磷矿石通过增强砷代谢和重塑根际微生物组，驱动蜈蚣草产生比碳酸钙更高的砷积累

《Journal of Hazardous Materials》：Phosphate rock drives greater arsenic accumulation in Pteris vittata than calcium carbonate by enhancing arsenic metabolism and reshaping rhizosphere microbiome

　　

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  磷矿石在促进P. vittata中砷（As）和磷（P）的积累方面优于CaCO₃。
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  磷矿石（PR）和CaCO₃诱导了共同但不同的磷转运蛋白响应。
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  PR上调了AsⅤ还原酶PvHAC2和AsⅢ反向转运蛋白PvACR3/3;3。
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  PR维持了适度的根际碱化，并保持了更高的细菌多样性。

引言

有毒类金属砷（As）在土壤中普遍存在，对生态系统和人类健康构成潜在威胁[1]。在好氧土壤中，砷酸（AsV）是主要存在形态，且与磷酸（P）结构相似，导致砷和磷在植物吸收和土壤吸附过程中产生强烈的相互作用[2]、[3]。砷-磷相互作用影响Pteris vittata（蜈蚣草）对砷的吸收，蜈蚣草是首个被确认用于砷污染土壤植物修复的砷超富集植物[4]。因此，土壤改良剂已被用于促进其生长和砷积累[5]。

难溶磷矿石（PR）和CaCO₃可以改变土壤pH值和养分有效性，但两者在磷供应和溶解行为方面存在差异[6]、[7]。作为改良剂，两者均能提高土壤pH值，其中CaCO₃效果更显著。例如，在以2%施用量添加到受污染土壤时，CaCO₃使土壤pH从5.17升至7.47，而PR仅升至6.07[8]。CaCO₃提供钙而不提供磷，而PR同时提供磷和钙。因此，尚不清楚哪种改良剂在增强P. vittata砷积累方面更有效。具体而言，PR释放的磷增加了土壤磷有效性，与砷竞争吸附位点，从而提高土壤砷有效性[9]、[10]。此外，在中性至碱性条件下，由于PR溶解度低，植物对PR中磷的直接利用往往受到限制[11]。例如，在pH 7.4时，PR对玉米的肥效不如过磷酸钙，在等磷施用量下，40天后地上部生物量分别为1.8和5.5 g盆^–1[12]。

作为喜石灰植物，P. vittata能在富含石灰的基质中生长，具有溶解难溶矿物的能力，包括PR和CaCO₃[6]、[7]。在一项为期2.5年、使用3种含砷25–129 mg kg^–1的砷污染土壤的研究中，与可溶性磷肥相比，PR使叶片生物量增加了39%[6]。在14天水培研究中（添加和不添加50 μM砷），8.0 mM CaCO₃相比0.8 mM CaCl₂使植物生物量增加了44–57%[7]。除促进生长外，PR和CaCO₃还可能影响P. vittata对砷的吸收。由于砷是磷的化学类似物，通过磷转运蛋白进入植物，两者在植物吸收过程中也存在竞争[13]。因此，研究PR和CaCO₃改良剂如何影响土壤砷和磷有效性以及P. vittata对砷的吸收具有重要意义。

在P. vittata中，砷积累依赖于四个协调的过程，包括砷吸收、还原、转运和螯合[7]。首先，砷通过植物根部的磷转运蛋白1（Pht1）和磷转运蛋白B（PTB）被吸收[14]。其中PvPht1;2表现出高磷吸收能力，PvPht1;3/1;4可同时吸收AsV和P[13]，PvPTB1;2在碱性条件下对P/As吸收具有活性[15]。随后，AsV被AsV还原酶PvHAC1/2还原为亚砷酸盐（AsIII）[16]，再通过AsIII反向转运蛋白PvACR3/3;2转运至叶片，并由AsIII反向转运蛋白PvACR3;1/3;3螯合到叶片液泡中[17]、[18]。

土壤改良剂还通过改变土壤化学条件，特别是pH值，来塑造细菌群落。在涵盖pH 4.9–11.1的500个高山湿地土壤样本中，pH值解释了细菌群落组成变异性的15%以上[19]。在P. vittata中，培养两个月后，根际pH为5.3，而未种植土壤中为6.4。这种较低的pH与有机酸积累和细菌群落组成的变化相吻合[20]。除pH外，溶解性有机碳（DOC）的变化也与根际细菌群落变化相关[21]。低磷有效性也可改变这些群落并促进溶磷微生物的生长[22]。此外，土壤钙可通过调节酶活性和介导矿物-有机质-微生物相互作用来重塑根际微生物群落[23]。然而，在PR和CaCO₃改良条件下，P. vittata根际微生物群落如何响应有效态砷、磷和/或钙的变化仍不清楚。

尽管PR和CaCO₃均能增强养分循环和基于P. vittata的植物修复，但有必要研究其与两者在P. vittata中对磷和砷积累不同影响的潜在机制。本研究旨在：(1)比较难溶PR和CaCO₃对砷污染土壤中P. vittata植物生长及磷和砷积累的影响；(2)考察根际磷和砷有效性及微生物群落结构的差异；(3)研究磷转运和砷代谢关键基因在难溶PR和CaCO₃改良条件下的响应。本研究为砷污染土壤植物修复中P. vittata的磷-砷相互作用提供了机制见解，有助于选择更有效的改良剂。

各节摘要

土壤处理与植物生长

表层土壤（前20 cm）取自中国杭州的一块农田。土壤风干后研磨并通过2 mm筛。用Na₂HAsO₄·7 H₂O（Sigma-Aldrich，美国）改良土壤，添加的砷量为100 mg kg^–1砷，与受污染土壤中的水平相当，包括某旧铁路站点的95.3和138.0 mg kg^–1[24]。

为使改良的砷与土壤组分相互作用，将土壤充分混合并在持水量的50%条件下老化2个月，使用Milli-Q水。

PR促进P. vittata叶片砷和磷含量，CaCO₃促进更多生长

与土壤对照组相比，钙对照组在P. vittata中产生了相当的植物生物量和砷积累（图1AB）。因此，以未添加改良剂的土壤对照作为基线，重点比较难溶PR和CaCO₃的效果。

与土壤对照（5.87 g株^–1）相比，PR和CaCO₃分别使植物鲜重生物量增加了39%和66%，达到8.14和9.76 g株^–1（图1A）。作为喜石灰植物，超过50%的P. vittata生长在

结论

PR和CaCO₃均增强了P. vittata的植物生长和砷积累，但PR在增加叶片砷积累方面比CaCO₃更有效。与CaCO₃相比，PR使叶片砷含量增加了35%，而CaCO₃带来了略微更多的植物生物量。在可溶性CaCl₂对照下根部钙含量增加并未改善P. vittata的植物生物量或砷积累。综上所述，这些发现突出了磷获取与改良剂增强砷积累之间的密切关联。

环境意义

难溶磷矿石改良剂通过维持持续的低磷供应、重塑根际细菌多样性以及上调P. vittata中的砷代谢基因，比CaCO₃更有效地促进了P. vittata的砷积累，凸显了磷矿石在增强砷污染土壤植物修复中的潜力。

CRediT作者贡献声明

金瑞敏：撰写-初稿，可视化，方法论，形式化分析，数据管理。Lena Ma：撰写-审阅与编辑，监督，资金获取，数据管理，概念化。胡春燕：方法论，调查研究。周起尚：撰写-审阅与编辑，监督，调查研究，概念化。周千宇：方法论，调查研究。邓颂歌：撰写-审阅与编辑，调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述工作。

致谢

本研究部分由国家自然科学基金资助（42577002、42330703和42307013）。感谢浙江大学农业试验站胡伟珍在温室利用方面提供的支持。

金瑞敏|周千宇|邓颂歌|胡春燕|周起尚|Lena Ma