CN110235896A

CN110235896A - 一种抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂及其使用方法、研究方法和应用

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Publication number: CN110235896A
Application number: CN201810184414.2A
Authority: CN
Inventors: 陈亚华; 杨洋; 郑翔; 夏胜兰; 沈振国; 李芳柏; 杜臻杰
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: CN110235896B

Abstract

本发明提供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、转运的阻隔剂，其有效成分为EDTA‑2Na。本发明还提供了该叶面阻隔剂的使用方法，在小麦生长发育旺盛时期喷施于镉污染的小麦叶片上，可高效、显著的阻隔小麦籽粒重金属镉吸收、转运，施用次数和施用量少，无毒副作用，不影响小麦的正常生长发育，对人体安全无毒，并能够有效抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运，减少小麦籽粒中镉的积累。本发明还提供了叶面阻隔剂的对重金属Cd的阻隔机制研究方法，和EDTA‑2Na的新应用，为小麦籽粒的镉污染问题提供了良好的解决途径。

Description

一种抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂及其使用方法、研究方法和应用

技术领域

本发明属于环境污染治理技术领域，一种抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂及其使用方法、研究方法和应用。

背景技术

镉(Cd)是生物毒性极强的重金属元素，在环境中的化学活性较强，毒性持久，容易通过农作物途径进入人体造成危害。近年来，土壤重金属镉(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，大多是通过修复重金属污染土壤来控制作物中的重金属，重金属污染土壤修复方法包括工程法、客土法、淋溶法、固化法和植物修复技术等，但是工程法存在建设费用高，费效比低的问题；客土法操作复杂，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；植物修复法一般来说是比较安全绿色的修复方法，然而大部分重金属超富集植物具有生物量小、生长缓慢、生长环境特殊、去除重金属周期长和富集重金属单一等特征，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。

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。

表1土壤、小麦重金属污染评价标准

Table 1 The standards for appraisal of soil and wheat heavy metalpollution

从已发表的报道来看，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

本发明提供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、转运的阻隔剂。EDTA-2Na在控制和降低作物中的重金属方面主要是添加到土壤中作为一种螯合剂，但是叶面喷施EDTA-2Na以降低小麦籽粒的Cd含量未有报道。

本发明的第一个目的是提供一种抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂，所述叶面阻隔剂的有效成分为EDTA-2Na。

进一步的，使用时将所述叶面阻隔剂有效成分溶于水中，配制成有效成分浓度为0.8mmol/L～3.0mmol/L的溶液。

进一步的，使用时将所述叶面阻隔剂有效成分溶于水中，配制成有效成分浓度为2.0mmol/L的溶液。

进一步的，所述水为去离子水。

本发明的第二个目的是提供一种抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂的使用方法，所述叶面阻隔剂喷施时期为小麦生长发育旺盛时期，每次喷施使用前将叶面阻隔剂配制成0.8mmol/L～3.0mmol/L的溶液,采用喷雾形式将配制好的叶面阻隔剂溶液喷施于镉污染的小麦叶片上，每株小麦喷施8～25ml。

进一步的，所述小麦生长发育旺盛时期为抽穗期、开花期和灌浆期，此三个时期为小麦籽粒形成时期，且越往后期生长发育越旺盛，小麦植株为了繁育后代，对于矿质元素和水分的需要量也达到极致，故镉的吸收也达到最强，此时喷施叶面控制剂，可充分利用Cd的吸附迁移竞争性阳离子与Cd²⁺的拮抗效应，阻遏作物对Cd的吸收及Cd向籽粒的转运，从而大大降低籽粒中重金属Cd的含量。在所述的每个时期处理1～4天，每天喷施1次，每次喷施至少间隔1天。

进一步的，小麦抽穗期叶面阻隔剂的喷施浓度为0.8mmol/L～2.0mmol/L；小麦开花期叶面阻隔剂的喷施浓度为1.4mmol/L～2.6mmol/L；小麦灌浆期叶面阻隔剂的喷施浓度为1.8mmol/L～3.0mmol/L。

进一步的，所述叶面阻隔剂每次喷施时间为早上5点～7点，避免强烈的蒸腾作用，从而降低阻隔剂的阻隔效果。

本发明的第三个目的是提供一种抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂的对重金属Cd的阻隔机制研究方法，包括以下步骤：

S1：重金属Cd污染土壤中播种小麦样品，所述小麦样品分为实验组和对照组，实验组按照上述的使用方法喷施叶面阻隔剂，对照组喷施等量的去离子水；

S2：小麦成熟后收获小麦籽粒并将小麦植株分为8个部分，即籽粒、麦壳、旗叶、中位叶、下位叶、第一节间、第二节间、第三节间；

S3：分别将小麦样品的不同部位用HNO₃：HClO₄＝87:13(v:v)完全消解，其消解后样品用ICP-OES检测仪进行分析测定，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。

S4：将测量结果利用SPSS及GraphPad软件进行分析，得出叶面阻隔剂对重金属Cd在小麦植株不同部位的转运情况的影响，测量结果真实可靠。

本发明的第四个目的是提供EDTA-2Na在抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂中的应用。

本发明的有益效果在于：

1、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、转运的针对性强，可高效、显著的阻隔小麦籽粒重金属镉吸收、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50.2～52.8％。

2、本发明提供的叶面阻隔剂EDTA-2Na来源广泛、价格低廉，且使用方便，无需专业人员即可操作。

3、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。

4、本发明提供的抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、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，Cd在小麦体内的转运依赖于离子通道的被动运输系统和依赖于载体蛋白的主动运输系统。EDTA-2Na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、转运的针对性强。

5、本发明提供了EDTA-2Na的新的应用，在以往报道中，EDTA-2Na在控制和降低作物中的重金属方面主要是添加到土壤中作为一种螯合剂，但是叶面喷施EDTA-2Na以降低小麦籽粒的Cd含量未有报道，本发明采用的EDTA-2Na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。

附图说明

图1为实施例1大田实验小麦籽粒中重金属Cd的含量对比图；

图2为实施例2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3盆栽实验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3盆栽实验EDTA-2Na处理小麦植株各部位中重金属Cd的含量对比图；

图5为实施例4不同浓度EDTA-2Na处理下小麦籽粒Cd含量对比图；

图6为实施例4小麦抽穗期不同浓度EDTA-2Na处理下小麦籽粒Cd含量对比图；

图7为实施例4小麦开花期不同浓度EDTA-2Na处理下小麦籽粒Cd含量对比图；

图8为实施例4小麦灌浆期不同浓度EDTA-2Na处理下小麦籽粒Cd含量对比图。

具体实施方式

实施例1：大田实验

实验材料：矮抗58(河南地方品种)

实验设计：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，将其划分为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。实验田的基本理化性质表2所示，实验共设置8个处理，分别为：对照组(去离子水)、氯化镧5mmol/L、硝普钠5umol/L、EDTA-2Na 2mmol/L、L-半胱氨酸1mmol/L、硼酸5mmol/L、硫酸亚铁10mmol/L、叶面肥稀释100倍，试验田划分为5个小区，每个小区之间的间隔为1m，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3天，每天喷施1次，每次喷施间隔5天，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。

表2实验田土壤中金属元素含量

Table 2 The contents of metal elements in soils of experimentalfields

实验结果：

结论：与对照(喷施等量的去离子水)及其他阻隔剂组相比，2mmol/L的EDTA-2Na能够显著降低小麦籽粒中重金属Cd的含量，降低幅度为50.2％，针对性强，效果显著。

实施例2：盆栽实验

实验材料：矮抗58

实验设计：

1、土壤处理：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如表3所示。

2、土柱准备：土柱直径10cm,高30cm，放在直径12cm的盆中，土柱底部包3层60目纱布，垫两层滤纸，共计54盆。

3、小麦播种：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。

4、间苗定苗：每盆选择健壮、长势一致的小麦苗，留苗3株。

5、实验处理：盆栽实验共设置18个处理，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10ml。每天喷施一次，每个时期喷施3次，每次喷施间隔5天。

表3实验田土壤中金属元素含量

Table 3 The contents of metal elements in soils of experimentalfields

实验结果：

小结：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2mmol/L EDTA-2Na，降低幅度可达52.8％。

结合大田实验及盆栽实验，叶面喷施2mmol/L EDTA-2Na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50.2％和50.8％。

实施例3：小麦盆栽实验分部位消煮及样品重金属Cd含量分析

实验设计：为了进一步探究小麦植株各部位之间的转运关系，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-OES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GraphPad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。

讨论与分析：

(1)如上图所示，在小麦植株中，2mmol/L EDTA-2Na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。

(2)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，及重金属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。

(3)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。

(4)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，Cd在小麦体内的转运离不开依赖于离子通道的被动运输系统和依赖于载体蛋白的主动运输系统。EDTA-2Na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。

实施例4 EDTA-2Na使用浓度的研究

实验田为位于河南省新乡市，分别采用不同浓度的EDTA-2Na处理小麦，以及单独抽穗期、开花期、灌浆期的小麦，每个时期喷施2天，每天喷施1次，每次喷施间隔3天，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9组：1个对照组(去离子水)和8个不同浓度的施药组(EDTA-2Na)：0.8mmol/L、1.4mmol/L、1.8mmol/L、2.0mmol/L、2.2mmol/L、2.6mmol/L、3.0mmol/L、5mmol/L，考察各时期的喷施浓度对降低小麦籽粒中的重金属Cd含量效果的影响。

实验结果：

本发明提供的叶面阻隔剂在0.8mmol/L～3.0mmol/L的喷施浓度范围内，均可有效降低小麦籽粒中镉的含量，当EDTA-2Na的喷施浓度达到5mmol/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EDTA-2Na浓度过高时会络合其他金属离子，导致微量元素的流失，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EDTA-2Na的喷施浓度达到5mmol/L时小麦籽粒重金属浓度出现上升趋势。

结论：抽穗期、开花期、灌浆期三个时期相比生物量较大，且越往后期生长发育越旺盛，小麦植株为了繁育后代，对于矿质元素和水分的需要量也达到极致，故镉的吸收也达到最强，因此，此时需喷施高浓度的阻隔剂。考虑到经济因素和EDTA-2Na的过量摄入可能会导致微量元素的流失和重金属Cd的积累，所以EDTA-2Na最适喷施浓度范围为0.8mmol/L～3.0mmol/L其中，抽穗期的最适喷施浓度范围为0.8mmol/L～2.2mmol/L，开花期的最适喷施浓度范围为1.4mmol/L～2.6mmol/L、灌浆期的最适喷施浓度范围为1.8mmol/L～3.0mmol/L。

Claims

1.一种抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂，其特征在于：所述叶面阻隔剂的有效成分为EDTA-2Na。

2.根据权利要求1所述的抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂，其特征在于，使用时将所述叶面阻隔剂有效成分溶于水中，配制成有效成分浓度为0.8mmol/L～3.0mmol/L的溶液。

3.根据权利要求1所述的抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂，其特征在于，使用时将所述叶面阻隔剂有效成分溶于水中，配制成有效成分浓度为2.0mmol/L的溶液。

4.根据权利要求2或3所述的抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂，其特征在于，所述水为去离子水。

5.权利要求1至4任一项所述的抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂的使用方法，其特征在于，所述叶面阻隔剂喷施时期为小麦生长发育旺盛时期，每次喷施使用前将叶面阻隔剂配制成0.8mmol/L～3.0mmol/L的溶液,采用喷雾形式将配制好的叶面阻隔剂溶液喷施于镉污染的小麦叶片上，每株小麦喷施8～25ml。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，所述小麦生长发育旺盛时期为抽穗期、开花期、灌浆期，每个时期处理1～4天，每天喷施1次，每次喷施至少间隔1天。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，小麦抽穗期叶面阻隔剂的喷施浓度为0.8mmol/L～2.2mmol/L；小麦开花期叶面阻隔剂的喷施浓度为1.4mmol/L～2.6mmol/L；小麦灌浆期叶面阻隔剂的喷施浓度为1.8mmol/L～3.0mmol/L。

8.根据权利要求5至7任一项所述的使用方法，其特征在于，所述叶面阻隔剂每次喷施时间为早上5点～7点。

9.权利要求1至4任一项所述的抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂的对重金属Cd的阻隔机制研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：重金属Cd污染土壤中播种小麦样品，所述小麦样品分为实验组和对照组，实验组按照权利要求5至8任一项的使用方法喷施叶面阻隔剂，对照组喷施等量的去离子水；

S3：分别将小麦样品的不同部位用HNO₃：HClO₄＝87:13(v；v)完全消解，其消解后样品用ICP-OES检测仪进行分析测定，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；

S4：将测量结果利用SPSS及GraphPad软件进行分析，得出叶面阻隔剂对重金属Cd在小麦植株不同部位的转运情况的影响。

10.EDTA-2Na在抑制小麦籽粒对重金属镉吸收、转运的叶面阻隔剂中的应用。