2019-08-08
文案 | 微生物组产品线
正文
最近，派森诺生物与广东省生态环境科学与技术研究所合作，在《Journal of Hazardous Materials》（影响因子7.65）发表论文，通过监测多种土壤化学和微生物指标，成功解释了水稻土镉溶解度在淹水和排水后的动态变化，该土壤含有实际上非常低浓度的镉（0.36 mg kg−1）。
研究背景
土壤镉污染是一个广泛关注的环境问题。作物对镉的吸收受土壤中镉迁移率的调节，而土壤中镉的迁移率又受土壤氧化还原过程的深刻影响。淹水后，土壤中的氧气迅速耗尽，微生物利用氧化态物质NO3−、Mn(IV)、Fe(III)、SO42-等作为电子受体分解有机质（OM）。这些电子受体依次被还原成N2/NH4+、Mn(II)、Fe(II)和H2S。土壤pH值增加，因为还原反应消耗H+。土壤pH值的增加会大大提高土壤对镉的吸附。此外，在长期淹水后，在碱性土壤中镉可能会沉淀在碳酸盐中，在富铁土壤中镉可能会沉淀在次生铁矿物中，在富硫土壤中镉可能会沉淀在硫化物中。因此，淹水后的土壤通常会降低镉的流动性。尽管水稻土经历了规律的灌水和排水循环，但以往的研究主要集中在土壤减量过程对镉迁移率的影响上。
研究目的
作者利用土壤微观系统研究了在淹水和排水后包含0.36 mg kg-1总镉的水稻土中添加OM、氧化铁和硫酸盐对镉迁移率的影响。试图通过监测几种相关的化学和微生物土壤特性随时间的变化来解释镉迁移率随时间的变化。
材料与方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V3-V4区测序
实验设计
2017年2月，在惠州某水稻田（N23°31.010′，E114°23.330′）采集表层土（0~20 cm）。土壤风干后过2mm筛。在材料被用于实验之前，测定土壤和秸秆的理化性质。土壤中镉含量为0.36 mg kg - 1，pH值为5.69，土水比为1:0.6。
表1：分组设计
结果
图1：(a) 溶解态镉、(b) pH、(c) Eh、(d) 总有机碳、(e) 硝态氮、(f) 1 M MgCl2提取态 Fe2+、(g) 酸挥发性硫化物 (AVS)、(h) Geobacter 的相对多度（第 i周的值除以第 0周的平均值）在有氧及无培养阶段随时间的变化。Ctrl，对照；OM，添加水稻秸秆；S，添加石膏；Fe，添加赤铁矿。
Geobacter 是已知的最丰富的铁还原属，它包含了2662个序列（在13周的培养过程中，所有144个样本的2569996个细菌序列），而其他四个检索到的铁还原属Desulfuromonas，Pelobacter，Geothrix 和Shewanella 只包含了1-10个序列。淹水后，添加OM处理后，Geobacter 相对丰度在2天内增加到27%，第2周最高值达到36%，第8周下降至18%。而在其他三种处理中，在整个厌氧培养过程中，Geobacter 的相对丰度在0.2~0.4%之间。这些结果证明了淹水后添加有机质对镉固定有效性的微生物机理，添加有机质刺激了假定的铁还原菌的生长。在另外三种处理中，这些细菌的生长受到限制，从而限制了铁的还原、pH值的增加和镉的固定。
本研究所用的水稻土TOC为17.7 g kg - 1，与中国其他水稻土（9-24 g kg - 1）相比并不低。然而，在未经处理的对照组中，经硝酸还原菌分解后，铁还原菌生长所需的有机质较少。事实上，在未经修正的对照土壤中，大量的硝酸盐（150 mg kg - 1）在铁还原之前已经被还原，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对照土壤中，但可能不太容易被分解微生物获得，因为OM可以通过各种机制稳定在土壤中。此外，容易分解的OM化合物在第一周内就能迅速分解，剩下的OM则更加顽固。
因此，在未经修复的对照土壤中，土壤TOC的降低从第1周到第8周（0.67 g kg-1）较小，并且与添加OM的土壤相比，铁还原有限。添加赤铁矿提供了额外的电子受体，但不能消除电子供体的限制（可用的OM），因此与对照组相比没有增加微生物的铁还原。然而，与对照相比，添加赤铁矿使溶解镉在第8周减少了40%，在第13周减少了20%，可能是因为氧化铁提供了额外的镉吸附能力。
排水处理后，与Geobacter的相对丰度保持较低（0.1-0.7%）的其他三组不同，添加有机质处理，Geobacter相对丰度在第一周下降到4%但在接下来的四周中恢复到18%。这表明添加OM的另一个优点：与其他三种处理相比，添加OM可以帮助土壤维持更多假定的铁还原菌，用于下一次可能的淹水事件。
总 结
通过监测多种土壤化学和微生物指标，我们成功解释了水稻土镉溶解度在淹水和排水后的动态变化，该土壤含有实际上非常低浓度的镉（0.36 mg kg−1）。与对照和添加石膏或者赤铁矿处理相比，添加秸秆更好的促进了微生物对铁的还原作用，并且更大的增加了淹水后土壤的pH。因此，在添加秸秆处理中，溶解态镉在一周内便下降至检测限以下，而其他三个处理，即使在八周后，溶解性镉仍然很高。土壤中镉溶解度与土壤pH值有很强的相关性，且不可能因次生铁矿对镉的固定而降低。排水通气五周后，添加秸秆组中溶解态镉含量仍然最低，假定的铁还原菌Geobacter 丰度最高。结果表明，添加有机质可以通过促进淹水后土壤中氧化物质的还原，从而有效地将土壤镉固定在环境适宜的浓度，而单独添加额外的氧化铁或硫酸盐是无效的，因为它不能消除电子给体对微生物还原施加的限制。该研究可能有助于修复一般镉污染的水稻土壤。
本研究的测序和部分数据分析工作由上海派森诺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
