倪 剛,胡承孝,李長印,蔡苗苗,趙小虎
(華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/微量元素研究中心/新型肥料湖北省工程實驗室/土壤環(huán)境與污染修復湖北省重點實驗室,武漢 430070)
重金屬在植物體內的積累可降低農(nóng)產(chǎn)品的品質和產(chǎn)量。統(tǒng)計顯示,國內每年有超過1200萬t糧食受重金屬污染,減產(chǎn)超過1000萬t[1]。食用受重金屬污染的糧食,可誘發(fā)一系列疾病。雖然學界素來十分重視農(nóng)田重金屬污染問題,但其賦存形態(tài)多、易遷移轉化、不易降解的特點,導致只能通過吸附固定、轉化形態(tài)等方式進行治理,即研究土壤固相、Eh、pH、微生物等土壤環(huán)境因子對重金屬的形態(tài)及含量的影響。硒是人和動物的必需元素,也是植物的有益元素。土壤溶液中硒的濃度及形態(tài)、價態(tài)的不同導致植物吸收硒的速率和形式也有所不同,同時誘導與硒吸收競爭密切相關的根際條件的變化,如硫酸鹽、磷酸鹽、金屬元素等的存在也能影響其吸收過程[2]。
根際是植物吸收養(yǎng)分以及各環(huán)境因素發(fā)生復雜交互作用的重要場所,根際過程介導了農(nóng)產(chǎn)品對硒與重金屬的吸收和轉移,闡明硒在根際微環(huán)境中與重金屬互作的特征與過程,對改善農(nóng)產(chǎn)品品質意義重大。筆者圍繞根系-土壤界面,闡述硒緩解重金屬毒性過程與重金屬元素的直接或間接作用,以期為深入開展硒在重金屬污染農(nóng)田中的應用提供參考。
土壤重金屬一般可分為殘渣態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、有機物結合態(tài)、可交換態(tài)5種形態(tài)。殘渣態(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[4];土壤中H+增多會導致碳酸鹽結合態(tài)重金屬參與反應而增大其有效性[4];有機物結合態(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)之間的轉化。
硒在土壤中分別以可溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機物結合態(tài)和殘渣態(tài)6種形態(tài)存在[6]??扇苄晕?,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質發(fā)生吸附作用而被固定。此外,研究表明pH增大可促進土壤中硒的甲基化致使其移動性增強,有機物可結合有效態(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、有機物等皆能改變硒的賦存形態(tài)。
根際發(fā)生的一系列生物、化學和物理過程與非根際土壤有所不同,這些過程是因根系生長、養(yǎng)分吸收、環(huán)境因素變化而產(chǎn)生的,而這些過程也對微生物生態(tài)學和植物生理學產(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[10],脲酶、磷酸酶等養(yǎng)分循環(huán)相關酶的活性也介導了重金屬與硒的形態(tài)轉換[11-12]。根際微生物也能夠通過自身吸附作用或生命活動中的分泌物直接或間接影響根際土壤中的硒。
硒與重金屬不僅能夠通過直接接觸反應生成復合物,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兩者的間接作用過程。
硒與重金屬在根際遷移、轉化過程中可能發(fā)生直接作用,如無機硒與砷可直接反應生成不溶性沉淀[13]。根際土壤中硒的濃度與無機汞含量呈正相關,當土壤中硒/汞摩爾比為1:1時,或在有機酸作用下硒與汞反應生成HgSe,或者以其他方式結合成某種難溶性復合物,都將導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-在還原性條件下轉化為Se2-后,也可與Cd2+結合生成相應的難溶性復合物,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]。
4.2.1 根表鐵膜介導的間接作用 重金屬脅迫可促進植物根表鐵膜的形成[18],而施加低濃度外源硒也可達到此效果,但若外源硒濃度過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爭植物體內的結合位點,增強植物對重金屬的抗性。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[20,22],且水稻的根表鐵膜可以富集Hg2+及MeHg,從而抑制根系對汞的吸收;濕地植物對重金屬銅、鋁的抗耐能力較強,可能是因為銅進入根表鐵膜后被鈍化,而鐵膜中的磷酸鹽還可與鋁反應生成沉淀[15]。根表鐵膜不僅可作為金屬離子的庫,還可作為亞硒酸鹽的源,其顯著促進根系對亞硒酸鹽的吸收[23],鐵膜中硒的積累量與鐵膜的量呈正相關[24]。
鐵膜存在時,添加亞硒酸鹽顯著降低根表重金屬含量(如鎘、汞),而添加硒酸鹽對根表重金屬無顯著影響,由此可知根際硒與重金屬能夠通過根表鐵膜發(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、表面電荷及官能團等因素決定其能夠與硒及金屬離子發(fā)生吸附/解吸、絡合/螯合、氧化/還原反應[25-26]。
鐵氧化物、土壤膠體、有機質等固相組分皆可與砷、鎘、鉛、鉻等重金屬吸附/解吸或絡合/螯合,從而影響重金屬有效性[27-28],粘土礦物、鐵鋁氧化物、羥基氧化物和有機質等固相也易于吸附亞硒酸鹽,土壤溶解性有機質(DOM)可與其結合生成DOM-Se復合物[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合體后同樣能夠降低其有效性[31],甚至低價態(tài)金屬化合物對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性而不易被吸附[33]。故硒與重金屬可能因為存在競爭吸附或其他關系而通過土壤固相發(fā)生間接相互作用。
4.2.3 pH與Eh介導的間接作用 施加外源添加劑、植物根系分泌物、微生物活動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,從而間接介導相關反應。
pH通過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],也可降低土壤對硒的吸附量。另一方面,金屬離子與H+競爭吸附位而對根際土壤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,因而使某些變價重金屬如鉻、汞、砷等發(fā)生氧化還原反應導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化為四價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 根際微生物介導的間接作用 根際微域中存在的細菌和真菌可通過胞外多聚體、鐵載體、金屬結合蛋白等對重金屬進行胞外吸附、胞內積累[42-43],也可將硒從高毒性形態(tài)轉化為低毒性形態(tài)。一定濃度的硒與重金屬也會使微生物群落結構和多樣性產(chǎn)生變化。
關于微生物介導重金屬及硒形態(tài)及價態(tài)變化的研究日趨重要。研究表明,鐵氧化細菌可促進根表鐵膜的形成,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],某些根際細菌還可直接將SeO42-和SeO32-轉化為Se0、Se2-或有機硒化合物[15,49]。另一方面,不同種類重金屬污染也導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,不僅可使土壤細菌群落結構發(fā)生變化,同時降低了重金屬毒性[51],由此可見硒和重金屬可能通過改變微生物群落結構和多樣性,間接介導彼此在土壤中的存在。
4.2.5 根系分泌物介導的間接作用 根系分泌物包括還原糖、蛋白質、有機酸、氨基酸、酚類化合物等,可通過調節(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)硒轉化為毒性極低的二甲基硒),使后者揮發(fā)進入大氣,黏膠和高、低分子分泌物還可與根際土壤中重金屬離子絡合或螯合[42],而有機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]的試驗表明,接種根際細菌之后,根系分泌的某種熱不穩(wěn)定性化合物可能是導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影響植物生長改變其根系分泌物組成,根際微生物利用根系分泌的有機酸、氨基酸等有機物,使根際Eh相對非根際土較低[38],也可間接改變根際土壤中多價態(tài)重金屬的有效性以及硒的形態(tài)。劉達等[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,這可能是因為低濃度硒促使小白菜根系分泌物增多,從而與根際土壤中的鎘產(chǎn)生了一定的螯合/絡合作用,降低了小白菜對土壤中鎘的吸收量。
環(huán)境中的重金屬無法降解,且各賦存形態(tài)會隨環(huán)境因素的變化而相互轉化,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)作物根系吸收轉運重金屬;也可與根際土壤中重金屬直接發(fā)生化學反應而抑制其毒性;且可通過影響根表鐵膜、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)轉化為低毒性形態(tài)、與重金屬發(fā)生絡合/螯合作用、降低重金屬的移動性等(圖1),從而達到降低土壤中重金屬有效性及作物重金屬積累量的目的。
目前對于硒緩解重金屬毒害的相關研究主要集中于植物體內抗氧化系統(tǒng)、轉運蛋白等,對根系-土壤微環(huán)境中硒與重金屬的相互作用研究較少。結合已有的研究基礎,未來相關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變化難以闡明機理,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,自身也將受重金屬及環(huán)境因素影響,需結合紅外光譜等技術,研究土壤膠體對其的吸附固定以及不同形態(tài)硒可能發(fā)生的其他反應,以便深入研究其機理。(3)目前相關研究多為硒與單一重金屬作用,考慮到某些土壤環(huán)境復雜,還需將重金屬復合污染納入研究。(4)結合不同形態(tài)重金屬之間的轉變及作物生理指標變化,可確定在硒治理污染過程中起主導作用的重金屬形態(tài),進而研究根際環(huán)境因素對重金屬的主要形態(tài)的影響,將有助于研究硒治理污染過程中重金屬的毒性機理。
圖1 硒與重金屬的根際反應過程