科研 | 天大&环科院:富硫生物炭添加对水稻根际土壤微生物汞甲基化及水稻甲基汞积累的影响

2021
09/01

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微生态
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编译:微科盟达达兔,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。

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导读  

在土壤-水稻生态系统中,添加生物炭使水稻对甲基汞的吸收的能力降低。因为硫可以结合汞从而降低汞的生物有效性,所以含硫的生物炭被用于固定土壤中的汞。但是,天然富硫生物炭是否能进一步降低汞和甲基汞的植物有效性仍然不清楚。此外,根际是调节陆地生态系统污染物动态的最重要的微生物热点之一所以,研究生物炭对根际和非根际土壤中甲基汞的含量和植物有效性的影响具有重要的现实意义。通过盆栽试验,我们研究了富硫油菜秸秆生物炭降低水稻甲基汞积累的效果。结果表明:(1)生物炭处理提高了上覆水和孔隙水中氯离子和硫酸盐含量,从而促进根际土壤中微生物对汞的甲基化,进而促进了甲基汞的产生。(2)生物炭添加提高了根际土壤硫含量和腐殖酸类物质含量,增强了甲基汞与土壤的结合,使籽粒甲基汞含量降低了47% ~ 75%本研究的结果主要强调了使用含天然硫的生物炭加上外源硫配施可以进一步降低甲基汞的植物有效性。


 

论文ID


 

名:Effects of sulfur-rich biochar amendment on microbial methylation of mercury in rhizosphere paddy soil and methylmercury accumulation in rice

富硫生物炭添加对水稻根际土壤微生物汞甲基化及水稻甲基汞积累的影响

期刊Environmental Pollution

IF:8.071

发表时间:2021.5.3

通讯作者:席北斗

通讯作者单位:天津大学&中国环境科学研究院


实验方法


  生物炭制备  
以普通油菜秸秆(S含量为0.31%)和高硫油菜秸秆(S含量为0.76%)为原料制备生物炭。  

 
2 实验点概况  
在中国西南万山某汞矿区(27◦54'18.60"N,109◦31'29.07"E)周围采集了汞污染水稻土,土壤呈弱酸性,Hg含量为10.3 μg/g,MeHg含量为8.9 ng/g。  

 
3 样品采集和准备  
采集水稻苗期等典型生育期的上覆水、土壤孔隙水和根际土壤(第0天)、分蘖期(第60天)、抽穗期(第129天)。在水稻成熟期(第153天)采集土壤孔隙水和根际土壤水分。在水稻成熟的最后一天采集整株样品。  

 
4 分析方法  
用压汞仪测定生物炭和汞污染水稻土的比表面积。利用红外光谱仪(TENSON II, Bruker, Germany)对根际土壤中的化学官能团进行了表征。利用有机碳分析仪测定土壤孔隙水和上覆水中的DOC含量。采用氢氧化钾-甲醇溶液提取根际土壤中的甲基汞。用氢氧化钾-甲醇溶液提取植物各组织(根、茎、叶和籽粒)中的甲基汞含量。  

 
5 水稻荧光区域整合函数与甲基汞积累和转运计算  
利用MatlabR2018b确定土壤WEOM各荧光组分的荧光区域整合(FRI)公式。  

 
统计分析  
采用Minitab 18进行方差分析,评估各处理间各变量的差异。采用Tukey假设检验进行事后检验,显著性水平(α)为0.05。所有变量均进行正态分布检验。  

 

结果


根际土壤生物炭基本特性及理化性质变化
低硫油菜秸秆生物炭和高硫油菜秸秆生物炭的比表面积分别是13.2和11.4 m2/g,比汞污染水稻土高(表1)。高硫油菜秸秆生物炭的总硫含量比低硫油菜秸秆生物炭的总硫含量高51.8%,两种生物炭的总硫含量均显著高于汞污染的水稻土。
根际土壤红外光谱结果(图1A)显示,生物炭添加处理的根际土壤的化学官能团组成与未经过生物炭添加的根际土壤基本相似,但不同特征峰的峰值强度不同。根据前人的研究,1635 cm−1峰归属于酰胺的C-O或芳香族C-C伸缩振动;1035 cm−1峰归属于多糖、醇类和酚类的C-O伸缩振动;783 cm−1为石英中Si-O官能团的对称拉伸振动。与CK处理相比,L-HSBC和L-HSBC在1635 cm−1处的吸收峰强度均高于CK处理,而H-LSBC与CK基本相似。与CK相比,L-HSBC和H-HSBC在1035 cm−1处的吸收峰高度明显降低,而H-LSBC处理略有增加,说明HSBC处理降低了土壤有机质中C-O官能团的含量,而LSBC处理增加了其含量。
苗期(第0天),不同处理组根际土壤pH值在6.51-6.86之间,生物炭处理组的pH值略高于CK组。在水稻分蘖期(第60天),4个处理组的pH普遍升高,其中生物炭处理组的pH明显高于CK(图2A)。生物炭处理对苗期和分蘖期根际土壤pH变化的影响可能是因为生物炭处理直接效应和间接效应相结合的结果。在成熟期(第157天),各处理根际土壤pH值均下降至6.44-6.99,与初始pH值基本一致(图2A)。此外,水稻成熟期生物炭处理根际土壤pH与CK组几乎没有差异(图2A)。除CK组外,所有4组根际土壤电导率均先下降后略有上升,然后急剧下降(图2B)。成熟期,H-HSBC和H-LSBC组的电导率值远低于CK组(图2B)。与CK组相比,添加生物炭根际土壤有机质含量变化不显著(图2C)。添加生物炭处理的根际土壤总氮含量高于未添加生物炭的根际土壤,但各处理组间总氮含量基本一致(图2D)。总体来看,4个处理组根际土壤总硫含量在整个水稻生长季中变化不大,其中添加生物炭处理组(0.94-1.56 g kg−1)高于CK组(0.75-0.95 g kg−1)(图2E)。第0天时根际土壤碳氮比(C:N)为22.7-32.9,生物炭处理显著低于CK组。但从分蘖期到成熟期,4个处理组间C:N值无明显差异(图2F)。
 

图1 根际土壤经生物炭添加处理后(A)和不经生物炭添加处理后(B)的傅里叶红外光谱(FTIR),以及经生物炭添加处理后(CK)和不经生物炭添加处理后(B)根际土壤的水溶态有机质(WEOM);L-HSBC,0.6%(w/w)施用量的高硫油菜秸秆生物炭改良剂;H-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2%(w/w)施用量;低硫油菜秸秆生物炭改良剂H-LSBC,用量1.2%(w/w)。
 

图2 添加或不添加生物炭的根际土壤基本性质。CK,无生物炭改良剂;L-HSBC,0.6% (w/w)施用量的高硫油菜秸秆生物炭改良剂;H-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2% (w/w)施用量;H-LSBC,低硫油菜秸秆生物炭改良剂,用量1.2% (w/w)。
 
表1 油菜秸秆生物炭及汞污染水稻土的基本性质。

 
根际土壤WEOM荧光组分的变化
生物炭处理组根际土壤中 WEOM的荧光组分组成与CK处理基本相似(图3)。WEOM的荧光光谱可分为5个区域,利用FRI方法计算每个区域的标准化荧光体积与总标准化体积的比值,可以反映荧光区域所代表的WEOM组分的变化情况(图4)。L-HSBC和H-HSBC组五个区域的荧光体积百分比分布变化与CK组相似。即I、II、III区域每个百分比的荧光体积减少,而IV、V区域的荧光体积比例增加(图4),表明HSBC处理降低了根际土壤有机质中蛋白质样物质(I区和II)和黄腐酸样物质的含量,但是提高了可溶微生物副产物(IV)和腐殖酸样物质的含量。这一发现也得到了根际土壤红外光谱结果的证实,HSBC处理使易降解有机质的官能团组成增加(图1A)。
 

根际土壤水溶性提取态有机物(WEOM)的荧光激发发射矩阵(EEM)。A,根际土壤中未添加生物炭的WEOM;B、高硫油菜秸秆生物炭改性剂在0.6% (w/w)施用量下对根际土壤WEOM的影响;C,高硫油菜秸秆生物炭改性剂在1.2% (w/w)施用量下对根际土壤WEOM的影响;D,低硫油菜秸秆生物炭改性剂在1.2% (w/w)施用量下对根际土壤WEOM的影响。
 

图4 利用分数阶区域积分(FRI)分析方法,研究了根际土壤水溶态有机物(WEOM)中荧光组分的归一化区域特异性激发发射矩阵(EEM)体积百分比分布。CK,无生物炭改良剂;L-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,0.6% (w/w)施用量;H-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2% (w/w)施用量;低硫油菜秸秆生物炭改性剂H-LSBC,用量1.2% (w/w)。
 
上覆水和土壤孔隙水中DOC和初级阴离子含量的变化
苗期 (第0天),上覆水的DOC含量为12.08-22.24 mg/L,分蘖期显著降低,淹水期(第129天)结束后增加(8.91-15.57 mg/L)(图5A)。与CK组相比,生物炭添加组的上覆水中DOC含量变化较小;生物炭处理组之间的差异也不显著(图5A)。4个处理组土壤孔隙水中DOC含量均无显著变化。与CK组相比,在成熟期,生物炭添加处理的含量变化不大,为21.35-33.03 mg/L(图5D)。
在初始阶段,SO42−和Cl在上覆水的含量范围是10.02-29.28 mg/L和5.00-18.68 mg/L(图5b和C)。生物炭处理组上覆水中SO42−浓度高于CK组,但各处理组间差异不显著(图5B)。同样,与CK组相比,生物炭处理组上覆水中Cl浓度明显升高,其中H-LSBC组浓度最高(18.68±0.04mg/L)(图5C)。随着水稻生长,在上覆水中SO42−和Cl含量急剧减少,分蘖期基本保持不变直到抽穗期(129天),含量分别为0.19-0.36和0.25-0.72mg/L(图5b和C)。在淹水的最后阶段,4个处理组的上覆水中SO42−含量无差异(图5B),生物炭处理组上覆水的Cl含量与CK组基本相同(图5C)。
土壤孔隙水中SO42−和Cl含量的变化趋势与上覆水相似。结果表明,在水稻苗期,添加生物炭的SO42−和Cl含量高于CK组,之后随着水稻的生长,SO42−和Cl含量显著降低。
抽穗期水分含量分别为0.23-0.50 mg/L和0.38-0.89 mg/L,与同期上覆水中含量相同。但是,在水稻成熟阶段,L-HSBC组和H-LSBC组的孔隙水中SO42−和Cl含量(2.49±0.05,1.37±0.09 mg/L)大于CK组和H-HSBC组(0.33±0.04,0.42±0.10 mg/L) (图5e和F)。
综上所述,随着水稻生长,上覆水DOC含量呈现先增加后降低的趋势,而孔隙水DOC含量在整个生长季中变化不明显。与CK组相比,生物炭处理组水稻成熟期上覆水和土壤孔隙水的DOC含量没有显著差异(图3G和J)。此外,4个处理组的上覆水的SO42−和Cl浓度没有显著差异(图3H和I)。水稻成熟度阶段,L-HSBC和H-LSBC组SO42−和Cl含量均高于CK组;而H-HSBC组与CK组基本相似(图3K和L)。  

图5 施用和不施用生物炭对水稻土上覆水和根际土壤孔隙水的溶解性有机碳(DOC)和关键阴离子的影响。CK,无生物炭改良剂;L-HSBC, 0.6% (w/w)施用量的高硫油菜秸秆生物炭改良剂;HHSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2% (w/w)施用量;H-LSBC,低硫油菜秸秆生物炭改良剂,用量1.2% (w/w)。
 
4 水稻根际土壤甲基汞含量及其积累变化
试验开始时,4组水稻根际土壤中甲基汞含量变化范围为15.63-21.22 ng/g,水稻成熟期甲基汞含量变化范围为21.04-67.53 ng/g(图6A)。水稻各生育期根际土壤的甲基汞含量的变化为,分蘖期(第60天)显著增加,抽穗期(第129天)显著降低,直至成熟期变化不明显,CK为24.34±8.79 ng/g。而在L-HSBC组中,甲基汞含量在分蘖期显著增加,抽穗期显著降低,直到成熟期再次增加,达到39.85±4.42 ng/g(图6A)。HHSBC和H-LSBC组根际土壤的甲基汞含量变化规律相似。即根际土壤中甲基汞含量逐渐增加,成熟期分别达到57.59±10.81和43.38±3.48 ng/g,增幅分别为2.3倍和1.7倍(图6A)。
在初始阶段,根际土壤中甲基汞与总Hg的比值为0.06%-0.08%,且4个处理组间甲基汞与总汞的比值无显著性差异(图6B)。H-HSBC和H-LSBC组的甲基汞与总汞的比值变化规律相似;甲基汞与总汞的比值从开始到成熟期一直呈上升趋势,最终值分别达到0.34%±0.07%(H-HSBC)和0.29%±0.03% (H-LSBC)(图6B)。
与CK组相比,H-HSBC和H-LSBC组水稻根系的甲基汞植物有效性分别降低了76.2%和83.1%。
而且,H-HSBC和H-LSBC组比L-HSBC组高很多(图7)。4组水稻茎叶甲基汞的植物有效性差异与籽粒相同,生物炭添加组茎叶的植物有效性均低于CK组,而且不同生物炭添加组茎叶植物有效性无显著差异(图7)。
 

图6 水稻根际土壤中甲基汞(MeHg)含量-和甲基汞与总汞(T-Hg)的比值。CK,无生物炭改良剂;L-HSBC, 0.6%(w/w)施用量的高硫油菜秸秆生物炭改良剂;H-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2%(w/w)施用量;H-LSBC,低硫油菜秸秆生物炭改良剂,用量1.2%(w/w)。

 图7 水稻成熟期甲基汞(MeHg)的生物积累因子(BAF)研究CK,无生物炭改良剂;L-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,0.6%(w/w)施用量;H-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2%(w/w)施用量;H LSBC,低硫油菜秸秆生物炭改良剂,用量1.2%(w/w)。

 
5 水稻组织中汞和甲基汞的分布和转运
水稻根系和籽粒中甲基汞含量分别为198.71-827.14和83.73-383.23 ng/g,水稻各组织中甲基汞含量顺序为根>茎>粒>叶(图8)。与CK组相比,生物炭添加组水稻根系和籽粒中甲基汞含量显著下降,降幅分别为41%-71%和47%-75%,说明生物炭改性显著降低了水稻根系和籽粒对甲基汞的吸收。
在四个水稻处理中,水稻籽粒中甲基汞和总汞的比例最高(78%-98%),在水稻根系中甲基汞和总汞的比例比率最低(3%-6%),这说明(1)在四种水稻组织中水稻籽粒的汞甲基化潜力最大(2)与其他水稻组织相比,水稻籽粒对甲基汞的生物积累能力远远高于对汞的生物积累能力。生物炭添加处理的水稻根系中甲基汞含量显著低于CK组,而HHSBC的甲基汞含量略低于CK组。
水稻籽粒、茎、叶甲基汞的TF值分别为0.20-0.72、0.40-0.80、0.03-0.17(图9)。水稻组织间的TF值差异中,叶片的TF值明显低于籽粒和茎的TF值。

图8 土壤中甲基汞(MeHg)的含量与土壤中甲基汞含量的关系CK,无生物炭改良剂;L-HSBC,0.6%(w/w)施用量的高硫油菜秸秆生物炭改良剂;H-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2%(w/w)施用量;H-LSBC,低硫油菜秸秆生物炭改良剂,用量1.2%(w/w)。
 

图9 水稻成熟期甲基汞(MeHg)的生物积累因子(BAF)研究CK,无生物炭改良剂;L-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,0.6%(w/w)施用量;H-HSBC,高硫油菜秸秆生物炭改良剂,1.2%(w/w)施用量;H LSBC,低硫油菜秸秆生物炭改良剂,用量1.2%(w/w)。
 

讨论


1 添加生物炭对土壤甲基汞的形成和迁移的影响
与CK组相比,生物炭处理水稻成熟期根际土壤中甲基汞含量显著增加(图6)。4个处理组根际土壤中甲基汞含量顺序为H-HSBC>H-LSBC>LHSBC>CK。生物炭添加处理使甲基汞含量增加可能是因为:1)添加的生物炭通过改变微生物活性从而促进汞的甲基化过程,使微生物产生甲基汞。(2)利用添加生物炭抑制根中甲基汞的摄入。添加生物炭使甲基化细菌群落活性的增强可能是因为生物炭可以为甲基化细菌提供能量和碳源,从而促进微生物甲基化过程和土壤中甲基汞的产生。水稻成熟阶段,生物炭处理中根际土中甲基汞和总汞的比率为0.24%至-0.34% (图6b),比典型的汞污染土壤高,这说明根际土壤的甲基汞主要来源于土壤汞甲基化。
与CK组相比,生物炭处理的根际土壤pH值没有明显的变化,即它们在水稻的整个生长季节都没有差别(图2),表明pH值对根际土壤中汞的微生物甲基化过程影响不大,这与前人的研究结果一致。在成熟期,与CK组相比H-HSBC组根际土壤的电导值明显下降,根际土壤中甲基汞含量较CK组显著增加(图2B、6),这表明汞的甲基化与根际土壤电导呈负相关,低电导下促进了汞的微生物甲基化过程。
在初始阶段,生物炭添加处理显著增加了土壤的含水量、上覆水和土壤孔隙水中Cl的浓度。到第60天,四个处理组的Cl浓度急剧下降(图5C和F),说明生物炭中有大量含Cl的盐,通过溶解释放到土壤溶液中,从而增加土壤孔隙水和上覆水中的Cl含量。上覆水和土壤孔隙水中SO42−浓度的变化规律与Cl相似(图5B和E)。综上所述,生物炭添加后上覆水和孔隙水中SO42−浓度在初始阶段均高于CK组,随后4个处理组SO42−浓度均急剧下降,直到最终成熟期(图5B和E)。同时,在成熟期,生物炭处理提高了根际土壤中甲基汞的含量,尤其是H-HSBC处理(图6)。
本研究中发现,生物炭处理对根际土壤有机质含量没有显著影响(图2C),说明生物炭添加处理的根际土壤有机质含量变化不大,对汞的微生物甲基化影响不大。此外,HSBC和LSBC处理导致了土壤有机质功能群含量出现相反的变化(图1A),这与HSBC和LSBC处理中根际土壤甲基汞含量的变化不一致(图6A)。此外,生物炭处理增加了WEOM的腐殖酸类成分,降低了WEOM的黄腐酸类成分和蛋白质类成分(图4)。HSBC添加显著增加了WEOM中可溶性微生物副产物的含量(图4),说明HSBC添加增强了微生物活性,从而促进了汞的微生物甲基化过程,从而增加了根际土壤净甲基汞产量(图6)。

2 生物炭改性对水稻中汞和甲基汞累积和转移的影响
生物炭添加处理的水稻根系和籽粒中的汞含量降低可能是由于汞与还原硫结合从而使汞得到固定,这可能与孔隙水和上覆水中SO42−的降低有关(图5)。
生物炭可以通过孔隙扩散直接从土壤溶液中吸收甲基汞,主要是因为生物炭的比表面积较大和多孔结构导致的(表1)。同样,本研究还发现生物炭添加提高了根际土壤中总硫的含量(图2E),这在一定程度上证实了添加生物炭和硫导致土壤中硫含量升高,加强了硫与甲基汞的络合作用(图8和图9)。第三,生物炭添加增加了根际WEOM中类腐殖酸物质的含量(图3和图4),研究表明腐殖酸对汞具有很强的结合作用。
由于生物稀释效应,生物炭添加处理组水稻成熟期甲基汞含量也显著降低(图9)。此外,生物炭添加处理提高了水稻生长初期土壤孔隙水和上覆水中Cl和SO42−的含量,4个处理组水稻分蘖期(第60天)土壤孔隙水和上覆水中Cl和SO42−的含量均急剧下降(图5B-C和5E-5F)。分蘖期,除H-HSBC组高于CK组外,生物炭添加处理组上覆水和孔隙水中SO42−含量与CK组基本一致(图5B和E)。
甲基汞主要分布在水稻的根、茎和籽粒中,占水稻总甲基汞的94.2%-96.3%,
籽粒中甲基汞含量占总含量的18.6%-21.5%(图9),说明水稻籽粒、根、茎对甲基汞的积累能力较强。

3 修复应用
生物炭添加处理增加了根际土壤中甲基汞的含量,而水稻根、茎、叶和籽粒中甲基汞的含量显著降低。这些数据表明,富硫生物炭添加是固定甲基汞、降低水稻对甲基汞吸收的有效手段。因此,为了有效控制汞污染的稻田中水稻对甲基汞的吸收风险,有必要在施用生物炭时添加外源硫。
本研究主要深入探讨了天然富硫生物炭添加对汞污染水稻土甲基汞的形成及其在水稻植株中的富集的影响机制。富硫生物炭添加后的生物炭-土壤-水稻体系中汞和甲基汞的质量平衡,为该方法在工程应用上提供更好的指导。
 
4 方法的成本效益分析
以农田典型耕层厚度为基准,假设修复后的水稻土深度为20 cm,土壤密度为1.0 g/cm3,富硫生物炭用量为每100 kg土壤用1.2 kg(1.2%),1公顷土壤的生物炭用量约为24吨。假设生物炭的平均价格为每吨300美元,在汞污染的农田上利用这种方法的成本大概为每公顷土壤7200美元。与我国现有重金属污染农田修复技术的平均成本(约4万美元/吨)相比,采用富硫生物炭改良剂修复汞污染的水稻土是经济可行的。
 

结论


本研究比较了高硫生物炭和低硫生物炭对汞污染水稻土的修复效果,探讨了不同硫含量生物炭对水稻土中汞甲基化和甲基汞积累的影响。结果表明,生物炭处理显著促进了根际土壤中汞的微生物甲基化,其原因可能是生物炭处理提高了根际土壤中ClSO42−的含量。Cl通过与汞的络合促进微生物的甲基化过程,提高其对甲基化微生物的生物利用度,SO42−有利于SRB的微生物甲基化过程。此外,与低硫生物炭相比,在降低水稻对甲基汞的吸收方面高硫生物炭处理的效果并不明显。而在硫的辅助作用下,所有生物炭改良剂均显著降低了水稻根系和籽粒中汞和甲基汞的含量。生物炭处理使根际土壤含硫量增加,这增强了甲基汞的络合固定化能力。此外,生物炭可以通过孔隙扩散结合甲基汞,从而降低水稻组织中甲基汞的吸收和积累。添加生物炭后,土壤有机质中类腐殖酸物质含量增加,甲基汞与类腐殖酸物质形成复合物,使甲基汞的固定化和植物有效性增强。

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关键词:
富硫生物炭,甲基汞,微生物,甲基化,生物炭,改良剂,油菜,高硫

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