水土环境硒污染生物修复

杨肖娥, 赖春宇

浙江大学, 污染环境修复与生态健康教育部重点实验室, 杭州 310058

1817年，瑞典科学家Jöns Jakob Berzelius在硫酸生产过程中首次发现了硒。硒是生物体内一种非常重要的类金属元素，在地壳中的含量为0.05～0.5 mg/kg[1]。近几十年来，硒的重要性日益凸显，在环境、医学和材料领域都有重要的研究和应用价值。然而，硒是一把双刃剑，微量的硒对人体健康有极大的益处，但是过量的硒会对人体产生毒性[2]。人体每天摄取量超过400 μg就会造成硒中毒。硒中毒症状包括头发及指甲脱落、神经系统紊乱和心血管疾病等[3]。此外，过量硒造成的环境污染对生物多样性构成严重的威胁，硒污染曾造成美国加利福尼亚Kesterson国家野生动物园内水禽和鱼类大量死亡。并且，硒具有很强的迁移性，可以通过食物链在植物和水生生物中积累，进而对周边环境造成严重影响[4]。深入了解植物和微生物对土壤和水体中的硒污染修复能力，有助于理解硒污染控制的重要性，并为开发有效的硒污染处理技术提供理论依据。当今的硒污染处理技术中，硒污染的土壤主要通过植物吸收和提取进行修复，而硒污染水体主要通过微生物的还原作用进行修复。

1 环境中硒的形态

2 环境中硒污染来源

土壤中的硒污染主要来源于矿石(如磷矿、锰矿)、母质等。在我国，湖北恩施、陕西紫阳土壤中的硒超标，对当地居民的健康造成威胁。1963年，恩施爆发了严重的人群硒中毒事件[7]。

硒从岩石、底泥、土壤和水体中相互迁移，并通过食物链进入植物、动物和人体中。随后，硒被微生物降解，回归到底泥和岩石沉积物中。因此，硒在环境中的分布受物理、化学、生物等多方面因素的影响。

3 土壤硒污染的生物修复

硒在土壤中的平均浓度为0.4 mg/kg，而在美国、加拿大、英国和中国的部分土壤中硒的浓度可以达到1 200 mg/kg[9]。硒在土壤中的移动性很强，能够通过植物根际土壤动物进行食物链积累，如积累过量就会对环境造成严重负面影响。富硒土壤如用于植物栽培，硒就会积累在植物体内，如果积累过量就会直接或间接地对人体和动物的健康产生威胁[10]。

土壤中的硒污染生物修复方式包括植物提取挥发和根际土壤微生物作用，且以植物提取挥发为主(图1,彩图见图版一)。

图1 土壤硒污染植物提取与挥发修复过程Fig.1 Process of phytoextraction and phytovolatilization of soil selenium. (彩图见图版一)

3.1 植物修复

3.1.1植物修复的机理 植物将土壤中的硒吸收、积累到地上部，随后以甲基硒的形式，如硒化氢(H2Se)、甲基硒(CH3SeH)、二甲基硒(CH3SeSCH3)、硫化二甲基硒(CH3SeSCH3)和二甲基二硒(CH3SeSeCH3)等，被释放至大气中。对多种作物如水稻、卷心菜和洋葱的研究表明，植物对硒的积累能力和挥发能力成正相关[11]。

植物硒挥发是个复杂的生物学过程。事实上，多种物理、化学、生物因素会影响植物和微生物的硒挥发过程，如土壤湿度、温度和硫酸盐浓度等[12,13]。Wu和Huang[14]的研究表明，盐草能够以65 mg/kg土壤·d的速率将硒挥发。当土壤中含硫酸盐时，硒的挥发速率减少至25 mg Se/kg土壤·d。Zawislanski等[15]的研究表明，灌溉并且栽种蔬菜的土壤比无作物的土壤具有更强的硒挥发能力。植物利用根部吸收硒后，可将其转移至地上部(如叶片)，从而利于硒的挥发[16]。

超积累植物之所以对硒的耐受性较强，是因为硒代半胱氨酸的甲基化阻止了硒的渗入，缓解了硒超积累植物受硒的毒害作用[23]。非超积累植物主要将硒储存在叶片维管组织中[24]，而超积累植物主要将硒储存在叶上皮及再生组织中，如花粉、种子[20]，因此它们的区隔作用与解毒机制不同。一些硒超积累植物可以产生类似硫化合物的硒化合物，包括组织中的半胱氨酸、氨酸甲酯[24]。并且，硒超积累植物吸收硒并不依赖于硫酸盐，表明超积累植物可能有一种硒特异性的转运系统。我国对镉、锌、砷等元素超积累作用机理研究较多，而对植物硒超积累机理研究相对较少。

有些硒超积累植物是很好的药食同源植物，如黄芪等。利用硒超积累植物修复高硒(硒污染)土壤，同时硒超积累植物还可以开发为富硒产品，从而实现对硒污染土壤的高值化利用。然而，植物对硒超积累/富集的机理研究尚处于初级阶段，需要进一步的深入研究，为生产实践提供理论依据。

3.2 根际土壤微生物修复

植物修复硒污染土壤的同时往往会伴随着和微生物的联合作用。如当植物体死亡后，掉落后的枯枝落叶是土壤微生物的重要碳源和电子供体，从而驱动微生物对土壤硒盐进行生物还原，消减土壤中的硒污染[26]。Zawislanksi等[27]的研究表明，未种植作物的土壤硒含量是种植作物土壤的两倍多，表明作物在土壤硒污染控制中发挥重要的作用。根际周边土壤中的微生物也能够将非挥发性的硒盐转化为挥发性强的甲基态硒从而有效将硒从土壤中移除。并且，甲基态硒的毒性远小于无机硒[28]。

4 水体硒污染的生物修复

4.1 水体硒污染微生物还原修复

图2 氢气/甲烷基质MBfR还原硒酸盐反应器过程[35,36]Fig.2 Reduction process of selenate reactors by MBfR matrix of hydrogen/methan[35,36]. (彩图见图版一)

图3 甲烷基质MBfR还原的机理[35]Fig.3 The mechanisms of Se reduction in MBfR matrix of methane[35]. (彩图见图版二)

4.2 水体硒微生物修复过程中的纳米硒回收物

近几十年来，科学家们致力于纳米硒的表征、合成和修饰研究。纳米态的硒有极好的光导特性和半导体特性，广泛应用于整流器、太阳能电池、身影曝光表、静电复印机等的生产[37]。人们通过物理化学方法，开发出了多种形态的纳米硒的制备技术[38]。而生物还原法获得的纳米硒与通过物理化学方法制备纳米硒的差异很大，具有成本低廉、环境友好等优势，有大规模产业化的潜力。生物纳米硒的特殊性可能是由于蛋白质在制造和稳定纳米硒的过程中发挥了特殊的作用[33]。因此，科学家们正在致力于研究硒酸盐还原菌制备硒纳米材料的工艺。

纳米硒有多种分子排列方式，包括螺旋形的长链、六聚体或者九聚体[39]。由于微生物合成的纳米硒遵循奥斯特瓦尔德成熟规律，纳米硒在长期的微生物培养过程中，直径会增大[40]。此外，生物体内的多种代谢过程会影响合成的纳米硒的结晶、生长及稳定性[41]。有研究表明，去除生物纳米硒表面的有机层可以改变硒的晶型结构[42]。

微生物合成的纳米硒直径在100～200 nm的范围内。在生物合成纳米硒的过程中，可以添加一些稳定剂，如谷胱甘肽、金属氯化物等，来控制纳米硒的粒径大小[41]。体外实验表明，生物蛋白质和胞外聚合物(EPS)可以稳定生物纳米硒的晶型结构[43,44]。

4.3 水体硒污染人工湿地修复

5 展望

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