水稻土中砷的环境化学行为及铁对砷形态影响研究进展

在水淹缺氧环境下,界面微环境中水稻土铁矿物的还原以及根表铁膜的生成是引起砷释放还原和促进砷被吸附的过程,识别铁对砷的作用机制是有效降低水稻对土壤砷吸收的方法。本文综述了水稻土中铁对砷的作用机制的国内外研究现状,并从水稻通气组织、土壤溶液氧化还原电位、铁矿物类型、有机质和阴离子种类等5个方面讨论水稻土中铁对砷的化学行为的影响,并展望了今后的研究方向,以期为水稻土砷污染防治及抑制水稻对砷的吸收提供参考。     

砷污染稻作区发展旱稻控制稻米砷暴露风险探讨

农田砷污染是我国中南、西南稻作区面临的重要环境问题之一。水稻淹水种植条件下,土壤砷的溶解度较高,其移动性和生物有效性较大,水稻根系易吸收并向地上部转移砷。而在非淹水富氧条件下,土壤砷的移动性、生物有效性及稻米砷累积量显著降低。本文在综述水分管理影响水稻砷吸收基础上,提出:砷污染稻作区可通过水改旱、发展旱稻种植,显著降低土壤砷的生物有效性;在非淹水种植、降低土壤砷活性基础上,可通过筛选砷低吸收基因型旱稻,进一步控制水稻砷吸收和稻米砷累积,实现砷污染稻作区农产品质量安全保障与水危机缓解的双赢。目前,关于旱稻对砷的胁迫响应及对砷的吸收、转运与代谢研究鲜见报道,无疑,相关工作值得深入开展。     

土壤-水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施

砷(As)作为危害人类健康的污染物之一,对粮食安全和人类健康的威胁已引起全世界的广泛关注。水稻对砷具有较强的富集能力,目前对土壤中砷的有效性、水稻对砷的吸收、水稻内砷的运转及影响因素等方面进行了广泛深入的研究。在总结目前研究成果的基础上,从土壤砷有效性和水稻砷吸收两个方面,讨论了土壤质地、有机质、灌溉方式、土壤微生物、根际环境、施肥种类、水稻品种及复合污染对土壤-水稻系统中砷迁移转化的影响因素及其机制,并从灌溉方式、施肥种类和方式及基因工程等方面进一步讨论了降低水稻砷吸收和积累的措施。根据目前研究中出现的问题和不足,对未来尚需要进一步深入的研究提出自己的建议和展望。     

水淹条件下水稻土中砷的生物化学行为研究进展

水稻土中砷的氧化还原和甲基化等生物化学过程是影响水稻砷毒性的主要作用机制;同时,水淹厌氧条件是驱动水稻土中砷的生物化学过程关键环节,且是导致水稻对砷大量吸收累积的主要原因,对以水稻为主食的人们造成健康威胁。本文综述了水稻土中砷的氧化还原和甲基化现象、砷的生物化学作用机制以及影响水稻土砷迁移转化的关键因素,并探讨了水淹厌氧条件对水稻土砷代谢微生物群落、微生物基因表达水平以及对砷归趋的影响。最后,展望了未来的研究方向,以期识别不同水管理模式下土壤微环境对水稻土中砷代谢微生物群落结构与基因表达水平的影响机制,为深入理解砷的生物化学行为和降低水稻对砷的吸收累积提供科学的理论参考。     

镉砷复合污染水稻土原位钝化修复技术研究进展

随着工农业的发展,稻田土壤正面临严重的重金属污染问题,水稻作为南亚和东南亚的主要粮食作物,稻米安全问题显得尤为突出。镉和砷两者在生物地球化学循环上有明显差异,因此镉和砷复合污染水稻土的修复一直是一个棘手的问题。综述了镉砷复合污染水稻土原位钝化技术的研究现状,将钝化技术梳理为氧化还原型、微生物转化累积型、材料型和耦合钝化技术四类。氧化还原型钝化技术重点指出稻田水分调控驱动的氧化还原电位Eh和pH变化、不同元素的生物地球化学循环、有机质等对镉和砷的迁移转化机制;微生物转化累积型钝化技术重点阐明功能微生物对砷和镉的吸收、转化、区室化、菌表吸附等作用机制;材料型钝化技术重点分析现有钝化材料的分类及其与镉和砷的固定化机制;耦合型钝化技术重点总结上述三种技术综合体系下,镉和砷的协同钝化应用。同时对未来镉砷复合污染水稻土的原位钝化修复提出展望,进一步探讨了镉砷在稻田土壤生物地球化学循环过程涉及的新型机制研究方向、修复钝化技术的创新延展趋势;期望在稳产、增产的基础上,寻求一种深度融合现代农业生产模式、保障稻田安全利用的土壤钝化改良技术体系或模式。     

生长介质中硅/砷比对水稻吸收和转运砷的影响

以2个水稻品种Jiahua-1和Italica carolina为试验材料,采用生物学模拟方法研究了水稻生长在含有AsIII或AsV介质中1周,不同硅/砷比对水稻吸收和转运砷的影响。结果表明,Italica carolina砷吸收量显著低于Jiahua-1(P0.05)。当水稻生长在含AsIII介质中,硅/砷比10∶1显著抑制了其对砷的吸收(P0.05),降幅为20.9%~22.5%,但硅/砷比对砷由根向地上部的转运无明显影响;当水稻生长在含AsV介质中,硅/砷比200∶1显著抑制了其对砷的吸收和向地上部的转运(P0.05)。水稻中砷浓度随硅/砷比的增加总体均呈下降趋势,且Italica carolina砷含量显著下降27.7%~32.6%(P0.05)。综上所述,AsIII和AsV处理条件下,硅/砷比分别为10∶1和200∶1时降低了水稻中砷吸收能力及其体内总砷浓度。因此,在砷污染的水稻种植区建议硅施用量高于土壤溶液中砷浓度10~200倍可有效抑制水稻对砷的吸收和转运,且种植水稻品种Italica carolina的健康风险明显低于种植Jiahua-1。     

水稻根际芽孢杆菌抗砷胁迫作用及其微生物机制

砷甲基化过程作为微生物的砷抗性机制改变砷的毒性和移动性，对土壤砷污染控制有重要意义。砷抗性根际促生菌对砷胁迫下水稻生长产生积极影响，然而水稻根际菌的砷甲基化效率及其影响水稻砷胁迫的机制研究还较为缺乏。从砷污染稻田根际土中筛选出一株砷甲基化功能芽孢杆菌Bacillus sp. LH14，探究该菌株的砷甲基化效率、砷抗性和促生相关特性，和菌株接种对土壤砷形态、水稻生长和根际微生物相互作用的影响。结果表明，菌株LH14具有砷甲基化和挥发能力，34 h内将三价无机砷转化为甲基砷的效率为54.9%，主要形态为二甲基砷和三甲基砷。LH14接种显著提高了土壤中砷甲基转移基因(arsM)丰度，增加土壤溶液甲基砷浓度，表明LH14参与了土壤砷形态转化。LH14能在砷胁迫下产生吲哚-3-乙酸(IAA)，菌株浸染显著增加高砷条件下种子萌发率、根和芽长及生物量。接种LH14对砷污染土壤中水稻植株生长有促进作用，可能与根际有益菌(例如Burkholderiaceae和Gemmatimonadaceae)相对丰度增加有关。所以，水稻根际存在砷甲基化功能植物促生菌，接种该菌改变水稻根际砷形态，并能产生植物激素和富集根际有益菌从而直接和间接地促进水稻生长，有利于缓解水稻砷胁迫，为砷甲基化功能菌应用于砷污染土壤修复和缓解植物砷胁迫提供理论支撑。     

磷影响下根际无机砷的形态分布及其对水稻生长的影响

两种有代表性的紫色土的水稻盆栽试验结果表明 ,磷的加入可减轻受砷污染的红紫泥中砷对水稻的毒害 ;但磷的加入会加剧受砷污染的红棕紫泥中砷对水稻的毒害。根际无机砷的形态分布研究表明 :试验土壤上 ,根际砷各形态都比非根际高 ,砷在根际呈富集状态 ;在根际环境的作用下 ,红紫泥中 ,磷的加入加剧了砷由有效态砷 (Al As、Fe As)向相对无效态砷 (O As)转化 ,砷对水稻的毒性减弱 ;红棕紫泥中 ,磷的加入加剧了砷由相对无效态砷Fe As和Al As向有效态砷Ca As和A As(表示水溶态砷及松结合态砷 )的转化 ,砷对水稻的毒性增强     

不同品种水稻对砷的吸收转运及其健康风险研究

为了比较不同品种水稻砷的积累特点,筛选可食用部分低砷积累水稻品种,研究通过盆栽试验,分析了江苏省常见的11个水稻品种根、茎、叶、谷壳和籽粒中的砷含量、砷的转运系数和根表铁膜厚度及其对砷固持的影响,并预估了不同品种水稻籽粒砷的健康风险。结果表明,不同品种水稻各部位的砷含量差异显著(P <0.05),泰瑞丰5号籽粒中的砷含量最高,而镇稻16号籽粒中的砷含量最低,后者大约是前者的一半。砷在水稻相邻部位的转运系数存在品种间差异(P <0.05),砷在水稻叶与籽粒间的转运系数最大的水稻品种是泰瑞丰5号,最小的是镇稻16号。根表铁膜量在不同品种间差异显著(P <0.05),其中淮稻6号的铁膜量是武运粳23的2.17倍。根表铁膜量与铁膜中的砷含量及水稻根叶中的砷含量均呈显著正相关关系(P <0.05)。不同水稻品种间的目标风险指数(THQ)也存在显著差异,其中泰瑞丰5号的THQ值最高,而镇稻16号的THQ值最低,两者相差0.99倍。研究表明,镇稻16号由于较低的砷吸收和转运能力,在中低砷污染土壤上种植风险较小,而泰瑞丰5号风险最大。     

土壤中砷的生物转化及砷与抗生素抗性的关联

砷是一种广泛存在于自然环境中毒性较强的类金属元素,农田生态系统中的植物(尤其水稻)很容易吸收积累土壤环境中的砷。植物中的砷沿食物链向高等动物传递,威胁人类健康。除土壤本身的理化性质外,土壤中砷的生物转化也强烈影响砷的生物有效性。目前研究发现异化砷酸盐(As(V))呼吸性还原、细胞质As(V)还原、亚砷酸盐(As(III))氧化、As(III)甲基化和有机砷的去甲基化在土壤砷的生物地球化学过程中起重要作用。随着分析化学和分子生物学技术的进步,最新研究发现土壤生物也参与了砷糖、砷糖磷脂、砷甜菜碱、砷代草丁膦、硫代砷等有机砷的合成,其中三价一甲基砷和砷代草丁膦可作为新型抗生素,但其合成机制及生态学功能有待进一步研究。本文还详细介绍了为适应复合污染环境微生物通过自身的进化对抗生素和重金属形成的四种共选择抗性机制:共抗性,交叉抗性、共调控和生物膜感应,特别提出了土壤中砷污染与抗生素抗性相关联这一新的研究方向。最后对砷生物转化和砷与抗生素共抗机制的未来研究方向做了展望。     

磷影响下根际无机砷的形态分布及其对水稻生长的影响

两种有代表性的紫色土的水稻盆裁试验结果表明，磷的加入可减轻受砷污染的红紫泥中砷对水稻的毒害；但磷的加入会加剧受砷污染的红棕紫泥中砷对水稻的毒害。根际无机砷的形态分布研究表明：试验土壤上，根际砷各形态都比非根际高，砷在根际呈富集状态；在根际环境的作用下，红紫泥中，磷的加入加剧了砷由有效态砷（Al-As、Fe-As）向相对无效态砷（O－As）转化，砷对水稻的毒性减弱；红棕紫泥中，磷的加入加剧了砷由相对无效态砷Fe-As和Al-As向有效态砷Ca-As和A-As（表示水溶态砷及松结态砷）的转化，砷对水稻的毒性增强。     

砷化物及其持留时间对砷的水稻毒性的影响

砷化物种类、砷的持留时间和土壤养分状况、对砷的水稻毒性有明显影响，３价砷和钙盐在红壤中的毒性较大，砷在土壤中持留时间愈短，其毒性愈大，受砷污染的土壤缺氮时，会加剧对水稻的危害程度。     

微生物影响稻田土壤中砷转化研究进展

稻田砷污染是一个全球性环境问题。稻米是以大米为主食的人群砷暴露的主要途径，稻米砷含量超标，会对动物和人体健康造成威胁。微生物是影响砷环境生物化学行为的重要角色，在植物-土壤-微生物系统的砷循环中发挥着重要作用。了解微生物对砷在土壤-水稻系统中的生物化学循环的影响，能够为稻田砷污染的有效治理提供理论基础。本文综述了砷氧化微生物、砷还原微生物以及砷甲基化微生物分别对砷氧化、还原和甲基化过程的影响（直接作用），并总结了微生物通过间接影响铁、硫的环境生物化学循环，进而影响稻田-水稻系统中砷的赋存形态及其转化与迁移的过程。最后，本文归纳了砷污染农田微生物修复技术的相关研究进展，并提出了研究展望。     

水稻糙米砷含量及其与土壤砷含量的关系

筛选低砷含量水稻品种或减少水稻对种植土壤中砷的吸收是控制稻米砷含量最直接有效的办法。本研究采用ICP-MS法测定21份水稻品种在3个试验点的糙米砷含量,结果表明:在3个土壤砷含量由低至高的试验点中,21份水稻品种糙米砷含量平均值也呈现出由低到高的趋势。分析水稻砷含量对不同种植环境的反应,多数品种对不同试验点环境表现的敏感性不一致,但有4个品种表现稳定,如明恢70都表现为迟钝型;明恢86表现为敏感型;明恢72和明恢81为中间型。分析浙优12号在15个栽培点中土壤砷含量、穗茎节砷含量、糙米砷含量的相关性表明,砷含量高低依次为土壤糙米穗茎节,土壤砷含量与糙米砷含量的相关性不显著;土壤砷含量与穗茎节砷含量存在不显著负相关;穗茎节砷含量与糙米砷含量之间呈极显著正相关。     

磷硅肥配施抑制华南地区水稻籽粒砷积累的效果

选取华南地区广泛种植的杂交水稻品种“培杂泰丰”,利用外源添加砷（50 mg·kg-1）的土壤盆栽试验,研究不同施用量的磷硅肥对水稻生长特性和砷积累的影响。结果表明,施用磷硅肥的处理,水稻糙米中砷含量为0.504~0.586 mg·kg-1,低于农业部颁布的粮食中砷限量标准（NY 861—2004）中大米砷限值。相关性分析表明,水稻糙米砷含量与水稻植株的生物量、稻谷千粒重和秸秆中硅/砷摩尔比呈显著负相关,与秸秆中磷/砷摩尔比呈极显著负相关;糙米的砷含量随磷、硅肥的施加而降低。综合分析表明,在华南地区同类中度砷污染土壤中可有效控制砷向水稻籽粒运输累积的磷、硅肥最优施加量及配比为40 mg P·kg-1土、50 mg Si·kg-1土。     

土壤中铜,砷对水稻生长发育影响的研究

通过田间小区试验，研究了广州近郊冲积土添加重金属铜，砷对水稻生长发育的影响，结果表明，随着铜、砷浓度的增加，水稻的株高，生物产量和经济产量均明显下降；铜，砷在水稻各器官的含量分布是根据〉茎叶〉糙米；糙米对铜，砷的吸收累积量很少，均未超过食品卫生标准，若以产量下降１０％作为水稻受害的临界点，则铜的临界浓度为１００ｍｇ／ｋｇ，砷为３０ｍｇ／ｋｇ。     

叶面喷施硅调理剂对水稻砷累积及其赋存形态的影响

采用营养液培养生物学模拟方法,研究了喷施8种不同的叶面硅调理剂对苗期水稻累积总砷(As)和砷形态的影响。结果表明,叶面施用硅调理剂可降低水稻根和茎叶中砷含量,其中叶面施用Na2SiO3+鼠李糖脂处理(Si6)的水稻根系和地上部砷含量最低,分别为10.04,0.31mg/kg,比对照降低25.35%和33.10%(P<0.05);水稻中砷的赋存形态主要为As(Ⅲ),喷施该叶面硅调理剂减少水稻地上部和根系As(Ⅲ)含量,降幅分别为27.74%和21.50%(P<0.05);综合考虑水稻根系和地上部砷累积及砷由根系向地上部的转运,对不同的叶面硅调理剂处理进行聚类分析发现,喷施Na2SiO3+鼠李糖脂的处理为水稻砷低积累类群。因此,生物表面活性剂鼠李糖脂与含硅溶液配施是抑制水稻幼苗吸收和积累砷效果最好的叶面硅调理剂,可为我国砷污染区稻米生产安全提供技术支撑。     

华南地区不同品系水稻积累砷特征及其影响因素

选用华南地区较为常见的杂交稻、优质常规稻2个水稻品系,16个水稻品种,通过土壤盆栽试验,待其成熟收获后,分析水稻根表、根部、秸秆、糙米中砷含量及相关影响元素的含量,旨在研究不同水稻品系（种）对砷吸收、转运和积累规律以及其影响因素,为低积累、高耐性水稻品系（品种）的选择及相应的农业措施提供科学的理论依据。结果表明,砷在水稻中的分布情况为根表〉根部〉秸秆〉糙米;供试的糙米中砷含量为0.18~0.47mg.kg-1,均符合国家卫生标准（GB4810—1994）。水稻根表铁锰膜中砷含量随根表中铁、锰的增加而富集,相关分析表明,根表铁锰膜形成可以有效降低糙米砷积累,而秸秆磷可以有效降低秸秆中砷的积累。杂交稻各部位的砷含量及转移系数均高于常规稻,且秸秆和糙米砷含量差异达到显著水平;天优122的糙米砷积累能力高于其他品种,美香占2号低于其他品种。     

叶面喷施硅和硒对水稻砷积累及光合参数的影响

本文采用盆栽试验，研究了在砷污染土壤上，水稻叶面分别喷施硅溶液、硒溶液和硅硒混合溶液对籽粒砷含量相对较低的水稻品种旌1优华珍和C两优华占以及籽粒砷含量相对较高的水稻品种丰优香占砷积累和光合参数的影响。试验结果表明，3种叶面喷施处理相比较而言，以叶面单独喷施硅降低水稻籽粒砷含量效果最好，优于叶面单施硒和叶面喷施硅硒混合液处理。叶面单独喷施硅与对照相比，显著降低了籽粒砷含量相对较低的两个水稻品种的籽粒砷含量，但对籽粒砷含量相对较高的水稻品种则没有显著影响。籽粒砷含量相对较低的水稻品种更多比例的砷固定在茎中使其稻米砷积累量较低。3种叶面喷施处理与对照相比均提高了水稻光合参数(如光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度)，光合参数与水稻砷浓度呈负相关关系，叶面喷施硅或硒对水稻叶片光合参数的影响差异可能是造成籽粒砷含量差异的重要原因，不同水稻品种叶片光合参数对外源硅或硒的敏感度或响应度不同。总之，叶面喷施硅溶液对改善水稻光合参数的效果最好，是减少水稻籽粒砷含量一项经济有效的措施，在生产应用实践中，要注意作物品种间的差异。     

广东汕头市土壤环境砷污染状况及污染因素分析

通过对汕头市72个菜地土壤表层样品和43个水稻土壤表层样品的分析测试,初步摸清了汕头市土壤环境中砷含量分布。其中72个菜地土壤样品和42个水稻土壤表层样品的砷含量全部符合国家土壤环境质量一级标准,但有1个水稻土壤样品砷含量达到了25.1mgkg-1,超出了国家土壤环境质量一级标准,指示该区域有点源污染存在的可能。汕头市各区、县土壤砷元素含量极不均匀,主要与成土母质及后期人为扰动等因素有关。