CN107223503A - 利用5‑氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法及其制备的水稻植株 - Google Patents

利用5‑氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法及其制备的水稻植株 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用5‑氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法及其制备的水稻植株，涉及重金属污染治理技术领域，本发明在镉污染土壤中种植水稻，在种植过程中使用浓度为180～220mg/L的5‑氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理，经上述喷施处理后可以明显促进水稻根部积累重金属镉元素，同时，又能抑制水稻糙米中的镉含量积累。该应用方法具有操作简便、环境友好、价格低廉及方便镉元素回收利用等优点，能够有效缓解现有镉污染土壤修复方法成本昂贵、操作复杂、需要特殊的仪器以及修复周期漫长的问题，同时，水稻作为常规作物，其田间管理均为农业常规方法也降低了该土壤修复方法的操作难度。

Description

利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法及其 制备的水稻植株
技术领域
本发明涉及重金属污染治理技术领域，尤其是涉及一种利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法及其制备的水稻植株。
背景技术
环境中重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，其污染物在介质中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解，还可经食物链传递，最终影响人类健康。随着改革开放后我国工业、农业活动的巨大产生和发展，农田重金属污染情况不断加剧，重金属污染事件也频频在发生，镉等重金属更是对稻田、麦地、玉米地等农田生态系统造成污染，重金属以更短的周期通过食物链被人体摄入，对人类健康造成极大的威胁。利用外源物质促进植物对重金属的富集，进而对土壤进行植物修复具有投资少、效率高，且不造成二次污染等多种特性，显示了极大的潜力。
现阶段，镉污染土壤主要的修复方法有物理修复、化学修复、生物修复和联合修复法等方法来降低土壤中的镉元素浓度，从而减轻土壤重金属对人群和生物群落的危害。但这些方法不但成本昂贵、操作复杂、需要特殊的仪器，而且这些方法周期漫长并不适合我国人多耕地少的国情。与传统的方法相比，植物修复技术集生态和治理于一体，以其环境友好、易被接受和价格低廉等优点而成为研究热点。
水稻在镉污染土壤中种植后很容易富集镉元素，特别是水稻的根部作为植株主要与土壤接触的部位，是不断吸收运输土壤营养物质，并和其进行交换的一个主要器官，非常容易对镉元素进行吸收、富集，并且在积累较高镉元素含量的同时也不影响水稻正常生长。同时，水稻的根部富含淀粉，收取水稻根部制备工业淀粉，剩余部分可以进一步提取重金属镉，也利于镉元素的回收和利用。此外，水稻作为常规作物，其田间管理均为农业常规方法，降低了应用操作的难度。
因此，研究一种促进水稻根部积累重金属镉的方法，该方法具有操作简便、环境友好、价格低廉及方便镉元素回收利用等优点，同时，又能抑制水稻糙米中的镉含量积累，进而在保证水稻糙米达到国家食用标准的同时(我国规定糙米中重金属镉含量的最高限制标准为0.2mg/kg)，又能够有效缓解现有镉污染土壤的修复方法成本昂贵、操作复杂、需要特殊的仪器以及修复周期漫长的问题，变得十分必要和迫切。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法，5-氨基乙酰丙酸能够明显促进水稻根部积累重金属镉的含量，同时，又能抑制水稻糙米中的镉含量积累，该应用方法具有成本低廉、操作简单、应用过程中不需要特殊的仪器以及方便后期镉元素回收利用的优点。
本发明的第二目的在于提供一种水稻植株，该水稻植株由上述利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻积累重金属镉的方法制得，该水稻植株的根部富含有大量的镉元素的同时，又能抑制水稻糙米中的镉含量积累，进而在保证水稻糙米达到国家食用标准。
本发明提供的一种利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法，所述方法包括，在镉污染土壤中种植水稻，在水稻的种植过程中使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理。
进一步的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液为5-氨基乙酰丙酸与水混合后配制的水溶液。
进一步的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的浓度为190～210mg/L。
更进一步的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的浓度为200mg/L。
进一步的，所述喷施处理的时间为水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天。
进一步的，所述喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩300～350L/天。
更进一步的，所述喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。
进一步的，所述镉污染土壤中的镉浓度为1～1.4mg/kg。
本发明提供的一种水稻植株，所述水稻植株由上述方法制得。
进一步的，所述水稻植株根中的镉含量为1.5～1.8mg/kg，水稻植株糙米中的镉含量为0.15～0.18mg/kg。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了5-氨基乙酰丙酸的一种新应用方法，在镉污染土壤中种植水稻，在水稻的种植过程中使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理。上述浓度的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后可以明显促进水稻根部积累重金属镉元素，同时，又能抑制水稻糙米中的镉含量积累。该应用方法具有操作简便、环境友好、价格低廉及方便镉元素回收利用等优点，能够有效缓解现有镉污染土壤的修复方法成本昂贵、操作复杂、需要特殊的仪器以及修复周期漫长的问题，同时，水稻作为常规作物，其田间管理均为农业常规方法，降低了该土壤修复方法的操作难度。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，一种利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法，所述方法为，在镉污染土壤中种植水稻，在水稻的种植过程中使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理。
5-氨基乙酰丙酸作为四氢吡咯的前缀化合物，是生物体合成叶绿素、血红素、维生素B12等这些物质所不能缺少的元素，本发明提供了5-氨基乙酰丙酸的一种新应用，通过施加外源5-氨基乙酰丙酸，可以明显促进水稻积累重金属镉元素，进而使在镉污染土地中种植的水稻的植株富含大量的镉元素。此外，5-氨基乙酰丙酸为水稻体内所固有成分，无毒副作用，不影响水稻的正常生长发育，且来源广泛，价格低廉。
本发明提供了5-氨基乙酰丙酸的一种新应用方法，在镉污染土壤中种植水稻，在水稻的种植过程中使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理。上述浓度的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后可以明显促进水稻积累重金属镉元素，进而使在镉污染土地中种植的水稻的植株富含大量的镉元素。该应用方法具有操作简便、环境友好、价格低廉及方便镉元素回收利用等优点，同时，又能抑制水稻糙米中的镉含量积累，进而在保证水稻糙米达到国家食用标准的同时，又能够有效缓解现有镉污染土壤的修复方法成本昂贵、操作复杂、需要特殊的仪器以及修复周期漫长的问题，同时，水稻作为常规作物，其田间管理均为农业常规方法，降低了该土壤修复方法的操作难度。
在本发明的一种优选实施方式中，所述5-氨基乙酰丙酸溶液为5-氨基乙酰丙酸与水混合后配制的水溶液。
作为一种优选的实施方式，本发明将5-氨基乙酰丙酸与水混合后配制的水溶液可以使进行外源喷洒的5-氨基乙酰丙酸溶液更为均匀的喷施于水稻叶面。
优选的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液为5-氨基乙酰丙酸与蒸馏水混合后配制的水溶液。蒸馏水是利用蒸馏设备使水蒸汽化,然后使水蒸气凝成水，制备得到的蒸馏水除去了重金属离子。本发明应用蒸馏水配制5-氨基乙酰丙酸溶液，可以避免水中的重金属离子对试验的影响，使的实验的结果更为准确。
在本发明的一种优选实施方式中，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的浓度为190～210mg/L。
在上述优选实施方式中，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的浓度为200mg/L。
本发明中，通过对5-氨基乙酰丙酸溶液浓度的进一步调整和优化，从而进一步优化了本发明5-氨基乙酰丙酸促进水稻积累重金属镉的效果。
在本发明的一种优选实施方式中，所述喷施处理的时间为水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天。
作为一种优选的实施方式，本发明在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天对水稻叶面进行喷施处理。
在本发明的一种优选实施方式中，所述喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩300～350L/天。
在上述优选实施方式中，所述喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。
优选的，所述喷施处理的喷施量为喷施至水稻叶面附着满水珠，液体开始下滴为止。
在本发明的一种优选实施方式中，所述镉污染土壤中的镉浓度为1～1.4mg/kg。
镉在自然土壤中的含量一般是表现较低，不会对人类造成很大的危害，我国的土壤镉背景值大约为是0.097mg/kg。本发明用于种植水稻的土壤为镉浓度为1～1.4mg/kg，为重金属镉中重度污染的土壤。
根据本发明的一个方面，一种水稻植株，所述水稻植株由上述方法制得。
本发明提供的水稻植株，该水稻植株由上述利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻积累重金属镉的方法制得，该水稻植株较正常在镉胁迫条件下种植的水稻根部富含有更多的镉元素。
在本发明的一种优选实施方式中，所述水稻植株根中的镉含量为1.5～1.8mg/kg，水稻植株糙米中的镉含量为0.15～0.18mg/kg。
水稻植株的根部富含淀粉，本发明水稻植株根中的镉含量高达1.5～1.8mg/kg，收取水稻根部制备工业淀粉，剩余部分可以加工成粉末，进而提取重金属镉。因此，利用水稻植株的根部富集镉元素非常方便镉元素的回收利用。同时，水稻植株糙米中的镉含量为0.15～0.18mg/kg，低于我国规定糙米中重金属镉含量的最高限制标准为0.2mg/kg。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行进一步地说明。
下述各实施例均以浙江省水稻主栽品种甬优9号为试验品种，在镉浓度为1～1.4mg/kg的镉污染土壤中种植。
下述各个实施例中，水稻种植模式为：每处理小区占地面积2.35×2.55m＝6m2，品种间间隔0.4m，株行距0.3m×0.2m，为125丛，每小区之间筑埂并加塑料膜防渗，每个处理进行3个重复。如无特殊说明，整地、育苗、移栽、田间管理均为农业常规方法。
实施例1
首先，将5-氨基乙酰丙酸用蒸馏水配置成浓度为180mg/L的水溶液，随后在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
实施例2
首先，将5-氨基乙酰丙酸用蒸馏水配置成浓度为220mg/L的水溶液，随后在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
实施例3
首先，将5-氨基乙酰丙酸用蒸馏水配置成浓度为190mg/L的水溶液，随后在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
实施例4
首先，将5-氨基乙酰丙酸用蒸馏水配置成浓度为210mg/L的水溶液，随后在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
实施例5
首先，将5-氨基乙酰丙酸用蒸馏水配置成浓度为200mg/L的水溶液，随后在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
对比例1
在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用蒸馏水在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中蒸馏水的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
对比例2
首先，将5-氨基乙酰丙酸用蒸馏水配置成浓度为170mg/L的水溶液，随后在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
对比例3
首先，将5-氨基乙酰丙酸用蒸馏水配置成浓度为230mg/L的水溶液，随后在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天连续对水稻叶面进行喷施处理，喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。水稻的整个种植过程采用常规田间管理方式进行。
效果例1水稻农艺性状分析
将实施例1～5和对比例1～3种植的水稻在割前采集植株样品，并分别考察不同处理条件下水稻的株高、穗数、穗粒数、千粒重和结实率等农艺形状，其结果如下表所示：
由上表所示，使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理，对水稻成熟期整体农艺性状影响不大。与对比例1使用蒸馏水进行喷洒的对照组相比，在本发明实施例1～5和对比例2以及对比例3的5-氨基乙酰丙酸溶液处理下，水稻株高、穗数、穗粒数、千粒重和结实率都无显著变化，水稻结穗，生长态势良好，未受到很大影响。因此，浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻植株整体农艺性状并没有很大影响，即浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻植株没有不良的影响，5-氨基乙酰丙酸促进水稻积累重金属镉的效果并不是由于限制水稻植株的生长而得到的。
效果例2
将实施例1～5和对比例1～3种植的水稻成熟收割后于60～70℃烘干至恒重，将水稻植株的根部进行收割；随后应用常规试验方法对得到的水稻植株的根部的镉含量进行测定，其测定结果如下表所示：
由上表可知，与对比例1使用蒸馏水进行喷洒的对照组相比，实施例1～5使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后水稻植株根部中的镉元素含量具有显著的增加，实施例1～5在镉污染土地中种植的水稻植株根部的镉含量高达1.5～1.8mg/kg。因此，在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理，可以显著促进水稻积累重金属镉元素，并且效果显著，其中，实施例5使用浓度为200mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后水稻根部的镉含量高达1.86mg/kg，其效果最佳。
通过与对比例2和对比例3使用本发明浓度范围以外的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后得到的结果相比，由上表可知，对比例2种植的水稻植株根部的镉含量为1.21mg/kg，对比例3种植的水稻植株根部的镉含量为1.23mg/kg，其对镉元素的富集效果均明显低于本发明实施例1～5种植的水稻植株根部的镉含量，与对比例1未经喷施5-氨基乙酰丙酸溶液的水稻相差不大。因此，使用本发明浓度范围外的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理不能达到本发明促进水稻积累重金属镉元素的技术效果。
效果例3
将实施例1～5和对比例1～3种植的水稻成熟收割后于60～70℃烘干至恒重，将水稻籽粒用脱壳机去壳，得到糙米；随后应用常规试验方法对得到的糙米的镉含量进行测定，其测定结果如下表所示：
由上表可知，与对比例1使用蒸馏水进行喷洒的对照组相比，实施例1～5使用浓度为80～120mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后水稻糙米中的镉含量显著下降，实施例1～5在镉污染土地中种植的糙米的镉含量为0.15～0.18mg/kg，低于我国规定糙米中重金属镉含量的最高限制标准为0.2mg/kg，因此，在镉污染土壤的水稻种植过程中，使用浓度为80～120mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理，可以明显缓解镉胁迫对水稻的毒害作用，能降低水稻糙米中镉元素的积累量，并且效果显著，其中，实施例5使用浓度为100mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后水稻糙米中的镉含量仅为0.152mg/kg，其效果最佳。
通过与对比例2和对比例3使用本发明浓度范围以外的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后得到的结果相比，由上表可知，对比例2种植的糙米的镉含量为0.21mg/kg，对比例3种植的糙米的镉含量为0.194mg/kg，其效果均明显低于本发明实施例1～5在镉污染土地中种植的糙米中的镉含量。因此，使用本发明浓度范围外的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理不能达到本发明降低水稻糙米中镉元素含量的技术效果。
综上所述，本发明在镉污染土壤中种植水稻，在水稻的种植过程中使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理。上述浓度的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理后可以明显促进水稻根部积累重金属镉元素，同时，又能抑制水稻糙米中的镉含量积累，保证水稻糙米达到国家食用标准。该应用方法具有操作简便、环境友好、价格低廉及方便镉元素回收利用等优点，能够有效缓解现有镉污染土壤的修复方法成本昂贵、操作复杂、需要特殊的仪器以及修复周期漫长的问题，同时，水稻作为常规作物，其田间管理均为农业常规方法，降低了该土壤修复方法的操作难度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法，其特征在于，在镉污染土壤中种植水稻，在水稻的种植过程中使用浓度为180～220mg/L的5-氨基乙酰丙酸溶液对水稻叶面进行喷施处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述5-氨基乙酰丙酸溶液为5-氨基乙酰丙酸与水混合后配制的水溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的浓度为190～210mg/L。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的浓度为200mg/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷施处理的时间为水稻苗期、分蘖期、抽穗前期和扬花期后的第1～14天。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩300～350L/天。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述喷施处理中5-氨基乙酰丙酸溶液的喷施量为每亩330L/天。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镉污染土壤中的镉浓度为1～1.4mg/kg。
9.一种水稻植株，其特征在于，所述水稻植株由权利要求1所述的利用5-氨基乙酰丙酸促进水稻根部积累重金属镉的方法制得。
10.根据权利要求9所述的水稻植株，其特征在于，所述水稻植株根部中的镉含量为1.5～1.8mg/kg，水稻植株糙米中的镉含量为0.15～0.18mg/kg。
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