JHM | 华南农业大学黎华寿团队:揭秘土壤砷污染修复新路径——微摩尔过氧化氢激发凋落物的“固砷增碳”潜力
- 2026-06-26 21:36:47
JHM | 华南农业大学黎华寿团队:揭秘土壤砷污染修复新路径——微摩尔过氧化氢激发凋落物的“固砷增碳”潜力
图文摘要 
成果简介 近日，华南农业大学资源环境学院环境生态实验室黎华寿教授团队在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Potential of micro-molar H₂O₂ to stimulate soil As immobilization and carbon increase by wild low-As Pteris vittata L. litter”的研究论文。该研究通过控制微宇宙实验，探究了微摩尔级H₂O₂浓度（50和100 μM）对凋落物分解的影响，以及由此引起的土壤砷形态和有机质动态变化。研究发现100 μM H₂O₂在凋落物覆盖的土壤层中诱导了持续且强烈的活性氧（ROS）生成热点。该工作揭示了100 μM H₂O₂是土壤砷-碳偶联机制的主要引发剂，通过其耦合凋落物降解的非生物与生物过程的协同作用，显著促进了土壤有机碳的积累和砷的固定化。 全文速览 砷（As）污染土壤的修复是环境领域的难题。本研究以自然环境中野生低砷蜈蚣草凋落物为对象，通过在微宇宙中模拟含不同浓度（0、50、100 μM）H₂O₂的雨水输入，探究了凋落物分解过程中砷的形态转化与有机质动态。结果明确指出，100 μM H₂O₂是启动土壤中“砷-碳耦合”机制的关键化学驱动力。该浓度的H₂O₂触发了类芬顿反应，在凋落物覆盖的土壤层中诱导产生持久且强烈的活性氧（ROS）热点。这一过程不仅通过非生物氧化将不稳定态的砷转化为更稳定的形态，还通过加速微生物对木质纤维素的分解，增强了土壤的腐殖化程度，促进了土壤有机质（SOM）的积累。 研究进一步利用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）量化了非生物-生物耦合路径。结果表明，H₂O₂输入对砷固定的总效应为0.788，其中直接非生物氧化贡献仅占23.9%，而高达76.1%的效应是通过间接途径实现的。SOM积累是主导的机制枢纽，占总效应的51.2%，并对砷稳定性表现出最强的直接影响（β = 0.670, p < 0.001）。同时，微生物群落的演替（如MND1、Bacillus、Gemmatimonas等关键菌属）也直接贡献了13.2%的砷固定效果（β = 0.214, p < 0.05）。总而言之，这项研究表明，雨水中的微摩尔H₂O₂能够通过驱动凋落物分解，协同促进土壤砷的固定与碳的封存，为在大气氧化环境下利用低砷蜈蚣草凋落物进行砷污染土壤的生态修复提供了新的科学依据。 引言 砷（As）污染土壤威胁生态与粮食安全。蜈蚣草（Pteris vittata L.）作为最早被发现的砷超富集植物，其生物量大且羽叶能积累砷，已广泛应用于矿山修复，但现有研究多关注高砷蜈蚣草的修复效率提升策略，对于野生低砷蜈蚣草凋落物在分解过程中砷的归趋和碳输入，尤其是在含氧化性物质的降水影响下的行为还尚未明确。近年来大气氧化性增强，H₂O₂通过降水进入土壤的通量增加，尤其在降水丰沛的华南地区，伴随降雨进入土壤的H₂O₂所产生的影响不容忽视。H₂O₂可驱动芬顿/类芬顿反应，产生活性氧（ROS）深刻影响土壤中碳与重金属的地球化学循环。植物凋落物的分解是连接碳与重金属生物地球化学循环的关键过程。一方面，凋落物分解释放碳，是土壤有机碳（SOC）的重要来源；另一方面，腐殖质（HS）通过络合与氧化还原作用深刻影响着砷的形态与迁移性。然而，在微摩尔H₂O₂介入下，低砷蜈蚣草凋落物分解过程中砷与碳的耦合机制尚不明确。本研究旨在回答两个关键科学问题：1）微摩尔H₂O₂能否在低砷蜈蚣草凋落物覆盖的土壤中促进砷的固定和碳的积累？2）微摩尔H₂O₂作为化学驱动因子，如何影响土壤中砷与碳的耦合生物地球化学过程？ 图文导读ROS的原位生成 研究通过原位荧光成像技术，直观捕捉了不同处理下ROS的产生动态。在第7天（D7），100 μM H₂O₂处理的覆凋落物组（100-LS）土壤上层形成了一个荧光强度异常增强的“热点”，其强度甚至超过了初始水平（D3）的45.19%。相比之下，无凋落物覆盖的处理组（100-S）仅在第3天（D3）观察到短暂的氧化爆发。这表明，100 μM H₂O₂触发了芬顿介导的ROS扩增（在100 μM下达+98.88%），而凋落物基质则能通过生物地球化学循环维持ROS再生（ROS再生速率：9.11±0.45 a.u./d）。 
图1 ROS原位观察与荧光成像分析：ROS捕获膜示意图（a）；第3天（b）和第7天（c）的荧光成像图（上）和定量荧光热图（下）。0-S, 0 μM H₂O₂，无凋落物；50-S, 50 μM H₂O₂，无凋落物；100-S, 100 μM H₂O₂，无凋落物；0-LS, 0 μM H₂O₂，有凋落物；50-LS, 50 μM H₂O₂，有凋落物；100-LS, 100 μM H₂O₂，有凋落物。凋落物分解与碳氮动态 凋落物的质量损失随分解时间增加。在第150天（D150），100-LS处理显示了最高的质量损失率（25.68%）和分解常数（k值=0.76 年⁻¹），其半衰期（DT₅₀=0.91年）显著短于对照组。同时，100-LS处理中凋落物的碳氮比（C/N）持续下降，这有助于微生物分解并促进更稳定土壤有机质的形成。在土壤层面，100-LS处理的SOM含量持续升高，腐殖质（HE）含量稳定，且腐殖酸（HA）在腐殖质组分中占主导。其E₄/E₆比值随时间下降，表明土壤腐殖化程度和腐殖酸分子芳香化程度显著增强。 
图2 不同处理下凋落物质量损失率。0-LS, 0 μM H₂O₂，有凋落物；50-LS, 50 μM H₂O₂，有凋落物；100-LS, 100 μM H₂O₂，有凋落物。 
图3 不同处理下土壤SOM含量（a）及HA和FA含量（b）。0-S, 0 μM H₂O₂，无凋落物；50-S, 50 μM H₂O₂，无凋落物；100-S, 100 μM H₂O₂，无凋落物；0-LS, 0 μM H₂O₂，有凋落物；50-LS, 50 μM H₂O₂，有凋落物；100-LS, 100 μM H₂O₂，有凋落物。凋落物中砷的动态变化 随着分解时间延长，凋落物中砷浓度呈上升趋势。100-LS处理在D150时砷浓度最高（57.54 ± 10.19 mg/kg），较初始水平提高了1.4倍。金属积累指数（MAI）进一步揭示了不同处理下的差异化行为：0-LS处理表现为持续的净砷释放（MAI始终<100%）；50-LS处理前期释放、后期转为积累（MAI在D120后>100%）；而100-LS处理则呈现持续的净砷富集，且富集程度随时间增强（从D30到D150增加了62.20%）。 
图4 不同处理中凋落物砷浓度动态（a）和金属积累指数（MAI, b）。图中右侧的“H₂O₂”、“Time”及“H₂O₂×Time”星号表示双因素方差分析的显著性，ns表示不显著（p > 0.05）。处理组缩写同上。 土壤砷形态转化与生态风险评估 土壤总砷浓度在处理间无显著差异，但砷的形态发生了显著变化。与无凋落物组相比，有凋落物覆盖的处理显著降低了残渣态砷（F5）的比例，同时增加了无定形铁铝氧化物结合态砷（F3）的比例。值得注意的是，100-LS处理在D150时表现出最高的F5比例（14.71%）和最低的可交换态砷（F2, 5.04%）。基于风险评估代码（RAC）的评估表明，100 μM H₂O₂的输入能随时间推移持续降低砷的生态风险，在D150时100-LS处理的RAC值在所有处理中最低。 
图5 不同处理下土壤总砷浓度（a）、砷形态分布（b）及RAC（c）。处理组缩写同上。 微生物群落响应 微生物α多样性分析显示，在D150时，100-LS处理的Chao1和Shannon指数均显著增加（p < 0.01），并达到所有处理中的最大值。这表明微摩尔H₂O₂创造的微氧化环境能够筛选并促进一个更复杂、功能更多样的微生物群落的发展。在属水平上，参与木质素分解的Sphingomonas、具有纤维素降解能力的Bacillus以及能降解复杂有机物的Gemmatimonas的相对丰度在处理组中均有显著变化，暗示它们可能参与了凋落物的降解和砷形态的转化过程。 
图6：不同处理下土壤微生物α多样性指数（Chao1和Shannon）。S0d30, 0 μM H₂O₂无凋落物，第30天；LS0d150, 0 μM H₂O₂，有凋落物，第150天；S100d30, 100 μM H₂O₂，无凋落物，第30天；LS100d150, 100 μM H₂O₂，有凋落物，第150天。 As-C耦合机制的PLS-PM解析 本研究核心的机制解析通过PLS-PM模型完成。模型具有优良的拟合度（GoF = 0.652），解释了92.2%的砷形态变化。路径分析显示，微摩尔H₂O₂显著正向影响了微生物群落演替（β = 0.486, p<0.05）和SOM积累（β = 0.602, p<0.001）。而微生物群落演替（β = 0.214, p<0.05）和SOM积累（β = 0.670, p<0.001）又显著促进了砷的固定。效应分解表明，H₂O₂对砷固定的总效应为0.788。其中，直接的非生物氧化贡献仅为23.9%，而76.1%是通过间接途径实现的。在间接效应中，最主要的三条路径是：1）通过SOM积累的路径（占51.2%）；2）通过微生物群落演替的直接路径（占13.2%）；3）通过“微生物→SOM→砷固定”的级联路径（占11.8%）。这个结果清晰地揭示了SOM积累是连接H₂O₂输入与砷固定的主导机制枢纽，而微生物群落则扮演了不可或缺的驱动角色。 
图7 微摩尔H₂O₂驱动As-C耦合机制的PLS-PM路径图（a）及各因素对砷固定化的效应分解（b）。 小结 本研究证实，模拟雨水输入的微摩尔H₂O₂能在低砷蜈蚣草凋落物覆盖的砷污染土壤中形成微氧化环境，及其驱动的芬顿/类芬顿反应协同促进砷的固定与土壤有机碳的积累。100 μM H₂O₂作为启动As-C耦合的关键化学驱动力，通过触发非生物（芬顿/类芬顿反应）与生物（微生物群落演替）的级联过程，使砷固定的间接效应（76.1%）远超直接氧化效应（23.9%）。其中，土壤有机质积累是主导砷稳定的核心机制路径（占总效应51.2%）。这项研究为理解大气氧化性增强背景下，利用野生低砷蜈蚣草凋落物进行砷污染土壤修复提供了重要的理论依据，揭示了利用自然过程赋能生态修复的巨大潜力。 
来源：JHM Family。、环境人Environmentor
期刊介绍
Soil Environ. Health (SEH) 依托土壤污染防治与安全全国重点实验室建设，是浙江大学与Elsevier合作出版的全英文开放获取国际学术期刊。自2023年1月以来，期刊出版了来自20多个国家的近120篇优秀论文；期刊CiteScore为11.4，影响因子为9.4，位于环境科学领域Q1区。
微信号 | SEH2023
Twitter｜@soileh2023
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