稻田砷污染控制的另一个思路

导  读

借助土壤微生物燃料电池技术，我们不仅可以降低大米中的砷，还可能把稻田变成发电厂。

文/陈正（西交利物浦大学健康与环境系）

来源：eBiogeochem公号（2018年10月7日）

十年前，我写的第一个科普文叫“稻砷案”（点击标题阅读：稻砷案），讲述的是中外科学家对大米中不寻常的砷富集现象的探索。这些探索的成果，不仅丰富了我们对自然的认识，也促进制定针对稻田砷污染问题的解决方案。现在，接着上一个稻和砷的故事，让我来讲讲我们研究室的一个新的砷污染解决思路。 

首先，回顾下稻田土壤的特别之处。水稻的种植和玉米小麦不同，需要大量的灌水。于是在水稻种植季，稻田里都有淹着一层水。在淹水条件下，土壤里面的氧气被挤了出来；没有了大气中氧气的补充，土壤中的有机质的还原过程占据了主导，一些厌氧微生物开始活跃起来。

在这些厌氧微生物的作用下，水田里面的砷要比旱地里面高很多。这里的高，不是总浓度高，而是生物有效性高。生物有效性简单的说就是被生物利用的效率，最能解释这个概念的东西，就是那些号称see you tomorrow的食物，比如金针菇或者金箔——很难被生物吸收，有效性极低。砷在旱地里的有效性也不高，因为它们被土壤里面的铁锰氧化物吸附住了。吸牢了以后，植物的根系就啃不动它们了。

水田中有一部分厌氧微生物会利用土壤中的有机质和铁氧化物进行呼吸，提供生长繁殖所需要的能量。还记得刚才的重点吗？那些把砷吸牢了的铁氧化物——它们被厌氧微生物利用完了之后，原本被吸附在上面的砷就被释放出来了。

顺着铁氧化物这个思路，一个常见的解决方案就是往土里面继续添加铁氧化物，把砷吸牢，不让它们被释放。

这个方法也有一些问题，比如土壤中有机质的量要比铁氧化物的量要多，添加进去的铁氧化物也是会被还原的，砷还是会释放出来。长久来说，不是一个特别好的解决方案，成本也比较高。

既然做加法不好，能不能做减法呢？如果能减少铁还原菌的“食物”，也就是这些有机质，会不会也能减少砷的有效性？然而，在土壤里面，做“减法”远远比做“加法”要难。我们需要新的思路。

让我们再一次瞧准水稻田本身的特殊性。水稻田是一种非常特殊的生态系统—人工湿地。湿地表面的水层隔绝了空气，这使得接触空气的表层水是氧化性的，而水层下面的土壤是还原性的。

我们生活中经常使用的电池也拥有类似结构。比如干电池，它由一层氧化性的氧化锰层，一层还原性的锌层组成。那我们把水稻田也看作一个电池呢？事实上，只需要把两个碳电极装到水稻田里面，一个放在表层水，一个放在土壤层，就真的能源源不断地获得电流。

这个稻田电能来自水层氧气和土壤层有机质之间的反应。大部分的有机质是很稳定的，就像面条，放在空气中并不会一下子燃烧起来。但是在土壤中，这个过程要快很多，因为里面有很多微生物在帮助降解有机质。

土壤中的有机质种类很多，不同的微生物有不同的偏好，有的专啃硬家伙，有的拣别人吃剩下的渣渣。并不是所有的微生物都能参与到这个产电的过程中来。只有那些可以长在电极表面，并可以还原电极的微生物，才能被叫做产电微生物。事实上，这些微生物很大程度上是把这个电极误认为是铁氧化物了。虽然铁氧化物和碳电极并不完全一样，但是这并不妨碍这些勤劳的产电微生物，孜孜不倦地吃进去所有能吃进去的有机物，吐出电子给电极。

利用这个原理，科学家也开发了很多类似的技术，统称为微生物燃料电池技术，用于移除水体和土壤中的有机污染物。

我们的新解决方案就是从这里开始的。对于砷污染的水稻土，减少土中铁还原菌的食物，可以让砷保留在铁氧化物上。而微生物燃料电池技术提供了一个很好的策略：最好的跟铁还原菌竞争食物的对象，当然是另外一批”铁还原菌“。生长在微生物燃料电池表面的细菌，它们能吃掉和土壤中铁还原菌一样的食物，但是它们吃掉食物之后，吐出来的电子并不会还原铁氧化物，也就不会造成更多砷的释放。

通过对多种水稻土的测试，我们发现，这个思路是可行的。在这些结果的支持下，土壤微生物燃料电池不仅可以降低砷在大米中的积累，还可以把砷污染的水稻田变成发电厂。将来说不定水稻田不仅是我们饭碗中大米的来源，还可以是电力的来源。

当然，从实验室走到大田，可能还需要另一个十年的时间。我们在这个实验中也发现了很多新的有趣又充满挑战的科学问题，希望能有更多的有志之士加入到我们的研究中来。

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