华南所陈志良团队研究成果：揭示硝酸盐抑制水稻土异化铁还原机制

　　第一作者：陈志良 博士/研究员 

　　通讯作者：韦行博士 

　　通讯单位：生态环境部华南环境科学研究所 

　　论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101421 

　　成果简介 

　　生态环境部华南环境科学研究所陈志良研究团队长期从事污染农田安全利用相关研究，近期在Surfaces and Interfaces发表 “Nitrate alleviate dissimilatory iron reduction and arsenic mobilization by driving microbial community structure change”论文。研究发现：硝酸盐（NO3-）的加入显著抑制了水稻土异化铁还原过程，可以代替Fe3+和As (V)作为电子受体；NO3-对微生物具有选择性，对铁异化还原起主要作用的梭菌属(Clostridia)和地杆菌科(Geobacteraceae)相对丰度产生强烈抑制，从而抑制了铁的异化还原过程；NO3-通过促进氧化还原电位(Eh)的降低、抑制铁的异质还原和砷的形态转化；研究结果表明NO3-不仅可以用作肥料，还可以作为砷污染土壤的钝化剂，这种修复策略为砷污染农田的生物修复提供了理论基础，对大多数亚洲发展中国家的粮食安全具有重要意义。 

　　引 言 

　　微生物在影响水稻土砷的生物有效性中起了重要作用，铁还原菌（Fe reducing bacteria，FRB）以三价铁作为电子受体溶解（氢）氧化铁并释放吸附于其上的砷，开展抑制铁氧化物还原溶解和/或将As(III)氧化为As(V)对策研究具有重要意义。本研究假设NO3-的添加可以促进与NO3-还原和As(III)氧化相关的微生物，抑制与Fe(III)还原相关的微生物，从而抑制铁(氧)氧化物的还原溶解。通过为期30 d的水稻土淹水培养实验，研究了As和Fe形态的动态变化，并探讨了培养过程中微生物群落结构的变化，以了解硝酸盐对微生物的影响。 

　　图文导读 

　　1.水稻土pH及Eh变化情况 

　　水稻土pH值轻度升高，30 d保持中性（图1）。水稻土的氧化还原电位在前5 d急剧下降，后5 d略有下降。低剂量硝态氮处理（LN）及低剂量硝态氮处理（HN）处理下水稻土Eh略高于空白组（CK）处理，说明硝态氮的添加可以增加氧化物质的质量，减轻氧气的消耗，使硝酸盐代替氧气成为电受体，从而改变了淹水土壤的氧化还原状态。 

　　CK:空白； SCK：灭菌空白； HN：高剂量硝态氮处理；LN：低剂量硝态氮处理 

　　图1：（a）土培过程中pH随时间变化情况，（b）土培过程中Eh随时间变化情况

　　2.水稻土硫酸根及硝酸根含量变化情况 

　　当Eh低于200 mV时，微生物依次利用NO3-、Mn4+、Fe3+和SO42-作为电子受体还原，HN处理的硝酸盐浓度持续下降，CK和灭菌空白（SCK）的NO3-浓度保持在0.02 mg g-1左右，表明其对硝化或反硝化过程有抑制作用。这可能是由于CK处理的NO3-浓度较低，硝化反硝化相关微生物相对丰度较低所致(结果如图2a所示)。CK和SCK处理中较高的pH和较低的Eh诱导水稻土固相中SO42-的释放。 

　　CK:空白； SCK：灭菌空白； HN：高剂量硝态氮处理 

　　图2：（a）土培过程中NO3-随时间变化情况（b）土培过程中SO42-随时间变化情况 

　　3.硝酸盐施加对As(III)及异化铁还原的影响 

　　总体来看，As(III)浓度与Fe(II)呈正相关。Fe(II)在CK处理的前15d，在LN及HN处理的前10天内快速增加；而As(III)浓度则呈相反趋势，在CK处理的前15d，在LN及HN处理的前10天内降低。结果表明，CK、LN和HN处理前10 d 水稻土中As(III)浓度显著降低；随着氧化物质的消耗，LN及HN处理10 d后，CK处理15 d后As(III)浓度开始增加，砷氧化过程基本完成，开始还原过程，As (III)含量增长缓慢，在25d时基本达到平衡，此时异化铁还原也基本达到了平衡状态。 

　　CK:空白； SCK：灭菌空白； HN：高剂量硝态氮处理；LN：低剂量硝态氮处理 

　　图3：（a）土培过程中Fe2+随时间变化情况，（b）土培过程中As(III)随时间变化情况 

　　4.硝酸盐抑制水稻土异化铁还原的微生物机制

　　纲尺度上，NO3-对梭状芽孢杆菌（Clostridia）有较强的抑制作用，且抑制效果与添加量正相关。相反，硝酸盐的加入对鞘氨醇杆菌（Sphingobacteriia）有促进作用，且促进作用随剂量的增加而有效增加。低硝态氮对δ变形菌门（Deltaproteobacteria）和分枝杆菌 （Parcubacteria）的相对丰度有促进作用，但高硝态氮对它们的相对丰度有抑制作用。杆菌（Bacilli）的相对丰度在CK处理下由18.15%下降到0.45%，硝酸盐的添加缓解了杆菌的下降，即使随着培养时间的延长而下降。淹水和硝酸盐对β变形菌门（Betaproteobacteria）的影响不显著。 

　　科尺度上，CK中厚壁菌门中梭状芽胞杆菌纲的XVIII家族（Family_XVIII）得到了最显著的促进。相反，NO3-抑制了XVIII家族的生长，其在HN和LN处理的相对丰度显著下降。XVIII家族是一组未经培养的厌氧菌，其生长在无氧条件下。其生态作用尚不清楚，但已有研究表明其与反硝化作用和铁还原过程的关系。另外，NO3-处理促进了某些微生物的生长，如几丁质科 （Chitinophagaceae）、 宝石单胞菌科（Gemmatimonadaceae）和uncultured p糖杆菌（uncultured bacterium p Saccharibacteria），这些微生物在HN、LN处理下的相对丰度显著增加。几丁质科和宝石单胞菌科被证明在氨态氮环境下将氨氮转化为有机氮，并在此过程中获得能量而生长，而uncultured p糖杆菌中则能通过降解有机氮获得生长。 

　　图4：（a）纲尺度的微生物群落结构，（b）科尺度的微生物群落结构 

　　小 结 

　　本研究结果揭示了NO3-在水稻淹水土壤中有效固定砷的潜力。通过降低Eh的，取代Fe(III)作为电子受体，并调节相应微生物群落结构的变化，硝酸盐的添加成功地抑制了淹水水稻土中铁的异化还原，使As (III)显著降低。 

　　本项目得到国家重点研发计划（2019YFC1805305）、广东省重点研发项目（2019B110207001, 2020B1111350002）、广东省国际合作项目（2021A0505030045）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（PM-zx097-202104-105）和广东省自然科学基金（2019A1515012131）的资助。 

　　研究团队简介

　　​陈志良研究团队现有人员12名，其中正高级职称1人，中级职称4人，实验员2名，联合培养博士生1名、硕士生4名。近年来，承担了国家科技支撑项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家环保公益项目及广东省重点领域研发计划等20余项。在Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、中国环境科学、环境科学学报、土壤学报等国内外期刊上发表论文100多篇，其中SCI论文20篇，主编3部，参编论著3部，申请专利24件，授权16件；获得环境保护科学技术奖二等奖1项。