Ympäristön seleenitutkimus: Mikroskooppisista prosesseista globaaliin ymmärtämiseen

1 Ympäristön seleenitutkimus: Mikroskooppisista prosesseista globaaliin ymmärtämiseen Lenny H. E. Winkel,*,, C. Annette Johnson, Markus Lenz,, Tim Grundl, Olivier X. Leupin,#Manouchehr Amini, and Laurent Charlet Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Überlandstrasse 133, P.O. Box 611, 8600 Dübendorf, Sveitsi. Institute of Biogeochemistry and Pollutant Dynamics, Department of Environmental Sciences, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich, 8092 Zürich, Sveitsi. University of Applied Sciences and Arts, Northwestern Switzerland (FHNW), Institute for Ecopreneurship, School of Life Sciences, Gründenstrasse 40, 4132 Muttenz, Sveitsi. Sub-Department of Environmental Technology, Wageningen University, 6700 EV Wageningen, Hollanti. School of Freshwater Sciences and Department of Geosciences, University of Wisconsin Milwaukee, 3209 North Maryland Avenue, Milwaukee, Wisconsin, Amerikan yhdysvallat. #Nagra, Hardstrasse 73, 5430 Wettingen, Sveitsi. ISTerre, Institute of Earth Sciences, University of Grenoble, CNRS, P.O. Box 53, 38041 Grenoble Cedex 9, Ranska. esimerkiksi Keshan sairauteen (kardiomyopatia), jonka huomattiin liittyvän seleenin puutokseen ensimmäisen kerran vuonna 1935, tai krooniseen, rappeuttavaan nivelrustosairauteen, Kashin- Beckin tautiin 6. Kyseisillä alueilla ihmisten päivittäinen Se-annos on vain 7 11 µg. 7 Koko maailman mittakaavassa on arvioitu, että 0,5 1 miljardia ihmistä kärsii Se:n puutoksesta. 8 Yleisesti ottaen alueet, joilla on vähän luonnon seleeniä, ovat yleisempiä ja laajempia kuin alueet, joilla on liian korkea Se-taso. Seleeni (Se) on tärkeä hivenaine, jolla on perustavaa laatua oleva merkitys ihmisen terveydelle. Se on monien tärkeimpien aineenvaihduntapolkujen komponentti, mukaan lukien kilpirauhashormonin aineenvaihdunta, antioksidatiiviset puolustusjärjestelmät ja immuunitoiminta. 1 Ihmisellä seleenin sopivien saantimäärien vaihteluväli on yksi kapeimmista: puutostilasta ( <40 µg päivässä) myrkylliselle tasolle (>400 µg päivässä). 2 Tästä syystä kansainväliset järjestöt ovat asettaneet seleenin ravitsemukselliset viitearvot välille 30-55 µg päivässä. 3 Riittämätön seleenin saanti on yhdistetty kasvun hidastumiseen ja heikentyneeseen luuston aineenvaihduntaan 4, ja sen on arveltu aiheuttavan epänormaalia kilpirauhasen toimintaa 5. Keski-Kiinassa ja Kaakkois-Siperiassa on paikallisesti tuotetun ruoan hyvin pieni Sepitoisuus yhdistetty maantieteellisesti laajalle levinneisiin endeemisiin sairauksiin, kuten Tätä taustaa vasten näyttää siltä, että seleeniä tarvitaan vahvistamaan immuunijärjestelmää 1,9, ja se voi tehdä myrkyttömiksi As[III]:n ja Hg[II]:n muodostamalla kovalentteja As Se- ja Hg Sesidoksia. 10 Kuitenkin viime aikoina on alettu huolestua suuren seleenin saannin mahdollisista haittavaikutuksista ihmisen terveydelle (>75 µg päivässä. Näihin kuuluu mm. kohonnut diabetesriski. 11 Päivittäisten annosten ollessa erittäin suuria (>400 µg päivässä) Se on voimakkaasti myrkyllistä, jolloin krooninen altistuminen subakuuteille pitoisuuksille voi aiheuttaa hiusten ja kynsien katkeilua, ihohaavoja ja neurologisia sairauksia. 12 Seleenin myrkyllisiä pitoisuuksia sekä ihmisissä että eläimissä on raportoitu esimerkiksi Hubein ja Shaanxin maakunnissa Kiinassa sekä Punjabissa Intiassa, joissa Se-tasot olivat erittäin korkeita (750-4990 µg per henkilö päivässä 7 ) paikallisesti tuotetuissa elintarvikkeissa. Punjabissa, mutta myös muualla, keinokastelun on yhdessä nopean haihtumisen

2 kanssa väitetty olevan suuressa määrin syynä siihen, että keinokastellun maaperän ja viljelykasvien Se-pitoisuudet ovat liian suuret 13 (kuva 1). Ihmisen seleenitilan vaihtelut ovat suuresti ruokavaliosta riippuvaisia. Kasviperäinen ruoka on ravitsemuksellisesti tärkein seleenin lähde useimmissa maissa ympäri maailman; sen jälkeen tulevat liha ja merenelävät (http://ods.od.nih.gov/factsheets/selenium/). Maanviljelysmaan seleenipitoisuuksissa on maantieteellistä vaihtelua 14 samoin kuin ruokaaineissa, joiden ravinteet ovat peräisin kyseisestä maaperästä. Jotta tulevaisuuden seleenin puutteeseen tai liikasaantiin liittyvät terveyshaitat voidaan ehkäistä, on olennaista ymmärtää, mitkä ovat ne tekijät, jotka kontrolloivat seleenin dynaamista esiintymistä ympäristössä. Tässä artikkelissa kerromme, miten analyysimenetelmien viimeisin kehitys johtaa parempaan tietämykseen mekanismeista, jotka säätelevät seleenin geokemiallista käyttäytymistä maaympäristössä. Uudet tekniikat ja menetelmät mahdollistavat pienien seleenipitoisuuksien mittaamisen täsmällisesti ja tarkasti, mikä tekee niistä ihanteellisia ympäristötutkimuksiin. Osoitamme, miten parempi käsitys yleisistä mikroskooppisen mittakaavan geokemiallisista mekanismeista auttaa ymmärtämään seleenin esiintymistä ja sen biosaatavuuden ennustamista suuremmassa mittakaavassa. Kuva 1. Kaavioesitys seleenin globaalista kierrosta, erityisesti maaympäristön osalta. Siniset nuolet kuvaavat prosesseja, joissa seleeni hapettuu, ja vihreät nuolet prosesseja, joissa se pelkistyy. Varoitusmerkit osoittavat erityisiä ympäristöoloja, joissa on vaarana kehittyä seleenin puutetta (varoitusmerkki) tai liikasaantia (varjostettu varoitusmerkki). LUONNOLLISET SYYT, JOTKA VAIKUTTAVAT SELEENIN ESIINTYMISEEN JA BIOSAATAVUUTEEN Seleenin globaaliin esiintymiseen (toisin sanoen dynaamiseen esiintymiseen, joka voi ajan mittaan muuttua) vaikuttavat ratkaisevasti luonnon seleenilähteet ja kuljetusprosessit (katso kuva 1). Maaperän sisältämät Se-varannot voivat vaihdella suuresti: alle 0,01 mg:sta per kg seleeniköyhässä maaperässä aina 1200 mg:aan per kg seleenirikkaassa maaperässä 15,16. Seleenipitoista maaperää esiintyy usein suhteellisen pieninä, tarkasti rajattuina alueina, jotka ovat peräisin seleenirikkaista kivilajeista, kuten esimerkiksi mustaliuskeesta, karbonaattipitoisesta kalkkikivestä, karbonaattipitoisesta piiliuskeesta, mutakivestä tai seleenipitoisesta hiilestä, 17-19 tai joiden suurten seleenipitoisuuksien syynä voi olla keinokastelu, jossa on käytetty Se-rikasta vettä. 13 Keinokastelun valumaveden kontaminoituminen ja sen seurauksena Kalifornian San Joaquin Valleyn (Yhdysvallat) pintavesien 20,21 kontaminoituminen on esimerkki seleenin rikastumisesta, joka johtuu veden ja kivilajien vuorovaikutuksesta, ja Punjabin (Intia) 22,16 maaperän kontaminoituminen puolestaan esimerkki seleenirikkaalla pohjavedellä kastelun seurauksista. Maaympäristöjen ohella myös meriympäristöt ovat tärkeitä seleenin lähteitä,

3 jotka siirtävät seleeniä ilmakehään, joka puolestaan on merkittävä seleenin lähde maaympäristölle. 23,24 Wen ja Carignan 24 ovat julkaisseet laajan selvityksen ilmakehän seleenistä ja sen kuljetusprosesseista. Alueita, joiden maaperässä on riittävästi tai liian vähän seleeniä, on paljon enemmän kuin alueita, joissa seleeniä on liikaa. On tärkeää huomata, että kasvien ja organismien seleeninotto ei varsinaisesti ole riippuvaista maaperän Se-varannon suuruudesta vaan ennemminkin seleenin biosaatavuudesta kasveille ja organismeille. Tämä puolestaan sanelee seleenin pääsyn maanpäällisiin ravintoketjuihin. Esimerkiksi Kiinassa maaperätutkimukset alueilla, joissa esiintyy Keshan-tautia, osoittivat, että maaperän seleenitasot olivat matalia (keskimäärin 0,15 mg per kg Se) mutta eivät kuitenkaan kriittisen matalia. Toisin sanoen klassisen määritelmän mukaiseen seleeniköyhään (< 0,1 mg kokonais-se per kg) ja seleenirikkaaseen (> 0,5 mg kokonais- Se per kg) maaperään verrattuna niiden seleenitasot olivat riittäviä. 16 Kyseisillä alueilla syynä seleenin puutteeseen oli pikemminkin seleenin immobilisaatio maaperän orgaaniseen ainekseen (adsorption ja/tai (bio)kemiallisen pelkistymisen seurauksena) kuin seleenin pieni kokonaismäärä. 25 Seleenin biosaatavuus on vallitsevien geokemiallisten parametrien keskinäisen vaikutuksen tulos. Tällaisia parametrejä ovat esimerkiksi ph- ja hapetus-pelkistymisolosuhteet sekä maaperän orgaanisen hiilen, Fe-hydroksidin ja saveksen pitoisuudet, sekä seleenin spesiaatio (seleenin erilaiset kemialliset muodot). Seleeniä on ympäristössä viidessä metastabiilissa hapetustilassa: ( II), ( I), (0), (+IV) ja (+VI). 15 Hapettavissa ympäristöissä seleeni voi esiintyä oksianioni-selenaattina (SeO 4 2 ) tai -seleniittinä (HSeO 3 ). Lähellä neutraalia olevat ph-arvot (6,5 7,5) ja hyvin hapettavat olosuhteet (Eh-arvot ~400 mv tai enemmän) suosivat termodynaamisesti selenaattia. Selenaatilla ei ole erityistä taipumusta sorptioon. Se muodostaa helposti palautuvia kompleksiyhdisteitä savimineraalien pinnoille, mutta kilpailu sulfaatin kanssa sorptiopaikoista parantaa sen liikkuvuutta. 26 Emäksiset ph-arvot ja korkeat hapetuspelkistyspotentiaalit suosivat seleenin biosaatavuutta kasveille. Seleniitti on stabiili kohtuullisen hapettavista oloista pelkistäviin asti (aina Eh-arvoon ~0 mv asti). Seleniitillä on selenaattia paljon suurempi taipumus palautumattomaan sorptioon rautaoksidien, 27 savimineraalien reunojen 28 ja maaperän orgaanisen aineksen 29 pinnoille. Tämä sorptioherkkyys vähentää seleenin käyttökelpoisuutta kasveille maaperässä, jos rautaoksidien, saveksen tai orgaanisen aineksen pitoisuudet ovat suuret. On kuitenkin korostettava, että seleenin kertyminen kasviin voi vaihdella eri kasvilajeilla yli kahdella kertaluokalla vaikka maaperän seleenipitoisuus olisi sama (selvitetty julkaisussa Bitterli et al. 30 ). Koska muut tekijät kuin maaperän seleenin kokonaispitoisuus määräävät ravinto- ja rehukasvien seleeni-sisällön, saattavat perinteiset määritelmät seleeniköyhälle (Se:n kokonaismäärä < 0,1 mg per kg) ja seleenipitoiselle (Se:n kokonaismäärä > 0,5 mg per kg) maaperälle 16 ainakin joissakin tapauksissa olla harhaanjohtavia. Sen sijaan seleenin biosaatavuus maaperässä, ja spesiaatio, ovat ne tekijät, joita tulee tarkastella. Lisäksi suuri määrä orgaanista ainesta voi johtaa pelkistäviin oloihin, 32 jotka voivat johtaa metallisen seleenin (Se[0]) tai metalliselenidien (Se[ I]/[ II]) muodostumiseen sekä elollisilla että elottomilla mekanismeilla. Alkuainemuotoinen seleeni on veteen liukenematon ja luokitellaan eliöille käyttökelvottomaksi. ALKUAINEMUODOSSA OLEVAN SELEENIN BIOSAATAVUUS: NANOEFEKTI Toisin kuin alkuainemuotoisella rikillä 33 on alkuainemuotoisella seleenillä suuri stabiilisuusalue, joten termodynaamiikka suosii sen esiintymistä monissa luonnon ympäristöissä. On jopa esitetty, että alkuainemuotoinen Se olisi yksi suurimmista seleenivarannoista vesistöissä ja vastaisi noin 30-60 % sedimenttien sisältämän seleenin kokonaismäärästä (Zhang et al. 34 ja viittaukset). Luonnossa vesiliukoisen seleniitin ja selenaatin pelkistymistä alkuainemuotoiseksi seleeniksi säätelevät paljolti niin dissimilaritoriset (soluhengitys) kuin ei-dissimilaritoriset mikrobivälitteiset prosessit, 35 mutta myös pinnoilla tapahtuvat pelkistysprosessit. 36 Kyky pelkistää seleenin oksianioneja niin sanotuksi biogeeniseksi alkuaineseleeniksi (BioSe) on yleistä mikrobien eri elinympäristöissä. 37 Mikrobiologisesta alkuperästään huolimatta BioSe:ä tavataan yleensä pallomaisina, nanometrimittakaavan partikkeleina (keskimäärin ~300 nm, 38 toisinaan myös huomattavasti pienempinä 39 tai suurempinakin 40 partikkeleina) joko solujen sisä- tai ulkopuolella. 38 Vesiympäristössä BioSe voi pysyä kolloidisessa suspensiossa viikkoja. 34 Jos se joutuu vesistöjen

4 hapellisiin kerroksiin, se saattaa osallistua hapetusprosesseihin, joiden tuloksena syntyy seleniittiä ja selenaattia, jotka siis taas ovat biosaatavia. Koska pinta-alan ja tilavuuden suhde on nanokokoisessa seleenissä suurempi kuin kookkaammissa partikkeleissa, myös seleenin uudelleenhapettumisen nopeus on niissä todennäköisesti suurempi. Vain muutaman nanometrin suuruusluokkaa oleva nanokokoinen seleeni, olipa kyseessä biogeeninen seleeni tai pinnoilla tapahtuvien pelkistysreaktioiden tuottama seleeni, voi päästä jopa suoraan solujen sisään, kuten on havaittu muilla nanomateriaaleilla. 41 Siten alkuaine-muodossa olevan seleenin luokittelu ei-biosaatavaksi voi olla harhaanjohtavaa nanokokoisten partikkelien osalta. Todennäköinen syy BioSe:n taipumukseen muodostaa pallomaisia, nanometrikokoisia partikkeleita on se, että läsnä on orgaaninen polymeerikerros, joka koostuu vaikkakaan ei yksinomaan mikrobiologista alkuperää olevista roteiineista. 42,43 Muilla kalkogenidinanopartikkeleilla (esim. ZnS) on osoitettu, että juuri tämä proteiinifraktio rajoittaa niiden hajoamista ympäristössä. 44 Voidaan olettaa, että proteiinifraktion tietyt ominaisuudet (esim. erilainen hydrofiilisyys ja/tai pintapotentiaali) ja nanometriluokkaa oleva koko saavat aikaan sen, että BioSe-partikkelit jakautuvat ympäristössä eri tavalla kuin suuremmat alkuainemuotoisen Se:n partikkelit, joihin ei liity vastaavaa proteiinifraktiota ympäristöoloissa. On helppo kuvitella, että tällainen orgaaninen fraktio saattaa hajaantua tai hajota joissain ympäristöissä, mikä muuttaa koko BioSe-komposiitin (esim. alkuaine-se + siihen liittyneet orgaaniset molekyylit) esiintymisen. Tätä ei kuitenkaan ole vielä tutkittu ympäristöoloissa. Jos voidaan osoittaa, että BioSe:n esiintyminen ja/tai sen biosaatavuus eroavat vallitsevasta alkuainemuotoisesta seleenistä, on tämän seurauksena tarpeen uudelleen arvioida nykyinen Se-rikasta maaperää (ja sedimenttejä) koskeva riskiarviointidata. SELEENIN YMPÄRISTÖLLISESTI RELEVANTTIEN PITOISUUKSIEN MITTAAMINEN MAAPERÄSTÄ Analytiikan kehitys on mahdollistanut Semääritykset kvantitatiivisesti, vaikka seleenin kokonaispitoisuus olisi alle 0,01 mg per kg. 45,46 Induktiivisesti kytketty plasma massaspektrometria (ICP-MS) on nykyään useimmiten käytetty tekniikka, jolla tutkitaan pieniä seleenipitoisuuksia (katso kuva 2). Sen avulla voidaan samanaikaisesti tutkia useita alkuaineita, mikä on välttämätöntä geokemiallisen mallintamisen mahdollistamiseksi. Seleenin määrittäminen ICP-MS -tekniikalla on kuitenkin erityisen haastavaa. Ensinnäkin, seleenillä on viisi stabiilia isotooppia, mikä heikentää kunkin yksittäisen isotoopin vastetta. Toiseksi, seleenillä on korkea ionisaatiopotentiaali, 47 minkä vuoksi seleeni ionisoituu plasmassa muita alkuaineita heikommin. Lisäksi yleisimmät Se-isotoopit ( 80 Se 49,6 %; 78 Se, 23,8 %) kärsivät argonin moniatomisista häiriöistä. 48 Vasta uusimmilla laitteistoilla on mahdollista joko poistaa (esimerkiksi törmäyskammiolla tai reaktiokaasulla) 49 tai erottaa nämä häiriöt (esimerkiksi korkean erotuskyvyn sektorikenttä-icp-mstekniikalla) 50. Näillä tekniikoilla on mahdollista tarkasti ja täsmällisesti määrittää seleenin määrä, kun pitoisuudet ovat äärimmäisen pieniä (ppb tai alle). On huomattava, että jos herkkyys ei ole riittävä ja mittaukseen tarvitaan suurempia Sepitoisuuksia kuin ympäristön luontaiset pitoisuudet, voi menetelmän sovellettavuus olla rajoitettua. Vain alan viimeisimmät analyysimenetelmät tarjoavat niin suuren herkkyyden, että voidaan varmistaa menetelmän sovellettavuus erityisesti Se-köyhään maaperään. NESTE- JA KAASUFAASIEN SPESIAATIO Seleenin kokonaisvarannon tunteminen on vasta ensimmäinen askel arvioitaessa maaperän ja ympäristön seleenitilaa. Kuten edellä on esitetty, yksittäiset seleenin muodot käyttäytyvät hyvin eri lailla ympäristössä, ja siksi onkin ratkaisevan tärkeää määrittää seleenin spesiaatio oikein. Tämä tehtävä vaatii menetelmiä, jotka eivät ole ainoastaan herkkyydeltään poikkeuksellisia vaan myös todella spesifisiä eri kemiallisille muodoille. Lisäksi näiden menetelmien tulisi estää kaikki muutokset alkuperäisessä spesiaatiossa näytteen valmistuksen ja mittausten aikana, tai niiden avulla tulisi voida päätellä alkuperäinen spesiaatio mitatuista tuloksista (katso esimerkiksi Winkel et al. 51 ). Jotta saavutettaisiin suuri herkkyys ja vähäinen matriisihäiriö, ovat spesiaatiometodit perinteisesti käyttäneet laajasti hyväkseen seleenin hydridinmuodostusta määritettäessä Se-muotoja. Tämä menetelmä perustuu oletukseen, että haihtuvat hydridit ovat muodostuneet selektiivisesti vain yhdestä seleenin muodosta (esim. seleniitistä), jolloin hydridejä muodostamattomat muodot voidaan määrittää muuttamalla ne ensin hydridejä muodostavaan muotoon ja laskemalla määritysten erotus. Mutta monenlaiset rajoitteet (esimerkiksi epätäydellinen konversio hydridejä

5 muodostaviksi muodoiksi, häiriöiden aiheuttama hydridimuodostuksen supressio, eri muotojen hävikki, 52 muiden seleeni-muotojen kuin seleniitin läsnäolo yms.) voivat haitata viimeksi mainittua menetelmää. Näin ollen nämä mahdolliset virhelähteet ovat voineet vaikuttaa vähintäänkin osaan hyvin varhaisista spesiaatiotutkimuksista (jotka ovat perustuneet yksinomaan hydridinmuodostukseen). Nykyään on käytettävissä monia erittäin herkkiä ja todella selektiiviä spesiaatiomenetelmiä, jotka on pääosin saatu aikaan yhdistämällä kromatografinen erottaminen alkuainespesifiseen detektioon. Useimmiten ICP-MS-tunnistus on kytketty nestekromatografiin (LC), jolloin käytetään tunnettujen malliaineiden retentioaikoja seleenimuotojen tunnistamiseen ja määrittämiseen. Tällöin tulee hyvin huolellisesti varmistaa, että alkuperäinen näytespesiaatio säilyy, erityisesti kun näytteen ph säädetään vastaamaan käytettyä LC-ajoliuosta. 53 Asiaa hankaloittaa edelleen se, että seleenin spesiaatio neste- ja kaasufaaseissa voi tulla yhä monimutkaisemmaksi seleenin muuttuessa biologissa prosesseissa monenlaisiksi orgaanisiksi Seyhdisteiksi. 54 Näissä tapauksissa ei aina ehkä ole mahdollista löytää sopivia malliaineita, jotka vastaisivat tunnistamattomien muotojen retentioaikoja. Viimeisintä tekniikkaa edustava massaspektrometria tarjoaa nykyään riittävän tarkan massaresoluution, jotta sillä voidaan identifioida tuntemattomat yhdisteet jopa ilman pakollista vertailua malliaineisiin 55 (kuva 2). Tästä syystä uskomme LC-ICP-MS spesisaatiomenetelmien (kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen analyysi) yhdistämisellä suuren erotuskyvyn massaspektrometriaan (identifioiminen) olevan tulevaisuudessa tärkeä osa tutkittaessa seleenin esiintymistä ympäristössä. Toinen nouseva tutkimusalue on terrestiaalinen (ja merellinen) bioottinen Se-alkylaatio, toisin sanoen orgaanisten ryhmien (metyyli, etyyli jne.) liittyminen seleeniin. Alkylaatioprosesseja on pidetty keskeisinä tekijöinä seleenin biogeokemiallisessa kierrossa (katso kuva 1). 56-58 Koska kyseisten prosessien tuloksena muodostuu haihtuvia yhdisteitä, voivat ne toisaalta lisätä seleenin puutetta maaperässä ja kasveissa, mutta ne voivat myös lisätä seleenin kulkeutumista ilmakehään ja siten seleenilaskeumaa jossain muualla. Myös tällöin on haasteena määrittää tällaisten seleenimuotojen määrä spesifisesti pitoisuuksina < 1 µg/l. Kylmäloukkumenetelmä täydentävä tekniikka, jonka avulla voidaan tarkasti erotella alkuaineita ja erityisesti niiden on eräs tekniikka, joka säilyttää haihtuvien metyloituneiden seleeniyhdisteiden spesiaation. 59 Tämä menetelmä voidaan yhdistää GC-ICP-MSanalyyseihin, joilla sitten tunnistetaan seleenin 58, 60-63 muodot ja määritetään niiden määrät. Hiljattain on kehitetty kenttätyöhön soveltuva menetelmä, joka säilyttää kaksi tärkeintä haihtuvaa orgaanista Se-yhdistettä, dimetyyliseleenin (DMSe) ja dimetyylidiseleenin (DMDSe), ja mahdollistaa niiden määrittämisen jäämäpitoisuuksina LC-ICP-MS-analyyseilla. 51 Kumpaakin tutkimusmenetelmää voidaan täydentää kiinteäfaasi-mikrouutto-kuiduilla (SPME), jotta voidaan identifioida esikonsentroituneita, alkyloituneita Se-muotoja GC-MSanalyyseillä (kaasukromatografia massaspektrometria -analyyseillä). 39 KIINTEÄN OLOMUODON SPESIAATIO Perinteisesti monissa tutkimuksissa on käytetty hyväksi erilaisia peräkkäisiä uuttoja määritettäessä rutiininomaisesti maaperässä olevan seleenin spesiaatiota (tai oikeammin fraktioita). Nämä menetelmät ovat kuitenkin osoittautuneet tarkkuudeltaan riittämättömiksi erottamaan tiettyjä seleenin muotoja, erityisesti alkuainemuodossa olevaa seleeniä. 64 Viime aikoina kiinteän materiaalin mittaamiseen käytettävät tekniikat ovat kehittyneet huomattavasti ja mahdollistaneet seleenin todellisen spesiaation määrittämisen. Viime vuosina synkrotroni- röntgen-absorptiospektroskopiaa (XAFS Synchrotron-Based X- Ray Absorption Fine-Structure) on alettu käyttää yhä enemmän ympäristötieteissä. Seleenin spesiaatiomääritysten kannalta sillä on se erityinen etu, että sillä voidaan tehdä mittaus alkuperäisessä ympäristössä, toisin sanoen inertissä kaasuympäristössä, tai mitata kosteita näytteitä kuten esimerkiksi sedimenttejä ja vetistä maaperää. 65 Tämä on erittäin tärkeää, sillä seleenin spesiaatiossa voi tapahtua olennaisia muutoksia näytteen altistuessa lyhytaikaisestikin ympäröivälle ilmalle. 64 Lisäksi synkrotronispektroskopialla voidaan arvioida sekä orgaanisia että epäorgaanisia muotoja, sekä amorfisia ja kiteisiä materiaaleja. XAFS-spektroskopia pystyy antamaan tietoa ympäristön metalleista, erityisesti niiden esiintymisestä kiinteässä (ja nestemäisessä) faasissa; 66 niiden sorptio-mekanismeista ja jopa tiettyjen muotojen esiintymisestä. 67,65 Suuren erotuskyvyn sekundääri-ionimassaspektrometria (nano-sims) on myös uusi isotooppeja. Sitä on viime aikoina käytetty yhdessä synkrotroniröntgenfluoresenssi (s-xrf) -

6 menetelmän kanssa, kun on tutkittu viljakasvien jyvien seleeniä.. 68 Tässä tutkimuksessa kävi ilmi, että seleeni oli keskittynyt proteiinin, joka ympäröi tärkkelysjyväsiä siemenen vararavinnon, endospermin, soluissa. Tämä tieto on tärkeää kasvitutkijoille seleenin biosaatavuuden parantamiseksi ja viljan seleenipitoisuuden lisäämiseksi. Maaperän ja kasvisolukon luontainen seleenipitoisuus on usein liian pieni (<ppm), jotta XAFS-spektroskopialla saataisiin hyviä tuloksia, ja se on edelleen rajoitteena näiden tekniikoiden käytössä tutkittaessa seleeniköyhien alueiden näytteitä. Siitä huolimatta synkrotronitekniikoiden jatkuvan kehityksen ansiosta niillä on potentiaalia tarjota lähitulevaisuudessa sovelluksia, joilla voidaan tutkia näytteitä ja siten lisätä tietoa seleenin kierrosta ympäristössä. SELEENIKÖYHIEN ALUEIDEN PAIKALLISTAMINEN Analyysitekniikoiden ja - menetelmien viimeaikainen kehitys on auttanut ymmärtämään mekanismeja, jotka säätelevät seleenin saatavuutta pienessä mittakaavassa. Seuraava askel on määritellä, miten nämä tiedot kytketään käytettävissä oleviin paikkatietoihin, jotta voidaan kehittää malleja seleenin esiintymisen ja saatavuuden ennustamiseksi alueilla, joilla sitä ei vielä tiedetä (katso kuvan 2 alaosa). Tällainen tieto olisi erittäin hyödyllistä köyhille maaseutuyhteisöille, jotka ovat riippuvaisia paikallistuotannosta, ja jotka siten ovat erityisen haavoittuvaisia. Viime vuosina on edistytty valtavasti sen ennustamisessa, miten kaksi muuta terveyteen vaikuttavaa alkuainetta esiintyvät luonnossa: arseeni ja fluori. 69 On onnistuttu tuottamaan arseenin riskikartoituksia niin globaalissa 70 kuin manner- 71 ja paikallismitta- maaperässä, ja siten kasvien seleeninotosta. kaavassakin 72. Kartoitukset ovat perustuneet mitattuihin arseenipitoisuuksiin ja digitaalisesti käytettävissä olevaan tietoon, kuten esimerkiksi tietoihin pintageologiasta, maaperästä, maankorkeudesta, maankäytöstä ja maatalouden harjoittamisesta (kastelu ja lannoitus). Systemaattisesti (ja asianmukaisesti) mitattua tietoa ympäristön seleenipitoisuuksista ja spesiaatiosta on vielä huonosti saatavilla, mutta seleenin ennustemallin mahdollisuuksia voidaan havainnollistaa kvalitatiivisella lähestymistavalla, jossa erilaisia paikkatietoja yhdistetään lineaarisesti. 1990-luvun puolivälissä Seiler ym. laativat kvalitatiivisia riskikartoituksia Yhdysvaltojen länsiosien alueista, joilla keinokasteltujen aluiden valumavedet saattavat aiheuttaa pintavesien kontaminoitumista seleenillä. 73,74 Tässä esittelemässämme lähestymistavassa olemme käyttäneet geokemiallista tietämystämme yhdistämällä lineaarisesti valikoituja ilmasto- ja maaperätietoja tunnistaaksemme alueet, jotka todennäköisimmin ovat seleeniköyhiä. Näin luodut mallit vastaavat silmämääräisesti hyvin alueita, joilla esiintyy seleenin puutteesta johtuvia sairauksia ja joilla maaperän sisältämät seleenitasot vaihtelevat matalasta niukkaan (katso kuva 3). Riskikarttojen ja saatavilla olevan tiedon kvalitatiivinen vertailu osoittaa siis melko hyvän yhtäpitävyyden seleeniköyhiksi tiedettyjen alueiden kanssa. Tulokset ovat myös lupaavia ajatellen tilastollisesti luotettavien riskikarttojen laatimista, kunhan käytettävissä on riittävästi tietoa. Seleenin puutteen ennustamisen mallintamiselle olisi paljon hyötyä uudesta nestemäisen ja kiinteän olomuodon spesiaatiodatasta, koska ne voivat antaa tietoa seleenin sorptiosta ja biosaatavuudesta

Kuva 2. Kaavio, joka esittää alan viimeisimpiä analyysitekniikoita, joilla voidaan tutkia seleenin käyttäytymistä ympäristössä (tässä tapauksessa maaperässä). Synkrotronispektroskopia ja suuren erotuskyvyn massaspektrometria - tekniikat antavat tietoa seleenin muodoista ja liikkuvuudesta kiinteissä ja nestemäisissä näytteissä. Tämä tieto on tärkeää seleenin luonnollisen käyttäytymisen paremmaksi ymmärtämiseksi erilaisissa ympäristöissä. Viime aikoina saavutettu seleenin geokemiallinen tuntemus auttaa laatimaan ennustemalleja, jotka perustuvat sekä geokemialliseen tietoon että paikkatietoon. Käytettävissä olevan maaperää koskevan paikkatiedon mullistava kehitys ja paikkatietomallintaminen tarjoavat tulevaisuudessa lupaavan työvälineen, jolla voidaan ennustaa seleenin esiintymistä ja saatavuutta paikallisessa ja globaalissa mittakaavassa. 7

8 Kuva 3. Kiinan (ilman Taiwania) karttojen vertailu. (a) Seleenin puutosalueiden kvalitatiivinen riskinennustuskartta. Värit 0 (valkoinen), 1 (sininen), 2 (vihreä) ja 3 (keltainen) osoittavat alueen riskitekijöiden lukumäärää. Tällaisia riskitekijöitä ovat (i) kokonaishaihdunta/sademäärä -suhde välillä 1,0 2,5 sekä maaperän (ii) ph 5,5 7,2 ja (iii) orgaanisen hiilen pitoisuus suurempi kuin 0,6 %, jotka molemmat ovat maaperän ominaisuuksia, jotka rajoittavat kasvien seleeninottoa. (b) Seleenin puutteesta johtuvia sairauksia.(c) Seleenin esiintyminen maaperässä (Wang ja Gao 17 ). LUONNON JA IHMISEN TOIMINNASTA AIHEUTUVIEN TEKIJÖIDEN VUOROVAIKUTUS, JOKA JOHTAA SELEENIN LIIAN SUUREEN MÄÄRÄÄN VESISSÄ, MAAPERÄSSÄ JA VILJELYKASVEISSA Runsasseleenisten alueiden liian suurien seleenipitoisuuksien syynä on yleensä seleenirikas kallioperä, vaikkakin varsinaisen seleenin liikkeellelähdön ja kerääntymisen on usein aiheuttanut ihmisen toiminta, jota seleenin kertymistä suosivat geologiset tekijät ovat edistäneet. Tätä havainnollistaa myrkyllisten seleenipitoisuuksien kehittyminen pintavesiin kahdessa eri paikassa Kaliforniassa: Kesterson Reservoir San Joaquin Valley ja Newport Bayn alue. Kaliforniassa seleenin ensisijainen lähde on seleenipitoiset merellistä alkuperää olevat sedimenttikivilajit, 75,76 mutta tärkein laukaiseva tekijä seleenin kertymiselle ja suurille pitoisuuksille pintavesissä oli ojitus, jolla pyrittiin vähentämään voimakkaasta keinokastelusta johtuvaa suolan muodostumista. Tämä johti maaperään adsorboituneen seleenin hapettumiseen ja sitä seuranneeseen mobilisoitumiseen. San Joaquin Valleyssa pintaveden erittäin suuret seleenipitoisuudet (noin 150 µg Se per litra) 77 olivat seurausta ojituksen ja suuren haihtumisnopeuden yhteisvaikutuksesta. Newport Bayn alueella viljelymaiden ojitus johti siihen, että seleenipitoisuudet nousivat ympäristön kosteikossa, joka tunnetaan nimellä Swamp of the Frogs (Sammakoiden suo). Kaupungistumisen laajeneminen puolestaan aiheutti seleenin uudelleenhapettumisen ja vapautumisen San Diegon puroon ja lopulta kertymisen Newport Bayn lahteen. Seleenipitoisuudet ylittivät paikallisesti mutta jatkuvasti kroonisen (neljän päivän keskiarvo), makeita vesiä koskevan myrkyllisten aineiden rajaarvosuosituksen (5 µg Se per litra). 77,78 Ratkaiseva tekijä myrkyllisten seleenipitoisuuksien kehittymiselle Kaliforniassa oli se, että maanpinnan alla yksi tai useampi yhtenäinen savikerros erotti seleenirikastuneen matalan pohjavesivaraston hydraulisesti paikallisista syvemmistä pohjavesistä. Nämä savikerrokset ovat toimineet luonnollisina sulkuina, jotka estivät

9 veden vertikaalisen virtauksen ja johtivat seleenin kertymiseen pintavesiin 79-81 (katso kuva 1). Tällaisen sulun puuttumisen uskotaan estäneen Luoteis-Intiassa (Punjab) viljelykasveja keinokastellaan pohjavesillä, joiden seleenipitoisuudet ovat niinkin suuria kuin 341 µg per litra. 22 Tämän artikkelin kirjoittajat varoittavat, että runsaasti vettä vaativien kasvien, erityisesti riisin ja vehnän, viljely voi johtaa seleenin kertymiseen maaperään ja kasveihin. Puolikuivan viljelysmaan keinokastelu ja ojitus potentiaalisesti seleenipitoisilla alueilla onkin selvästi yleisin syy maaperän saastumiseen seleenillä. 79 Keinokastellun pinta-alan odotetaan entisestään kasvavan maapallon lämpenemisen, väestömäärän lisääntyminen aiheuttaman paineen ja näiden aiheuttamien maankäytön muutosten seurauksena. 83 Ilmasto-oloilla on myös tärkeä osansa seleenin biosaatavuuden säätelyssä. Ilmasto vaikuttaa erityisesti veden saatavuuteen maaperässä, säätelee hapetus-pelkistysolosuhteita, vaikuttaa orgaanisen aineen määrään säätelemällä hapetusprosesseja, ja korreloi ilmakehän seleenin märkälaskeumaan sademäärän kautta. 84 Näin ollen on odotettavissa, että tulevat muutoksen maankäytössä ja ilmastossa vaikuttavat merkittä-västi seleenin esiintymiseen ympäristössä. Terveyshaittojen ehkäisemiseksi on ratkaisevan tärkeää, että ymmärrämme paremmin, miten nämä muutokset vaikuttavat ympäristön seleenipitoisuuksiin. Edellä kuvattiin ihmisen toiminnasta johtuvien muutosten vaikutuksia seleenin esiintymiseen ympäristössä. Näiden lisäksi ihmisen toiminta lisää seleeniä pintaympäristöön myös suoraan. Tällaisia lisäyksiä ovat hiilen ja öljytuotteiden polton ja metallinjalostuksen 85 aiheuttamat seleenipäästöt ilmakehään, mutta myös seleeniä sisältävien lannoitteiden, kalkin ja lannan käyttö viljelymaissa, millä pyritään lisäämään eri elintarvikkeiden seleenipitoisuuksia. Kiinassa hiilenpoltto on ensisijainen energianlähde, ja hiilenpolton on ennustettu lisääntyvän joka vuosi 3,0 %:a vuoteen 2030 asti. 86 Vaikka hiilivoimaloille asetetaan yhä enemmän päästörajoituksia, niiden teho seleeninpoiston osalta on yhä vähäinen. Tämä tarkoittaa sitä, että seleeniä pääsee ilmakehään entistä enemmän. 87 Seleeniä sisältävien lannoitteiden (joissa seleeni on yleensä seleniitin tai selenaatin epäorgaanisina suoloina) 30 käyttö elintarvikkeiden seleenipitoisuuksien nostamiseksi on tulossa yhä tärkeämmäksi. 7,88 Suomessa seleenilannoitteiden käyttö aloitettiin kansallisessa mittakaavassa jo 1984, minkä seurauksena ravitsemuksellinen seleeninsaanti seleenin kertymisen pintavesiin Kanadan Northern Great Plainsin alueella. 82 nelinkertaistui ja plasman ja seerumin Sepitoisuudet melkein kaksin-kertaistuivat tutkitussa väestössä. 89,90 Myös Isossa-Britanniassa kaupallisia seleenilannoitteita käytetään laidunmailla ja rehun tuottamisessa ravitsemuksellisen seleeninsaannin lisäämiseksi liha- ja maitotuotteista. 91 Se-lannoitteiden käytön aloittamisesta asti viranomaiset ovat säännöllisesti seuranneet seleenilisäysten vaikutusta elintarvikkeiden ja rehujen seleenipitoisuuteen, ja seleenin saannin päiväannoksen turvallisuuteen. Paljon vähemmän on kuitenkin kiinnitetty huomiota seleenilisäysten vaikutuksiin maaperään ja ympäristöön. Satokasvit ottavat vain noin 5 20 % vuosittaisesta seleenilannoituksesta, loppu oletettavasti pelkistyy ja immobilisoituu liukenemattomiksi muodoiksi maaperään. Ellei seleenin huuhtoutumista tai haihtumista maasta tapahtuisi, lannoitteen käytön seurauksena seleenipitoisuus kasvaisi lannoitetuissa suomalaisissa viljelysmaissa noin 20 %:lla. 92 Todellisuudessa mitään lisääntymistä ei ole havaittu, joten seleenin on täytynyt mobilisoitua. 93 Tennesseen osavaltiossa (Yhdysvallat) Selannoitteiden käyttö on aiheuttanut seleenin kulkeutumista pintavalunnan mukana, minkä seurauksena sitä on kertynyt vesiluontoon 94 (katso kuva 1). Vaikka seleeniä sisältävien lannoitteiden käyttö voikin olla hyödyllistä ihmisille ja eläimille, se voi pitkällä aikavälillä olla potentiaalisesti haitallista maaperälle ja vesivarannoille. 95 Tämä johtuu seleenin voimakkaasta taipumuksesta biokertymiseen (kertyminen organismeihin minkä tahansa reitin kautta, esim. hengittämisen, ravinnonoton kautta tai kontaktissa saastuneeseen aineeseen) ja biorikastumiseen (eli kertyminen organismiin sen altistuessa saastuneelle ympäristölle). Näin ollen Selannoitteiden käyttöstrategiat tulee suunnitella asianmukaisesti ja seleenipitoisuuksia tulee seurata lannoitetussa maaperässä ja lähiympäristössä (esimerkiksi pintavesissä ja pohjavesissä). Koska seleenin kokonaismäärä ei välttämättä heijasta biosaatavan seleenin pitoisuutta, huomioon tulee ottaa myös seleenin biosaatavuuteen vaikuttavia tekijöitä, esimerkiksi vallitseva spesiaatio. 91

10 TULEVAISUUDEN NÄKYMIÄ Aina siitä lähtien, kun ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius vuonna 1817 löysi seleenin, se on ollut monien tieteellisten tutkimusten kohde. 1950-luvulta alkaen suuri osa seleenitutkimuksia on keskittynyt seleenin tarpeeseen karjataloudessa ja ihmisen ravitsemuksessa. 96,97 Ympäristövaikutusten tutkiminen lähti käyntiin 1980-luvulla Kalifornian Kestersson Wildlife Refuge and Reservoir -luonnonsuojelualueella tapahtuneen ympäristökatastrofin seurauksena. Nyt seleenin ympäristötutkimus on käännekohdassaan. Herkkien ja alkuaineiden eri kemiallisille muodoille spesifien analyysitekniikoiden saatavuus ja kehitys antavat meille työvälineet, jotka tarvitsemme ymmärtääksemme paremmin seleenin kemiallista käyttäytymistä ympäristössä erityisesti seleenin määrän ollessa vähäinen. Ihmisellä esiintyvät seleenin puutokset ovat tosiasia, joka tekee riittävän saannin varmistamisen ruokavaliosta entistäkin kiireellisemmäksi ja korostaa seleenin esiintymistä kuvaavien karttojen tärkeyttä. Maailman seleenikartta (the Se World Map) on tällä hetkellä ainoa maailmanlaajuinen karttakokoelma niukkaseleenisistä alueista. On kuitenkin paljon alueita, joilla seleenin esiintymistä ei tunneta. Geokemiallisen ja suuren mittakaavan paikkatiedon mullistavan kehityksen voi ennakoida kehittävän myös työvälineet seleenin esiintymisen ja saatavuuden ennustamiseksi paikallisessa mittakaavassa. On selvää, että ihmisen toiminta jättää lähtemättömän jälkensä seleenin esiintymiseen luonnossa ja että se yhä enemmän vaikuttaa seleenin esiintymiseen maaperässä. Estääksemme vakavat ympäristön seleenimyrkytystapaukset tulevaisuudessa on tärkeää tunnistaa varhaisessa vaiheessa riskialueet, joille on vaarassa kehittyä suuri Se-pitoisuus. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi meidän tulee oppia tapauksista, joissa seleeniä on kertynyt haitallisen paljon. Näin on tapahtunut keinokastelun ja ojituksen seurauksena alueilla, joilla on luonnollinen seleenilähde, kuten esimerkiksi Kaliforniassa. Yksi perusedellytys liian suurien seleeni-pitoisuuksien kehittymiselle on paikallinen geogeeninen tai ihmisen toiminnasta johtuva seleenilähde, esimerkiksi seleeniä sisältävät kivilajit, seleenilannoitteet tai energiantuotannossa käytettävä seleenipitoinen hiili. Alueilla, joilla nämä edellytykset täyttyvät, maatalouteen liittyvien muutosten suunnittelu vaatii erityistä huolellisuutta. Erityisesti välimerenilmaston maissa puolikuivan viljelysmaan keinokastelu lisää riskiä seleenin kertymisestä pintavesiin. Näin ollen keinokastelun valumavesistöjä ja pohjavesiä tulisi tarkasti seurata, jotta toimenpiteisiin voidaan ryhtyä ennen kuin seleenipitoisuudet kehittyvät suuriksi. Maaperän, pintavesien ja pohjavesien seleenipitoisuuksien pitkäaikainen seuranta on erityisen tärkeää alueilla, joilla seleeniä lisätään maaperään. Myös pinnanalaiset ominaisuudet tulee selvittää, jotta voidaan arvioida seleenin aiheuttaman kontaminoitumisen haitta syvemmissä pohjavesissä. Vaikka seleenin myrkyllisyys on tällä hetkellä vähemmän laajalle levinnyt ongelma kuin seleenin puutos, on tärkeää ponnistella tulevien ongelmien ennakoimiseksi riittävän ajoissa. Asioiden ennakointi on ainoa tehokas tapa tunnistaa ja kontrolloida ympäristön saastumista seleenillä ja siten myötävaikuttaa ympäristöhaittojen ehkäisemiseen. ARTIKKELIN KIRJOITTAJAT Vastaava kirjoittaja *Puhelin: +41 58 765 5601; fax: +41 58 765 5210; email: lenny.winkel@eawag.ch. KIITOKSEMME L.H.E.W. kiittää Euroopan komissiolta (AquaTRAIN MRTN-CT-2006-035420) ja Swiss National Science Foundationilta saamastamme rahoituksesta (SNF) (PP00P2_133619). Kiitämme myös EAWAG tuesta tiedonkeräyksessä ja -käsittelyssä. M.L. kiittää National Science Foundationia saamastaan rahoituksesta (SNF 200021_126899 och 200020_138210). L.C. kiittää saamastaan rahoituksesta AquaTRAIN, RECOSY och ANDRAa. LÄHDELUETTELO (1) Rayman, M. P. The importance of selenium to human health. Lancet 2006, 356, 23 241. (2) Levander, O. A.; Burk, R. F. Update of human dietary standards for selenium. In Selenium: Its Molecular Biology and Role in Human Health, 2nd ed.; Hatfield, D. L., Berry, M. J., Gladyshev, V. N., Eds.; Springer: New York, 2006. (3) World Health Organization and Food and Agricultural Organization of the United Nations. Human Vitamin and Mineral Requirements, 2004; ISBN 92 4 154612 3. (4) Moreno-Reyes, R.; Egrise, D.; Neve, J.; Pasteels, J. L.; Schoutens, A. Selenium deficiency-induced growth retardation is associated with an impaired bone metabolism and osteopenia. J. Bone Miner. Res. 2001, 16 (8), 1556 1563. (5) Contempre, B.; Duale, N. L.; Dumont, J. E.; Ngo, B.; Diplock, A. T.; Vanderpas, J. Effect of selenium supplementation on thyroid hormone metabolism in an iodine and selenium deficient population. Clin. Endocrinol. (Oxford, U.K.) 1992, 36 (6), 579 583. (6) Stone, R. A Medical Mystery in Middle China.

11 Science 2009, 324, 1378 1381. (7) Combs, J. F. Jr. Selenium in global food system. Br. J. Nutr. 2001, 85, 517 547. (8) Haug, A.; Graham, R. D.; Christophersen, O. A.; Lyons, G. H. How to use the world s scarce selenium resources efficiently to increase the selenium concentration in food. Microb. Ecol. Health Dis. 2007, 19 (4), 209 228. (9) Brinkman, M.; Reulen, R. C.; Kellen, E.; Buntinx, F.; Zeegers, M. P. Are men with low selenium levels at increased risk of prostate cancer? Eur. J. Cancer 2006, 42, 2463 2471. (10) Gailer, J. Arsenic selenium and mercury selenium bonds in biology. Coord. Chem. Rev. 2007, 251, 234 254. (11) Stranges, S.; Navas-Acien, A.; Rayman, M. P.; Guallar, E. Selenium status and cardiometabolic health: State of the evidence. Nutr. Metab. Cardiovasc. 2010, 20, 754 760. (12) Moreno-Reyes, R.; Suetens, C.; Mathieu, F.; Begaux, F.; Zhu, D.; Rivera, M. T.; Boelaert, M.; Neve, J.; Perlmutter, N.; Vanderpas, J. Kashin-Beck osteoarthropathy in rural Tibet in relation to selenium and iodine status. N. Engl. J. Med. 1998, 339 (16), 1112 1120. (13) Reilly, C. Selenium in Food and Health, 2nd ed.; Springer: New York, 2006; p 206. (14) Steinnes, E. Soils and Geomedicine. Environ. Geochem. Health 2009, 31, 523 535. (15) Ferna ndez-martıńez, A.; Charlet, L. Selenium environmental cycling and bioavailability: A structural chemist point of view. Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 2009, 8, 81 110. (16) Dhillon, K. S.; Dhillon, S. K. Distribution and management of seleniferous soils. Adv. Agron. 2003, 79, 119 184. (17) Wang, Z. J.; Gao, Y. X. Biogeochemical cycling of selenium in Chinese environments. Appl. Geochem. 2001, 16, 1345 1351. (18) Wen, H. J.; Qiu, Y. Z. Geology and Geochemistry of Se-Bearing Formations in Central China. Int. Geol. Rev. 2002, 44, 164 178. (19) Zhu, J. M.; Wang, N.; Li, S.; Li, L.; Su, H.; Liu, C. X. Distribution and transport of selenium in Yutangba, China: Impact of human activities. Sci. Total Environ. 2008, 392, 252 261. (20) Luoma, S. N.; Presser, T. S. Emerging opportunities in management of selenium contamination. Environ. Sci. Technol. 2009, 43 (22), 8483 8487. (21) Wu, L. Review of 15 years of research on ecotoxicology and remediation of land contaminated by agricultural drainage sediment rich in selenium. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2004, 57 (3), 257 269. (22) Bajaj, M.; Eiche, E.; Neumann, T.; Winter, J.; Gallert, C. Hazardous concentrations of selenium in soil and groundwater in North-West India. J. Hazard. Mater. 2011, 189 (3), 640 646. (23) Lag, J.; Steinnes, E. Regional distribution of selenium and arsenic in humus layer of Norwegian forests. Geoderma 1978, 20, 3 14. (24) Wen, H.; Carignan, J. Reviews on atmospheric selenium: Emissions, speciation and fate. Atmos. Environ. 2007, 41, 7151 7165. (25) Johnson, C. C.; Ge, X.; Green, K. A.; Liu, X. Selenium distribution in the local environment of selected villages of the Keshan Disease belt, Zhangjiakou District, Hebei Province, People s Republic of China. Appl. Geochem. 2000, 15, 385 401. (26) Fukushi, K.; Sverjensky, D. A. A surface complexation model for sulfate and selenate on iron oxides consistent with spectroscopic and theoretical molecular evidence. Geochim. Cosmochim. Acta 2007, 71, 1 24. (27) Manceau, A.; Charlet, L. The mechanism of selenate adsorption on goethite and hydrous ferric oxide. J. Colloid Interface Sci. 1994, 168,87 93. (28) BarYosef, B.; Meek, D. Selenium Sorption by Kaolinite and Montmorillonite. Soil Sci. 1987, 144, 1 19. (29) Gustafsson, J. P.; Johnsson, L. The association between selenium and humic substances in forested ecosystems laboratory evidence. Appl. Organomet. Chem. 1994, 8, 141 147. (30) Bitterli, C.; Ban uelos, G. S.; Schulin, R. Use of transfer factors to characterize uptake of selenium by plants. J. Geochem. Explor. 2010, 107 (2), 206 216. (31) Sarret, G.; Avoscan, L.; Carrie re, M.; Collins, R.; Geoffroy, N.; Carrot, F.; Cove s, J.; Gouget, B. Chemical Forms of Selenium in the Environmental Science & Technology emetal-resistant Bacterium Ralstonia metallidurans CH34 Exposed to Selenite and Selenate. Appl. Environ. Microbiol. 2005, 71 (5), 2331 2337. (32) Chakraborty, S.; Bardelli, F.; Charlet, L. Reactivity of Fe(II) on calcite: Selenium reduction. Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 1288 1294. (33) GSJ Atlas of Eh-pH diagrams-intercomparison of thermodynamic databases. Geological Survey of Japan Open File Report 419, 2005. (34) Zhang, Y.; Zahir, Z. A.; Frankenberger, W. T. Jr. Fate of colloidal-particulate elemental selenium in aquatic systems. J. Environ. Qual. 2004, 33 (2), 559 564. (35) Lovley, D. R. Dissimilatory metal reduction: From early life to bioremediation. ASM News 2002, 68 (5), 231 237. (36) Charlet, L.; Scheinost, A. C.; Greneche, J. M.; Tournassat, C.; Ge hin, A.; Ferna ndez-martıńez, A.; Coudert, S.; Tisserand, D.; Brendle, J. Electron transfer at the mineral/water interface: Selenium reduction by ferrous iron. Geochim. Cosmochim. Acta 2007, 71, 5731 5749. (37) Stolz, J. E.; Basu, P.; Santini, J. M.; Oremland, R. S. Arsenic and selenium in microbial metabolism. Annu. Rev. Microbiol. 2006, 60,107 130. (38) Oremland, R. S.; Herbel, M. J.; Blum, J. S.; Langley, S.; Beveridge, T. J.; Ajayan, P. M.; Sutto, T.; Ellis, A. V.; Curran, S. Structural and spectral features of selenium nanospheres produced by Se respiring bacteria. Appl. Environ. Microbiol. 2004, 70 (1), 52 60. (39) Lenz, M.; Smit, M.; Binder, P.; Van Aelst, A. C.; Lens, P. N. L. Biological alkylation and colloid formation of selenium in methanogenic UASB reactors. J. Environ. Qual. 2008, 37 (5), 1691 1700. (40) Lenz, M.; Enright, A. M.; O Flaherty, V.; Van Aelst, A. C.; Lens, P. N. L. Bioaugmentation of UASB reactors with immobilized Sulfurospirillum barnesii for simultaneous selenate and nitrate removal. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2009, 83 (2), 377 388. (41) Verma, A.; Uzun, O.; Hu, Y.; Han, H. S.; Watson, N.; Chen, S.; Irvine, D. J.; Stellacci, F. Surface-structure-regulated cellmembrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nat. Mater. 2008, 7, 588 595. (42) Lenz, M.; Kolvenbach, B.; Gygax, B.; Moes, S.; Corvini, P. F. X. Shedding light on selenium biomineralization: Proteins associated to bionanominerals. Appl. Environ. Microbiol. 2011, 77 (13), 4676 4680. (43) Dobias, J.; Suvorova, E. I.; Bernier-Latmani, R. Role of proteins in controlling selenium nanoparticle size. Nanotechnology 2011, 22 (19), 195605. (44) Moreau, J. W.; Weber, P. K.; Martin, M. C.; Gilbert, B.; Hutcheon, I. D.; Banfield, J. F. Extracellular proteins limit the dispersal of biogenic nanoparticles. Science 2007, 316 (5831), 1600 1603. (45) Capelo, J. L.; Fernandez, C.; Pedras, B.; Santos, P.; Gonzalez, P.; Vaz, C. Trends in selenium determination/speciation by hyphenated techniques based on AAS or AFS. Talanta 2006, 68 (5), 1442 1447. (46) Wake, B. D.; Bowie, A. R.; Butler, E. C. V.; Haddad, P. R. Modern preconcentration methods for the determination of selenium species in environmental water samples. TRAC-Trend Anal. Chem. 2004, 23 (7), 491 500. (47) Uchida, H.; Ito, T. Evaluation of an inductively coupled airargon plasma as an ion source for mass spectrometry. J. Anal. Atom. Spectrom. 1997, 12 (9), 913 918. (48) May, W. M.; Wiedmeyer, R. H. A Table of Polyatomic Interferences in ICP-MS. Atom. Spectrosc. 1998, 19 (5), 150 155. (49) Tanner, S. D.; Baranov, V. I.; Bandura, D. R. Reaction cells and collision cells for ICP-MS: A tutorial review. Spectrochim. Acta B 2002, 57 (9), 1361 1452. (50) Moldovan, M.; Krupp, E. M.; Holliday, A. E.; Donard, O. F. X. High resolution sector field ICP-MS and multicollector ICP-MS as tools for trace metal speciation in environmental studies: a review. J. Anal. Atom. Spectrom. 2004, 19 (7), 815 822. (51) Winkel, L.; Feldmann, J.; Meharg, A. A. Quantitative and qualitative trapping of volatile methylated selenium species entrained through nitric acid. Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 382 387. (52) Planer-Friedrich, B.; Wallschla ger, D. A critical investigation of hydride generation-based arsenic speciation in sulfidic waters. Environ. Sci. Technol. 2009, 43 (13), 5007 5013. (53) Floor, G. H.; Iglesias, M.; Roman-Ross, G.; Corvini, P. F. X.; Lenz, M. Selenium speciation in acidic environmental samples: Application to acid rain-soil interaction at Mount Etna volcano.

12 Chemosphere 2011, 84 (11), 1664 1670. (54) Wallschlager, D.; Feldmann, J. Formation, Occurrence, Significance, and Analysis of Organoselenium and Organotellurium Compounds in the Environment. In Organometallics in Environment and Toxicology; Sigel, A., Sigel, H., Sigel, R. K. O., Eds.; The Royal Society of Chemistry: London, 2010; p 7. (55) Dernovics, M.; Garcia-Barrera, T.; Bierla, K.; Preud homme, H.; Lobinski, R. Standardless identification of selenocystathionine and its [gamma]-glutamyl derivatives in monkeypot nuts by 3D liquid chromatography with ICP-MS detection followed by nanohplc-qtof-ms/ms. Analyst 2007, 132 (5), 439 449. (56) Doran, J. W.; Alexander, M. Microbial formation of volatile selenium compounds in soil. Soil Sci. Soc. Am. J. 1977, 41, 70 73. (57) Zhang, Y. Q.; Frankenberger, W. T. Jr. Formation of dimethylselenonium compounds in soil. Environ. Sci. Technol. 2000, 34, 776 783. (58) Amouroux, D.; Liss, P. S.; Tessier, E.; Hamren-Larsson, M.; Donard, O. F. X. Role of oceans as biogenic sources of selenium. Earth Planet. Sci. Lett. 2001, 189, 277 283. (59) Chatterjee, A.; Shibata, Y.; Yoneda, M.; Banerjee, R.; Uchida, M.; Kon, H.; Morita, M. Identification of volatile selenium compounds produced in the hydride generation system from organoselenium compounds. Anal. Chem. 2001, 73, 3181 3186. (60) Amouroux, D.; Tessier, E.; Pe cheyran, C.; Donard, O. F. X. Sampling and probing volatile metal(loid) species in natural waters by in-situ purge and cryogenic trapping followed by gas chromatography and inductively coupled plasma mass spectrometry (P-CT-GC-ICP/ MS). Anal. Chim. Acta 1998, 377, 41 254. (61) Kremer, D.; Ilgen, G.; Feldmann, J. GC-ICP-MS determination of dimethylselenide in human breath after ingestion of 77Se enriched selenite: Monitoring of in-vivo methylation of selenium. Anal. Bioanal. Chem. 2005, 383, 509 515. (62) Krupp, E. M.; Johnson, C.; Rechsteiner, C.; Moir, M.; Leong, D.; Feldmann, J. Investigation into the determination of trimethylarsine in natural gas and its partitioning into gas and condensate phases using (cryotrapping)/gas chromatography coupled to inductively coupled plasma mass spectrometry and liquid/solid sorption techniques. Spectrochim. Acta B 2007, 62, 970 977. (63) Diaz, X.; Johnson, W. P.; Oliver, W. A.; Naftz, D. L. Volatile selenium flux from the great Salt Lake, Utah. Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 53 59. (64) Lenz, M.; van Hullebusch, E. D.; Farges, F.; Nikitenko, S.; Borca, C. N.; Grolimund, D.; Lens, P. N. L. Selenium Speciation Assessed by X-Ray Absorption Spectroscopy of Sequentially Extracted Anaerobic Biofilms. Environ. Sci. Technol. 2008, 42 (20), 7587 7593. (65) Li, H. F.; Lombi, E.; Stroud, J. L.; McGrath, S. P.; Zhao, F. J. Selenium speciation in soil and rice: Influence of water management and Se fertilization. J. Agric. Food Chem. 2010, 58 (22), 11837 11843. (66) Lenz, M.; Van Hullebusch, E. D.; Farges, F.; Nikitenko, S.; Corvini, P. F. X.; Lens, P. N. L. Combined speciation analysis by X- ray absorption near-edge structure spectroscopy, ion chromatography, and solid-phase microextraction gas chromatography-mass spectrometry to evaluate biotreatment of concentrated selenium wastewaters. Environ. Sci. Technol. 2011, 45 (3), 1067 1073. (67) Sutton, S. R.; Bajt, S.; Delaney, J.; Schulze, D.; Tokunaga, T. Synchrotron X-ray fluorescence microprobe: Quantification and mapping of mixed valence state samples using micro-xanes. Rev. Sci. Instrum. 1995, 66 (2), 1464 1467. (68) Moore, K. L.; Schro der, M.; Lombi, E.; Zhao, F. J.; McGrath, S. P.; Hawkesford, M. J.; Shewry, P. R.; Grovenor, C. R. M. NanoSIMS analysis of arsenic and selenium in cereal grain. New Phytol. 2010, 185, 345 445. Environmental Science & Technology tudie (69) Amini, M.; Mueller, K.; Abbaspour, K. C.; Rosenberg, T.; Afyuni, M.; Møller, K. N.; Sarr, M.; Johnson, C. A. Statistical Modeling of Global Geogenic Fluoride Contamination in Groundwaters. Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 3662 3668. (70) Amini, M.; Abbaspour, K. C.; Berg, M.; Winkel, L.; Hug, S. J.; Hoehn, E.; Yang, H.; Johnson, A. C. Statistical Modeling of Global Geogenic Arsenic Contamination in Groundwater. Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 3669 3675. (71) Winkel, L.; Berg, M.; Amini, M.; Hug, S. J.; Johnson, C. A. Predicting groundwater arsenic contamination in Southeast Asia from surface parameters. Nat. Geosci. 2008, 1, 536 542. (72) Winkel, L. H. E.; Trang, P. T. K.; Lan, V. M.; Stengel, C.; Amini, bm.; Ha, N. T.; Viet, P. H.; Berg, M. Arsenic pollution of groundwater in Vietnam exacerbated by deep aquifer exploitation for more than a century. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2011, 108 (4), 1246 1251. (73) Seiler, R. L. Prediction of areas where irrigation drainage may induce selenium contamination of water. J. Environ. Qual. 1995, 24 (5), 973 979. (74) Seiler, R. L.; Skorupa, J. P.; Peltz, L. A. Areas Susceptible to Irrigation-Induced Selenium Contamination of Water and Biota in the Western United States; U.S. Geological Survey Circular 1180; 1999; 36pp. (75) Presser, T. S.; Piper, D. Z. Mass balance approach to selenium cycling through the San Joaquin valley: From source to river to bay. In Environmental Chemistry of Selenium; Frankenberger, W. T., Engberg, R. A., Eds.; CRC Press: New York, 1998. (76) Martens, D. A.; Suarez, D. L. Selenium Speciation of Marine Shales, Alluvial Soils, and Evaporation Basin Soils of California. J. Environ. Qual. 1997, 26, 424 432. (77) Hibbs, B. J.; Lee, M. M. Sources of Selenium in the San Diego Creek Watershed, Orange County, California; Department of Geological Sciences, California State University: Los Angeles, CA, 2000. (78) Lee, G. F., Taylor, S. Results of Aquatic Toxicity Testing Conducted During 1997 2000 within the Upper Newport Bay, Orange County, CA Watershed. Report of G. Fred Lee & Associates: El Macero, CA, 2001. (79) Luoma, S. N.; Rainbow, P. S. Metal Contamination in Aquatic Environments; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2008; p588. (80) Presser, T. S. The Kesterson Effect. Environ. Manage. 1994, 18,437 454. (81) Presser, T. S.; Ohlendorf, H. M. Biogeochemical cycling of selenium in the San Joaquin Valley of California. Environ. Manage. 1987, 11, 805 821. (82) Hu, X.; Wang, F.; Hanson, M. L. Selenium concentration, speciation and behavior in surface waters of the Canadian prairies. Sci. Total Environ. 2009, 407, 5869 5876. (83) Stoate, C.; Baldi, A.; Beja, P.; Boatman, N. D.; Herzon, I.; van Doorn, A.; de Snoo, G. R.; Rakosy, L.; Ramwell, C. Ecological impacts of early 21st century agricultural change in Europe A review. J. Environ. Manage. 2009, 91, 22 46. (84) Spadoni, M.; Voltaggio, M.; Carcea, M.; Coni, E.; Raggi, A.; Cubadda, F. Bioaccessible selenium in Italian agricultural soils: Comparison of the biogeochemical approach with a regression model based on geochemical and pedoclimatic variables. Sci. Total Environ. 2007, 376, 160 177. (85) Fordyce, F. M. Selenium Deficiency and Toxicity in the Environment. In Essentials of Medical Geology Impact of the Natural Environment on Human Health; Selinus, O., Alloway, B., Centeno, J. A., Finkelman, R. B., Fuge, R., Lindh, U., Smedley, P., Eds.; Elsevier and Academic Press: London, 2005. (86) Energy Information Administration. Coal. In International Outlook 2007; U.S. Department of Energy: Washington, DC, 2007; pp49 60. (87) Ranville, M. A.; Cutter, G. A.; Buck, C. S.; Landing, W. M.; Cutter, L. S.; Resing, J. A.; Flegal, A. R. Aeolian contamination of Se and Ag in the North Pacific from Asian fossil fuel combustion. Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 1587 1593. (88) Cappon, C. J. Sewage sludge as a source of environmental selenium. Sci. Total Environ. 1991, 100, 77 205. (89) Ma kela, A. L.; Na nto, V.; Ma kela, P.; Wang, W. The effect of nationwide selenium-enrichment of fertilizers on selenium status of healthy Finnish medical students living in south-western Finland. Biol. Trace Elem. Res. 1993, 36, 121 157. (90) Aro, A.; Alfthan, G. Effects of selenium supplementation of fertilizers on human nutrition and selenium status. In Environmental Chemistry of Selenium; Frankenberger, W. T., Jr., Engberg, R. A., Eds.; Marcel Dekker: New York, 1998. (91) Broadley, M. R.; White, P. J.; Bryson, R. J.; Meacham, M. C.; Bowen, H. C.; Johnson, S. E.; Hawkesford, M. J.; McGrath, S. P.; Zhao, F. J.; Breward, N.; Harriman, M.; Tucker, M. Biofortification of UK food crops with selenium. Proc. Nutr. Soc. 2006, 65, 169 181. (92) Eurola, M.; Alfhan, G.; Aro, A.; Ekholm, P.; Hietaniemi, V.; Rainio, H.; Rankanen, R.; Vena la inen, E. R. Results of Finnish