单质硫抑制水稻植株甲基汞累积的效应与机制.pdf
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1、生态环境学报 2023,32(6):1115-1122 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目:国家自然科学基金项目(42030702;42207052);区域联合基金-青年基金项目(2021A1515110574)作者简介:黄英梅(1994 年生),女,博士研究生,研究方向为土壤-水稻体系汞的迁移转运机制及修复。E-mail:#共同第一作者:钟松雄(1990 年生),男,博士,研究方向为土壤-水稻系统镉铁锌同位素分馏特征与迁移转运机制。E-mail:*通讯作者:李芳柏(1968 年生),男,研究员,博士,研究方向为红壤铁循
2、环与农田重(类)金属污染防治。E-mail: 收稿日期:2023-03-16 单质硫抑制水稻植株甲基汞累积的效应与机制 黄英梅1,2,3,钟松雄3#,朱忆雯3,王向琴3,李芳柏3*1.中国科学院广州地球化学研究所,广东 广州 510640;2.中国科学院大学,北京 100049;3.广东省科学院生态环境与土壤研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室,广东 广州 510650 摘要:重金属元素汞,尤其甲基汞,极易从土壤中转运到水稻植株中,并通过食物链对人类健康构成严重威胁。单质硫被广泛用于降低水稻籽粒中甲基汞的累积,然而其对水稻生长性状的影响、对甲基汞的吸收和转运的调控机制尚不明确。采用水稻盆栽
3、试验,设置了对照组(汞污染土采自贵州省铜仁市万山汞矿,总汞质量分数为 40.3 mgkg1)和单质硫修复组(添加量为 100 mgkg1),比较了两组土壤和硫代硫酸铵提取态甲基汞水平、土壤理化性质(包括氧化还原电位、酸碱度、溶解性有机碳、硫酸根)、土壤汞转化基因(dsrA 和 dsrB)丰度,以及水稻的生长状况、叶片叶绿素水平、不同组织甲基汞的质量分数和分配。结果表明,单质硫处理显著促进水稻的生长,提高叶片叶绿素的合成(增加了 27.4%);增加了水稻根和茎中甲基汞的累积,降低了根、茎和叶到籽粒的转运,最终降低了水稻籽粒中甲基汞的累积和质量分数(减少了 14.7%)。同时,单质硫显著提高了土壤
4、中硫酸根的水平(增加了 124%),刺激了硫酸盐还原菌活性,其可能在参与汞甲基化过程的同时参与了厌氧环境下甲基汞的降解,从而显著降低了土壤甲基汞的水平(减少了 11.6%)。水稻籽粒和整株水稻中的甲基汞质量分数与土壤硫代硫酸铵提取态甲基汞质量分数呈显著正相关(P0.01),而土壤溶解性有机碳和硫酸根的质量分数与土壤硫代硫酸铵提取态甲基汞质量分数呈显著负相关(P0.01)。该研究证明了单质硫在土壤-水稻体系中抵御重金属胁迫的重要作用,为制定降低汞污染以及实现稻米减毒脱毒的措施提供了理论基础和现实依据。关键词:硫;甲基汞;硫酸盐还原菌;汞积累;水稻 DOI:10.16258/ki.1674-590
5、6.2023.06.013 中图分类号:X171.5;X53 文献标志码:A 文章编号:1674-5906(2023)06-1115-08 引用格式:黄英梅,钟松雄,朱忆雯,王向琴,李芳柏,2023.单质硫抑制水稻植株甲基汞累积的效应与机制J.生态环境学报,32(6):1115-1122.HUANG Yingmei,ZHONG Songxiong,ZHU Yiwen,WANG Xiangqian,LI Fangbai,2023.Effects and mechanism of element sulfur inhibiting methylmercury accumulation in ric
6、e plants J.Ecology and Environmental Sciences,32(6):1115-1122.汞(mercury,Hg)是一类毒性很强的重金属污染物,人类活动包括化石燃料的燃烧、有色金属的冶炼、烧碱的制造、汞矿的干馏和水泥工业是土壤中汞污染的主要来源(Feng et al.,2008a;Wang et al.,2012;Natasha et al.,2020;Liu et al.,2022)。最新全国土壤质量调查结果显示,大约 1.6%的农用地土壤汞超过了 II 类标准(总汞(total Hg,THg)质量分数为 0.31.0 mgkg1,因此我国土壤汞污染问题十
7、分严峻(Zhao et al.,2015a)。研究发现,在淹水的稻田土壤中,在包含 hgcAB 的微生物群落,如硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)、铁还原菌(iron-reducing bacteria,FeRB)和产甲烷菌 的 驱 动 下,无 机 汞 可 转 化 为 甲 基 汞(methylmercury,MeHg)(Gilmour et al.,2013;Parks Jerry et al.,2013;Liu et al.,2014)。甲基汞是一种神经毒素,可以积累在水稻籽粒中并通过水稻摄取威胁人类的健康(Feng et al.,2008b),例如
8、1956 年日本发生的水俣病和 1971 年伊拉克因食用受甲基汞污染的小麦导致的甲基汞中毒等可怕的历史性甲基汞污染事件(Man et al.,2021)。受甲基汞污染的水稻植株不仅存在于汞矿区,也存在于化工厂、燃煤电厂、冶炼厂和氯碱厂附近的稻田中(Zhao et al.,2020)。在中国,汞污染地区的当地居民日常暴露甲基汞的来源中,水稻摄取这一途径占 94%96%(Zhang et al.,2010),并且由于农作物全球化,远离汞污染地区的居民也会由于水稻摄取暴露于1116 生态环境学报 第32卷第6期(2023年6月)甲基汞的风险下(Liu et al.,2019)。据报道,在贵州省万山汞
9、矿区,水稻甲基汞质量分数均值高达140 gkg1(Horvat et al.,2003),即使在废弃的汞矿附近,水稻中可食用部分甲基汞质量分数均值也高于 100 gkg1(Qiu et al.,2008)。因此,探明稻田土壤-水稻体系中甲基汞的吸收转运机制,可为稻田土壤汞污染定向控制提供理论依据。硫(Sulfur)是一种重要的营养元素,有益于植物的生长发育(Yuan et al.,2021)。植物硫不足时也会影响叶绿素的生成和蛋白质的合成,导致作物产量和品质的降低(Singh et al.,2011;Yuan et al.,2021)。研究发现,单质硫可以有效缓解稻田土壤汞污染(Li et a
10、l.,2017;Yuan et al.,2021),同时还可以降低水稻中总汞和甲基汞的累积(Rothenberg et al.,2016)。硫可以提高水稻根系中植物螯合肽(phytochelatins,PCs)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)、金属硫蛋白(metallothioneins,MTs)和非蛋白类硫醇(nonprotein thiols,NPTs)等硫醇分子的合成(Li et al.,2017),这些硫醇分子对重金属有很高的亲和力,可以抑制重金属向水稻地上部的转运(Li et al.,2017)。与硫的其他形态相比,单质硫(elemental sulfur,S(0))具有
11、更高的效率、更缓慢的释放速度以及更低廉的价格,因此单质硫在农业生产中经常被用作肥料来解决硫不足的问题(Zhao et al.,2015b;Mattiello et al.,2017)。另一方面,在新汞沉积的汞污染土壤中添加单质硫不仅可以通过促进 Hg(II)-硫醇复合物(RS-Hg-SR)向硫化汞(HgS)的转化,降低汞在根际土中的移动性(Li et al.,2017),还可以促进水稻根表铁膜的形成,有助于降低总汞和和甲基汞在水稻籽粒的累积(Hu et al.,2007;Li et al.,2017)。然而,在以 HgS 为主要形态的汞污染土壤中添加单质硫,则会增加水稻中甲基汞的累积,并通过促
12、进 HgS 向有机结合态的汞(如 Hg(GS)2)或氯化汞(HgCl2)增加汞的移动性(Li et al.,2019),这种不一致的情况可能是土壤类型不同所致。然而,当前的研究主要集中在单质硫降低水稻甲基汞累积效应方面,缺乏单质硫对甲基汞在土壤-水稻体系中迁移转运机制影响的研究。据此,本研究通过土壤盆栽实验,研究了单质硫(100 mgkg1)对汞污染土壤甲基汞质量分数、水稻植株的生长以及甲基汞吸收转运的影响,进一步阐明了单质硫对土壤-水稻体系抵御重金属胁迫的关键作用,有助于制定稻田汞污染修复策略。1 材料和方法 1.1 供试土壤和水稻 盆栽试验用土为贵州省贵阳市万山汞矿周边汞 污 染 稻 田
13、表 层 土 壤(273257.52N,1091247.38E)。土壤的总汞和甲基汞的质量分数分别为(40.30.950)mgkg1和(7.351.48)gkg1。土壤酸碱度(pH)、阳离子交换力(cation exchange capacity,CEC)、总碳、有机质和总硫分别为(7.330.20)、(26.00.10)cmolkg1、2.82%0.02%、(31.52.40)gkg1和(1.620.01)gkg1。供试水稻品种为日本晴(Nipponbare,Oryza sativa L.japonica)。1.2 盆栽试验与样品采集 土壤经自然风干、去除杂物、碾碎并过 0.85 mm 筛网,
14、后用于盆栽试验。在先前的研究中,为了探究汞污染土壤中添加单质硫对水稻汞的累积和分配的影响,设置了 0、50、100、500 mgkg1单质硫处理组进行探究。研究发现,低剂量的硫处理可以同时降低水稻中总汞和甲基汞的累积,同时发现,100 mgkg1单质硫处理比 50 mgkg1单质硫处理下水稻根部总汞和甲基汞质量分数下降更明显(Li et al.,2017)。前期研究发现,单质硫处理可能有利于水稻根部对汞的固定,因此,以100 mgkg1为单质硫的处理浓度。本研究共设计对照(Control)和单质硫(Sulfur,100 mgkg1)2 个处理组,每个处理设置 3 个重复。每盆装 7 kg土壤,
15、将单质硫与土壤混匀,淹水自然老化 1 周后每盆栽种 4 株水稻苗,整个生育期保持 3 cm 深上覆水。在水稻成熟期(第 105 天),采集整株水稻,并将水稻植株分为根、茎、叶、籽粒,同时收集水稻根际土壤样品,并将其分成两份,一份快速冷冻于80 超低温冰箱保存以备微生物分析,另一份与植物样品一起进行冷冻干燥(78,10 Pa)(Alpha 2-4 LD plus,Christ,Germany)。随后,对土壤样品进行研磨,对干燥后的植物样品进行称质量、粉碎后过 0.075 mm 筛网,转入自封袋中备用。1.3 生长参数和理化指标分析 使用便携式多参数数字分析仪(HQ40d;Hach,Lovelan
16、d,Colorado,USA)原位测定土壤 Eh 和 pH,使用刻度尺测量水稻株高,使用便携式叶绿素荧光分析仪(SPAD-502 Plus CHLOROPHYLL METER)(Konica Minolta(China)Investment Co.,Ltd.,Shanghai)测量水稻第 1 叶的相对叶绿素水平。使用离子色谱检测 SO42(ICS-600,Thermo Fisher,USA)(Ontiveros-Valencia et al.,2012;Shu et al.,2016);使用总有机碳分析仪(Shimadzu,Japan)检 测 土 壤 中 溶 解 性 有 机 碳(dissolv
17、ed organic carbon,DOC)(Chen et al.,2018;Zhang et al.,2023);使用(NH4)2S2O3试剂(0.0135 molL1,Sigma-Aldrich,USA)提取土壤中生物可利用的黄英梅等:单质硫抑制水稻植株甲基汞累积的效应与机制 1117 MeHg(Zhu et al.,2015),并分别利用 CuSO4-methanol 试剂和 KOH 溶剂提取土壤和植物样品中的 MeHg(Man et al.,2021),随后将提取液中的MeHg 经过二氯甲烷萃取、超纯水反萃取、乙基化、捕集后,利用气相色谱冷蒸汽原子荧光(GC-CVAFS,Brooks
18、 Rand model III,Seattle,USA)进行测量(USEPA,1998)。为进行质量控制,加入标准物质 CC580(河口沉积物)和 TORT-3(龙虾肝胰腺)与土壤和植物样品同时进行提取,MeHg 回收率分别为 103%131%和 117%129%(n=3)。重复样品的数据标准差(standard deviation,SD)在7%范围内,分析空白中MeHg质量浓度低于1.55 ng L1。MeHg 生物富集因子 B:B=w(rice)/w(soil)(1)式中:w(rice)水稻 MeHg 平均质量分数;w(soil)土壤 MeHg 质量分数(Pandey et al.,201
19、6;Shu et al.,2016;Buscaroli,2017)。MeHg 转运系数 T:T=w(stem/leaf/grain)/w(root/stem/leaf)(2)式中:w(stem/leaf/grain)水稻茎/叶/籽粒中 MeHg 质量分数;w(root/stem/leaf)水稻根/茎/叶中 MeHg 质量分数(Man et al.,2021)。1.4 土壤微生物DNA 的提取和功能基因的定量检测 准确称量 0.25 g 冷冻的土壤样品,用 DNeasy PowerSoil Pro Kit(QIAGEN Inc.,USA)进行土壤微生物 DNA 的提取,随后对编码异化亚硫酸盐还原
20、酶(dsr,dissimilatory sulfite reductase)dsrA、dsrB基因进行绝对定量(Dranguet et al.,2017;Zhou et al.,2020)。实时荧光定量 PCR(quantitative real-time PCR,qRT-PCR)反应体系为 25 L,2 种基因引物(表 1)和 qRT-PCR 反应条件参考先前报道(Zhou et al.,2020),使用 CFX 384 real-Time PCR Detection System(BioRad,USA)进行扩增反应,根据浓度和阈值形成标准曲线,扩增效率为 90%115%。1.5 统计分析
21、根据3个生物学重复计算数据的平均值和标准差,采用 SPSS 18.0 统计软件进行单因素方差分析和 t 检验分析比较每个参数在各个处理间差异显著性,使用 SigmaPlot 14.0 软件(Systat Software,Inc.)对试验结果进行绘图。2 结果与讨论 2.1 单质硫对土壤和(NH4)2S2O3提取态中甲基汞(MeHg)质量分数的影响 由图 1 可知,对照土壤中 MeHg 质量分数为8.21 gkg1,添加单质硫处理后,土壤中 MeHg 质量分数显著下降 11.6%(P0.01)。先前的研究发现,土壤中单质硫可以被还原为硫化物 S2,其可以与 Hg 结合形成稳定的、不溶的 HgS
22、,难以被微生物利用,抑制汞的甲基化过程,导致 MeHg 质量分数的下降(Li et al.,2017)。(NH4)2S2O3提取态 MeHg 水平可以指示稻田土壤中可被植物吸收利用的 MeHg 的水平(Shu et al.,2016)。如图 1 图 1 对照和单质硫(100 mgkg1)处理组土壤和(NH4)2S2O3提取态甲基汞质量分数 Figure 1 MeHg contents in soils and(NH4)2S2O3 extract in control and S(0)(100 mgkg1)treatments 表 1 实时荧光定量 PCR 所用引物序列与扩增条件 Table 1
23、 Lists of primer pairs and thermal cycling parameters for qRT-PCR 功能基因 引物名称 引物序列(5-3)扩增程序 dsrA DSR1F ACSCACTGGAAGCACG 95 40 s;94 60 s,56 40 s,72 2 min,40 cycles;72 4 minDSR1R GTGTAGCAGTTACCGCA dsrB DSRp2060F CAACATCGTYCAYACCCAGGG 95 30 s;95 5 s,55 34 s,72 34 s,40 cycles;72 4 min DSR4R GTGTAGCAGTTACC
24、GCA 土壤提取态0.000.020.046.008.0010.00对照组单质硫*MeHg质量分数/(gkg1)土壤层面1118 生态环境学报 第32卷第6期(2023年6月)所示,对照土壤中(NH4)2S2O3提取态 MeHg 质量分数为 0.0176 gkg1,单质硫处理组土壤中(NH4)2S2O3提取态 MeHg 质量分数降低至 0.0138 gkg1,显著下降了 21.8%(P0.05)。这表明单质硫可以显著降低土壤中和可被植物所利用的MeHg 质量分数,从而降低土壤中 MeHg 被水稻吸收的几率。2.2 单质硫对土壤性质的影响 施加单质硫,对土壤理化性质有显著影响。相比对照组,单质硫
25、处理组中土壤 Eh、pH 均下降(图2a、b),而 DOC 质量分数显著提高 10.0%(P0.01)(图 2c)。DOC 质量分数的提高与硫的氧化还原有关,该过程抑制 DOC 的还原降解(Wang et al.,2020)。对照土壤中 SO42质量分数为 27.0 mgkg1,单质硫处理组土壤 SO42的质量分数显著提高到60.3 mgkg1(提高 124%,P0.01)(图 2d)。此外,qRT-PCR 结果显示,单质硫处理组中 dsrA 和dsrB 基因拷贝数相比于对照组分别提高 80.8%(P0.01)和 28.1%(P0.05)(图 2e)。dsrA 和dsrB 基因编码异化亚硫酸盐
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