CN113924935A - 一种促进结瘤固氮和生长的新型大豆专用纳米肥料 - Google Patents

Abstract

本发明提供纳米钼肥在促进大豆结瘤固氮和植物生长中的应用，内容包括：在土壤中施加10‑500mg/kg的纳米二硫化钼，将施用纳米二硫化钼后的土壤用于大豆的种植。本发明所制备的纳米肥料制剂对大豆根瘤的生长和固氮效率有显著的促进作用，并且该纳米肥料可以起到肥料的效果促进植物的生长。

Description

一种促进结瘤固氮和生长的新型大豆专用纳米肥料

技术领域

本发明属于纳米肥料领域，特别涉及对增强大豆固氮效率和大豆生长有良好效果的新型纳米肥料。具体涉及一种运用于大豆生产的纳米肥料制剂，包含其主要成分、制备方法及其施用方法。

背景技术

大豆是我国重要的经济作物，也是进口量最大的农作物。其蛋白和脂肪含量总和高达60％。在当前难以大幅增加大豆种植面积的背景下，利用纳米技术提高大豆产品产量和品质，对于促进大豆产业振兴具有十分重要的意义。

大豆是典型的生物固氮作物。据统计,大豆-根瘤菌共生体系每年固氮约为1.64×10⁷t,占豆科作物固氮总量的60％以上。在生产中,利用豆科作物生物固氮作用,可以在减少氮肥投入的条件下增加作物产量、提高品质、保护。而随着土壤环境恶化，抑制了根瘤菌的生长，降低了大豆的固氮效率。钼是植物中固氮酶合成的必需微量元素。固氮酶则是豆科植物生物固氮过程不可或缺的酶。钼水平的高低对植物固氮过程具有重要的影响。

纳米材料可以通过减少土壤污染和通过提高养分利用效率降低化肥和农药的投入量来提高土壤质量。例如，有学者通过设计纳米材料的结构释放植物所需的养分和农药。NMs在土壤中的应用可以通过改变微生物活性和丰度来改变氮、磷和碳循环以及大量营养元素氮和磷的生物利用度。钼基纳米材料可以固氮菌的活性和物种丰度，以提高豆科植物的固氮效率。这些策略在提高作物产量和植物营养价值的同时，为提高农业的可持续性提供了巨大的价值。

发明内容

本发明的目的在于提供纳米二硫化钼在提高大豆固氮效率，促进大豆生长中的应用，包含其主要成分、制备方法及其施用方法。

根据本发明的第一方面，提供纳米二硫化钼在提高大豆固氮效率的应用，包括：

(1)将土壤和二硫化钼纳米材料，形成土壤-二硫化钼纳米材料混合物，浓度分别为10mg/kg、100mg/kg和500mg/kg。

(2)上述土壤-二硫化钼纳米材料混合物用于大豆的种植，并接种根瘤菌。

优选情况下，所述纳米二硫化钼粒子的粒径为80-100nm，纯度＞ 99.9％。

根据本发明的第二方面，提供一种具有促进大豆固氮效率和肥料双重功效的纳米肥料制剂，由纳米二硫化钼粒子施用于土壤中，浓度为10-500mg/kg。

本发明涉及到的新型固氮肥的重要成分由纳米二硫化钼构成。

二硫化钼(MoS₂)的主要存在形式是黑色粉末或者颗粒，由单层组成，在每个单层中具有强共价Mo-S键，在相邻单层之间具有弱的范德华力。随着纳米技术的迅速发展，MoS₂由于其独特的性质已经被广泛应用于电子、能源科学和生物医学等领域。此外，MoS₂还用作吸附剂，用于去除汞蒸气和其他离子物质，例如Pb²⁺，Cd²⁺，Zn²⁺和Co²⁺。 MoS₂纳米材料也可用作吸附剂，以去除有机污染物，例如染料和抗生素。MoS₂纳米材料除了具有吸附和降解污染物的特性，在抗菌方面也有广泛应用。MoS₂纳米片具有尖锐的边缘，与细菌接触可造成的细胞膜破坏以及微生物的氧化还原过程破坏反应。另外，MoS₂纳米片的毒性低于石墨烯基纳米材料的毒性，表明MoS₂材料可以作为石墨烯的替代物。

本发明涉及到的主要成分，即二硫化钼纳米粒子，通过促进固氮效率以及为大豆生长提供钼元素，从而促进了大豆的生长。

本发明基于我国大豆供需不平衡的严峻现状，促进植物生长方面的认识，通过调整配比，发明一种新型钼肥以促进大豆固氮效率和促进大豆生长，该新型纳米钼肥制剂可以起到肥料的效果促进植物生长，同时有效提升大豆固氮效率，纳米钼肥在促进大豆生长上具有较大的可行性和巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明所采用的纳米二硫化钼的扫描电镜图像。

图2示出了实施例1在施加不同浓度的纳米钼肥制剂后，大豆的生长状况。

图3示出了实施例1施用不同浓度的纳米钼肥制剂和钼酸盐后，大豆的株高、根长、叶片净重和根部净重。

图4示出了实施例1施用不同浓度的纳米钼肥制剂和钼酸盐后，水稻叶片的相对叶绿素含量。

图5示出了实施例1施用不同浓度的纳米钼肥制剂和钼酸盐后，大豆根部叶片中MDA的含量和各种抗氧化系统酶的活性(包括SOD 酶、POD酶和CAT酶)。

图6示出了实施例1施用不同浓度的纳米钼肥制剂和钼酸盐后，大豆叶片和根部中钼的含量。

图7示出了实施例1施用不同浓度的纳米钼肥制剂和钼酸盐后，在大豆不同时期固氮酶活性，和60天时大豆结瘤状况图片。

具体实施方式

下面通过具体的实施例1详细说明本发明涉及的一种具有大豆固氮效率的纳米肥料制剂的制备及其使用方法，该实施例仅是用于更具体详细地介绍该发明，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

以下实施例中使用的试剂如广州纳诺新材料科技有限公司下:

纳米二硫化钼购自于广东纳诺材料公司(参见图1，粒径为 80-100nm，纯度＞99.9％)，实验中其他化学试剂均购自北京市化工厂。

实施例1

本实施例用于说明本发明所涉及的纳米钼肥制剂在适量浓度下对大豆并没有明显的毒理效应并可以有效促进大豆的固氮效率和生长。

实验所用的土壤来自中国农业大学北京上庄实验中心，土样晾干、过筛，将土壤与盆栽土壤混合，体积比为1：1，最终形成的土壤-二硫化钼纳米材料混合物，浓度分别为10mg/kg、100mg/kg和500mg/kg。为了对比该纳米钼肥制剂与钼酸盐的效果和毒理学效应，同时将10 mg/kg、100mg/kg和500mg/kg的钼酸盐施用于土壤中并充分混合，大豆作为此项研究的模式植物，大豆用75％酒精浸泡30s，再用灭菌蒸馏水冲洗之后，大豆在3％次氯酸钠溶液中浸泡1分钟，去离子水冲洗3遍。消毒的种子均匀的排列在铺有湿润的滤纸的培养皿中(100mm ×15mm)，用封口膜密封培养皿，将种子置于恒温培养箱中 (DRP-9052,Peiyin,China)，大豆种子于25摄氏度恒温、避光条件下萌发。10天之后，选择萌发程度相同的种子埋于0.5cm深度，所有的盆栽实验每隔一天浇一次去离子水，以保持整个实验过程中土壤保持湿润的环境。大豆埋入土壤之后，大豆的整个培养过程在中国农业大学温室中进行。在大豆生长30天后将其收获，培养结束按照以下方法测定各项指标：

大豆的表型和生理参数：使用直尺和电子天平测定株高、根长、生物量(鲜重)。植株的新鲜的地上部(0.2g)和地下部(0.2g)在磷酸缓冲液(pH＝7.8)和冰浴中均质，然后在4℃下，采用酶活性试剂盒测定CAT、SOD、POD、MDA含量。分别在532nm、405nm、550nm 和420nm处，采用日本日立U-2910酶标仪测定MDA、CAT、SOD 和POD的吸光度。叶片相对叶绿素的测定：使用手持式相对叶绿素测定仪测定了大豆叶片的相对叶绿素含量。净光合速率(Pn)，胞间CO₂浓度(Ci)，蒸腾速率(Tr)和气孔导度(gs)由开放气体交换系统(LI-CORBiosciences,Lincoln,NE)测定。固氮酶活性：通过测量根瘤的N₂固定电位来确定固氮酶活性。取新鲜的大豆根部装入100mL容积的带有胶塞的玻璃青霉素瓶中用石蜡密封，玻璃瓶中用注入10mL乙炔气体，反应2小时后，抽取2mL的气体注入收集瓶之后，在收集瓶中抽取 100微升气体作为上样气体，经计算后得出固氮酶活性。将大豆根部和叶片经液氮速冻后用冷冻干燥仪干燥36h，向100mg样品中加入 HNO₃：HF为1:2的混合溶液，在微波消解系统(MILESTONE,LabTech, Vergamo,Italy)中消化1小时。然后将消解后的酸性混合物在VB20LabTech的电板上加热到210℃进行赶酸至溶液减少到1ml。用超纯水稀释残渣，采用ICP-MS测量植物中钼元素的浓度，采用ICP-OES 测定其他营养元素浓度。

数据处理：所有实验均设置3个平行样，每种处理的数据代表平均值±标准偏差(SD)。

结果显示，与空白对比可知，在三种浓度的纳米钼肥明显地促进了大豆的生长(图2)，而钼酸盐在100mg/kg明显地抑制了大豆的生长。

纳米钼肥显著增加了大豆幼苗的地上部生物量，且呈浓度依赖性，在10，100和500mg/kg时，地上部生物量分别增加了21.8％、39.2％和43.6％(图3)。而100mg/kg钼酸盐处理的地上部生物量与空白无显著性差异，100mg/kg钼酸盐处理的地上部生物量减少了50.9％(图 3)。由此可知，纳米钼肥在广泛的浓度范围内都会促进大豆的生长，而钼酸盐超过100mg/kg时就会对植物产生抑制作用。因此，纳米钼肥在促进植物生长的效果方面和安全方面均优于钼酸盐。

100mg/kg MoS2 NPs处理的大豆幼苗的根部生物量与空白相比增加了52.7％，而钼酸盐(100mg/kg)与空白没有显著差异。在500mg/kg 条件下，MoS2 NPs显著增加了根系生物量，钼酸盐处理显著降低了根系生物量(图3)。

根瘤菌在根皮层中繁殖，刺激皮层细胞分裂，导致根组织膨大突出形成根瘤。根瘤菌能把空气中游离的氮转变为植物能利用的含氮化合物。与空白相比，在100和500mg/kgMoS2 NPs处理下，根瘤重量分别增加了61.3％和58.6％，500mg/kg时，钼酸盐处理的大豆幼苗的根瘤重量降低了47.9％(图3)。由此可知，纳米钼肥促进了大豆结瘤，而500mg/kg的钼酸盐会抑制大豆结瘤。因此，纳米钼肥在促进植物结瘤方面优于钼酸盐。

10mg/kg时，500mg/kg时钼酸盐处理的SPAD值分别降低了 28.5％。采用气体交换监测系统测定了四种材料处理后大豆的光合作用。 MoS2 NPs(10mg/kg)处理的Pn提高率为9.3％，钼酸盐(500mg/kg)处理的Pn降低了25％。500mg/kg时，钼酸盐的Ci、Tr和gs分别降低了18％和7.4％、31.4％和33.8％。

在根系中，10和100mg/kg MoS2 NPs处理分别降低了17.9％和 18.4％。而在100和500mg/kg条件下，钼酸盐的MDA含量分别提高了25.7％和41.4％，表明钼酸盐处理对细胞膜造成了损伤，而MoS2 NPs 减少了大豆幼苗根系细胞膜的脂质过氧化。500mg/kg钼酸盐对SOD 和CAT活性分别有67.7％和34.1％的促进作用，10和100mg/kg钼酸盐对SOD和CAT活性无影响(图5)。

在叶片中，钼酸盐引起了MDA含量的增加。钼酸盐各浓度(10、 100和500mg/kg)处理使CAT活性分别提高了135.7％、218.2％和 439；POD和SOD活性无明显变化。10和500mg/kg MoS2 NPs处理的 SOD活性分别降低了63.0％和65.6％(图5)。

MDA含量可反映植物氧化损伤程度。SOD、POD和CAT是抗氧化应激的重要酶，能够清除ROS，减少损伤。抗氧化酶和丙二醛含量的增加表明钼酸盐触发了植物的氧化防御，而纳米钼肥可以降低大豆幼苗中活性氧的产生，促进大豆的生长。

钼酸盐处理下，大豆地上部Mo含量分别为422.3和1653.3mg/kg。植株中高浓度的钼酸盐含量对植物产生了明显的毒害作用。在500mg /kg纳米钼肥处理下，地上部Mo含量为213.0mg/kg。由此可知，500 mg/kg的钼酸盐处理会导致大豆植株中钼含量过高，从而抑制大豆生长，而纳米钼肥由于其优异的性质，可使Mo离子的缓慢释放，智能控制了钼元素在植株中的含量(图6)。

图7A是施用钼酸钠和纳米钼肥60天后，根部根瘤生长状况的图片，从图中可知，纳米钼肥显著增加了根部根瘤的数量。在施用钼酸盐30天时，钼酸盐使大豆根部固氮酶的活性降低了15％；施用钼酸盐60天时，钼酸盐使大豆根部固氮酶的活性降低了69.8％。在施用纳米钼肥60天时，纳米钼肥使大豆根部固氮酶的活性增加122％(图7B)。因此，纳米钼肥可以促进大豆的固氮作用，效果远远优于钼酸盐。

Claims (3)

1.纳米钼肥在促进大豆固氮和生长的应用，其特征在于，包括：

(1)将10-500mg/kg的纳米二硫化钼施加在土壤中，

(2)将所述土壤用于大豆的种植。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述纳米二硫化钼的粒径为80-100nm，纯度＞99.9％。

3.一种纳米肥料制剂，其特征在于，由纳米二硫化钼施加于土壤中用于大豆的种植，最后形成的纳米肥料与土壤混合物中纳米肥料的浓度为10-500mg/kg。

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