CN115365291A - 一种用于提高植物对镉富集能力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土壤修复领域，特别是涉及一种用于提高植物对镉富集能力的方法。本发明提供了一种用于提高植物对镉富集能力的方法，将植物幼苗浸泡锰溶液后种植。采用本发明所述方法能够提高植物对金属镉的富集能力的同时，还能提高植物的生长量。

Description

一种用于提高植物对镉富集能力的方法
技术领域
本发明涉及土壤修复领域，特别是涉及一种用于提高植物对镉富集能力的方法。
背景技术
植物修复技术是利用可富集重金属的植物吸收、积累环境中的污染物，并降低其毒害的环保生物技术。它具有传统环境修复技术所不具备的优点，表现为治理效果的永久性、治理过程的原位性(对土壤环境扰动小)、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性等。现有很多强化富集植物吸收、积累环境中污染物的方法，例如富集植物结合有机酸、富集植物结合巨大芽孢杆菌、富集植物结合土壤活化剂等方式，但是很少有人关注强化超富集植物幼苗本身的富集能力。因此，有必要寻找一种提高超富集植物本身效率的方式。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于提高植物对镉富集能力的方法。采用本发明所述方法能够提高植物对金属镉的富集能力的同时，还能提高植物的生长量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种用于提高植物对镉富集能力的方法，将植物幼苗浸泡锰溶液后种植；所述锰溶液中锰离子的浓度为15～350μM。
优选的，所述锰溶液中锰离子的浓度为30～350μM。
优选的，所述锰溶液中锰离子的浓度为40～350μM。
优选的，所述锰溶液中锰离子的浓度为50μM。
优选的，所述浸泡时间为1～7d。
优选的，所述浸泡温度为室温℃。
优选的，所述植物包括锰、镉超富集植物。
优选的，所述锰、镉超富集植物包括青葙。
优选的，所述幼苗包括：长出3～7片真叶且高度为8～10cm的幼苗。
本发明提供了一种利用植物修复镉污染土壤的方法，包括以下步骤：
将上述方法处理得到的植物幼苗种植于待修复镉污染区域。
有益效果：本发明提供了一种用于提高植物对镉富集能力的方法，将植物幼苗浸泡锰溶液后种植。利用本发明所述方法能够提高植物对金属镉的富集能力。本发明具体实施例利用非损失微测技术从根系吸收和原生质体吸收两个角度证明，锰前处理确实可以提高植物对镉的吸收，同时锰前处理可以降低镉对植物的毒性，促进根系有机酸的分泌，这是锰前处理增加青葙生物量并提高青葙对镉富集量的重要原因。
附图说明
图1为不同锰前处理时间对青葙生物量的影响，其中Dry weight为干重，50μM Mntreatment为50μM锰处理，root为根，stem为茎，leaves为叶；
图2为不同锰前处理时间对青葙富集镉含量的影响，其中Cd concentrations为镉含量，roots为根，stem为茎，leaves为叶；
图3为锰前处理对青葙的光合作用的影响，其中ChlorophyⅡcontent为叶绿素Ⅱ含量，ChlorophyⅡa为叶绿素a，ChlorophyⅡb为叶绿素b，total chlorophyⅡ为总叶绿素Ⅱ；
图4为锰前处理对青葙的丙二醛含量的影响，其中MDA concentrations为MDA含量。
具体实施方式
本发明提供了一种用于提高植物对镉富集能力的方法，将植物幼苗浸泡锰溶液后种植。在本发明中，所述锰溶液中锰离子的浓度优选为15～350μM，进一步优选为30～350μM，进一步优选为40～350μM，更优选为50～100μM，最优选为50～70μM。在本发明的实施例中，所述锰溶液中锰离子的浓度具体为20μM、50μM、60μM、80μM、130μM、240μM、300μM或340μM。在本发明中，所述锰溶液优选为含锰离子的1/2Hoagland溶液；所述含锰离子的1/2Hoagland溶液中的锰优选以MnCl2形式提供。在本发明所述浓度下能够更好的促进植物对镉离子的富集能力。
在本发明中，所述浸泡的时间优选为1～7d，进一步优选为2～6d，更优选为3～5d；在本发明具体实施例中，所述浸泡的时间优选为1d、3d、5d或7d；所述浸泡的温度优选为室温℃，即18～25℃。
在本发明中，所述植物优选包括锰和镉超富集植物(也称为锰、镉超富集植物)，更优选包括青葙。锰是植物必需的微量元素，适量的锰可以增加植物体内生长素、玉米素、赤霉素和6-苄氨基嘌呤的含量，并减少了脱落的叶酸含量(p<0.05)，从而促进植物生长。本发明选择对锰、镉超富集植物进行锰前处理可以促进植物的生长的效果，进而能够保证达到富集镉的作用。在本发明中，所述幼苗优选包括：长出3～7片真叶且高度为8～10cm的幼苗，更优选为长出3～7片真叶且高度为8～10cm的幼苗。
在本发明中，所述种植方式优选包括水培和土培。在本发明中，所述水培的光照优选为14h；所述水培的光照强度优选为300μmol/(m2·s)；所述水培的昼夜温度优选为25℃/18℃，即白天温度为25℃，夜晚温度为18℃；所述水培时的相对湿度优选为70wt.％～75wt.％。本发明对所述土培的方式没有任何限定，采用本领域技术人员所熟知的方式即可。
本发明提供了一种利用植物修复镉污染土壤的方法，包括以下步骤：
将上述方法对植物幼苗浸泡锰溶液后再种植于待修复镉污染区域。
本发明对植物幼苗的获取在前述技术方案进行了详细的描述，因此，在此处不做任何赘述。本发明所述待修复镉污染区域包括待待修复镉污染区域土壤。本发明对所述种植的方式没有任何限定，采用本领域技术人员常规所熟知的方式即可。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种用于提高植物对镉富集能力的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
青葙种子采自广西阳朔县重金属修复中心。先用超纯水将种子浸泡过夜，然后用体积百分含量为10％过氧化氢溶液表面灭菌10min。再用去离子水冲洗后，将青葙种子均匀地撒在装有营养土的育苗盘上，置于温室中培养。
待种子萌发后，选择高8～10cm、有3～7片叶片的幼苗移入含50μMMn(以MnCl2配制)的1/2Hoagland溶液浸泡(记为前处理)，浸泡温度为室温。
对比例1
与实施例1为同一批次种子，进行前处理，具体过程与实施例1相同，区别仅在于，将幼苗移入含10μM Mn(以MnCl2配制)的1/2Hoagland溶液浸泡。
对比例2
与实施例1为同一批次种子，进行前处理，具体过程与实施例1相同，区别仅在于，将幼苗移入5μM Cd(以CdCl2配制)的1/2Hoagland溶液进行前处理。
对比例3
与实施例1为同一批次种子，进行处理，具体过程与实施例1相同，区别仅在于，将幼苗移入不含Mn和Cd的1/2Hoagland溶液(对照组)。
将实施例1、对比例1～对比例3前处理7天，浸泡的温度为室温，即18～25℃。然后进行吸收实验检测，具体方法为：用NMT法测定了植物根表面Cd2+的流速，将试验根用试验溶液(100mM CdCl2，0.1mM KCl，0.3mM MES，pH5.8)浸泡10min，高浓度校准溶液中Cd浓度为200mM CdCl2，0.1mM KCl，0.3mM MES，pH 5.8，而低浓度校准溶液中的Cd浓度包含20μMCdCl2、0.1mM KCl和0.3mM MES，pH5.8。采用高、低校准溶液进行NMT的校准过程。校准过程结束后，以距根尖50μm的距离间隔，实时测量Cd2+进出植物根尖的流速。每次稳定测量十分钟，每个处理连续测量了6次Cd2+流速，研究不同前处理条件对根表面Cd2+流速的影响。结果见表1，表1中的A为对照，即不添加镉、锰的处理，B为对比例1，即应用10μM锰处理的处理，C为实施例1，即应用50μM锰处理的处理，D为对比例2，即应用5μM镉处理的处理。
表1不同前处理条件对根表面Cd2+流速的平均值和方差
均值 方差
A -58.0739 6.17663
B -72.54188 8.41304
C -96.1378 10.8301
D -50.18863 3.3833
结果如表1所示，经过锰前处理后，青葙根系对镉的吸收速度明显提高，可能是由于Mn的加入显著增加了转运蛋白基因的表达，从而促进了Cd的吸收和运输。
实施例2-1
青葙种子采自广西阳朔县重金属修复中心。先用超纯水将种子浸泡过夜，然后用10％过氧化氢溶液表面灭菌10min。再用去离子水冲洗后，将青葙种子均匀地撒在装有营养土的育苗盘上，置于温室中培养。待种子萌发后，选择高8～10cm、有3～7片叶片幼苗移入装有含50μM Mn(以MnCl2形式配制)的1/2Hoagland溶液浸泡(前处理)，浸泡温度为室温，前处理1d后将前处理所得植株置于镉离子浓度为5μM的镉溶液中水培，水培30天，所述水培的光照为14h；所述水培的光照强度为300μmol/(m2·s)，即300μmol/m2/s；所述水培的昼夜温度为25℃/18℃，即白天温度为25℃，夜晚温度为18℃；所述水培时的相对湿度为70wt.％～75wt.％。
实施例2-2
与实施例2-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例2-1相同，区别仅在于，前处理时间为3天。
实施例2-3
与实施例2-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例2-1相同，区别仅在于，前处理时间为5天。
实施例2-4
与实施例2-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例2-1相同，区别仅在于，前处理时间为7天。
对比例4
与实施例2-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例2-1相同，区别仅在于，前处理时间为0天。
测定实施例2-1～实施例2-4和对比例4中镉胁迫下对青葙生物量的影响的结果见图1，由图1可知，在5μM Cd处理下，青葙根、茎、叶的干重都随着Mn预处理时间的增加而增加，其中根的干质量增加最明显。在5μM Cd胁迫下，与不加Mn预处理相比，加50μM Mn预处理1、3、5、7天的青葙总干重分别增加了6.2％、11.5％、15.1％和21.3％；其中根的干重分别增加了17.5％、27.5％、45.0％和66％。这说明，用Mn预处理可以促进青葙的生长。
测定并分析实施例2-1～实施例2-4和对比例4中镉胁迫下青葙根、茎、叶镉含量的影响，经过消解后，应用原子吸收光谱仪进行测定，结果由图2可知，青葙根、茎、叶中的镉含量均随Mn预处理时间的增加而增加，在5μMCd胁迫下，施加50μM Mn预处理时间为7天时，根、茎、叶中的镉含量最大，分别为466.3mg/kg、204.6mg/kg和249.3mg/kg。与未施加Mn预处理相比，加50μMMn预处理1、3、5、7天的青葙根部镉含量分别增加了19.3％、23.6％、49.8％和55.3％；茎部镉含量分别增加了2.9％、7.4％、25.1％和30.7％；叶片镉含量分别增加了11.3％、15.1％、15.8％和17.5％。以上结果表明，加Mn预处理会促进青葙根、茎、叶对镉的吸收。
实施例2-1
青葙种子采自广西阳朔县重金属修复中心。先用超纯水将种子浸泡过夜，然后用10％过氧化氢溶液表面灭菌10min。再用去离子水冲洗后，将青葙种子均匀地撒在装有营养土的育苗盘上，置于温室中培养。待种子萌发后，选择高8～10cm、有3～7片叶片的幼苗移入含50μM Mn(以MnCl2形式配制)的1/2Hoagland溶液浸泡(前处理)，浸泡温度为室温，前处理1d后将前处理所得植株置于镉离子浓度为5μM的镉溶液中水培，水培30天，所述水培的光照为14h；所述水培的光照强度为300μmol/(m2·s)s；所述水培的昼夜温度为25℃/18℃，即白天温度为25℃，夜晚温度为18℃；所述水培时的相对湿度为70wt.％～75wt.％。
实施例3-2
与实施例2-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例3-1相同，区别仅在于，前处理时间为3天。
实施例3-3
与实施例3-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例3-1相同，区别仅在于，前处理时间为5天。
实施例3-4
与实施例3-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例3-1相同，区别仅在于，前处理时间为7天。
对比例5
与实施例3-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例3-1相同，区别仅在于，前处理时间为0天。
调查实施例3-1～实施例3-4和对比例5中镉胁迫下青葙叶片中叶绿素a、叶绿素b与总叶绿素含量，测定方法具体如下：
叶绿素的测定：称取青葙叶片0.2g，加入3ml体积百分含量为95％的乙醇，快速研磨成匀浆，再加入7ml体积百分含量为95％乙醇，研磨至组织变白，静置5分钟，随后放入高速冷冻离心机中离心(5000g，10min)，吸取上清液分别在紫外可见分光光度计649nm、470nm、665nm三个波长下测定吸光度。叶绿素含量按下列公式计算：叶绿素a：Ca＝13.95A665-6.88A649，叶绿素b：Cb＝24.96A649-7.32A665，类胡萝卜素：Cxc＝(100A470-2.05Ca-114.8Cb)/245，叶绿素色素含量(mg·g-1)＝C·V·N/W，式中：C—叶绿素含量，mg·L-1；V—提取液体积，mL；N—稀释倍数；W—植物鲜重，g。
检测结果如图3所示，青葙叶片中的叶绿素a、叶绿素b与总叶绿素含量均随着Mn预处理时间的增加而增加。用5μMCd胁迫30天后，青葙叶片的总叶绿素为1.05mg·g-1，与之相比，加50μMMn预处理1、3、5、7天的青葙叶片总叶绿素分别增加了7.6％、13.3％、25.7％和30.5％。由此可见，对青葙进行锰前处理能够提高叶片中的总叶绿素含量，保证青葙的光合作用，减少了镉对青葙的毒害作用。
实施例4-1
青葙种子采自广西阳朔县重金属修复中心。先用超纯水将种子浸泡过夜，然后用10％过氧化氢溶液表面灭菌10min。再用去离子水冲洗后，将青葙种子均匀地撒在装有营养土的育苗盘上，置于温室中培养。待种子萌发后，选择高8～10cm、有3～7片叶片的幼苗移入含50μM Mn(以MnCl2形式配制)的1/2Hoagland溶液浸泡(前处理)，浸泡温度为室温，前处理1d后将前处理所得植株置于镉离子浓度为5μM的镉溶液中水培，水培30天，所述水培的光照为14h；所述水培的光照强度为300μmol/(m2·s)；所述水培的昼夜温度为25℃/18℃，即白天温度为25℃，夜晚温度为18℃；所述水培时的相对湿度为70wt.％～75wt.％。
实施例4-2
与实施例4-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例4-1相同，区别仅在于，前处理时间为3天。
实施例4-3
与实施例4-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例4-1相同，区别仅在于，前处理时间为5天。
实施例4-4
与实施例4-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例4-1相同，区别仅在于，前处理时间为7天。
对比例6
与实施例4-1为同一批次种子，进行前处理和镉胁迫，具体过程与实施例4-1相同，区别仅在于，前处理时间为0天。
调查实施例4-1～实施例4-4和对比例6中镉胁迫下青葙根叶MDA含量的影响，测量方法具体如下：
MDA的测定：分别称取新鲜的青葙叶片和根系0.2g，加入质量分数为5％的三氯乙酸2mL，再加入少量石英砂，在冰水浴条件下快速研磨成匀浆，定容至10mL，在冷冻离心机中离心(4000转/分钟)离心10分钟，取上清液2mL，加入2mL质量分数为0.6％的硫代巴比妥酸，沸水浴30min，快速冷却，再离心10分钟。测定三个波长下(450nm、532nm、600nm)的吸光度值，代入下式计算：C(μmol·L-1)＝6.45A532-6.45A600-0.56A450，式中：C—MDA浓度，μmol·L-1；A532、A600、A450—分别为532nm、600nm、450nm处的吸光度值。
结果如图4所示，随着Mn预处理时间的增加，青葙根、叶中的MDA含量逐渐下降，其中，施加50μM Mn预处理七天的青葙根叶中的MDA含量最少。与未加Mn预处理相比，施加50μMMn预处理1、3、5、7天的青葙根部MDA含量分别降低了2.8％、5.6％、7.4％和14.3％；叶片中MDA含量分别降低了10.2％、21.3％、25.0％和40.2％，且在Mn预处理7天时达到显著水平。表明用Mn预处理后的青葙根叶中的膜脂过氧化作用减轻，这也进一步表明施加的Mn缓解了镉对青葙的毒害作用。
实施例5
根系分泌物的收集
选取生长状况一致的青葙幼苗先用含锰的1/2霍格兰营养液置于温室中培养7d，含锰的1/2霍格兰营养液中含有50μM锰离子，每3天更换一次营养液，每个处理设置3个平行。培养结束后将青葙根部用超纯水冲洗3次，随后用滤纸吸干根部表面水分，将青葙分别置于装有500ml超纯水的不透光烧杯中，在光照下收集根系分泌物。24小时后将青葙取出，用漏斗过滤杂质，随后用旋转蒸发仪在40℃下浓缩至20ml，浓缩液用0.45μm的滤膜过滤，放入冰箱中冷藏备用。
对比例7
与实施例5相同，唯一不同的为营养液中锰离子浓度为0。
调查实施例5和对比例7中青葙根系分泌物中苹果酸、柠檬酸、草酸、乳酸、乙酸、马来酸、富马酸、酒石酸八种有机酸的含量参照《盐碱胁迫对芸豆根系分泌物组分及含量的影响》的方法测定，采用高效液相色谱进行分析。色谱条件为：XSelectHSST3色谱柱(250mm*4.6mm，5μm，美国Waters公司)；流动相为40MmKH2PO4-H3PO4缓冲溶液(pH＝2.40)；流速为1.0mL/min；检测波长为205nm，柱温25℃。采用外标法测定有机酸，峰面积法计算有机酸含量。检测结果见表2。
表2 Mn处理对青葙根系分泌物中有机酸种类与含量的影响
Figure BDA0003817032540000081
Figure BDA0003817032540000091
由表2可以看出，用50μM Mn处理七天后，青葙根系分泌物中检测出7种有机酸，分别为：草酸、苹果酸、乙酸、乳酸、柠檬酸、马来酸和富马酸。未加Mn处理的青葙样品根系分泌物中只检测出草酸、苹果酸、乳酸和柠檬酸4种有机酸。且加锰培养后根系分泌物中的草酸、苹果酸、乳酸和柠檬酸的含量均比未加锰培养的高，分别增加了32.2％、26.4％、39.2％和55.3％。这表明施加Mn可以促进青葙根系分泌有机酸，进一步达到促进植物生长的效果。
综上所述可知，锰前处理确实可以提高植物对镉的吸收，同时锰前处理可以降低镉对植物的毒性，促进根系有机酸的分泌。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于提高植物对镉富集能力的方法，其特征在于，将植物幼苗浸泡锰溶液后种植；所述锰溶液中锰离子的浓度为15～350μM。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锰溶液中锰离子的浓度为30～350μM。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锰溶液中锰离子的浓度为40～350μM。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述锰溶液中锰离子的浓度为50μM。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸泡时间为1～7d。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸泡温度为室温℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述植物包括锰、镉超富集植物。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述锰、镉超富集植物包括青葙。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述幼苗包括：长出3～7片真叶且高度为8～10cm的幼苗。
10.一种利用植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1～9任一项所述方法处理得到的植物幼苗种植于待修复镉污染区域。
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