过氧化氢驱动的活性氧爆发：实现水稻降砷增产的双赢策略

《Environmental Technology & Innovation》：Mitigating Arsenic Contamination and Boosting Rice Yield with Natural and Anthropogenic H 2O 2 Sources

本研究针对砷污染稻田中水稻砷积累与产量难以兼顾的难题，探索了利用自然源（雨水）和人为源（尿素过氧化氢，UHP）的H2O2诱导土壤原位产生活性氧（ROS，包括H2O2和•OH）的修复潜力。结果表明，UHP处理能更有效地促进ROS爆发，将土壤孔隙水中57-83%的移动性As(III)氧化为生物有效性较低的As(V)，从而显著降低水稻各组织（15.3-34.7%）及籽粒（17.7-30.1%）的砷积累，并同步提升水稻产量。该研究为砷污染稻田的安全可持续利用提供了创新且实用的原位修复策略。

　　

砷，这个潜伏在环境中的“隐形杀手”，对全球主要粮食作物——水稻的安全生产构成了严重威胁。在淹水的稻田环境中，砷常常以毒性更强、移动性更高的三价砷（As(III)）形态存在，并通过水稻根部的通道被高效吸收，最终富集到我们食用的米粒中。传统的降砷方法，如大面积客土或漫长的植物修复，往往因成本高昂、耗时费力而难以推广。因此，寻找一种既能有效降低稻米砷含量，又能保障甚至提高水稻产量的绿色、高效技术，成为了农业环境领域亟待突破的瓶颈。

正是在这一背景下，研究人员将目光投向了自然界中广泛存在的活性氧（ROS）。过去，ROS常被视为植物氧化胁迫的“坏分子”，但近年研究发现，可控的ROS爆发可能对污染物转化起到积极的调控作用。那么，能否利用ROS来“改造”稻田中的砷，将其“锁”在土壤里，从而减少水稻吸收呢？为了回答这个问题，发表在《Environmental Technology》上的这项研究，巧妙地从两种过氧化氢（H₂O₂）来源入手——一种是自然界的雨水（Rain），另一种是人工合成的尿素过氧化氢（UHP），开展了一项盆栽实验，系统探究了它们对稻田土壤ROS产生、砷形态转化、水稻砷积累及产量的综合影响。

为开展本研究，研究人员采用了几个关键技术方法：首先，通过盆栽实验模拟砷污染稻田环境，设置了对照、雨水处理和UHP处理三个组别，确保氮素养分供应一致以突出H₂O₂的效果。其次，利用化学探针法（如DPD法测H₂O₂，TPA/BA法测•OH）对土壤-水界面不同生长时期的ROS进行了原位、实时监测。第三，应用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用（HPLC-ICP-MS）技术精确分析了土壤孔隙水中的砷形态（As(III)和As(V)）。最后，采用氢化物发生-原子荧光光谱法（HG-AFS）测定了水稻各组织器官的总砷含量，并基于农艺性状调查计算了理论产量。实验所用土壤样本采自华南农业大学试验农场，水稻品种为华南地区常见的籼稻品种黄华占。

3.1. 不同来源H₂O₂对稻田土壤中ROS（H₂O₂/•OH）生成的影响

研究发现，无论是雨水还是UHP处理，在整个水稻生长周期（分蘖期、抽穗期、成熟期）均能显著提升土壤-水界面的H₂O₂和•OH水平，且UHP的诱导效果远优于雨水。UHP处理下的H₂O₂水平变化呈现出“先升后降”的规律，在抽穗期达到峰值。这表明外源添加的H₂O₂，特别是可控性强的UHP，能够有效驱动土壤中原位的ROS持续生成。

3.2. 不同来源H₂O₂对植物组织砷积累的影响

两种H₂O₂处理均显著降低了水稻地上部（茎叶）和地下部（根系）的砷积累量。与对照组相比，雨水和UHP处理使地上部与地下部的砷含量均显著下降，且两种处理间对植株组织砷积累的抑制效果无显著差异。这说明外源H₂O₂的输入有效阻断了砷向水稻植株体内的迁移。

3.3. 自然和人为来源H₂O₂对土壤孔隙水中砷形态的影响

对抽穗期土壤孔隙水砷形态的分析揭示了ROS作用的关键机制。UHP处理能强力地将孔隙水中As(III)氧化为As(V)，使As(V)的比例高达62-90%（对照组仅为5-7%），雨水处理也有类似但稍弱的效果。此外，As(III)浓度在一天中呈现早晨最高、随后持续下降至傍晚最低的规律，这与光照驱动的ROS生成动态密切相关。这一结果直接证实了H₂O₂诱导的ROS爆发能有效推动砷向不易被吸收的形态转化。

3.4. 不同来源H₂O₂对稻米总砷积累的影响

最关键的发现体现在稻米安全性上。雨水和UHP处理均显著降低了稻米中的总砷积累，其中UHP的效果更为突出。统计分析进一步显示，稻米总砷含量与土壤中的H₂O₂和•OH水平均呈显著负相关。这强有力地说明，ROS水平越高，对稻米砷积累的抑制效果越好。

3.5. 不同来源H₂O₂对水稻产量的影响

令人惊喜的是，在降低砷含量的同时，两种H₂O₂处理还显著提高了水稻产量，UHP处理的增产效果最佳。相关性分析表明，水稻产量与H₂O₂和•OH水平均呈极显著正相关。这意味着ROS的生成不仅无害于作物生长，反而可能通过减轻砷毒害、改善土壤环境等途径促进了水稻的生长发育，实现了“降砷”与“增产”的双赢。

研究的讨论部分深入剖析了上述现象背后的机理。UHP或雨水带入的H₂O₂进入富含Fe²⁺的稻田土壤后，会启动芬顿（Fenton）反应，产生高活性的•OH。这些•OH能迅速将移动性强、毒性大的As(III)氧化成易于被土壤铁氧化物吸附固定的As(V)（AsO₃^3-+ 2•OH → AsO₄^3-+ H₂O），从而大大降低了砷的生物有效性和向水稻体内的迁移能力。同时，UHP本身分解提供的氮素养分，以及ROS可能通过抑制铵态氮转化、促进根表铁膜形成等作用，改善了水稻的营养状况和生长环境，共同促成了产量的提升。

综上所述，本研究证实了利用外源H₂O₂（特别是作为肥药一体化材料的UHP）诱导稻田土壤原位产生ROS，是一种极具前景的原位修复策略。它巧妙地利用自然的氧化还原过程，成功实现了降低稻米砷含量和提高水稻产量的双重目标，为保障砷污染地区粮食安全与农业可持续发展提供了新的科学依据和技术路径。当然，该策略的长期田间效应、对土壤微生物生态的影响等仍需进一步评估，但无疑为应对稻田砷污染挑战开辟了一个富有创新性的方向。