研究簡介:砷（As）作為一種主要的環境污染物，對人類健康構成的威脅，尤其是在通過大米消費途徑。砷在環境中主要以四種形態存在，其中亞砷酸鹽（As(III)）是最有毒和最易遷移的形式。由于大米是全球大量人口的主要食物來源，減少大米中的砷積累對于減輕其對人類健康的威脅至關重要。傳統的減少稻田土壤中砷污染風險的方法包括化學洗滌和植物修復，但這些方法存在一定的局限性，如成本高昂、可能惡化土壤質量或需要復雜的處理程序。因此，發展可持續的治理技術成為挑戰。文章提出了一種新的方法，即利用人造氣孔組織（MAT），通過模擬植物根系釋放的氧氣來增加土壤的氧化還原電位（Eh），從而降低砷的生物有效性。MAT的設計基于硅膠管，通過空氣泵向土壤中輸送氧氣，以提高土壤Eh并促進鐵和砷的氧化。實驗結果表明，MAT可持續地提高土壤Eh水平，顯著降低溶解有機碳、鐵、錳和砷的濃度，并為溶解砷提供額外的吸附位點。此外MAT還通過增強土壤中aioA基因的相對豐度，促進砷酸鹽氧化為移動性較低的亞砷酸鹽，從而減少大米中的砷積累。

Unisense微電極測定系統的應用

Unisense微電極被用于測量土壤-水界面和MAT-土壤界面的氧化還原電位（Eh）剖面。使用Eh(氧化還原電位)微電極測量了土壤-水界面和MAT-土壤界面的Eh剖面（0?6.5厘米）。微電極在土壤-水界面的位置并由步進電機推進控制并定位。

實驗結果

通過使用人造氣孔組織（MAT），研究成功地提高了稻田土壤的氧化還原電位（Eh），從而降低了土壤中砷的生物有效性和遷移性。MAT的應用顯著降低了土壤孔隙水中的溶解有機碳（DOC）、鐵（Fe）、錳（Mn）和砷（As）的濃度，減少了這些元素的生物可利用性。MAT處理顯著減少了水稻根、莖、葉和籽粒中的砷積累，降低了大米中砷的含量，對提高食品安全具有重要意義。MAT通過刺激Fe(II)的氧化和形成Fe(III)（羥基）氧化物礦物，為溶解的砷提供了額外的吸附位點，從而促進了砷的固定。MAT增強了土壤中aioA基因的相對豐度，促進了砷酸鹽氧化為移動性較低的亞砷酸鹽，表明微生物過程在砷的固定中發揮了重要作用。

圖1、人造通氣組織（MAT）系統示意圖。該圖說明了將空氣泵入MAT中使用的硅膠管的過程。垂直土壤剖面說明了MAT的潛在工作機制。

圖2、孔隙水化學隨MAT的變化。孔隙水在MAT周圍0至2 cm處取樣。MAT設置在~8 cm土壤深度，密度和空氣壓力分別為0.2 m2管外表面/m2土壤和25 kPa。Eh是相對于Ag/AgCl參比電極。

圖3、氧化還原電位（mV；相對于Ag/AgCl參比電極）和MAT-土壤界面的元素分布。y=0處的水平實線表示MAT水平展開的MAT-土壤界面。在微宇宙培養30天后，通過微電極在水-土壤界面上測量Eh，而通過部署在與MAT相同土壤深度的IPI采樣器測量元素剖面。

圖4、MAT對As在不同水稻組織中積累的影響（A）和水稻植株生長的影響（B）。*表示p＜0.05時的顯著差異。

圖5、微生物群落組成和As代謝基因豐度的變化。（A）微生物群落在對照中的分布以及與MAT表面不同距離處的分布；（B）距MAT表面不同距離處的群落相似性；（C）在距MAT表面不同距離處OTU數量顯著變化；（D）作為對照的代謝基因，與MAT表面相距不同的距離。

結論與展望

砷（As）是一種主要的環境污染物，通過大米消費對人類造成顯著的健康風險。提高土壤氧化還原電位（Eh）已被證明可以降低As的生物有效性，并減少大米中As的積累。然，缺乏可持續的稻田土壤Eh管理方法。為了解決這個問題，研究人員提出了一種新方法，利用人造氣孔組織（MAT）來增加土壤Eh（氧化還原電位），模擬植物根系釋放的氧氣。使用Unisense Eh微電極，研究人員能夠精確測量土壤中的氧化還原電位。Eh是衡量土壤氧化還原狀態的重要參數，對于理解土壤中砷等元素的化學行為至關重要。研究表明，MAT方法可持續地將土壤Eh水平從?119提高到?80.7mV（約30%），在大約100天的時間里，在MAT表面附近約5厘米的范圍內。此外，它導致溶解有機碳，Fe，Mn和As濃度顯著降低（?28.5%至?63.3%）。MAT誘導的Fe（III）（氧化）氧化物礦物為土壤孔隙水中的溶解As提供了額外的吸附位點。此外，MAT通過顯著增強0?5厘米土壤區域中aioA基因的相對豐度（增加了130%）促進了砷酸鹽氧化為移動性較低的亞砷酸鹽。As生物有效性的降低顯著減少了大米中的As積累（?30.0%）。這項工作提供了一種低成本和可持續的方法，通過解決土壤Eh管理問題來緩解稻田土壤中As的釋放。本研究提供了一種低成本、可持續的方法來解決土壤Eh管理問題，并減輕稻田土壤中砷的釋放。通過人造氣孔組織的應用，不僅能夠減少砷對環境和公共健康的風險，還有助于提高大米的安全性，對于以大米為主要食物來源的國家和地區具有重要的實際應用價值。本研究提供了一種創新的方法來減少水稻土中的砷污染，對環境保護和食品安全具有重要意義，并為未來可持續農業實踐提供了新的思路。