硒与有机质结合的分子地球化学机制研究

A high degree of association between Selenium (Se) and organic matter has been found in natural environments many years, but the molecular mechanism study on their association is lacking. In this project, the batch sorption experiments will be conducted to investigate the effect factors and obtain the parameters of kinetics and thermodynamics, which will be very useful to understand the association mechanisms of Se and organic matter at a macroscopic level. In order to reveal the complex mechanisms between Se and organic matter at a molecular level,we will simultaneously determine free and organic matter-bound Se using HPSEC-ICP-MS method, and study the microscopic structure of Se-FA/HA complexes by XAFS technique. The study would improve the knowledge on the role of organic matter in enrichment, mobility, transformation, and fate of Se, and enrich the theory of biogeochemical cycle of Se in natural environment. At the same time, this result will provide some scientific suggestions on exploitation of Se-rich resources, and remediation to Se contamination sites.

硒与有机质高度结合的自然现象已被研究者熟知，但却缺乏硒与有机质结合的分子地球化学机制研究。本项目通过静态吸附实验研究硒与有机质相互作用的影响因素，获得相关动力学和热力学常数，从宏观方面认识和理解硒与有机质的结合机制；利用HPSEC-ICP-MS技术分离和检测硒与有机质混合液中的自由态和有机络合态硒，使用基于同步辐射的X射线吸收精细结构谱(XAFS)技术研究硒与有机质作用产物的微观分子结构，从分子水平上揭示有机质对硒的吸附和反应机理。硒与有机质分子结合机制的阐明，将提高对有机质在硒富集、释放、迁移、转化和生物有效性等地球化学过程中作用的机理认识，丰富硒的生物地球化学循环理论，为硒资源的开发、以及硒污染环境的修复和治理等提供重要的科学依据。

本项目利用静态吸附实验、HPSEC-ICP-MS技术、和X射线吸收精细结构谱等方法重点研究了硒与有机质相互作用的分子地球地球化学机制。研究表明，硒难以与有机质直接络合，“硒-铁-有机质”三元配合物的形成是硒与有机质结合的主要机制。农田土壤中硒主要以有机硒化合物形式存在，其有机硒的比例受不同耕作方式影响，呈现为水稻土(81%) > 未耕作土(69-73%) > 旱地土(56-63%)，植物残体是土壤中有机硒的主要来源。此外，我们从分子水平上揭示了铁氧化物对四价硒吸附过程中硒同位素的分馏显著大于六价硒，主要与四价硒内层吸附引起了结构变化有关，为研究其他元素在类似体系中同位素分馏过程与分子机制提供了借鉴。同时，通过基于XAFS技术的硒分子形态研究证实了特高硒表层土壤中六方晶系元素硒的存在。这些基于XAFS分析技术的硒分子地球化学研究，将提高对硒富集、释放、迁移、转化和生物有效性等地球化学过程中作用的机理认识，丰富硒的生物地球化学循环理论，对硒污染地区的植物修复和低硒地区的补硒生物强化等方面均具有重要的理论指导和实际意义。