南京大学罗军、谷成团队ES&T:根系驱动的活性氧调控水稻根际砷的多维形态分布
- 2026-06-15 19:44:49
第一作者：刘星、楚龙港
通讯作者：罗军、谷成
通讯单位：南京大学环境学院
图文摘要
成果简介
近日，南京大学环境学院罗军教授和谷成教授团队在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Root-Driven Reactive Oxygen Species Controls Multidimensional Arsenic Speciation in the Rice Rhizosphere”的论文。文中构建出一种多技术耦合的根际原位高分辨探测体系，通过开发比率型荧光探针实现活性氧（ROS）的原位可视化，并结合平板光极与DGT技术，在水稻根际尺度上同步解析As(Ⅲ)/As(V)、O2、Fe(Ⅱ)及S(-Ⅱ)等关键参数的空间分布特征。研究发现，ROS热点与As(Ⅲ)的降低具有显著空间对应关系（R2=0.797），明显强于O2的影响（R2=0.348），表明ROS在砷价态转化中发挥关键调控作用。进一步结合灭菌、ROS淬灭实验及结构方程模型分析，揭示在所研究条件下，ROS驱动的非生物氧化过程可在微尺度上对砷的形态转化起到关键作用。该方法体系空间分辨率高、扰动小，为揭示根际复杂氧化还原过程提供了新手段，并为农田土壤中砷污染的风险评估与调控提供了新的理论依据和技术支撑，具有良好的应用前景。
引言
砷（As）是一类典型的高毒性类金属元素，广泛存在于土壤和水环境中，易通过农作物吸收进入食物链，对生态系统稳定性及人类健康构成长期威胁。水稻根际作为砷生物地球化学循环的“热点区域”，其独特的氧化还原梯度和复杂微生物群落共同调控As(Ⅲ)/As(V)的转化过程。然而，由于根际环境高度异质且动态变化剧烈，叠加原位检测技术受限，当前对砷形态转化主导机制的认识仍存在较大不确定性。传统研究多强调微生物过程的主导作用，但近年来研究表明，由根系径向释氧（ROL）诱导的氧化还原过程可通过促进Fe(Ⅱ)氧化形成铁膜，并进一步驱动活性氧（ROS）生成，从而在非生物途径中直接参与As(Ⅲ)向As(V)的氧化转化。这一ROS介导的过程可能与微生物作用并行甚至独立发生，构成根际砷循环的生物–非生物耦合调控机制。然而，由于ROS具有高反应活性和极短寿命，其在复杂土壤体系中的原位高分辨检测仍极具挑战，尤其缺乏能够同步解析ROS与砷形态空间分布的技术手段，限制了对其机制的定量认知。
基于此，本研究以水稻根际砷形态转化机制为核心，提出“ROS驱动的非生物过程可能被低估”的科学假设，构建多技术耦合的原位分析框架。通过整合DGT、平面光学探针及新型比率型荧光探针，实现ROS与As(Ⅲ)/As(V)等关键参数的二维高分辨同步表征，并结合控氧实验、灭菌处理及结构方程模型分析，系统解析生物与非生物过程在砷转化中的相对贡献。该研究旨在从微尺度揭示ROS介导的砷转化机制，为农田土壤砷污染的风险调控与根际过程精准管理提供新的理论基础和技术路径。
图文导读
不同污染水平下水稻根际As(Ⅲ)/As(V)的二维分布特征
图1：不同土壤中水稻根际As(Ⅲ)与As(V)的二维分布及通量特征。（a）根际空间分布；根系（b）与非根系（c）通量对比。
首先，基于DGT结合LA-ICP-MS技术，该研究通过采用中国3个典型水稻产区的（广东省，湖南省和江苏省）土壤，研究了水稻根际As(Ⅲ)与As(V)的二维高分辨原位分布表征。结果表明，在三种不同土壤性质以及污染水平的土壤中，均表现为根际区域As(Ⅴ)通量显著低于As(Ⅲ)，验证了水稻根际以As(Ⅲ)为主导形态的特征。进一步定量分析发现，根际（<5 mm）As(Ⅲ)通量衰减率高达89.0%–94.7%，显著高于As(V)（26.6%–42.1%），而无植物的对照中变化较小。这一现象表明，根际过程显著降低了砷的迁移性。值得注意的是，总砷含量在根际仅略有下降（4.3%–9.2%），但DGT可提取态砷大幅减少，说明控制机制主要源于砷形态转化及其迁移性变化，而非简单的植物吸收。此外，相比于As(V)， As(Ⅲ)表现出更强的衰减，暗示根际中可能存在活跃的氧化还原过程，将As(Ⅲ)转化为As(V)，并进一步通过吸附或共沉淀快速固定，导致其难以被DGT捕获。
相同空间尺度下水稻根系O2、Fe(Ⅱ)与S(-Ⅱ)的原位分布
图2：水稻根际O2、Fe(Ⅱ)与S(-Ⅱ)的原位二维分布特征。（a）空间分布；种植（b）和未种植（c）水稻土壤中不同因素在典型剖面的变化。
进一步地，通过耦合多种原位探测技术，该研究在图1的同一空间尺度，同步解析了水稻根际O2、Fe(Ⅱ)与S(-Ⅱ)的空间分布特征，以揭示其对砷形态转化的潜在调控作用。结果表明，根系泌氧作用（ROL）在根际形成明显的O2热点，并在其周围诱导Fe(Ⅱ)与S(-Ⅱ)的低通量微区，反映出典型的根际氧化还原梯度结构。不同土壤中该效应强度存在差异，其中水稻在GD土壤表现出更强的O2释放能力，可能与该土壤中较低的生物有效性砷浓度以及较高的铁含量有关。然而，尽管O2、Fe(Ⅱ)与S(-Ⅱ)在空间分布上呈现出一定的耦合关系，但其分布范围与As(Ⅲ)的衰减区并不完全匹配。例如，O2热点范围明显小于Fe(Ⅱ)与S(-Ⅱ)的低值区，且难以解释As(Ⅲ)在更大尺度上的显著降低。这一现象表明，仅依赖溶解氧扩散难以完全解释根际中砷形态的变化。此外，在无植物对照中，O2与还原性物质随深度变化呈现相对平缓或分层特征，而在种植条件下，根系活动显著重塑了局部氧化还原环境，但仍无法直接对应As的空间分布格局。因此，O2及传统氧化还原指示物（Fe(Ⅱ)、S(-Ⅱ)）并非控制砷形态分布的唯一因素。考虑到Fe(Ⅱ)与S(-Ⅱ)可作为电子供体与O2反应生成ROS，且ROS具有更强氧化能力和更广的作用范围，该研究进一步提出：ROS可能在根际尺度上对砷形态转化发挥关键调控作用。基于此，该研究文开发了比率型荧光原位检测方法，实现ROS的高分辨可视化，为解析其在砷转化中的作用机制提供了关键技术支撑。
ROS原位检测新方法的构建
图3：比率型荧光探针ROS-CM的构建与性能验证。（a）荧光响应；（b）芬顿体系·OH的产生；（c）校准曲线；离子强度（d）与pH（e）对ROS-CM荧光响应的影响。
首先，针对土壤体系中ROS原位检测的挑战，已有研究进行了关键的探索，并为揭示根际ROS分布特征方面提供了重要参考。在此基础上，该研究对检测策略进行了优化：选用DCFH作为荧光响应探针，同时引入对ROS不敏感的Nile Red作为参比探针，构建比率型荧光检测体系（ROS-CM），从而提高信号的稳定性与可比性，显著提高了检测的稳定性与可靠性，并结合平板光极技术的成像方式，实现了土壤环境中ROS的二维原位可视化分布。此外，我们验证了本方法在常见土壤环境中的pH(3-9.5)以及离子强度（以Na+计0-200mM）的稳定性，该ROS原位检测技术能够在保证空间分辨率的同时兼具良好的抗干扰能力，为解析ROS在砷形态转化中的作用机制提供了关键方法支撑，也为复杂土壤体系中活性氧的研究提供了新的技术路径。
水稻根际ROS的精细空间分布特征
图4： 水稻根际ROS的原位二维分布及其与O2和As(Ⅲ)的空间关系。（a）ROS在JS处理组中的空间分布；（b）剖面L4中ROS, O2和As(Ⅲ)的空间关系及浓度；（c）ROS, O2与As(Ⅲ)的线性拟合。
该研究利用这一技术对三种水稻土的水稻根系ROS进行了原位成像，结果表明ROS在根际呈现显著的空间异质性分布。相比无植物对照中较低且局限于固液界面的ROS水平，水稻根系显著促进了ROS在根系区域的富集，形成明显的热点区。该区域与Fe(Ⅱ)、S(-Ⅱ)的低通量区一致，表明根际中存在活跃的氧化过程。更重要的是，ROS的空间影响范围明显大于O2，并与As(Ⅲ)的衰减区高度吻合。定量分析显示，ROS与As(Ⅲ)通量呈更强的负相关关系（R2=0.797），优于O2（R2=0.348）的解释能力。这表明，ROS作为累积性氧化因子，在更大尺度上主导了As(Ⅲ)向As(V)的转化过程，是调控根际砷形态分布的关键因素。
生物与非生物过程对砷形态转化的贡献
图5：生物与非生物过程对砷形态转化的贡献。（a）不同处理中As(Ⅲ)，As(V)和·OH的浓度；（b）结构方程模型（SEM）以及（c）路径效应分析。
最后，通过复氧实验与结构方程模型（SEM）分析，系统解析了生物与非生物过程在砷形态转化中的相对贡献。在本实验条件下，有氧条件时As(Ⅲ)显著降低而As(V)大幅增加，加入ROS淬灭剂后这一转化过程被明显抑制。同时，γ灭菌处理并未影响ROS生成，说明该过程主要由非生物途径驱动。这直接证明了ROS在As(Ⅲ)氧化中的关键作用。结合SEM的分析结果，O2并非主要直接作用于As(Ⅲ)，而是通过促进ROS生成间接调控其转化；同时，土壤还原性（Fe(Ⅱ)、S(-Ⅱ)）与As(V)呈显著正相关，反映其在ROS生成及后续砷固定过程中的耦合作用。相比之下，以aioA和arsC为代表的微生物功能基因未表现出显著相关性，说明在本研究尺度下，非生物过程对砷形态的直接影响更为突出。
小结
本研究通过构建多技术耦合的原位高分辨探测体系，实现了ROS与As(Ⅲ)/As(V)、O₂、Fe(Ⅱ)、S(-Ⅱ)等关键参数的同步二维成像，从微尺度揭示了水稻根际复杂的氧化还原过程。结果表明，ROS驱动的非生物氧化过程在砷形态转化中发挥关键作用，其影响强于传统氧化还原因子。尽管微生物过程未表现出显著相关性，但其作用仍不可忽视，可能通过间接途径参与调控。该研究不仅为理解根际砷迁移转化机制提供了新的视角，也为农田土壤砷污染的风险评估与调控提供了理论依据。同时，所建立的原位检测方法为解析复杂环境中微尺度动态过程提供了重要技术支撑，具有良好的拓展应用前景。
本研究得到国家重点研发计划（2023YFC3709603）、国家自然科学基金（42277375、42507507）及中国博士后科学基金（2024M751388）的资助。
作者简介
罗军: 南京大学环境学院教授，博士生导师。主要从事新型梯度扩散薄膜技术（DGT）的研发及其在环境污染与修复中的应用研究，在DGT原位监测重金属/有机物/硒形态技术与装置的开发、水稻根际微界面污染物迁移转化机制等方面取得了创新性成果。在国内外相关领域的高水平期刊Environmental Science & Technology、Analytical Chemistry、Environment International等国际著名期刊上发表SCI收录论文110余篇。主持多项科研项目，包括国家重点研发计划场地土壤污染成因及治理技术专项课题1项、国家自然科学基金面上项目5项、国家自然科学基金青年项目1项、国家科技重大专项水专项子课题1项、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目等，累计主持国家级科研项目10余项。担任国际期刊Frontiers in Environmental Chemistry副主编。
谷成: 谷成，南京大学环境学院教授、博士生导师、国际化工作处处长、教育部长江学者特聘教授，首批国家优秀青年基金获得者，国家重点研发专项首席科学家。研究方向聚焦新污染物的环境界面过程与修复技术，在Nature子刊、Angew、Environmental Science & Technology等期刊发表论文200余篇，获授权发明专利20余项（含3项美国专利）。担任Eco-Environment & Health期刊执行主编、环境化学期刊编委，兼任中国自然资源学会资源循环利用专业委员会副主任。
共同第一作者：
刘星，男，博士研究生，现就读于南京大学环境学院；
楚龙港，男，博士后，南京大学环境学院。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c02078
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