Zgornja slika (slika 1) nazorno prikazuje, da je v kislih tleh prisoten selen v obliki Se(IV), ki ima zelo nizko topnost v vodi in slabo dostopa v rastline. Selen se v alkalnih in dobro prezračenih tleh oksidira do selenata (SeO4
2-), ki pa je v vodi zelo dobro topen in lahko posledično lažje vstopa v rastline (Mechora idr., 2011). V tleh je selen velikokrat vezan v komplekse organskih snovi, kar ima posledično velik vpliv na njegovo mobilnost (Fernández-Martínez in Charlet, 2009). Selenit je vezan na železove ter aluminijeve okside ali hidrokside in je manj mobilen od selenata, ki je zelo dobro mobilen. Selen se v organsko bogatih kislih tleh nahaja v obliki selenida, lahko pa tudi v elementarni obliki (White, 2016).
Pretvorba različnih oblik selena v različnih razmerah tal temelji predvsem na postopkih pretvorbe selenata v selenit (počasen proces) in pretvorbe selenita v selenid, v elementarni selen ter organsko obliko selena (zelo počasen proces). (Kabata-Pendias, 2011).
2.2.2 Prisotnost selena v vodi in zraku
Selen se v večji meri akumulira v sedimentu stoječih ali počasi tekočih voda (Germ, 2013). V površinskih vodah je selena le nekaj µg/L, razen na območjih, ki pa so s selenom zelo bogata, kjer pa ga voda lahko vsebuje tudi več mg/L, kar pa že lahko pri živih bitjih povzroča zastrupitve (Cornelis, Crews, Caruso in Heumann, 2005). Torej lahko zaradi geografskih razmer količine selena v površinskih vodah ali v podtalnicah zelo variirajo, in sicer od 0,06 do 400 µg/L, ponekod do 6000 µg/L (Hatfield idr., 2016). Pitna voda, ki vsebuje običajne količine selena, zelo malo prispeva k dnevnemu vnosu (Deveau, 2010). Raziskovalci pa so leta 1975 zaradi izrazite suše izjeme opazili v ruralnem območju jugovzhodnega Kolorada in v vodnih izvirih osrednjega in zahodnega dela ZDA, kjer so se vrednosti gibale med 50 in 300 µg/L (Hatfield idr., 2012). Prav tako so Vincenti, Bonvicini, Bergomi in Malagoli (2010) zabeležili, da so leta 1990 v severni Italiji izmerili v vodovodni vodi velike količine selena. Ameriška regulativa v pitni vodi tolerira koncentracije do 50 µg/L, ki pa je v primerjavi z evropskimi državami, kjer imajo zapisano zgornjo mejo v vodovodni vodi samo do 10 µg/L, veliko večja
7
(Hatfield, Berry idr., 2012; Hatfield, Schweizer idr., 2016). Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) je določila priporočeno vrednost selena v pitni vodi in ta znaša 10 µg/L. Ta vrednost je izračunana na kar 10 % delež z vodo vnesenega selena (Nacionalni inštitut za javno zdravje, 2014). V slovenskem Pravilniku o pitni vodi je ta mejna vrednost selena v pitni vodi prav tako določena na 10 µg/L (Pravilnik o pitni vodi, 2004). V pitni vodi so koncentracije selena torej geografsko pogojene in so višje zaradi večje topnosti v okolju, kjer je pH zelo nizek ali pa zelo visok (Nacionalni inštitut za javno zdravje, 2014).
Znanstveniki predvidevajo, da se selen ob prisotnosti planktona lahko pretvori v številne organske selenove spojine, ali se preko mikroorganizmov lahko pretvori v elementarni selen in anorganski Se. V morski vodi se torej selen nahaja predvsem v obliki selenita in selenata (Cornelis idr., 2005). V morski vodi ga zasledimo samo v majhnih količinah, in sicer od 0,09 do 0,11 µg/L. Vsa živa bitja, ki živijo v morski vodi, vretenčarji in nevretenčarji, vključno z algami, imajo sposobnosti, da ta element akumulirajo. Tako so za človeka ti organizmi pomemben vir selena, ki pa ga človek lahko vnese v svoje telo preko prehranske verige (Hatfield idr., 2012).
Selen se nahaja tudi v podzemnih vodah. Raziskave kažejo, da se vsebnost selena v severovzhodni Sloveniji v geotermalnih vodah giblje od >0,1 do 41 ppm (Kralj, 2001). Selena je malo tudi v atmosferi, in sicer le nekaj ng/m3. Selen se nahaja v prašnih delcih in v hlapnih metiliranih spojinah (DMSe in DMDSe) (Cornelis idr., 2005). Dimetilselenid (DMSe) je glavna oblika hlapljivih selenovih spojin (Lewis, Johnson in Broyer, 1974). V ozračje pa lahko pride selen z izbruhi vulkanov ter zaradi sežiga fosilnih goriv (Cornelis idr., 2005).
2.2.3 Absorpcija selena v rastlinah in transport
Di Gregorgio (2008) je napisal obsežen pregled metabolizma selena v rastlinah. Ugotovil je, da imajo rastline različne zmogljivosti za pridobivanje in kopičenje tega elementa. V večini primerov obstaja pozitivna linearna korelacija med selenom v rastlinskih tkivih ter selenom v tleh. Lahko pa imajo spremenljivi dejavniki (npr. oblika selena, pH) kompleksen vpliv na sprejem selena v rastline, s tem pa se posledično močno spremeni tudi razmerje med količino selena v rastlinah in v tleh. Torej rastlinske vrste in sorte glede na različne sposobnosti absorpcije selena iz tal (prsti, peska, vodnih raztopin) in kopičenja Se v posameznih tkivih uvrščamo v selen akumulirajoče, sekundarne akumulirajoče in selen neakumulirajoče rastline (Karaj Dhillon in Surjit Dhillon, 2003; Terry, Zayed, de Souza in Tarun, 2000). Selen akumulirajoče rastline lahko kopičijo do 4000 mg Se kg-1 suhe snovi (Ellis in Salt, 2003).
Sekundarne akumulirajoče/indikatorske rastline lahko kopičijo do 1000 mg Se kg-1 suhe snovi (Ellis in Salt, 2003; El Mehdawi in Pilon-Smits, 2012). Večina rastlin, ki je neakumulirajočih, kopiči od 10 do 100 mg Se Kg-1 suhe snovi (El Mehdawi in Pilon-Smits, 2012).
Absorpcija ionov poteka prek korenin, tako da grejo najprej ioni skozi celično steno do plazmaleme (Marschner, 2002; White idr., 2004). Kot smo že omenili, pri akumulaciji v rastlinsko celico selenat s sulfatom tekmuje. Pri tem oba aniona s sulfatnim prenašalcem potujeta prek plazmaleme korenin. Pri višjih rastlinah se z aktivnim transportom selenat prenaša od nižjega proti višjemu elektrokemičnemu potencialu (Sors idr., 2005).
Selenat pa poleg sulfata tekmuje za vezavna mesta permeaze tudi z nitratom, kloridom in fosfatom (Läuchli, 1993). Z aktivnim transportom lahko rastline tudi privzemajo organske
8
oblike selena (npr. SeMet) (Terry idr., 2000). Ugotovili so, da ob prisotnosti sulfatov lahko riž in gorčica prednostno privzemata selen. Pri lucerni, pšenici, brokoliju, ječmenu in ljulki pa je privzem selena ob večji prisotnosti sulfatov zelo omejen (Smrkolj, 2003). Ker se v rastlinah selenit zelo hitro lahko pretvori v organsko obliko selena, ki ostaja v koreninskem sistemu, je to poglavitni razlog za nekoliko manjši prenos iz korenin v liste (Terry idr., 2000).
2.2.4 Onesnaževanje okolja s selenom
Onesnaževanje s selenom je svetovni problem, zato obstaja veliko zanimanje za čiščenje obremenjenih voda s Se (Germ idr., 2007). Rastline, ki lahko absorbirajo večje količine selena, je možno uporabiti za fitoremediacijo tal in vode, ki so onesnažena s selenom. Znano je, da so malo vodno lečo uporabljali za čiščenje komunalnih in industrijskih odpadnih voda že pred letom 1990. Razlog je v tem, da relativno hitro raste pri različnih temperaturah, pH ter vsebnosti hranil (Landesman idr., 2011). Prav tako je bila narejena raziskava na štirih makrofitih (Typha domingensis, Crinum americanum, Hydrilla verticillata, Lemna obscura), ki so bili sposobni akumulacije selena in so tako uspešno odstranili ta element iz vodnega okolja (Carvalho in Martin, 2001).
Do kontaminacije s selenom lahko pride zaradi kmetijskih odplak, ki so posledica namakanja tal, bogatih s selenom, rudarjenja, rafiniranja premoga in nafte in drugih industrijskih virov (Hamilton, 2004; Hamilton in Buhl, 2003; Lemly, 2004; Lemly in Ohlendorf, 2002; Mayland, Jams, Panter in Sonderegger, 1989; Wu, 2004). Na zahodu ZDA je agencija USGS (United States Geological Survey) določila približno 400.000 km2 površin, ogroženih s kontaminacijo s selenom, povzročeno z namakanjem (Seiler, Skorupa in Peltz, 1999).
Akumulacija selena v vodnih rastlinah, ki rastejo na takšnih kontaminiranih območjih, lahko močno vpliva na prosto živeče živali in rastline, ki so življenjsko odvisne od njih (Emerick in Demarco, 1991; Lemly, 1997; Ohlendorf, Hoffman, Saiki in Aldrich, 1986). To je vzbudilo skrb glede onesnaženja s selenom še posebej v vodnih okoljih (Hamilton, 2004; Lemly, 2004).
Kot je opisal avtor Wu (2004), je bila bioakumulacija selena ugotovljena kot glavni vzrok za smrt in deformacijo embrijev pri gnezdenju vodnih ptic v mokriščnem habitatu Kesterson Reservoir National Wildlife Refuge, ki se nahaja v Central Valley v Kaliforniji. V zadnjem desetletju se je poglobila raziskava, posvečena fitosanaciji takšnih območij z uporabo naravno prisotnih selenovih akumulacijskih rastlin ali transgenih rastlin s povečano zmožnostjo kopičenja in strpnosti na selen (Bañuelos, 2001; Berken, Mulholland, LeDuc in Terry, 2002;
Van Huysen, Terry in Pilon-Smits, 2004; Wu, 2004). Poleg tega je vse več zanimanja za razvoj transgenih rastlin, ki akumulirajo selenove spojine z možnimi koristmi za človeško zdravje (Bañuelos idr., 1997; Ellis idr., 2004; Orser idr., 1999). Takšna raziskava je ponudila vpogled v mehanizem biokemijskih reakcij selena v rastlinah in v možne strategije za gensko inženirstvo rastlin, ki akumulirajo selen (Ellis in Salt, 2003). Strupeni učinki selena na prosto živeče živali in rastline so bile dobro dokumentirane na območjih, onesnaženih s selenom (Sors idr., 2005).
2.2.4.1 Fitoremediacija
Fitoremediacija je metoda, ki s pomočjo višjih rastlin in z njimi povezanih mikroorganizmov spremeni in izboljša razmere v onesnaženih okoljih. Gre za cenovno ugoden in okolju prijazen način, ki omogoča zmanjšanje ravni onesnaženosti v določenem okolju (Landesman idr., 2011).
Vodne rastline lahko s fitoremediacijo pripomorejo k izboljšanju kakovosti voda (Germ idr., 2007). Kljub temu da so selenove hiperakumulatorske rastline učinkovite pri odstranitvi selena,
9
je velikokrat zaradi počasne rasti in nizke proizvodnje biomase proces fitoremediacije omejen.
Za učinkovitejšo fitoremediacijo bi lahko uporabili hitro rastoče rastline z visoko sposobnostjo proizvodnje biomase ter zmerno sposobnostjo kopičenja selena (LeDuc idr., 2006).
Fitoremediacija vključuje pet različnih mehanizmov: rizofiltracijo, fitostabilizacijo, fitotransformacijo, fitoekstrakcijo in fitovolatilizacijo (Ghosh in Singh, 2005). Rizofiltracija pomeni, da rastline privzemajo, koncentrirajo in obarjajo kontaminante iz onesnaženega vodnega okolja s pomočjo korenin. Fitostabilizacija vključuje stabilizacijo kontaminirane zemlje in s tem imobilizira nečistoče v zemlji in jim tako prepreči širjenje na druga območja.
Hkrati pa je to proces absorpcije onesnaževal v koreninski sistem, adsorpcije in obarjanja.
Fitotransformacija je znana tudi kot fitodegradacija. Gre za proces, kjer rastlina s svojim metabolizmom odstrani nečistoče iz okolja (Landesman idr., 2011). Selen pa lahko učinkovito odstranimo iz tal in vode tudi s fitovolatilizacijo (izhlapevanjem) in fitoekstrakcijo (Germ idr., 2007). Fitoremediacija je prikazana na spodnji sliki (Slika 2).