CN109156475A - 一种水稻重金属污染叶面复合喷施剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水稻重金属污染叶面复合喷施剂，该喷施剂主要包含纳米二氧化硅、碳纳米管、富勒烯三种成分。本发明所制备的重金属污染叶面喷复合施剂对缓解水稻重金属污染，降低重金属对水稻的毒性，提升植物重金属抗逆性具有显著功效，可以有效改善农田土壤重金属污染状况，同时促进作物生长。本发明还提供了该叶面复合喷施剂的施用方法，及其在重金属Cd污染农田土壤中的应用。

Description

一种水稻重金属污染叶面复合喷施剂

技术领域

本发明属于叶面喷施技术领域，具体涉及一种运用于水稻重金属污染的叶面复合喷施剂，包含其主要成分、制备方法及其施用方法。

背景技术

近年来，随着工农业的发展，工业废气、废水、废渣的不合理排放，城市生活污水及垃圾的不合理处置以及含有重金属元素(如Pb,Cd,As等)的农药、化肥的不合理使用，使得环境中的重金属含量明显提高，而这些重金属一旦通过饮食、呼吸或直接接触的路径进入人体，就会极大地损伤人体器官的正常功能。重金属进入土壤，一方面降低了土壤的生产力，另一方面也使得其中种植的农作物处于重金属胁迫环境中，农作物的根系会从受污染的土壤中吸收重金属元素，并将这些元素转移至其地上部，最终在其籽实中积累，从而严重影响其品质。水稻亦在重金属的影响之列。以重金属镉(Cd)为例，前环境保护部(现生态环境部)和前国土资源部(现自然资源部)2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》中显示，在被调查的8种重金属及类金属(Cd,As,Hg,Cu,Pb,Cr,Zn,Ni)中，Cd在受污染的土地中超过前环保部的规定限值的百分比最大，超标率达到了7％。目前，镉污染严重威胁粮食作物的安全，对人类健康的影响不容忽视。前文所述事实提醒我们，采取一系列的防控措施是十分必要的。

叶面喷施是一种通过喷洒肥料溶液，使植物通过叶片获得营养元素的方法。叶面喷施可迅速为植物补充营养，有效补充根吸收营养的不足。夏圣益等通过6年的研究表明，在水稻拔节期至抽穗期之间叶面喷施硅肥可有效增加其产量。在实际生产中，以根部施肥为基础，正确合理地配合叶面施肥，可将叶面肥增产增收的作用最大化。

纳米技术在20世纪中期由费曼提出，现如今已被誉为21世纪最有前途的技术之一。纳米材料作为一种新兴的功能型材料，已经越来越频繁地出现在人们的生产生活之中，其在农业、环保、军工、光伏发电等领域均有应用，随着人们对纳米技术和纳米材料功能的不断探索，已经有人开始研究纳米材料是否能对重金属造成影响。基于此，本次实验采用二氧化硅纳米颗粒(SiO₂NPs)和碳纳米管(CNT)以及富勒烯(C₆₀)进行叶面混合喷施，研究纳米材料对镉污染水稻的生长及相应的毒理学影响。本发明旨在通过叶面喷施纳米材料技术为解决镉污染的实际问题开辟出一条更为经济环保的道路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有修复水稻镉污染的叶面复合喷施剂，本发明所要解决的技术问题是提出了一种能够有效抑制植物对重金属镉吸收的叶面喷施技术。

一种水稻重金属污染叶面复合喷施剂，由纳米二氧化硅、碳纳米管和/或富勒烯与水形成的悬浮液构成。

纳米二氧化硅为无定形白色粉末，分子式SiO₂，不溶于水，因其独特的结构特征、低毒性而被广泛利用。研究表明纳米二氧化硅对植物具有一定的保质作用，纳米硅因其纯度高，粒径小，表面活性高，对环境无毒无害等特点，已广泛应用于半导体、医药等领域。其实，在纳米硅之前，人们就已经对硅在植物体内发挥的作用进行了研究。Soundararajan等人发现，在盐胁迫环境下，植物会出现脂质过氧化的现象，而硅可减轻该不良现象对植物机体的影响程度，与此同时抑制植物体内过氧化物的积累。Isa团队通过研究发现，水稻叶片自身就具有硅质结构，这种结构可以促进叶绿素的积累，加速水稻幼苗叶片的生长，增加水稻的抗性。因此，二氧化硅被选用于本发明作为主要的组成成分之一。

碳纳米管(CNT)，又名巴基管，呈黑色粉末状，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管由主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。因其较大的比表面积，良好的化学稳定性等特点，在化学催化和污水处理等方面具有重要价值。研究表明，其对诸如Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺等重金属离子都有良好的吸附作用。

而富勒烯(C₆₀)已经广泛应用于力学、光电及生物医药等领域，显示出巨大的潜力及市场价值。之前有针对CNT及C₆₀对盆栽植物生长的研究，也有选用小麦、油菜等供试材料，在营养液培养下，加入CNT等纳米材料，研究其对植物生长、养分吸收的影响的实验，但是对叶面喷施CNT或C₆₀的研究则相对缺乏。

本发明涉及到的以上三种主要成分，即二氧化硅、碳纳米管和富勒烯，对缓解镉重金属的毒性以及降低植物对重金属镉的积累具有一定的潜在效用，对综合调控土壤重金属污染具有潜在的利用价值。

具体情况下，本发明的水稻重金属污染叶面复合喷施剂，其中纳米二氧化硅与碳纳米管和/或富勒烯的重量配比为150：10-100。在具体实施例中，纳米二氧化硅的浓度为150mg/L，碳纳米管和/或富勒烯的浓度为10-100mg/L。

优选情况下，纳米二氧化硅的直径为30-60nm，比表面积为600-750m²/g，密度是2.1-2.3g/cm³，纯度＞99.9％。

优选情况下，碳纳米管的直径为20-30nm，纯度＞99.9％。

优选情况下，富勒烯的直径大约为50nm，纯度＞99.9％。

优选情况下，本发明的复合喷施剂中还可以含有氨水，氨水在悬浮液中的体积浓度为5-10％。本发明通过实验发现，在悬浮液中加入氨水，在将本发明的复合喷施剂喷施于植物表面时，能够形成局部的氨气气氛，有效隔绝氧气，从而显著促进复合喷施剂对真菌的杀灭作用；此外喷洒的悬浮液因含有氨水，能够作为氮肥被植物吸收，也能起到植物营养液的作用。

优选情况下，本发明的复合喷施剂中还可以加入5-10％体积的植物油。利用植物油与水稻叶表的亲和力来改善水稻叶表的疏水性，从而提高悬浮粒子在水稻叶表的附着和富集。植物油包括但不限于大豆油、各种植物籽油。进一步优选情况下，植物油采用具有抑菌功效的中草药提取油，例如苍术油、桂枝油或药曲草油。

优选情况下，本发明的复合喷施剂中还可以加入2-5％体积的表面活性剂。通过表面活性剂来提高悬浮粒子的分散性能，提高喷施效率。表面活性剂优选采用椰油酰胺DEA、月桂基醚硫酸钠、TEA十二烷基硫酸钠、茶皂素及其组合。

本发明的水稻重金属污染复合叶面喷施剂的施用方法，将复合叶面喷施剂均匀喷施在两叶一心时期(大约2周龄)的重金属镉胁迫水稻幼苗上，喷施标准为到上下表面均匀，喷施到叶面滴度为止。

本发明基于我国水稻重金属污染的严峻现状，以及对于以上几种重要的土壤喷施剂、钝化剂在缓解土壤重金属污染，促进植物生长方面的认识，通过调整配比，发明一种新型复合叶面重金属喷施剂以缓解水稻重金属镉的污染，同时有效提升植物在重金属污染土壤中的抗逆性，具有较大的可行性和巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明的重金属Cd叶面喷施剂的制备、使用方法流程图。

图2示出了实施例1在Cd污染水培***中施加2种不同剂量该喷施剂后，水培水稻生长照片。

图3示出了实施例2在Cd污染水培***中施加2种不同剂量该喷施剂后，水培水稻生长照片。

图4示出了实施例1在Cd污染水培***中施加2种不同剂量该喷施剂后，水稻叶面表面差异。

图5示出了实施例2在Cd污染水培***中施加2种不同剂量该喷施剂后，水稻叶面表面差异。

具体实施方式

下面通过具体的实施例1-2详细说明本发明涉及的一种重金属镉污染叶面喷施剂及其使用方法，该实例仅仅是用于更具体详细地介绍该发明，而并非以此限制本发明的实施范围。

以下实例中使用的试剂如下:

纳米二氧化硅购自于上海攀田粉体公司，所用富勒烯(C₆₀)购买于濮阳市永新富勒烯科技有限公司，所用多壁碳纳米管(MWCNTs)来自于清华大学，实验中其他化学试剂均购自北京市化工厂。

实施例1

本实例用于说明本发明所涉及的叶面喷施剂缓解水稻中重金属Cd污染对其生长的抑制作用。

实验所需水稻(杂交水稻Y两优900)购买于中国农业大学，水稻种子萌发前先浸泡在自来水中去除瘪粒，再用5％的双氧水消毒15-20分钟，之后使用去离子水清洗1-2分钟，挑选籽粒饱满，粒度一致的水稻种子置于铺有双层滤纸的9×9cm的培养皿中，在25℃恒温培养箱中培养7天，之后挑选长势良好，均匀一致的水稻苗置于50mL离心管中进行培养，培养液选择1/2木村营养液，每个试管中种植15棵水稻幼苗，连续培养1周后进行加镉处理以及相应的叶面喷施处理。

水稻幼苗在正常的木村营养液下生长到两叶一心时对水稻幼苗进行加镉(20μM)处理以及喷施纳米材料。喷施剂的配置过程参见图1，并加入少量氨水、表面活性剂和植物油。按照每个处理组的相关要求进行CNT与SiO₂NPs以及C₆₀的叶面喷洒。喷施时，9个处理组的叶面和叶背都应均匀喷施，以喷至叶片滴度为限，实验共进行1次喷施。与此同时，按实验要求在大试管中换入不同浓度的CdCl₂溶液。实验周期为2周(不包括催芽的1周时间)。期间以3天为一个周期进行溶液的更换。该实施例中叶面喷施剂浓度为纳米二氧化硅150mg/L，碳纳米管10mg/L，富勒烯10mg/L。

实验所需营养液配置如下

实验设4个处理，分别为在正常营养液生长下的对照组(1)，重金属镉处理组(2)，重金属+二氧化硅处理组(3)，重金属+二氧化硅+碳纳米管喷施剂处理组，(4)重金属+二氧化硅+富勒烯喷施剂处理组。带幼苗长至两叶一心期，进行处理，镉加入营养液中，而纳米材料喷施在植物叶表面，试验每三天更换一次相应的营养液。

植物生理指标的测定：处理2周后，将水稻从营养液中取出，分别用自来水去离子水冲洗3遍，并且用滤纸吸干表面水分，将植物沿根基分为地上和地下部位，分别测量其株高、根长(精确到毫米)，并用万分之一天平准确称量地上和地下鲜重。

准确称取地上或者地下部位0.5克，采用酶联免疫法测定植物地上和地下部位的植物营养激素。

将剩余植物样品按照地上和地下部位分开的方式进行装袋，在105℃下杀青30分钟，再于75℃下烘干至恒重，再测量其相应的干重质量。

采用微波消解法对样品进行消解，并且使用ICP-MS对植物体内的Cd含量进行测定。

数据处理：试验过程中设置3个平行处理，并利用Excel进行数据的统计，使用SPSS20.0软件分析包进行单因素方差(ANOVA)分析，P<0.05被认为差异达到显著，试验结果均以平均值±标准差的形式表示。

结果显示，本发明涉及的新型叶面喷施喷施剂在再实施例1条件下，在添加重金属镉污染的处理组中均显著抑制了水稻的生长(包含株高、根长、干重、鲜重指标的降低)。在Cd污染的营养液中生长的水稻幼苗上进行新型叶面喷施喷施剂的应用，可以发现，喷施新型叶面喷施剂后植株的表型差异与只添加镉处理组相比并没有显著性差异(图2，表1)，这可能是由于IAA和IPA等激素含量在喷施剂的存在条件下降低造成的(表4，表5)，但喷施剂的喷施却大幅度降低了植株体内Cd含量(表3)。水稻是典型的嗜硅植物，其表面本身就含有硅质乳突和蜡状硅质结晶，硅可以明显提高叶片的抗逆性，而叶片喷施硅已经被许多研究者证实对植物抗镉胁迫有一定的作用，如图4所示，和空白相比，镉的添加可以明显降低硅质***的体积，并且其表面的硅质结晶的程度也大大被削弱，添加二氧化硅后，硅质***相比于单施镉来说，其***明显增大，硅质结晶变多，但表面仍有部分损伤情况，在添加二氧化硅和富勒烯和/或碳纳米管的组合下，与单施镉来比较，其***和硅质结晶明显变优，并且在二氧化硅存在条件下的部分损伤情况也大大降低。说明二氧化硅和富勒烯和/或碳纳米管的组合可以有效的降低镉的毒害损伤(图4)。

表1：实施例1不同处理对水稻生长指标的影响

注:不同字母代表显著性差异(p<0.05)。

实施例2

本实施例的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在复合叶面喷施喷施剂中三种主要成分的浓度设置为二氧化硅150mg/L，碳纳米管100mg/L，富勒烯100mg/L。实施例2中，水稻培养条件以及镉污染程度都和实施例1相同。

结果显示，本发明涉及的新型重金属镉叶面喷施剂在添加镉污染的条件下一定程度上促进了水稻地下部位的生长，地上部生物量基本不受影响(图3、表2)，在添加镉的营养液中生长的水稻中重金属镉的含量相比于空白对照显著上升，而喷施了叶面喷施剂之后相比于只添加镉污染的处理其镉含量受到了显著抑制(表3)，此外，对实施例2中不同激素含量的分析也表明，喷施剂的加入也显著降低了镉对植物激素的不利扰动作用(表6，表7)。实施例2中添加镉对植物表面的硅质结构影响与实施例1相同，添加阻控剂组合后可以明显降低这种毒害作用(图5)。

表2：实施例2不同处理对水稻生长指标的影响

注:不同字母代表显著性差异(p<0.05)。

表3：实施例2不同处理对水稻植株体内镉含量的影响

注:不同字母代表显著性差异(p<0.05)。

表4实施例1不同处理对水稻植株地上部激素含量的影响

表5实施例1不同处理对水稻植株根内激素含量的影响

表6实施例2不同处理对水稻植株地上部激素含量的影响

表7实施例2不同处理对水稻植株根内激素含量的影响

Claims (4)

1.一种水稻重金属污染叶面复合喷施剂，其特征在于，由纳米二氧化硅、碳纳米管和/或富勒烯与水形成的悬浮液构成。

2.根据权利要求1所述的水稻重金属污染叶面复合喷施剂，其特征在于，其中纳米二氧化硅与碳纳米管和/或富勒烯的重量配比为150：10-100。

3.根据权利要求1所述的水稻重金属污染叶面复合喷施剂，其特征在于，纳米二氧化硅的直径为30-60nm，比表面积为600-750m²/g，密度是2.1-2.3g/cm³，纯度＞99.9％，碳纳米管的直径为20-30nm，纯度＞99.9％，富勒烯的直径大约为50nm，纯度＞99.9％。

4.根据权利要求1所述的水稻重金属污染叶面复合喷施剂的施用方法，将叶面复合喷施剂均匀喷施在两叶一心时期的重金属胁迫水稻幼苗上，喷施标准为到上下表面均匀，喷施到叶面滴度为止。