淹水-控温模式下砷污染水稻土溶液中砷形态的变化

以水稻种植区的砷污染土壤为研究对象,采用高效液相色谱(HPLC)-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用分析测试系统,研究了不同培养温度(5、27和50 ℃)对灭菌和不灭菌的土壤淹水后其溶液中砷赋存形态变化的影响.结果表明： 在土壤溶液中检测到的砷形态只有无机三价砷(As^Ⅲ)、无机五价砷(As^V)和有机的二甲基砷(DMA^V),未检测到单甲基砷(MMA^V)的存在;在不同控温条件下随淹水时间的延长,As^Ⅲ逐渐转变为砷的主要赋存形态,平均比例约为64%;As^V次之,约占35%,DMA^V的含量相对最低,约占1%;土壤灭菌与否对土壤溶液中五价砷的水平没有明显影响,但明显影响了五价砷的还原和促进了无机三价砷的甲基化,并且灭菌的促进效果随着淹水及培养时间的延长而逐渐降低;50 ℃、淹水23 d时,灭菌土壤溶液中DMA^V浓度最高,为23.7 ng·mL^-1,这说明灭菌土壤中残留的某些嗜热微生物成为优势菌群并促进了土壤溶液中砷的甲基化.结合水稻生长的实际环境条件对该研究结果进行分析,培养温度27 ℃淹水23 d后不灭菌的自然土壤溶液中砷浓度处于较低水平,因此在砷污染的水稻种植区建议采用短周期干湿交替的水分管理模式,在保障产量的情况下可尽量降低土壤溶液中砷的水平.     

淹水条件对土壤砷形态转化的影响

通过淹水条件下的培养试验, 探讨了外源二甲基砷酸（DMA）、一甲基砷酸（MMA）、砷酸盐［As(V)］在土壤中的动态转化规律. 结果表明: 随着培养时间的推移, 加入土壤中的DMA和MMA均主要转化为As(V), 且土壤中As(V)含量均呈增加趋势, 培养到150 d时土壤中As(V)含量均显著高于1 d时的含量(P<0.01). 外源DMA通过脱甲基化作用, 在30 d内即基本转化为As(V), 且有少量的亚砷酸盐［As(Ⅲ)］生成; 而外源MMA的转化速度相对较慢, 培养60 d后才基本完成向As(V)的转化, 同时伴随少量DMA和As(Ⅲ)的生成; 在淹水条件下外源As(V)含量随培养时间的增加而逐渐降低,该过程中除有少量As(Ⅲ)生成外,其形态基本未发生改变.     

淹水培养过程中水稻土细菌丰度与群落结构变化

水稻土是非常复杂又典型的生态系统, 分析淹水培养过程中水稻土细菌的丰度和群落结构变化规律, 可以客观反映水稻土中细菌群落结构信息, 为深入探讨水稻土细菌微生物对稻田的影响和在生态系统中的作用(营养元素转换、重金属还原与抑制甲烷生成过程等)提供实验基础与理论依据。作者采用淹水非种植水稻土微环境模式系统, 提取水稻土淹水培养1 h和1、5、10、20、30、40、60 d后的微生物总DNA, 利用Real-time PCR和PCR-DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis)技术检测了淹水培养过程中细菌丰度与群落结构的变化。结果表明: 淹水水稻土中细菌的丰度在1 d时最大, 并在40 d到达第二个峰值, 说明淹水过程改变了细菌的丰度。基于16S rRNA基因V3区的DGGE图谱分析显示, 淹水过程中细菌的群落结构发生了演替性变化: r-策略生存的细菌仅存在于淹水初期; k-策略生存的细菌存在于淹水后期; r-和k-策略共生存的细菌存在于整个淹水过程中, 淹水后期k-策略的细菌占据优势。淹水培养过程中优势种群多样性指数大体呈现先上升后减小的趋势。主成分分析(PCA)将淹水处理过程分成几类不同的生境, 反映出中、后期细菌群落结构较为稳定; 测序结果表明, 32个优势条带所代表的细菌分别属于厚壁菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、变形菌门和酸杆菌门, 且与来自不同地域的水稻土、其他类型土壤、活性污泥以及湖泊沉积物等生态系统的细菌关系密切。     

水稻籽实中砷的结合形态特征及其稳定性

利用凝胶层析方法对水稻籽实中As的结合形态特征及其稳定性进行了研究,结果表明,水稻籽实中存在的As主要与表观分子量为54.5KD和5.5KD的蛋白质形成结合体,分子量为54.5KD的蛋白质-As结合体不太稳定,并且在蒸煮加热和体外消化酶的作用下容易分解,生成相对稳定的、小分子的结合体形式。     

秸秆不同还田方式对污染土壤砷形态的影响

为探讨秸秆还田对农田土壤砷形态的影响, 采用室内土壤培养试验, 探究旱作和水淹条件下秸秆灰分还田、秸秆粉碎还田对污染农田土壤砷赋存形态的影响。结果表明: 在旱作条件下, 秸秆灰分还田松散结合态砷含量相比对照试验提高了102%, 钙型砷含量降低了30.3%; 秸秆粉碎还田松散结合态砷、钙型砷含量分别增加了43.3%、21.7%, 铝型砷、铁型砷含量降低。水淹条件下, 秸秆灰分还田、粉碎还田松散结合态砷含量相比对照试验提高了105%、210%, 钙型砷含量降低, 铝型砷、铁型砷含量升高, 残渣态砷含量降低。秸秆还田上覆水pH升高、Eh降低、砷浓度升高, 粉碎还田、秸秆灰分还田上覆水砷浓度分别达对照试验的26倍和6倍, Eh与上覆水砷浓度存在显著负相关, r=-0.876(P=0.01)。研究表明, 两种秸秆还田方式均能增加砷的活性, 若在砷污染土壤中用秸秆灰分或粉碎秸秆还田可能会增加砷的环境风险。     

水口山水稻土与菜地土中砷的有效性

对湖南省水口山矿冶周边土壤进行采样分析,以土壤砷总量与有效态砷含量以及土壤基本理化性质(pH、有机质含量、土壤粘粒含量)为参数,研究各参数在两种土地利用类型(菜地土和水稻土)间的差异以及有效态砷与土壤理化性质之间的关系。结果表明,水口山水稻土与菜地土平均砷含量分别达72.01和30.71mg.kg-1,接近或已超过国家土壤环境质量二级标准;两种土地利用类型的土壤基本理化性质差异显著,水稻土粘粒含量、有机质含量显著高于菜地土,pH则显著低于菜地土,水稻土存在明显的酸化现象;不同土地利用类型显著影响土壤有效砷含量,尽管菜地土土壤砷总量大大低于水稻土,两者的有效态砷含量水平却基本相当;除总砷外,水稻土有效砷含量还与土壤有机质含量显著正相关,菜地土有效砷含量与土壤pH值显著正相关。水口山菜地土砷污染的危害程度高于水稻土,应采取必要的修复措施或调整土地利用方式以降低砷的健康风险。     

外源磷对苗期小麦和水稻根际砷形态及其生物有效性的影响

采用土(中度砷污染土)-土根袋培养的方法研究了两个浓度的外源磷(P)对苗期小麦和水稻根际砷(As)形态分布及其生物有效性的影响.结果表明:(1)两种作物生长的土壤中各砷形态的分配比例依次为:结晶铁锰或铁铝水化氧化物结合态(45%～52%)＞无定形和弱结晶铁铝或铁锰水化氧化物结合态(26%～34%)＞专性吸附态(12%～14%)＞残渣态(4%～7%)＞非专性吸附态(0.09%～0.25%).(2)添加外源磷浓度为100 mg·kg-1与不施磷处理相比显著提高了两种作物地上部的生物量(p＜0.01).(3)苗期小麦在添加100 mg·kg-1外源磷时,不仅促进了作物生长而且抑制根中砷向地上部的转运.(4)任何磷处理下,水稻对砷的吸收能力以及由根系向地上部转移能力均高于小麦.因此,在轻中度砷污染土壤上与水稻相比更适宜种植小麦(或其他旱作植物);而在水稻种植季,可以通过添加适量磷肥(100 mg·kg-1)来减弱砷在水稻体内的累积.     

淹水条件下控释氮肥对污染红壤中重金属有效性的影响

采用淹水培养方法研究了不同氮水平(100、200和400 mg/kg,分别记为1、2、3)下普通尿素(PU)、硫包膜尿素(SCU)、树脂包膜尿素(PCU)和硫加树脂双层包膜尿素(SPCU)对污染红壤中Cd、Pb、Cu、Zn有效性的影响.结果表明,不同包膜尿素对土壤pH值和水溶性SO42-含量有较大影响.各施氮处理红壤pH值随着施氮量的增加(除5d时PU和60 d时SCU)而增加,不同包膜尿素对土壤中水溶性SO42-含量有较大影响,在同一施氮水平下不同包膜尿素处理间土壤pH值和土壤中水溶性SO42-含量差异较大.60 d培养期间PU、SCU、PCU和SPCU处理pH值比对照分别升高0.17-0.38、0.08-0.27、0.07-0.36和0.10-0.21;水溶性SO42-含量PU、SCU和PCU处理比对照分别升高39.5％-157.3％、40.9％-94.5％和7.55％-55.8％,而SPCU处理降低5.67％-90.7％.不同尿素类型和氮肥的施用量对红壤Cd、Pb、Cu和Zn有效性的影响均存在显著差异.60 d培养期间红壤有效态Cd含量以树脂包膜尿素100 mg N/kg下最低,其有效态Cd含量比对照显著降低20.7％-69.8％;有效态Pb、Cu和Zn含量以普通尿素400 mg N/kg下最低,其有效态Pb、Cu和Zn含量比对照分别显著降低17.0％-54.2％、18.5％-34.6％和15.6％-59.5％.随施氮量提高,PU处理有效态Cd含量先升高后降低,有效态Pb、Cu和Zn含量逐渐降低;SCU处理有效态Pb含量逐渐降低,有效态Cd、Cu和Zn含量变化规律不一致;PCU处理有效态Cd含量逐渐升高,有效态Pb、Cu和Zn含量变化规律不一致;SPCU处理有效态Cd、Pb、Cu和Zn含量逐渐降低.有效态Pb和Zn含量与pH值和水溶性SO42-含量呈显著负相关,有效态Cd与水溶性SO42-含量呈显著正相关.在多重金属污染红壤中,可考虑不同控释氮肥的配合使用,降低土壤中重金属的有效性.     

砷超富集植物中砷化学形态其转化的EXAFS研究

通过同步辐射扩展X射线吸收精细结构(SR EXAFS)研究砷超富集植物大叶井口边草(Pteris nervosa)中砷的化学形态及其在植物体中的转化. 结果表明, 在大叶井口边草中砷主要与O配位, 根部存在与谷胱苷肽(GSH)结合的砷, 但是在羽叶中没有发现与GSH结合的砷. 在NaAsO2和Na2HAsO4处理中, 植物根系的砷分别以As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)为主, 但是在叶柄和羽叶中砷都以As(Ⅲ)的形态为主. 植物根系吸收的As(Ⅴ)在向上转运的过程中具有向As(Ⅲ)转化的趋势, 其转化过程主要发生在根部. 实验证明, 与GSH结合并不是大叶井口边草中砷解毒的主要机理, 超富集植物可能具有与一般耐性植物不同的重金属解毒机制.     

砷超富集植物中砷化学形态及其转化的EXAFS研究

通过同步辐射扩展X射线吸收精细结构(SR EXAFS)研究砷超富集植物大叶井口边草(Pteris nervosa)中砷的化学形态及其在植物体中的转化。结果表明,在大叶井口边草中砷主要与O配位,根部存在与谷胱苷肽(GSH)结合的砷,但是在羽叶中没有发现与GSH结合的砷,在NaAsO_2和Na_2HAsO_4处理中,植物根系的砷分别以As(Ⅲ)和As(Ⅴ)为主,但是在叶柄和羽叶中砷都以As(Ⅲ)的形态为主,植物根系吸收的As(Ⅴ)在向上转运的过程中具有向As(Ⅲ)转化的趋势,其转化过程主要发生在根部。实验证明,与GSH结合并不是大叶井口边草中砷解毒的主要机理,超富集植物可能具有与一般耐性植物不同的重金属解毒机制。     

不同土壤水分条件下北方稻田耗水规律研究

采用田测法研究不同土壤水分条件下稻田需水规律．试验采用淹灌、湿润灌和间歇灌3种灌水处理．结果表明,在整个生育期内由田测法测得的淹灌、湿润灌和间歇灌3种处理的蒸散量分别为889．1、635．9和775．9mm．蒸散速率分别为6．9、4．9和6．0mm·d^-1．与淹灌处理相比．湿润灌和间歇灌处理分别节水28．5％和12．7％．在充分供水的情况下,由Penman法计算的潜在蒸散值分别比田测法小29．30％．淹灌、湿润灌和间歇灌3种处理的生物产量分别为16438．22、15887．94和15757．88kg·hm^-2．经济产量分别为8014．01、7828．91和7853．93kg·hm^-2．统计分析结果表明．3种处理间的产量差别不显著．淹灌、湿润灌和间歇灌3种处理的水分利用效率(WUE)分别为9．01、12．31和10．12kg·hm^-2·mm^-1．淹灌的WUE分别比湿润灌和间歇灌减少26．8％和11．0％．对比分析结果表明．湿润灌的节水效果最好．     

不同管理方式下橡胶林土壤氮动态特征

对西双版纳割胶、未割胶条件下橡胶林种植带土壤及其保护带土壤氮素动态变化特征进行了研究,并比较了不同保护带种植方式(距瓣豆绿肥覆盖与野生杂草覆盖)对土壤氮素动态的影响。结果表明,橡胶林种植带土壤全氮、碱解氮和硝态氮含量低于保护带。橡胶林土壤全氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮均呈现明显的动态变化,种植距瓣豆绿肥覆盖与野生杂草生长覆盖的橡胶林土壤氮变化趋势一致。土壤全氮随时间逐渐下降,碱解氮含量先升后降,铵态氮和硝态氮含量变化幅度较大。橡胶林土壤全氮和碱解氮含量呈现表层(0～20cm)>中层(20～40cm)>底层(40～60cm)的趋势,且未割胶处理全氮和碱解氮含量>割胶处理,而保护带为距瓣豆绿肥覆盖的割胶橡胶林>杂草生长覆盖的橡胶林。距瓣豆绿肥覆盖的保护带土壤硝态氮含量高于杂草生长覆盖。碱解氮与铵态氮含量呈显著的负相关、与硝态氮呈显著正相关。割胶橡胶林土壤氮养分含量最低。橡胶林土壤种植豆科距瓣豆绿肥能够改善土壤氮素肥力。     

Genes involved in arsenic transformation and resistance associated with different levels of arsenic-contaminated soils

Background  

Arsenic is known as a toxic metalloid, which primarily exists in inorganic form [As(III) and As(V)] and can be transformed by microbial redox processes in the natural environment. As(III) is much more toxic and mobile than As(V), hence microbial arsenic redox transformation has a major impact on arsenic toxiCity and mobility which can greatly influence the human health. Our main purpose was to investigate the distribution and diversity of microbial arsenite-resistant species in three different arsenic-contaminated soils, and further study the As(III) resistance levels and related functional genes of these species.     

好气条件下不同形态外源砷在土壤中的转化

在35%的田间持水量下,通过模拟试验研究了外源二甲基砷酸盐（DMA）、一甲基砷酸盐（MMA）、五价无机砷［As(V)］在土壤中的形态转化.结果表明: 外源砷进入土壤后,其含量均有随时间推延而逐渐下降的趋势,两种不同形态的有机砷DMA和MMA在土壤中主要发生脱甲基化过程,经150 d的恒温恒湿培养,其在土壤中主要转化为As(V),DMA处理仅在120 d时检测到少量MMA,而MMA处理则在7～60 d内均有少量的DMA生成.培养结束时土壤中DMA和MMA含量均显著降低(P<0.01),降幅分别为99.5%、94.3%,而两者的主要转化产物As(V)的含量则分别显著增加了4.61和5.15倍.表明外源有机态砷在土壤中基本上被转化为无机形态;与有机态外源砷相比,外源As(V)进入土壤后其形态基本上没有发生转化.     

微生物对砷的作用机理及利用真菌修复砷污染土壤的可行性

利用真菌修复砷污染土壤和水体具有很大的发展潜力,是环境科学领域研究的热点.环境中存在的砷虽然不能像有机污染物那样被微生物降解,但可以通过微生物对砷的氧化/还原、吸附/解吸、甲基化/去甲基化、沉淀/溶解等作用影响其生物有效性,从而达到降低环境中的砷毒害、修复砷污染环境的目的.本文阐述了微生物对砷的作用机理,综述了真菌对砷累积与挥发研究的最新进展,探讨了其在修复砷污染土壤方面的可行性,旨在为利用真菌来修复砷污染土壤提供理论依据.     

长期施肥下红壤性水稻土有机碳储量变化特

研究了1982—2012年长期不同施肥下红壤性水稻土土壤有机碳含量变化、固碳趋势及外源碳输入对土壤固碳的贡献.结果表明： 施肥能提高土壤有机碳含量,连续30年不同施肥后,各施肥处理土壤有机碳含量趋于稳定,有机无机配施的土壤有机碳含量为21.02～21.24 g·kg^-1,增加速率为0.41～0.59 g·kg^-1·a^-1,单施化肥的土壤有机碳含量为15.48 g·kg^-1.各有机无机肥配施处理土壤的平均有机碳储量为43.61～48.43 t C·hm^-2,历年平均土壤有机碳储量显著大于单施化肥处理.土壤固碳速率与年均投入碳量呈显著指数正相关.本试验条件下,每年需要增加外源有机碳为0.12 t C·hm^-2才能维持土壤有机碳的平衡.     

Homodimeric and expanded behaviour of trimethylamine dehydrogenase in solution at different temperatures

Earlier studies using x-ray crystallography have shown that trimethylamine dehydrogenase (TMADH) from methylotropic bacteria exists as homodimers in the crystalline state. In this present hydrodynamic study we show that this is true also in dilute solution conditions and investigate the degree of swelling or relaxation of the protein in solution. Analytical ultracentrifugation was used to determine the molar mass and to investigate whether the homodimeric nature of this molecule in crystal form — as visualized by x-ray crystallography — is reproduced in dilute solution at temperatures between 4 and 40°C. The globular solution structure determined at 4 and 40°C is in good agreement with crystallographic data although trimethylamine dehydrogenase was found to be either more asymmetric in solution — or highly hydrated —, a phenomenon found to increase with temperature. In agreement with the crystallographic structure, the enzyme sediments as a homodimer with a molar mass of (163,000±5,000) g/mol. The concentration dependence of the sedimentation coefficient in the range of 0–1 mg/ml, indicates that no association or dissociation occurs. These findings are additionally supported by sedimentation equilibrium data in the concentration range of 0 to 1.8 mg/ml. Finally, from the sedimentation coefficient distribution at various temperatures, it was concluded that the enzyme is conformationally flexible and assumes an even more expanded structure at higher temperatures which is in good agreement with the hydrodynamic calculations performed. Correspondence to: S. E. Harding