CN108739165A - 抑制小麦籽粒对镉吸收及积累的叶面阻隔剂及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂，该叶面阻隔剂的主要有效成分为甘露糖，甘露糖的浓度为40μmol/L～320μmol/L，并公开了该叶面阻隔剂的试验方法。本发明的使用方法为该叶面阻隔剂喷施时期为小麦生长发育时期，采用喷雾方式将叶面阻隔剂喷施于镉污染的小麦叶片上，定期进行喷施。本发明可以有效降低小麦籽粒中的镉含量达32.93％～33.52％，操作简单，不会对土壤造成二次污染，为小麦籽粒的镉污染问题提供了良好的解决途径。

Description

抑制小麦籽粒对镉吸收及积累的叶面阻隔剂及其使用方法
技术领域
本发明涉及环境污染治理技术领域，尤其涉及一种抑制小麦籽粒对镉吸收及积累的叶面阻隔剂及其使用方法。
背景技术
镉(Cadmium,Cd)是生物生长和发育过程中的非必需元素，也是自然界中最有害的重金属之一，是蓄积性毒物，在土壤中具有移动性差、毒性强的特点。其污染可通过食物链传递、富集和放大从而间接地危害人类的健康。近年来，土壤重金属Cd污染问题严峻，对农作物生产和粮食安全构成了威胁。农业投入品、污水灌溉和大气沉降是农田Cd污染的主要来源。
随着“砷毒”、“血铅”、“镉米”等事件的频发，重金属污染成为最受关注的公众事件之一，目前，重金属污染土壤修复方法分为三个方面物理工程措施、农业措施、生物修复措施。物理工程措施包括客土、翻土、换土及去表土法，电化学法，淋洗法，热处理法，固化法，玻璃化法。但是工程法存在建设费用高，费效比低的问题；客土、翻土、换土及去表土法操作复杂，工程难度较大；淋溶法和固化法存在破坏土壤结构、影响植物生长的风险，及带来的二次环境污染问题；固化法工艺复杂，技术要求多，养护时间长，污染土壤，固化稳定化后处置和再利用缺乏技术规范支撑；热处理发和电化学法大面使用难以实现，而且破坏土壤结构，影响土壤中微生物种群和数量；玻璃化法技术相对比较复杂，实地应用中会出现难以达到统一地熔化以及地下水的渗透等问题此外，且熔化过程需要消耗大量的电能，因此成本高。用农业措施来治理重金属污染土壤具有可与常规农事操作结合起来进行、费用较低、实施较方便等优点，但存在有些方法周期长和效果不显著等缺点。生物修复措施包括植物修复，微生物修复和低等动物修复。植物修复措施的关键是寻找合适的超积累或耐重金属植物，但植物修复措施也有局限性，如超积累植物通常生物量低，生长缓慢，对金属有选择性，不适于多种金属复合污染的土壤，难满足农民的经济需求，并且常常受到当地气候条件以及可用植物物种的限制。微生物修复存在土壤与细菌分离这个比较棘手的问题。
利用叶面阻隔剂来减少甚至阻断重金属向农作物可食部位迁移是近年来中国农田重金属污染防治研究的一个新方向，叶面阻隔剂是一种喷施于植物叶片，附着于叶片表面或透过叶片表面进入叶片内起到效用的溶液，其作用机制为重金属在农作物细胞壁上的沉淀或螯合作用及增强农作物对重金属抗逆性等，可以应用到一些中轻度污染土壤，抑制重金属对农作物的毒害。
小麦是三大谷物之一，为世界上总产量位居第二的粮食作物，小麦对土壤和灌溉水中低浓度的Cd2+具有很高的富集效率，在Cd污染农田种植的小麦植株，其籽粒中的Cd含量大部分超过GB2762-2017国家食品安全中谷物重金属Cd的限值0.1mg/kg，对我国农业经济造成巨大损失。Cd在土壤中迁移性强，极易被小麦根系吸收，最终富集于籽粒中，通过食物链进入人体，并不断在人体内富集，对人体具有致病、致癌、致突变的三致危害，对人体的肝、肾等器官造成损害。
从已有报道来看，叶面阻隔剂对农作物吸收累积Cd、Pb、As等重金属具有较好的降低效果，但因产地、农作物类别、重金属种类的不同，目前还没有一种对小麦籽粒针对性强的，可高效阻隔小麦籽粒重金属镉吸收、转运，且操作简单的叶面阻隔剂。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂及其使用方法，可以有效降低小麦籽粒中的镉含量达32.93％～33.52％，操作简单，不会对土壤造成二次污染，为小麦籽粒的镉污染问题提供了良好的解决途径。
技术方案：本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂，其特征在于：该叶面阻隔剂的有效成分为甘露糖，甘露糖的浓度为40μmol/L～320μmol/L。
其中，该叶面阻隔剂加入表面活性成分吐温20，吐温20的浓度为0.75mL/L～1mL/L。
其中，所述甘露糖的浓度为160μmol/L。
其中，该叶面阻隔剂的溶剂为去离子水。
本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的试验方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)在镉污染土壤中播种小麦样品，将小麦样品分为实验组与对照组，实验组喷施叶面阻隔剂，对照组喷施等量的去离子水与吐温20混合液；
(2)小麦成熟后收获小麦籽粒并将小麦植株分为8个部分以上，包括籽粒、麦壳、旗叶、中位叶、下位叶、第一节间、第二节间、第三节间；
(3)将小麦样品的不同部位进行消解，使用检测仪进行镉金属含量的分析测定；
(4)对测定结果进行对照分析，得出该叶面阻隔剂对镉在小麦植株不同部位的转运情况的影响。
其中，所述步骤(3)中消解液为HNO3与HClO4的混合液，HNO3与HClO4的体积比为80-90:10-20。
本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的使用方法，其特征在于：该叶面阻隔剂喷施时期为小麦生长发育时期，采用喷雾方式将叶面阻隔剂喷施于镉污染的小麦叶片上，定期进行喷施。
其中，该叶面阻隔剂喷施时期为小麦抽穗期、开花期与灌浆期，每个时期喷施1～4天，每次喷施间隔20h以上。
其中，该叶面阻隔剂喷施时间为早上5～7点，喷施剂量为每株小麦10mL～30mL。
本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂在抑制植物镉积累中的应用。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明可以有效降低小麦籽粒中的镉含量，小麦籽粒中的镉含量相比对照降低幅度可达32.93％～33.52％。本发明采用甘露糖用于直接喷洒于小麦叶面以降低籽粒中镉的含量，操作简单，不会对土壤造成二次污染，为小麦籽粒的镉污染问题提供了良好的解决途径，可以进行推广。
附图说明
图1为本发明不同浓度甘露糖处理下小麦地上部分Cd含量对比图；
图2为实施例1盆栽实验小麦籽粒中重金属Cd的含量对比图；
图3为实施例1盆栽实验对照(CK)处理小麦植株各部位中重金属Cd的含量对比图；
图4为实施例2大田实验小麦籽粒中重金属Cd的含量对比图；
图5为本发明甘露糖喷施处理小麦植株各部位中重金属Cd的含量对比图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂，该叶面阻隔剂的有效成分为甘露糖，甘露糖的浓度为40μmol/L～320μmol/L，甘露糖的浓度优选为160μmol/L。
其中，该叶面阻隔剂加入表面活性成分吐温20，吐温20的浓度为0.75mL/L～1mL/L。
其中，该叶面阻隔剂的溶剂为去离子水。
本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的试验方法，包括下述步骤：
(1)在镉污染土壤中播种小麦样品，将小麦样品分为实验组与对照组，实验组喷施叶面阻隔剂，对照组喷施等量的去离子水与吐温20混合液；
(2)小麦成熟后收获小麦籽粒并将小麦植株分为8个部分以上，包括籽粒、麦壳、旗叶、中位叶、下位叶、第一节间、第二节间、第三节间；
(3)将小麦样品的不同部位进行消解，使用检测仪进行镉金属含量的分析测定；消解液为HNO3与HClO4的混合液，HNO3与HClO4的体积比为80-90：10-20；消解过程采用国家标准物质GBW(E)100348进行质量控制，其回收率在90％以上；
(4)对测定结果利用SPSS及Origin9软件进行对照分析，得出该叶面阻隔剂对镉在小麦植株不同部位的转运情况的影响。
本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的使用方法，该叶面阻隔剂喷施时期为小麦生长发育时期，采用喷雾方式将叶面阻隔剂喷施于镉污染的小麦叶片上，定期进行喷施；该叶面阻隔剂喷施时期为小麦抽穗期、开花期与灌浆期，每个时期喷施1～4d，每次喷施间隔20h以上；该叶面阻隔剂喷施时间为早上5点～7点，喷施剂量为每株小麦10mL～30mL。
本发明的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂在抑制植物镉积累中的应用。
本发明在确定甘露糖的浓度时，在2016-2017年间每年在河南新乡、江苏南京等地进行多次实验，实验材料选用苏科麦1号、百农矮抗88、矮抗58等七种小麦种子，每种每次实验取3000颗小麦种子，其中选取2017年选用矮抗58进行具体实施方案的阐述：
2017年在南京南农牌楼实验基地进行实验，将3000颗小麦种子用2.5％的NaClO消毒20min，然后将清水浸泡24h的种子移至漂浮于清水面的漂浮板上，至于26℃，光照时间16h的培养箱中，每天换一次清水，待幼苗长到一叶一心时移至高14cm，直径12cm的塑料盆钵中，设置对照组和Cd处理组，用Hoagland`s半营养液培养15d，并分别采用不同浓度的甘露糖处理小麦幼苗；每天喷施1次共15d，喷施时间为每天早上7点。在其他条件固定的情况下，各时期的实验分别设置6组：1个对照组(离子水)和5个不同浓度的施药组(甘露糖)：40、80、160、320、640μmol/L，考察不同喷施浓度对降低小麦地上部分中的重金属Cd含量效果的影响。
综合各次实验数据结果及图1显示：本发明提供的叶面阻隔剂在40～320μmol/L的喷施浓度范围内，均可有效降低小麦幼苗地上部分中镉的含量，当甘露糖的喷施浓度达到640μmol/L时小麦籽粒重金属浓度出现上升趋势，阻隔剂浓度过高，效果降低，推测可能是由于甘露糖浓度过高时植物螯合肽合成量增加，导致其他金属离子也被络合，导致其他微量元素的流失，当植物体内微量元素缺乏时，植物细胞内的微量元素的离子通道会打开，与此同时，一些与Cd化学性质相似的一些二价金属离子的转运蛋白表达活性增强，那么此时重金属Cd可能会随着这些微量元素的通道和载体蛋白进入植物体内，所以上述实施例中当甘露糖的喷施浓度达到640μmol/L时小麦幼苗地上部分重金属浓度出现上升趋势。
结论：小麦幼苗越往后期生长发育代谢越旺盛，对于矿质元素和水分的需要量也达到极致，故镉的吸收也会升高，因此，需喷施高浓度的阻隔剂。考虑到经济因素和甘露糖的过量摄入可能会导致微量元素流失和重金属Cd的积累，考虑到在小麦生长发育最旺盛的时期(抽穗期、开花期、灌浆期),小麦为繁育后代，对于营养物质的吸收更多，进而对镉的吸收也会大量增加，所以甘露糖最适喷施浓度范围为40～320μmol/L。
实施例1：
本实施例采用“矮抗58”小麦种子进行盆栽试验：小麦土培盆栽实验选取南京栖霞山重金属污染土壤，土壤自然晾干后挑出秸秆和石块等杂质，将自然风干的土壤充分碾磨混合均匀，装盆准备播种。栖霞山污染农田土壤的基本理化性质为：
盆钵直径10cm，高30cm，放在直径12cm的盘中，盆钵底部包3层60目纱布，垫两层滤纸，共计24盆；每盆播种完整、大小均匀的小麦籽粒30粒，保证土壤水分充足；每盆选择健壮、长势一致的小麦苗，留苗7株；盆栽实验共设置8个处理，分别为：对照组(离子水)、腐植酸5g/L、磷酸二氢钾10mmol/L、谷胱甘肽0.2mmol/L、草酸8mmol/L、水杨酸1mmol/L、氯化钙10mmol/L、甘露糖160μmol/L，每个处理设计3个重复，在小麦生长发育后期即抽穗期、开花期和灌浆期对小麦植株进行叶面喷施处理，每株小麦喷施25mL。每天喷施一次，每个时期喷施3次，每次喷施间隔5天。
实验结果：如图2和图3所示，在小麦盆栽实验中，与对照(喷施等量的去离子水)及其他阻隔剂组相比，能显著降低小麦籽粒重金属Cd的阻隔剂为160μmol/L甘露糖，降低幅度可达33.52％。
实施例2：
本实施例采用“矮抗58”小麦种子进行大田实验：实验田为位于河南省新乡市，面积为5m*60m的重金属污染农田。大田试验地土壤的基本理化性质为：
将试验田划分为5m*11m的5个小区，每个小区的面积为55m2，每个小区之间的间隔为1m。大田实验共设置8个处理，分别为：对照组(离子水)、腐植酸5g/L、磷酸二氢钾10mmol/L、谷胱甘肽0.2mmol/L、草酸8mmol/L、水杨酸1mmol/L、氯化钙10mmol/L、甘露糖160μmol/L，每个处理5次重复。根据随机区组设计，每个处理点用标签标记，分别在小麦的抽穗期、开花期和灌浆期进行喷施处理，每个时期喷施3d，每天喷施1次，每次喷施间隔5d，在标记周围喷施10株小麦植株，每株小麦喷施阻隔剂10mL，喷施时间为每天早上6点。
实验结果：如图4所示，与对照(喷施等量的去离子水)及其他阻隔剂组相比，160μmol/L的甘露糖能够显著降低小麦籽粒中重金属Cd的含量，降低幅度为32.93％，针对性强，效果显著。结合大田实验及盆栽实验，叶面喷施160μmol/L甘露糖能够大幅度降低小麦籽粒中的重金属Cd含量，降低幅度分别为32.93％和33.52％。
进一步的，本发明对小麦植株各部位之间的转运关系进行探究：
将成熟的小麦植株分为籽粒、麦壳、旗叶、中位叶、下位叶、第一节间(靠近根系)、第二节间、第三节间8个部分，分别对小麦植株的不同部位用HNO3：HClO4＝87:13(v:v)完全消解，消解后样品用ICP-MS样品分析检测，消解过程采用国家标准物质GBW(E)100348进行质量控制，其回收率在90％以上；将测量结果利用SPSS及Origin9软件进行分析，分析阻隔剂对重金属Cd在小麦植株不同部位的转运情况的影响。
结果显示：如图5所示，在小麦植株中，160μmol/L甘露糖阻隔剂处理后小麦植株各部分之间的Cd含量表现为自下而上逐渐降低，其中下位叶中的Cd含量最高，籽粒里面的Cd含量最低。
小麦植株第一节间、第二节间、第三节间Cd含量的关系表现为第一节间＞第二节间＞第三节间，重金属Cd在茎秆中从下向上运输过程中逐渐降低，但降低效果不显著。
小麦植株叶片之间的Cd含量高低表现为下位叶＞中位叶＞旗叶。
在对照处理组(喷施等量的去离子水)，表现为下位叶Cd含量最高，但在茎秆中表现为第一节间＜第二节间＜第三节间，并且旗叶中Cd浓度较高，仅低于下位叶。
综上所述：我们可以推断，甘露糖对小麦的阻隔机制主要是抑制Cd在小麦各部分之间的转运，主要是抑制重金属Cd在旗叶和第三节间的积累，从而减少其向籽粒中转运积累，降低重金属Cd的毒性。
由此可见：
本发明提供的叶面阻隔剂对抑制小麦籽粒对重金属镉吸收及积累的针对性强，可高效、显著的阻隔小麦籽粒重金属镉吸收及转运，可以应用到中轻度镉污染土壤的小麦田，缓解重金属镉对小麦籽粒的毒害作用，在小麦生长发育旺盛时期如抽穗期、开花期、灌浆期喷施，根据大田实验和喷在实验的实验数据表明，小麦籽粒中的镉含量相比对照降低幅度可达32.93％-33.52％。
本发明提供的叶面阻隔剂甘露糖来源广泛、价格低廉，且使用方便，无需专业人员即可操作。
本发明提供的叶面阻隔剂安全性高，一方面施用次数和施用量较少，无毒副作用，不影响小麦的正常生长发育，对人体安全无毒；另一方面，采用叶面喷施方式，对土壤、地下水和空气的无污染，无公害，对环境友好。
本发明提供的抑制小麦籽粒对重金属镉吸收及转运的叶面阻隔剂的对重金属Cd的阻隔机制研究方法准确可靠，研究小麦植株各部分之间的转运机制，进一步探究阻隔剂对重金属Cd的作用机制和阻隔机理。经本发明研究方法研究表明，甘露糖抑制Cd在小麦各部分之间的转运，特别是抑制重金属Cd在旗叶和第三节间的积累，从而减少其向籽粒中转运积累，降低重金属Cd的毒性，因此对抑制小麦籽粒对重金属镉吸收及转运的针对性强。
本发明提供了甘露糖的新的应用，在以往报道中，甘露糖在控制和降低作物中的重金属方面主要是与镉结合并被吸附到细胞壁上，但是叶面喷施甘露糖以降低小麦籽粒的Cd含量未有报道，本发明采用的甘露糖用于直接喷洒于小麦叶面以降低籽粒中镉的含量，操作简单，不会对土壤造成二次污染，为小麦籽粒的镉污染问题提供了良好的解决途径，可以进行推广。

Claims (10)

1.抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂，其特征在于：该叶面阻隔剂的有效成分为甘露糖，甘露糖的浓度为40μmol/L～320μmol/L。
2.根据权利要求1所述的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂，其特征在于：该叶面阻隔剂加入表面活性成分吐温20，吐温20的浓度为0.75mL/L～1mL/L。
3.根据权利要求1所述的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂，其特征在于：所述甘露糖的浓度为160μmol/L。
4.根据权利要求1所述的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂，其特征在于：该叶面阻隔剂的溶剂为去离子水。
5.根据权利要求1-4任一项所述的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的试验方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)在镉污染土壤中播种小麦样品，将小麦样品分为实验组与对照组，实验组喷施叶面阻隔剂，对照组喷施等量的去离子水与吐温20混合液；
(2)小麦成熟后收获小麦籽粒并将小麦植株分为8个部分以上，包括籽粒、麦壳、旗叶、中位叶、下位叶、第一节间、第二节间、第三节间；
(3)将小麦样品的不同部位进行消解，使用检测仪进行镉金属含量的分析测定；
(4)对测定结果进行对照分析，得出该叶面阻隔剂对镉在小麦植株不同部位的转运情况的影响。
6.根据权利要求5所述的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的试验方法，其特征在于：所述步骤(3)中消解液为HNO3与HClO4的混合液，HNO3与HClO4的体积比为80-90:10-20。
7.抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的使用方法，其特征在于：该叶面阻隔剂喷施时期为小麦生长发育时期，采用喷雾方式将叶面阻隔剂喷施于镉污染的小麦叶片上，定期进行喷施。
8.根据权利要求7所述的抑制小麦籽粒对镉吸收及转运的叶面阻隔剂的使用方法，其特征在于：该叶面阻隔剂喷施时期为小麦抽穗期、开花期与灌浆期，每个时期喷施1d～4d，每次喷施间隔20h以上。
9.根据权利要求7所述的抑制小麦籽粒对镉吸收及积累的叶面阻隔剂的使用方法，其特征在于：该叶面阻隔剂喷施时间为早上5点～7点，喷施剂量为每株小麦10mL～30mL。
10.抑制小麦籽粒对镉吸收及积累的叶面阻隔剂在抑制植物镉转运中的应用。
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