潘麗萍, 劉永賢*, 黃雁飛, 農(nóng)夢玲, 蘭 秀, 鹿士楊, 陳錦平, 趙于瑩, 梁潘霞, 熊柳梅, 江澤普, 邢 穎, 廖 青, 黃太慶

1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南寧 530007; 2.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 南寧 530005

土壤-植物體系中硒與重金屬鎘的相互作用

潘麗萍1, 劉永賢1*, 黃雁飛1, 農(nóng)夢玲2, 蘭 秀2, 鹿士楊1, 陳錦平1, 趙于瑩2, 梁潘霞1, 熊柳梅1, 江澤普1, 邢 穎1, 廖 青1, 黃太慶1

1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南寧 530007; 2.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 南寧 530005

硒是人體重要的功能元素之一，近年來通過食物補硒成為研究熱潮，富硒食品的安全問題備受關(guān)注。闡述了土壤中的硒與鎘的存在形態(tài)及其轉(zhuǎn)化的影響因素，并結(jié)合近年來的研究成果，介紹了硒與鎘在植物體內(nèi)的互作效應(yīng)及其機理研究現(xiàn)狀，以期為今后更深入開展硒與鎘交互作用機制的研究提供參考，并為農(nóng)作物富硒阻隔技術(shù)體系的建立提供科學(xué)依據(jù)。

土壤-植物體系；硒；鎘；互作作用

硒(Se)作為人體重要的微量元素，具有多重生物學(xué)功能，被稱為“抗癌之王”[1]。近年來，食物補硒迎來了熱潮，也給富硒食品產(chǎn)業(yè)帶來了希望。但隨著富硒食品開發(fā)的不斷深入，富硒食品的安全問題，尤其是富硒農(nóng)產(chǎn)品的安全問題成為關(guān)注的焦點。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤硒的來源與重金屬(鉛Pb、鎘Cd、汞Hg、砷As等)有一定的伴生關(guān)系[2,3]，這對天然富硒地區(qū)開發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品存在一定的重金屬威脅。其中，重金屬鎘(Cd)是“五毒”元素之一，也是較為普遍和嚴重的重金屬污染元素[4]。硒和鎘在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化、遷移、富集與動植物和人體的硒營養(yǎng)與安全狀況密切相關(guān)，因此，開展土壤中硒與鎘的相互影響研究及作物對硒和鎘的吸收累積規(guī)律研究，對于作物富硒技術(shù)與抵抗重金屬鎘的有機結(jié)合具有重要的意義。本文闡述了土壤中硒與鎘的存在形態(tài)及其轉(zhuǎn)化的影響因素，并結(jié)合筆者團隊近年來的研究成果，介紹了硒與鎘在植物體內(nèi)的互作效應(yīng)及其機理研究現(xiàn)狀，以期為今后更深入開展硒與鎘交互作用的機制研究提供參考，并為農(nóng)作物富硒阻隔技術(shù)體系的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1 硒與鎘在土壤中的形態(tài)分布及其轉(zhuǎn)化的影響因素

1.1土壤硒和鎘的來源及其在土壤中的價態(tài)與形態(tài)

硒是一種稀有的分散元素，其在自然界中的分布不均勻[5]。世界范圍內(nèi)絕大多數(shù)土壤硒含量為0.01～2.0 mg/kg，平均約為0.4 mg/kg[6]。我國土壤硒的背景值約為0.13 mg/kg[7]，屬于低硒地帶。鎘是自然界中常見的微量金屬元素，多與鋅、銅、錳、鉛、硒礦類等共生，世界上多數(shù)土壤含鎘量為0.01～2.0 mg/kg[8]。我國土壤鎘的自然含量在0.01～1.8 mg/kg，平均為0.097 mg/kg[9]。成土母質(zhì)、礦產(chǎn)開發(fā)利用、化學(xué)肥料、大氣沉降、灌溉水等是土壤硒和鎘的主要來源，其中，成土母質(zhì)和大氣沉降是決定土壤硒含量的關(guān)鍵因素[10,11]，而土壤鎘含量在自然條件下主要來源于礦物風(fēng)化等，現(xiàn)如今多受人為因素影響，主要是由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，含鎘“三廢”成為土壤鎘的主要來源[12]。

因成土母質(zhì)及人為因素帶入土壤的硒和鎘的賦存形式包括兩方面，一是硒和鎘的價態(tài)，另一方面是硒和鎘與土壤其他成分結(jié)合的形式。硒在土壤中的價態(tài)通常分為元素態(tài)硒(Se0)、硒酸鹽(Se6+)、亞硒酸鹽(Se4+)、硒化物(Se2-)，以及揮發(fā)態(tài)硒和有機態(tài)硒，土壤中以硒酸鹽和亞硒酸鹽居多[13]。鎘在土壤中有Cd0和 Cd2+兩種價態(tài)，通常以化合物形式(硫化鎘、碳酸鎘、氯化鎘、硝酸鎘等)存在于土壤中。

植物吸收硒和鎘主要來源于土壤，兩者在土壤中的含量、形態(tài)、分布及生物有效性是影響植物硒和鎘累積的決定性因素。硒與鎘在土壤中的形態(tài)劃分有多種方法，通常以特定的提取劑和提取步驟的不同而定義，最具有代表性的是五步提取法，將兩者形態(tài)劃分為：水溶態(tài)、可交換態(tài)、酸溶態(tài)(碳酸鹽及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài))、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)[14]。一般認為對植物有效的土壤硒和鎘主要以水溶態(tài)、交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)形式存在。水溶態(tài)硒主要為可溶性有機化合物、亞硒酸鹽和硒酸鹽三者之和[15]，其中硒酸鹽(Se6+)和亞硒酸鹽(Se4+)是植物吸收的主要價態(tài)硒，但Se6+更容易被植物吸收，同時也容易被淋失[16,17]；對于鎘來說，溶于土壤溶液中的水溶態(tài)鎘離子對植物更有效。

1.2硒與鎘在土壤中轉(zhuǎn)化的影響因素

1.2.1土壤pH 硒和鎘在土壤中的存在形態(tài)及其有效性受土壤pH、土壤氧化還原電位(Eh)、有機質(zhì)含量、礦物質(zhì)含量、土壤微生物等理化性質(zhì)影響，其中土壤pH是影響土壤硒和鎘賦存形態(tài)及形態(tài)之間轉(zhuǎn)化的較為活躍的因素[18～21]。一般情況下，隨pH升高，土壤對硒的吸附下降，硒主要以硒酸鹽形式存在，硒酸鹽易溶于水且在堿性條件下不易被含鐵氧化物固定，因而植物有效性最高，但也易淋溶流失[20]；相反，土壤水溶態(tài)和交換態(tài)鎘的含量隨pH升高而下降，有效性隨之降低。而弱酸性土壤中，硒以亞硒酸鹽的形式存在，雖易溶于水，但受土壤氧化鐵或氫氧化鐵的強烈吸附，因而有效性相對較低；而隨著土壤pH降低，碳酸鹽態(tài)鎘容易重新釋放而進入環(huán)境中，移動性和生物活性增強，而鐵錳化物結(jié)合態(tài)和有機態(tài)鎘活性降低。土壤pH對鎘形態(tài)及有效性的影響并不是單一遞進的關(guān)系，廖敏等[22]在紅壤中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH在6.0以下時，鎘的生物有效性隨pH的升高而增加；而pH在6.0以上時，鎘的生物有效性則隨pH的升高而降低。總的來說，在一定pH范圍內(nèi)，提高土壤pH，土壤硒的有效性增加，而鎘的有效性反而降低，因此可通過調(diào)節(jié)土壤pH來控制硒和鎘在土壤中的生物有效性。

1.2.2土壤氧化還原電位 土壤氧化還原狀況直接影響硒和鎘在土壤中的存在價態(tài)。在氧化條件下，硒通常被氧化成Se6+的硒酸鹽形式存在，難以被吸附固定，硒的有效性明顯提高[23]，而土壤中難溶性的CdS被氧化，Cd2+大量游離于土壤溶液中，加重污染。在淹水強還原狀態(tài)下的土壤中，硒化物占主導(dǎo)，硒化物難溶于水，植物難以吸收[24]；土壤中Cd2+則轉(zhuǎn)化成難溶性的CdS存在于土壤中，活性降低。土壤氧化還原電位Eh隨環(huán)境變化而具有不穩(wěn)定性，鎘的生物毒性也隨之變化，因此可通過調(diào)節(jié)土壤氧化還原電位來減少土壤中有效鎘含量[22]。

1.2.3土壤有機質(zhì) 自然條件下的可溶態(tài)硒含量很少，但經(jīng)過長期風(fēng)化和農(nóng)耕，硒可富集在土壤有機質(zhì)中。土壤可溶態(tài)硒含量隨有機質(zhì)和黏粒含量增加而增大，土壤有機質(zhì)除對鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硒含量有負影響外，對可交換態(tài)硒、有機態(tài)硒、殘渣態(tài)硒含量均有正影響[20]。一般情況下，由于富里酸結(jié)構(gòu)簡單，與富里酸結(jié)合的硒容易礦化分解，易于植物吸收利用，而胡敏酸為高分子有機化合物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與胡敏酸結(jié)合的硒則難以被植物吸收。土壤有機質(zhì)對硒的影響作用與鎘類似，因有機質(zhì)含有大量官能團，可與鎘發(fā)生絡(luò)合/螯合反應(yīng)，其比表面積和對鎘離子的吸附能力遠遠超過任何其他的礦質(zhì)膠體。類似的，土壤粘粒也具有巨大的比表面積、豐富的表面電荷和優(yōu)越的移動性，加速鎘被土壤吸附的過程。另外，土壤中的鐵錳氧化物，特別是錳的氫氧化物，對鎘有強烈的專性吸附能力，可影響鎘在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化及活性，在強烈的還原條件下，鐵錳氧化物還原成二價鐵錳，與有機質(zhì)形成絡(luò)合態(tài)亞鐵和絡(luò)合態(tài)錳，并釋放出其吸附的鎘，從而影響鎘的活性[25～27]。

1.2.4土壤微生物及其他礦物質(zhì)元素 土壤微生物在土壤硒和鎘的遷移轉(zhuǎn)化中也扮演重要角色，有些土壤微生物具有產(chǎn)生揮發(fā)性硒，降解根際有機硒以及還原亞硒酸產(chǎn)生元素硒等功能，從而改變土壤硒的形態(tài)和濃度。與硒類似，微生物可以通過其自身的代謝分解作用，改變土壤性質(zhì)，影響鎘在土壤中的形態(tài)，降低其生物有效性，有些微生物本身還可以吸收重金屬，減少重金屬在土壤中的含量；或是利用自身與重金屬發(fā)生氧化或還原作用，降低重金屬在土壤中的活性和毒性[28,29]。同時，微生物還可以影響植物根系微環(huán)境，減少植物對重金屬的吸收[30,31]。

此外，土壤中共存離子也可影響鎘有效性。由于硅和木質(zhì)素都是細胞壁的重要組成成分，提高了細胞壁的緊密性和堅固性，使鎘離子進入細胞時形成一個自然防御機制。鈣離子、銨離子、鉀離子等均對Cd的有效性有一定影響，其中，鈣離子、鋅離子、鉀離子作為Cd的競爭離子，與Cd競爭土壤的吸附點位，銨離子主要通過改變土壤化學(xué)性質(zhì)而影響Cd的吸附[32]。

1.2.5土壤中硒與鎘共存時的相互影響 硒與鎘在土壤中除自身受到土壤pH、Eh等因素的影響外，當(dāng)兩者共存時，硒與鎘之間也有一定的影響。沈燕春[33]對貴池富硒地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤中鎘、汞、砷3種重金屬易與硒伴生，且相互間存在一定的協(xié)同作用。富硒土壤中鎘的質(zhì)量分數(shù)較高，各形態(tài)差異較大，其中以殘渣態(tài)、離子交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)3種形態(tài)占主導(dǎo)[34]。還有研究發(fā)現(xiàn)，硒對土壤鎘的影響跟鎘濃度有關(guān)，在鎘濃度較低時(0.5 mg/kg)，外源硒能有效降低土壤交換態(tài)鎘含量，降低鎘的生物有效性；而當(dāng)鎘濃度較高時，土壤鎘各形態(tài)分布較穩(wěn)定，這種抑制現(xiàn)象并不明顯[35,36]。土壤中的硒能拮抗鎘的作用機理主要是通過改變鎘的賦存形態(tài)，與其形成硒-鎘有機化合物，亦或是鎘離子取代有機硒里的硒元素，形成鎘的有機化合物，從而降低鎘的活性[37,38]。

2 硒與鎘在植物體內(nèi)的互作

目前，作物品種篩選、硒肥施用等生物強化措施是生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品的主要途徑。已有相關(guān)研究表明，適量的外源硒可提高植物硒含量的同時，降低重金屬在作物中的積累。施用硒肥或葉面噴硒可減輕鎘脅迫下水稻幼苗生長的毒害作用，抑制水稻根莖葉中對鎘的吸收，降低水稻各營養(yǎng)器官和糙米、精米的鎘含量[39～41]。本課題組在2014-2015年開展的外源有機硒對水稻硒和鎘吸收累積的影響研究中發(fā)現(xiàn)，品種為百香139、中廣香1號的水稻，相比對照組(CK)噴施外源氨基酸螯合硒能提高水稻對硒的累積(高達對照組的5.3倍)，同時可降低水稻籽粒鎘含量40%～83%(表1)[42]。硒對重金屬鎘的拮抗作用不僅體現(xiàn)在水稻上，在蘿卜、草莓等體內(nèi)也有類似的發(fā)現(xiàn)[34～37]。土壤硒在2.5 mg/kg，鎘濃度小于5 mg/kg時，硒可抑制蘿卜對鎘的吸收，且地下部強于地上部[43]；葉面噴施5.0 mg/L硒濃度，可降低草莓鎘18.33%[30]。并且當(dāng)土壤中鎘與其他重金屬元素共存時，適當(dāng)?shù)奈芡瑫r抑制植物對兩種或多種重金屬元素的吸收，李正文等[29]調(diào)查發(fā)現(xiàn), 富硒水稻品種顯示出同時抑制重金屬銅和鎘積累的傾向。He等[41]的大田試驗也表明，在Pb和Cd脅迫的萵苣(LactucasativaL.)土壤中施入亞硒酸鹽，顯著降低了這兩種重金屬在植物地上部的含量。

表1 不同噴硒方式對稻米累積硒和鎘的影響[42]Table 1 Effect of different amount of spraying selenium on cadmium and selenium accumulation of rice[42].

注：Se-1(水稻孕穗期噴施硒肥1次)和Se-2(水稻孕穗期和抽穗期前3d各噴施硒肥1次)是將含硒0.2%的“聚福硒”按照3 000 mL/hm2用量稀釋300倍后，均勻噴施；CK以等量清水噴施。

盡管不少研究發(fā)現(xiàn)外源施硒可以有效降低植物對重金屬鎘的吸收和積累。但值得注意的是，硒對鎘的這種拮抗效應(yīng)也受鎘濃度、硒濃度及硒價態(tài)的影響。通常在低鎘水平下，硒能明顯地抑制作物對鎘的吸收累積，但在高鎘水平下，這種抑制作用減弱[44,45]，相應(yīng)的，當(dāng)硒濃度過高時，反而會加劇鎘的吸收[38,46]。鐵梅等[47]研究得出，當(dāng)土壤中硒的濃度低于1.5 mg/kg時，對鎘含量<5 mg/kg具有拮抗作用，同時可以促進蘿卜的生長；當(dāng)土壤中硒濃低于5 mg/kg時，對濃度為5 mg/kg的鎘的存在不影響蘿卜對硒的吸收；當(dāng)土壤中硒的濃度為5～10 mg/kg時，鎘的存在雖然影響蘿卜對硒的吸收，但蘿卜中硒的含量仍處于穩(wěn)定積累狀態(tài)；而當(dāng)土壤中硒濃度>10 mg/kg時鎘的存在會抑制蘿卜對硒的吸收。本課題組在利用外源硒對紅薯吸收累積硒和鎘的影響研究中發(fā)現(xiàn)，在土壤鎘含量為0.28 mg/kg條件下，外源硒在一定濃度范圍內(nèi)(噴施含硒0.22%的氨基酸螯合硒營養(yǎng)液肥≤4 500 mL/hm2時)，紅薯硒含量提高1.5～3倍的同時，還降低了鎘在紅薯中的累積，紅薯鎘含量比對照降低了40%～60%；但當(dāng)外源硒用量大于4 500 mL/hm2時，紅薯硒含量增加的同時也促進了紅薯對鎘的吸收累積(未發(fā)表數(shù)據(jù))。除了硒和鎘濃度，硒的價態(tài)也是其拮抗效應(yīng)的影響因素，一般Se2-和Se4+對鎘的拮抗優(yōu)于Se6+[48,49]。

3 植物體內(nèi)硒對鎘的影響機理

鎘對植物的毒害表現(xiàn)在植物根系從土壤中吸收鎘，再運輸?shù)降厣喜窟@一過程。土壤中的鎘可以占據(jù)鈣離子通道進入植物根細胞內(nèi)，通過與酶類巰基結(jié)合或替代作用，破壞酶系統(tǒng)，產(chǎn)生氧化應(yīng)激效應(yīng)，同時還可誘導(dǎo)金屬硫蛋白的形成，金屬硫蛋白參與了鎘在機體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運、排泄和蓄積等過程。當(dāng)有外源硒介入時，鎘在植物體內(nèi)的吸收積累受到抑制。而硒與鎘的這種拮抗效應(yīng)是多方面的，一方面，硒是谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)的必需組成成分，外源硒可調(diào)控植物細胞內(nèi)的谷胱甘肽進而促進根系植物螯合態(tài)的合成、增加與鎘螯合、抑制鎘向地上部轉(zhuǎn)移[50～53]；另外，硒還能影響植物根細胞非蛋白巰基(NPT)和根表鐵錳氧化物膠膜的形成，尤其在水稻上，通過非蛋白巰基和鐵膜與鎘的絡(luò)合，增強鎘在細胞壁上的吸附，將鎘富集在根系從而阻礙鎘向上運輸[45,54]。當(dāng)鎘進入植物體內(nèi)產(chǎn)生氧化應(yīng)激效應(yīng)時，硒可提高超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、Ca2+-ATP等酶活性，減輕氧化應(yīng)激效應(yīng)[55]，還可通過清除過量活性氧自由基，減少脂質(zhì)過氧化作用，保護細胞膜的完整性，從而降低重金屬鎘離子的含量[56]。另一方面，硒減輕鎘誘導(dǎo)的生長抑制作用，通過增加氮和葉綠素含量以及平衡營養(yǎng)元素，提高光合性能來增強植物抵御鎘的能力[55]。

4 展望

關(guān)于硒與鎘互作及其影響因素的研究已取得一定的進展，為利用硒降低作物鎘污染的安全性提供了依據(jù)，是實現(xiàn)土壤鎘污染治理和開發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品雙贏的一條新思路。但值得注意的是，硒對動植物和人體的影響是雙面性的，過量會產(chǎn)生一定的毒性，同時也會造成硒資源浪費。因此，針對不同作物的生長特點及不同生長時期的吸收規(guī)律，實現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)品標準化定量富硒低鎘，保證食品安全的同時，如何高效利用硒肥，或是與其他元素(如：鈣、鋅、鉀、硫和硅等)相結(jié)合來實現(xiàn)對鎘的拮抗效應(yīng)是今后的研究方向之一。在這些研究基礎(chǔ)上, 還需展開大量的田間試驗加以驗證作物的富硒技術(shù)與抵抗重金屬鎘的有機結(jié)合，并能應(yīng)用于生態(tài)農(nóng)業(yè)造福人類。

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InteractionBetweenSeleniumandCadmiuminSoil-plantSystem

PAN Liping1, LIU Yongxian1*, HUANG Yanfei1, NONG Mengling2, LAN Xiu2, LU Shiyang1, CHEN Jinping1, ZHAO Yuying2, LIANG Panxia1, XIONG Liumei1, JIANG Zepu1, XING Ying1, LIAO Qing1, HUANG Taiqing1

1.InstituteofAgriculturalResourceandEnvironment,GuangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanning530007,China; 2.CollegeofAgronomy,GuangxiUniversity,Nanning530005,China

Selenium (Se) is an essential functional element of the human body, and the issue of Se accompanying heavy metals is receiving much concern. This paper described the existence of Se and cadmium in soil and its influencing factors, and further elaborated the interaction between Se and cadmium with the research results in recent years. The paper was expected to provide references for further study of the mechanism of Se and cadmium interaction, and a scientific basis for establishing Se-enriched and Cd-reduced technology for crops.

soil-plant system; selenium; cadmium; interaction

2017-08-04;接受日期2017-08-25

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YED0800705-01)；廣西科技計劃項目(桂科合415104001-22;桂科AB16380088;桂科AB16380084)；廣西農(nóng)業(yè)重點科技計劃項目(201528;201604)；南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(20162105)；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技發(fā)展基金項目(2017JM07);廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項(桂農(nóng)科2017YZ03)資助。

潘麗萍，助理研究員，碩士，主要從事土壤環(huán)境生態(tài)、植物生理生化和生物技術(shù)研究。E-mail:plping1013@163.com。*通信作者：劉永賢，副研究員，研究生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)資源高效利用與功能性農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)研究。E-mail:liuyx27@163.com

10.19586/j.2095-2341.2017.0103