关于硫酸盐还原菌在稻田中还原铬的研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A study on chromium reduction by Sulfate-Reducing Bacteria in paddy fields

抑制水稻田铬毒性的硫酸盐还原菌（SRB）应用效果及其作用机制研究，通过两年田间试验结合HR-Peeper和DGT技术，发现SRB显著降低总溶解态铬浓度（平均降幅0.18-2.83μg/L），抑制Cr(VI)向Cr(III)转化，有效缓解铬污染对水稻生长和人体健康的威胁。

　　

高帅帅|王振|尹红梅|刘彪|陈伟|吴英本|于梦媛|徐丽娟|杜东霞|赵新林|吴敏熙

中国湖南省微生物研究所，长沙410009

摘要

铬（Cr）在农田中主要以Cr(III)和Cr(VI)的形式存在。虽然Cr(III)几乎无毒，但Cr(VI)对植物生长和人类健康构成严重威胁。因此，抑制土壤中Cr(III)向Cr(VI)的转化对于确保食品安全生产至关重要。在厌氧淹水稻田中，硫酸盐还原菌（SRB）可以将硫酸盐和亚硫酸盐转化为硫化氢，从而在土壤中创造一个还原环境。因此，SRB可能有助于防止Cr(VI)向Cr(III)的转化，降低稻田中的铬毒性，并确保水稻的安全生产。本研究进行了一项为期两年的田间试验，以探讨SRB在减轻稻田铬毒性方面的有效性。研究中分别使用了高分辨率平衡透析（HR-Peeper）和薄膜扩散梯度（DGT）技术对溶解态Cr和活性Cr(VI)进行原位高精度测量。结果表明，与对照组相比，SRB处理组表层水和孔隙水中的总溶解Cr浓度有所下降（2023年6月除外）。不同深度（30至-145毫米）的平均浓度分别下降了0.30μg/L（2023.5年）、2.08μg/L（2023.7年）、1.00μg/L（2024.5年）、0.18μg/L（2024.6年）和2.83μg/L（2024.7年）。与对照组相比，SRB处理组表层水和孔隙水中的DGT活性Cr(VI)浓度也有所下降，但UV254值则相反。总体而言，使用SRB降低了稻田中可生物利用的铬浓度及其相关健康风险，有利于促进农业的绿色健康发展。

引言

铬（Cr）普遍存在于环境中[1]，主要通过两种途径进入土壤：含铬岩石的自然风化以及工业废水的排放[2][3]。铬是一种强效的诱变剂和致癌物，长期接触铬会导致健康问题，包括肺癌和肝癌[4]。铬在土壤中主要以两种氧化态存在：三价Cr(III)和六价Cr(VI)[5]。Cr(III)的溶解度低、迁移性有限且毒性较低，而Cr(VI)则具有高溶解度、高迁移性和高毒性[6]。Cr(VI)不仅会刺激人类皮肤和呼吸系统，还会抑制植物生长并改变植物形态[7]。

水稻是世界上许多国家的主食[8]，其生产安全对保障国家粮食安全具有重要意义。研究人员为确保水稻生产付出了巨大努力[9][10][11]。研究表明，水稻比其他谷物更容易受到铬的污染[12][13][14]，在受铬污染的稻田中种植的水稻可能对人类健康构成潜在风险[1]。因此，实施土壤铬固定化措施对于保障粮食安全至关重要[15]。

将Cr(VI)还原为Cr(III)的微生物方法作为一种绿色环保的技术，在以往的研究中受到了越来越多的关注[15][16][17][18]。硫酸盐还原菌（SRB）广泛分布于水生和陆地环境中，参与这些生态系统中各种元素的生物地球化学循环[19]。研究表明SRB能够去除Cr(VI)[20][21]，但关于SRB在降低铬含量方面的研究相对较少（截至2025年11月，Web of Science核心数据库中仅检索到59篇相关研究）。其中，关于稻田原位田间实验的研究更为罕见。

稻田生境的厌氧特性有利于SRB的原位定殖。在厌氧条件下，锰（Mn）氧化物可将Cr(III)氧化为Cr(VI)[4]，从而增加铬污染的风险。我们的主要假设是SRB可以通过两种方式抑制这一风险：一方面，SRB代谢产生的二价硫（S(II)可以直接将土壤中的游离Cr(VI)还原为低毒性的Cr(III)，从而减少高活性铬物种的含量；另一方面，SRB可将土壤中的Mn(III/IV)氧化物还原为Mn(II)，破坏Cr(VI)生成所需的核心氧化剂，从根本上抑制Cr(III)在厌氧条件下的氧化活化。

传统的铬形态分析方法无法全面评估铬的含量。高分辨率平衡透析（HR-Peeper）和薄膜扩散梯度（DGT）技术分别用于原位高精度测量溶解态Cr和活性Cr(VI)[22][23]。土壤中金属的活性浓度比总浓度更能反映生物体的积累情况[24]。DGT是一种基于菲克第一定律的被动采样技术[25]，已被用于水生环境和湿地中多种活性物质的测定[26]。DGT装置由扩散层和结合层组成；扩散层由水凝胶制成，可控制溶质的通过，结合层的作用是像零汇一样吸收溶质。基于扩散层形成的扩散梯度可以计算出溶质的DGT活性浓度[27]。

因此，本研究的目的是探讨SRB在减轻土壤铬毒性方面的有效性。我们假设SRB可以防止受铬污染的稻田中低毒性和低迁移性的Cr(III)转化为高毒性和高迁移性的Cr(VI)。在本研究中，研究小组自主研发的SRB接种剂被应用于稻田两年，通过HR-Peeper和DGT技术探讨其降低铬污染的效果和机制。这些发现对于管理稻田污染和确保水稻安全具有重要意义。

研究地点与采样

益阳市位于中国湖南省北部。该地区的土壤和水体受到历史采矿活动的重金属污染[29]。本研究选择的采样点位于益阳市的一个稻田（28°37’N, 112°34’E）。土壤的物理和化学性质见表1。实验田中总铬浓度（36mg/kg）超过了标准“指南”中的最低效应水平（26.0mg/kg）[26]。

稻田表层水和孔隙水中总溶解铬浓度及UV254值

分析了稻田表层水和孔隙水中总溶解铬浓度的垂直分布和平均值（图1）。表层水和孔隙水中的总溶解铬浓度在30至-145毫米的深度范围内略有波动。因此，我们使用了不同深度的平均值来探讨SRB对总溶解铬浓度的影响。总溶解铬浓度的平均值为（3.83–11.00μg/L）[27]。

结论

SRB的应用降低了稻田中的铬污染风险。添加SRB后，土壤有机物的分解速度加快，增强了稻田生态系统的还原环境。在这种条件下，高毒性的Cr(VI)被还原为相对惰性的Cr(III)，从而降低了稻田中的铬毒性。然而，某些情况下，表层水和孔隙水中的总溶解铬浓度略有升高。

作者贡献声明

高帅帅：撰写 – 原始草稿、方法学设计、概念构思。吴敏熙：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。尹红梅：方法学设计。王振：方法学设计、实验实施。刘彪：方法学设计。吴英本：结果验证。陈伟：结果验证。徐丽娟：结果验证。于梦媛：结果验证。赵新林：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。杜东霞：结果验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“湖南省科技创新计划”（项目编号“2025RC9025”）和“湖南省农业科学院重点研发计划”（项目编号“2025CX63”）的支持。

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。