研究揭示多环境要素制约土壤-水稻系统镉的迁移转运机制

土壤重金属污染会造成稻米中重金属富集，严重威胁人类身体。近年来，稻田镉污染叠加土壤酸化的问题也逐渐显现，加剧稻米中的镉超标现象。稻米中镉的积累取决于其在土壤中的赋存形态，而稻田周期性的淹水–排水引起氧化还原条件巨变，影响机制复杂，土壤镉形态转化涉及土壤化学、物理、微生物过程的共同制约，同时镉从土壤迁移至籽粒有水-土、根-土、根-籽粒的多个界面，也受到环境因素、人为因素、植物等多方面的影响，机制难以深入解析。因此，聚焦多环境要素比如水分管理、矿物转化与pH、阴离子作用效应，对于揭示制约土壤-水稻系统镉迁移转运的关键过程及机制十分必要。

针对以上问题，广东省科学院生态环境与土壤研究所李芳柏研究员团队采用镉同位素分馏技术、基因定量以及同步辐射等方法，对多要素制约下土壤-水稻体系镉迁移转运过程进行分析研究，获得了多个新认知。

研究发现，灌浆期排水处理导致更多的轻镉同位素转运至水稻植株，导致大量镉集结于茎与节点，其中根表铁膜可能是根系吸收镉的重要来源。灌浆期排水处理节点I中CAL1基因在排水后的上调，意味着更多的轻镉同位素(CAL1-Cd复合物)从节点I转运至旗叶、穗轴和稻壳，促进镉在向上转运过程中固定于韧皮部，从而减缓镉向稻米转运。然而，OsLCT1与OsHMA2基因在节点I的高表达可导致更多的重镉同位素转运至稻米。该研究表明负责编码配体和转运蛋白的基因表达与同位素分馏可用于追踪镉在水稻的转运以及解析镉的来源。

同时，在落干条件下，提高土壤pH增强了有效态与铁锰结合态镉之间的转化。淹水条件下，酸性土壤有利于有效态与铁锰结合态镉之间的转化，而中性和碱性土壤中，碳酸盐矿物对有效镉的固定占主导地位。与落干处理相比，淹水条件有利于根系限制镉的吸收和向稻米的转运。这些发现为土壤pH和水分管理下镉固定和迁移的主要矿物转化途径以及水稻对镉吸收和转移的影响提供了新的见解，这将有助于确定土壤pH和矿物转化的关键因素。

研究还发现，氧化铁和溶液之间的镉解吸与吸附在土壤-土壤溶液-铁膜连续体中镉迁移转化行为具有重要作用。其中氯离子和硫酸根离子可诱导轻镉同位素从土壤向土壤溶液的迁移，以及氯化镉和硫酸镉复合物有助于镉在铁膜中的固定转化和对根的吸收，从而提高溶液、铁膜与水稻植株的镉含量。这些结果为深入了解土壤-水稻系统中阴离子诱导的镉同位素效应以及阴离子在促进镉迁移和转化中的作用提供了见解（如图1）。

图1 土壤-水稻体系镉同位素分馏与迁移转化示意图

以上相关研究成果发表在环境领域期刊Environmental Science and Technology（IF=11.400）和Science of the total environment（IF=9.800）。广东省科学院生态环境与土壤研究所博士后钟松雄为论文第一作者，李芳柏为通讯作者。该研究获得国家重点基金、国家自然基金、中国博士后科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金联合基金、广东省科学院发展专项资金等项目的支持。

论文信息

Zhong Songxiong, Li Xiaomin, Li Fangbai, Pan Dandan, Liu Tongxu, Huang Yingmei, Wang Qi, Yin Haoming, Huang Fang. Cadmium Isotope Fractionation and Gene Expression Evidence for Tracking Sources of Cd in Grains During Grain Filling in a Soil-Rice System. Science of the Total Environment 2023; 873: 162325.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162325

论文信息

Zhong Songxiong, Liu Tongxu, Li Xiaomin, Yin Meilin, Yin Haoming, Tong Hui, Huang Fang, Li Fangbai. Cd isotope fractionation in a soil-rice system: Roles of pH and mineral transformation during Cd immobilization and migration processes. Science of the Total Environment 2023; 900: 166435.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166435

论文信息

Zhong Songxiong, Fang Liping, Li Xiaomin, Liu Tongxu, Wang Pei, Gao Ruichuan, Chen Guojun, Yin Haoming, Yang Yang, Huang Fang, and Li Fangbai. Roles of Chloride and Sulfate Ions in Controlling Cadmium Transport in a Soil-Rice System as Evidenced by the Cd Isotope Fingerprint. Environmental Science and Technology. 2023; 57, 17920−17929.

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c04132

 （土壤化学团队 钟松雄/供稿）