水稻根际亚铁氧化过程协同三价锑氧化固定机制研究

Oxidation of ferrous iron to its ferric form by oxygen or Fe(II)-oxidizing bacteria (FeOB) would lead to precipitation of iron oxyhydroxides in the rhizosphere and on the root surface of wetland plants. Antimony has a high binding affinity for iron oxyhydroxides. The key problem in science of the project is, does ferrous iron oxidation by FeOB mediate Sb(III) oxidation? (1)Simulation experiments will be conducted to determine the species of antimony in the oxidation processes of Fe(II) by oxygen or by Fe(II) oxidizing bacteria, antimony and iron concentrations, species of antimony and types of iron oxyhydroxides in iron plaque of rice roots, which are to ascertain the chemical or microbial mechanism for Sb(III) oxidation and immobilization; (2) rhizobox experiments will be conducted with rice cultivars having different radial oxygen loss or soils having different physicochemical properties, which are to ascertain the key environmental factors affecting Fe(II) oxidation coordinate Sb(III) oxidation and the key Fe(II) oxidizing bacteria flora; (3) Samples will be collected from the contaminated paddy field nearby an antimony mine and iron and antimony concentrations, speciations in iron plaques and rhizosphere soils will be analyzed, Fe(II) oxidizing bacteria in rhizosphere and bulk soils will be isolated and quantified, antimony concentrations in overground part of rice plant will be surveyed , which are to illustrate the key factors and bacteria affecting the antimony bioavailabilities in the rice's rhizosphere.

水稻根系径向泌氧和根际微氧型亚铁氧化菌氧化亚铁形成氧化铁，氧化铁将锑吸附固定在其表面，降低锑的移动性和生物有效性。亚铁氧化菌在亚铁氧化过程中如何协同氧化三价锑是本申请的核心科学问题。本项目将模拟根际微氧环境并进行水培实验，研究水稻根际铁与锑形态变化、根表铁膜的氧化铁组成及锑形态变化、根表铁膜量与锑固定量及亚铁氧化菌群变化，阐明不同泌氧能力的水稻根际亚铁氧化与三价锑氧化固定的关系；采用根箱实验，以不同锑污染水平、pH值、铁含量的土壤为对象，阐明影响水稻根际土壤亚铁氧化协同三价锑氧化固定的关键环境因子及亚铁氧化微生物菌群对环境条件的响应规律；以湖南冷水江锡矿山锑矿区污染稻田为研究对象，探究水稻关键生育期根际土壤亚铁氧化协同三价锑氧化固定的关键微生物菌群、铁/锑形态变化与水稻锑有效性的关系，阐明田间条件下控制锑有效性的关键微生物及菌群关键环境因子。为深入阐明亚铁氧化过程的环境效应提供科学依据。

水稻根系径向泌氧形成根际微氧化境，能够将Fe(II)氧化成Fe(III)的氧化物并吸附固定于水稻根表，形成铁膜。Fe(II)氧化过程能够协同Sb(III)和As(III)的氧化并将氧化产物吸附固定于根表铁膜中，从而降低Sb、As对水稻的毒害作用。我们以湖南锡矿山锑矿区受Sb、As复合污染的土壤为研究对象，深入研究了水稻根际微氧环境中铁形态转变对生物可利用性Sb、As在土壤-水稻系统中迁移转化的影响机制。主要创新性进展包括：（1）揭示了锡矿山锑矿区稻田土壤所受Sb及其伴生性元素As的污染较为严重。水稻根表铁膜对As、Sb具有强烈的固定作用，能够抑制二者向水稻体内的迁移转化，从水稻根系至茎叶再至籽粒，As、Sb的含量依次降低；（2）阐明了土壤中生物有效性的As、Sb严重影响着植物的质量，专性吸附态As、Sb是土壤中生物可利用性的As、Sb的汇，可被植物直接吸收利用并在水稻内部进行迁移，专性吸附态As、Sb含量越高，相应的富集在水稻茎叶和籽粒中的As、Sb含量越高；（3）选取锡矿山As和Sb复合污染土进行盆栽试验，通过添加无定型铁氧化物、FeCl2、NaNO3、FeCl2与NaNO3的混合物来研究水稻根际土壤微环境的改变对Sb、As在土壤-水稻系统内迁移转化的影响，发现四种添加剂均能提高水稻根表铁膜中As、Sb的含量，均能降低水稻根系、茎叶、稻壳和糙米中As、Sb的含量，其中以无定型铁氧化物和FeCl2-NaNO3的混合物处理效果最好。揭示了四种添加剂的施加能够改变根际土壤中铁的形态，进而对As、Sb的迁移性产生影响。其中，无定型铁氧化物和FeCl2-NaNO3的施加能够有效改变铁的赋存形态；（4）揭示了磷酸盐提取态的As、Sb与水溶态Fe(II)、强吸附态Fe(II)之间具有强烈的正相关性，而与无定型态Fe(II)之间具有显著的负相关性。阐明了根际土壤中铁氧化物对生物有效性As、Sb的含量具有重要影响。无定型提取态Fe(II)的含量远超过水溶态Fe(II)和强吸附态Fe(II)的含量，因而无定型铁氧化物控制着土壤中As、Sb的迁移转化，无定型铁氧化物是土壤中重要的As和Sb的汇，提高其含量，能够显著降低土壤中生物有效性的As、Sb含量。针对根际微环境中亚铁氧化菌驱动下As和Sb的形态转变研究还处于研究阶段，关于上述盆栽实验根际土壤中亚铁氧化菌的富集、分离和确定仍在进行中