水稻土天然生物电流驱动重金属镉迁移转化的效应及机制

Contamination of heavy metal cadmium (Cd) becomes more and more serious in agricultural soils in recent years, which have imposed a great risk threat to food safety. Extracellular respiration is one of the important microbial respirations in environments, which is becoming a hot issue due to the significant influence on the transportation and transformation of heavy metals. Based on the electron transfer mechanism of extracellular respiration, the transformation of heavy metals driven by extracellular respiration process only takes place on the interface of bacterial cells or solid electron acceptors. The Paddy soil is one type of soils that the electron donors and electron acceptors are spatially separated. Currently, there is no report on the generation of natural biocurrent on the soil/water interface of the paddy soil and the transformation of Cd driven by this biocurrent. In this project, due to the favorable conditions of biocurrent generation in the Paddy soil of south China, we hypothesizes that the biocurrent generated in the soil/water interface is capable of driving the transportation and transformation of Cd. We will systematically focus on the spatial electron transfer from the bottom to top in the soil columns by following the electron transfer pathway: organic carbon→extracellular microorgaims→soil conductive network→electron acceptors. We will reveal the effect of biocurrent on the transformation of Cd in the water/soil interface and the dependence of Cd transformation on other elements . We hope that the results of this project can provide theoretical foundation for the Cd transformation in soils and technical support for remediation of cadmium contaminated soils.

农业土壤镉污染日益加剧，严重威胁着粮食生产安全。厘清土壤镉迁移转化规律，是制定有效修复措施的重要前提。胞外呼吸是厌氧环境中重要的微生物呼吸形式，其耦合的重金属迁移转化研究正成为热门领域。基于对电子传递机制的认识，普遍认为胞外呼吸驱动的重金属迁移转化以界面过程为主。水稻土作为电子供体与受体空间隔离的典型土壤类型，表水层电子受体能否长距离地与下层土壤电子供体偶联产生生物电流，并驱动镉的迁移转化，尚未见报道。本项目针对水稻土具有形成天然生物电流有利条件的特点，提出水稻土水/土界面“生物电流驱动重金属镉迁移转化”假说；以镉污染水稻土为对象，系统研究微生物驱动电子在水/土界面“由下而上”的长距离转移途径，探讨其对水稻土镉迁移转化的影响效应，明确天然生物电流驱动镉迁移转化的化学和微生物学机制，拓宽对土壤镉迁移转化机理的认识，也为镉污染土壤的原位修复提供科学理论依据。

本项目针对水稻土具有形成天然生物电流有利条件的特点，提出了利用水稻土水/土界面生物电流驱动重金属镉迁移转化的新策略。以镉污染水稻土为对象，系统研究了微生物驱动电子在水/土界面“由下而上”的长距离转移途径，探讨了其对水稻土镉迁移转化的影响效应，明确了天然生物电流驱动镉迁移转化的化学和微生物学机制，拓宽了对土壤镉迁移转化机理的认识，同时也为镉污染土壤的原位修复提供科学理论依据和方法。项目主要研究进展包括：1）通过构建不同水稻土BESs，比较了不同土壤、电子受体和物理扰动等对生物电流形成的影响，证实了水稻土水-土界面天然生物电流的形成，建立了基于电化学电容技术原位测定水-土界面天然生物电流的新方法；利用SEM和FISH等确证了稻田电缆细菌的存在，丰富了稻田电活性微生物物种；2）对比BESs中不同稻田土壤中Cd的迁移转化差异，获得了Cd分布与微生物群落的相关性信息，加深了重金属与微生物群落相互关系的理解，明确了生物电流驱动镉迁移转化的微生物机制；3）通过研究铁氧化物、腐殖质等对微生物纳米导电网络的形成、电子传递性能的影响，明确了不同晶面赤铁矿介导的生物电流传导效应及微生物胞外电子传递机制；明确了腐殖质结构及性能在电子传递过程的功能并建立了评价其影响的方法，为优化天然生物电流的性能提供了新思路；4）建立数学模型评估了41个水稻土壤的EET活性，并探索了微生物群落和外源性活动之间的关系；通过考察5种外源性物质碳纳米材料对淹水镉污染水稻土的微生物异化铁还原、Cd形态转化及生物有效性、微生物群落结构等影响，提出了利用水稻土生物电流效应结合碳纳米材料钝化镉的可行措施，阐明了复杂体系下水稻土Cd迁移转化的生物电流偶联驱动机制。本研究项目按照计划进行了研究，完成了项目所有内容。相关结果已发表SCI论文8篇，中文核心论文2篇，申请发表专利4件（获授权2件），培养硕士研究生3名。