有機(jī)酸和氨基酸可提高土壤中鉛、鋅、鎘、銅的有效性，其中檸檬酸、酒石酸和草酸的效果最顯著[53-54]。De Souza等[55]的試驗(yàn)表明，接種根際細(xì)菌之后，根系分泌的某種熱不穩(wěn)定性化合物可能是導(dǎo)致根系硒吸收量增加的原因，即根系分泌物可能直接活化土壤中的硒。而硒與重金屬不僅可通過(guò)影響植物生長(zhǎng)改變其根系分泌物組成，根際微生物利用根系分泌的有機(jī)酸、氨基酸等有機(jī)物，使根際Eh相對(duì)非根際土較低[38]，也可間接改變根際土壤中多價(jià)態(tài)重金屬的有效性以及硒的形態(tài)。劉達(dá)等[16]研究發(fā)現(xiàn)土壤中施用低濃度硒后，小白菜地上部鎘含量降低，這可能是因?yàn)榈蜐舛任偈剐“撞烁捣置谖镌龆啵瑥亩c根際土壤中的鎘產(chǎn)生了一定的螯合/絡(luò)合作用，降低了小白菜對(duì)土壤中鎘的吸收量。

5 結(jié)論與展望

環(huán)境中的重金屬無(wú)法降解，且各賦存形態(tài)會(huì)隨環(huán)境因素的變化而相互轉(zhuǎn)化，不同形態(tài)之間毒性差異較大，給重金屬污染治理造成極大挑戰(zhàn)。適量硒可抑制農(nóng)作物根系吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬；也可與根際土壤中重金屬直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而抑制其毒性；且可通過(guò)影響根表鐵膜、土壤固相、pH與Eh、微生物、根系分泌物等可能的間接作用途徑，將重金屬由毒性較高的形態(tài)轉(zhuǎn)化為低毒性形態(tài)、與重金屬發(fā)生絡(luò)合/螯合作用、降低重金屬的移動(dòng)性等（圖1），從而達(dá)到降低土壤中重金屬有效性及作物重金屬積累量的目的。

目前對(duì)于硒緩解重金屬毒害的相關(guān)研究主要集中于植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等，對(duì)根系-土壤微環(huán)境中硒與重金屬的相互作用研究較少。結(jié)合已有的研究基礎(chǔ)，未來(lái)相關(guān)研究可著重于以下方面：（1）僅研究硒與重金屬含量及植物生理指標(biāo)變化難以闡明機(jī)理，不同根際環(huán)境因素之間（如根系分泌物與微生物、pH、Eh）的作用對(duì)硒和重金屬形態(tài)及含量的影響不容忽視。（2）硒在作用于重金屬的同時(shí)，自身也將受重金屬及環(huán)境因素影響，需結(jié)合紅外光譜等技術(shù)，研究土壤膠體對(duì)其的吸附固定以及不同形態(tài)硒可能發(fā)生的其他反應(yīng)，以便深入研究其機(jī)理。（3）目前相關(guān)研究多為硒與單一重金屬作用，考慮到某些土壤環(huán)境復(fù)雜，還需將重金屬?gòu)?fù)合污染納入研究。（4）結(jié)合不同形態(tài)重金屬之間的轉(zhuǎn)變及作物生理指標(biāo)變化，可確定在硒治理污染過(guò)程中起主導(dǎo)作用的重金屬形態(tài)，進(jìn)而研究根際環(huán)境因素對(duì)重金屬的主要形態(tài)的影響，將有助于研究硒治理污染過(guò)程中重金屬的毒性機(jī)理。

圖1 硒與重金屬的根際反應(yīng)過(guò)程