砷是土壤中广泛存在的有毒类金属元素。土壤中砷的化学形态众多，不同形态砷毒性迥异。水稻土在淹水还原条件下砷的有效性提高，微生物介导的砷甲基化增强，产生以二甲基砷（DMAs）为主的有机砷化合物。水稻过量积累DMAs会诱发“直穗病”（又称“旱青立病”），影响结实，造成水稻减产。

DMAs化合物中的砷有五价态[DMAs(V)]和三价态[DMAs(III)]两种类型(图1a)，其中DMAs(III)对人体细胞毒性更强，属于剧毒的砷化学形态之一。由于DMAs(III)在有氧条件下极不稳定，加之缺乏对环境样品中DMAs(III)的保存和检测方法，迄今未在土壤和植物样品中检测到DMAs(III)，也无法评估DMAs(III)对植物的毒性。

近日，公司赵方杰教授团队在《Environmental Science & Technology》在线发表了题为 “Reduction of dimethylarsenate to highly toxic dimethylarsenite in paddy soil and rice plants” 的研究论文，该研究建立了环境样品中DMAs(III)的保存和检测方法，证明了DMAs(III)是淹水还原条件下水稻土孔隙水和水稻植株中一种重要砷形态，并且对水稻原生质体毒性很强。

该研究采集了砷甲基化能力较强的水稻土壤进行淹水培养，在厌氧条件下采集土壤孔隙水，加入DDDC（二乙基二硫代氨基甲酸盐）保护样品中的DMAs(III)，采用ESI-QTOF-MS/MS和HPLC-ICP-MS鉴定和定量测定砷形态。结果表明，土壤孔隙水中存在DMAs(III)，并且其浓度高于DMAs(V)（图1a, b）。对土壤发酵细菌、反硝化菌和硫酸盐还原菌进行富集培养，并分离到22株厌氧菌，发现这些富集培养和厌氧菌均可在不同程度上将DMAs(V)还原为DMAs(III)，并分离到一株还原能力较强的厌氧菌Paraclostridium bifermentans DRTC-8。进一步设置添加DMAs(V)的水稻水培实验，发现水稻根部、地上部和木质部伤流液均存在DMAs(III)（图1c），说明水稻具有将DMAs(V)还原为DMAs(III)的能力。此外，将水稻种植于上述具有砷甲基化能力的土壤中，同样在水稻叶片、颖壳和籽粒中检测到DMAs(III)的存在（图1d, e）。

图1.（a）水稻土孔隙水中砷形态色谱图；（b）水稻土孔隙水中各种形态砷含量；（c）水培实验中水稻地上部和根部不同形态砷含量；（d，e）盆栽实验中水稻叶片（d）和籽粒（e）不同形态砷含量

该研究进一步采用水稻原生质体比较DMAs(III)与DMAs(V)的相对毒性，以不同浓度DMAs(III)或DMAs(V)处理24小时后原生质体的存活率为指标，发现DMAs(III)的毒性远大于DMAs(V)（图2），推测DMAs诱发水稻“直穗病”的元凶是DMAs(III)。

图2.（a）采用Evan’s blue染色检测水稻原生质体的活性；（b）DMAs(V)及DMAs(III)对水稻原生质体的毒性。

综上所述，该研究首次发现了稻田土壤和水稻植株中存在毒性很强的DMAs(III)，水稻和很多土壤厌氧微生物具有将DMAs(V)还原为DMAs(III)的能力，导致其毒性加强。该研究拓展了对环境中砷的生物地球化学循环的认识，也为探究水稻“直穗病”的致毒机制提供了理论基础。

图3. 水稻土及水稻体内DMAs(V)还原产生DMAs(III)。

公司陈川副教授为文章第一作者，赵方杰教授为通讯作者，研究生余钰、王怡洁、高阿祥和杨宝云及唐珠老师参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金和江苏省重点研发计划的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07418