【技术交流】 浙江大学土壤团队ES&T：水稻根泌氧促进土壤镉释放
第一作者：吴彬彬
通讯作者：褚驰恒
通讯单位：浙江大学环境与资源学院
论文DOI：10.1021/acs.est.4c04690
图片摘要
成果简介
近日，浙江大学环境与资源学院褚驰恒研究员团队在EnvironmentalScience&Technology发表了题为“RadialOxygenLossTriggersDielFluctuationofCadmiumDissolutionintheRhizosphereofRice”的研究论文，采用研发的土壤-活体根界面过程在线监测芯片技术，研究了水稻根际泌氧驱动下重金属镉溶解过程，为水稻根际镉迁移和吸收提供新的认识。
引言
镉（Cd）污染在全球范围内对人体健康产生威胁。土壤中的Cd进入食物链后会对人类健康造成严重危害，而根际是水稻从土壤吸收Cd的重要场景，厘清Cd在水稻根际的迁移转化是Cd污染防控的基础。研究团队前期开发了基于微流控芯片的根-土界面过程在线监测成像技术，发现水稻根系泌氧（ROL）过程会生成活性氧（ROS），并且降解土壤有机污染物（10.1021/acs.est.2c00005）。本研究在此基础上，进一步发现白天在水稻ROL驱动下，土-根界面ROS生成和Eh上升促进了土壤Cd溶解，而pH上升能部分抵消该影响，而晚上由于微生物作用导致Eh下降促进了Cd固定，以上过程导致根-土界面Cd溶解明显的昼夜节律现象。
图文导读
1）水稻根际ROL驱动的Cd溶解
本研究首先开发了一种微流控芯片装置（图1a），在线监测了水稻根际Cd的溶解过程。结果显示，在黑暗条件下（未泌氧过程）仅检测到少量的Cd；而当水稻开始光照后，根际开始泌氧，导致Cd浓度显著增加，最终在12小时后达到最大值（图1b）。
2）根际Cd的溶解存在昼夜波动现象
通过连续三个昼夜周期的检测，本研究发现水稻根际Cd的溶解存在明显的昼夜波动（图2），且对不同水稻根的监测实验表明根际Cd溶解广泛存在。昼夜波动现象的存在证明了水稻根际Cd溶解的可持续性，可能是水稻Cd富集的一个重要前提过程。
3）根际Cd的溶解机制
根际Cd的溶解涉及由土壤中的微生物、根和氧化还原活性物质驱动的生物地球化学过程。该过程从ROL开始（图3a），白天ROL驱动了根际环境溶解氧（DO）的释放，持续增加的DO促进了Cd溶解（图3b）。进一步，ROL促使根际ROS产生，通过ROS的强氧化作用促进Cd溶解（图3d）。与此同时，白天ROL促使根际pH向碱性方向变化，减缓了根际Cd的部分溶解（图3c）。进一步，在夜间缺氧环境下，还原性微生物（如SRB）通过还原SO42-产生S2-实现了对游离Cd的固定（图3e-h），这些过程共同实现了根际Cd溶解的昼夜节律现象。
小结
我们的研究表明，水稻根系泌氧（ROL）促进根际Cd的溶解，同时呈现出明显的昼夜波动，该过程由夜间的还原固定和白天的氧化溶解共同驱动（图4）。该结果为理解和控制水稻作物中Cd的吸收和减少潜在的环境和健康风险提供了新的见解。
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