在半干旱环境中管理土壤中的硒含量通过有机物的回收

文摘

大约30%的世界人口患有要么缺乏一个或多个必需微量元素,或者这些矿物质的过度消费,造成毒性。硒(Se)是一个特别重要的微量营养素的饮食记录和广泛的作用,维护健康。然而,这个重要的微量营养素可以缺乏,因为土壤和作物管理的重点是高收益的损害农作物的质量要求,以确保健康的人类饮食。目前约15%的全球人口缺硒。本文在半干旱土壤本身的可用性以及微量元素可以通过有机物的回收进行有效的管理。因为许多矿藏被利用不可持续,我们审查使用有机副产品的优点Se在作物的生物强化的管理。这种类型的实践是在干旱和半干旱环境中特别有用,因为有机物作为水库Se,防止生物体内积累和浸出。也有潜在的当地经济效益使用有机副产品,如肥料和污水污泥。

1。介绍

至少有60%的世界人口缺少一个或多个基本矿物元素或消耗食物含有大量的有毒矿物质元素(1]。矿物营养不良是一个普遍的问题在发展中国家和发达国家。这种情况特别严重的对于某些微量元素,如铁、锌、我、Se、钙、镁、和铜(2,3]。在特定的情况下,15%的世界人口已经Se(不足2]。

古普塔et al。4)说,除了缺乏研究能力的植物吸收矿物质,有足够的土壤分析,确定总养分含量。同样,没有研究不同土壤管理实践的影响微量元素浓度的浓度和分布在不同的植物的可食用部分。

植物的微量元素状况可以测量从树叶因为叶子含有大量的微量元素最高的。在年轻的叶子可以很容易地检测到微量营养素缺乏,而毒性可以检测到在以后的发展阶段在老的叶子5]。几个因素控制缺乏Se含量植物包括遗传多样性、土壤管理、土壤类型、气候。缺乏微量元素含量的植物在湿润的温带和热带地区很常见由于紧张引起的土壤浸出大量的降雨事件。

Ekholm et al。6]研究了矿物质和微量元素含量趋势的水果、蔬菜和谷物在芬兰在过去的30年。他们发现大多数矿物的含量减少了在所有作物。有趣的是,唯一的例外是,这增加了的内容由于selenium-supplemented无机化肥的使用在过去的20年。坦南特et al。3]发现相同的模式的衰落在英国作物和指出,类似的趋势发生在不同的国家,有着非常相似的历史农业管理策略,主要基于采用现代基因品种的作物和农艺措施与加速度的增长率的植物。这些实践包括增长在更高的温度,光强度的增加,增加了有限公司₂的浓度,和更高的灌溉。

土壤微量元素循环密切相关,有机质含量和农作物残留物管理(7]。因此,土壤和作物管理不善导致有机质的损失会导致土壤的矿物含量的减少,因此植物的矿物含量。生物强化可以实现通过基因改良作物的使用矿物吸收到植物的可食用部分或通过使用特定的化肥增加一些矿物质的phytoavailability特定作物(2]。然而,无机肥料越来越昂贵的生产,分配,适用。这些肥料也有环境影响,包括温室气体排放的增加,不可持续的矿产资源开发,矿产富集环境导致土壤污染。生物强化主要是依赖于特定的化学形式的微量元素在土壤和随后的植物吸收8]。加强这一策略,有必要知道的形式用于植物、矿物元素以及这些元素的限制和phytoavailability在根际9]。在特定情况下的硒、植物根系将获得该元素硒酸盐的吸收,亚硒酸盐,植物根系或硒有机化合物的3]。农业生物强化策略提高矿物浓度植物的可食用部分通常依赖于矿物肥料的应用和改善土壤微量元素的溶液化和动员。土壤硒的情况下,应用程序和叶面Se化肥已被证明对动物健康和人类营养有益的影响。土壤应用程序建议种植在赛季中段水分和热应力3,5,6]。

消费的许多关键矿物质根据Hueso等是不可持续的。10),与当前的消费导致全球矿产储量的消耗在未来50年。据美国地质调查局(10),几乎所有的硒产生全球目前恢复在铜电解阳极泥,一定程度上在镍和锌电解。根据同样的来源,全球Se储量172000吨,是基于铜存款。因此,如果世界三分之一的耕地(500尼古拉斯)施有10 g Se /公顷、5000 t Se /年将消耗,全球Se储备将在不到40年的时间耗尽。因此,使用矿物肥料必须优先确保营养需求实现或其他策略必须实现避免矿藏的疲惫。为了这些目的同样重要的是获取更多信息的地理分布微量元素与作物养分采样和关系的流行病学研究来评估动物和人类疾病之间的关系和地球化学环境和土壤和植物管理相关营养作物(5]。

2。硒在人类饮食的重要性

Se贝采里乌斯于1817年被发现;然而,直到140年后,它的营养需要量确定(12]。Se周期图表示1。虽然本身不是必不可少的植物生长,这个元素有有利影响,促进植物的生长,它是必不可少的在人类和其他哺乳动物的健康饮食11]。在一般情况下,微量元素,比如,需要作为酶的辅因子或作为蛋白质结构的一部分参与DNA合成和修复,对DNA氧化损伤的预防,和维护DNA的甲基化13]。因为这些功能角色,本身缺乏哺乳动物会导致一些生理疾病,如心肌病(克山)和骨关节炎疾病(大骨节病)、胰腺炎、哮喘、炎症反应综合症,出现故障的免疫系统,应对病毒感染,减少和降低生育率和甲状腺功能(13]。

人类个体Se摄入量范围从3 - 7000g Se /天在世界范围内,在大多数情况下区间的低端(14]。有利影响,美国政府最近推荐膳食Se 55和70年的津贴克/天为男性和女性,分别12)和当前的标准由卫生部指定在英国(1991年)设置安全上限为400g Se /天/人。Broadley et al。15)指出,英国Se摄入量已从60g 29-39 Se / dg Se / d到90年代末,在其他欧盟国家,摄入量更低30 - 38女性和男性的g Se / d,分别基于血液和血清检测的结果。

大多数的研究进行Se和人类健康报告这个元素的有益影响的预防癌症和心血管疾病(15- - - - - -22]。针对这一点,吴et al。23)没有发现任何有益的影响在人类饮食补充Se的澳大利亚男性进行了经强化的小麦(193m / L)。在这些个体,有利影响测试通过癌症和心血管疾病的生物标记物。然而,正如作者指出的,任何有益的效果可能是与特定的基因型,并还需要进一步的研究来证实该结论。Se不足与肝有关,动物的肌肉,和心脏病(24]。如前所述,Se的狭隘范围在人类饮食缺乏和毒性水平:不到40岁g的一天⁻¹超过400g的一天⁻¹(25]。因此,虽然全球Se毒性对人类普遍远低于Se不足(26),它仍然是重要的理解biophysicochemical过程调节营养的生物利用度(27]。此外,Se是化学性质类似于植物和硫因此通过许多相同的代谢途径,许多植物优先吸收Se在美国超过临界叶片干物质浓度10的范围mg Se /公斤植物干重,大多数植物硒毒性开始限制增长。Se毒性作物主要发生在seleniferous土壤,只有植物表现出遗传宽容这种类型的土壤可以成功地成长2,7]。

土壤硒水平在大多数Se一般小于1毫克/公斤土壤;然而,seleniferous土壤中的硒含量可高达4土壤Se - 100毫克/公斤。植物在大多数土壤的硒含量小于1毫克/公斤植物干重,而大多数植物生长在seleniferous土壤硒含量的范围1到10毫克/公斤植物干重。Se-hyperaccumulator植物的情况下,这可以增加1000至15000毫克/公斤(7]。这些差异在浓度可以可视化图2,这显示了潜在的牲畜的地方可能在澳大利亚缺硒或毒性的风险。Se在植物的主要物种包括硒酸,这是转移直接从土壤和土壤容易绑定到组件不如亚硒酸,和硒代蛋氨酸(SeMet)和硒代半胱氨酸(SelCys),这两种生物合成的植物(15,28]。Se含量小麦和其它谷物的形式是SeMet SelCys和较低的硒酸。富硒作物表现出更高的Se内容相应的天然植物;然而,作物的治疗必须小心执行降低毒性的风险(29日]。

Se在人体的吸收不受人类的营养状况和影响大约80%的吸收硒来源于食物。生物利用度的研究比较不同形式的Se在人类认为有机形式更生物硒酸盐和亚硒酸盐24,30.]。事实上Se-methyl-selenocysteine及其-glutamyl-derivative,发现在许多可食用的植物葱属植物和芸苔属植物家庭,研究了强有力的抗癌效果。这些硒蛋白有很高的抗氧化性能和高度有利于抵消疾病与氧化应激有关。从硒蛋白以及好处,饮食中获得的Se可以代谢small-molecular-weight物种被认为具有抗肿瘤效应(30.]。

在足够高剂量,Se代谢物也能导致毒性的动物和人类。Se毒性的影响高度依赖的形式。硒化合物很容易形成一个阴离子生成过氧化物的硫醇,如谷胱甘肽,从而导致氧化还原循环。研究表明,硒的毒性作用是由于这种应激机制(31日,32]。事实上,超氧化物亚硒酸已被证明是来自联硒化物,如硒代半胱氨酸,但不是来自亚硒酸的存在降低了谷胱甘肽(31日,32]。由于他们无法生成过氧化物,SeMet也Se-methyl-selenocysteine的毒性相对较低文化细胞或动物或人类。Nakamuro et al。33)发现selenodiglutathione,这是一个中间化学物种从亚硒酸、谷胱甘肽过氧化物的形成,更比亚硒酸本身有毒。长谷川et al。34)发现,另一个Se毒性机制包括抑制甲基化,为Se代表主要的解毒途径;这个途径的抑制导致的累积硒化肝毒素的化合物。尽管Se毒性研究表明,有毒的有机形式可能比无机形式长期食用后,因为有机形式更容易融入组织,没有确凿的证据证明这个假设(34]。

最后,正如雷曼所指出的(29日],很难定义的最佳摄入量Se在个体层面,因为它在体内浓度取决于很多因素,比如哪些功能Se最相关的一个特定阶段的一种疾病,哪些物种Se Se是主要的来源,受体的健康状况,其他营养素的摄入的充分性和干扰,存在额外的压力,产生硒蛋白的能力。

3所示。土壤强化的作用

根据Levander和伯克(21)、小麦(小麦l .)代表全世界Se的主要膳食来源,因此一直与硒摄入量的减少谷物的Se含量的变化和减少Se的土壤。支持这一假设减少摄入量和消费趋势随着时间的推移,在英国更大比例较低的粮食种植在英国本身的内容与在北美进口谷物相比,在土壤中含有大量的Se (15]。朱et al。35)做了一个比较不同国家之间的水稻和小麦Se含量和农作物在过去40年里,如图3。

里昂et al。31日]证明澳大利亚的小麦作物的受精Se肥料是一种具有成本效益的方法,有机硒的浓度的提高粮食,导致增量在动物和人类的饮食中吸收Se。正如上面提到的,与管理相关的重要问题Se受精是Se添加量的控制,以避免毒性。作者添加硒酸Se的形式在受精率高达120克/公顷在田间试验和500克/公顷试点试验土壤和添加330克/公顷的叶面Se应用S浓度较低(2 - 5毫克/公斤土壤)。这些研究人员没有观察到任何作物的毒性症状即使应用程序是高20倍,安全的应用程序。10 g Se /公顷的土壤应用程序是安全的提高Se含量的作物在芬兰。

在亚硒酸Se应用的情况下,他们观察到一个关键的所需的70 mg / L引起生长抑制,硒酸而不影响作物的溶液浓度150 mg / L。他们建议使用应用程序的硒酸200克/公顷,以避免毒性小麦,获得组织硒水平低于任何有毒浓度。在以后的研究中,里昂et al。36)发现,硒的浓度在不同种质不不同的品种和不同的范围是在5到720克/公斤,无论基因型变异。

芬兰农作物进行了强化自1981年以来,取得了良好的结果:只有Se含量表现出增加的趋势在不同作物相比其他微量元素的浓度的下降趋势在大多数农作物的10倍(6]。Eurola et al。37)测量了Se内容前后125年食品强化在芬兰,发现Se含量在所有情况下都增加了。的总摄入量是分布在谷物(26%)、肉(29%)、乳制品(20%)、鸡蛋(10%),和鱼(9%)。此外,只有那些饮食非常特殊的成分提供少于0.05毫克以上,每10乔丹0.2毫克的Se(兆焦耳)。在谷物,小麦是最重要的,他们的贡献的总摄入量Se从1971年到1991年几乎增加了两倍。牧场和饲料的生物强化被证明能增加Se含量饮食增加牲畜的Se含量(4,5]。最后作者证明了Se含量牧场和饲料阻止疾病在放牧牲畜,肌肉萎缩症等疾病。

Broadley et al。38]硒酸肥料用于小麦作物,发现作物总复苏,包括粮食和草,从20%到35%不等。这些研究人员加起来10 g Se /公顷作物,而且,如果稻草被移除,大约6.5 8 g Se /公顷不是恢复。出于这个原因,为了确保长期可持续性,Se的命运在土壤和食物链之前必须知道任何生物强化策略被广泛实施。剩余Se可能淋溶,使挥发,保留在土壤中,强烈吸收铁铝氧化物或保留在土壤中不溶解的基本形式。

Eurola et al。37,39)得出的结论是,Se受精显著影响谷物和其他作物的Se内容。然而,同样的作者还指出,每年Se含量存在着很大的差别和不同位置的特异性主要是由于频率较低利率和不同的土壤和气候条件。

很明显,有个人和人口将受益于更高的Se摄入水平。然而,重要的是要了解特定的地球化学环境和基线的摄入量在任何特定的国家或地区因为摄入必要的附加在一个地区或国家可能过度在另一个(18]。旁边这些健康考虑,其他元素,应考虑增加Se食物来源的成本效益,如通过生物强化或有机副产品的回收,和肥料和土壤环境影响的管理策略。例如,如果Se化肥是经济和环境昂贵,其他来源的回收,以及不同土壤的管理保护和保留盈余Se的土壤,以避免失去通过浸出,蒸发,吸收,必须考虑。

4所示。Se管理作物受精在半干旱环境条件

在半干旱和干旱环境的情况下,缺乏微量元素和营养素在作物主要是由于作物产量高,回报不足作物残留土壤、有机质低、固定的土壤中微量元素(3]。这是大多数澳大利亚土壤用于生产谷物的情况(14),特别是那些用于生产谷物在南部地区,这主要是碱性,特别是钙质或含钠的。这些条件驱动化学限制农业生产的碱性土壤环境和陆地气候,其中包括大量营养素和微量营养素缺乏和一些相关毒性高sodicity和盐度。更普遍的是,碱性土壤代表世界土壤维持作物生产的一个重要的比例(3,14,40]。这些土壤条件导致一些地区由于沙漠化增加土壤肥力的土壤侵蚀,减少由于消耗的营养与有机质和土壤的生物多样化的损失(41]。Bowker et al。41]指出,大部分的干旱和半干旱环境的沙漠化问题源自人为扰动,改变土壤的有机物质和生物性质外壳。特别是干旱地区,沙漠化密切相关,土壤肥力的净亏损或再分配的土壤养分42- - - - - -44]。Bowker et al。41)发现,土壤微量元素内容高度相关的生物活性,特别是在半干旱条件下苔藓和地衣物种的存在。这些生物物种的分布是高度相关的水分、有机质含量和高可用性的微量元素。高降解在旱地因此可以解决通过改善土壤的生物多样性管理的有机物质。

从这个角度来看,生物多样性和有机物的管理成为提高微量元素的重要因素在退化土地可用性。在大多数情况下,回应的植物生长的营养素和微量元素在半干旱和干旱的土壤是非常积极的43]。事实上,响应的异质养分供应必须优化在每种情况下通过了解植物响应和各养分的生物利用度43]。监控添加不同浓度的营养成分及其对植物生长的影响,我们需要了解植物的养分浓度如何应对变化的营养供应。营养对植物的影响可以很容易地由植物的能力可能促使营养和存储池在植物的不同部分。因此,微量元素的理想管理需要不同的营养物质是如何具体的知识被不同的植物和营养如何存储和转移在不同的植物部分,尤其是食用部分(27]。

与可用性相关的另一个重要问题不同的养分在土壤是物种形成,数量,和不同土壤养分的分布,以及不同的化学物种的影响根系生长和产量27]。现代农业技术用于获得更高的产量全球加速营养物质的消耗,导致增加化肥的应用维护生产(45]。李等人。46]发现,微量元素在土壤和作物影响受精实践。特殊情况必须研究确定受精实践可以帮助改善土壤微量元素和常量营养元素国家为了管理的理想肥料的应用程序在不同的作物。谷类作物的研究表明,有可能获得更高的收益率与有机肥料的应用程序,因为这些提高土壤有机质,从而为作物提供可用的微量元素。然而,冬小麦产量低时获得的只有微量元素含量提高,因为这些植物组织中高度集中和谷物(46]。可持续作物生产需要长期的基础上维持土壤肥力,至关重要的是,有机质和养分被收割期间通过外部应用程序定期补充。一些作者推荐的维护土壤有机质在阈值水平,这取决于土壤和气候因素,确保物理、化学和生物的完整性土壤实现可持续农业和环境功能(47- - - - - -51]。

在半干旱和干旱的环境中,一些研究得出结论,Se在植物的存在有一个保护作用,有助于保持水在植物受到干旱状态(25]。在这种情况下,硒是提出参与监管的植物和水的状态保持水的内容组织水平足够高(25]。在半干旱条件下小麦作物的selenium-supplemented受精是一个具有成本效益的方法如果使用无机肥料以确保理想的有机硒浓度谷物饮食需求的结果。基于研究研究硒酸在Se受精(移动形式的Se多于亚硒酸52)以不同的速率(4到200克/公顷),小麦不表达任何危害植物的毒性(325毫克/公斤)的关键组织水平与其它作物相比(烟草、大豆和水稻)和粮食作物表现出一个很好的增加Se内容供人类食用。结果的可能性,指出利用生物强化的硒酸钠在澳大利亚小麦(20.,53,54]。

有机副产品的掺入土壤调节剂和肥料的优点回收营养素和微量元素,增强土壤条件,帮助建立一个可持续的植被,避免流失,最大化作物产量和最佳管理实践应用时,和监测土壤和作物潜在危险(30.,55]。

5。使用有机化肥来提高Se含量作物

有机物能够增加硒酸的吸附在干旱条件和水库作为作物避免浸出,蒸发和降水这个物种更深的土壤层(56]。因此,建议在Se受精的管理,避免昂贵的消费和不可持续的无机形式。有机物中起着非常重要的作用在固定硒和硒的可用性植物。这种影响取决于化合物因为有机物包括高度异构化合物和相互作用不是很好理解。在这种特殊情况下,富啡和胡敏酸似乎有一个重要的角色在非金属监管通过固定和缓慢释放的有机形式的Se (56]。

根据公园等。57]有机固体,特别是家禽和牲畜肥料对作物Se的良好来源。这些有机修正案包含可利用形式的这种营养素,是一种有用的修正案以来,在大多数情况下,它们被应用的土地作为一种reutilisation越来越“浪费”的产品。添加肥料和有机农业土壤修正案是大多数微量元素的主要来源包括Se和污水污泥的肥料(Se形式一样12]。

根据Øgaard et al。58),牛的粪便壤土土亚硒酸结合硒酸和减少两种阴离子的吸附和固定,因为粪便中的有机酸与硒的吸附竞争网站。有机肥料提供更大的微量元素含量更高浓度的植物,不仅因为这些,也由于其缓慢释放植物(12,25,59]。

回收的作物残留物,如稻草、添加的,也就是说,高达70 - 75%,仍在其余的植物,尤其是在叶子,这是一个高度集中的元素。这也适用于动物的肥料,因为大多数Se不是被动物吸收,因为养殖动物饲料喂养富含硒,当动物用饲料补充或提出Se-rich土壤。因此,有机肥料提供多样化,尽管不可预知,Se的来源。

Se在有机修正案已被证明有几个优势与无机肥料。例如,Se是通过一些微生物和生物化学过程包括固定,减少挥发,根际修改(数字4和5)。生物利用度取决于几个因素,其中最重要的是博士在大多数情况下,这个治疗有机修正案,确保可用性的生物利用度在哪里增加了转换Se从固体到土壤溶液相,提高动员的非金属41),增加了pH缓冲能力。

有机作物施肥修正案本身提供了一个额外优势在干旱和半干旱环境中自Se的去除表层土主要是由于挥发60,61年]。事实上,根据Flury et al。62年),Se的消除表层土大多发生由于挥发和淋溶,人物5。这些作者调查了Se去除有机修正案和总结,当大量的土壤有机C是可用的,微生物降解的Se通过挥发被激活。一般来说,浸出主导在潮湿和寒冷的条件,而挥发盛行在干燥和温暖的条件。

6。结论

最近的研究对人类健康已经表明,某些微量元素的适量的饮食对保持健康很重要的社会。的证据的情况下尤其如此硒(Se), 15%的全球人口有一个不足的地方。该元素的缺乏在人类和动物的饮食与某些癌症和众多的生理障碍。许多国家已经实现Se-supplemented受精策略,主要用于生产谷物,因为小麦是应用最广泛的食品提高大量的Se的饮食。Se可用性问题在干旱和半干旱的环境中,尤其重要的微量营养素的主要好处之一,提高抗旱作物生产,和许多低硒的土壤。

有约束,必须考虑关于Se-supplemented化肥的应用。矿物生物强化已经被证明是有效的;然而,这种策略的可用性是有限的矿产资源和成本34]。可持续生物强化取决于使用的有机肥料和护发素来提高微量营养素受精,尤其是Se受精。因此,以及提供其他知名土壤效益,添加有机物质可能成为一个重要的考虑,以确保一个健康的Se含量在半干旱条件下小麦生产。

我们回顾了在这一领域的研究,发现必须进行进一步的研究来比较不同来源的性能,特别是有机质肥料包括有机家禽和牲畜粪便、秸秆、或任何有机副产品,以确保适当的水平的可用,以及其他微量元素,在受精的小麦提高micronutrition人类的饮食。必须进行更多的研究来理解物种形成和释放的Se有机的修正,以提高有机副产品的使用,并避免与无机化肥的使用限制。最后,研究必须关注每个特定土地的需要位置和作物为动植物提供优化Se内容摄入量,避免这种金属在土壤的固定。因此,具体建议必须完成特定有机修正案和农业使用优化吸收,避免中毒。

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