CN108776179A - 一种评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，是通过改变NO3 ‑的伴随离子，得到不同的伴随离子存在下石菖蒲对NO3 ‑吸收的离子消耗曲线方程，计算不同的伴随离子存在下石菖蒲的吸收动力学参数Imax和Km。本发明通过研究不同的伴随离子存在下石菖蒲的吸收动力学参数，从而根据水体离子成分，更加正确地选用植物，扩大石菖蒲养分适应范围。同时，本发明还用来指导石菖蒲在含有不同成分的富营养化水体中科学应用，使石菖蒲能在富营养化水体NO3 ‑去除的各个阶段都能发挥最大的作用。也可以通过人为的方法改变伴随离子的成分，增强植物吸收污染物的能力。
Description
技术领域
本发明属于植物水体修复领域，更具体地，涉及一种评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法。
背景技术
水体氮、磷等营养物质含量过多所引起的水质污染，即水体富营养化现象。水体富营养化已成为全球性的水环境问题。近年来利用植物生态系统净化营养化水体己成为构建和恢复水生态系统的关键技术。水生植物可以吸收利用富营养化水体中铵态氮和硝态氮，用于自身生理代谢，降低富营养化水体中的氮营养含量，从而起到净化水体的目的。植物去除水体中过多的营养盐是一种低成本、易操作、有效的植物修复方法。
石菖蒲(Acorus tatarinowii Scho)是天南星科，菖蒲属，禾草状多年生常绿草本植物，耐水湿，干燥的根茎能够入药。石菖蒲运用到水体修复中，具有较好的效果，在水体的富营养化防治中具有广阔的应用前景。
植物根系离子吸收动力学是研究植物养分元素吸收特性和吸收速率十分重要方法。可用来评价植物对环境养分状况的适应性、鉴定并筛选高效吸收营养元素的植物品种提供了有利的手段。根系吸收营养离子的动力学特性主要是通过吸收动力学参数来描述。吸收动力学参数主要包括最大吸收速率I max和米氏常数Km。Imax表示吸收所能达到的最大速率，值越大，表示吸收的潜力愈大；Km是吸收速率为最大吸收速率的一半时外界离子浓度，1/Km表征吸收系统的亲和力，Km值小，说明根系吸收系统对该离子的亲和能力大。
Cacco等提出了用Imax和Km值评价植物对环境养分状态的适应性理论：(1)具有高Imax和低Km值的植物能适应广范的养分条件；(2)具有高Imax和高Km值的植物最能适应高水平的养分条件；(3)具有低Imax和低Km值的植物最能适应低水平的养分条件；(4)而具有低Imax和高Km值的植物在任何养分浓度条件下都是不利的。
不同污染源的富营养化水体和不同的修复阶段水体中离子含量不同，要达到最佳的修复效果，需要合理评价植物都离子的吸收动力学特征。然而目前研究植物对离子的动力学参数，并没有考虑到伴随离子的作用。因为不同污染水体，离子成分不同。如果不考虑伴随离子，按照动力学参数应用植物就会比较片面，造成应用不当。
发明内容
本发明的目的是克服以上不足，提供一种评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，通过研究不同的伴随离子存在下植物的吸收动力学参数，可以根据水体离子成分，更加正确地选用植物，同时，也可以通过人为的方法改变伴随离子的成分，增强植物吸收污染物的能力。
为了实现上述目的，本发明提供一种评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，是通过改变NO3 -的伴随离子，得到不同的伴随离子存在下石菖蒲对NO3 -吸收的离子消耗曲线方程，计算不同的伴随离子存在下石菖蒲的吸收动力学参数Imax和Km，计算方法如下：
(1)离子消耗曲线方程：Y＝a+bX+cX2 (1)
式中，X为吸收时间，Y为离子浓度；
(2)对(1)方程求一阶导数得浓度变化速率方程：Y′＝b+2cX (2)
方程(2)中当X→0(X趋近于0)，求得Y′＝b，根据吸收液体积和根重，利用公式Imax＝b×V/干重，求得单位根重的最大吸收速率Imax；当Y′＝1/2b时，用方程(2)求出X，再将求出的X值带回到方程(1)求出Y，得到的Y值即为Km值。
上述离子消耗曲线方程是通过以下步骤获得的：
1)选择若干株高一致、生长情况良好，无病虫害的石菖蒲放入1/2Hoagland营养液中培养1个月，1/2Hoagland营养液的pH为5.8；
2)将步骤1)培养的石菖蒲取出，用去离子水冲洗根部；
3)将步骤2)处理的石菖蒲，转入CaSO4溶液中进行预培养，使其处于饥饿状态；
4)将步骤3)饥饿处理的石菖蒲移入含有吸收液的容器，所述吸收液的成分为CaSO4和硝酸盐；
5)在不同时间段从上述容器中吸取10ml吸收液，取样后加10mL蒸馏水；
6)测步骤5)取出的吸收液中NO3 -的含量；
7)吸收实验结束后将根部剪下、洗净，65-80℃下烘至恒重，然后称重；
8)根据步骤6)测得吸收液中NO3 -浓度与吸收时间，绘制离子消耗曲线方程。
上述步骤2)中所述的CaSO4溶液浓度为0.1-0.3mmol/L，预培养时间为40-50h。
上述步骤4)所述吸收液中含NO3 -的盐伴随离子分别为Na+、NH4 +或K+，吸收液中CaSO4的浓度为0.1-0.3mmol/L，硝酸盐的浓度为0.8-1.2mmol/L。
上述步骤5)中所述的不同时间段为0、1、2、3、5、7、9h。
本发明所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
1)选择若干株高一致、生长情况良好，无病虫害的石菖蒲放入1/2Hoagland营养液中培养1个月，1/2Hoagland营养液的pH为5.8；
2)将步骤1)培养的石菖蒲取出，用去离子水冲洗根部；
3)将步骤2)处理的石菖蒲，转入CaSO4溶液中进行预培养，使其处于饥饿状态；
4)将步骤3)饥饿处理的石菖蒲移入含有1.5L的吸收液的容器，所述吸收液的成分为CaSO4和硝酸盐；
5)在不同时间段从上述容器中吸取10ml吸收液，取样后加10mL蒸馏水；
6)测步骤5)取出的吸收液中NO3 -的含量；
7)吸收过程结束后将根部剪下、洗净，65-80℃下烘至恒重，然后称重；
8)根据步骤6)测得吸收液中NO3 -浓度与吸收时间，绘制离子消耗曲线方程；
9)对步骤8)中所得方程求一阶导数得浓度变化速率方程：Y′＝b+2cX，浓度变化速率方程中当X→0，求得Y′＝b，根据吸收液体积和根重，利用公式Imax＝b×V/干重，求得单位根重的最大吸收速率Imax；当Y′＝1/2b时，用浓度变化速率方程求出X，再将求出的X值带回到离子消耗曲线方程求出Y，得到的Y值即为Km值。
计算所得Imax值越大则植物对某种离子的吸收潜力越大，Km值(即达到最大吸收速率Imax一半时介质的浓度)越小，则说明植物对某种离子的亲和能力越大。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过改变NO3 -的伴随离子，而改变石菖蒲对NO3 -吸收速率Imax和米氏常数Km，研究不同的伴随离子存在下石菖蒲的吸收动力学参数，从而根据水体离子成分，更加正确地选用植物，扩大石菖蒲养分适应范围。同时，本发明还用来指导石菖蒲在含有不同成分的富营养化水体中科学应用。石菖蒲在富营养化水体修复时，也可以与其他吸收阳离子强的植物配置，通过调节阳离子的含量，使石菖蒲能在富营养化水体NO3 -去除的各个阶段都能发挥最大的作用。本发明能够科学评价石菖蒲对NO3 -的吸收动力学特征，改变传统方法对石菖蒲吸收NO3 -动力学特征片面评价。
附图说明
图1为石菖蒲在不同吸收液中NO3 -的浓度随吸收时间变化关系图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
实施例1
1)选择若干株高一致、生长情况良好，无病虫害的石菖蒲放入1/2Hoagland营养液(pH 5.8)中培养1个月。
2)将步骤1)培养的石菖蒲取出，用去离子水冲洗根部。
3)将步骤2)处理的石菖蒲，转入0.2mmol/L的CaSO4溶液中，预培养48h，使其达到饥饿状态。
4)将步骤3)饥饿处理的石菖蒲移入含有1.5L的吸收液的黑色塑料桶。吸收液的成分为1mmol/L NaNO3+0.2mmol/L CaSO4，每个吸收实验重复3次。
5)在0、1、2、3、5、7、9h，从塑料桶中吸取10ml吸收液，取样后加10mL蒸馏水。
6)测步骤5)取出的吸收液中NO3 -的含量。
7)吸收实验结束后将根部剪下、洗净，70℃下烘至恒重，然后称重。
8)根据步骤7)测得吸收液中NO3 -浓度与吸收时间，绘制离子消耗曲线方程。
本实施例所得离子消耗曲线方程为：Y＝1.0283+0.0072X-0.0041X2；Y＝1.0335+0.0142X-0.0038X2；Y＝1.031+0.007X-0.0038X2；所得NO3 -的最大速率Imax为4.78±1.05μmol·g-1干重·h-1，亲和力常数Km为1.02±0.003mmol/L。
实施例2
1)选择株高一致、生长情况良好，无病虫害的石菖蒲放入1/2Hoagland营养液(pH5.8)中培养1个月。
2)将步骤1)培养的石菖蒲取出，用去离子水冲洗根部。
3)将步骤2)处理的石菖蒲，转入0.2mmol/L的CaSO4溶液中，预培养48h，使其达到饥饿状态。
4)将步骤3)饥饿处理的石菖蒲移入含有1.5L的吸收液的黑色塑料桶。吸收液的成分是1mmol/L NH4NO3+0.2mmol/L CaSO4，每个吸收实验重复3次。
5)在0、1、2、3、5、7、9h，从塑料桶中吸取10ml吸收液，取样后加10mL蒸馏水。
6)测步骤5)取出的吸收液中NO3 -的含量。
7)吸收实验结束后将根部剪下、洗净，70℃下烘至恒重，然后称重。
8)根据步骤7)测得吸收液中NO3 -浓度与吸收时间，绘制离子消耗曲线方程。
本实施例所得离子消耗曲线方程为：Y＝1.2261+0.027X+0.0004X2；Y＝1.2285+0.0209X+0.0002X2；Y＝1.23+0.0235X+0.0004X2，所得NO3 -的最大速率Imax为12.28±1.64μmol·g-1干重·h-1，亲和力常数Km为1.79±0.07mmol/L。
实施例3
1)选择株高一致、生长情况良好，无病虫害的石菖蒲放入1/2Hoagland营养液(pH5.8)中培养1个月。
2)将步骤1)培养的石菖蒲取出，用去离子水冲洗根部。
3)将步骤2)处理的石菖蒲，转入0.2mmol/L的CaSO4溶液中，预培养48h，使其达到饥饿状态。
4)将步骤3)饥饿处理的石菖蒲移入含有1.5L的吸收液的黑色塑料桶。吸收液的成分是1mmol/L KNO3+0.2mmol/L CaSO4，每个吸收实验重复3次。
5)在0、1、2、3、5、7、9h，从塑料桶中吸取10ml吸收液，取样后加10mL蒸馏水。
6)测步骤5)取出的吸收液中NO3 -的含量。
7)吸收实验结束后将根部剪下、洗净，70℃下烘至恒重，然后称重。
8)根据步骤7)测得吸收液中NO3 -浓度与吸收时间，绘制离子消耗曲线方程。
本实施例所得离子消耗曲线方程为：Y＝1.2734+0.0744X+0.001X2；Y＝1.2968+0.0742X+0.0014X2；Y＝1.2969+0.0835X+0.0025X2，所得NO3 -的最大速率Imax为35.70±2.59μmol·g-1干重·h-1，亲和力常数Km为2.57±0.24mmol/L。
在上述实施例中的石菖蒲在不同吸收液中NO3 -的浓度随吸收时间变化关系见图1，石菖蒲吸收NO3 -的动力学参数见表1。
表1石菖蒲吸收NO3 -的动力学参数
注：同一列中不同NO3 -吸收动力学参数的多重比较采用新复极差测验，不同小写字母表示在p＜0.05差异显著。
Claims (8)
1.一种评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于该方法是通过改变NO3 -的伴随离子，得到不同的伴随离子存在下石菖蒲对NO3 -吸收的离子消耗曲线方程，计算不同的伴随离子存在下石菖蒲的吸收动力学参数Imax和Km，计算方法如下：
(1)离子消耗曲线方程：Y＝a+bX+cX2 (1)
式中，X为吸收时间，Y为离子浓度；
(2)对(1)方程求一阶导数得浓度变化速率方程：Y′＝b+2cX (2)
方程(2)中当X→0，求得Y′＝b，根据吸收液体积和根重，利用公式Imax＝b×V/干重，求得单位根重的最大吸收速率Imax；当Y′＝1/2b时，用方程(2)求出X，再将求出的X值带回到方程(1)求出Y，得到的Y值即为Km值。
2.根据权利要求1所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于所述离子消耗曲线方程是通过以下步骤获得的：
1)选择若干株高一致、生长情况良好，无病虫害的石菖蒲放入1/2Hoagland营养液中培养1个月，营养液的pH为5.8；
2)将步骤1)培养的石菖蒲取出，用去离子水冲洗根部；
3)将步骤2)处理的石菖蒲，转入CaSO4溶液中进行预培养，使其处于饥饿状态；
4)将步骤3)饥饿处理的石菖蒲移入含有1.5L的吸收液的遮光容器，所述吸收液的成分为CaSO4和硝酸盐；
5)在不同时间段从上述容器中吸取10ml吸收液，取样后加10mL蒸馏水；
6)测步骤5)取出的吸收液中NO3 -的含量；
7)吸收过程结束后将根部剪下、洗净，65-80℃下烘至恒重，然后称重；
8)根据步骤6)测得吸收液中NO3 -浓度与吸收时间，绘制离子消耗曲线方程。
3.根据权利要求2所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于步骤3)中所述的CaSO4溶液浓度为0.1-0.3mmol/L，预培养时间为40-50h。
4.根据权利要求2所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于步骤4)所述吸收液中含NO3 -的盐伴随离子分别为Na+、NH4 +或K+。
5.根据权利要求2所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于步骤4)所述吸收液中CaSO4的浓度为0.1-0.3mmol/L。
6.根据权利要求2所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于所述吸收液中硝酸盐的浓度为0.8-1.2mmol/L。
7.根据权利要求2所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于步骤5)中所述的不同时间段为0、1、2、3、5、7、9h。
8.根据权利要求1-7中任意一条权利要求所述的评价石菖蒲吸收硝酸根离子动力学的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
1)选择若干株高一致、生长情况良好，无病虫害的石菖蒲放入1/2Hoagland营养液中培养1个月，Hoagland营养液的pH为5.8；
2)将步骤1)培养的石菖蒲取出，用去离子水冲洗根部；
3)将步骤2)处理的石菖蒲，转入CaSO4溶液中进行预培养，使其处于饥饿状态；
4)将步骤3)饥饿处理的石菖蒲移入含有1.5L的吸收液的容器，所述吸收液的成分为CaSO4和硝酸盐；
5)在不同时间段从上述容器中吸取10ml吸收液，取样后加10mL蒸馏水；
6)测步骤5)取出的吸收液中NO3 -的含量；
7)吸收过程结束后将根部剪下、洗净，65-80℃下烘至恒重，然后称重；
8)根据步骤6)测得吸收液中NO3 -浓度与吸收时间，绘制离子消耗曲线方程；
9)对步骤8)中所得方程求一阶导数得浓度变化速率方程：Y′＝b+2cX，浓度变化速率方程中当X→0，求得Y′＝b，根据吸收液体积和根重，利用公式Imax＝b×V/干重，求得单位根重的最大吸收速率Imax；当Y′＝1/2b时，用浓度变化速率方程求出X，再将求出的X值带回到离子消耗曲线方程求出Y，得到的Y值即为Km值。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112903789A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-06-04 | 北京农业智能装备技术研究中心 | 基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统 |
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| US20050124758A1 (en) * | 2002-04-25 | 2005-06-09 | Sud-Chemie, Inc. | Absorbent polymeric material |
| CN104007162A (zh) * | 2014-05-04 | 2014-08-27 | 江苏大学 | 一种测量植物根毛细胞膜电位的方法 |
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| CN105675856A (zh) * | 2016-02-19 | 2016-06-15 | 中国农业科学院棉花研究所 | 一种测定棉花钾离子吸收动力学的方法 |
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2018
- 2018-06-11 CN CN201810594132.XA patent/CN108776179A/zh active Pending
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