研究简介:砷(As)作为一种主要的环境污染物,对人类健康构成的威胁,尤其是在通过大米消费途径。砷在环境中主要以四种形态存在,其中亚砷酸盐(As(III))是最有毒和最易迁移的形式。由于大米是全球大量人口的主要食物来源,减少大米中的砷积累对于减轻其对人类健康的威胁至关重要。传统的减少稻田土壤中砷污染风险的方法包括化学洗涤和植物修复,但这些方法存在一定的局限性,如成本高昂、可能恶化土壤质量或需要复杂的处理程序。因此,发展可持续的治理技术成为挑战。文章提出了一种新的方法,即利用人造气孔组织(MAT),通过模拟植物根系释放的氧气来增加土壤的氧化还原电位(Eh),从而降低砷的生物有效性。MAT的设计基于硅胶管,通过空气泵向土壤中输送氧气,以提高土壤Eh并促进铁和砷的氧化。实验结果表明,MAT可持续地提高土壤Eh水平,显著降低溶解有机碳、铁、锰和砷的浓度,并为溶解砷提供额外的吸附位点。此外MAT还通过增强土壤中aioA基因的相对丰度,促进砷酸盐氧化为移动性较低的亚砷酸盐,从而减少大米中的砷积累。


Unisense微电极测定系统的应用


Unisense微电极被用于测量土壤-水界面和MAT-土壤界面的氧化还原电位(Eh)剖面。使用Eh(氧化还原电位)微电极测量了土壤-水界面和MAT-土壤界面的Eh剖面(0?6.5厘米)。微电极在土壤-水界面的位置并由步进电机推进控制并定位。


实验结果


通过使用人造气孔组织(MAT),研究成功地提高了稻田土壤的氧化还原电位(Eh),从而降低了土壤中砷的生物有效性和迁移性。MAT的应用显著降低了土壤孔隙水中的溶解有机碳(DOC)、铁(Fe)、锰(Mn)和砷(As)的浓度,减少了这些元素的生物可利用性。MAT处理显著减少了水稻根、茎、叶和籽粒中的砷积累,降低了大米中砷的含量,对提高食品安全具有重要意义。MAT通过刺激Fe(II)的氧化和形成Fe(III)(羟基)氧化物矿物,为溶解的砷提供了额外的吸附位点,从而促进了砷的固定。MAT增强了土壤中aioA基因的相对丰度,促进了砷酸盐氧化为移动性较低的亚砷酸盐,表明微生物过程在砷的固定中发挥了重要作用。

图1、人造通气组织(MAT)系统示意图。该图说明了将空气泵入MAT中使用的硅胶管的过程。垂直土壤剖面说明了MAT的潜在工作机制。

图2、孔隙水化学随MAT的变化。孔隙水在MAT周围0至2 cm处取样。MAT设置在~8 cm土壤深度,密度和空气压力分别为0.2 m2管外表面/m2土壤和25 kPa。Eh是相对于Ag/AgCl参比电极。

图3、氧化还原电位(mV;相对于Ag/AgCl参比电极)和MAT-土壤界面的元素分布。y=0处的水平实线表示MAT水平展开的MAT-土壤界面。在微宇宙培养30天后,通过微电极在水-土壤界面上测量Eh,而通过部署在与MAT相同土壤深度的IPI采样器测量元素剖面。

图4、MAT对As在不同水稻组织中积累的影响(A)和水稻植株生长的影响(B)。*表示p<0.05时的显著差异。

图5、微生物群落组成和As代谢基因丰度的变化。(A)微生物群落在对照中的分布以及与MAT表面不同距离处的分布;(B)距MAT表面不同距离处的群落相似性;(C)在距MAT表面不同距离处OTU数量显著变化;(D)作为对照的代谢基因,与MAT表面相距不同的距离。


结论与展望


砷(As)是一种主要的环境污染物,通过大米消费对人类造成显著的健康风险。提高土壤氧化还原电位(Eh)已被证明可以降低As的生物有效性,并减少大米中As的积累。然,缺乏可持续的稻田土壤Eh管理方法。为了解决这个问题,研究人员提出了一种新方法,利用人造气孔组织(MAT)来增加土壤Eh(氧化还原电位),模拟植物根系释放的氧气。使用Unisense Eh微电极,研究人员能够精确测量土壤中的氧化还原电位。Eh是衡量土壤氧化还原状态的重要参数,对于理解土壤中砷等元素的化学行为至关重要。研究表明,MAT方法可持续地将土壤Eh水平从?119提高到?80.7mV(约30%),在大约100天的时间里,在MAT表面附近约5厘米的范围内。此外,它导致溶解有机碳,Fe,Mn和As浓度显著降低(?28.5%至?63.3%)。MAT诱导的Fe(III)(氧化)氧化物矿物为土壤孔隙水中的溶解As提供了额外的吸附位点。此外,MAT通过显著增强0?5厘米土壤区域中aioA基因的相对丰度(增加了130%)促进了砷酸盐氧化为移动性较低的亚砷酸盐。As生物有效性的降低显著减少了大米中的As积累(?30.0%)。这项工作提供了一种低成本和可持续的方法,通过解决土壤Eh管理问题来缓解稻田土壤中As的释放。本研究提供了一种低成本、可持续的方法来解决土壤Eh管理问题,并减轻稻田土壤中砷的释放。通过人造气孔组织的应用,不仅能够减少砷对环境和公共健康的风险,还有助于提高大米的安全性,对于以大米为主要食物来源的国家和地区具有重要的实际应用价值。本研究提供了一种创新的方法来减少水稻土中的砷污染,对环境保护和食品安全具有重要意义,并为未来可持续农业实践提供了新的思路。