近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院趙方杰教授團(tuán)隊(duì)在《Environmental Science & Technology》在線發(fā)表了題為 “Reduction of dimethylarsenate to highly toxic dimethylarsenite in paddy soil and rice plants” 的研究論文，該研究建立了環(huán)境樣品中DMAs（III）的保存和檢測(cè)方法，證明了DMAs（III）是淹水還原條件下水稻土孔隙水和水稻植株中一種重要砷形態(tài)，并且對(duì)水稻原生質(zhì)體毒性很強(qiáng)。

 

　　砷是土壤中廣泛存在的有毒類金屬元素。土壤中砷的化學(xué)形態(tài)眾多，不同形態(tài)砷毒性迥異。水稻土在淹水還原條件下砷的有效性提高，微生物介導(dǎo)的砷甲基化增強(qiáng)，產(chǎn)生以二甲基砷（DMAs）為主的有機(jī)砷化合物。水稻過量積累DMAs會(huì)誘發(fā)“直穗病”（又稱“旱青立病”），影響結(jié)實(shí)，造成水稻減產(chǎn)。

 

　　DMAs化合物中的砷有五價(jià)態(tài)[DMAs（V）]和三價(jià)態(tài)[DMAs（III）]兩種類型，其中DMAs（III）對(duì)人體細(xì)胞毒性更強(qiáng)，屬于劇毒的砷化學(xué)形態(tài)之一。由于DMAs（III）在有氧條件下極不穩(wěn)定，加之缺乏對(duì)環(huán)境樣品中DMAs（III）的保存和檢測(cè)方法，迄今未在土壤和植物樣品中檢測(cè)到DMAs（III），也無法評(píng)估DMAs（III）對(duì)植物的毒性。

 

　　該研究采集了砷甲基化能力較強(qiáng)的水稻土壤進(jìn)行淹水培養(yǎng)，在厭氧條件下采集土壤孔隙水，加入DDDC（二乙基二硫代氨基甲酸鹽）保護(hù)樣品中的DMAs（III），采用ESI-QTOF-MS/MS和HPLC-ICP-MS鑒定和定量測(cè)定砷形態(tài)。結(jié)果表明，土壤孔隙水中存在DMAs（III），并且其濃度高于DMAs（V）。對(duì)土壤發(fā)酵細(xì)菌、反硝化菌和硫酸鹽還原菌進(jìn)行富集培養(yǎng)，并分離到22株厭氧菌，發(fā)現(xiàn)這些富集培養(yǎng)和厭氧菌均可在不同程度上將DMAs（V）還原為DMAs（III），并分離到一株還原能力較強(qiáng)的厭氧菌Paraclostridium bifermentans DRTC-8。進(jìn)一步設(shè)置添加DMAs（V）的水稻水培實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水稻根部、地上部和木質(zhì)部傷流液均存在DMAs（III），說明水稻具有將DMAs（V）還原為DMAs（III）的能力。此外，將水稻種植于上述具有砷甲基化能力的土壤中，同樣在水稻葉片、穎殼和籽粒中檢測(cè)到DMAs（III）的存在。

 

　　該研究進(jìn)一步采用水稻原生質(zhì)體比較DMAs（III）與DMAs（V）的相對(duì)毒性，以不同濃度DMAs（III）或DMAs（V）處理24小時(shí)后原生質(zhì)體的存活率為指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)DMAs（III）的毒性遠(yuǎn)大于DMAs（V），推測(cè)DMAs誘發(fā)水稻“直穗病”的元兇是DMAs（III）。

 

　　綜上所述，該研究首次發(fā)現(xiàn)了稻田土壤和水稻植株中存在毒性很強(qiáng)的DMAs（III），水稻和很多土壤厭氧微生物具有將DMAs（V）還原為DMAs（III）的能力，導(dǎo)致其毒性加強(qiáng)。該研究拓展了對(duì)環(huán)境中砷的生物地球化學(xué)循環(huán)的認(rèn)識(shí)，也為探究水稻“直穗病”的致毒機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。

 

　　資環(huán)學(xué)院陳川副教授為文章第一作者，趙方杰教授為通訊作者，研究生余鈺、王怡潔、高阿祥和楊寶云及唐珠老師參與了該項(xiàng)研究工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07418