水稻土中氮素对微生物固砷的扰动及效应机制

我国是世界上最大的水稻生产国,水稻生产在粮食安全方面起着重要的作用.现阶段,我国稻田土壤的砷污染问题表现突出.稻田长期处于淹水的缺氧环境下,微生物在厌氧条件下介导的砷形态转化速率和程度均强于化学过程.理解和认知微生物对稻田土壤中砷固定的关键过程及作用机制将为开展稻田砷污染的有效治理提供理论依据.在综合分析了砷在稻田土壤中的迁移及其影响因素的基础上,主要综述了涉及淹水稻田土壤中微生物参与As （Ⅲ）固定两条重要途径：Fe （Ⅱ）氧化成矿耦合As （Ⅲ）固定（间接过程）与As （Ⅲ）直接氧化固定（直接过程）.同时,就氮素在土壤的形态及分配对微生物参与砷固定的响应过程也展开系统性论述.其中,总结了参与微生物砷固定与氮素转化的关键基因表达及代谢机制;最后,归纳了砷污染稻田微生物修复技术的相关研究进展,并提出了初步展望.     

稻田落干过程砷甲基化效率变化与关键影响因素分析

研究稻田落干过程砷甲基化效率变化规律,分析关键环境和生物因素的影响,为今后水稻直穗病防控提供科学依据.开展室内培养模拟稻田落干过程,以采集自贵州兴仁（XR）和广西南丹（ND）的两种砷污染水稻土壤为供试土壤,各土壤设置添加（RS）和不添加（CK）水稻秸秆处理,分析自然落干0、24、36、48和60 h过程中Eh、pH、孔隙水总有机碳（TOC）、砷形态、砷甲基化功能基因（arsM）、硫酸盐还原菌（dsrA,砷甲基化相关微生物）、产甲烷菌（mcrA,砷去甲基化相关微生物）丰度和arsM功能微生物多样性变化.稻田落干过程土壤Eh由完全淹水状态下的-300~-200 mV向落干后的-150~-50 mV变迁,而pH值变化规律不明显;孔隙水无机砷（iAs）和二甲基砷（DMAs）浓度随落干过程变化更为显著,总体呈现增加趋势,且RS处理DMAs浓度显著高于CK,ND土壤孔隙水比XR土壤孔隙水DMAs浓度更高;随落干时间延长,XR-CK和XR-RS处理土壤砷甲基化效率有一定提升,但变化不显著,而ND-CK和ND-RS处理土壤砷甲基化效率显著增加.当培养为60 h时,ND-CK和ND-RS处理砷甲基化效率相比培养初期分别提高约61.8%和23.2%;随落干时间延长arsM和dsrA基因拷贝数明显增加,而mcrA基因拷贝数显著下降.秸秆添加后显著提高全细菌和arsM、dsrA和mcrA基因丰度;进一步基于多因素方差分析和冗余分析发现,供试土壤、秸秆添加、落干时间和其交互作用对于各砷形态、砷甲基化效率和关键基因丰度变化影响显著,TOC、Eh和砷甲基化相关基因与甲基态砷呈正向关联,而与无机砷iAs呈负向关联;基于arsM微生物测序发现,伴随落干过程还发生着砷甲基化功能微生物群落的更替.研究结果有助于提升稻田落干过程中砷甲基化变化的理论认知,为今后水稻直穗病科学防控提供指导.     

稻田NO3-还原耦合As(III)氧化过程及微生物群落特征

以华南稻田土壤为研究对象通过构建微宇宙体系,研究了淹水稻田自养硝酸盐还原耦合As（III）氧化过程及其微生物群落结构组成.结果表明,NO₃^-的添加促进了稻田土壤中As（III）的氧化,在未添加NO₃^-的处理（Soil+As（III））以及灭菌处理（Sterilized soil+As（III）+NO₃^-）中As（III）未发生明显的氧化;在Soil+As（III）+NO₃^-处理中,NO₃^-有少量被还原,而在Soil+NO₃^-处理中,NO₃^-没有被还原.通过16S rRNA高通量分析在NO₃^-还原耦合As（III）氧化体系中微生物群落结构特征,在Soil+As（III）+NO₃^-处理中shannon指数相对较低为8.19,土壤微生物群落多样性降低,其中在门水平上主要优势菌群为变形菌门Proteobacteria（33%）、绿弯菌门Chloroflexi（11%）、浮霉菌门Planctomycetes（12%）;在属水平上主要的优势菌属为Gemmatimonas（7.4%）以及少量的Singulisphaera、Thermomonas、Bacillus.NO₃^-的添加能够促进稻田土壤中自养As（III）氧化,并且影响着稻田土壤中微生物群落组成.     

原始及铁改性生物质炭对污染土壤中As、Pb生物有效性和微生物群落结构的影响

为探讨原始和铁改性生物质炭对污染土壤中砷（As）和铅（Pb）生物有效性和土壤微生物群落结构的影响,利用As-Pb复合污染水稻土进行水稻盆栽试验,分别在土壤中施加3%（质量分数）的原始法国梧桐枝条炭（法桐炭）、铁改性法国梧桐枝条炭（Fe-法桐炭）、原始猪炭（猪炭）、铁改性猪炭（Fe-猪炭）.试验结束后测定土壤pH、有机碳等理化性质、土壤养分有效性、土壤有效态As和Pb、稻谷中As和Pb的含量及土壤微生物群落结构等指标.结果表明,与对照相比,施用Fe-法桐炭对土壤中As的钝化效果较好,降幅为39%;施用猪炭对土壤中Pb的钝化效果较好,降幅为19%;Fe-法桐炭的施用使稻谷中As含量降低了80%.施用两种原始生物质炭后,土壤中的微生物群落多样性指数（Chao1、Shannon）和OTUs总数均显著）增加（p<0.05）,但相较于原始生物质炭,施用铁改性生物质炭均提高了土壤中优势菌群的相对丰度,且两种铁改性生物质炭处理土壤中的优势菌属为Actinobacteria_unclassified、Gaiellales_unclassified和Nocardioides.冗余分析表明,土壤中微生物群落组成与土壤pH和有效态As关系密切.因此,施用生物质炭可以通过改变土壤pH和降低As胁迫等性质影响土壤微生物群落结构.综上所述,经过铁改性处理的法桐炭更适用于As污染土壤修复,而原始猪炭是一种比较理想的Pb污染土壤修复材料.     

谷壳灰硅肥改善土壤质量降低水稻镉砷累积的效应

为研究谷壳灰制备硅肥对水稻不同生育期土壤重金属镉（Cd）和砷（As）生物有效性、酶活性、微生物群落结构和糙米重金属含量的影响,开展水稻盆栽试验.结果表明,施用0.1%~1.0%谷壳灰硅肥能提高土壤pH值0.04~0.24个单位,有效硅含量44.2%~97.5%,也能降低土壤有效态Cd含量16.2%~21.4%,有效态As含量16.0%~24.9%;随施加量的增大各生育期土壤酶活性增大,其中蔗糖酶活性显著增大6.3%~145.7%,脱氢酶活性显著增大6.7%~224.1%;分析土壤成熟期微生物群落结构显示,施用谷壳灰硅肥不影响微生物α-多样性,但对微生物β-多样性产生显著影响,促进微生物生长,维持群落结构稳定性;随施加量的增大,糙米Cd含量降低了29.3%~89.7%,糙米总As和无机As含量分别降低7.8%~42.3%和17.2%~44.5%,当施用量在0.5%和1.0%时水稻糙米ω（Cd）<0.2 mg·kg^-1,ω（无机As）<0.35 mg·kg^-1.综上,谷壳灰硅肥能改善土壤质量、降低糙米Cd和As含量,具有环境友好性,可用于Cd和As复合污染稻田土壤的治理.     

微生物对砷的氧化还原竞争

滤池被广泛运用于饮用水厂中,前期研究发现某水厂生物滤池处理含砷地下水时,一方面三价砷可被生物氧化锰氧化为五价砷,另一方面滤池系统中存在的微生物砷还原酶可促使五价砷还原为三价砷,而滤池表面存在的这种微生物竞争关系会影响滤池的稳定性及处理效率.为探讨其内在机制,本研究选取1株锰氧化模式菌(Pseudomonas sp.QJX-1)和1株砷还原模式菌(Brevibacterium sp.LSJ-9),考察在Mn2+、As(As3+、As5+)共存时,两菌株对空间、营养物质以及对砷氧化/还原的竞争关系.结果表明,不同的反应时间,Mn、As质量浓度/价态不同,三价及五价砷体系中,Pseudomonas sp.QJX-1生成的锰氧化物在砷的氧化还原反应中占主导地位,即能迅速氧化本身存在的As3+(三价砷体系)和砷还原菌产生的As3+(五价砷体系),最终两体系中砷都主要以As5+的形式存在.PCR及RT-PCR结果表明,反应过程中锰氧化菌功能基因(cum A)抑制了砷还原酶(ars C)的表达,锰氧化菌16S rRNA表达量始终比砷还原菌高两个数量级,即锰氧化菌在生长竞争过程中占优势.实验结果表明滤池的水力停留时间是决定出水中砷价态的一个重要因素.     

腐殖质对土壤砷形态分布及转换影响研究进展

土壤砷(As)的含量和形态分布与其所处的环境条件密切相关。与总量相比,土壤As化学形态分布及各组分含量更能反映土壤中As的迁移性和生物有效性。该文概述了土壤环境条件（pH、Eh、共存离子和有机质等）对土壤中吸附-解吸、氧化-还原、沉淀-溶解和甲基化-去甲基化等非生物和生物过程下As的形态分布及转换的影响。腐殖质是土壤有机质的主要赋存形态,该文重点论述了腐殖质影响下土壤As形态分布变化及腐殖质对As形态转换影响的非生物和生物机制;非生物作用主要包括腐殖质对As的络合、吸附以及腐殖质对As（非生物）氧化还原反应的影响,而生物作用主要包括微生物参与下腐殖质对土壤中金属氧化物的氧化还原和微生物活性的影响;并在此基础上对后期研究方向做出展望。     

长期施肥对旱地红壤及作物中砷累积的影响

以湖南祁阳农田生态系统国家野外试验站的土壤为研究对象,分析了长期施肥措施对砷在土壤及作物籽粒和秸秆中累积的影响.供试土壤选择了4个不同施肥处理：不施肥（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）和化肥有机肥配施（NPKM）.结果表明,与不施肥相比,长期（26 a）施肥措施（NPK、M和NPKM）均显著增加了红壤中总砷（As）和有效态砷含量,其中,NPK处理的红壤中砷含量超过国家标准值（40 mg·kg^-1）.长期施肥处理对非专性吸附态As影响最大,其次为残渣态As,晶型氧化物结合态As,但对专性吸附态As和无定型铁铝氧化物结合态As的影响较小.与CK、NPK、M处理相比,NPKM处理能显著降低土壤中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）含量.此外,施用有机肥（猪粪）会导致玉米籽粒和秸秆中As的累积,而不会导致小麦籽粒和秸秆中的As累积.同步辐射红外显微成像和微束X射线荧光谱图显示了红壤样品中As、黏土矿物和有机官能团在微空间尺度上的高度异质性特征,表明As的有效性主要受铁氧化物和羟基碳的影响.     

砷污染湿地生境下土壤微生物多样性及群落结构特征

为研究As（砷）污染对微生物多样性的影响,找寻有利于As污染修复的抗As菌种,利用高通量测序技术分析As胁迫〔w（As）分别为0、80、100、150、200和400 mg/kg,依次记为AT0组、AT80组、AT100组、AT150组、AT200组和AT400组〕对湿地生境中土壤微生物多样性及群落结构特征的影响.结果表明:As污染会引起微生物多样性和群落结构的变化,但并不是简单的负相关.在各处理组中,AT80组的土壤中微生物多样性最高,OTU（operational taxonomic units）数高达1 849,较未经As处理的AT0组增加了58.9%,说明低As胁迫在一定程度上会刺激As敏感微生物的生长繁殖,如Desulfovibrio（脱硫弧菌属）和Allobaculum等菌属,使群落结构更加复杂多样.高w（As）（400 mg/kg）对微生物有明显的抑制作用,导致某些物种消亡和多样性下降.As胁迫会诱导抗As微生物〔如Pseuomonas（假单胞菌属）〕成为优势类群,群落结构趋于稳定、单一.微生物群落结构对不同w（As）胁迫有明显的响应特征,可作为As污染湿地土壤质量评价的灵敏指标.在AT400组中存在大量的Pseudomonas veronii,可为As污染湿地微生物修复提供借鉴.研究显示,微生物对As污染具有较为敏感的响应,其中,Proteobacteria（变形菌门）和Firmicutes（厚壁菌门）为As污染生境中微生物优势门类并且与非专性吸附态As和谷胱甘肽含量呈正相关.      

典型高原湿地底泥微生物对砷污染的响应

为了深入探讨典型高原湿地底泥微生物群落对砷胁迫的响应规律,通过砷添加(As浓度分别为0、100、150、300 mg·kg^-1,依次记为YZ1、YZ2、YZ3、YZ4)的淹水模拟湿地生境试验,利用高通量测序技术对样品中细菌16S rRNA的V3～V4区进行测序.结果显示,底泥中砷形态主要以专性吸附态砷（F2）和弱结晶度的铁铝水合氧化物结合态砷（F3）为主,且随着砷污染浓度的升高,活性态砷（F1、F2和F3）占比上升.砷污染会影响底泥微生物多样性和群落结构.与YZ1组相比,YZ2组在一定程度上刺激了砷敏感微生物的生长和繁殖,如拟杆菌门（Bacteroidetes）;YZ4组处理下明显抑制了该微生物生长,但会促进耐砷微生物生长,如厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）使其成为群落主导.同时,在属水平上,YZ4处理组中具有As（V）异化还原功能的地杆菌属（Geobacter）细菌的占比也较YZ1组有所上升.基于功能预测结果表明,与YZ1处理组相比,其它3个处理组中均降低了底泥细菌的功能.研究显示,砷胁迫下,影响了底泥细菌的群落组成.高...     

土壤水分对稻田土壤有效砷及碱性磷酸酶活性影响

采用室内模拟方法,在35%、65%和110%最大饱和持水量（WHC）条件下,系统地分析了稻田土壤有效砷及碱性磷酸酶活性变化规律.结果表明：砷污染稻田土壤后有效砷含量随砷污染浓度增加而增大,随培养时间延长逐渐降低,15d后趋于稳定;淹水降低了土壤有效砷含量及碱性磷酸酶活性;采用U=A/（1+B×C）模型较好拟合了不同水分下土壤碱性磷酸酶活性（U）与砷浓度（C）关系,表明碱性磷酸酶活性在一定程度上可表征不同水分下稻田土壤砷污染程度;计算得到稻田土壤砷轻度污染临界浓度（ED₁₀）为总砷67mg/kg和有效砷11mg/kg.研究表明适当调控土壤水分含量是控制稻田土壤砷毒性的有效方法之一.     

湖南省典型地区水田土壤锑和砷元素纵向迁移行为分析

为探讨锑(Sb)和砷(As)在土壤中的纵向迁移行为及其差异,采集湖南省典型地区水田土壤20个剖面共100个样品,对水田土壤中Sb和As的含量、垂直分布特征及其纵向迁移行为差异进行研究,为湖南省水田土壤环境影响评价和污染防控以及进一步探寻Sb和As环境行为和来源提供科学依据.结果 表明:水田土壤Sb和As含量分别为1.6...     

稻田土壤β-1, 4-葡萄糖苷酶活性对温度变化的响应特征

温度是土壤酶活性的关键非生物影响因子,调控着土壤物质周转过程.为了探究温度变化对稻田土壤有机质周转及其关键胞外酶活性的影响,设计室内培养试验,分别在5、15、25和35℃下测定亚热带稻田土壤BG（β-1,4-葡萄糖苷酶）活性,探究温度对土壤胞外酶活性及其与碳氮转化过程的影响特征.结果表明:稻田土壤中w（DOC）（DOC为可利用态碳）、w（NH₄+-N）和w（MBC）（MBC为微生物生物量碳）在5~25℃下随着培养时间的增加而降低.在第15天时BG活性达到306.57~437.75 nmol/（g·h）,并随温度的增加表现为先增后减,在第3、75天时,25℃下BG活性为184.46~207.60 nmol/（g·h）.土壤酶活性的Q₁₀（温度敏感性）在15℃升至25℃时表现出正响应（Q₁₀=1.5）,而在5~15℃和25~35℃时Q₁₀ < 1,表现为消除效应.土壤酶活性的变化是多因素共同影响的结果,温度作为关键影响因子,升温显著改变了土壤中w（DOC）、w（NH₄+-N）、w（MBC）、w（MBN）（MBN为微生物生物量氮）,进而影响土壤BG活性;土壤中w（MBC）对BG活性具有直接的显著负影响作用.研究显示,对参与稻田土壤碳转化BG酶活性的温度敏感性及其与土壤关键理化因子之间的耦合关系进行量化,有助于深入开展水稻土碳循环及其调控机制研究.      

Rapid evaluation of arsenic contamination in paddy soils using field portable X-ray fluorescence spectrometry

Arsenic (As) in paddy fields is deteriorating food security and human health through rice ingestion. Rice is the dominant food source of arsenic exposure to half of the world''s population. Therefore, an in situ effective method for As risk evaluation in paddy soil is strongly needed to avoid As exposure through rice ingestion. Herein, we developed a rapid analytical methodology for determination of As in plant tissues using field portable X-ray fluorescence spectrometry (FP-XRF). This method was applied to rice roots in order to evaluate the As contamination in paddy soils. The results showed that rice roots with iron plaques were superior to rhizosphere soils for generating FP-XRF signals, especially for field sites with As concentrations lower than the soil detection limit of FP-XRF (30.0 mg/kg). Moreover, the strong linear relationships of As concentrations between the rice roots and corresponding leaves and grains proved that the rice root, rather than the soil, is a better predictor of As concentrations in rice grains. The research provides an efficient As monitoring method for As contaminated paddy fields by using wetland plant roots with iron plaques and XRF-based analytical techniques.     

小球藻对土壤-水稻系统砷化学形态转化的影响

为揭示绿藻对土壤-水稻系统砷形态转化的影响特征,系统分析了不同浓度小球藻共存条件下水稻土砷氧化还原与溶解释放行为的变化,并结合水稻培育试验,对小球藻影响水稻砷吸收与体内砷形态的发生机制进行探讨.试验设置对照组及小球藻浓度（以体积分数计）分别为1%、5%、10%的处理,研究了小球藻对溶液体系、淹水土壤体系和淹水土壤-水稻体系中砷的化学形态转化的作用.结果表明:加藻组使As（Ⅲ）溶液和淹水土壤E_h（氧化还原电位）与pH均普遍高于对照组.在As（Ⅲ）溶液体系中,加藻组As（Ⅲ）氧化转化率较对照组升高2.38%~4.95%,该作用在淹水土壤中得到印证,小球藻的共存使土壤孔隙水ρ[As（Ⅴ）]较对照组升高129.22%~221.41%,而ρ（甲基砷）出现显著下降（5.25%~53.31%）.水稻栽培试验进一步发现,小球藻明显促进土壤中晶体态铁铝氧化物向弱结晶与无定形铁铝氧化物结合态砷等的转化,导致水稻幼苗对砷的吸收积累量增加-3.4%~23.11%,推测这与小球藻作用下土壤孔隙水ρ（DOC）的增加密切相关.研究显示,尽管小球藻有利于提高淹水土壤体系E_h并加速As（Ⅲ）的氧化转化,但小球藻可能通过有机酸等分泌物的竞争吸附作用促进铁铝氧化物结合态砷的溶解释放,从而增加水稻砷吸收;淡水藻类对土壤-水稻体系砷吸收积累的风险值得引起高度关注,并需要在大田试验中进一步加以验证.      

Effect of microbial mediated iron plaque reduction on arsenic mobility in paddy soil

The potential of microbial mediated iron plaque reduction, and associated arsenic (As) mobility were examined by iron reducing bacteria enriched from As contaminated paddy soil. To our knowledge, this is the first time to report the impact of microbial iron plaque reduction on As mobility. Iron reduction occurred during the inoculation of iron reducing enrichment culture in the treatments with iron plaque and ferrihydrite as the electron acceptors, respectively. The Fe(II) concentration with the treatment of anthraquinone-2, 6-disulfonic acid (AQDS) and iron reducing bacteria increased much faster than the control. Arsenic released from iron plaque with the iron reduction, and a significant correlation between Fe(II) and total As in culture was observed. However, compared with control, the increasing rate of As was inhibited by iron reducing bacteria especially in the presence of AQDS. In addition, the concentrations of As(III) and As(V) in abiotic treatments were higher than those in the biotic treatments at day 30. These results indicated that both microbial and chemical reductions of iron plaque caused As release from iron plaque to aqueous phase, however, microbial iron reduction induced the formation of more crystalline iron minerals, leading to As sequestration. In addition, the presence of AQDS in solution can accelerate the iron reduction, the As release from iron plaque and subsequently the As retention in the crystalline iron mineral. Thus, our results suggested that it is possible to remediate As contaminated soils by utilizing iron reducing bacteria and AQDS.     

微生物铁氧化作用对砷迁移转化的影响

采用厌氧培养的方法,从砷污染的水稻上中富集依赖硝酸盐的铁氧化菌群,通过监测培养体系中Fe和A$的形态变化模拟水稻厌氧条件下微生物铁氧化过程对As迁移转化的影响.结果表明,约96%外源添加的Fe(Ⅱ)可在10d内氧化成Fe(Ⅲ),As(Ⅲ)对Fe(Ⅱ)的初期氧化速率具有一定的抑制作用;在微生物铁氧化过程中,As(Ⅲ)被氧...     

稻田微氧层和还原层土壤有机碳矿化对氮素添加的响应

田间条件下,淹水稻田由于上覆水中溶解氧的扩散作用,使其表层土壤存在约1 cm厚的微氧层,这个特殊层次中碳氮转化的特征尚未明晰.以亚热带典型稻田土壤为对象,采用100 d室内模拟培养试验,结合¹³C稳定同位素示踪和磷脂脂肪酸(PLFA)分析技术,研究稻田土壤微氧层(0～1 cm)和还原层(1～5 cm)外源新鲜有机碳(¹³C-水稻秸秆)和原有土壤有机碳矿化对氮肥施用[(NH₄)₂SO₄]的响应规律及其微生物过程.结果表明,氮素添加使土壤总CO₂和¹³C-CO₂累积排放量分别提高11.4%和12.3%;培养结束时,氮素添加下还原层比微氧层土壤总有机碳含量和¹³C回收率分别降低2.4%和9.2%.培养前期(5 d),氮素添加提高还原层微生物总PLFAs,且细菌和真菌PLFAs响应一致,但对微氧层微生物丰度无显著影响;氮素添加对微氧层和还原层总¹³C-PLFAs丰度均无显著影响...     

杂交稻和常规稻对复合污染稻田土壤砷镉提取效果差异研究

为实现对稻田土壤砷(As)、镉(Cd)污染的同步移除,利用根箱试验,选取代表性杂交稻(HR)和常规稻(CR)品种作为修复材料进行提取. 为了评估种植HR和CR对土壤As、Cd的提取效果,以未种植水稻土壤作为对照(CK),利用孔隙水采集器在其全生育期内采集并监测土壤水溶态As、Cd浓度的变化;分别在水稻分蘖期、成熟期采用梯度扩散薄膜技术(diffusive gradients in thin-films,DGT)原位实时测定根际土壤剖面有效态As、Cd浓度;收获时利用分级提取法分析土壤As、Cd赋存形态及总量变化,并分析植株各部位的As、Cd累积量. 结果表明:水稻生长能够有效消耗土壤中生物有效态As、Cd,且HR较CR表现出更高效的As、Cd同步富集能力. 水稻成熟期,种植HR的土壤中DGT-As(扩散梯度薄膜提取态As)浓度较种植CR和CK处理分别下降69%和71%,DGT-Cd(扩散梯度薄膜提取态Cd)浓度分别降低35%和58%;HR和CR收获后土壤总As含量分别减少8%和1%,总Cd含量分别减少31%和14%;HR对土壤As、Cd的单株去除量分别为CR的1.2和4.5倍;每年种植两季HR对土壤As、Cd的移除率分别为CR的1.2和4.3倍. 研究显示,种植HR对As、Cd具有更高效的提取能力,可优先作为修复材料对稻田土壤生物有效态As、Cd进行专性提取减量,为As、Cd复合污染稻田土壤清洁提供了一条有益路径;但还需结合水分优化管理、施加促溶剂等方式形成修复链,进一步提高修复效率,缩短修复年限.