砷是土壤中广泛存在的有毒类金属元素。土壤中砷的化学形态众多,不同形态砷毒性迥异。水稻土在淹水还原条件下砷的有效性提高,微生物介导的砷甲基化增强,产生以二甲基砷(DMAs)为主的有机砷化合物。水稻过量积累DMAs会诱发“直穗病”(又称“旱青立病”),影响结实,造成水稻减产。
DMAs化合物中的砷有五价态[DMAs(V)]和三价态[DMAs(III)]两种类型(图1a),其中DMAs(III)对人体细胞毒性更强,属于剧毒的砷化学形态之一。由于DMAs(III)在有氧条件下极不稳定,加之缺乏对环境样品中DMAs(III)的保存和检测方法,迄今未在土壤和植物样品中检测到DMAs(III),也无法评估DMAs(III)对植物的毒性。
近日,金沙威尼斯官网赵方杰教授团队在《Environmental Science & Technology》在线发表了题为 “Reduction of dimethylarsenate to highly toxic dimethylarsenite in paddy soil and rice plants” 的研究论文,该研究建立了环境样品中DMAs(III)的保存和检测方法,证明了DMAs(III)是淹水还原条件下水稻土孔隙水和水稻植株中一种重要砷形态,并且对水稻原生质体毒性很强。
该研究采集了砷甲基化能力较强的水稻土壤进行淹水培养,在厌氧条件下采集土壤孔隙水,加入DDDC(二乙基二硫代氨基甲酸盐)保护样品中的DMAs(III),采用ESI-QTOF-MS/MS和HPLC-ICP-MS鉴定和定量测定砷形态。结果表明,土壤孔隙水中存在DMAs(III),并且其浓度高于DMAs(V)(图1a, b)。对土壤发酵细菌、反硝化菌和硫酸盐还原菌进行富集培养,并分离到22株厌氧菌,发现这些富集培养和厌氧菌均可在不同程度上将DMAs(V)还原为DMAs(III),并分离到一株还原能力较强的厌氧菌Paraclostridium bifermentans DRTC-8。进一步设置添加DMAs(V)的水稻水培实验,发现水稻根部、地上部和木质部伤流液均存在DMAs(III)(图1c),说明水稻具有将DMAs(V)还原为DMAs(III)的能力。此外,将水稻种植于上述具有砷甲基化能力的土壤中,同样在水稻叶片、颖壳和籽粒中检测到DMAs(III)的存在(图1d, e)。
图1.(a)水稻土孔隙水中砷形态色谱图;(b)水稻土孔隙水中各种形态砷含量;(c)水培实验中水稻地上部和根部不同形态砷含量;(d,e)盆栽实验中水稻叶片(d)和籽粒(e)不同形态砷含量
该研究进一步采用水稻原生质体比较DMAs(III)与DMAs(V)的相对毒性,以不同浓度DMAs(III)或DMAs(V)处理24小时后原生质体的存活率为指标,发现DMAs(III)的毒性远大于DMAs(V)(图2),推测DMAs诱发水稻“直穗病”的元凶是DMAs(III)。
图2.(a)采用Evan’s blue染色检测水稻原生质体的活性;(b)DMAs(V)及DMAs(III)对水稻原生质体的毒性。
综上所述,该研究首次发现了稻田土壤和水稻植株中存在毒性很强的DMAs(III),水稻和很多土壤厌氧微生物具有将DMAs(V)还原为DMAs(III)的能力,导致其毒性加强。该研究拓展了对环境中砷的生物地球化学循环的认识,也为探究水稻“直穗病”的致毒机制提供了理论基础。
图3. 水稻土及水稻体内DMAs(V)还原产生DMAs(III)。
金沙威尼斯官网陈川副教授为文章第一作者,赵方杰教授为通讯作者,研究生余钰、王怡洁、高阿祥和杨宝云及唐珠老师参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金和江苏省重点研发计划的资助。
文章链接:https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07418