氧化锌纳米颗粒叶面喷施和生物炭在污染土壤中施用会抑制镉在玉米中的积累外文翻译资料

 2022-08-09 09:30:51

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氧化锌纳米颗粒叶面喷施和生物炭在污染土壤中施用会抑制镉在玉米中的积累

摘要：随着镉污染土壤面积的不断增加，必须采取有效措施减少包括玉米在内的谷类作物中镉的积累。因此，研究了在含镉土壤中，氧化锌（ZnO）纳米颗粒（NPs）叶面喷施（0、50、75、100 mg/L）或生物炭（1.0% w/w）土壤施用对玉米生物量、抗氧化酶活性和植株中Cd浓度的影响。结果表明，ZnO NPs单独或联合生物炭处理均能提高玉米植株的高度、叶片数、茎和根的干生物量、叶绿素浓度和气体交换属性。各处理均降低了电解质渗透率、丙二醛和过氧化氢的含量，提高了玉米叶片和根中抗氧化酶的活性。施用50、75和100 mg/L ZnO NPs处理后，Cd在嫩枝中的含量较对照分别减少了约12%、23和61%，在根中的含量减少了18%、33%和53%。生物炭与50、75、100 mg/L ZnO NPs叶面喷施后，地上部Cd浓度分别下降15%、28%和68%，根部Cd浓度分别下降14%、35和55%。所有的改良剂都提高了玉米幼苗和根系中锌的浓度，但降低了土壤中镉的生物利用度。总的来说，生物炭在土壤中施用与ZnO NPs叶面喷施相结合，可以在受镉污染的土壤上安全种植作物。

  1. 前言

快速的工业化加速了许多领域中含镉化合物的生产，工业中含镉材料的广泛使用导致了镉在环境中的不可逆暴露，并且使镉最终进入土壤。无论是偶然引起还是生产附带的镉都引起了人们对其对环境污染和生态影响的深切关注。由于固着在自然环境中，因此植物与含镉环境密切相关。许多报告强调指出，镉对农作物和包括人类在内的动物是有毒的。过量的镉会对人体健康产生危险的影响。镉的职业性接触是由于一些农民的知识匮乏，使得他们在农药、化肥使用、采矿、回收、冶炼等过程和在与镉污染废弃物接触的时候被摄入。非职业性接触有室内灰尘、吸烟、饮食、空气吸入。镉从土壤或空气中通过气相沉积进入植物体内，并转移到植物的不同部位，可导致植物的几种异常，如生长和产量下降。镉进入植物的主要途径是通过根系。而这种有毒元素进入食物链的主要途径是食用受Cd污染的食品。植物体内过量的镉通过活性氧(ROS)、电解质渗漏(EL)、过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)的产生降低了植物的生长。因此，Cd在植物中的毒性需要根据这种微量元素在环境中的广泛分布来考虑。

生物炭是一种富含碳的热解有机生物质，如果应用于土地，有可能降低土壤中的金属生物利用度。生物炭的形成是处理农业废弃物和长期降低大气碳含量的有效途径。生物炭作为一种土壤改良剂，因其独特的特性而备受关注。生物炭具有pH值高、阳离子交换能力强、营养保持能力强、保水能力强、容重低等特点。有文献报道生物炭对降低土壤中可溶性镉和其他金属有显著作用。谷物中Cd和其他金属浓度的降低是在较高的生物炭率(gt;5%)下实现的，这在实际的田间水平是不实际的。研究表明，生物炭与其他合适的改良剂的共同使用可能有利于土壤中的金属固定。因此，有必要使用含量相对较低的生物炭作为一种修正，这可以通过生物炭与其他处理的结合使用来实现。

纳米技术在农业中的应用确定了农业的下一个边界，它还通过影响表土养分来改变粮食生产和农业实践，从而在农业中占据了突出的地位。近年来，氧化锌(ZnO)纳米粒(NPs)的应用受到了人们的重视，因为它增加了植物对锌的营养积累，提高了植物对锌的农艺生物强化能力。锌是一种微量营养素，是人类和植物发育所必需的重要营养素之一。由于土壤中锌的缺乏，进而在食物链中锌同样却反，因此植物和人类都处于缺锌导致的危险之中。总人口中约17.3%存在摄取锌不足的危险。由于土壤中锌的生物利用度较低，不同形态锌的叶面应用展现出优势。叶片施用ZnO NPs与土壤施用生物炭在植物Cd积累中的作用尚不清楚。

我们需要在贫瘠的土地上种植粮食作物来养活后代，因为粮食需求正以惊人的速度增长，这是由几个因素造成的，如人口增长率的增长和世界水平上耕地面积的减少。另一方面，被金属污染土壤也应该被耕种，以尽量避免金属进入其他环境。谷类作物是整个生物圈的主要粮食作物。与其他谷类相比，玉米(Z. mays) 植株对Cd的吸收能力更强，并向地上部分转运，导致Cd在籽粒中积累。玉米作物的种植不断增加，可能在不久的将来取代其他谷类作物，全球玉米年产量717吨，玉米种植面积1.19亿公顷。因此，玉米源性食品中的镉暴露是对人类健康的严重威胁。玉米植株对镉胁迫有一定的耐受性，但生长环境中有较高的镉会对其产生不利影响。镉在生长培养基中的广泛富集可能会使金属暴露下玉米植株产生活性氧，导致植株生长、产量和光合色素含量最小化。因此，有效控制土壤中镉向玉米植株的转移是当今世界粮食安全的迫切需要。

本研究选择玉米作为试验作物，研究了ZnO NPs和生物炭对植物体内Cd积累和运输的影响。我们推测，ZnO NPs与生物炭联合使用可以提高叶面施用ZnO NPs的有效性，从而降低Cd浓度和锌的富集。Hussain等人(2018)研究发现，每公斤土壤暴露于100 mg ZnO NPs会降低小麦籽粒对Cd的吸收。因此，该剂量的NPs被选为本研究的最高剂量。在前期研究的基础上，选择了1.0% w/w的生物炭用量。因此，本研究评估了不同剂量的ZnO NPs单独或联合生物炭对玉米植株Cd和Zn累积的影响。同时，还评价了这些修饰对玉米光合作用、氧化应激和抗氧化酶的影响，探讨了玉米对镉的耐受机制。

  1. 材料与方法
    1. 材料收集和实验设计

图1 研究中使用的土壤的初始性质

土壤选自巴基斯坦旁遮普省穆尔坦的农田，经纬度为30°21N，71°28E，海拔215m，有关该领域的更多信息，请参见Rehman等人（2015）。用不锈钢刀片从0-20cm土壤深度范围内取样土壤。选定的农业用地被微量元素污染，主要是由于过去二十五年来城市不断使用未经处理的废水中的镉。选定的土地被用于农业用途，该地区主要种植玉米和小麦作物。将土壤在露天中干燥一周，然后通过孔径为2mm的筛子进行筛分并进行表征。用比重计估算土壤质地。土壤有机质浓度是由Walkley和Black(1934)描述的方法估计的。采用Amacher(1996)和Soltanpour(1985)等标准方法分别测定土壤中可提取微量元素的伪总含量和重碳铵三胺五乙酸(AB-DTPA)可从土壤中提取的微量元素含量。土壤的初始性质如表1所示。

将稻草风干，然后粉碎成小块。以稻草为原料在450℃下裂解2小时来生产生物炭。Qayyum等人（2015年）给出了生产生物炭的方法。生物炭表征的详细信息在Abbas等人（2017）中进行了描述。生物炭的灰分，挥发物和碳含量分别为22.5％，24％和42.3％。生物炭的pH和EC值分别为10和2.4 dS/m。商购的ZnO NP购自Alfa Aesar，其性能为：纯度为99％，尺寸为20-30 nm，密度为5.606 g / cm3。

将所有选定的盆（高24 cm，直径18 cm）都装满5.0kg的筛分土壤，并置于周围环境条件下，播种时的平均日间温度为28℃，湿度为49％，收割时的温度为35℃，湿度为41％。将稻草生物炭以1.0％ w / w的比例混合在半盆中，并将盆在周围环境条件下以适当的土壤水分水平放置2周。两周后，将玉米种子（Malka-2016）播种在土壤中，用过氧化氢（2.5％，v / v）溶液消毒种子5分钟，然后用去离子水洗涤。刚开始时，每个锅中播种了五粒种子。发芽六天后，每个盆中保留三棵幼苗，并以120-50-25 kg / ha的剂量和灌溉水使用肥料（K2SO4-DAP-尿素）。将尿素肥料分两次施用，即一次与其他肥料一起施用，第二次在第一次施用15天后施用。

玉米幼苗定植20天后，每隔7天，叶面施用4种剂量的ZnO NPs(0、50、75、100 mg/L)，每次NPs处理总积为1升，重复4次。实验的安排遵循完全随机设计(CRD)的阶乘安排，每个处理4个重复。总的来说，有32个罐子使用了不同剂量的ZnO NPs，这些罐子中有一半含有生物炭。

2.2 收获

在土壤中播种75天后收获玉米植物，并分成根和芽。测量植物的高度，每株植物的叶片数。芽和根用自来水洗涤，最后用去离子水洗涤。将洗涤后的样品在65℃的温度下干燥至恒重，并使用天平记录干重。

2.3 叶绿素含量和气体交换属性测定

在收获试验之前，采集了叶片样本以测定叶绿素含量。在丙酮溶液中提取叶绿素a和b，在没有阳光直射的情况下测定叶绿素a和b的浓度。采用开放式便携式红外气体分析仪，记录采集光合色素时叶片的气孔导度、蒸腾速率和光合速率。

2.4 电解质渗出率、H2O2、MDA和抗氧化酶的测定

Dionisio-Sese和Tobita（1998）给出了用于测量EL（电解质渗出率）的方法。大约200 mg的新鲜叶子用蒸馏水彻底冲洗以避免表面污染，然后将叶子样品切成约1.0cm的片段，并分别放入已经装有10 mL蒸馏水的试管中。将这些样品在32℃下放置2小时，然后使用EC计测量溶液的EC1，再次将这些样品在121℃下放置20分钟。在室温下冷却样品后，确定溶液的EC2，最后按以下公式计算EL：

EL = （EC1 - EC2) times; 100

MDA含量的测定方法由Heath和Packer（1968）给出，后来很少修改。用5 mL 0.1％三氯乙酸溶液将叶片组织（0.25 g）匀浆，然后在每分钟3000转的速度下离心10分钟。此后，在95℃下，将1.0 mL上清液于4 mL 0.5％的硫代巴比妥酸中使用30分钟，离心并冷却至室温。在532nm处获得溶液的吸光度，并且在600nm处测量非比吸收度，并从实际吸光度中减去该吸光度，并使用系数来测定MDA含量。

为了测定H2O2，将3 mL的萃取溶液加入1 mL的硫酸钛溶液中，硫酸钛溶液是将0.1%硫酸钛加入20％H2SO4（V / V）中形成的，然后以每分钟6000转的速率离心15分钟。上清液的黄色强度在410 nm下进行测定。通过使用发射系数（0.28 umol-1 cm-1）来计算H2O2的含量。

通过使用冰和10 mL的50 mM磷酸钾作为缓冲液，并使用聚乙烯吡咯烷酮（pH7.8时为1.0％w / v）作为均质溶液，研磨新鲜的叶子（0.5g）。此后，将溶液在4℃的温度下以10,000转/分钟离心30分钟，得到溶液并在制备测定混合物后通过分光光度计测定酶活性。遵循标准协议，获得了超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的活性。抗坏血酸过氧化物酶（APX）和过氧化氢酶（CAT）的活性用Nakano和Asada（1981）和Aebi（1984）所述的方法测定。

2.5 植物和土壤中镉和锌的测定

用含HNO3-HClO4 (3:1, v:v)的混合物消化芽和根样品(0.5 g)，放置过夜。之后，如前所述，加热并消化含有样品的混合物。用原子吸收分光光度计(AAS, Analytik Jena novAA 350)测定溶液中镉和锌的浓度。采用AB-DTPA溶液提取从每个盆收获到的土壤，采用AAS测定提取样品中的Cd。取土壤与去离子水的比例为1:2.5，水平振荡溶液2小时，测定收获后土壤的pH值，最后使用pH计测量pH值(HM- 12P, TOA Electronics, Korea)。

2.6 统计分析

使用21.0版IBM SPSS统计软件，采用5%概率水平的双向方差分析。采用邓肯分析进行事后检验，P lt; 0.05为差异有统计学意义。相关分析采用Pearson相关检验，P lt; 0.05为显著性。

  1. 结果
    1. 植物生长和光合作用

图1 四种不同水平的ZnO-NPs及其与生物炭的结合对镉胁迫下玉米植株的株高（a），叶片数（b），芽干重（c）和根干重（d）的影响。误差棒显示四次重复的标准偏差。误差棒上的不同字母表明在ple;0.05时处理之间的显着差异。在图中，ns ＝ 不显著的。并且*** ＝在0.001水平上是显著的。

本研究中，与株高、叶片数、根、芽干生物量相关的结果如图1所示。无论是单独应用ZnO NPs还是与生物炭联合应用，这些参数都得到了显著提高。单独的NPs与生物炭效应不显著，而NPs与生物炭的联合效应显著。在单独的ZnO NPs处理下，地上部分长度和每个植物的叶子数量分别增加了10、17和34%以及33、50和72%。ZnO NPs与生物炭联合处理下，分别增加了12、20和30%以及33、57和76%。

表2 玉米植株选择参数间的皮尔逊相关系数

在NPs处理下，与对照相比，在50mg /L、75mg /L和100mg /L ZnO NPs处理下，茎干生物量分别增加了16、37和65%，根干生物量分别增加了50、67和86%。在生物炭联合50、75、100 mg / L ZnO NPs处理下，地上部分干

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