生物炭对水稻籽粒砷积累的影响及其根际砷形态转化的微生物学机制

Arsenic (As) pollution of paddy soil is an important environmental problem of China. Proper measures should be taken to ameliorate or remediate the As-polluted paddy soil in order to increase rice yield and ensure the food security, thereby decreasing the risk caused by As contamination. Recently, biochar has been a research hotspot on preventing and controlling As pollution. However, previous studies mainly focused on the physical and chemical mechanisms on effects of biochar on arsenic migration and transformation. Little is known about the microbial mechanisms of its influence on transformation and bioavailability of arsenic species. In this proposal, biochar derived from waste of rice husk，rice straw，swine manure，rabbit manure and sludge will be used with rice as a model plant. Associated technologies like spectroscopy, analytical chemistry and molecular biology will be adopted to systematically explore the effects of biochar on arsenic transformation and bioavailability in soil especially the rhizosphere soil and its accumulation in rice plant. Moreover, the microbial mechanisms on the influence of biochar on the structure of As-related microbial communities and functional genes of As transformation in rhizosphere soil and As accumulation in rice will also be investigated, in order to understand how biochar affects the environmental behaviors of As and its migration into food chain. The results from this project are expected to provide evidence for decision-making for waste reutilization and As pollution control of paddy soil, risk assessment and safety production of rice and to provide technical support on the control of arsenic contamination of paddy soil.

水稻土的砷污染是当前我国面临的一个重要环境问题。为了提高水稻产量、保证粮食安全，必须采取适当措施对砷污染水稻土进行改良或修复，以降低其安全风险。近年来生物炭已经成为阻控砷污染的研究热点，但是以往的研究主要集中在生物炭对砷的迁移转化的物理化学机制，对砷形态转化和生物有效性的微生物机制了解的还比较少。本项目以水稻壳、水稻秸秆、猪粪、兔粪和污泥等废弃物为材料生产的生物炭，以水稻为模式植物，利用光谱学技术、分析化学、分子生物学等技术，通过系统研究深入探索生物炭对土壤特别根际土壤中砷转化、生物有效性以及及水稻中砷积累影响，解析生物炭对水稻根际土壤中砷关微生物群落结构和砷转化功能基因影响的微生物机制，以期了解生物炭对土壤中砷的环境行为和其向食物链迁移的影响。为废弃物资源化、水稻安全生产和风险评价和提供决策依据，为稻田土壤砷污染控制提供技术支撑。

水稻的砷污染是世界范围内也具有一定的普遍性。近年来，生物炭作为一种阻控水稻砷污染的重要措施被广泛研究。本项目首先对不同材料不同温度指标生物炭的特征进行表征，研究生了生物炭对土壤中砷的吸附解吸，有效性以及对水稻的吸收转运和生物炭对水稻根际土壤中砷关微生物群落结构和砷转化功能基因的影响，以期更深入的了解生物炭对砷在土壤中和水稻中砷的环境行为的影响机制，为降低水稻中砷的累积提供理论基础。实验取得了以下几方面的结果：.（1）对于蘑菇菌渣、水稻秸秆、污泥、大豆秸秆和花生壳等废弃物为材料生产的生物炭原材料和不同裂解温度条件下所制备的生物炭，虽然有很多基本理化性质差异很大，但其酸碱度（pH值）都呈碱性，且随着裂解温度升高而增大。同种原材料制备的生物炭，裂解温度越高其孔隙度越小，比表面积越大。官能团对着温度的变化没有显著变化，基本保持一致。.（2） 施加生物炭的土壤对AsIII的等温吸附曲线符合Langmuir方程和Freundlich方程，其中Langmur方程拟合最好，与对照相比，生物炭处理下神的吸附容量和吸附强度均降低, 吸附成L型曲线关系。施加生物炭能够促进土壤溶液中有效砷含量的增加，可能与土壤中DOM的竞争吸附和铁还原引起的砷释放有关。.（3）施加生物炭能够改变土壤中溶解性有机质（DOM）特性。与种类的生物炭相比，污泥生物炭（ SSBC）在降低DOM-As浓度方面效果显著。土壤中施加高温下制备的SSBC，大豆秸秆生物炭（SBBC）和花生壳生物炭（PNBC）可以显著降低水稻中AsIII和iAs的含量（p <0.05）。因此，在高温下制备的生物炭改良剂可有助于降低与水稻植物中有毒元素摄入相关的人类健康风险。. （4）施加生物炭可以显著降低水稻在灌浆时期的地上部中的砷含量，同时还可以显著降低水稻壳中无机砷的含量。随着水稻的生长，在灌浆期水稻根际微生物的群落和砷代谢基因显著高于非根基。水稻土中的微生物群落结构以厚壁菌门中芽孢杆菌纲和梭菌纲在土壤中所占比例最高，生物炭处理可以显著增加水稻根际中微生物群落结构。同时生物炭还可以显著增加砷代谢基因特别是砷还原和甲基化基因。因此，生物炭处理可以通过影响水稻根际的微生物群落和砷代谢基因而影响砷在水稻中的积累。