华南所陈志良课题组研究成果：从溶解性有机质和功能基因的角度看待土壤粒径影响砷的释放和形态

　　

　　近日，生态环境部华南环境科学研究所陈志良课题组研究成果“Soil particle size fractions affect arsenic (As) release and speciation: Insights into dissolved organic matter and functional genes”在环境科学领域知名期刊《Journal of Hazardous Materials》发表。华南所邹奇工程师为第一作者，陈志良研究员为通讯作者。论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130100。 

　　本研究得到广东省重点研发项目（2019B110207001）、广东省国际科技合作项目（2021A0505030045）、广东省水利科技创新项目（2017-18）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（PM-zx703-202002-021）及生态环境修复技术研究中心青年创新基金项目（hx_201209_002）资助。 

　　成果简介 

　　本研究围绕土壤中As污染治理与修复的关键科学问题，选取广东和湖南典型地区土壤作为研究对象，系统分析了不同粒径土壤理化性质差异性及其形态动态变化特征；从基因水平阐明土壤粒径对As富集和释放的影响机制。研究发现：As主要富集在大团聚体粗砂中，有机碳（OC）含量对不同粒径土壤As的分布影响最大；在淹水等厌氧条件下，总砷（TAs）、三价砷（AsIII）、有机砷（organic As）、二价铁（FeII）及溶解性有机碳（DOC）在粘粒组分中的释放量最高，粘粒组分中溶解性有机质（DOM）腐殖化程度和砷/铁还原相关的微生物代谢增强。土壤不同结合态As动态变化结果表明：淹水培养过程中发生了潜在的次级矿物形成和As的再吸附，导致淹水后期土壤溶液中As和Fe浓度的下降。实时荧光定量PCR表明：粘土组分中含有最高的arrA，arsC，arsM和Geo基因丰度，这与粘粒组分释放了最高浓度As的结果一致。相关性分析表明：提高有机质浓度和腐殖化程度促进了铁还原微生物的代谢响应，进而触发土壤微生物对As的解毒机制。本研究成果为As污染土壤的修复提供了技术和理论的支撑。 

　　引言 

　　不同土壤粒径组分在矿物、有机质组成和含量以及微生物群落组成方面具有较强异质性，在很大程度上影响土壤中As的分布、迁移和形态转换。开展不同粒径土壤中As的释放和形态转换对As污染防控具有重要意义。本研究通过为期42天的微宇宙厌氧培养实验，分析了不同粒径土壤溶液As、Fe、DOC及土壤不同结合态As含量的动态变化，探讨了培养后DOM组分及As/Fe功能基因差异，以了解淹水条件下不同粒径土壤As的释放和形态转换过程及机制。 

　　图文导读 

　　1.不同粒径土壤理化性质差异 

　　研究结果表明，两种土壤粗砂组分中均含有最高的OC和As含量，且具有最高的C/N比，而Fe和Al富集在粘粒组分中。与广东莲花山矿区周边土壤（LH）对比，湖南郴州矿区周边土壤（CH）具有更高的OC、As含量和C/N比，其Fe、Mn和Al等元素的含量更低。 

　　表1 不同粒径土壤理化性质变化 

　　

　　2.不同粒径土壤溶液As/Fe含量及形态动态变化

    随着厌氧培养的持续进行，不同粒径土壤溶液中Fe(II)、TAs、As(III)和organic As含量变化趋势相似，均为先上升后下降。其中粘粒组分中释放了最高浓度的TAs和As(III)，其次是粉粒、细砂粒和粗砂粒，即随着土壤粒径的增大As释放量呈现降低趋势。在相同粒径下，CH土壤溶液中As的释放量是LH的3-4倍。 

　　

　　

　　图1：厌氧培养过程中土壤溶液Fe(II)、TAs、As(III)和organic As含量动态变化 

　　3.不同粒径土壤溶液DOC含量及组分变化 

　　厌氧培养过程中，LH土壤溶液DOC含量为69.91-113.40mg/L，低于CH中的DOC浓度（124.45-200.30mg/L），两种土壤黏粒组分土壤溶液中DOC含量均为最高。三维荧光分析结果表明：胡敏酸类似物和富里酸类似物是DOM的主要组分，而粉粒和粘粒组分中具有更高含量的胡敏酸类似物及可溶性微生物副产物类似物。 

　　图2：厌氧培养过程中土壤溶液DOC含量及组分变化 

　　4.培养前后土壤不同结合态砷动态变化 

　　土壤中不同结合态的As包括非特异性吸附态（F1）、特异性吸附态（F2）、无定形及弱晶质铁铝氧化物结合态（F3）、结晶质铝氧化物结合态（F4）和残留态（F5）。在不同粒径土壤中，F4浓度范围为20.6-65.8mg/kg，培养前后均显著高于其他四个组分。CH土壤中F2、F3及F5含量显著高于LH。厌氧培养后，所有土壤样品中F3含量显著降低，而F4增加，表明了潜在的二次矿物形成和As的再吸附。 

　　图3：厌氧培养前后土壤不同结合态砷动态变化 

　　5.不同粒径土壤As/Fe功能基因丰度差异 

　　As氧化基因（aioA）、异化As还原基因（arrA）、As还原基因（arsC）、As甲基化基因（arsM）和Fe还原基因（Geo）基因丰度分别为1.76-5.72 Î106、0.87-1.66Î105、0.24-2.08Î105、0.27-2.26Î106、和1.95-6.13Î107 copies·mg-1·DW。其中arrA、arsC、arsM和Geo基因表现出类似的分布趋势，即粘粒组分>粉粒组分>粗砂粒>细砂粒。与LH土壤相比，CH土壤中含有更高的arrA、arsC、arsM和Geo基因丰度。 

　　

　　图4. 不同粒径组分中aioA、arrA、arsC、arsM和Geo基因丰度差异 

　　6.土壤粒径对As富集和释放的影响机制 

　　相关分析表明LH和CH土壤中As与OC均呈现显著正相关关系（R=0.87，P<0.01；R=0.80，P<0.01），说明OC对As具有较强的富集效应。土壤溶液中DOC浓度显著影响As（R=0.70和0.60，P<0.05）和Fe（R=0.62和0.57，P<0.05）还原基因丰度，而Fe还原基因丰度的提高显著促进了Fe(II)（R=0.79和0.58，P<0.05）、TAs（R=0.56和0.59，P<0.05）、As(III)（R=0.56和0.58，P<0.05）、organic As（R=0.70，P<0.05；R=0.43，P>0.05）释放，增加了As还原基因（R=0.85和0.91，P<0.01）和As甲基化基因（R=0.83和0.96，P<0.01）丰度。研究结果表明DOC浓度及其腐殖化程度影响了As/Fe代谢基因丰度，从而改变As/Fe释放。 

　　图5. LH（A）及CH（B）样品中不同参数相关性分析 

　　课题组简介 

　　陈志良课题组现有人员14名，其中正高级职称1名、博士后3名、硕士生5名。主要从事土壤与地下水污染防治研究。近年来，承担国家重点研发计划、国家自然科学基金及广东省重点领域研发计划等科研项目20余项。在《Chemical Engineering Journal》《Journal of Hazardous Materials》《中国环境科学》等国内外期刊上发表论文100多篇，其中SCI论文25篇，出版专著3部，授权发明专利11项，获得省部级科技奖励2项。