固氮鱼腥藻对水稻吸收转运和积累砷的影响研究
在持续淹水条件下使用固氮鱼腥藻进行盆栽试验，以确定在砷污染土壤中接种微藻是否对水稻生长和糙米积累砷有影响。研究结果表明，接种微藻能明显增加水稻的生长量及其对养分的吸收量。固氮鱼腥藻的存在不能显著减少糙米无机砷含量，但是可以显著减少水稻根系和糙米的二甲基化砷含量。水稻接种固氮鱼腥藻后，砷从根系至糙米转移量显著下降。这也导致糙米总砷含量下降。接种微藻对土壤pH、土壤砷形态和土壤养分生物有效性有很大影响，这显著影响水稻生长，吸收养分，以及植株内砷的积累和转运。在砷污染水稻土中接种藻类是增加水稻吸收养分，减少砷从根系至糙米转移量的有效策略。关键词 砷，水稻，固氮鱼腥藻，土壤修复，水稻土
目 录
1 引言 1
2 材料和方法 1
2.1 藻的收集和培养 2
2.2 土壤样品的采集和准备 2
2.3 试验设计 2
2.4 测定指标 2
2.5 统计分析 4
3 结果 4
3.1 砷对水稻生长与组织积累砷的影响 4
3.2 固氮鱼腥藻对水稻生长的影响 6
3.3 固氮鱼腥藻对水稻组织砷含量的影响 6
3.4 固氮鱼腥藻对根际土壤性质的影响 7
3.5 固氮鱼腥藻对水稻吸收和转化元素的影响 9
4 讨论 11
结论 15
致谢 16
参考文献 17
1 引言
砷(As)是一种普遍存在的微量非金属，是没有安全阈值的人类一级致癌物[1，2]。水稻植株积累砷的效率比其他粮食作物更高，例如小麦和大麦[3]。大米消费是中国人口膳食中无机砷的主要来源，因此增加了皮肤癌、肺癌和膀胱癌的患病风险[4~6]。减少水稻积累砷的方法最近受到了相当大的关注，例如水分管理、增施硅肥和硫肥、培育低砷积累水稻品种，以及生物修复（植物、微生物或植物微生物联合修复砷污染稻田土壤）[7~15]。研究发现土壤微生物在影响土壤砷的氧化、还原、甲基化等方面起着重要的作用，从而导致土壤砷的迁移及其毒性变化，并且影响着土壤砷向水稻的可食性部分的迁移[16，17]。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
微藻是一类自养有机体，广泛存在于陆地和水生生态系统中。淹水的稻田土壤为微藻的生长提供了理想条件，使它们成为土壤微生物区系的重要组成部分。许多研究表明，在水生生态系统中土壤微藻能够促进反应，如砷酸盐的还原，亚砷酸盐的氧化和甲基化，这导致砷的形态和毒性的变化[18~22]。然而，微藻在土壤水稻系统中在砷的迁移、转化、吸收、积累等方面所起的作用仍不得而知。近来已证明两种绿藻，小球藻和微绿球藻，在水培条件下用50 μM亚砷酸盐处理时，由于减少了砷的积累和调节抗氧化酶的活性从而改善了水稻秧苗中砷的毒性[4]。然而，在淹水土壤系统中土壤微藻能否影响水稻糙米中砷的积累和转运，尚不清楚。
已经确定水稻植株从土壤中吸收砷取决于砷的生物有效性，其明显受到土壤性质的影响，包括土壤pH值、氧化还原电位和有机质含量[8，23]。微藻不仅能提升土壤肥力，而且能强烈地改变土壤性质[24~26]。因为有藻类接种和无藻类接种的土壤其性质和肥力通常不同，所以假设微藻的存在改变了水稻植株对砷的积累和转移以及其他元素的生物地球化学循环是合理的。
本研究从高砷污染水稻土中分离出1种微藻。我们在持续淹水条件下进行了有藻和无藻接种的盆栽试验。本研究有以下目标：⑴评估微藻是否影响砷污染土壤中水稻植株的生长；⑵探讨微藻对水稻积累和转运砷的影响以及确定产生这种影响的作用机制。
2 材料和方法
2.1 藻的收集和培养
在华南汕头用360 ± 20.4 mg kg–1的砷污染水稻土，从其中分离1种蓝藻即固氮鱼腥藻[23]。在25 ± 1°C温度条件下，将这种微藻培养在灭菌BG11培养基中。光强为40 μmol m–2 s–1，光暗周期比为12h:12h[27]。
2.2 土壤样品的采集和准备
稻田土壤是在江苏农业科学院 （南京，中国）从0–20厘米的深度收集的。将土壤风干，磨碎，过2毫米筛，然后充分混合。土壤（命名为土壤 A）有机碳总量为21.5 ± 0.70 g kg–1，全氮含量1.64 ± 0.06 g kg–1，全磷含量1.39 ± 0.09 g kg–1，全钾含量12.8 ± 0.70 g kg–1，总砷含量10.2 ± 0.67 mg kg–1，NH4H2PO4提取砷的含量为0.69 ± 0.06 mg kg–1。土壤pH值为7.01 ± 0.02。在土壤A中加入砷酸盐(Na3AsO412H2O)溶液，人为地增加土壤总砷的含量至大约30 mg kg–1。然后充分混合砷污染的土壤（轻微污染的土壤，命名为土壤B），在淹水层5厘米黑暗条件下保存。老化6个月后，将土壤B风干，磨碎，过2毫米筛。土壤B的总砷含量为28.5 ± 1.37 mg kg–1，而NH4H2PO4提取砷的含量为4.65 ± 0.71 mg kg–1。
2.3 试验设计
水稻种子（亚洲栽培稻变种日本晴）用30% H2O2（体积百分浓度）消毒15分钟，清洗，并且浸泡在去离子水中过夜；然后转移到培养箱中萌发2天，培养箱条件为黑暗32°C。将预发芽的种子播种在淹水的土壤A表面之下，生长条件控制为：光暗周期比12h:12h，光强360 μmol m2 s1，温度为昼30°C夜25°C，相对湿度60–70%。培养3周之后，将生长一致的秧苗转移到温室在塑料盆钵（高16.5厘米，直径25厘米，每钵4株秧苗）中培养，每个塑料盆钵装有3千克的风干土A或B。盆钵分为三组。在1和2组中，在每个含土壤 A 和土壤 B 的盆钵中分别添加100毫升去离子水；在3组中，在每个含土壤B的盆钵中添加100毫升藻类悬浮液。悬浮液保存在消毒的去离子水中，其光学密度 (OD437 nm) 为0.2（蓝藻）。每个处理重复3次，而且土壤保持在持续淹水的条件下直到最终收获的前一天。所有处理施的基肥量相同，0.15 g kg–1尿素，0.04 g kg–1过磷酸钙，0.1 g kg–1硫酸钾。此外，在分蘖和开花阶段每个处理施氮肥（尿素）0.075 g kg–1。
目 录
1 引言 1
2 材料和方法 1
2.1 藻的收集和培养 2
2.2 土壤样品的采集和准备 2
2.3 试验设计 2
2.4 测定指标 2
2.5 统计分析 4
3 结果 4
3.1 砷对水稻生长与组织积累砷的影响 4
3.2 固氮鱼腥藻对水稻生长的影响 6
3.3 固氮鱼腥藻对水稻组织砷含量的影响 6
3.4 固氮鱼腥藻对根际土壤性质的影响 7
3.5 固氮鱼腥藻对水稻吸收和转化元素的影响 9
4 讨论 11
结论 15
致谢 16
参考文献 17
1 引言
砷(As)是一种普遍存在的微量非金属，是没有安全阈值的人类一级致癌物[1，2]。水稻植株积累砷的效率比其他粮食作物更高，例如小麦和大麦[3]。大米消费是中国人口膳食中无机砷的主要来源，因此增加了皮肤癌、肺癌和膀胱癌的患病风险[4~6]。减少水稻积累砷的方法最近受到了相当大的关注，例如水分管理、增施硅肥和硫肥、培育低砷积累水稻品种，以及生物修复（植物、微生物或植物微生物联合修复砷污染稻田土壤）[7~15]。研究发现土壤微生物在影响土壤砷的氧化、还原、甲基化等方面起着重要的作用，从而导致土壤砷的迁移及其毒性变化，并且影响着土壤砷向水稻的可食性部分的迁移[16，17]。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
微藻是一类自养有机体，广泛存在于陆地和水生生态系统中。淹水的稻田土壤为微藻的生长提供了理想条件，使它们成为土壤微生物区系的重要组成部分。许多研究表明，在水生生态系统中土壤微藻能够促进反应，如砷酸盐的还原，亚砷酸盐的氧化和甲基化，这导致砷的形态和毒性的变化[18~22]。然而，微藻在土壤水稻系统中在砷的迁移、转化、吸收、积累等方面所起的作用仍不得而知。近来已证明两种绿藻，小球藻和微绿球藻，在水培条件下用50 μM亚砷酸盐处理时，由于减少了砷的积累和调节抗氧化酶的活性从而改善了水稻秧苗中砷的毒性[4]。然而，在淹水土壤系统中土壤微藻能否影响水稻糙米中砷的积累和转运，尚不清楚。
已经确定水稻植株从土壤中吸收砷取决于砷的生物有效性，其明显受到土壤性质的影响，包括土壤pH值、氧化还原电位和有机质含量[8，23]。微藻不仅能提升土壤肥力，而且能强烈地改变土壤性质[24~26]。因为有藻类接种和无藻类接种的土壤其性质和肥力通常不同，所以假设微藻的存在改变了水稻植株对砷的积累和转移以及其他元素的生物地球化学循环是合理的。
本研究从高砷污染水稻土中分离出1种微藻。我们在持续淹水条件下进行了有藻和无藻接种的盆栽试验。本研究有以下目标：⑴评估微藻是否影响砷污染土壤中水稻植株的生长；⑵探讨微藻对水稻积累和转运砷的影响以及确定产生这种影响的作用机制。
2 材料和方法
2.1 藻的收集和培养
在华南汕头用360 ± 20.4 mg kg–1的砷污染水稻土，从其中分离1种蓝藻即固氮鱼腥藻[23]。在25 ± 1°C温度条件下，将这种微藻培养在灭菌BG11培养基中。光强为40 μmol m–2 s–1，光暗周期比为12h:12h[27]。
2.2 土壤样品的采集和准备
稻田土壤是在江苏农业科学院 （南京，中国）从0–20厘米的深度收集的。将土壤风干，磨碎，过2毫米筛，然后充分混合。土壤（命名为土壤 A）有机碳总量为21.5 ± 0.70 g kg–1，全氮含量1.64 ± 0.06 g kg–1，全磷含量1.39 ± 0.09 g kg–1，全钾含量12.8 ± 0.70 g kg–1，总砷含量10.2 ± 0.67 mg kg–1，NH4H2PO4提取砷的含量为0.69 ± 0.06 mg kg–1。土壤pH值为7.01 ± 0.02。在土壤A中加入砷酸盐(Na3AsO412H2O)溶液，人为地增加土壤总砷的含量至大约30 mg kg–1。然后充分混合砷污染的土壤（轻微污染的土壤，命名为土壤B），在淹水层5厘米黑暗条件下保存。老化6个月后，将土壤B风干，磨碎，过2毫米筛。土壤B的总砷含量为28.5 ± 1.37 mg kg–1，而NH4H2PO4提取砷的含量为4.65 ± 0.71 mg kg–1。
2.3 试验设计
水稻种子（亚洲栽培稻变种日本晴）用30% H2O2（体积百分浓度）消毒15分钟，清洗，并且浸泡在去离子水中过夜；然后转移到培养箱中萌发2天，培养箱条件为黑暗32°C。将预发芽的种子播种在淹水的土壤A表面之下，生长条件控制为：光暗周期比12h:12h，光强360 μmol m2 s1，温度为昼30°C夜25°C，相对湿度60–70%。培养3周之后，将生长一致的秧苗转移到温室在塑料盆钵（高16.5厘米，直径25厘米，每钵4株秧苗）中培养，每个塑料盆钵装有3千克的风干土A或B。盆钵分为三组。在1和2组中，在每个含土壤 A 和土壤 B 的盆钵中分别添加100毫升去离子水；在3组中，在每个含土壤B的盆钵中添加100毫升藻类悬浮液。悬浮液保存在消毒的去离子水中，其光学密度 (OD437 nm) 为0.2（蓝藻）。每个处理重复3次，而且土壤保持在持续淹水的条件下直到最终收获的前一天。所有处理施的基肥量相同，0.15 g kg–1尿素，0.04 g kg–1过磷酸钙，0.1 g kg–1硫酸钾。此外，在分蘖和开花阶段每个处理施氮肥（尿素）0.075 g kg–1。
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