楊肖娥, 賴春宇

浙江大學(xué), 污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310058

1817年，瑞典科學(xué)家J?ns Jakob Berzelius在硫酸生產(chǎn)過程中首次發(fā)現(xiàn)了硒。硒是生物體內(nèi)一種非常重要的類金屬元素，在地殼中的含量為0.05～0.5 mg/kg[1]。近幾十年來，硒的重要性日益凸顯，在環(huán)境、醫(yī)學(xué)和材料領(lǐng)域都有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。然而，硒是一把雙刃劍，微量的硒對(duì)人體健康有極大的益處，但是過量的硒會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒性[2]。人體每天攝取量超過400 μg就會(huì)造成硒中毒。硒中毒癥狀包括頭發(fā)及指甲脫落、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂和心血管疾病等[3]。此外，過量硒造成的環(huán)境污染對(duì)生物多樣性構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，硒污染曾造成美國加利福尼亞Kesterson國家野生動(dòng)物園內(nèi)水禽和魚類大量死亡。并且，硒具有很強(qiáng)的遷移性，可以通過食物鏈在植物和水生生物中積累，進(jìn)而對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響[4]。深入了解植物和微生物對(duì)土壤和水體中的硒污染修復(fù)能力，有助于理解硒污染控制的重要性，并為開發(fā)有效的硒污染處理技術(shù)提供理論依據(jù)。當(dāng)今的硒污染處理技術(shù)中，硒污染的土壤主要通過植物吸收和提取進(jìn)行修復(fù)，而硒污染水體主要通過微生物的還原作用進(jìn)行修復(fù)。

1 環(huán)境中硒的形態(tài)

2 環(huán)境中硒污染來源

土壤中的硒污染主要來源于礦石(如磷礦、錳礦)、母質(zhì)等。在我國，湖北恩施、陜西紫陽土壤中的硒超標(biāo)，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦慕】翟斐赏{。1963年，恩施爆發(fā)了嚴(yán)重的人群硒中毒事件[7]。

硒從巖石、底泥、土壤和水體中相互遷移，并通過食物鏈進(jìn)入植物、動(dòng)物和人體中。隨后，硒被微生物降解，回歸到底泥和巖石沉積物中。因此，硒在環(huán)境中的分布受物理、化學(xué)、生物等多方面因素的影響。

3 土壤硒污染的生物修復(fù)

硒在土壤中的平均濃度為0.4 mg/kg，而在美國、加拿大、英國和中國的部分土壤中硒的濃度可以達(dá)到1 200 mg/kg[9]。硒在土壤中的移動(dòng)性很強(qiáng)，能夠通過植物根際土壤動(dòng)物進(jìn)行食物鏈積累，如積累過量就會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重負(fù)面影響。富硒土壤如用于植物栽培，硒就會(huì)積累在植物體內(nèi)，如果積累過量就會(huì)直接或間接地對(duì)人體和動(dòng)物的健康產(chǎn)生威脅[10]。

土壤中的硒污染生物修復(fù)方式包括植物提取揮發(fā)和根際土壤微生物作用，且以植物提取揮發(fā)為主(圖1,彩圖見圖版一)。

圖1 土壤硒污染植物提取與揮發(fā)修復(fù)過程Fig.1 Process of phytoextraction and phytovolatilization of soil selenium. (彩圖見圖版一)

3.1 植物修復(fù)

3.1.1植物修復(fù)的機(jī)理 植物將土壤中的硒吸收、積累到地上部，隨后以甲基硒的形式，如硒化氫(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，被釋放至大氣中。對(duì)多種作物如水稻、卷心菜和洋蔥的研究表明，植物對(duì)硒的積累能力和揮發(fā)能力成正相關(guān)[11]。

植物硒揮發(fā)是個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程。事實(shí)上，多種物理、化學(xué)、生物因素會(huì)影響植物和微生物的硒揮發(fā)過程，如土壤濕度、溫度和硫酸鹽濃度等[12,13]。Wu和Huang[14]的研究表明，鹽草能夠以65 mg/kg土壤·d的速率將硒揮發(fā)。當(dāng)土壤中含硫酸鹽時(shí)，硒的揮發(fā)速率減少至25 mg Se/kg土壤·d。Zawislanski等[15]的研究表明，灌溉并且栽種蔬菜的土壤比無作物的土壤具有更強(qiáng)的硒揮發(fā)能力。植物利用根部吸收硒后，可將其轉(zhuǎn)移至地上部(如葉片)，從而利于硒的揮發(fā)[16]。

超積累植物之所以對(duì)硒的耐受性較強(qiáng)，是因?yàn)槲腚装彼岬募谆柚沽宋臐B入，緩解了硒超積累植物受硒的毒害作用[23]。非超積累植物主要將硒儲(chǔ)存在葉片維管組織中[24]，而超積累植物主要將硒儲(chǔ)存在葉上皮及再生組織中，如花粉、種子[20]，因此它們的區(qū)隔作用與解毒機(jī)制不同。一些硒超積累植物可以產(chǎn)生類似硫化合物的硒化合物，包括組織中的半胱氨酸、氨酸甲酯[24]。并且，硒超積累植物吸收硒并不依賴于硫酸鹽，表明超積累植物可能有一種硒特異性的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。我國對(duì)鎘、鋅、砷等元素超積累作用機(jī)理研究較多，而對(duì)植物硒超積累機(jī)理研究相對(duì)較少。

有些硒超積累植物是很好的藥食同源植物，如黃芪等。利用硒超積累植物修復(fù)高硒(硒污染)土壤，同時(shí)硒超積累植物還可以開發(fā)為富硒產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硒污染土壤的高值化利用。然而，植物對(duì)硒超積累/富集的機(jī)理研究尚處于初級(jí)階段，需要進(jìn)一步的深入研究，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

3.2 根際土壤微生物修復(fù)

植物修復(fù)硒污染土壤的同時(shí)往往會(huì)伴隨著和微生物的聯(lián)合作用。如當(dāng)植物體死亡后，掉落后的枯枝落葉是土壤微生物的重要碳源和電子供體，從而驅(qū)動(dòng)微生物對(duì)土壤硒鹽進(jìn)行生物還原，消減土壤中的硒污染[26]。Zawislanksi等[27]的研究表明，未種植作物的土壤硒含量是種植作物土壤的兩倍多，表明作物在土壤硒污染控制中發(fā)揮重要的作用。根際周邊土壤中的微生物也能夠?qū)⒎菗]發(fā)性的硒鹽轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性強(qiáng)的甲基態(tài)硒從而有效將硒從土壤中移除。并且，甲基態(tài)硒的毒性遠(yuǎn)小于無機(jī)硒[28]。

4 水體硒污染的生物修復(fù)

4.1 水體硒污染微生物還原修復(fù)

圖2 氫氣/甲烷基質(zhì)MBfR還原硒酸鹽反應(yīng)器過程[35,36]Fig.2 Reduction process of selenate reactors by MBfR matrix of hydrogen/methan[35,36]. (彩圖見圖版一)

圖3 甲烷基質(zhì)MBfR還原的機(jī)理[35]Fig.3 The mechanisms of Se reduction in MBfR matrix of methane[35]. (彩圖見圖版二)

4.2 水體硒微生物修復(fù)過程中的納米硒回收物

近幾十年來，科學(xué)家們致力于納米硒的表征、合成和修飾研究。納米態(tài)的硒有極好的光導(dǎo)特性和半導(dǎo)體特性，廣泛應(yīng)用于整流器、太陽能電池、身影曝光表、靜電復(fù)印機(jī)等的生產(chǎn)[37]。人們通過物理化學(xué)方法，開發(fā)出了多種形態(tài)的納米硒的制備技術(shù)[38]。而生物還原法獲得的納米硒與通過物理化學(xué)方法制備納米硒的差異很大，具有成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的潛力。生物納米硒的特殊性可能是由于蛋白質(zhì)在制造和穩(wěn)定納米硒的過程中發(fā)揮了特殊的作用[33]。因此，科學(xué)家們正在致力于研究硒酸鹽還原菌制備硒納米材料的工藝。

納米硒有多種分子排列方式，包括螺旋形的長鏈、六聚體或者九聚體[39]。由于微生物合成的納米硒遵循奧斯特瓦爾德成熟規(guī)律，納米硒在長期的微生物培養(yǎng)過程中，直徑會(huì)增大[40]。此外，生物體內(nèi)的多種代謝過程會(huì)影響合成的納米硒的結(jié)晶、生長及穩(wěn)定性[41]。有研究表明，去除生物納米硒表面的有機(jī)層可以改變硒的晶型結(jié)構(gòu)[42]。

微生物合成的納米硒直徑在100～200 nm的范圍內(nèi)。在生物合成納米硒的過程中，可以添加一些穩(wěn)定劑，如谷胱甘肽、金屬氯化物等，來控制納米硒的粒徑大小[41]。體外實(shí)驗(yàn)表明，生物蛋白質(zhì)和胞外聚合物(EPS)可以穩(wěn)定生物納米硒的晶型結(jié)構(gòu)[43,44]。

4.3 水體硒污染人工濕地修復(fù)

5 展望

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