土壤中硒形態(tài)研究進(jìn)展

周彧琛 李光一 汪 岸 肖玉芳 賈正勛

（湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心，湖北 武漢 430034）

1.前言

硒作為生物體內(nèi)重要的微量元素，相關(guān)研究表明硒能提高人體的免疫功能和降低人體內(nèi)的炎癥反應(yīng)，因此近幾年在國內(nèi)外備受關(guān)注。據(jù)全國的資料分析，我國表層土壤Se含量算術(shù)平均值為0.29μg/g，低Se帶表層土壤中Se的平均含量0.17μg/g左右，均低于世界土壤背景值0.40μg/g。目前，我國缺硒的土壤面積高達(dá)已51%，其中有27%的土壤嚴(yán)重缺硒。同時(shí)，動(dòng)植物對硒的需求不僅取決于硒總量的攝入，還與所攝入硒的形態(tài)有著密切的關(guān)系。本文綜述了近幾年土壤中硒形態(tài)的提取方法及檢測手段的研究進(jìn)展，同時(shí)概述了土壤環(huán)境對硒形態(tài)的影響。以期為后續(xù)土壤中硒的合理化利用提供參考。

2. 土壤樣品中硒的提取

2.1 硒的賦存狀態(tài)

對土壤中硒的賦存狀態(tài)進(jìn)行分析，能更好的掌握土壤中硒的分布情況，將為硒資源的綜合利用，提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。根據(jù)硒在土壤中的不同賦存狀態(tài)，應(yīng)用合適的前處理手段將其分步提取顯得十分重要。分步提取技術(shù)通過選擇特定提取劑以模擬硒在土壤地球化學(xué)過程中的遷移轉(zhuǎn)化、生物富集等行為，選擇性提取與土壤特定組分相結(jié)合的一類硒的化合物。根據(jù)研究者的需求不同，目前針對硒賦存形態(tài)的分步提取方法分為五步提取法，七步提取法。唐沫嵐等采用分步提取法對富硒土壤樣品中硒的五種賦存形態(tài)（水溶態(tài)、可交換態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、酸溶態(tài)與殘?jiān)鼞B(tài)）進(jìn)行分離。張艷玲等采用五步提取法對低硒土壤中硒的賦存形態(tài)進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，江蘇省低硒土壤中有機(jī)物-硫化物結(jié)合態(tài)硒以及元素態(tài)硒為主要賦存形態(tài)，二者之和占土壤總硒的75%左右。由于地質(zhì)環(huán)境中硒常與硫鐵礦伴生，朱建明等研究了湖北恩施富硒石煤與樣品中硒的礦物學(xué)的相關(guān)性，通過改變提取劑及其順序，進(jìn)一步細(xì)分硒的賦存形態(tài)，把五步提取法改為七步提取法，其中，將五步法中酸溶態(tài)硒細(xì)分為酸溶性提取態(tài)硒、元素態(tài)硒以及硫化態(tài)硒，并對該提取過程中的液固比、提取劑濃度、溫度等進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后能對元素態(tài)硒和硫化物態(tài)硒進(jìn)行專門提取。王瀟等采用七步提取法對青陽縣富硒土壤中硒形態(tài)與水稻富硒的相關(guān)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明水稻吸收利用的主要是土壤中水溶態(tài)與腐殖酸態(tài)的硒。耿建梅等分別采用H2O、0.1 mol/L KH2PO4與0.5 mol/L NaHCO3三種目前報(bào)道較多的浸提劑對海南稻田土壤中有效硒（包含水溶態(tài)硒和可交換態(tài)硒）浸提效果進(jìn)行比較研究，結(jié)果表明，三種浸提劑浸提的有效硒與水稻幼苗中硒的含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，其中，0.1 mol/L KH2PO4浸提所需時(shí)間最短，平均變異系數(shù)最小，與植株累積硒的相關(guān)系數(shù)較大。劉冰權(quán)等采用七步提取法對江西贛縣地區(qū)土壤中硒的賦存狀態(tài)進(jìn)行分步提取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明硒的生物有效性主要受其賦存狀態(tài)影響，當(dāng)土壤中總硒含量較低時(shí)，水溶態(tài)硒，可交換態(tài)硒，碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒占比越高，硒的生物有效性越高。

2.2 硒形態(tài)

土壤中硒按化學(xué)形態(tài)可以分為無機(jī)硒與有機(jī)硒。無機(jī)硒主要為元素態(tài)硒(Se0)、亞硒酸鹽(Se4+)以及硒酸鹽(Se6+)等多種形式存在。Se6+是生物體可以利用的硒的主要形式之一，易溶于水，但因其本身具有較大的毒性，在對植物體使用過程中須嚴(yán)格控制用量，否則會(huì)對周圍的動(dòng)植物造成毒害。Se4+因部分會(huì)被粘土礦物、鐵錳等金屬氧化物和有機(jī)質(zhì)吸附，僅有部分溶解于水溶液中，具有一定的生物利用率。Se0因其溶解度低，生物利用率不高，因此，可以通過改變周圍的環(huán)境將Se4+和Se6+轉(zhuǎn)化成Se0處理硒污染。土壤中有機(jī)硒化合物種類繁多且成分復(fù)雜，部分有機(jī)硒同樣易溶于水溶液中可以被植物吸收利用，是土壤中有效硒的重要來源。宋曉珂等對青海東部地區(qū)的富硒土壤樣品中硒的賦存形態(tài)及相應(yīng)的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，兩種富硒土壤中Se4+和Se6+均存在于水溶態(tài)與可交換態(tài)硒之中，但主要以Se6+的形式存在。當(dāng)逐漸升高培養(yǎng)溫度，水溶態(tài)硒和可交換態(tài)硒的含量隨之逐漸上升， Se4+和Se6+含量也會(huì)隨之上升，此時(shí)，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硒則會(huì)隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而降低。黃婷苗等通過對小麥不同部位施加不同價(jià)態(tài)的硒（即硒酸鈉和亞硒酸鈉）研究對小麥硒吸收利用的影響及殘效，結(jié)果表明，土施硒酸鈉、亞硒酸鈉1gSehm-2, 籽粒硒含量分別增加4.7μg/kg和0.3μg/kg；葉噴硒酸鈉、亞硒酸鈉1gSehm-2, 籽粒硒含量分別提高16μg/kg和8.0μg/kg。

3.硒形態(tài)組分的檢測

3.1 LC-AFS聯(lián)用

原子熒光光譜法測定土壤中硒的總量已有現(xiàn)行的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在靈敏度、檢出限等方面與電感耦合等離子質(zhì)譜法基本相當(dāng)甚至更優(yōu)。陳海杰等對土壤和水系沉積物樣品采用HNO3+HF+HClO4進(jìn)行消解，加熱至冒高氯酸濃煙，此時(shí)消解液中Se4+和Se6+與土壤中的含量保持一致，若消解后的樣品中加入6mol/L HCl進(jìn)行加熱，則能Se6+全部還原為Se4+，采用差減法使用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測定了樣品中的總硒和Se4+和Se6+，Se4+和Se6+的回收率分別為102%～108%和94%～104%。通過將氫化物發(fā)生-原子熒光光譜儀與高效液相色譜聯(lián)用能夠?qū)ξ螒B(tài)進(jìn)行檢測。李愛民等通過配置pH值不同的KH2PO4作為提取液，對不同酸堿度的土壤樣品進(jìn)行浸提，用陰離子交換色譜柱（Hamilton PRP X-100）進(jìn)行分離，流動(dòng)相選用（NH4）2HPO4（40mmol/L）溶液，以20g/L的KBH4溶液和10g/L KI溶液為還原劑，7%HCl為載流溶液對土壤中的4種有效硒形態(tài)（硒代胱氨酸、硒代蛋氨酸、硒酸根、亞硒酸根）進(jìn)行測定，上述四種硒形態(tài)在20分鐘內(nèi)均能良好分離。為了提高不同硒形態(tài)的氧化還原效率，可以通過加紫外消解對色譜柱分離出的樣品進(jìn)行在線處理。劉進(jìn)璽等用 NaOH（0.08 mol/L） 溶液對4種硒形態(tài)（Se（Ⅵ）、Se（Ⅳ）、SeMet 和 SeCys）進(jìn)行提取，使用Hamilton PRP-X100色譜柱分離，采用 60 mmol/L的磷酸氫二銨溶液作為流動(dòng)相對其進(jìn)行分離。

3.2 HPLC-ICP-MS聯(lián)用

電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS) 因其靈敏度高在痕量及超痕量無機(jī)元素分析領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，將ICP-MS作為色譜分離的檢測器為元素形態(tài)分析提供了檢測手段?；诟咝б合嗌V（HPLC）流動(dòng)相的流速與ICP-MS樣品進(jìn)樣流速相匹配，且HPLC的柱后流出與ICP-MS的樣品導(dǎo)入均可在常壓下進(jìn)行，從而HPLC-ICP-MS成為無機(jī)形態(tài)分析研究中使用最廣的聯(lián)用技術(shù)。王欣等通過使用高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法，質(zhì)譜采用He碰撞池模式下，測定了市面上富硒食品(富硒大米、富硒酵母、富硒茶葉、富硒靈芝孢子粉等)的六種硒形態(tài)（即SeO42-，SeO32-，SeMet，SeCys2，SeUr和SeEt），分 析 結(jié)果令人滿意。秦沖等用色譜柱（Hamilton PRP-X100），選取檸檬酸（6mmol/L）為流動(dòng)相，在8min內(nèi)即可完全分離Se6+和Se4+，兩者的檢出限分別可達(dá)到0.15μg/L和0.16μg/L。

ICP-MS測定Se也存在一些問題，由于Se的第一電離能高為9.75eV，從而導(dǎo)致電離效率較低；且常規(guī)使用的等離子氣為氬氣，溶液中的一些雜質(zhì)元素均會(huì)對Se的測定造成干擾，如同位素80Se（49.61%）會(huì)受到80Kr＋、40Ar40Ar＋、40Ca40Ca＋等干擾，78Se（23.77%）會(huì)受到40Ar38Ar＋、40Ca38Ar＋、39K39K＋、78Kr＋等干擾。針對上述測量過程中出現(xiàn)的單原子干擾和多原子干擾，采用碰撞反應(yīng)池（DRC）ICP-MS和三重四極桿電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜能夠很好的解決上述問題。常用于硒分析的碰撞/反應(yīng)氣有氫氣、甲烷、氧氣和氦氣。屈明華等采用DRCICP-MS法，選擇CH4和O2作為碰撞/反應(yīng)氣消除80Se 在質(zhì)譜中受到多種同質(zhì)量數(shù)分子、離子、雙電荷等干擾，對土壤中硒進(jìn)行分析測試。所選的大部分標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品中測定結(jié)果均在不確定度范圍內(nèi)，且實(shí)際樣品加標(biāo)回收率均在95.0%～120%之間。

3.3 同步輻射X射線吸收光譜技術(shù)

同步輻射X射線吸收光譜技術(shù)可在不破壞樣品的情況下對土壤樣品進(jìn)行原位無損形態(tài)分析，它主要使用X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)( XANES) 區(qū)域?qū)腆w表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定。秦海波等采用同步輻射對比分析了連續(xù)化學(xué)提取態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)中硒的形態(tài)，結(jié)果表明，連續(xù)化學(xué)提取液中硒的形態(tài)與研究結(jié)果基本一致，即水溶態(tài)硒主要為Se6+，可交換態(tài)硒與有機(jī)結(jié)合態(tài)硒以Se4+為主要存在形式，硫化物結(jié)合態(tài)硒是以Se2-和Se4+的形式存在，殘?jiān)鼞B(tài)硒主要為Se4+。恩施富硒地區(qū)土壤中硒的主要存在形式為四價(jià)硒，與連續(xù)提取方法中有機(jī)結(jié)合態(tài)是土壤硒的主要存在形式的結(jié)果相吻合。XAFS技術(shù)雖然可對固體樣品中硒形態(tài)進(jìn)行直接測定，由于元素態(tài)硒與硒化物的X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（X-ray absorption near edge structure，XANES）譜圖較相似，使得樣品中還原性硒化物難以準(zhǔn)確區(qū)分。

4.土壤環(huán)境對硒形態(tài)的影響

4.1 pH值與Eh值

在土壤環(huán)境中，土壤的pH值和氧化還原電位會(huì)導(dǎo)致土壤中硒形態(tài)發(fā)生改變。陳繼平等通過研究土壤中各硒形態(tài)的含量與pH的相關(guān)性，結(jié)果表明，pH與土壤中硒的總量、水溶態(tài)硒含量、有機(jī)結(jié)合態(tài)硒含量之間呈弱的相關(guān)性，與離子交換態(tài)硒含量呈相對較高的相關(guān)性。當(dāng)土壤的pH＞7時(shí)，硒主要以存在于土壤中，由于比更容易被鐵錳鋁等氧化物所吸收，且吸附能力隨pH值升高而降低，因此SeO32-含量與pH值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)土壤pH≤7時(shí)，硒主要以SeO32-的形式存在，其容易和錳、鐵等氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成極難溶解的酸式亞硒酸鹽類，或被粘土礦物吸附。樊建新等對淹水過程中土壤中硒形態(tài)轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，Eh值對土壤硒形態(tài)轉(zhuǎn)化起主要作用，淹水培養(yǎng)過程中，土壤中氧含量逐漸下降，其Eh值也隨之降低，在還原條件下，不僅存在于溶液中的Se6+容易被還原，被吸附的Se4+也會(huì)溶于溶液中被還原，形成難溶性硒，導(dǎo)致淹水培養(yǎng)過程中硒的可交換態(tài)與水溶態(tài)向難溶的元素態(tài)與殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。

4.2 腐殖質(zhì)

腐殖質(zhì)為已死生命體在土壤中被微生物分解而成的有機(jī)物，土壤中主要分為腐殖酸、胡敏酸與富里酸三種。其中與胡敏酸和富里酸絡(luò)合形成的硒的化合物是土壤中有效硒的重要組成部分，與富里酸絡(luò)合的硒較易礦化分解成易為Se4+、Se6+以及低分子有機(jī)硒化合物等。與胡敏酸絡(luò)合的硒主要以蛋白質(zhì)或多肽的形式存在，一般不易被釋放，進(jìn)而阻礙了植物的吸收利用。何振立等的研究表明，在缺硒土壤中，胡敏酸結(jié)合態(tài)硒的含量一般都較高。在富硒土壤中，有機(jī)硒主要以富里酸硒為主。當(dāng)土壤中富里酸多于胡敏酸時(shí)，土壤硒有效性高。當(dāng)土壤中胡敏酸多于富里酸時(shí)，硒的有效性便降低。當(dāng)土壤呈酸性時(shí)，此種作用尤為明顯。