硒与重金属互作的植物根际过程研究进展

倪 刚，胡承孝，李长印，蔡苗苗，赵小虎

（华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心/新型肥料湖北省工程实验室/土壤环境与污染修复湖北省重点实验室，武汉 430070）

0 引言

重金属在植物体内的积累可降低农产品的品质和产量。统计显示，国内每年有超过1200万t粮食受重金属污染，减产超过1000万t[1]。食用受重金属污染的粮食，可诱发一系列疾病。虽然学界素来十分重视农田重金属污染问题，但其赋存形态多、易迁移转化、不易降解的特点，导致只能通过吸附固定、转化形态等方式进行治理，即研究土壤固相、Eh、pH、微生物等土壤环境因子对重金属的形态及含量的影响。硒是人和动物的必需元素，也是植物的有益元素。土壤溶液中硒的浓度及形态、价态的不同导致植物吸收硒的速率和形式也有所不同，同时诱导与硒吸收竞争密切相关的根际条件的变化，如硫酸盐、磷酸盐、金属元素等的存在也能影响其吸收过程[2]。

根际是植物吸收养分以及各环境因素发生复杂交互作用的重要场所，根际过程介导了农产品对硒与重金属的吸收和转移，阐明硒在根际微环境中与重金属互作的特征与过程，对改善农产品品质意义重大。笔者围绕根系-土壤界面，阐述硒缓解重金属毒性过程与重金属元素的直接或间接作用，以期为深入开展硒在重金属污染农田中的应用提供参考。

1 重金属在土壤中的主要形态及其影响因素

土壤重金属一般可分为残渣态、铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机物结合态、可交换态5种形态。残渣态重金属因存在于矿物晶格中而难以发生迁移[3]；铁锰氧化物的形成受土壤酸碱性及氧化还原电位影响，而铁锰氧化物结合态重金属是由铁锰氧化物吸附沉淀离子生成，故其生物有效性与土壤pH、Eh密切相关[4]；土壤中H+增多会导致碳酸盐结合态重金属参与反应而增大其有效性[4]；有机物结合态重金属的有效性在Eh较高的环境中更易受抑制[5]；而可交换态重金属受土壤固相影响较大，易于与黏土矿物或腐殖质等发生吸附/解吸作用。此外，根系分泌物、微生物等皆可直接或间接影响重金属形态之间的转化。

2 硒在土壤中的主要形态及其影响因素

硒在土壤中分别以可溶态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态6种形态存在[6]。可溶性硒中，硒酸盐主要存在于碱性土或通气性良好的土壤中；亚硒酸盐则主要存在于酸性、中性土壤，或还原性条件的土壤（如水稻土）中[7]，且亚硒酸盐更易与粘粒矿物或有机质发生吸附作用而被固定。此外，研究表明pH增大可促进土壤中硒的甲基化致使其移动性增强，有机物可结合有效态硒而降低其有效性，金属氧化物（如铁、铝氧化物）也可吸附固定各形态的硒[8]，甚至有研究表明磷的适量增多有利于增加可溶态硒的含量[9]。显然，土壤酸碱性、氧化还原电位、土壤固相、有机物等皆能改变硒的赋存形态。

3 根际微环境及其对重金属与硒的影响

根际发生的一系列生物、化学和物理过程与非根际土壤有所不同，这些过程是因根系生长、养分吸收、环境因素变化而产生的，而这些过程也对微生物生态学和植物生理学产生了较大的影响。其中，土壤pH、微生物与重金属的活化密切相关[10]，脲酶、磷酸酶等养分循环相关酶的活性也介导了重金属与硒的形态转换[11-12]。根际微生物也能够通过自身吸附作用或生命活动中的分泌物直接或间接影响根际土壤中的硒。

4 硒与重金属互作的根际过程

硒与重金属不仅能够通过直接接触反应生成复合物，而且土壤中的主要环境因子根表铁膜、土壤固相、Eh、pH、微生物、根系分泌物等因素也可介导两者的间接作用过程。

4.1 根际环境中硒与重金属的直接作用

硒与重金属在根际迁移、转化过程中可能发生直接作用，如无机硒与砷可直接反应生成不溶性沉淀[13]。根际土壤中硒的浓度与无机汞含量呈正相关，当土壤中硒/汞摩尔比为1:1时，或在有机酸作用下硒与汞反应生成HgSe，或者以其他方式结合成某种难溶性复合物，都将导致植物根系从土壤溶液中吸收的重金属减少[14-15]。而且，根际土壤中的SeO42-和SeO32-在还原性条件下转化为Se2-后，也可与Cd2+结合生成相应的难溶性复合物，虽然低浓度硒可以抑制土壤中镉的活化，但硒浓度愈高此抑制效果愈弱[16]。此外，研究发现，富硒区表层土中镉、汞、砷易于与硒伴生，且彼此之间存在一定的协同作用[17]。

4.2 根际环境中硒与重金属可能的间接作用

4.2.1 根表铁膜介导的间接作用 重金属胁迫可促进植物根表铁膜的形成[18]，而施加低浓度外源硒也可达到此效果，但若外源硒浓度过高反而抑制根表铁膜的形成[19]，即重金属与硒皆可影响根表铁膜的形成。而根表铁膜亦可反作用于二者，能够吸附、氧化还原、固定根际的某些金属离子，从而降低重金属有效性[20-21]，且铁膜中的铁可以与重金属竞争植物体内的结合位点，增强植物对重金属的抗性。研究发现，根表铁膜中铁的含量与砷、镉、铅含量呈显著正相关[20,22]，且水稻的根表铁膜可以富集Hg2+及MeHg，从而抑制根系对汞的吸收；湿地植物对重金属铜、铝的抗耐能力较强，可能是因为铜进入根表铁膜后被钝化，而铁膜中的磷酸盐还可与铝反应生成沉淀[15]。根表铁膜不仅可作为金属离子的库，还可作为亚硒酸盐的源，其显著促进根系对亚硒酸盐的吸收[23]，铁膜中硒的积累量与铁膜的量呈正相关[24]。

铁膜存在时，添加亚硒酸盐显著降低根表重金属含量（如镉、汞），而添加硒酸盐对根表重金属无显著影响，由此可知根际硒与重金属能够通过根表铁膜发生间接作用，但不同形态硒的作用效果可能有所不同[19]。

4.2.2 土壤固相介导的间接作用 土壤固相是土壤中的重要成分，其表面积、表面电荷及官能团等因素决定其能够与硒及金属离子发生吸附/解吸、络合/螯合、氧化/还原反应[25-26]。

铁氧化物、土壤胶体、有机质等固相组分皆可与砷、镉、铅、铬等重金属吸附/解吸或络合/螯合，从而影响重金属有效性[27-28]，粘土矿物、铁铝氧化物、羟基氧化物和有机质等固相也易于吸附亚硒酸盐，土壤溶解性有机质(DOM)可与其结合生成DOM-Se复合物[29]，铁的氧化物及羟基氧化物与亚硒酸盐有极高的亲和性[30]，黏土矿物吸附硒形成复合体后同样能够降低其有效性[31]，甚至低价态金属化合物对亚硒酸盐也有一定的吸附作用[32]，但硒酸盐因在土壤溶液中具有较大的移动性而不易被吸附[33]。故硒与重金属可能因为存在竞争吸附或其他关系而通过土壤固相发生间接相互作用。

4.2.3 pH与Eh介导的间接作用 施加外源添加剂、植物根系分泌物、微生物活动或通气条件的变化等所引起的根际土壤pH和Eh改变，可诱导硒与重金属的赋存形态及有效性发生改变，而外源硒和重金属也可改变土壤pH和Eh，从而间接介导相关反应。

pH通过改变重金属的吸附位、存在形态和配位性能等改变其有效性[34]。试验表明，增大根际土壤pH可降低镉、汞等重金属的有效性[35-36]，也可降低土壤对硒的吸附量。另一方面，金属离子与H+竞争吸附位而对根际土壤pH产生影响，施加适量外源硒也可增大土壤pH[37]。根际环境中的Eh及溶解氧水平与非根际土壤存在差异，因而使某些变价重金属如铬、汞、砷等发生氧化还原反应导致其有效性升高或降低[38]，Hg2+还原至毒性更低的Hg0形态，AsO43-被还原为AsO33-后生物毒性显著增大，Cr6+还原至Cr3+后有效性降低[39]。还原条件使外源硒转化为四价硒后被土壤大量吸附，从而使淹水土壤可溶性硒含量低于干旱土壤[40]。施加低浓度外源硒可显著增高土壤pH，同时降低土壤Eh[41]，且硒与重金属也能够作用于根际微生物、土壤酶等，通过影响其丰度或活性间接影响土壤pH及Eh。

4.2.4 根际微生物介导的间接作用 根际微域中存在的细菌和真菌可通过胞外多聚体、铁载体、金属结合蛋白等对重金属进行胞外吸附、胞内积累[42-43]，也可将硒从高毒性形态转化为低毒性形态。一定浓度的硒与重金属也会使微生物群落结构和多样性产生变化。

关于微生物介导重金属及硒形态及价态变化的研究日趋重要。研究表明，铁氧化细菌可促进根表铁膜的形成，从而影响根际重金属离子和硒的有效性，根际土壤中丛枝菌根能够显著降低有效态重金属的含量[44]，如异化硫酸盐还原菌、菌根真菌等微生物活动可使根际土壤中镉、汞、砷、铬等重金属含量及形态发生变化[28,45-48]，某些根际细菌还可直接将SeO42-和SeO32-转化为Se0、Se2-或有机硒化合物[15,49]。另一方面，不同种类重金属污染也导致微生物基因拷贝数和群落多样性发生不同程度的变化[50]，在重金属铬污染土壤中施加外源硒，不仅可使土壤细菌群落结构发生变化，同时降低了重金属毒性[51]，由此可见硒和重金属可能通过改变微生物群落结构和多样性，间接介导彼此在土壤中的存在。

4.2.5 根系分泌物介导的间接作用 根系分泌物包括还原糖、蛋白质、有机酸、氨基酸、酚类化合物等，可通过调节根际pH、Eh、根际微生物的数量和活性以及重金属离子的溶解度等方式来控制硒与重金属的生物有效性[52]，且硒与重金属也可影响根系分泌物的生成。

植物根系分泌物可甲基化根际土壤中硒、汞、砷（如化合态硒转化为毒性极低的二甲基硒），使后者挥发进入大气，黏胶和高、低分子分泌物还可与根际土壤中重金属离子络合或螯合[42]，而有机酸和氨基酸可提高土壤中铅、锌、镉、铜的有效性，其中柠檬酸、酒石酸和草酸的效果最显著[53-54]。De Souza等[55]的试验表明，接种根际细菌之后，根系分泌的某种热不稳定性化合物可能是导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。而硒与重金属不仅可通过影响植物生长改变其根系分泌物组成，根际微生物利用根系分泌的有机酸、氨基酸等有机物，使根际Eh相对非根际土较低[38]，也可间接改变根际土壤中多价态重金属的有效性以及硒的形态。刘达等[16]研究发现土壤中施用低浓度硒后，小白菜地上部镉含量降低，这可能是因为低浓度硒促使小白菜根系分泌物增多，从而与根际土壤中的镉产生了一定的螯合/络合作用，降低了小白菜对土壤中镉的吸收量。

5 结论与展望

环境中的重金属无法降解，且各赋存形态会随环境因素的变化而相互转化，不同形态之间毒性差异较大，给重金属污染治理造成极大挑战。适量硒可抑制农作物根系吸收转运重金属；也可与根际土壤中重金属直接发生化学反应而抑制其毒性；且可通过影响根表铁膜、土壤固相、pH与Eh、微生物、根系分泌物等可能的间接作用途径，将重金属由毒性较高的形态转化为低毒性形态、与重金属发生络合/螯合作用、降低重金属的移动性等（图1），从而达到降低土壤中重金属有效性及作物重金属积累量的目的。

目前对于硒缓解重金属毒害的相关研究主要集中于植物体内抗氧化系统、转运蛋白等，对根系-土壤微环境中硒与重金属的相互作用研究较少。结合已有的研究基础，未来相关研究可着重于以下方面：（1）仅研究硒与重金属含量及植物生理指标变化难以阐明机理，不同根际环境因素之间（如根系分泌物与微生物、pH、Eh）的作用对硒和重金属形态及含量的影响不容忽视。（2）硒在作用于重金属的同时，自身也将受重金属及环境因素影响，需结合红外光谱等技术，研究土壤胶体对其的吸附固定以及不同形态硒可能发生的其他反应，以便深入研究其机理。（3）目前相关研究多为硒与单一重金属作用，考虑到某些土壤环境复杂，还需将重金属复合污染纳入研究。（4）结合不同形态重金属之间的转变及作物生理指标变化，可确定在硒治理污染过程中起主导作用的重金属形态，进而研究根际环境因素对重金属的主要形态的影响，将有助于研究硒治理污染过程中重金属的毒性机理。

图1 硒与重金属的根际反应过程