在國家自然科學基金等項目資助下，廣東省科學院生態環境與土壤研究所科研團隊研究揭示了水稻根表鐵膜氧空位的雙重作用機制。相關成果近日發表于《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）。
水稻鐵膜氧空位在調控界面氧活化及砷氧化固定的機制示意圖。研究團隊供圖
根表鐵膜是水稻根系抵抗環境中污染物（如砷）侵擾的重要屏障。鐵膜對砷的氧化和固定活性直接影響水稻對砷的富集量及食品安全。然而，關于鐵膜表面結構特性，特別是氧空位等結構缺陷如何影響界面氧氣活化及污染物固存性能的機制尚不清楚，限制了我們對水稻根系界面活性氧產生及砷遷移轉化動態的理解。
針對上述科學問題，研究團隊結合熒光活體成像、非損傷微測電極、原子力顯微鏡等手段系統闡明了水稻鐵膜的氧空位通過增強分子氧活化和提高砷結合親和力的雙重機制，顯著提升砷的氧化固存效率。團隊通過在鐵膜晶格中引入微量銅原子，成功增加了氧空位的密度，并在進行體外模擬和活體水稻實驗后發現，這種高密度的氧空位通過增強根系泌氧并促進Fe(II)在鐵膜界面的電子轉移效率，顯著促進了鐵膜表面的氧氣活化，從而生成了更多的胞外活性氧物種。
團隊進一步利用基于原子力顯微鏡的動力學力譜，在單分子尺度上揭示了氧空位密度的增加顯著提升了砷與鐵膜的結合能，提高了鐵膜表面對砷的吸附親和力和氧化效率。氧空位通過該機制誘導砷在鐵膜的固持，從而有效降低砷在水稻植株的積累。這一發現揭示了水稻根表鐵膜的表面缺陷結構在污染物固存中的關鍵作用。
論文通訊作者、廣東省科學院生態環境與土壤研究所研究員方利平指出，該研究為理解鐵膜的形成與轉化及其對砷的固存提供了科學依據和理論基礎，有助于厘清水稻根際圈砷的長期循環與風險管控。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c11257
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