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水分耦合硫酸盐驱动铁/硫循环降低水稻砷积累的作用机制研究获进展

2023-09-21 亚热带农业生态研究所

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稻田干湿交替的环境驱动了土壤一系列的氧化还原反应。有研究表明水分和硫酸盐对土壤As活性与水稻As积累具有显著影响，但关于水分耦合硫酸盐对土壤-水稻系统中As迁移积累的作用和机制尚不明确。

澳门赌场亚热带农业生态研究所黄道友研究团队通过水稻盆栽试验，研究了3种水分管理方式和5种硫酸盐水平对土壤-水稻系统中As迁移积累的影响及机理。结果表明，在淹水（F）、淹湿交替（FM）和湿润（M）条件下，外源硫酸盐的添加显著降低了稻米As含量（分别降低了60.1%、46.7%和70.5%）。然而，土壤有效As含量变化与籽粒砷含量变化不完全对应。只有在FM处理下，硫酸盐施用显著降低土壤有效As含量，从而降低稻米As积累；F和M条件下硫酸盐施用主要通过提升土壤pH，促进水稻根表铁膜的形成，进而抑制As的转运；此外，水分管理和硫酸盐单独或相互作用影响铁硫微生物的丰度，耦合铁硫氧化还原过程调控土壤As形态。在F和FM条件下，硫酸盐抑制铁还原菌，但促进Fe氧化细菌生长，导致As与铁锰氧化物结合增加；在M条件下，硫酸盐介导铁/硫循环细菌的参与调节As的吸附和释放，影响吸附态As组分。因此，硫酸盐的添加会促进铁膜中As固定，调节微生物铁/硫循环（受水分影响）促进As固定化，从而抑制As向稻米的转运。水分和养分管理对农田重金属污染修复具有重要的作用。本研究通过水分耦合硫酸盐施加，揭示了不同水分和硫酸盐管理条件下，土壤铁硫循环过程调控砷活性的微生物作用机理，为砷污染稻田降砷提供低成本管理方案，为稻米安全生产提供指导。

近期，相关研究成果以Key process for reducing grains arsenic by applying sulfate varies with irrigation mode: Dual effects of microbe-mediated arsenic transformation and iron plaque为题，发表在《环境污染》（Environmental Pollution）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和国家麻类产业技术体系的支持。

水分耦合硫酸盐驱动铁/硫循环降低水稻砷积累的作用机理图

灌浆期各处理细菌丰度（Candidateus、Koribacter、Geobacter和sulphitalea）与土壤理化指标之间的关系（a）。3种水分管理下4种细菌丰度与上述土壤理化指标的关系（b）。F处理下Geobacter丰度与KH₂PO₄-As、As-F4的关系（c）。FM处理下Koribacter丰度与KH₂PO₄-As、As-F3的关系（d）。M处理下，Geobacter丰度与KH₂PO₄-As、As-F2的关系（e）。sulphitalea丰度与KH₂PO₄-As、As-F2的关系（f）。

三种水分管理下土壤有效态砷、铁膜砷、茎/根、籽粒/茎和水稻砷之间的结构方程模型(SEM)

稻田干湿交替的环境驱动了土壤一系列的氧化还原反应。有研究表明水分和硫酸盐对土壤As活性与水稻As积累具有显著影响，但关于水分耦合硫酸盐对土壤-水稻系统中As迁移积累的作用和机制尚不明确。澳门赌场亚热带农业生态研究所黄道友研究团队通过水稻盆栽试验，研究了3种水分管理方式和5种硫酸盐水平对土壤-水稻系统中As迁移积累的影响及机理。结果表明，在淹水（F）、淹湿交替（FM）和湿润（M）条件下，外源硫酸盐的添加显著降低了稻米As含量（分别降低了60.1%、46.7%和70.5%）。然而，土壤有效As含量变化与籽粒砷含量变化不完全对应。只有在FM处理下，硫酸盐施用显著降低土壤有效As含量，从而降低稻米As积累；F和M条件下硫酸盐施用主要通过提升土壤pH，促进水稻根表铁膜的形成，进而抑制As的转运；此外，水分管理和硫酸盐单独或相互作用影响铁硫微生物的丰度，耦合铁硫氧化还原过程调控土壤As形态。在F和FM条件下，硫酸盐抑制铁还原菌，但促进Fe氧化细菌生长，导致As与铁锰氧化物结合增加；在M条件下，硫酸盐介导铁/硫循环细菌的参与调节As的吸附和释放，影响吸附态As组分。因此，硫酸盐的添加会促进铁膜中As固定，调节微生物铁/硫循环（受水分影响）促进As固定化，从而抑制As向稻米的转运。水分和养分管理对农田重金属污染修复具有重要的作用。本研究通过水分耦合硫酸盐施加，揭示了不同水分和硫酸盐管理条件下，土壤铁硫循环过程调控砷活性的微生物作用机理，为砷污染稻田降砷提供低成本管理方案，为稻米安全生产提供指导。近期，相关研究成果以Key process for reducing grains arsenic by applying sulfate varies with irrigation mode: Dual effects of microbe-mediated arsenic transformation and iron plaque为题，发表在《环境污染》（Environmental Pollution）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和国家麻类产业技术体系的支持。水分耦合硫酸盐驱动铁/硫循环降低水稻砷积累的作用机理图灌浆期各处理细菌丰度（Candidateus、Koribacter、Geobacter和sulphitalea）与土壤理化指标之间的关系（a）。3种水分管理下4种细菌丰度与上述土壤理化指标的关系（b）。F处理下Geobacter丰度与KH2PO4-As、As-F4的关系（c）。FM处理下Koribacter丰度与KH2PO4-As、As-F3的关系（d）。M处理下，Geobacter丰度与KH2PO4-As、As-F2的关系（e）。sulphitalea丰度与KH2PO4-As、As-F2的关系（f）。三种水分管理下土壤有效态砷、铁膜砷、茎/根、籽粒/茎和水稻砷之间的结构方程模型(SEM)

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