周丛生物对水稻土中砷迁移转化的影响及作用机制

Periphyton, which is ubiquitous in the surface of paddy soil, plays an important role in the nutrient absorption, and migration and transformation of heavy metals. Our previous short-term experiments showed that the periphyton increased the arsenic uptake in rice seedlings. However, the rules and mechanisms about the migration and transformation of arsenic influenced by the periphyton in paddy soil are not clear. In this project, a series of pot experiments will be carried out by regulating the growth of periphyton to compare the uptake of arsenic in rice. Combining with sampling of periphyton, paddy soil and rice in field, the rule of arsenic bioavailability influenced by the periphyton in paddy soil will be fully investigated. Further, the mechanisms of the migration and transformation of arsenic influenced by the periphyton in paddy soil will be explored from the three aspects, respectively. 1) the synergistic mechanism of absorption and transformation of arsenic by the periphyton, 2) the distribution of arsenic in the three-phase system of paddy soil-periphyton-overlying water, and 3) the transformation of arsenic in the soil influenced by the periphyton. Through the study of this project, the process and mechanism of bioavailability and transformation of arsenic influenced by the periphyton in paddy soil will be systematically elaborated, and it will help to provide a comprehensive understanding about the biogeochemical transformation of arsenic in paddy field, and help to develop applicable technologies to remediate the heavy metals in-situ in paddy soil.

水稻土表面的周丛生物，在营养物质吸收以及重金属迁移转化等过程中扮演重要角色，前期短期培养实验发现，周丛生物生长情况下水稻幼苗中砷的吸收增加，然而，周丛生物影响水稻土中砷迁移转化的规律与作用机制尚不完全清楚。本项目通过设计不同周丛生物生长模式开展系列水稻盆栽实验，对比研究周丛生物对水稻砷吸收的影响，并结合野外周丛生物、水稻土、稻籽采样分析，探清周丛生物影响水稻土中砷生物有效性的规律；在此基础上，分别从周丛生物对砷的富集与转化协同作用、砷在水稻土-周丛生物-上覆水三相体系中的迁移分配以及土壤中砷的生物转化三方面深入探索，剖析周丛生物影响水稻土砷迁移转化的作用机制。通过本项目研究，系统阐述周丛生物影响水稻土中砷生物有效性和迁移转化的过程与机理，为全面了解水稻土中砷生物地球化学转化的复杂机制贡献力量，也为开发可大面积适用的重金属污染原位修复技术提供进一步的理论依据。

周丛生物在营养物质吸收以及重金属迁移转化等过程中扮演重要角色。研究周丛生物影响水稻土中砷生物有效性和迁移转化的过程与机理，可以为全面了解水稻土中砷生物地球化学转化的复杂机制贡献力量。本项目首先基于野外周丛生物多点采样，探究了周丛生物中砷富集规律与砷功能微生物的分布；接着基于溶液体系明确了周丛生物本身对砷的富集与转化过程；然后基于土壤培养体系，进一步探究了砷在稻田土壤-周丛生物-上覆水三相体系中的迁移分配；最后基于水稻盆栽体系揭示了周丛生物影响下土壤中砷的生物有效性；最终系统阐明了周丛生物影响稻田土壤中砷迁移转化的过程与机制。.野外周丛生物调查发现，周丛生物中砷主要以无机砷形式存在。在研究的四种砷功能基因中，介导砷甲基化的arsM基因丰度最高，砷甲基化微生物之间具有模块化的网络结构。水溶液中砷的富集与转化实验表明，周丛生物对砷具有较强的耐受能力，可以高效富集水溶液中砷，对溶液中As(III)和As(V)的去除率可达89.71%和79.73%。周丛生物在富集砷的同时通过生物转化砷降低砷毒性。周丛生物可以在短时间内将As(III)氧化为毒性更低的As(V)，并进一步将As(V)还原和甲基化。土壤培养实验的结果表明，稻田土壤表面周丛生物显著增加了0–2 mm土层中DOC的含量，从而促进砷在土水界面中的释放和迁移。周丛生物的砷还原和甲基化过程显著增加了表层0–2 mm土壤溶液和上覆水中As(III)和甲基砷的含量。以实际砷污染土进行水稻盆栽实验，发现周丛生物通过改变土壤理化性质（pH升高、Eh降低）促进砷的释放，水稻根部砷的累积量显著增加47.6%。周丛生物显著降低了土壤中砷氧化基因aioA的丰度，增加了含有砷还原基因arsC的功能微生物Cupriavidus和Afipia的相对丰度。周丛生物可能通过影响土壤中砷氧化和还原微生物的丰度，促进土壤中砷还原和释放，最终促进水稻砷吸收和积累。