硒是人和动物必需微量元素,具有重要的生理作用,人类摄入硒元素主要直接或者间接来自于植物性食物,而植物中的硒来源于对土壤中硒的吸收和生物转化,受到土壤中硒含量和形态的影响。
硒是地壳中的一种微量元素,其平均浓度为0.13 mg/kg。岩石中的硒含量占地壳总硒含量的40%,主要存在于砂岩、石英岩和石灰岩中(Wang and Gao 2001),岩石是陆地系统中元素的主要来源。风化、水流侵蚀和生物活动等生物地球化学过程将硒从岩石圈释放出来并运输到其他圈层,将其分布在地球上。那么硒循环的开始——土壤中硒主要有哪些形态,又会受到什么条件的影响呢?
接下来,我想先向大家介绍一下火山周围土壤中的硒。火山喷发释放的硒会随火山灰沉降在周围土壤,导致火山土壤有较高的硒含量。然而,早期研究认为火山周围是缺硒地带(Rayman 2001)。这是什么缘故呢?其实是因为火山土偏酸性,更利于4️价态的亚硒酸盐Se(IV)存在,而火山灰中含有独特的矿物学成分,易吸附亚硒酸盐形成硒-阳离子-有机物三元络合物,这对植物来说是不可用的,生活在火山周围的人群从当地植物中吸收的硒不足。最终,人体内硒含量低导致对火山土壤硒含量的误解。例如,在夏威夷火山土壤中,硒的含量在1-20 mg/kg不等,但由于其与含铁和含铝矿物的络合作用,这些硒不能被植物吸收(Davidson and Powers 1959)。由此例可知,当地生物缺乏硒不一定是由于单纯的环境硒含量低,也可能与硒在土壤中的的生物有效性有关。
研究表明,土壤中硒的化学形态和生物利用度受到多种因素的影响,包括土壤质地、土壤pH值、有机质、氧化还原条件以及硫和磷等竞争阴离子的存在等(Qu et al. 2023)(图1)。图2展示了pE(电势能)-pH(酸碱度)对硒形态的影响。
此外,土壤中的微生物对硒的还原和挥发也会影响土壤中的硒形态和含量。它们对生物利用度的影响主要是通过影响硒的氧化还原状态。现在已经确定了多种不同的生物途径。通过这些途径硒氧阴离子可以还原为零价态的硒或负二价态的硒Se(-II)。微生物可以利用硒酸盐和亚硒酸盐作为终端电子受体进行能量代谢(异化还原)。一些微生物还可以将硒还原并代谢成为有机化合物(同化还原)。此外,还存在微生物对硒的甲基化、去甲基化和氧化等过程。这些微生物过程对土壤中硒循环具有重要影响。
稿件作者:中国农业大学功能农业研究团队硕士研究生刘怡
参考文献:
Davidson, D.F. and Powers, H.A. (1959) Selenium content of some volcanic rocks from western United States and Hawaiian Islands.
Qu, L.L., Xu, J.Y., Dai, Z.H., Elyamine, A.M., Huang, W.X., Han, D., Dang, B.J., Xu, Z.C. and Jia, W. (2023) Selenium in soil-plant system: Transport, detoxification and bioremediation. Journal of Hazardous Materials 452.
Rayman, M.P. (2001) The importance of selenium to human health.
Séby, F., Potin-Gautier, M., Giffaut, E., Borge, G. and Donard, O.F.X. (2001) A critical review of thermodynamic data for selenium species at 25°C. Chemical Geology 171(3-4), 173-194.
Wang, Z.J. and Gao, Y.X. (2001) Biogeochemical cycling of selenium in Chinese environments. Applied Geochemistry 16(11-12), 1345-1351.