利用有机碳源缓解添镉土壤中小麦镉(Cd)毒性及其对镉的吸收外文翻译资料

 2021-11-30 06:11

英语原文共 9 页

利用有机碳源缓解添镉土壤中小麦镉(Cd)毒性及其对镉的吸收

Alleviation of cadmium (Cd) toxicity and minimizing its uptake in wheat (triticum aestivum) by organic carbon sources in Cd-spiked soil

摘要:

镉(Cd)-由于镉会进入小麦等粮食作物,其对农业土壤的污染一直受到世界范围的关注。关于有机碳(OC)源在减轻谷物中镉毒性方面的应用知之甚少。本实验旨在研究不同OC源对小麦镉积累的影响。盆栽实验研究了稻壳生物炭(RHB)、农家肥(FYM)、褐煤(LT)单独或联合施用对作物生长、镉生物利用度和健康风险评估的影响。结果表明,无论是单独应用还是联合应用RHB、FYM、LT等OC源,都能有效地促进小麦生长和产量,并能最大限度地减少土壤中Cd的植物有效成分及其向小麦可食用组织的转移。RHB是促进小麦生长、降低小麦组织中镉浓度最有效的来源。与对照相比,RHB提高了91%的籽粒产量,并分别降低了叶、根和籽粒中67%、69%和62.5%的镉含量,土壤中生物可利用镉相比对照组也减少了74%。相比对照组,RHB降低了成人的每日Cd摄取量和健康风险指数。总的来说,未经修正的土壤导致了植物生产力下降,其他OC源的应用也显著证明了它们有提高干重和粮食产量的潜力,这表明这些OC源可用于尽量减少作物中的镉浓度。然而,仍然需要探索不同OC源的潜力并结合其他常用的修正方案,为了它们在金属污染的土壤中大规模实施。

1 前言

农业土壤中有毒微量元素积累的主要来源是认为活动和地质活动,这可能是重金属向食物链转移的主要来源(Rizwan et al., 2016a; Rehman et al., 2015; Yin et al., 2016)。据研究,重金属会导致生物重度,主要是因为重金属在生态系统中具有持久性、毒性和不可生物降解的特性(Bolan et al., 2014; Adrees et al., 2015a; Yousaf et al., 2016)。在有毒金属中,镉是环境中最危险的元素之一(Nagajyoti et al., 2010; Rizwan et al., 2018)。农业土壤中镉积累的主要来源是现代农业实践,如市政废水和工业原料、污水污泥、磷肥及采矿废物焚烧和大气沉积(Murtaza et al., 2015; Qayyum et al., 2017)。镉进入植物的主要途径是通过根系吸收土壤中溶解的镉(Rizwan et al., 2016d)。由于镉与生长介质中的根直接接触,因此减少根生长是镉的第一个毒性效应(Rizwan et al., 2016b)。据研究,镉可导致植物生长迟缓、光合作用和产量降低,一些毒性症状如根的黄化和褐变也可能出现在植物中,这取决于生长介质中存在的镉浓度(Rizwan et al., 2017a)。镉还被证明会导致植物中活性氧(ROS)的积累,最终干扰植物中的几种代谢功能(Rizwanet al., 2016b)。

谷物中消耗是有毒重金属进入人体的主要途径(Rizwan et al., 2016a; b)。在谷物中,小麦是最重要的作物,主要用作全球范围的主食(Curtis and Halford, 2014)。在全球范围内,小麦是仅次于玉米和水稻的第三大(218亿公顷)种植谷类作物,其膳食摄入量位居第二。由于世界人口的增加以及小麦产品人居消费量的增加,小麦需求量正以惊人的速度增长(Curtis and Halford, 2014)。小麦相比于其他作物具有跟高的Cd积累和迁移能力,这可能加小麦籽粒中的Cd含量。小麦对镉的摄入主要取决于土壤类型、土壤污染水平和污染类型,而谷物对镉的吸收则取决于茎-籽粒转运和根系通过木质部-韧皮部向籽粒的运载(Harris and Taylor, 2013)。因此,必须减少粮食中Cd的积累,并最终减少人类中镉对普遍人群的健康风险。

大量的技术已经被考虑用于减少不同层次上许多植物对重金属的吸收,如水培、盆栽和田间应用(Adrees et al., 2015b; Ali et al., 2015; Khaliq et al., 2016; Yousaf et al., 2017)。在几项修正案例中,各种有机修正被采用,旨在减少植物对金属的吸收并提高土壤性质(Bian et al., 2014; Rehman et al., 2017)。有机处理比无机处理更受欢迎,因为它们具有更高的生物降解性和环境友好性以及其他许多优点(Rizwan et al., 2016c)。在各种有机改良剂中,生物炭是一种有机材料,主要由限定温度和时间的有限氧气供应下的作物副产物生产(Rizwan et al., 2016c)。文献表明,生物炭可用于土壤中有毒微量元素的固定化,这主要是由于生物炭与其他有机材料相比具有独特的性质,如表面积、高孔率、官能团、阳离子交换容量(CEC)和pH(Rizwan et al., 2016c; Abbas et al., 2017)。生物炭在土壤中的应用可能会增加土壤有机碳(OC)和其他矿质营养,这可能会提高土壤肥力,并根据土壤类型、生物炭的应用率和植物种类促进植物生长(Abbas et al., 2017)。

同样,其他常用的有机修正也可用于减少植物对金属的吸收(Yousaf et al., 2017; Etesami, 2018; Rehman et al., 2018)。为此,农家肥(FYM)和褐煤(LT)等有机原料因其高效性和生物降解性而成为吸引人的化学改性的替代品(Rehman et al., 2016)。FYM可用于减少植物对金属的吸收,这主要是因为在植物根系表面吸收重金属时,材料中存在的营养物质可能与重金属竞争(Rehman et al., 2018)。另一方面,人们越来越重视利用工业废物来修复受镉污染的土壤,在这方面,LT和粉煤灰被广泛认为是低成本的重金属稳定剂。褐煤是煤炭工业的副产物,通过还原分解生产。它是一种具有三维结构的极不均匀材料,含有很多的有机官能团,主要是羧基(Kwiatkowska et al., 2008; Paramashivam et al., 2016)。很少有研究报告LT对植物吸收重金属的影响(Simmler et al., 2013; Rehman et al., 2017)。

迄今为止,文献中已经报道了个别OC源的影响,但对于不同OC源在减轻镉毒性及其在植物中积累方面的联合作用,人们知之甚少。此外,大多数的有机改性剂都是根据干重使用的,但由于OC种类会随有机改性剂的变化而变化,因此人们对OC的含量知之甚少。因此,根据有机改性剂(生物炭、FYM、LT)的OC含量及其对镉吸收以及对小麦生长和含量的影响,在混合镉的土壤中对其进行了实验评估。总的来说,本实验的主要目的是:1)比较不同OC源对小麦生产和产量的影响;2)确定Cd转运因子、转运指数和收获指数;3)评估OC源对土壤中生物可利用Cd的影响;4)通过小麦籽粒的消耗来确定Cd的健康风险指数。

2 材料方法

2.1 土壤样品和分析

土壤样本取自巴基斯坦费萨拉巴德农业大学土壤与环境科学研究所(ISES)的一块农田的表层土壤(0-20 cm)。在室温下将样品铺在塑料板上,在阴处晾干,然后将土壤粉碎并从2 mm筛中筛出。使用比重计分析样品的粒径等级(Bouyoucos, 1962),使用pH计(HM-12P, Korea)测量pH。使用0.01 N KCl校准电导率仪(Sensodirect Con 200s-Lovibond, England)测量电导率(Richards, 1954)。可溶性离子和钠吸附比(SAR)由标准方案确定(US Salinity Laboratory Staff, 1954; Page et al., 1982)。用Walkleye Black法(Walkley and Black, 1934)测定有机碳含量,通过20 ml AB-DTPA处理10 g干燥过的土壤来使用碳酸氢铵二乙烯三胺五乙酸(AB-DTPA)萃取(Soltanpour, 1985)来测定植物有效金属离子。使用原子吸收光谱(AAS)(SolarS-100, Thermoelectron, USA)测定土壤提取物中的金属浓度。土壤的初选性质见表1。

2.2 土壤改良剂的收集和制备

本实验中评估的三种有机改性剂为:1.以稻草渣为原料,在450℃恒温马弗炉内限制氧气保持2 h制备稻壳生物炭(RHB);2.褐煤(LT)从当地供应商处采购;3.从UAF的牛场采集农家肥(FYM)。在自然干燥后,FYM和LT在45℃下烘烤5 d。所有的改性剂都经过研磨和2 mm筛网过滤,以获得均匀的粒径。通过制备1:20(固体与水)的悬浮液(固体和水)来分析所选材料的EC和pH值,并根据Jackson(1962)器材的方法评估OC。所选材料(RHB、LT、FYM)的pH 1:20分别为9.97、6.71和7.49,EC 1:20分别为0.97、1.26和7.85 dS·m-1,OC分别为58.03、25.01和54.02%。

2.3 盆栽实验

这项研究是在位于维度331.4181、经度73.0778的阿联酋伊赛斯(ISES)的一个防雨电房中进行的。房间的平均温度为27-35℃,相对湿度为58-72%。在作物生长期间,房屋接受了明亮的阳光和空气循环。在栽培前,收集的土壤使用3CdSO4·8H2O配制的25 mgCd·kg-1增加生物可利用镉含量并且在70%的土壤持水能力(WHC)下维持70 d。当单独使用时,所有过筛改良剂的使用率为1%有机碳(OC);当两种改良剂组合使用时,施用率为每种0.5%;当三种改良剂组合使用时,每种施用率为0.33%。处理方式为T0(未污染对照)、T1(Cd 25 ppm)、T2(LT;1% OC)、T3(RHB;1% OC)、T4(FYM;1% OC)、T5(RHB 0.5% OC LT 0.5% OC)、T6(FYM 0.5% OC LT 0.5% OC)、T7(RHB 0.5% OC FYM 0.5% OC)、T8(RHB 0.33% OC LT 0.33% OC FYM 0.33% OC)。选择完全随机设计(CRD)进行三次重复试验。在与相应的改良剂彻底混合后,用10 kg土壤填充每个盆。每盆中播种8粒小麦种子(Var. Punjab-2011)。发芽15天后,每盆保留4株植物,将其培养至成熟,然后将连根拔起的植物移入各自的盆中。使用尿素、磷酸二铵(DAP)和硫酸钾分别以414.13、22275和722.8 mg·pot-1的速率向各个盆中提供肥料(氮、磷、钾)。土壤N水平是通过从尿素中减去磷酸二铵中添加的N量来维持的。播种时加入全部的P、K和50%的N剂量,剩余的50%N在播种25 d和50 d以两等分使用。在整个实验期间,约70%的田间WHC保持不变,杂草定期清除。在成熟时(播种118天后)收获这些植物,并将样本分为根、茎和谷粒。所有这些植物部分都用自来水和去离子水清洗。

2.4 植物生长和生理特征

在收获时,记录了小麦株高、每株分蘖数、每株穗数、每穗穗粒数以及根和茎的干生物量。收获后土壤取样后,水洗法提取根,测定根长。将根(70℃)烘干后,记录干燥根重。使用叶绿素测定仪(Konica Minolta SPAD-502 Meter, Japan)测定了45天生植物最年轻的完全展开的健康叶片的叶绿素含量(SPAD)。从叶的三个不同位置记录读数,并记录平均值。根据,Weatherley(1950)的描述,从每个盆子中取出最年轻的45天生叶片,使用下面给出的方程式测量压片相对含水量(LRWC)。测定叶片鲜重,样品在70℃下烘干至衡重,测定LRWC如下:

LRWC=(鲜重-干重)/(饱和吸水重-干重)times;100 (1)

2.5 植物组织中Cd的测定

将植物组织(0.5 g)样品以2:1的二元混合物(HNO3:HClO4)消化。简言之,在含有植物组织的烧瓶中加入二酸混合物,使烧瓶保持24 g不受干扰,然后用加热板加热烧瓶,将样品消化至无色溶液。将样品冷却至室温,稀释至合适的体积,最后储存在密封的瓶子中进行Cd分析。为了进行质量控制,在消化过程中也使用了不含植物样品的含酸烧瓶。消化后的样品中的Cd浓度用原子吸收光谱(Solar S-100, Thermo Electron, USA)进行分析。

2.6 收获后土壤中的生物可利用Cd

使用采样芯从每个盆中采集复合土壤样品。土壤样品保存在强制气流炉中直到达到衡重,然后通过2 mm筛子对样品进行筛选,使用2.1节中描述的方法测量Cd的生物可利用浓度。

镉转运指数和收获指数也根据Rehman et al. (2017)的描述进行下式计算:

(2)

d收获指数 (3)

2.7 健康风险指数(HRI)

通过估算每日镉摄入量(DIM)和口服镉参考剂量(RfD)测定HRI。镉RfD值按曾经描述的(Rizwan et al., 2017b)为0.001 mg·kg-1体重·d-1

HRI=DIM/RfD

DIM的估计如下。

DIM=Cmetaltimes;Cfactortimes;Dfood intake/Baverage weight

C

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