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研究簡(jiǎn)介:砷(As)作為一種主要的環(huán)境污染物,對人類(lèi)健康構成的威脅,尤其是在通過(guò)大米消費途徑。砷在環(huán)境中主要以四種形態(tài)存在,其中亞砷酸鹽(As(III))是最有毒和最易遷移的形式。由于大米是全球大量人口的主要食物來(lái)源,減少大米中的砷積累對于減輕其對人類(lèi)健康的威脅至關(guān)重要。傳統的減少稻田土壤中砷污染風(fēng)險的方法包括化學(xué)洗滌和植物修復,但這些方法存在一定的局限性,如成本高昂、可能惡化土壤質(zhì)量或需要復雜的處理程序。因此,發(fā)展可持續的治理技術(shù)成為挑戰。文章提出了一種新的方法,即利用人造氣孔組織(MAT),通過(guò)模擬植物根系釋放的氧氣來(lái)增加土壤的氧化還原電位(Eh),從而降低砷的生物有效性。MAT的設計基于硅膠管,通過(guò)空氣泵向土壤中輸送氧氣,以提高土壤Eh并促進(jìn)鐵和砷的氧化。實(shí)驗結果表明,MAT可持續地提高土壤Eh水平,顯著(zhù)降低溶解有機碳、鐵、錳和砷的濃度,并為溶解砷提供額外的吸附位點(diǎn)。此外MAT還通過(guò)增強土壤中aioA基因的相對豐度,促進(jìn)砷酸鹽氧化為移動(dòng)性較低的亞砷酸鹽,從而減少大米中的砷積累。
Unisense微電極測定系統的應用
Unisense微電極被用于測量土壤-水界面和MAT-土壤界面的氧化還原電位(Eh)剖面。使用Eh(氧化還原電位)微電極測量了土壤-水界面和MAT-土壤界面的Eh剖面(0?6.5厘米)。微電極在土壤-水界面的位置并由步進(jìn)電機推進(jìn)控制并定位。
實(shí)驗結果
通過(guò)使用人造氣孔組織(MAT),研究成功地提高了稻田土壤的氧化還原電位(Eh),從而降低了土壤中砷的生物有效性和遷移性。MAT的應用顯著(zhù)降低了土壤孔隙水中的溶解有機碳(DOC)、鐵(Fe)、錳(Mn)和砷(As)的濃度,減少了這些元素的生物可利用性。MAT處理顯著(zhù)減少了水稻根、莖、葉和籽粒中的砷積累,降低了大米中砷的含量,對提高食品安全具有重要意義。MAT通過(guò)刺激Fe(II)的氧化和形成Fe(III)(羥基)氧化物礦物,為溶解的砷提供了額外的吸附位點(diǎn),從而促進(jìn)了砷的固定。MAT增強了土壤中aioA基因的相對豐度,促進(jìn)了砷酸鹽氧化為移動(dòng)性較低的亞砷酸鹽,表明微生物過(guò)程在砷的固定中發(fā)揮了重要作用。
圖1、人造通氣組織(MAT)系統示意圖。該圖說(shuō)明了將空氣泵入MAT中使用的硅膠管的過(guò)程。垂直土壤剖面說(shuō)明了MAT的潛在工作機制。
圖2、孔隙水化學(xué)隨MAT的變化??紫端贛AT周?chē)?至2 cm處取樣。MAT設置在~8 cm土壤深度,密度和空氣壓力分別為0.2 m2管外表面/m2土壤和25 kPa。Eh是相對于A(yíng)g/AgCl參比電極。
圖3、氧化還原電位(mV;相對于A(yíng)g/AgCl參比電極)和MAT-土壤界面的元素分布。y=0處的水平實(shí)線(xiàn)表示MAT水平展開(kāi)的MAT-土壤界面。在微宇宙培養30天后,通過(guò)微電極在水-土壤界面上測量Eh,而通過(guò)部署在與MAT相同土壤深度的IPI采樣器測量元素剖面。
圖4、MAT對As在不同水稻組織中積累的影響(A)和水稻植株生長(cháng)的影響(B)。*表示p<0.05時(shí)的顯著(zhù)差異。
圖5、微生物群落組成和As代謝基因豐度的變化。(A)微生物群落在對照中的分布以及與MAT表面不同距離處的分布;(B)距MAT表面不同距離處的群落相似性;(C)在距MAT表面不同距離處OTU數量顯著(zhù)變化;(D)作為對照的代謝基因,與MAT表面相距不同的距離。
結論與展望
砷(As)是一種主要的環(huán)境污染物,通過(guò)大米消費對人類(lèi)造成顯著(zhù)的健康風(fēng)險。提高土壤氧化還原電位(Eh)已被證明可以降低As的生物有效性,并減少大米中As的積累。然,缺乏可持續的稻田土壤Eh管理方法。為了解決這個(gè)問(wèn)題,研究人員提出了一種新方法,利用人造氣孔組織(MAT)來(lái)增加土壤Eh(氧化還原電位),模擬植物根系釋放的氧氣。使用Unisense Eh微電極,研究人員能夠精確測量土壤中的氧化還原電位。Eh是衡量土壤氧化還原狀態(tài)的重要參數,對于理解土壤中砷等元素的化學(xué)行為至關(guān)重要。研究表明,MAT方法可持續地將土壤Eh水平從?119提高到?80.7mV(約30%),在大約100天的時(shí)間里,在MAT表面附近約5厘米的范圍內。此外,它導致溶解有機碳,Fe,Mn和As濃度顯著(zhù)降低(?28.5%至?63.3%)。MAT誘導的Fe(III)(氧化)氧化物礦物為土壤孔隙水中的溶解As提供了額外的吸附位點(diǎn)。此外,MAT通過(guò)顯著(zhù)增強0?5厘米土壤區域中aioA基因的相對豐度(增加了130%)促進(jìn)了砷酸鹽氧化為移動(dòng)性較低的亞砷酸鹽。As生物有效性的降低顯著(zhù)減少了大米中的As積累(?30.0%)。這項工作提供了一種低成本和可持續的方法,通過(guò)解決土壤Eh管理問(wèn)題來(lái)緩解稻田土壤中As的釋放。本研究提供了一種低成本、可持續的方法來(lái)解決土壤Eh管理問(wèn)題,并減輕稻田土壤中砷的釋放。通過(guò)人造氣孔組織的應用,不僅能夠減少砷對環(huán)境和公共健康的風(fēng)險,還有助于提高大米的安全性,對于以大米為主要食物來(lái)源的國家和地區具有重要的實(shí)際應用價(jià)值。本研究提供了一種創(chuàng )新的方法來(lái)減少水稻土中的砷污染,對環(huán)境保護和食品安全具有重要意義,并為未來(lái)可持續農業(yè)實(shí)踐提供了新的思路。