Sustainable Immobilization of Arsenic by Man-Made Aerenchymatous Tissues in Paddy Soil  

人造通氣組織在稻田土壤中可持續(xù)固定砷的研究  

來源：Environmental Science & Technology, 2023, Volume 57, Pages 12280-12290

《環(huán)境科學與技術》期刊，2023年第57卷，12280-12290頁

 

摘要內容

 

研究提出一種新型人造通氣組織（MAT），通過硅膠管模擬濕地植物根系釋放氧氣，持續(xù)提升稻田土壤氧化還原電位（Eh），從而降低砷（As）的生物有效性。MAT使土壤Eh從-119 mV升至-80.7 mV（提升約30%），有效半徑達5 cm，持續(xù)作用約100天。其作用機制包括：  

降低孔隙水中溶解性有機碳（DOC）、鐵（Fe）、錳（Mn）和砷濃度（降幅28.5%-63.3%）；  

 

誘導形成Fe(III)（羥基）氧化物礦物，為砷提供額外吸附位點；  

 

通過顯著提升aioA基因豐度（0-5 cm土壤區(qū)增加130%），促進亞砷酸鹽（As(III)）氧化為難遷移的砷酸鹽（As(V)）。  

 

最終，稻米中砷積累量減少30.0%，為稻田砷污染治理提供了一種低成本、可持續(xù)的解決方案。  

 

研究目的

驗證硅膠管構建的MAT能否持續(xù)提升稻田土壤Eh；  

 

評估MAT對土壤砷固定及稻米砷積累的抑制效果；  

 

闡明MAT影響砷遷移轉化的化學與微生物機制（如Fe氧化物形成、砷形態(tài)轉化）。  

 

研究思路

MAT設計與驗證：  

 

利用高透氧性硅膠管構建MAT（圖1），模擬植物根系徑向氧損失（ROL），持續(xù)向淹水土壤輸入氧氣。  

 

 

通過微宇宙（實驗室培養(yǎng)）和中宇宙（田間模擬）實驗，對比MAT處理組（充空氣）與對照組（充氮氣）。  

多尺度監(jiān)測：  

 

土壤Eh動態(tài)：使用Unisense微電極測量Eh剖面（圖3）。  

 

孔隙水化學：Rhizon采樣器測定DOC、Fe、Mn、As濃度及砷形態(tài)（圖2）。  

 

微生物響應：qPCR定量砷代謝基因（arrA、arsC、aioA），高通量測序分析微生物群落（圖5）。  

 

水稻栽培驗證：  

 

測定稻米各組織（根、莖、葉、籽粒）砷含量，評估MAT對稻米砷積累的影響（圖4）。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

土壤Eh與孔隙水化學（圖2、圖3）：  

 

數(shù)據(jù)：MAT使0-2 cm土壤Eh從-119 mV升至-87.3 mV（提升26.9%），孔隙水As濃度降低62.2%。  

 

意義：證實MAT可持續(xù)提升土壤氧化性，直接抑制砷的溶解與遷移，為砷固定提供基礎環(huán)境條件。  

砷形態(tài)與微生物基因（圖3、圖5）：  

 

數(shù)據(jù)：MAT處理區(qū)aioA基因（As(III)氧化酶基因）豐度提升130%，As(III)占比仍＞92.2%，但As(V)固定率（74.1%）高于As(III)（67.1%）。  

 

意義：揭示微生物驅動的As(III)氧化是砷固定的關鍵機制，盡管As(III)仍為主形態(tài)，但氧化產(chǎn)物As(V)更易被Fe氧化物吸附。  

稻米砷積累（圖4A）：  

 

數(shù)據(jù)：MAT使稻米籽粒砷含量降低30.0%，根、莖、葉砷分別降低27.4%、32.2%、24.9%。  

 

意義：證明MAT技術可有效阻斷土壤砷向食物鏈傳遞，保障稻米食用安全。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

數(shù)據(jù)來源：圖3展示使用Unisense Eh微電極（型號ref-RM/RD-N）測量的土壤Eh剖面，空間分辨率0.11 cm。  

 

研究意義：  

高精度空間解析：揭示MAT周圍0-4 cm土壤Eh梯度變化（對照組平均-82.1 mV，MAT組-8.43 mV），直接證明MAT在厘米尺度形成局部氧化區(qū)。  

 

機制驗證：Eh升高與Fe/Mn/As濃度降低顯著相關（圖3），證實氧化條件抑制還原性溶解，推動Fe(III)氧化物形成及砷吸附。  

 

技術優(yōu)勢：相比傳統(tǒng)Eh探頭，Unisense微電極的亞毫米分辨率能捕捉土壤-水界面及MAT-土壤界面的微區(qū)氧化動態(tài)，為MAT作用范圍（約5 cm）提供精準證據(jù)。  

 

結論

MAT有效性：硅膠管MAT可持續(xù)提升土壤Eh（約30%），形成局部氧化區(qū)（半徑約5 cm），顯著降低孔隙水砷濃度（降幅＞60%）。  

 

砷固定機制：  

 

化學吸附：MAT誘導的Fe(III)（羥基）氧化物為砷提供吸附位點。  

 

微生物氧化：aioA基因豐度增加130%，促進As(III)向As(V)轉化，增強固定。  

應用價值：稻米砷積累減少30%，且不影響水稻生物量（圖4B），兼具低成本（比Fe?O?添加法低50倍）、無化學添加、可持續(xù)操作優(yōu)勢。  

 

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注：Unisense電極數(shù)據(jù)（圖3）是核心證據(jù)，其高空間分辨率定量揭示了MAT的局部氧化效應及與砷固定的直接關聯(lián)，為技術機制提供了不可替代的微尺度洞察。