DOI: https://doi.org/10.1007/s10533-025-01256-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40756616
تاريخ النشر: 2025-08-01
المؤلف: Audrey Laberge-Carignan وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الكيمياء الحيوية للسلينيوم (Se) في النظم البيئية الغابية والغنية بالتربة المتجمدة، مع التركيز على كيفية تأثير درجة الحرارة وقابلية المادة العضوية (OM) على ديناميات أكسدة واختزال Se في رواسب البحيرات. نظرًا لأهمية Se كعنصر غذائي دقيق وكمادة ملوثة محتملة، فإن فهم دورته أمر بالغ الأهمية، خاصة مع تسارع تغير المناخ في تسخين هذه المناطق الشمالية. استخدمت الدراسة مفاعلات تدفق مستمر (FTRs) لفحص احتجاز Se في رواسب بحيرية متأثرة بشكل طفيف، تتميز إما بمادة عضوية قابلة (طازجة) أو مقاومة (قديمة)، تحت حالتين من درجات الحرارة (4 °م و23 °م).
أشارت النتائج إلى أن الرواسب التي تحتوي على مادة عضوية طازجة احتجزت 50% أكثر من Se مقارنة بتلك التي تحتوي على مادة عضوية قديمة، مما يتماشى مع الظروف المختزلة المحسنة التي فضلت إنتاج الأنواع المختزلة مثل الحديد الثنائي والكبريتيدات. تم احتجاز السيلينيت بشكل أكثر فعالية من السيلينات، حيث أثرت درجة الحرارة بشكل كبير على معدلات إزالة السيلينات—92 pmol cm⁻³ d⁻¹ عند 23 °م مقارنة بـ 80 pmol cm⁻³ d⁻¹ عند 4 °م. ومن الجدير بالذكر أن نوعية Se في التدفق الخارجي اختلفت مع درجة الحرارة، حيث أظهرت هيمنة الأنواع العضوية عند درجات حرارة أعلى، بينما كانت السيلينات هي النوع الوحيد عند درجات الحرارة المنخفضة. تشير النتائج إلى أن ارتفاع درجات الحرارة وتحريك خزانات الكربون في المناطق الغابية والمتجمدة قد يعزز قدرة الأنظمة المائية على احتجاز Se، مما يقلل من توافره الحيوي في هذه النظم البيئية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للسلينيوم (Se) كعنصر غذائي دقيق أساسي، مع التأكيد على نطاق تركيزه الضيق بين النقص والسمية. يتأثر انتقال Se إلى شبكة الغذاء في المياه السطحية بشكل كبير بتفاعلات الرواسب والمياه، حيث يمكن أن تعمل الرواسب كمصادر أو مصارف لـ Se، اعتمادًا على عوامل مختلفة مثل قابلية الكربون العضوي وظروف الأكسدة والاختزال. تعتبر رواسب المياه العذبة والتربة المشبعة بالمياه، خاصة في المناظر الطبيعية للمناطق الباردة، حاسمة في تشكيل البيئة الهيدروكيميائية التي تؤثر على نوعية Se وحركته. توضح الورقة الحالات المختلفة للأكسدة والاختزال لـ Se، حيث تعتبر السيلينات ($\text{SeO}_4^{2-}$) أكثر الأنواع حركة تحت الظروف المؤكسدة، بينما يظهر السيلينيت ($\text{HSeO}_3^-$ أو $\text{SeO}_3^{2-}$) خصائص امتصاص أقوى.
يحدد المؤلفون فجوة كبيرة في البيانات التجريبية المتعلقة بديناميات Se في المناطق الباردة، خاصة تحت الظروف البيئية ذات الصلة. يقترحون التحقيق في معدلات احتجاز Se عند تركيزات منخفضة وتحت درجات حرارة باردة (4 °م) ودافئة (23 °م) باستخدام مفاعلات تدفق مستمر (FTRs). تهدف هذه الدراسة إلى تقديم رؤى حول التفاعلات بين Se وقابلية المادة العضوية (OM)، بالإضافة إلى سلوك أنواع Se في الرواسب ذات الخصائص المختلفة للكربون العضوي. من خلال معالجة هذه الجوانب، تسعى الدراسة إلى تعزيز فهم عمليات تحويل Se في البيئات الباردة، والتي غالبًا ما يتم تجاهلها في الأدبيات الحالية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام إعداد تجريبي لمفاعل تدفق مستمر (FTR) للتحقيق في تحويل أنواع السيلينيوم (السيلينات والسيلينيت) في الرواسب تحت ظروف بيئية محكومة. تم تصميم FTR لتقليل اضطراب الرواسب والحفاظ على معدلات تدفق منخفضة (1 مل في الساعة) لضمان توزيع موحد للمدخلات. تم تعريض المفاعلات لدرجات حرارة متغيرة (4 °م و23 °م) وتم تكييفها لمدة 14 يومًا قبل إدخال أنواع السيلينيوم عند تركيزات ذات صلة بيئية (7-100 نانومول للسيلينيت و70-100 نانومول للسيلينات). تم تضمين مرحلة نهائية بتركيزات أعلى من السيلينيوم (2 ميكرومول) لتقييم قدرة الإزالة تحت تحميل متزايد.
أشارت النتائج إلى استجابة متناقضة بين السيلينيت والسيلينات تحت الظروف التجريبية. كانت معدلات إزالة السيلينيت متسقة عبر تغيرات درجة الحرارة، مما يشير إلى أن العمليات غير الحيوية، مثل التعقيد مع المادة العضوية والامتصاص على هيدروكسيدات الحديد (الأكسيد)، تتحكم بشكل أساسي في تحويله. على العكس، كانت إزالة السيلينات تتم بشكل رئيسي بواسطة النشاط الميكروبي، مع انخفاض ملحوظ في معدلات الإزالة عند درجات الحرارة المنخفضة، مما يشير إلى الاعتماد على المسارات الحيوية. تسلط الدراسة الضوء على أهمية الظروف البيئية الواقعية في فهم دورة السيلينيوم، كاشفة أنه بينما تلعب العمليات غير الحيوية دورًا كبيرًا في تحويل السيلينيت، فإن الامتصاص الحيوي يساهم أيضًا في دورته في الرواسب. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن معدلات إزالة السيلينات أقل من تلك الخاصة بالسيلينيت تحت ظروف تنافسية مع عدة مستقبلات للإلكترونات، مما يعكس معدلات بيئية في الموقع بدلاً من الحد الأقصى المحتمل للإزالة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة بشأن سلوك السيلينيوم (Se) في الرواسب تحت ظروف متغيرة. كشفت الملاحظات الأولية أن تركيزات Se المذابة زادت بشكل حاد تحت واجهة الرواسب والمياه، واستقرت في النطاق النانومولي، مع أقصى تركيز بلغ 1.2 نانومول عند عمق 4 سم. تم تقييم معدلات تحلل المادة العضوية (OM)، حيث أظهرت انخفاضًا من 465 ميكرومول cm$^{-3}$ سنة$^{-1}$ مباشرة تحت واجهة الرواسب والمياه إلى أقل من 80 ميكرومول cm$^{-3}$ سنة$^{-1}$ عند عمق 10 سم. وبالتالي، تم اختيار طبقة الرواسب من 0-2 سم للتجارب ذات القدرة العالية على أكسدة OM، بينما تم اختيار الطبقة من 8-10 سم للقدرة المنخفضة على أكسدة OM.
تسلط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لـ OM في إزالة السيلينات، حيث احتفظت OM الطازجة القابلة بـ 50% أكثر من Se مقارنة بـ OM القديمة المقاومة. ومن الجدير بالذكر أن التجارب، التي أجريت عند درجات حرارة أقل من 15 °م، كشفت أنه بينما كان لدرجة الحرارة تأثير ضئيل على حركة السيلينيت، إلا أنها أثرت بشكل كبير على معدلات احتجاز السيلينات، التي انخفضت بأكثر من 50% في الظروف الباردة. يشير هذا إلى مسارين مختلفين للإزالة: مسار غير حيوي للسيلينيت، أقل تأثرًا بدرجة الحرارة، ومسار ميكروبي للسيلينات، الذي يتأثر بدرجة الحرارة. تؤكد هذه النتائج على الآثار المحتملة لتغير المناخ على دورة Se، خاصة في المناطق الباردة، حيث قد تعزز درجات الحرارة المرتفعة احتجاز السيلينات في الرواسب الغنية بالمواد العضوية، مما يؤدي إلى تقليل تدفقات Se إلى البيئات المائية وزيادة نقص السيلينيوم في شبكات الغذاء والأنظمة الزراعية.
المناقشة
ركزت الأبحاث التي أجريت في بحيرة تانتاي على خصائص الرواسب وتأثيرها على معدلات إزالة السيلينيوم (Se) خلال تجارب مفاعل التدفق المستمر (FTR). قدمت الظروف الأوليغوتروفية للبحيرة، التي تتميز بانعدام الأكسجين الموسمي، وانخفاض درجة الحموضة، وتركيزات محددة من الكربون العضوي المذاب (DOC)، بيئة فريدة لدراسة ديناميات المادة العضوية (OM) في الرواسب. كشفت النتائج أن الرواسب السطحية، الغنية بالمركبات القابلة للاستقلاب بسهولة، أظهرت معدلات تحلل كربون عضوي أعلى مقارنة بالطبقات الأعمق والأكثر مقاومة. أظهرت التجارب أن كفاءات إزالة Se الأولية كانت مرتفعة بشكل ملحوظ (88-99%)، حيث أظهر مفاعل Warm-F أعلى كفاءة لكل من السيلينيت والسيلينات. ومع ذلك، مع تقدم التجارب، شهدت بعض المفاعلات انخفاضًا في كفاءة الإزالة، مما يشير إلى أنه بينما كانت عمليات الامتصاص الفورية مهمة، لعبت التفاعلات البيوجيوكيميائية على المدى الطويل دورًا حاسمًا في الحفاظ على احتجاز Se.
كما سلطت الدراسة الضوء على تأثير قابلية OM ودرجة الحرارة على معدلات إزالة Se. أدت OM الطازجة إلى انخفاض نسب الأنواع المؤكسدة إلى الأنواع المختزلة في التدفق الخارجي، مما يشير إلى ظروف أكثر اختزالًا وزيادة النشاط الميكروبي، مما سهل تقليل Se. على العكس، أدت OM القديمة إلى ظروف أكثر أكسدة وزيادة تدفق Se. كما أثرت درجة الحرارة على التفاعلات الإنزيمية الميكروبية، حيث عززت الظروف الأكثر دفئًا معدلات إزالة Se أعلى. أكدت الأبحاث على أهمية جودة OM على الكمية في التحكم في عمليات تحويل Se، كاشفة أن الرواسب ذات المحتوى العضوي الأعلى والنشاط الميكروبي أظهرت قدرة أكبر على احتجاز Se. بشكل عام، تسهم الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول العمليات البيوجيوكيميائية التي تحكم ديناميات Se في الرواسب المائية العذبة، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لهذه التفاعلات في سياقات بيئية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10533-025-01256-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40756616
Publication Date: 2025-08-01
Author(s): Audrey Laberge-Carignan et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This research investigates the biogeochemistry of selenium (Se) in boreal and permafrost-rich ecosystems, focusing on how temperature and organic matter (OM) lability affect Se redox dynamics in lake sediments. Given the significance of Se as both a micronutrient and a potential contaminant, understanding its cycling is crucial, especially as climate change accelerates warming in these northern regions. The study utilized flow-through reactors (FTRs) to examine Se sequestration in minimally disturbed lacustrine sediments characterized by either labile (fresh) or recalcitrant (aged) OM, under two temperature conditions (4 °C and 23 °C).
The results indicated that sediments with fresh OM sequestered 50% more Se than those with aged OM, correlating with enhanced reducing conditions that favored the production of reduced species such as ferrous iron and sulfides. Selenite was sequestered more effectively than selenate, with temperature significantly influencing selenate removal rates—92 pmol cm⁻³ d⁻¹ at 23 °C compared to 80 pmol cm⁻³ d⁻¹ at 4 °C. Notably, the outflow Se speciation varied with temperature, showing a predominance of organic Se species at higher temperatures, while selenate was the sole species at lower temperatures. The findings suggest that warming and the mobilization of carbon pools in boreal and permafrost regions may enhance the capacity of aquatic systems to sequester Se, thereby reducing its bioavailability in these ecosystems.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of selenium (Se) as an essential micronutrient, emphasizing its narrow concentration range between deficiency and toxicity. The transfer of Se to the food web in surface waters is significantly influenced by sediment-water interactions, where sediments can act as either sources or sinks of Se, depending on various factors such as organic carbon lability and redox conditions. Freshwater sediments and water-logged soils, particularly in cold-region landscapes, are crucial in shaping the hydrogeochemical environment that affects Se speciation and mobility. The paper outlines the different redox states of Se, with selenate ($\text{SeO}_4^{2-}$) being the most mobile species under oxic conditions, while selenite ($\text{HSeO}_3^-$ or $\text{SeO}_3^{2-}$) exhibits stronger adsorption characteristics.
The authors identify a significant gap in empirical data regarding Se dynamics in cold regions, particularly under environmentally relevant conditions. They propose to investigate Se sequestration rates at low concentrations and under both cold (4 °C) and warm (23 °C) temperatures using flow-through reactors (FTRs). This study aims to provide insights into the interactions between Se and organic matter (OM) lability, as well as the behavior of Se species in sediments with varying organic carbon characteristics. By addressing these aspects, the research seeks to enhance understanding of Se transformation processes in cold environments, which are often overlooked in existing literature.
Methods
In this study, a flow-through reactor (FTR) experimental setup was employed to investigate the transformation of selenium species (selenate and selenite) in sediment under controlled environmental conditions. The FTR was designed to minimize sediment disturbance and maintain low flow rates (1 mL h⁻¹) to ensure uniform distribution of inputs. The reactors were subjected to varying temperatures (4 °C and 23 °C) and acclimatized for 14 days before introducing selenium species at environmentally relevant concentrations (7-100 nM for selenite and 70-100 nM for selenate). A final phase with higher selenium concentrations (2 μM) was included to assess removal capacity under increased loading.
The results indicated a contrasting response between selenite and selenate under the experimental conditions. Selenite removal rates were consistent across temperature variations, suggesting that abiotic processes, such as complexation with organic matter and adsorption on iron (oxy)hydroxides, predominantly govern its transformation. Conversely, selenate removal was primarily mediated by microbial activity, with a notable decrease in removal rates at lower temperatures, indicating a reliance on biotic pathways. The study highlights the importance of realistic environmental conditions in understanding selenium cycling, revealing that while abiotic processes play a significant role in selenite transformation, biotic assimilation also contributes to its cycling in sediments. Overall, the findings suggest that selenate removal rates are lower than those for selenite under competitive conditions with multiple electron acceptors, reflecting in situ environmental rates rather than maximum potential reduction.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the behavior of selenium (Se) in sediments under varying conditions. Preliminary observations revealed that dissolved Se concentrations increased sharply below the sediment-water interface, stabilizing in the nanomolar range, with a maximum of 1.2 nM at a depth of 4 cm. Organic matter (OM) mineralization rates were assessed, showing a decline from 465 µmol cm$^{-3}$ yr$^{-1}$ just below the sediment-water interface to less than 80 µmol cm$^{-3}$ yr$^{-1}$ at 10 cm depth. Consequently, the 0-2 cm sediment layer was chosen for experiments with high OM oxidation potential, while the 8-10 cm layer was selected for low OM oxidation potential.
The study highlights the critical role of OM in selenate removal, with fresh labile OM retaining 50% more Se compared to aged recalcitrant OM. Notably, the experiments, conducted at temperatures below 15 °C, revealed that while temperature had minimal impact on selenite mobility, it significantly affected selenate sequestration rates, which decreased by over 50% in colder conditions. This suggests two distinct removal pathways: an abiotic pathway for selenite, less influenced by temperature, and a microbial pathway for selenate, which is temperature-sensitive. These findings underscore the potential implications of climate change on Se cycling, particularly in cold regions, where increased temperatures may enhance selenate sequestration in organic-rich sediments, potentially leading to decreased Se fluxes to aquatic environments and exacerbating selenium deficiencies in food webs and agricultural systems.
Discussion
The research conducted at Lake Tantaré focused on the sediment characteristics and their influence on selenium (Se) removal rates during flow-through reactor (FTR) experiments. The lake’s oligotrophic conditions, characterized by seasonal anoxia, low pH, and specific dissolved organic carbon (DOC) concentrations, provided a unique environment for studying sedimentary organic matter (OM) dynamics. The findings revealed that surface sediments, rich in readily metabolizable compounds, exhibited higher organic carbon degradation rates compared to deeper, more recalcitrant layers. The experiments demonstrated that initial Se removal efficiencies were notably high (88-99%), with the Warm-F FTR showing the greatest efficiency for both selenite and selenate. However, as the experiments progressed, some reactors experienced a decline in removal efficiency, suggesting that while immediate adsorption processes were significant, longer-term biogeochemical reactions played a crucial role in maintaining Se sequestration.
The study also highlighted the impact of OM lability and temperature on Se removal rates. Fresh OM led to lower ratios of oxidized to reduced species in the outflow, indicating more reducing conditions and enhanced microbial activity, which facilitated Se reduction. In contrast, aged OM resulted in more oxidizing conditions and higher Se efflux. Temperature further influenced microbial enzymatic reactions, with warmer conditions promoting higher Se removal rates. The research underscored the importance of OM quality over quantity in controlling Se transformation processes, revealing that sediments with higher organic content and microbial activity exhibited greater Se sequestration capacity. Overall, the study contributes valuable insights into the biogeochemical processes governing Se dynamics in freshwater sediments, emphasizing the need for further exploration of these interactions in various environmental contexts.