硫肥和猪粪肥对土壤-水稻系统砷迁移转化的影响及微生物作用机制

发布时间：2020-04-18 04:15

【摘要】：砷(As)是我国南方地区面积广大的水稻土中典型的污染物之一,水稻作为我国主要的粮食作物,是人类摄取As的主要途径。因此,如何降低As的生物有效性、减少水稻As吸收从而缓解水稻土 As污染是当前研究的热点。硫(S)和有机质是影响土壤中As迁移转化的重要因素。因土壤缺硫现象在我国日益严重,硫肥的应用逐渐被重视。猪粪肥作为有机物料施用于农田可以实现废物的资源化利用,增加土壤肥力,但其本身含有As,可能增加As的环境风险。因此,探究这两种肥料对As在土壤-水稻系统中迁移转化的影响对合理施肥、保障农产品安全具有重要意义。本论文选取稻田土壤中的As为研究对象,进行盆栽和大田试验,将传统化学分析方法与高通量测序技术和荧光定量PCR结合,考察硫肥和猪粪肥施用对As形态转化、生物有效性与水稻吸收的影响,探讨硫肥和猪粪肥施用对微生物群落和功能基因的影响,揭示不同肥料影响水稻吸收As的微生物作用机制。主要研究结果如下:(1)阐明了硫肥对土壤-水稻系统As形态转化、生物有效性与水稻吸收的影响。通过盆栽试验进行研究发现,不同土壤中影响土壤溶液As和Fe(Ⅱ)移动性的因素不同,在外源As污染土壤中微生物介导的还原溶出和非生物介导的还原溶出均存在,而实际As污染土壤以微生物介导的还原溶出为主。硫肥的添加降低了根际、非根际土壤溶液中的As和Fe(Ⅱ),降低了 As的移动性,且As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的浓度也有一定的降低。相同硫含量的硫酸钠比单质硫效果更显著。硫肥添加促进了水稻生长,增加了水稻产量,并且一定程度上降低了水稻地上部对As的累积。(2)弄清了硫肥施用影响As形态转化、生物有效性与水稻吸收的微生物作用机制。利用Miseq高通量测序和qPCR技术研究发现,非根际土壤的微生物多样性略低于根际土壤,根际与非根际土壤具有相似的群落组成。硫肥对As循环功能基因影响较小。而硫酸钠的施用显著增加了根际土壤中与Fe(Ⅲ)和硫酸盐还原相关的微生物,这与Fe(Ⅲ)还原菌和硫酸盐还原基因的表达量的增加是一致的。在淹水环境中As(Ⅲ)的存在及Fe(Ⅱ)和硫化物的增加,促进了砷硫化物或砷铁硫化矿物的形成,从而降低了土壤溶液中的As(Ⅲ)及Fe(Ⅱ)浓度,减少了水稻吸收。(3)揭示了猪粪肥影响土壤As生物有效性及水稻吸收的规律与微生物作用机制。通过大田试验研究发现尽管猪粪肥中含有As,但并未增加土壤总As,而是促进了土壤稳定态As向非稳定态As的转化。长期猪粪肥施用增加了水稻组织中As的累积。根中As主要分布在根表皮和外皮层,而稻米中的As主要分布在谷皮、糊粉层和靠近糊粉层的胚乳中。猪粪肥施用对稻米中的总As没有显著影响,但是稻米中的As(Ⅲ)显著增加。长期猪粪肥的施用没有显著影响土壤微生物多样性,但显著增加了根际Anaeromyxobacter(铁/砷还原菌)和Bradyrhizobium(内生根瘤菌)的相对含量,可能促进了水稻As(Ⅲ)吸收及产量增加。这与砷还原基因(arsC)的增加一致,表明猪粪肥的施用促进了 As还原。(4)明确了根表胶膜微生物在影响水稻吸收砷方面的重要作用。通过提取水稻根表胶膜进行研究发现,根表胶膜微生物群落多样性低于根际土,并且微生物群落组成有一定的转换。猪粪肥添加显著影响根表胶膜微生物群落结构及多样性的变化,其中 Bradyrhizobium、Burkholderia、Ralstonia 等与 As、Fe、S 循环相关的菌属相对含量显著变化,与根表胶膜中As、Fe、S相关功能基因的变化一致。猪粪肥的添加促进了根表胶膜中的As还原,抑制了 Fe和S还原。根表胶膜上的微生物,特别是与As、Fe、S相关微生物,与根际土相比,更能影响As形态转化及水稻吸收。(5)研发了基于肥料和水分管理的农田砷污染调控措施。发现不淹水条件下,FeSO4的添加降低了土壤As生物有效性。FeSO4的添加和不淹水条件在保证水稻存活的同时,显著促进了水稻的生长,显著降低了水稻地上部对As的吸收。FeSO4的添加促进了水稻根表胶膜的形成,根表胶膜截留了大部分的As。FeSO4的添加和不淹水条件显著降低了 As从根向水稻地上部的转移,主要可能的原因是土壤中As生物有效性的降低、水稻根的阻碍作用及更多还原型谷胱甘肽的形成。FeSO4的添加辅以水分管理是一种可能的改善砷污染稻田中水稻生长和降低As吸收的原位调控方法。
【图文】：

氧化还原过程,还原转化,硫氧化,生物地球化学循环

１．２．３砷铁硫微生物与砷迁移转化逡逑在厌氧和富铁的环境条件中（例如稻田土壤），砷的生物地球化学循环和铁、逡逑硫密不可分（图１．２）。砷、铁和硫的氧化还原转化主要是由微生物介导的。微逡逑生物的铁和硫的氧化还原过程都可能影响砷生物地球化学循环，但是，其中的过逡逑程以及它们对砷移动的最终影响尚不清楚（Ｂｕｒｔｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４；邋Ｈｕａｎｇ，邋２０１４）。逡逑９逡逑

示意图,培养试验,水稻

逑５邋ｃｍ深处分别埋入一个自制土壤溶液采样器，包括一根桂胶软管，底部连接一逡逑个白玉气泡石，培养示意图如图２．１所示。在整个试验过程中保持其位置不动，逡逑从而保证无扰动的原位采样。种植水稻的处理在根际袋中埋入自制土壤溶液采样逡逑器。全部处理安装完成后，在土壤中添加加了底肥的去离子水，，底肥中氮磷钾的逡逑施入量分别为Ｐ２0５（以Ｃａ（Ｈ２Ｐ0４）２形式）0．５ｇ／ｋｇ，邋Ｎ（以ＣＯ（ＮＨ２）２形式）和Ｋ２０（以逡逑ＫＣ１形式）各０．２邋ｇ／ｋｇ，淹水高度约５邋ｃｍ，于人工气候室平衡一周。随后将培育的逡逑水稻幼苗移栽到根际袋中。在温室进行培养并且每天补充水分，维持淹水高度５逡逑ｃｍ邋（图邋２＿２）0逡逑，个逦个、逦逦逦、逡逑图２．１水稻培养示意图（Ａ：水稻种植处理；Ｂ：不种苗对照及灭菌对照）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｒｉｃｅ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（Ａ：邋ｒｉｃｅ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，邋Ｂ：邋ｂｕｌｋ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ａｎｄ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ逡逑ｃｏｎｔｒｏｌ）逡逑图２．２水稻培养试验图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｐｈｏｔｏｓ邋ｏｆ邋ｒｉｃｅ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ逡逑２６逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X132

【参考文献】