水稻根系泌氧促进根表铁膜形成与砷固定机制研究

水稻根系泌氧显著促进根表铁膜形成与砷固定，但根表氧-铁相互作用、铁膜形成与砷氧化固定机制尚不清楚。我们的前期研究发现，水稻土异化铁还原-根系泌氧-根际砷氧化固定这三个过程密切相关。本项目模拟根系泌氧条件下，研究水稻根表铁膜形成与砷固定效应，揭示水稻根际氧-铁相互作用及其砷氧化固定的土壤生物化学过程。采用不同根系泌氧能力的水稻品种，研究根系泌氧能力与根表铁膜形成、砷固定效应的关系，以及水稻根系泌氧能力与水稻砷吸收和转运效应的关系；阐明异化铁还原菌与水稻根系泌氧能力在根表铁膜形成与砷固定过程中的角色与功能。采用特制的水稻根表生物电化学装置，研究水稻土中异化铁还原菌胞外呼吸电子在氧气、铁物种与砷之间的传递过程，阐明水稻土壤异化铁还原过程对根表铁膜形成与砷固定的驱动机制。在此基础上，验证实际土壤环境中异化铁还原过程促进根际铁膜形成及根际砷固定的效应。具有十分重要的土壤化学意义。

在莲花山钨矿区采集的73个水稻样品稻米样品砷含量范围为0.03-1.04 mg kg-1，平均值为 0.359 mg kg-1；水稻各部位砷含量表现为根>茎秆>籽粒的趋势，根系铁含量与根系砷含量呈极显著正相关，而根系砷含量与水稻籽粒砷含量呈显著负相关；这说明水稻根表铁膜形成对砷的固定起到非常重要的作用。100个水稻品种吸收积累砷差异结果显示，杂交稻品种稻米砷含量略高于常规籼稻；杂交稻稻米砷含量平均值为0.134 mg kg-1；常规籼稻稻米砷含量平均值为0.120 mg kg-1。而水稻各品种根表铁膜铁含量表现为常规籼稻品种大于杂交水稻，常规籼稻品种根系铁膜铁含量为平均值为183 mg kg-1；杂交水稻品种根系铁膜铁含量平均值为163 mg kg-1。不同品种水稻根表铁膜铁含量与根表铁膜砷含量之间表现出极显著的正相关关系；而水稻根表铁膜砷含量与水稻根系砷含量表现出极显著负相关关系。这一结果表明水稻根表铁膜形成可以将砷固定在根表铁膜上，而限制砷进入水稻根系内部。. 利用生物电化学装置模拟水稻根表泌氧铁膜形成过程。结果表明，As(III)的生物电芬顿氧化作用取决于阴极室内γ-FeOOH的剂量以及氧气的通入情况。增加γ-FeOOH的添加量会加速阴极室内Fe(II)和H2O2的产生量，从而加速As(III)氧化速率。根表铁膜形成以及砷氧化固定可能的生物化学机制包括以下过程：首先在水稻根际或土壤中有机物被异化铁还原菌氧化并产生质子和电子；接着电子和质子到达根表，水稻根表所分泌的氧气会接受电子发生反应生成过氧化氢；或者根际土壤中的含铁矿物Fe(III)得到电子被还原为Fe(II)并溶解出来到达根表，在根表与生成的过氧化氢发生芬顿氧化反应，氧化根表As(III)，同时形成铁氧化物矿物沉淀，并吸附As(V)。. 利用土培盆栽试验研究了不同处理对水稻根表铁膜形成及砷吸收积累的影响。结果表明，无定型铁氧化物和FeCl2处理可以显著增加水稻根表铁膜量，并可以增加根表铁膜固定砷量；同时这两组处理水稻根系及茎秆中砷的量显著低于对照。进一步分析表明，不同处理水稻根表铁膜固定砷量与水稻地上部茎秆中砷之间的呈极显著负相关关系。上述结果表明：向土壤中施加无定形铁氧化物以及亚铁盐可以促进水稻根表铁膜的形成，促进砷的固定降低其向水稻体内的转运。