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。