稻米中甲基砷来源及土壤/水稻中砷甲基化的关键影响因素研究

水稻对砷的富集能力明显高于其他旱作农作物。砷形态与其生物毒性密切相关，甲基砷的毒性明显小于无机砷。稻米中甲基砷含量和分配比例变化很大，前期研究表明一些土壤环境因素和植物特性影响着稻米中甲基砷的比例，究竟哪些是影响土壤/水稻中砷甲基化的关键因素？本研究拟采用土壤－植物互作的生物学模拟试验，结合先进的HPLC-ICP-MS（高压液相－电感耦合等离子体－质谱）联用系统，探索分析稻米中甲基砷的主要来源；研究稻田土壤中关键因素：有机质含量，氧化还原电位和外源硅对砷甲基化的影响效应及其对甲基砷向水稻体内迁移的调控作用；探察植物关键特性：基因型和关键生育阶段对水稻体内甲基砷累积和分配的影响；最终诠释水稻体内甲基砷的积累与土壤砷甲基化的关系，为筛选降低水稻籽粒总砷含量和提高甲基砷比例的具体农艺措施及可行育种途径提供科学依据。

水稻对砷的富集能力明显高于其他旱作农作物。砷形态与其生物毒性密切相关，甲基砷的毒性明显小于无机砷，尤其是二甲基砷（DMAV）。本研究结果显示，首先是植物本身不能将无机砷转化为甲基砷，水稻籽粒中甲基砷主要是从生长介质中吸收被转移至可食部位的，而土壤中的甲基砷是在微生物作用形成的。此外，研究还发现水稻生长在相同浓度无机砷和二甲基砷溶液中，二甲基砷在水稻籽粒中的累积浓度为无机砷3-4倍，这说明二甲基砷向籽粒中的转运能力很强。其次，结果发现，（1）硅不仅降低了籽粒中砷的累积而且增加了籽粒中甲基砷比例，从而降低了稻米中砷的生物毒性。（2）硅为何可增加水稻籽粒中二甲基砷的比例？进一步研究结果显示，添加硅增加了土壤溶液中DMAV含量，且这一过程受微生物活性调控，其原因之一是土壤淹水后，硅酸增加了三价砷有效性，在微生物作用下促进了无机砷的甲基化；原因之二是硅加入减少了土壤固相对DMAV吸附或者硅酸增加了DMAV向土壤溶液中的释放，从而减少了水稻对DMAV吸收和向水稻不同部位转移，因此，在水稻开花后，加硅处理的籽粒，颖壳和叶片中DMAV的含量均高于不施硅处理。（3）添加硅和有机质是否会影响土壤中无机砷的甲基化过程？研究表明，淹水模式下土壤溶液中DMAV含量最低，约为1%，加入硅和有机质并没有增加土壤溶液中DMAV含量水平。这与前期研究结果不一致。综合分析发现，是由于两种土壤pH值是不同的：前者是酸性（pH 5.5）的,后者为碱性(pH 7.2)。土壤pH值与土壤中甲基砷含量之间呈负相关，这为前期结果提供了直接证据。最后，既然微生物参与了土壤中无机砷的甲基化过程，而微生物活性和温度密切相关，因此，研究了不同培养温度对土壤淹水后其溶液中砷形态变化的影响。结果表明50℃灭菌土壤淹水23 d时其土壤溶液中DMAV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。综上所述，水稻籽粒中的二甲基砷来源于土壤，在酸性土壤上添加外源硅有利于砷的甲基化，相对而言减少了砷的生物毒性。在碱性土壤上添加硅和有机质虽然均未明显促进砷的甲基化，但是减少了水稻体内砷的总量，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和适量施用硅肥和有机肥，从而降低水稻籽粒的生物毒性和控制土壤中砷的生物有效性。