微摩尔浓度过氧化氢（H?O?）在刺激野生低砷（As）蕨类植物（Pteris vittata L.）凋落物中砷（As）固定及增加碳含量的潜力

《Journal of Hazardous Materials》：Potential of micro-molar H?O? to stimulate soil As immobilization and carbon increase by wild low-As Pteris vittata L. litter

微摩尔H?O?通过Fenton反应促进低砷蕨类残体分解，增强砷稳定与有机碳积累，揭示氧化环境驱动下砷-碳耦合机制。

　　

陈彦杰|李振成|黄佩仪|陈子鹏|秦俊豪|李华寿

中国广东省农业与农村污染控制及环境安全重点实验室/农业部热带农业环境重点实验室，华南农业大学自然资源与环境学院，广州510642，中国

摘要

铁角蕨（Pteris vittata L.）是一种超富集砷（As）的植物，已被成功应用于修复受砷污染的土壤。然而，在雨水携带的H₂O₂作用下，野生低砷铁角蕨凋落物分解过程中砷的动态变化及碳的输入机制仍不甚明了。本研究通过控制实验，探讨了微摩尔浓度（50和100 μM）的H₂O₂对凋落物分解的影响，以及由此引起的土壤中砷形态变化和有机质动态的变化。研究发现，100 μM的H₂O₂在覆盖凋落物的土层中引发了持续且强烈的活性氧（ROS）生成热点。具体而言，100 μM的H₂O₂是土壤中砷-碳耦合反应的主要启动剂，促进了芬顿（Fenton）类反应，生成了氧化活性砷的ROS，并通过加速微生物降解木质纤维素增强了土壤的腐殖化过程。PLS-PM分析表明，直接的非生物氧化过程仅占H₂O₂作用总效果的23.9%，而76.1%的效果是通过间接途径实现的。土壤有机质（SOM）的积累是这一过程的关键机制，其对砷稳定化的直接影响最大（β = 0.670，p < 0.001）。微生物群落的改变也对砷的固定有显著贡献（β = 0.214，p < 0.05），其中MND1、Bacillus和Gemmatimonas等微生物发挥了重要作用。总体而言，这些发现揭示了微摩尔浓度H₂O₂在野生凋落物分解过程中协同促进砷-碳耦合机制的潜力，为利用低砷铁角蕨凋落物修复大气氧化条件下的砷污染土壤提供了科学依据。

引言

砷（As）是一种高毒性和致癌性的类金属元素，随着城市化和工业化进程的加速，其问题日益严重[1]。土壤中过量的砷不仅威胁生物多样性并降低粮食产量，还影响食物链中的人类食品安全和健康[2]。利用超富集植物进行植物修复是一项极具前景的技术[3]。铁角蕨（Pteris vittata L.）是最早被发现的砷超富集植物之一，具有较大的生物量及其能够积累砷的叶片，目前广泛用于矿山环境治理和尾矿池生态修复[4],[5]。然而，现有研究主要集中在高砷含量的铁角蕨上，探讨了通过微生物强化、化学添加剂或有机改良剂等方式进一步提高其修复效率的策略[1],[6],[7]。相比之下，野生低砷含量的铁角蕨凋落物的作用尚未得到充分研究，尤其是在暴露于含有氧化物质的雨水中时，其在砷迁移和有机质积累中的作用仍不清楚。

近年来，全球气候变化和大气污染加剧导致土壤中氧化物质（尤其是过氧化氢H₂O₂）的沉积量增加，这些物质通过湿沉降和干沉降途径进入陆地生态系统[8]。由于H₂O₂具有较高的水溶性，其在降雨中的传输变得尤为重要，特别是在年降水量可达2000毫米的南方地区[9]。研究表明，降水中的H₂O₂浓度通常在5至100 μM之间[8]。林等人（2016-2017年）在广州两个监测点发现，H₂O₂浓度每年波动范围为0.1至118.7 μM，年均值为20.1 μM。H₂O₂是驱动芬顿反应的主要氧化剂[10]，与Fe2?结合时可生成羟基自由基（·OH），进而氧化和还原无机化合物[11],[12]。多项研究显示，在降水过程中，H₂O₂和原位芬顿反应可降低稻田中的As(III)含量并增加As(V)含量[10],[13]，同时这一过程还能暂时抑制砷的挥发[14]。引入芬顿试剂可显著加速罗克沙酮（roxarsone）的降解并促进亚砷酸盐的生成[15]。

植物凋落物的分解会释放营养物质和重金属，这些物质是生物地球化学循环的关键调节因子。随着凋落物的分解，碳（C）以CO?的形式释放到大气中，而剩余的碳则作为土壤有机碳（SOC）的重要来源，进而影响土壤有机质（SOM）的组成[16]。土壤中的铁矿物与有机质之间的相互作用对SOC的稳定性至关重要，这种作用通过吸附、共沉淀和聚集作用实现[17]。在氧化环境中，Fe(II)的生物氧化通过共沉淀或吸附作用固定SOC[17]。最近的研究阐明了腐殖质（HS）在氧化还原波动条件下调节砷动态的双重作用：在淹水条件下，腐殖质促进As(V)的释放；而在排水阶段，通过与Fe-(oxy)氢氧化物的络合作用促进As(III)的固定[18]。然而，氧化还原波动也可能引发Fe介导的非生物SOC损失[19]。芬顿反应诱导的Fe(II)氧化生成·OH，不仅氧化SOC，还增强了其生物可利用性，并通过矿化作用促进CO?的释放[20]。在稻田土壤中，·OH驱动的SOC氧化可使CO?排放量增加15.1–30.8%[21]。相反，长期施用秸秆可以抑制非生物过程中的·OH和CO?生成，促进SOM积累，并有利于形成高微生物可利用性的脂肪族化合物[22]。腐殖质（HS）占SOC的60–80%，根据水溶性可分为腐殖酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素[23]。王等人证明，腐殖酸可通过配体交换机制降低砷的生物可利用性，形成的As-HA复合物的log K值大于4.2[24]。此外，腐殖质还充当生物地球化学电子传递媒介，促进金属还原菌（Geobacter spp.）与不溶性Fe(III)氧化物之间的电子转移，这一过程对砷的形态和迁移性具有关键调控作用[25]。

因此，鉴于大气氧化作用的增强，研究H₂O₂通过雨水进入植物凋落物和土壤后对砷和碳的生物地球化学循环的影响至关重要。在本研究中，我们通过室内模拟实验探讨了不同浓度微摩尔H₂O₂对野生低砷铁角蕨凋落物分解的影响，以及砷的转化和迁移过程。具体目标在于解决两个关键科学问题：i) 微摩尔浓度的H₂O₂能否增强含野生低砷铁角蕨凋落物的土壤中砷的固定和碳的增加？ii) 作为关键化学驱动因素的H₂O₂如何影响土壤有机质循环过程中砷和碳的耦合生物地球化学过程？

实验部分

土壤和凋落物采集

土壤采集自中国广东省韶关市翁源县新疆镇唐新村（坐标113°46' E, 24°29' N）。表层土壤（0-15 cm）经过风干、研磨后通过2毫米筛网过滤。土壤的主要理化性质见表S1。铁角蕨凋落物采集自中国韶关翁源县铁龙林业区（坐标113°42' E, 24°32' N）。铁角蕨凋落物采样点的土壤pH值为7.82，砷含量在...（数据缺失）

原位活性氧生成

定量荧光分析显示，由于H₂O₂的作用，D3至D7期间总ROS含量减少了2.0倍。D3时，覆盖凋落物的处理组上层土壤中的ROS荧光强度比未覆盖凋落物的处理组高1.2倍（图1b）。值得注意的是，微摩尔浓度的H₂O₂在整个土壤剖面中引发了ROS的生成，且分解过程中表现出空间和时间上的异质性。到D7时，在100-LS层形成了持续的ROS热点

非生物氧化过程：芬顿反应的关键作用

原位ROS成像直接证明，100 μM的H₂O₂在覆盖凋落物的土层中引发了持续且强烈的氧化热点（图1c）。这种模式是芬顿/芬顿类反应的特征，其中微摩尔浓度的H₂O₂与土壤中的Fe(II)反应生成·OH——这种高活性氧物种是本研究中的核心驱动因素[33]。一方面，·OH随机攻击细胞壁，导致纤维素/半纤维素的降解

结论

本研究表明，模拟雨水携带的氧化作用的微摩尔浓度H₂O₂在受砷污染的土壤中创造了微氧化环境，从而增强了野生低砷铁角蕨凋落物分解过程中砷的固定和有机碳的积累。特别是100 μM的H₂O₂在覆盖凋落物的土层中引发了持续的ROS生成热点，是土壤中砷-碳耦合反应的主要启动剂

CRediT作者贡献声明

李华寿：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。秦俊豪：撰写、审稿与编辑、验证。李振成：方法学设计、实验实施。陈彦杰：原始稿撰写、数据可视化、数据分析、概念构思。陈子鹏：实验实施。黄佩仪：资源准备、实验协助。

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42277223）和中国国家重点研发计划（项目编号2020YFC1807805）的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。