同位素示踪技术在土壤硒素转化中的应用及硒素植物有效性研究进展

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　　摘要：硒（Se）是人体和动物必需的一种微量元素。分析了环境中硒素的存在形式，综述了同位素示踪技术在土壤硒素转化中的应用及硒素植物有效性研究进展，并对硒同位素示踪技术的发展趋势进行了展望。
　　关键词：硒（Se）;硒形态;硒同位素;同位素示踪技术
　　中图分类号：S124+.2 文献标识码：A
　　文章编号：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）是人类和其他哺乳动物等多种生物必需的微量元素，兼具营养和解毒等生物学功能[1，2]，有“抗癌之王”“心脏守护神”“长寿元素”“微量元素中的胰岛素”“肝病的天敌”等美誉[3-6]。硒的缺乏会导致谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）酶活性降低，严重时可能会诱发克山病。硒还具有抗癌作用，能够有效降低癌症的发生率[7]。硒是一种人体必需的超痕量营养元素，但其营养性的阈值范围较窄，已经引起不同领域研究者的广泛关注[8，9]。
　　土壤中硒素分布极不均匀，因此极易导致相关地区硒污染及人类疾病。植物是土壤中硒素迁移与转化的重要媒介，在硒素进入食物链中起着关键作用。目前世界范围内人工栽培植物对硒素的吸收能力差异较大，在中国、南非、北欧等地区都表现出硒缺乏现象，而在印度和美国加州地区硒却达到了致毒水平，因此在栽培作物时如何保持合理的硒素吸收显得尤为重要[10-15]。硒的同位素被证明是一种氧化还原过程中的有效示踪剂，借助同位素示踪技术，可以精准定量地描述硒素的吸收与转化，因此同位素示踪技术在植物硒素代谢和硒素循环研究中具有广阔的应用前景，并受到越来越多学者的重视。
　　1 环境中硒素的存在形式
　　1.1 土壤中硒素的赋存形态
　　中国是一個缺硒的国家，大部分地区土壤中的硒素含量不足0.1mg/kg，硒素含量较多的地区仅有陕西紫阳、湖北恩施以及近几年发现的大面积连片酸性富硒土壤的广西[16，17]。谭见安[18]根据中国硒素生态景观标准，将硒元素进行安全等级划分，结果表明中国绝大部分土壤处于缺硒状态。土壤中硒素赋存形态复杂，受到土壤类型、土壤有机质、成土母质、气候等多因素的影响，这些因素制约着土壤硒素的转化与迁移。
　　土壤类型不同，硒的赋存形态及其分布特征也不同。不同价态和形态的硒素在土壤中具有不同的迁移、转化能力，相应地对于植物的有效性也不同。按照硒素在土壤中赋存化合物的形态可以分为以下几种：①元素态Se，是土壤微生物还原亚硒酸盐或硒酸盐的产物，仅占少量;②硒酸盐和亚硒酸盐;③金属硒化物;④有机结合态，主要由动植物残体形成，主要为胡敏酸结合态（HA-Se）和富里酸结合态（FA-Se）;⑤小分子有机硒化物，如含硒蛋白质、硒基氨基酸等。按照价态可将土壤中的硒分为六价硒（SeO42-）、四价硒（SeO32-）、零价硒（Se0）和负二价硒（硒化物Se2-）。按照硒素在土壤中的结合态可以分为水溶态和弱吸附态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态以及残渣态等[19-21]。交换态硒主要指那些被水合氧化物、黏土矿物及腐殖质表面吸附的四价硒酸离子，在一定条件下可被植物吸收[22]。水溶态硒与部分交换态硒因可以被植物直接吸收利用而成为土壤中最直接的有效硒源。
　　1.2 植物中硒的赋存形式
　　天然植物中的硒主要是以硒酸盐和有机态硒的形式存在，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，硒主要以蛋白质形式存在。植物中硒素的存在形式与硒的生物利用度、毒性及其化学形态密切相关。在植物中，无机态（低生物利用度，潜在毒性）的硒可以转化为更安全、更高生物活性的有机结合态，继而改善硒素营养特性[23]。有学者发现玉米、南瓜和胡萝卜叶片中硒素的赋存形态主要是以蛋白硒形式存在，硒在非蛋白质或多糖中分布很少[24，25]。通过对蛋白质硒的成分进行分析发现，水溶性蛋白质、盐溶性蛋白质、醇溶性蛋白质及碱溶性蛋白质都能结合一定量的硒，其中以水溶性硒蛋白质为主。
　　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条件下发生转化后被植物吸收的可利用度。富硒土壤的含义是指土壤总硒含量高，但并不能代表种植的作物就一定能够富硒。一般情况下，土壤中可以被植物直接吸收利用的硒称为有效硒或可利用态硒，一般仅占土壤全硒含量的5%左右[26，27]。土壤中硒的总量只能看作是土壤的潜在供应能力和贮量的指标，植物能直接吸收、利用的仅仅是土壤全部硒含量中的极小部分。有研究表明，农作物的含硒量与土壤中水溶态硒、有机态硒等有效态硒的含量呈正比;在水溶态硒、交换态硒和有机态硒等有效态硒含量高的土壤中生长的农作物含硒量相对较高，才能达到富硒农产品的要求，而这些取决于富硒土壤类型，硒素赋存形态，土壤物理、化学和生物学特性[27，28]。总之，植物从土壤中吸收硒并非取决于土壤总硒，而是受到土壤硒赋存形态及其转化条件的影响，土壤理化及生物学特性是影响硒素转化的内在因素，决定着土壤硒素植物的有效性。 　　2 同位素示踪技术的特点和应用
　　2.1 同位素示踪技术
　　原子序数相同（具有相同数目质子）的原子具有相同的化学性质，都属于同一种元素。尽管一种元素的所有原子都含有同样多的质子，但它们可能有不同的中子数，具有不同中子数的同种元素的原子称为该元素的核素，同一元素的不同核素之间互称为同位素[29]。同位素示踪技术是利用放射性同位素或经富集的稀有稳定性核素作为示踪剂，研究各种物理、化学、生物、环境等领域中科学问题的技术。
　　2.2 同位素示踪技术的优势
　　根据同位素有无放射性，可以将同位素示踪技术分为稳定性同位素示踪技术和放射性同位素示踪技术。放射性同位素示踪技术有着灵敏度高，操作简便，定位、定量准确等优势。相比放射性同位素，稳定性同位素示踪技术虽然没有放射性同位素的精确度高，但是其最大的优势就是无放射性，在分离、标记化合物合成及其应用过程中没有特殊的防护要求[30]。另外，稳定性同位素的半衰期较长，具有不受研究时间限制等优势[31]。与传统方法相比较，同位素示踪技术能在微量尺度下，更精确地量化养分元素和重金属元素在土壤环境中的转化、分布及植物吸收分配等变化规律，具有明显的优势和广阔的应用前景。
　　2.3 同位素示踪技术的应用
　　国内对于稳定性同位素的应用主要集中在土壤环境领域，主要用在碳、氮、铅等常见元素的转化、迁移及循环方面的研究。作为一种有机碳动态研究的新方法，尹云峰等[32]利用该技术（稳定同位素13C）研究了添加玉米秸秆下红壤总有机碳和重组有机碳的分解速率，结果表明在5%和10%秸秆用量下，红壤重组有机碳中来自玉米秸秆的碳的比例为51.3%～78.0%，而来自原有的重组有机碳比例仅为22.0%～48.7%。董雯怡等[33]利用15N定量表征了毛白杨苗木对不同形态氮素的吸收效果，结果显示毛白杨苗木在施肥后不同时期内，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（不同时期氮肥利用率平均值）要远高于NH4-15N肥利用率。土壤各不同组分在有机质积累和转化过程中的动态各有特点，其作用和贡献也有所不同，采用稳定性同位素示踪技术可以深入探究土壤有机质循环转化动态及调控机制[34]。通过应用13C方法研究玉米秸秆分解期间土壤有机碳的动态变化，结果发现新加入玉米秸秆后土壤有机碳分解速度同原土相比，分解速度加快;在培养初期胡敏酸形成速度小于富里酸，随培养时间的延长富里酸可以转化为胡敏酸或二者相互转化;在整个培养过程中，新加入玉米秸秆的土壤和原来土壤中固有的有机碳都随着培养时间延长而分解，但后者分解速度较慢，表明短期培养条件下可以用13C方法研究新加入有机碳在土壤中的分解动力学[35]。为了探明乌鲁木齐市小白菜中Pb的污染来源，李萍等[36]采用Pb同位素示踪法，结合小白菜盆栽试验，分析灌溉水、土壤、降塵对小白菜Pb的贡献率及小白菜Pb的可能来源。结果发现，大气降尘对小白菜可食用部Pb含量的影响最大，灌溉水对小白菜根系Pb含量累积的影响最大，表明尾气烟灰、燃煤、建筑降尘是导致乌鲁木齐市叶类蔬菜可食用部Pb含量超标的主要原因。以上研究表明，稳定性同位素示踪技术在元素迁移转化过程的研究中具有广阔的应用空间和应用价值。
　　3 硒的同位素化学
　　硒有6种天然同位素，分别为74Se、76Se、77Se、78Se、80Se和82Se，对应的丰度分别为0.89%、9.37%、7.64%、23.77%、49.61%和8.73%[37，38]。随着工业水平的发展，更多先进方法和高精度仪器的发展运用，硒同位素分析技术也得到了极大完善[39，40]。为硒素在植物、土壤和生物领域的研究提供了一个新的契机。但是目前，国内关于稳定性同位素技术在硒素方面的应用鲜有报道。
　　3.1 同位素示踪技术在硒素迁移转化过程的应用
　　为了探明外源硒施入土壤后在老化过程中的形态转化、分布及最终的赋存状态，Tolu等[41]将稳定同位素77Se加入农田土和林地土，老化3个月后利用高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）联用定期测定添加的外源硒（同位素富集的示踪剂）和内源硒在土壤中的形态、含量和分布情况，最终发现外源硒施入土壤后的形态、含量和分布与内源硒在土壤中的特征趋于一致。Di Tullo等[42]运用77Se（IV）的同位素示踪技术研究外源硒加入土壤环境中随时间迁移、分布和形态转化的过程，通过对硒素滞留时间及其动力学过程分析，发现外源硒在土壤中的老化是一个包括化学反应和生物扩散的缓慢过程。像生物地球化学研究中的硫和氮同位素比值一样，硒稳定同位素比值可以作为硒来源和硒氧阴离子还原的指标。Johnson等[43]采用硒同位素比值的方法研究旧金山湾河口地区的水、炼油厂废水、沉积物中80Se/76Se的比值，结果表明从上游水体中可溶性硒的还原不是硒进入沉积物的主要过程。
　　3.2 同位素示踪技术在硒素植物有效性方面的研究
　　硒的稳定性同位素技术也可以用来评价大气硒对植物中硒总量的贡献，Zieve等[44]利用酵母念珠菌培养放射性硒75Se-二甲基硒化物，以不同浓度和特定活性供应给生长在室内的植物，把稳定的富硒同位素76Se-亚硒酸盐在不同浓度下供给水培植物根系。用双重标记法确定了硒素供应的两条主要途径。叶面喷施试验结果表明，即使在水培中存在亚硒酸盐，植物也能很容易地从大气中吸收二甲基硒化物，当二甲基硒化物浓度降低时，植株的积累量也随之减少，叶片和根系都积累了一定量的硒。进一步分析发现叶片中有0.36%的硒素来自大气中的二甲基硒化物。Di Tullo等[45]首次在以黑麦草为例的植物中应用稳定同位素示踪技术，该研究在植物上应用77Se（IV）和77Se（VI）双峰稳定性同位素示踪技术，同时监测亚硒酸盐和硒酸盐两种常用的植物硒源的生物结合，结果表明无机硒可以通过有机化合物或与含硒蛋白质结合的方式进行生物转化，虽然一定量的硒素以亚硒酸盐或硒酸盐的形式被植物吸收，但在形态和组织分配上存在着明显的差异，进一步发现在植物叶片中亚硒酸盐转化为有机形式主要是通过与高分子量化合物结合，而硒酸盐因具有高度的流动性，很少被同化为有机形式。 　　3.3 硒同位素示踪技术在人体代谢方面的贡献
　　稳定同位素示踪技术也为人体代谢的研究提供了一种安全高效的方法[46]。无机硒化合物亚硒酸盐（SeIV）和硒酸盐（SeVI）通常用于食品补硒，但需要有关的吸收和保留的数据来评价它们的营养价值。Dael等[47]利用这两种特征良好的稳定性硒素示踪剂来检测人类吸收和保留硒素的数据，得出了成人男性和婴儿的吸收和排尿特性不同，但对亚硒酸盐和亚硒酸盐吸收和保留相同的结论。
　　3.4 硒同位素在地球科学领域中的应用
　　硒同位素在环境硒的来源和生物地球化学反应中都扮演着重要角色，在示踪剂方面表现出极大的应用潜力[38]。通过对湖北恩施黑色岩系风化体系中硒同位素的试验，发现该地区同位素存在25.57%的较大变换范围，证实了黑色岩系表生风化作用能够导致硒同位素的极大分馏，且呈现出重同位素流失、轻同位素在风化产物中富集的趋势[48]。
　　4 结语
　　硒素是人类和动物生命活动中必需的微量元素，因硒素具有挥发性强、基体干扰和多种氧化状态的特点，导致其成为环境样品中很难提取和分析的元素。同位素示踪技术能在微量尺度下，更精确地量化元素在土壤环境中的转化、分布及植物吸收分配等变化规律，具有明显的优势和广阔的应用前景。运用同位素示踪技术可以使硒素在人体健康、植物生理、土壤赋存形态等方面的研究得到更深层次的发展。特别是对硒素在植物体内的迁移转化规律、赋存形态、植物-土壤的迁移转化过程、植物吸收和氧化过程中的赋存形态、转化方式与途径以及相关硒化合物的进一步厘定有着重要科学价值，为中国富硒产业的发展提供重要依据。随着同位素示踪技术的完善，硒同位素示踪技术有望在农业资源与环境、环境科学、地球科学等领域得到广泛应用。
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