CN116355610B - 硫量子点材料在缓解苗期水稻铅毒害中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了硫量子点材料在缓解苗期水稻铅毒害中的应用，硫量子点材料的制备方法包括：将预设重量份的升华硫粉、氢氧化钠加入到水中混合，再加入预设量PEG‑400，然后在预设温度和搅拌速度下，反应预设时长，反应所得的产物在剧烈搅拌下，加入预设浓度的H₂O₂进行反应，制得硫量子点材料；本发明方案合成的硫量子点材料的成本低且性质稳定，原料只需要升华硫粉、氢氧化钠、蒸馏水、PEG‑400、过氧化氢；除此之外，本发明方案硫量子点具有纳米材料缓释性的特点，能够调节缓解水稻生长周期中的铅毒害效应。

Description

硫量子点材料在缓解苗期水稻铅毒害中的应用

技术领域

本发明涉及材料科技及农业技术领域，尤其涉及硫量子点材料在缓解苗期水稻铅毒害中的应用。

背景技术

目前普遍采用在农业中重金属铅污染修复方式主要有物理修复、化学修复和生物修复。物理修复虽然效率较好，但成本较高，而且存在修复之后土壤颗粒不能农用的问题；化学修复虽然有效果好易操作的有点，但存在使用范围窄且稳定性不高的问题；生物修复在成本和环保方面有优势，但是存在修复周期长的问题。

因此，研究人员不断寻找一种低成本、高效率的新型重金属铅污染修复方式。其中，纳米材料由于其具有尺寸小、比表面积大、对植物有正向作用等特点使其作为一种新型可修复重金属的材料逐渐被应用于农业中。利用H₂O₂辅助刻蚀合成SQDs时间短，合成材料尺寸小于10nm，且可以作为硫肥作用于水稻中，缓解水稻的重金属铅毒害的胁迫效应。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施可靠、成本低且效率高的硫量子点材料在缓解苗期水稻铅毒害中的应用。

为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种硫量子点材料的制备方法，其包括：将预设重量份的升华硫粉、氢氧化钠加入到水中混合，再加入预设量PEG-400，然后在预设温度和搅拌速度下，反应预设时长，反应所得的产物在剧烈搅拌下，加入预设浓度的H₂O₂进行反应，制得硫量子点材料。

作为一种可能的实施方式，进一步，本方案升华硫粉的添加量为1.4g，氢氧化钠的添加量为4.0g，且升华硫粉、氢氧化钠加入到50ml超纯水中混合，PEG-400的添加量为3ml。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案加入PEG-400后，混合体系在970r/min，70℃的反应条件下反应24h。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案所加入H₂O₂的浓度为7.5wt％。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案加入H₂O₂后，还将反应体系转入到1000Da的透析袋，然后再加入超纯水于避光环境中透析处理24h，其中，每隔6h更换一次水，最终所获得的溶液置于避光容器及环境中保存，保存温度为4℃。

基于上述，本发明还提供一种硫量子点材料，其由上述所述制备方法制得。

基于上述，本发明还提供硫量子点材料在缓解苗期水稻铅毒害中的应用，其包括上述所述的硫量子点材料。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案所述应用包括将硫量子点材料直接加入到苗期水稻的水培液体系中，且令硫量子点材料的浓度为100mg/L。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案所述苗期水稻的水培液中N、P、K浓度分别为20mg/L、6mg/L和40mg/L。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案水培液体系的pH为5.5。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：

(1)本发明方案合成的硫量子点材料的成本低且性质稳定，原料只需要升华硫粉、氢氧化钠、蒸馏水、PEG-400、过氧化氢；

(2)本发明方案合成硫量子点设备简单且效率高，在磁力搅拌器和冷凝回流柱装置下，每次合成只需要24h即可满足所需；

(3)本发明方案巧妙利用硫元素是植物所需的第四大营养元素，硫量子点以其尺寸小、比表面积大更易被植物细胞所吸收，调控水稻植株的生长机制；

(4)本发明方案通过细胞毒理性实验检测，硫量子点对于动植物体本身无毒害，同样也不会对环境造成二次污染；

(5)本发明方案硫量子点具有纳米材料缓释性的特点，能够调节缓解水稻生长周期中的铅毒害效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明方案不同方式处理14天后泸优明占水稻的(a)MDA、(b)POD、(c)SOD、(d)CAT含量图；

图2是本发明方案不同方式处理14天后泸优明占水稻根上部、根下部S积累量图；

图3是本发明方案不同方式处理14天后泸优明占水稻根上部、根下部Pb积累量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例方案提供一种硫量子点材料(SQDs)的制备方法，该SQDs制备利用过氧化氢的特性自下而上制备。其包括：分别称取1.4g升华硫粉、4.0g氢氧化钠，将其与50ml超纯水混合并加入3mL PEG-400，最后将其转入250mL的三颈烧瓶中；再将三颈烧瓶接上冷凝装置后利用磁力搅拌器(970r/min，70℃)进行反应24h，反应结束后，取出1.5mL反应产物液体加入15mL离心管中，在剧烈搅拌下，加入浓度为7.5wt％的H₂O₂，得到在紫外照射下发射蓝绿色荧光的SQDs。再将收取的溶液转入1000Da的透析袋，加入超纯水于避光环境中透析24h，每隔6h换一次水，将最终所得溶液转入1L的棕色丝口玻璃试剂瓶，放入冰箱避光，4℃保存备用。

除此之外，本实施例方案提出一种将上述所制得的硫量子点材料(SQDs)用于缓解苗期水稻铅毒害中的应用，其包括：

水稻培育

(1)种子处理：

①晒种：从冷库中取出冻藏的泸优明占水稻种子，选高温晴天自上午9时至下午4时，晒2-3天，每隔两小时翻动，使种子受光、受热均匀，防止搓伤种皮；晒种不充分可能会导致水稻发芽率降低，长势不佳，其中，晒种的主要目的是：水稻播种前晒种可以有效的提高种子的发芽率和发芽势还有杀菌防病作用。

②种子消毒：播种前进行种子消毒处理，可以杀死附着在种子表面的有害细菌、虫卵、病毒等，大幅降低病虫害传播率，这是防止种子传病的有效方法，可以防治恶菌病、苗稻瘟、胡麻叶斑病及稻粒黑粉病等。同时，水稻含有多种植物内生菌，这类菌群会与宿主植物和谐共生，在固氮、抗病、促生等方面具有积极影响。因此，最佳的消毒方法是杀灭种子表面的有害细菌、虫卵、病毒等，同时不破坏种子内生菌。

本实施例对种子进行消毒的方法如下：

将种子置于10％次氯酸钠溶液中浸泡1到5min，时间过短则会导致消毒不彻底，使水稻植株生长过程中易发病，时间过长则会导致种子体内外细菌无区别全部杀死，限制水稻生长。然后用无菌水清洗三遍，主要是为了冲洗干净残留的消毒剂以及消毒剂杀死的细菌等残留物。

③浸种：将种子倒入1500mL大烧杯中，加自来水至水位没过种子10cm左右，每隔6小时换一次水，室温下浸泡1-2天。由于浸泡种子的水中容易聚集并滋生大量病菌，种子长时间浸泡不换水会导致种子在代谢过程中产生大量的废气，吸引各类病菌微生物的聚集，从而导致水稻种子出现腐烂死亡的情况，因此，定期换水同时也能增加水中含氧量，促进种子萌发。

(2)催芽：将浸泡过的转至种子转至塑料托盘中，托盘底部放入浸湿的纱布(保证温暖湿润的环境)，托盘上方覆上保鲜膜，并扎些许孔洞。放入恒温培养箱，30℃，避光培养至芽长5mm左右，每隔4小时向纱布上补加水。催芽步骤可以促进水稻植株的生长发育速率，若时间过短，会导致水稻长势较慢；若催芽时间过长，会使芽生长过长，后期移至纱网育苗时使过长的芽由于重力朝下，导致水稻生长不直或者无法朝上生长。

(3)育苗:将萌发的种子均匀地铺在蓝色育苗盆(41cm×28cm×13cm)上的纱网上，加去离子水刚好没过纱网(但水位不要浸没种子，避免种子处于厌氧状态，导致无法生长发育)，放室外自然条件上培育，每隔4小时补少量自来水，为了补充水稻种子萌发吸收的水分，避免水位减少导致种子缺水。每天换一次水至水稻长至一叶一心期，水中会有水稻根部新陈代谢产生的大量废物和废气，勤换水避免吸收病菌导致水稻烂根；一叶一心期后改用1/2 Hoagland营养液(配方见七、补充材料表1)，每天补少量自来水，每三天换一次营养液，保证水稻苗的营养吸收，避免水稻苗缺少营养而长势不佳，室外自然条件下培育至二叶一心期；二叶一心期后改用Hoagland完全营养液，每天补少量自来水，每三天换一次营养液至三叶一心期备用。

其中，Hoagland完全营养液的配方如表1所示：

表1 Hoagland营养液配方

注：表中序号为a、b、c、d和e的表示大量元素，f为微量元素。使用超纯水配制上述营养液母液各1L，用时按照1L水中加入0.5mL微量元素和1mL大量元素来配置完全营养液。使用浓HCl和NaOH粉剂调节营养液pH值为5.5。

3.添加硫量子点：准备若干容积为1000mL的黑色塑料碗，根据圈口大小裁剪出比碗圈口稍小的泡沫圆板，每块圆板上均匀打上六个直径为2cm的圆孔，每个圆孔上塞入相应大小的海绵块(用于固定水稻苗)，放入塑料碗。

本实施例方案用NH₄NO₃、NAH₂PO₄·H₂O、KCl配置营养液，使最终水培营养液体系中N、P、K浓度分别为20mg/L、6mg/L和40mg/L(N、P、K肥配比为实验室多年种植经验所得配方，满足水稻的生长需求)。

为了便于模拟和验证硫量子点材料对缓解苗期水稻铅毒害的效果，本实施例方案向营养液中直接添加Pb(Ⅱ)，且使Pb(Ⅱ)最终浓度为50mg/L(创造铅污染条件，此浓度为多次实验筛选出的对水稻苗具有显著铅毒害效应且不致死，能使其继续进行生长发育过程的Pb(Ⅱ)浓度)。然后，将硫量子点直接添加至水培液体系，添加SQDs溶液至浓度为100mg/L且使塑料碗中培养液最终体积为500mL，调节水培液pH为5.5，实验证明该pH值下最适水稻生长发育。

4.观察水稻生长发育情况，可对水稻不同时期的生理生化指标、重金属铅含量以及土壤/水培液中的铅含量进行测量。

在上述制得各实验对象的情况下，本实施例还进一步通过如下实验数据进行说明本方案硫量子点材料在缓解苗期铅毒害中的应用。

实验数据

1.实验对象：泸优明占三叶一心期水稻

2.设置组别：对照组(水培液中只添加营养液)、实验组(在营养液中添加Pb(Ⅱ)使体系中铅浓度为50mg/L、只添加SQDs使体系中SQDs浓度为100mg/L、同时添加Pb(Ⅱ)和SQDs使体系中铅浓度为50mg/L且SQDs浓度为100mg/L)处理水稻14天后，收样，测数据。

3.实验结果：

①由下表2可得，只添加SQDs的水稻植株其根长、株高、鲜重、干重均为最大值，且与对照组相比具有显著差异，说明SQDs能促进水稻的生长发育。而只添加Pb(Ⅱ)的处理组其四个值均为最低，说明此时已对水稻产生铅胁迫，而Pb+SQDs处理组对于只添加Pb(Ⅱ)的处理组有显著性增加，说明SQDs能缓解水稻的铅毒害。

表2不同处理组14天后泸优明占水稻根长、株高、鲜重、干重变化表

注：表中不同字母表示各列数据间的显著性差异(p＜0.05)

Note：Different letters in the table in dicate significant differencesbetween columns of data at p＜0.05 level.

②由图1可以看出，只添加Pb(II)的处理组MDA含量最高，CAT、POD、SOD最低，且较之对照组有显著性差异，说明此时水稻植株处于逆境状态，Pb(II)对水稻植株产生铅毒害效应。而对比于只添加Pb(II)的处理组，同时Pb+SQDs处理组中MDA含量显著下降，CAT、POD、SOD含量显著升高，说明该浓度下SQDs对水稻的铅毒害有一定的缓解效应。

③由图2可以看出，水稻主要由根系吸收SQDs，然后向根上部运输，根上部S的积累量与运输效率有关。

④由图3可以看出，对比于只添加Pb(II)的处理组，Pb+SQDs处理组中根下部和根上部铅积累量都显著减少，说明SQDs能减少Pb在水稻植株中的积累。

综上所述，可以说明SQDs能促进水稻的生长发育，同时能缓解苗期水稻的铅毒害效应。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.硫量子点材料在缓解苗期水稻铅毒害中的应用，其特征在于，所述应用包括将硫量子点材料直接加入到苗期水稻的水培液体系中，且令硫量子点材料的浓度为100mg/L；

其中，所述硫量子点材料的制备方法包括：

将1.4 g升华硫粉、4.0 g氢氧化钠加入到50 ml超纯水中混合，再加入3 ml PEG-400，然后在一定温度和搅拌速度下，反应一定时长，反应所得的产物在剧烈搅拌下，加入一定浓度的H₂O₂进行反应，制得硫量子点材料。

2.如权利要求1所述应用，其特征在于，加入PEG-400后，混合体系在970 r/min，70℃的反应条件下反应24h。

3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所加入H₂O₂的浓度为7.5wt%。

4.如权利要求1所述的应用，其特征在于，加入H₂O₂后，还将反应体系转入到1000Da的透析袋，然后再加入超纯水于避光环境中透析处理24h，其中，每隔6h更换一次水，最终所获得的溶液置于避光容器及环境中保存，保存温度为4℃。

5.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述苗期水稻的水培液中N、P、K浓度分别为20 mg/L、6 mg/L和40 mg/L。

6.如权利要求1所述的应用，其特征在于，水培液体系的pH为5.5。