2019-08-08
文案 | 微生物組產品線
正文
最近，派森諾生物與廣東省生態環境科學與技術研究所合作，在《Journal of Hazardous Materials》（影響因子7.65）發表論文，通過監測多種土壤化學和微生物指標，成功解釋了水稻土鎘溶解度在淹水和排水后的動態變化，該土壤含有實際上非常低濃度的鎘（0.36 mg kg?1）。
研究背景
土壤鎘污染是一個廣泛關注的環境問題。作物對鎘的吸收受土壤中鎘遷移率的調節，而土壤中鎘的遷移率又受土壤氧化還原過程的深刻影響。淹水后，土壤中的氧氣迅速耗盡，微生物利用氧化態物質NO3?、Mn(IV)、Fe(III)、SO42-等作為電子受體分解有機質（OM）。這些電子受體依次被還原成N2/NH4+、Mn(II)、Fe(II)和H2S。土壤pH值增加，因為還原反應消耗H+。土壤pH值的增加會大大提高土壤對鎘的吸附。此外，在長期淹水后，在堿性土壤中鎘可能會沉淀在碳酸鹽中，在富鐵土壤中鎘可能會沉淀在次生鐵礦物中，在富硫土壤中鎘可能會沉淀在硫化物中。因此，淹水后的土壤通常會降低鎘的流動性。盡管水稻土經歷了規律的灌水和排水循環，但以往的研究主要集中在土壤減量過程對鎘遷移率的影響上。
研究目的
作者利用土壤微觀系統研究了在淹水和排水后包含0.36 mg kg-1總鎘的水稻土中添加OM、氧化鐵和硫酸鹽對鎘遷移率的影響。試圖通過監測幾種相關的化學和微生物土壤特性隨時間的變化來解釋鎘遷移率隨時間的變化。
材料與方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V3-V4區測序?
實驗設計
2017年2月，在惠州某水稻田（N23°31.010′，E114°23.330′）采集表層土（0~20 cm）。土壤風干后過2mm篩。在材料被用于實驗之前，測定土壤和秸稈的理化性質。土壤中鎘含量為0.36 mg kg - 1，pH值為5.69，土水比為1:0.6。?
表1：分組設計
結果
圖1：(a) 溶解態鎘、(b) pH、(c) Eh、(d) 總有機碳、(e) 硝態氮、(f) 1 M MgCl2提取態 Fe2+、(g) 酸揮發性硫化物 (AVS)、(h) Geobacter 的相對多度（第 i周的值除以第 0周的平均值）在有氧及無培養階段隨時間的變化。Ctrl，對照；OM，添加水稻秸稈；S，添加石膏；Fe，添加赤鐵礦。
Geobacter 是已知的最豐富的鐵還原屬，它包含了2662個序列（在13周的培養過程中，所有144個樣本的2569996個細菌序列），而其他四個檢索到的鐵還原屬Desulfuromonas，Pelobacter，Geothrix 和Shewanella 只包含了1-10個序列。淹水后，添加OM處理后，Geobacter 相對豐度在2天內增加到27%，第2周最高值達到36%，第8周下降至18%。而在其他三種處理中，在整個厭氧培養過程中，Geobacter 的相對豐度在0.2~0.4%之間。這些結果證明了淹水后添加有機質對鎘固定有效性的微生物機理，添加有機質刺激了假定的鐵還原菌的生長。在另外三種處理中，這些細菌的生長受到限制，從而限制了鐵的還原、pH值的增加和鎘的固定。
本研究所用的水稻土TOC為17.7 g kg - 1，與中國其他水稻土（9-24 g kg - 1）相比并不低。然而，在未經處理的對照組中，經硝酸還原菌分解后，鐵還原菌生長所需的有機質較少。事實上，在未經修正的對照土壤中，大量的硝酸鹽（150 mg kg - 1）在鐵還原之前已經被還原，而在淹水后的第一周，土壤TOC下降了44%。然而，在第1周，17.1 g kg - 1 TOC仍然保留在未修正的對照土壤中，但可能不太容易被分解微生物獲得，因為OM可以通過各種機制穩定在土壤中。此外，容易分解的OM化合物在第一周內就能迅速分解，剩下的OM則更加頑固。
因此，在未經修復的對照土壤中，土壤TOC的降低從第1周到第8周（0.67 g kg-1）較小，并且與添加OM的土壤相比，鐵還原有限。添加赤鐵礦提供了額外的電子受體，但不能消除電子供體的限制（可用的OM），因此與對照組相比沒有增加微生物的鐵還原。然而，與對照相比，添加赤鐵礦使溶解鎘在第8周減少了40%，在第13周減少了20%，可能是因為氧化鐵提供了額外的鎘吸附能力。
排水處理后，與Geobacter的相對豐度保持較低（0.1-0.7%）的其他三組不同，添加有機質處理，Geobacter相對豐度在第一周下降到4%但在接下來的四周中恢復到18%。這表明添加OM的另一個優點：與其他三種處理相比，添加OM可以幫助土壤維持更多假定的鐵還原菌，用于下一次可能的淹水事件。
總 結
通過監測多種土壤化學和微生物指標，我們成功解釋了水稻土鎘溶解度在淹水和排水后的動態變化，該土壤含有實際上非常低濃度的鎘（0.36 mg kg?1）。與對照和添加石膏或者赤鐵礦處理相比，添加秸稈更好的促進了微生物對鐵的還原作用，并且更大的增加了淹水后土壤的pH。因此，在添加秸稈處理中，溶解態鎘在一周內便下降至檢測限以下，而其他三個處理，即使在八周后，溶解性鎘仍然很高。土壤中鎘溶解度與土壤pH值有很強的相關性，且不可能因次生鐵礦對鎘的固定而降低。排水通氣五周后，添加秸稈組中溶解態鎘含量仍然最低，假定的鐵還原菌Geobacter 豐度最高。結果表明，添加有機質可以通過促進淹水后土壤中氧化物質的還原，從而有效地將土壤鎘固定在環境適宜的濃度，而單獨添加額外的氧化鐵或硫酸鹽是無效的，因為它不能消除電子給體對微生物還原施加的限制。該研究可能有助于修復一般鎘污染的水稻土壤。
本研究的測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引
Chaolei Yuan, Fangbai Li,et al.Cadmium solubility in paddy soil amended with organic matter, sulfate, and iron oxide in alternative watering conditions [J]. Journal of Hazardous Materials,378（2019）120672
