CN109794499A

CN109794499A - 冷等离子体种子处理方法在强化植物修复镉污染土壤中的应用

Info

Publication number: CN109794499A
Application number: CN201910103618.3A
Authority: CN
Inventors: 赵玲; 滕应; 邓敏; 万京林; 戴阳
Original assignee: Nanjing Suman Plasma Technology Co ltd; Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Nanjing Suman Plasma Technology Co ltd; Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2019-05-24

Abstract

冷等离子体种子处理方法在强化植物修复镉污染土壤中的应用，该应用可以提高修复植株中Cd含量、增强修复植物对土壤Cd的富集能力，起到强化植物对土壤Cd污染修复效率的作用。冷等离子体种子处理可使修复植物龙葵、鬼针草和白三叶草在镉污染浓度为3.02 mg/kg土壤中生长收获后，地上部植株中Cd含量分别增加18.36~43.42%、3.76~9.35%和15.06~57.31%；植物对土壤Cd的富集系数分别增加0.39~5.75%、0.37~2.41%和1.06~5.40%；对土壤Cd修复效率分别提高7.95~15.56%、0.03~7.65%和0.17~8.75%。

Description

冷等离子体种子处理方法在强化植物修复镉污染土壤中的应用

技术领域

本发明属于冷等离子体种子处理方法的应用，具体涉及一种冷等离子体种子处理技术强化植物修复土壤镉的效率，拓展其在植物修复重金属污染土壤方面的新用途。

背景技术

等离子体是一种高能量的物质聚集态，其中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子、光子和自由基等活性粒子。利用等离子体处理作物种子是近几年来的一个新兴的物理农业工程技术，具有成本低、操作简单、无污染等优点。等离子体处理种子原理：利用等离子体发生器激励产生等离子体能量，改变种子内部机理，同时通过等离子体能量的刺激和臭氧的强氧化作用杀死种子表面的细菌，提高作物品种质量，增强作物抗逆能力。国内的研究证明水稻、小麦、油菜等农作物种子经过等离子体处理后，种子活力增强，促进种子萌发和作物生长，提高产量。玉米、大葱、苜蓿种子经过等离子体处理提高了田间长势，增强了作物对冻害、水分胁迫和盐胁迫的抗性。国外研究证明，低温等离子体处理可以激活种子胚内生命物质，并使种皮相对软化，加快种子萌发和出苗速度，表现出一定的增长效果，同时起到抗旱、抗寒、防病等作用。

随着工业化和城市化的推进，土壤重金属污染已成为中国普遍存在的问题，其中以镉(Cd)污染最严重。据2014年我国发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，Cd污染点位超标率为7.0％，其中Cd污染耕地约530万公顷。土壤中Cd的过量积累将导致作物对Cd的吸收量增加，并且会通过食物链进入到人体，威胁人体健康。土壤Cd污染问题已经严重影响到我国农业的健康发展和部分地区的粮食安全，因此，Cd污染土壤修复问题刻不容缓。

土壤的Cd污染治理方法主要有物理、化学和生物方法。物理方法对于大面积的污染土壤需要花费大量人力财力，并且客土换土只是转移污染物，并未彻底消除污染。化学方法通过在污染土壤中施加化学药剂以降低土壤中Cd的生物有效性，但对土壤中的Cd也没有彻底移除，土壤中Cd总量不变，且化学药剂的施用易导致土壤理化性质发生变化，减弱土壤肥力。生物方法中的植物修复，与传统的物理化学方法相比，虽然修复周期长，但是造价低，修复彻底且对土壤环境扰动小，植物收割集中处理回收重金属，可减少二次污染并兼具经济效益，更适合于大面积农田Cd污染修复。研究发现，十字花科植物天蓝遏蓝菜、龙葵(Solanumnigrum L.)、东南景天(Sedumaffredii H.)、鬼针草等可富集Cd。针对修复植物生物量低、个体矮小、生长缓慢等局限性，如何有效提高植物的生物量，提高植物的吸收、转动能力，从而提高修复效率，是植物修复技术能否得以大面积推广应用的关键。

目前研究较多的强化植物修复的技术主要有化学调控技术、植物-微生物联合修复技术、基因工程技术和农艺调控技术等。化学调控技术主要是通过添加螯合剂、表面活性剂、酸碱调节剂、有机物料等外来物质，改变重金属的赋存形态及生物有效性等，最终强化植物对重金属的吸收。植物-微生物联合修复是利用土壤—微生物—植物的共存关系，充分发挥植物与微生物修复的各自优势，弥补单一方法修复的不足，提高土壤重金属污染的植物修复效率。基因工程技术是利用基因工程改良植物，调整植物吸收、运输和富集重金属的能力及对重金属的耐受性，提高植物修复效率。农艺调控措施主要通过育种技术对超富集植物进行性能改进，通过叶面喷施营养试剂，合理水肥供应、缩短修复周期等措施，人为调控植物的生育状况，改善植物的生长发育状况，改进植物的吸收性能，从而提高植物的修复效率。上述强化技术虽然在不同程度上都能提高植物对土壤Cd的修复效率，但也存在着化学添加物引起的二次污染、转基因植物存在潜在的生态风险、微生物与植物及土壤之间适应性差等问题。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供一种冷等离子体种子处理方法在强化植物修复镉污染土壤中的应用，充分发挥等离子体种子处理的成本低、易操作、无污染、促进植物生长的优势，旨在解决修复植物对重金属Cd吸收效率低、富集和转移能力弱的问题，是一种经济性高、操作性强且环境友好的强化植物修复土壤重金属的方法。

技术方案：冷等离子体种子处理方法在同时提高修复植株中Cd含量、增强修复植物对土壤Cd的富集能力，且强化植物对土壤Cd污染修复方面的应用。

在空气氛围中，以100～500W非电离辐射处理种子60～300s。

优选方案之一，上述污染土壤Cd含量为3.02mg/kg，pH 5.21，所述修复植物为龙葵。

优选方案之二，上述污染土壤Cd含量为3.02mg/kg，pH 5.21，所述修复植物为鬼针草。

优选方案之三，上述污染土壤Cd含量为3.02mg/kg，pH 5.21，所述修复植物为白三叶草。

有益效果：在适宜的冷等离子体种子处理条件下，经过处理的龙葵在Cd污染土壤上的植株地上部Cd吸收量提高了18.36～43.42％，对土壤Cd的富集系数增加了0.39～5.75％，对土壤Cd的修复效率提高了7.95～15.56％；鬼针草植株地上部Cd吸收量提高了3.76～9.35％，对土壤Cd的富集系数增加了0.37～2.41％，对土壤Cd的修复效率提高了0.03～7.65％；白三叶草植株地上部Cd吸收量提高了15.06～57.31％，对土壤Cd的富集系数增加了1.06～5.40％，对土壤Cd的修复效率提高了0.17～8.75％。

附图说明

图1冷等离子体种子处理对不同植物修复后土壤Cd含量的影响。

图2冷等离子体种子处理对不同修复植物地上部植株中Cd含量的影响。

具体实施方式

以下给出本发明的非限定实施例。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，未注明的条件和方法等均为常规处理。本发明采用HPD-2400型次大气辉光放电处理机。

实施例1

将龙葵种子进行冷等离子体处理。首先将种子置于冷等离子体种子处理机内，在分别在100、300、500W的处理功率下对种子进行60s非电离辐射处理，同时，对500w处理功率下的种子进行300s的非电离辐射处理；处理介质为空气，在真空度2000pa环境中进行。将经过处理的种子一周内进行盆栽试验，并以未等离子体处理的种子作为对照处理。盆栽实验区域设在中国科学院南京土壤研究所的温室，本次盆栽实验土壤采自安徽省铜陵市某受镉污染农田土壤。镉污染农田土壤的基本理化性质为pH 5.21，有机质含量23.81g/kg，全氮、全磷和全钾分别含量为0.89、0.28和11.8g/kg，Cd的全量为3.02mg/kg。称取1kg污染土壤，加入0.2g尿素，0.40g过磷酸钙，0.22g硫酸钾作为底肥，拌匀。浇入足量的去离子水，充分润湿土壤，稳定3天。挑选籽粒饱满，大小均一的龙葵种子播种到稳定好的污染土中，每天补充1次水分，每个处理3个平行。待龙葵苗出齐后，定苗到每盆10颗，生长60天成熟后收割地上部龙葵样品和根际土壤进行Cd含量分析。

从处理结果可以看出，与未经冷等离子体种子处理的对照(CK)相比，100W和300W处理60s后的龙葵根部和植株地上部Cd含量显著提高，即龙葵对土壤Cd的富集能力得到了提升，从而增强了龙葵对土壤Cd的修复效率(表1)。处理功率为500W处理60s的龙葵，虽然地上部生物量有所增加，但龙葵的富集系数变化不明显。而500W处理300s的龙葵在生物量、植株中Cd含量以及吸收效率各方面都低于CK处理的。从土壤Cd的修复效率来看，300W处理60s的龙葵修复效果最好，比对照提高了15.56％；其次是100W和500W处理60s的龙葵对土壤Cd的修复效果较好，分别比对照提高了7.95％和10.26％。而500W处理300s的龙葵对土壤Cd的修复效率却低于CK处理的，比对照降低了2.39％，表明冷等离子体种子处理不都能起到强化植物修复能力的作用，冷等离子体种子处理条件的不适宜也造成修复植物对土壤Cd吸收能力的下降。相比于CK处理，过高的处理功率(500W)和过长的处理时间(300s)反而降低了龙葵对Cd的吸收量，从而降低其对土壤Cd的修复效率。因此，冷等离子体种子处理强化龙葵修复土壤Cd的适宜处理功率为100W和300W；适宜处理时长为60s。

表1冷等离子体种子处理对龙葵地上部生物量、Cd含量和修复效率的影响

实施例2

将鬼针草种子进行冷等离子体处理。首先将种子置于冷等离子体种子处理机内，在分别在100、300、500W的处理功率下对种子进行60s非电离辐射处理，同时，对500w处理功率下的种子进行300s的非电离辐射处理；处理介质为空气，在真空度2000pa环境中进行。将经过处理的种子一周内进行盆栽试验，并以未等离子体处理的种子作为对照处理。盆栽实验区域，试验用土和盆栽管理措施同于实施例1。

与未经冷等离子体处理的对照(CK)处理相比，经不同处理条件下的冷等离子体种子处理的鬼针草虽然植株中Cd含量提高的不显著(表2)，但适宜的冷等离子体处理功率显著提高了鬼针草对土壤Cd的富集系数，如100W和300W处理60s的鬼针草对土壤Cd的富集能力得到了显著地提高。相比于CK处理，100W和300W处理60s的鬼针草对土壤Cd的效率也得到了明显地提升，分别提高了7.65％和5.66％。而经500W处理300s的鬼针草对土壤Cd修复效率低于CK处理的，比对照降低了1.29％。因此，冷等离子体种子处理强化鬼针草修复土壤Cd的适宜处理功率300W；适宜处理时长为60s。

表2冷等离子体种子处理对鬼针草地上部生物量、Cd含量和修复效率的影响

实施例3

将白三叶草种子进行冷等离子体处理。首先将种子置于冷等离子体种子处理机内，在分别在100、300、500W的处理功率下对种子进行60s非电离辐射处理，同时，对500w处理功率下的种子进行300s的非电离辐射处理；处理介质为空气，在真空度2000pa环境中进行。将经过处理的种子一周内进行盆栽试验，并以未等离子体处理的种子作为对照处理。盆栽实验区域，试验用土和盆栽管理措施同于实施例1。

与未经冷等离子体种子处理的对照(CK)相比，100W处理60s后的白三叶草，其植株地上部Cd含量，对土壤Cd的富集能力和转移能力都得到了显著提升，从而也显著地提高了白三叶草对土壤Cd的修复效率；其次是500W处理60s的白三叶草；而其他处理功率和处理时长的冷等离子体种子处理没有起到强化效果(表3)。从土壤Cd的修复效率来看，100W处理60s的白三叶草修复效果最好，比对照提高了8.75％；其次是500W处理60s的白三叶草对土壤Cd的修复效果较好，土壤Cd的修复效率比对照提高了5.36％。其他处理功率或处理时长的冷等离子体种子处理没有提高白三叶草对土壤Cd的修复效率。因此，冷等离子体种子处理强化白三叶草修复土壤Cd的适宜处理功率100W；适宜处理时长为60s。

表3冷等离子体种子处理对白三叶草草地上部生物量、Cd含量和修复效率的影响

Claims

1.冷等离子体种子处理方法在同时提高修复植株中Cd含量、增强修复植物对土壤Cd的富集能力，且强化植物对土壤Cd污染修复方面的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于在空气氛围中，以100~500W非电离辐射处理种子 60~300s。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述污染土壤Cd含量为3.02mg/kg，pH5.21，所述修复植物为龙葵。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述污染土壤Cd含量为3.02mg/kg，pH5.21，所述修复植物为鬼针草。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述污染土壤Cd含量为3.02mg/kg，pH5.21，所述修复植物为白三叶草。