CN113261485A - 一种降低稻米镉含量的轻简化方法及应用 - Google Patents

一种降低稻米镉含量的轻简化方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及重金属污染防治领域，特别是涉及一种降低稻米镉含量的轻简化方法和应用。本发明提供一种降低稻米镉含量的轻简化方法，包括：将种子与浸种剂混合浸种，播种浸种后的种子，收获后得到Cd含量低的稻米；所述浸种剂的有效成分包括植物所需的微量元素；所述微量元素包括硒元素、硅元素、锌元素或铁元素，或硒元素和铁元素的混合物、硒元素和硅元素的混合物或硒元素和锌元素的混合物。本发明通过浸种的方法，将种子与浸种剂混合浸种后，采用常规方式种植，即可用低成本、操作便捷的方法获得Cd含量不超标的稻米。

Description

一种降低稻米镉含量的轻简化方法及应用
技术领域
本发明涉及重金属污染防治领域，特别是涉及一种降低稻米镉含量的轻简化方法和应用。
背景技术
近些年我国农田土壤重金属污染越发严重，其中首要污染物为重金属Cd，点位超标率达7％。
Cd是生物体非必需元素，由于其具有高迁移性、高毒害性、高积累性和难消除性，被视为生物毒性最强的重金属。重金属Cd进入土壤后，由于其具有较高的生物活性，易被植物体吸收富集，同时随着食物链的放大，对人体健康产生威胁，包括导致骨质疏松、动脉硬化、引起肾脏损伤等。
水稻作为我国主要的粮食产物之一，土壤Cd污染会造成稻米Cd含量超标，进而对人体健康造成危害。可见如何控制稻米中的Cd含量，显得尤为重要。阻控稻米Cd超标的措施有很多，针对已经污染的土壤主要通过对其进行修复以达到安全生产的目的。针对农田Cd污染修复与治理比较有效的方法是施入一些土壤钝化材料，包括石灰、粉煤灰、羟基磷灰石、有机肥料等，进而提高土壤pH，增加土壤吸附位点，降低土壤中Cd的活性，阻控水稻根部吸收。但由于Cd的生物迁移性很强，仍然会有一部分Cd离子被水稻根部吸收，继而迁移到茎、叶、籽粒中。另外，钝化材料随着施入时间的延长，钝化稳定性下降，土壤中的重金属Cd有可能重新活化，进而迁移到作物可食部分，特别是南方稻区酸性水稻土由于酸沉降等原因更易被再次活化。
针对大面积重金属污染的农田，如何用最低成本、最便捷的操作方法获得Cd含量不超标的稻米是目前亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种降低稻米镉含量的轻简化方法和应用，本发明的方法能够用较低成本、轻便的操作获得Cd含量不超标的稻米。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种降低稻米Cd含量的轻简化方法，包括：将种子与浸种剂混合浸种，播种浸种后的种子，收获后得到Cd含量低的稻米；所述浸种剂的有效成分包括植物所需的微量元素；所述微量元素包括硒元素、硅元素、锌元素或铁元素，或硒元素和铁元素的混合物、硒元素和硅元素的混合物或硒元素和锌元素的混合物；
当所述微量元素为硒元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为0.5～6mg/L；
当所述微量元素为硅元素时，所述浸种剂中硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；
当所述微量元素为锌元素时，所述浸种剂中锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L；
当所述微量元素为铁元素时，所述浸种剂中铁元素的浓度为3～5mg/L；
当所述微量元素为硒元素和铁元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，铁元素的浓度为3～5mg/L；
当所述微量元素为硒元素和硅元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；
当所述微量元素为硒元素和锌元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L。
优选的，所述种子与浸种剂的质量体积比为1g:(4～7)mL；所述种子的含水率为12％～14％。
优选的，当所述微量元素包括硒元素时，所述硒元素的来源包括Na2SeO3；
当所述微量元素包括硅元素时，所述硅元素的来源包括硅酸；
当所述微量元素包括锌元素时，所述锌元素的来源包括ZnSO4·7H2O；
当所述微量元素包括铁元素时，所述铁元素的来源包括FeSO4·7H2O。
优选的，当所述微量元素为硅元素时，所述浸种剂的制备方法包括：将硅酸与水混合超声处理，得到浸种剂；
当所述微量元素为硒元素和硅元素的混合物时，所述浸种剂的制备方法包括：将硅酸与水混合超声处理，得到硅酸混悬液；
将硅酸混悬液与Na2SeO3混合，得到浸种剂。
优选的，所述超声处理的温度为30℃；所述超声处理的时间为7～8h。
优选的，种子与浸种剂混合后还包括静置处理；所述静置在黑暗中进行，所述静置的时间为24～26h，温度为24～29℃。
优选的，所述播种前还包括对浸种后的种子进行催芽处理；所述催芽处理的时间为3～5d。
优选的，种子与浸种剂混合前还包括对种子进行消毒处理；所述消毒的方法包括：
将种子用乙醇水溶液消毒后，再用次氯酸钠水溶液消毒，最后用无菌水漂洗；所述乙醇水溶液中乙醇的体积浓度为65％～75％；所述次氯酸钠水溶液中有效氯含量为5％～7％。
优选的，所述乙醇水溶液消毒的时间为4～6min；所述次氯酸钠水溶液消毒的时间为25～35min。
本发明还提供了上述方法在降低Cd污染土壤上种植的稻米Cd含量中的应用。
有益效果：
本发明提供一种降低稻米镉含量的轻简化方法，包括：将种子与浸种剂混合浸种，播种浸种后的种子，收获后得到Cd含量低的稻米；所述浸种剂的有效成分包括植物所需的微量元素；所述微量元素包括硒元素、硅元素、锌元素或铁元素，或硒元素和铁元素的混合物、硒元素和硅元素的混合物或硒元素和锌元素的混合物；当所述微量元素为硒元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为0.5～6mg/L；当所述微量元素为硅元素时，所述浸种剂中硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；当所述微量元素为锌元素时，所述浸种剂中锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L；当所述微量元素为铁元素时，所述浸种剂中铁元素的浓度为3～5mg/L；当所述微量元素为硒元素和铁元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，铁元素的浓度为3～5mg/L；当所述微量元素为硒元素和硅元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；当所述微量元素为硒元素和锌元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L。本发明通过浸种的方法，将种子与所述浸种剂混合浸种，能够用最低成本、最轻便方法获得Cd含量不超标的稻米。
附图说明
图1为应用例1水稻及糙米分析结果图；
图2为应用例2水稻及糙米分析结果图；
图3为应用例3水稻及糙米分析结果图；
图4为应用例4水稻及糙米分析结果图；
图5为应用例5水稻及糙米分析结果图；
图6为应用例6中不同Se浓度浸种处理后籽粒中Se的含量测定结果图；
图7为应用例7中Se浸种后不同品种水稻籽粒中的Se含量测定结果图。
具体实施方式
本发明提供一种降低稻米镉含量的轻简化方法，包括：将种子与浸种剂混合浸种，播种浸种后的种子，收获后得到Cd含量低的稻米；所述浸种剂的有效成分包括植物所需的微量元素；所述微量元素包括硒元素、硅元素、锌元素或铁元素，或硒元素和铁元素的混合物、硒元素和硅元素的混合物或硒元素和锌元素的混合物；当所述微量元素为硒元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为0.5～6mg/L；当所述微量元素为硅元素时，所述浸种剂中硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；当所述微量元素为锌元素时，所述浸种剂中锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L；当所述微量元素为铁元素时，所述浸种剂中铁元素的浓度为3～5mg/L；当所述微量元素为硒元素和铁元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，铁元素的浓度为3～5mg/L；当所述微量元素为硒元素和硅元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；当所述微量元素为硒元素和锌元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L。
如无特殊说明，本发明对所述浸种剂中的各组分来源没有限定，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。
本发明将种子与浸种剂混合浸种，得到浸种后的种子。在本发明中，种子与浸种剂混合前优选还包括对种子进行消毒处理；所述消毒的方法优选包括：将种子用乙醇水溶液消毒后，再用次氯酸钠水溶液消毒，最后用无菌水漂洗；所述乙醇水溶液中乙醇的体积浓度优选为65％～75％，更优选为70％；所述乙醇消毒的时间优选为4～6min，更优选为5min；所述次氯酸钠水溶液中有效氯含量优选为5％～7％，更优选为6％；所述次氯酸钠消毒的时间优选为25～35min，更优选为30min；所述漂洗的次数优选为5～6次。
在本发明中，当所述微量元素为硒元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为0.5～6mg/L，优选为1～5.5mg/L，更优选为5mg/L；所述硒元素的来源优选包括Na2SeO3；所述Na2SeO3的纯度优选大于99％；所述浸种剂的制备方法优选包括：将Na2SeO3与水混合，得到浸种剂；本发明对混合的方式没有限定，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。本发明通过将适宜浓度的硒元素溶液对水稻种子进行浸种处理，可以提高生长后的水稻根部和叶片的抗氧化酶(超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT和谷胱甘肽过氧化物酶GSH-Px)活性和脯氨酸(Pro)含量，并降低过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量，且有利于水稻根中不溶性Cd硒络合物的形成，由此降低了土壤溶液中生物有效态Cd含量，抑制了水稻对Cd的吸收和运输；此外，还可以提高水稻细胞的活性氧ROS，并使得线粒体膜电位降低，增加水稻植株木质素的含量和细胞壁的厚度；另外，硒元素浸种处理还可以降低水稻中Cd摄取相关基因(OsNramp5)和转运相关基因(OsLCT1)的表达，并激活了木质素合成相关基因(OsPAL、OsCoMT和Os4CL3)的表达，由此通过调节木质素合成和Cd相关基因的表达来降低水稻植株对于Cd的吸收和转运能力，进而降低稻米的Cd含量。
在本发明中，当所述微量元素为硅元素时，所述浸种剂中硅元素的浓度为1.5～5mmol/L，优选为1.8～4mmol/L，更优选为2mmol/L；所述硅元素的来源优选包括硅酸；所述硅酸的纯度优选大于99％；所述浸种剂的制备方法优选包括：将硅酸与水混合超声处理，得到浸种剂；所述超声处理的温度优选为30℃；所述超声处理的时间优选为7～8h，更优选为7.5h；所述超声处理的设备优选包括超声清洗仪。本发明对所述超声清洗仪的来源没有限定，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。本发明通过超声处理，可以将硅酸均匀分散于浸种剂中。本发明通过将适宜浓度的硅元素溶液对水稻种子进行浸种，可以通过下调Cd转运基因导致生长后的水稻对Cd的吸收和转运减少，并通过增强抗氧化酶活性，改善Cd诱导的氧化应激，降低Cd诱导的超氧化物歧化酶(SOD)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的增加，降低生长后的受Cd胁迫水稻的丙二醛(MDA)、过氧化氢(H2O2)和氧气(O2)含量，缓解Cd诱导的氧化应激，同时提高水稻叶片叶绿素含量，提高根系活力，提高对重金属的抵抗能力，从而减轻水稻植株Cd的积累和毒性；此外，硅元素可以改善水稻的生长参数，保护水稻免受Cd毒性引起的细胞死亡和电解质渗漏，其通过促进水稻悬浮细胞的果胶合成、果胶甲基酯酶和阳离子交换能力，在重金属胁迫下维持细胞壁完整性发挥重要作用，由此使得水稻在根部保留Cd并限制Cd的向地上部转运。
在本发明中，当所述微量元素为锌元素时，所述浸种剂中锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L，优选为0.5mol/L；所述锌元素的来源优选包括ZnSO4·7H2O；所述ZnSO4·7H2O的纯度优选大于99％；所述浸种剂的制备方法优选包括：将ZnSO4·7H2O与水混合，得到浸种剂；本发明对混合的方式没有限定，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。本发明通过将适宜浓度的锌元素溶液对水稻种子进行浸种，通过锌对Cd的拮抗作用降低种子和水稻植株对Cd的吸收和转运能力，同时可以增加成长后的水稻叶片中叶绿素a、b、a+b的含量，并增强超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性，降低丙二醛(MDA)含量，增加可溶性蛋白和可溶性糖的含量，由此提高水稻生长过程中的抗氧化物酶活性，减缓脂质过氧化作用，增强物质代谢水平，进而降低稻米的Cd含量。
在本发明中，当所述微量元素为铁元素时，所述浸种剂中铁元素的浓度为3～5mg/L，优选为4mg/L；所述铁元素的来源优选包括FeSO4·7H2O；所述FeSO4·7H2O的纯度优选大于98％；所述浸种剂的制备方法优选包括：将FeSO4·7H2O与水混合，得到浸种剂；本发明对混合的方式没有限定，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。本发明通过将适宜浓度的铁元素溶液对水稻种子进行浸种，不仅可以增强成长后水稻的抗氧化酶活性，而且可以增加水稻的光合效率，提高Cd胁迫下水稻的株高、干重、叶绿素浓度和气体交换属性，通过增强水稻的生理指标来缓解Cd诱导的毒性效应；另外，在水稻的营养生长阶段，铁、Cd被特定的根系转运体吸收，通过木质部-韧皮部转运***转运到地上部分，适宜浓度的铁元素浸种则可以抑制Cd在木质部和韧皮部运输基因OsIRT1，OsNRAMP1和OsNRAMP5的表达；此外，适宜浓度的铁元素浸种可以增加成长后的水稻幼苗细胞中的植物螯合素(PC)，这有助于与细胞液泡内的Cd螯合，由此可以降低水稻植株对于Cd的吸收，进而降低稻米的Cd含量。
在本发明中，当所述微量元素为硒元素和铁元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，优选为5mg/L；所述浸种剂中铁元素的浓度为3～5mg/L，优选为4mg/L；所述硒元素的来源优选包括Na2SeO3，铁元素的来源优选包括FeSO4·7H2O；所述Na2SeO3的纯度优选大于99％；所述FeSO4·7H2O的纯度优选大于98％；所述浸种剂的制备方法优选包括：将Na2SeO3和FeSO4·7H2O与水混合，得到浸种剂；本发明对混合的方式没有限定，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。本发明通过将适宜浓度的硒元素和铁元素溶液对水稻种子进行浸种，不仅可以增强生长后水稻的抗氧化酶活性，提高对重金属的抵抗能力，而且硒元素可以通过清除超氧阴离子和H2O2，刺激SOD和CAT活性，提高水稻根系泌氧水平，铁元素可以促进水稻根系根表铁膜的形成；两种元素的复配可以通过增加水稻根中的根系泌氧，促进根表铁膜的形成，从而降低水稻植株对于Cd的吸收，进而降低稻米的Cd含量。
在本发明中，当所述微量元素为硒元素和硅元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，优选为5mg/L；所述浸种剂中硅元素的浓度为1.5～5mmol/L，优选为1.8～4mmol/L，更优选为2mmol/L；所述硒元素的来源优选包括Na2SeO3，硅元素的来源优选包括硅酸；所述Na2SeO3的纯度优选大于99％；所述硅酸的纯度优选大于99％；所述浸种剂的制备方法优选包括：将硅酸与水混合超声处理，得到硅酸混悬液；将硅酸混悬液与Na2SeO3混合，得到浸种剂；本发明对混合的方式没有限定，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。本发明所述硅元素和硒元素均能有效缓解Cd的毒性，且硅和硒具有较强的协同效应。本发明通过将适宜浓度的硒元素和硅元素溶液对水稻种子进行浸种，可以促进水稻植株生长，降低根部和地上部丙二醛(MDA)含量，降低Cd转运因子；此外，硅硒复配可以增加根细胞壁和细胞器中谷胱甘肽(GSH)含量、植物螯合素(PC)含量，导致PC-Cd分隔成液泡，并调节水稻中OsNramp1和OsHMA3的相对表达，促进Cd在细胞壁和液泡中的隔离，下调OsHMA2的相对表达量，抑制Cd的运输，减少Cd在水稻幼苗中的积累，由此将Cd封存在水稻根细胞壁和细胞器中，减少Cd向水稻植株地上部的转移。
在本发明中，当所述微量元素为硒元素和锌元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，优选为5mg/L；所述浸种剂中锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L，优选为0.5mol/L；所述硒元素的来源优选包括Na2SeO3，锌元素的来源优选包括ZnSO4·7H2O；所述Na2SeO3的纯度优选大于99％；所述ZnSO4·7H2O的纯度优选大于99％；所述浸种剂的制备方法优选包括：将Na2SeO3和ZnSO4·7H2O与水混合，得到浸种剂；本发明对混合的方式没有限定，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。本发明通过将适宜浓度的硒元素和锌元素溶液对水稻种子进行浸种，不仅通过锌对Cd的拮抗作用降低种子和水稻植株对Cd的吸收和转运能力，而且可以增加水稻植株的抗氧化能力，同时通过最小活性氧的产生和抑制细胞的氧化损伤，提高对重金属的抵抗能力，从而降低水稻植株对于Cd的吸收和转运能力，进而降低稻米中的Cd含量。
在本发明中，所述种子与浸种剂的质量体积比优选为1g:(4～7)mL，更优选为1g:5mL；所述种子的含水率优选为12％～14％。
在本发明中，种子与浸种剂混合后优选还包括静置处理，得到浸种后的种子；所述静置优选在黑暗中进行，所述静置的时间优选为24～26h，更优选为25h；所述静置的温度优选为24～29℃，更优选为25～27℃，最优选为26℃。
得到浸种后的种子后，本发明播种浸种后的种子，培育后得到耐Cd能力强的植株。在本发明中，所述播种前优选还包括对种子进行催芽处理；所述催芽处理的时间优选为3～5d，更优选为4d。本发明对所述催芽的方式没有限定，采用本领域技术人员所熟知的催芽方式即可。
在本发明中，所述播种的方式优选包括机械直播、手工直播、旱直播、水中直播或育秧后移栽。
本发明通过将水稻种子与含有适宜浓度的植物所需微量元素的浸种剂混合浸种，不仅可以减少植物根部对Cd的吸收，而且可以降低Cd在植物根部向其他部位的转运，从而提高植物的耐Cd能力；另外，本发明的方法能够用最低成本、最轻便的操作方法获得Cd含量不超标的稻米，使得在Cd污染土壤上种植的水稻中糙米Cd含量显著低于食品安全国家标准/食品中污染物限量标准0.2mg/kg，同时节省大量人力和物力，完全适合在我国水稻等大宗农产品重金属污染防治技术领域推广使用。
本发明还提供了上述方案所述的方法在降低Cd污染土壤上种植的稻米Cd含量中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种降低稻米镉含量的轻简化方法及应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种降低稻米镉含量的轻简化方法，该方法的盆栽试验具体如下：
盆栽试验设置在江苏省中国科学院植物研究所的大棚内。供试土壤为Cd超标的潴育型水稻土，土壤基本理化性质见表1。根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)，土壤Cd含量介于农田土壤Cd风险筛选值和管控值之间，属于土壤Cd轻度污染，国内80％以上的稻田Cd污染属于此范围内。供试水稻品种创两优276，是江苏省主推品种，属于籼型两系杂交水稻品种。将水稻种子先用70％乙醇表面灭菌5min，5％次氯酸钠表面灭菌30min，再用无菌蒸馏水漂洗种子5～6次；消毒后，将种子分别转移至含有浸种剂(浸种剂为Na2SeO3溶液，其中硒元素浓度为1mg/L；种子与浸种剂的质量体积比为1g:5mL)的烧杯中，烧杯顶部用干净的纸覆盖，然后在没有光(25±1℃)的情况下保持24h，24h后，取出种子，用蒸馏水清洗水稻种子2～5遍，并通过保持在两层滤纸之间然后在明亮的阳光下干燥直至其变得完全干燥即初始重量的±10％来干燥；然后将干燥的种子置于覆盖有湿润滤纸的培养皿中催芽3d，待种子的芽大于2mm后进行播种。将发芽的种子播种至装有5kg供试土壤的塑料盆中(底径20cm×口径30cm×高20cm)，每盆种植三兜，每兜一株。控制水分含量和肥料：播种前每盆一次性施尿素2.5g，磷酸氢二钾1.0g，分别相对于大田1200kg/公顷和480kg/公顷，整个生育期保持淹水2～3cm，其它管理措施与大面积生产基本一致。
表1供试土壤基本理化性质
Figure BDA0003079963740000101
实施例2
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为Na2SeO3溶液，其中硒元素浓度为5mg/L。
实施例3
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为硅酸混悬液，其中硅元素浓度为2mmol/L；所述浸种剂的制备方法包括：将硅酸与水混合加入超声清洗仪中，水浴温度30℃，超声处理7.5h，得到浸种剂。
实施例4
一种与实施例3相似的方法，唯一区别在于，浸种剂中硅元素浓度为4mmol/L。
实施例5
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为ZnSO4·7H2O溶液，其中锌元素浓度为0.5mol/L。
实施例6
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为FeSO4·7H2O和Na2SeO3的混合物溶液，其中硒元素浓度为5mg/L，铁元素的浓度为4mg/L。
实施例7
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为Na2SeO3溶液和硅酸混悬液的混合液，其中硒元素浓度为5mg/L，硅元素的浓度为2mmol/L。
实施例8
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为Na2SeO3和ZnSO4·7H2O的混合物溶液，其中硒元素浓度为5mg/L，锌元素的浓度为0.5mol/L。
实施例9
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为FeSO4·7H2O溶液，其中铁元素的浓度为4mg/L。
对比例1
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种剂为清水。
对比例2
一种与实施例1相似的方法，唯一区别在于，浸种中硒元素浓度为20mg/L。
应用例1
将实施例1和2和对比例1和2四个浸种浓度分别进行三个重复(3盆)。于水稻成熟期，收获各处理的每盆水稻的根、茎、叶和籽粒，用去离子水冲洗后样品在105℃下杀青30min，然后在75℃下烘干至恒重，称重，粉碎。对于稻米Cd的分析，将粉碎的糙米样品用HNO3-HClO4在电热板中消解，直到得到澄清的溶液，然后使用电感耦合等离子体质谱ICP-MS进行测定。消解过程使用分析标准物质菠菜(GBW10015)，与试剂空白分析重复相结合，以保证消解程序的准确性和精确度。测试结果如表1和图1所示。
表1不同浸种浓度处理后水稻成熟期各部位Cd含量
Figure BDA0003079963740000121
由表1和图1中A可以看出，在Cd污染(0.8mg/kg)土壤中，与不对水稻种子进行浸种处理的空白对照相比，处理后水稻籽粒Cd含量显著降低，降幅达49％～45％，另外对比不同的Se浸种浓度可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Se浓度为1～5mg/L时，效果较佳，水稻籽粒Cd含量降低到0.06～0.1mg/kg，显著低于食品安全国家标准/食品中污染物限量标准0.2mg/kg；而对比例2中的水稻籽粒Cd含量虽然也低于食品安全国家标准，但是浸种剂中Se元素浓度过高，不仅会增加生产成本，而且也会对水稻的生长产生毒害作用。。
由表1和图1中B可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻根部Cd含量明显降低，降幅达10％～76％，另外对比不同的Se浸种浓度可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Se浓度为5mg/L时，效果最佳，水稻根部Cd含量显著低于空白对照的水稻根部Cd含量，可见经过含Se溶液浸泡后的种子生长的水稻可以减少其从根部对Cd的吸收。
由表1和图1中C可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻茎部Cd含量显著降低，降幅达53％～76％，另外对比不同的Se浸种浓度可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Se浓度为1～5mg/L时，效果最佳，水稻茎部Cd含量显著低于空白对照的水稻茎部Cd含量，可见经过含Se溶液浸泡后的种子生长的水稻可以降低Cd在其体内从根部向茎部的转移。
由表1和图1中D可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻叶部Cd含量显著降低，降幅达59％～78％，另外对比不同的Se浸种浓度可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Se浓度为5mg/L时，效果最佳，水稻叶部Cd含量显著低于空白对照的水稻叶部Cd含量，可见经过含Se溶液浸泡后的种子生长的水稻可以降低Cd在其体内向地上部分的转运。
应用例2
与应用例相同的测试方法对实施例3、4和7和对比例1中的水稻及糙米进行分析，测试结果见表2和图2。
表2不同浸种浓度和方式处理后水稻成熟期各部位Cd含量
Figure BDA0003079963740000131
由表2和图2中A可以看出，在Cd污染(0.8mg/kg)土壤中，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻籽粒Cd含量显著降低，降幅达46％～84％，另外对比不同的Si浸种浓度和复配方式可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Si浓度为2mmol/L时，效果较佳，水稻籽粒Cd含量降低到0.04mg/kg，显著低于食品安全国家标准0.2mg/kg。
由表2和图2中B可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻根部Cd含量部分降低，降幅达1％～50％。
由表2和图2中C可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻茎部Cd含量显著降低，降幅达43％～80％，另外对比不同的Si浸种浓度和复配方式可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Si浓度为2mmol/L时，效果最佳，水稻茎部Cd含量显著低于空白对照的水稻茎部Cd含量，结合各处理水稻中根部Cd含量，可见经过含Si溶液浸泡后的种子生长的水稻可以降低Cd在其体内从根部向茎部的转移。
由表2和图2中D可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻叶部Cd含量显著降低，降幅达59％～89％，另外对比不同的Si浸种浓度和复配方式可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Si浓度为2mmol/L时，效果最佳，水稻叶部Cd含量显著低于空白对照的水稻叶部Cd含量，可见经过含Si溶液浸泡后的种子生长的水稻可以降低Cd在其体内向地上部分的转运。
应用例3
与应用例相同的测试方法对实施例5和8和对比例1中的水稻及糙米进行分析，测试结果见表3和图3。
表3不同浸种方式处理后水稻成熟期各部位Cd含量
Figure BDA0003079963740000141
由表3和图3中A可以看出，在Cd污染(0.8mg/kg)土壤中，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻籽粒Cd含量显著降低，降幅达61％～93％，另外对比不同的Zn浸种方式可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Zn浓度为0.5mol/L时，效果较佳，水稻籽粒Cd含量降低到0.018mg/kg，显著低于食品安全国家标准0.2mg/kg。
由表3和图3中B可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻根部Cd含量显著降低，降幅达43％～55％。另外对比不同的Zn浸种方式可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Zn浓度为0.5mol/L时，效果最佳，水稻根部Cd含量显著低于空白对照的水稻根部Cd含量，可见经过含Zn溶液浸泡后的种子生长的水稻可以减少其从根部对Cd的吸收。
由表3和图3中C可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻茎部Cd含量显著降低，降幅达72％～91％，另外对比不同的Zn浸种浓度方式可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Zn浓度为0.5mol/L时，效果最佳，水稻茎部Cd含量显著低于空白对照的水稻茎部Cd含量，可见经含Zn溶液浸泡后生长的水稻可以降低Cd在其体内从根部向茎部的转移。
由表3和图3中D可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻叶部Cd含量显著降低，降幅达62％～96％，另外对比不同的Zn浸种方式可得，本发明水稻浸种剂在水溶性Zn浓度为0.5mol/L时，效果最佳，水稻叶部Cd含量显著低于空白对照的水稻叶部Cd含量，可见经过含Zn溶液浸泡后的种子生长的水稻可以降低Cd在其体内向地上部分的转运。
应用例4
与应用例相同的测试方法对实施例6和对比例1中的水稻及糙米进行分析，测试结果见表4和图4。
表4不同浸种方式处理后水稻成熟期各部位Cd含量
Figure BDA0003079963740000151
由表4和图4中A可以看出，在Cd污染(0.8mg/kg)土壤中，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，本发明水稻浸种剂在水溶性Fe浓度为4mg/L、Se浓度为5mg/L时，效果最佳，水稻籽粒Cd含量降低到0.061mg/kg，显著低于食品安全国家标准0.2mg/kg。
由表4和图4中B可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻根部Cd含量显著降低，降幅达57％～74％。另外，本发明水稻浸种剂在水溶性Fe浓度为4mgl/L、Se浓度为5mg/L时，效果最佳，水稻根部Cd含量显著低于空白对照的水稻根部Cd含量，可见经过含Fe与Se溶液浸泡后的种子生长的水稻可以减少其从根部对Cd的吸收。
由表4和图4中C可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻茎部Cd含量显著降低，降幅达36％～74％，另外，本发明水稻浸种剂在水溶性Fe浓度为4mgl/L、Se浓度为5mg/L时，效果最佳，水稻茎部Cd含量显著低于空白对照的水稻茎部Cd含量，可见经含Fe和Se溶液浸泡后的种子生长的水稻可以降低Cd在其体内从根部向茎部的转移。
由表4和图4中D可以看出，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，处理后水稻叶部Cd含量显著降低，降幅达31％～79％，另外，本发明水稻浸种剂在水溶性Fe浓度为4mgl/L、Se浓度为5mg/L时，效果最佳，水稻叶部Cd含量显著低于空白对照的水稻叶部Cd含量，可见经过含Zn溶液浸泡后的种子生长的水稻可以降低Cd在其体内向地上部分的转运。
应用例5
一种降低稻米镉含量的轻简化方法，该方法的大田试验具体如下：
试验区位于江西省贵溪市某污染的农田(土壤全Cd含量0.85mg/kg)，该区域主要土壤类型为河流冲积物母质发育的水稻土，其主要污染物是重金属Cd，土壤基本理化性质见表5。根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)，Cd含量介于农田土壤Cd风险筛选值(0.3mg/kg)和管控值(1.5mg/kg)之间，属于土壤Cd轻中度污染，国内80％以上的稻田Cd污染属于此范围内。
表5供试土壤基本理化性质
Figure BDA0003079963740000161
具体处理如下：本试验采用单因子差异重复设计，选择两种水稻，分别为盆栽实验验证有效的创两优276以及当地常用品种五优华占。采用与实施例1相似的浸种和催芽处理，唯一区别在于浸种剂不同，共设10个处理，3次重复，共计30个小区，每小区面积为20m2(4m×5m)，随机区组排列，各小区间PVC板隔开，防止因雨水径流影响试验结果。实验处理如下：
表6试验处理示意表
组别 浸种剂 水稻品种
1 对比例1 创两优276
2 实施例1 创两优276
3 实施例3 创两优276
4 实施例5 创两优276
5 实施例9 创两优276
6 对比例1 五优华占
7 实施例1 五优华占
8 实施例3 五优华占
9 实施例5 五优华占
10 实施例9 五优华占
注：表6中浸种剂表示不同处理所用浸种剂为对应实施例或对比例中的浸种剂。
按实施例1中的方法浸种、催芽后进行播种，以浸种前的种子干重计，所述播种的种子用量为0.1667kg/公顷。控制水分含量和肥料：播种前对耕地进行平整，并施尿素200kg/公顷，磷酸氢二钾480kg/公顷，整个生育期保持淹水2～3cm，其它管理措施与大面积生产基本一致。
于水稻成熟期，采用五点采样法收获各处理的每个小区水稻的籽粒样品，用去离子水冲洗后样品在105℃下杀青30min，然后在75℃下烘干至恒重，称重，粉碎。将粉碎的籽粒样品用HNO3-HClO4在电热板中消解，直到得到澄清的溶液，然后使用电感耦合等离子体质谱ICP-MS进行测定。消解过程使用分析标准物质菠菜(GBW10015)，与试剂空白分析重复相结合，以保证消解程序的准确性和精确度。测试结果如表7和图5所示。
表7不同浸种浓度处理后不同品种的水稻中籽粒Cd含量
Figure BDA0003079963740000171
Figure BDA0003079963740000181
由表7和图5可以看出，在Cd污染(0.85mg/kg)大田土壤中，针对两个不同品种的水稻，与对水稻种子进行清水浸种处理的空白对照相比，本发明水稻浸种剂在水溶性Se浓度为1mg/L、Si浓度为2mmol/L、Zn浓度为0.5mol/L、Fe浓度为4mg/L时均有显著效果，并且使得水稻籽粒Cd含量低于食品安全国家标准0.2mg/kg。与盆栽实验结果一致，由此推断可推广使用。
应用例6
于水稻成熟期，分别收获实施例1、2、6、7、8和对比例1和2中不同浸种处理的每盆水稻的籽粒，采用GB5009.268-2016中的电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，测定不同处理收获后籽粒中Se的含量，测定结果见图6和表8。
表8不同Se浓度浸种处理后籽粒中Se的含量
浸种剂 Se含量(μg/kg)
实施例1 33.89
实施例2 29.87
实施例6 31.25
实施例7 27.81
实施例8 33.31
对比例1 33.74
对比例2 74.82
注：表8中浸种剂表示不同处理所用浸种剂为对应实施例或对比例中的浸种剂。
由图6和表8可以看出，不同浓度的Se元素浸种后，只有在水溶性Se浓度为20mg/L(对比例2组)浸种时，才显著提高了籽粒中的Se元素含量；而且用适宜浓度的Se元素的溶液浸种处理后，收获的水稻籽粒(糙米)中Se元素的含量与对比例1中清水浸种方法的结果差异不显著。这是由于浸种后的水稻种子吸收Se元素后，将Se元素转化为内源性的有机Se，导致水稻吸收外源性的硒元素能力降低，因此对于低浓度的Se元素浸种处理来说，成熟后籽粒中的硒含量变化不显著；另外，浸种处理后的种子中的Se以有机Se的形态存在，无毒无害。
由盆栽试验可知，用适宜浓度的Se元素的溶液浸种处理后，收获得到的稻米对人体无健康风险。
应用例7
于水稻成熟期，采用五点采样法收获各处理的每个小区水稻的籽粒样品，采用GB5009.268-2016中的电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，分别测定应用例5中采用实施例1和对比例1浸种剂分别浸种不同水稻品种处理后籽粒中Se的含量，测定结果见图7和表9。
表9Se浸种后不同品种水稻籽粒中的Se含量
浸种剂 水稻品种 Se含量(μg/kg)
实施例1 创两优276 142.24
对比例1 创两优276 129.97
实施例1 五优华占 87.89
对比例1 五优华占 82.96
注：表9中浸种剂表示不同处理所用浸种剂为对应实施例或对比例中的浸种剂。
由图7和表9可以看出，在大田试验时，针对不同品种的水稻，本发明实施例1中的水稻浸种剂对于成熟后籽粒中(糙米)的Se元素含量影响不显著，与盆栽实验结果一致。而在2011年，根据《食品安全法》和《食品安全国家标准管理办法》的规定，经食品安全国家标准审评委员会审查通过，现决定取消《食品中污染物限量》(GB2762-2005)中硒指标(Se限量标准0.3mg/kg)；同时，作为人体和动物必需的Se，大部分稻米中Se含量在40μg/kg左右，低于我国食品卫生标准，根据我国平均食物消费结构，人均每年消费稻麦等谷类粮食作物206kg，设谷类全部为大米，则成人每天消费稻米0.564kg，通过计算可知，创两优276水稻品种浸种Se处理的稻米，成人每天的硒摄入量为80μg，远高于国家营养协会推荐的成人最低日摄入量40μg，更具有市场需求；另外，浸种处理后的种子中的Se以有机Se的形态存在，对人体无健康风险。
由大田试验可知，用适宜浓度的Se元素的溶液浸种处理后，收获得到的稻米对人体无健康风险，且营养价值更高。
综上所述，本发明的方法通过将种子与含有适宜浓度的植物所需微量元素的浸种剂混合浸种，不仅可以减少植物根部对Cd的吸收，而且可以降低Cd在植物根部向其他部位的转运，从而提高植物的耐Cd能力；另外，本发明的方法能够最低成本、最轻便的方法获得Cd含量不超标的稻米，使得在Cd污染土壤上种植的水稻中糙米Cd含量显著低于食品安全国家标准0.2mg/kg，同时节省大量人力和物力，完全适合在我国水稻等大宗农产品重金属污染防治技术领域大面积推广使用。
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)

1.一种降低稻米镉含量的轻简化方法，其特征在于，包括：将种子与浸种剂混合浸种，播种浸种后的种子，收获后得到Cd含量低的稻米；所述浸种剂的有效成分包括植物所需的微量元素；所述微量元素包括硒元素、硅元素、锌元素或铁元素，或硒元素和铁元素的混合物、硒元素和硅元素的混合物或硒元素和锌元素的混合物；
当所述微量元素为硒元素时，所述浸种剂中硒元素的浓度为0.5～6mg/L；
当所述微量元素为硅元素时，所述浸种剂中硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；
当所述微量元素为锌元素时，所述浸种剂中锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L；；
当所述微量元素为铁元素时，所述浸种剂中铁元素的浓度为3～5mg/L；
当所述微量元素为硒元素和铁元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，铁元素的浓度为3～5mg/L；
当所述微量元素为硒元素和硅元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，硅元素的浓度为1.5～5mmol/L；
当所述微量元素为硒元素和锌元素的混合物时，所述浸种剂中硒元素的浓度为4～6mg/L，锌元素的浓度为0.25～0.75mol/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述种子与浸种剂的质量体积比为1g:(4～7)mL；所述种子的含水率为12％～14％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述微量元素包括硒元素时，所述硒元素的来源包括Na2SeO3；
当所述微量元素包括硅元素时，所述硅元素的来源包括硅酸；
当所述微量元素包括锌元素时，所述锌元素的来源包括ZnSO4·7H2O；
当所述微量元素包括铁元素时，所述铁元素的来源包括FeSO4·7H2O。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述微量元素为硅元素时，所述浸种剂的制备方法包括：将硅酸与水混合超声处理，得到浸种剂；
当所述微量元素为硒元素和硅元素的混合物时，所述浸种剂的制备方法包括：将硅酸与水混合超声处理，得到硅酸混悬液；
将硅酸混悬液与Na2SeO3混合，得到浸种剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述超声处理的温度为30℃；所述超声处理的时间为7～8h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，种子与浸种剂混合后还包括静置处理；所述静置在黑暗中进行，所述静置的时间为24～26h，温度为24～29℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述播种前还包括对浸种后的种子进行催芽处理；所述催芽处理的时间为3～5d。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，种子与浸种剂混合前还包括对种子进行消毒处理；所述消毒的方法包括：
将种子用乙醇水溶液消毒后，再用次氯酸钠水溶液消毒，最后用无菌水漂洗；所述乙醇水溶液中乙醇的体积浓度为65％～75％；所述次氯酸钠水溶液中有效氯含量为5％～7％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述乙醇水溶液消毒的时间为4～6min；所述次氯酸钠水溶液消毒的时间为25～35min。
10.权利要求1～9任一项所述的方法在降低Cd污染土壤上种植的稻米Cd含量中的应用。
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