文摘

玉米是一种经济作物,也是一个候选人在中度用于植物修复Cd-contaminated土壤,因为植物可以积累高浓度的Cd nonedible人类而积累的部分只有一个低浓度Cd的水果。种植了玉米品种CT38和赫兹场土壤污染的Cd和次氮基三乙酸(NTA)是用于提高玉米的phytoextractive效果。植物的不同器官进行分析来识别Cd下沉在玉米。之间的区别是由叶鞘组织和叶身组织。Cd浓度减少组织依次为:根>叶>茎>鞘>水果。氮川三乙酸增加增加吸收的Cd,但金属在植物器官的相对分布基本不变。Cd的水果玉米低于中国政府允许浓度粗谷物。因此,这项研究表明,有可能进行玉米Cd-contaminated土壤植物修复的同时,与此同时,收获作物,为后续消费。

1。介绍

农业土壤重金属污染是一个世界性的问题1),在中国,这一问题尤其严重。如果所有的低收入或中等污染农田被从农业生产,那么它是不可能满足中国人民的粮食需求。镉(Cd)是一种最移动和土壤中重金属生物有效性和可以eco-toxicological影响在许多生物,包括人类,植物和动物,即使在低浓度(2,3]。

玉米是一个熟悉的中国农业作物,广泛适应地区,可以很容易种植。质量比很多重金属hyperaccumulative植物,如菥caerulescens和拟南芥halleri。玉米的根和吸管可以积累多种重金属,包括Cd、受污染的土壤。幸运的是,从玉米和水果的种子一般积累金属浓度低于叶或根1]。后收获的种子和/或水果植物,草,和根,负载的有毒金属,可以从受污染的土壤中删除。每个连续的生长周期,受污染的土壤变得比以前更清洁。

本研究中使用的物种之一是甜玉米CT38,筛选从许多玉米品种作为重金属的最佳品种通过盆栽试验(4]。另一品种是甜玉米赫兹,最广泛的品种因其种子一样美味的食物和稻草的人牛的饲料。为了验证的能力积累Cd在现场条件,我们进行了本研究学习的吸收和分布在两个甜玉米品种种植在Cd污染土壤。

为了提高phytoextraction的效率,修正案被广泛用于提高根吸收通过金属溶解的金属,和大幅增加的速度转移金属芽(5]。螯合剂中最常用的修正案化学辅助phytoextraction金属从土壤6- - - - - -8]。然而,生物降解的高metal-binding能力,并有很强的固执和他们潜在的浸出地下水螯合剂的使用带来了严重的环境问题,如乙二胺四乙酸(EDTA) [9,10]。因此,容易生物降解(S, S) -ethylenediaminedisuccinic酸(edd)和次氮基三乙酸(NTA)通常用于增强phytoextraction调查用更少的残留对环境的影响比EDTA (11,12]。周et al。13)发现,廉价NTA有相似的功能改善玉米植物重金属吸收的昂贵的edd没有二次污染。所以,在领域规模、螯合剂NTA更有可行性比edd增强玉米补救。一些研究人员(11,14,15)认为,添加螯合剂的浓度和天影响金属的积累在植物组织。因此,为了提高Cd的功能phytoextraction Cd-contaminated土壤的氮川三乙酸用量和时间添加他们还需要进一步的研究16]。

研究人员发现,玉米可以占用Cd从受污染的土壤和植物不同器官的积累Cd在不同浓度1,17,18]。成熟的玉米,叶子和根积累最Cd;果实积累。有矛盾的报告在文献中关于叶或根积累更大数量的Cd (17,19- - - - - -22]。我们进行研究来澄清和提高Cd的吸收和分配过程的玉米。玉米是由不同的器官,包括根、茎、叶、花、和水果。每一片叶子由三部分组成,即叶片,舌状,鞘。因为小舌质量非常小板和护套的质量相比,我们忽略了它在我们的研究中。之间有显著差异包围茎和叶片的鞘,时间跨度从阀杆(图1)。与其他许多研究[17,21),我们区分鞘和叶的叶片部分,以得到一个更详细的图片吸收Cd的分布。


图1
外鞘内(椭圆)和计算(椭圆)的玉米叶子。

本研究的目的是调查的吸收和分布在甜玉米增强Cd NTA野外条件下。目标是(1)比较潜在的Cd phytoextraction由两个甜玉米,(2)确认Cd的分布在不同的组织,和(3)探讨氮川三乙酸影响Cd吸收和分布。

2。实验部分

2.1。实验网站设计和测试

Cd-contaminated场的实验进行了恒立村,属于仁镇,广东广州白云机场附近,中国。该地区有一个温和的和温暖的气候(22.8°C平均温度)的年平均降雨量1982.7毫米。土壤类型是latosolic红与肥沃的土壤和粉砂质结构的典型地区。Cd污染主要源于城市垃圾的处理,包括电池,30年前,最初设计增加复垦土壤的肥力。复垦土壤的肥力改善时,引入Cd污染土壤在同一时间。将表层土的Cd的浓度大约1.4毫克公斤−1。选择土壤特性和重金属含量见表1。

表1
选择在田间土壤的物理和化学特征。

测试区域由8 矩形图区域与两种种植甜玉米从8月3日到10月25日,2007年。八块分为两组:一组是种植甜玉米CT38和另一组是种植甜玉米赫兹。总结了测试设计和治疗规范表2。两个玉米品种的授粉时间大约是50天播种。每组由四个氮川三乙酸情节的不同数量添加(高低)和/或不同时间的增加(授粉前后)。NTA治疗涉及使用适当数量的一个标准的200毫米NTA循环模式的解决方案和注射每个核电站周围10厘米的距离从植物茎。

表2
测试设计和治疗方法的代码。
2.2。抽样和样本分析

甜玉米收获播种日期后75天。三成熟的玉米植株从每个治疗组随机选择进行分析。根被发掘,清洗去除土壤坚持。芽就分为茎,叶片,鞘,和水果。样品装进塑料袋,立即送往实验室,他们仔细清洗用蒸馏水来土壤,切成块,然后烘干的1小时在105°C和额外的24小时70°C。所有干材料使用离心磨机地面0.5毫米大小。次级样本(1 g)在10毫升HNO microwave-digested3(65%)和5毫升的H2O2(30%)。摘要被稀释至50毫升用高纯度水和过滤。分析了滤液Cd的电感耦合等离子体质谱法(icp,安捷伦7500 a) (1,17]。一式三份的最大相对标准偏差测量参考样本的10%,和各自的最大相对偏差为5%的Cd。

2.3。统计数据分析

Cd的浓度不同的治疗方法进行了分析,方差分析和事后Bonferroni测试,使用Excel(2007年版),起源(版本8.0),和SPSS(17)版软件。准确度和精密度的数据评估了使用一个质量控制系统,包括试剂空白和样品一式三份。化学分析的精度和偏差小于10%。邓肯的多个范围测试 用于意味着分离。

3所示。结果与讨论

3.1。不同器官的干重

所有的植物,无论基因型或治疗,似乎正常增长。植物的不同器官的质量生物量中如表所示3。阀杆是最重的在所有器官,紧随其后的是叶子,包括板和护套。干燥根是最轻的。板是比鞘重两倍。这两个基因型有类似的质量特征,尽管CT38植物的质量大约是9%大于赫兹的植物。如表所示4不同器官质量比率是相似的,所有的治疗组和两个基因型。

表3
玉米生物量重量不同的器官生长有不同的治疗方法(干质量重,g)。根干重只是收集在犁层土壤,阀杆重量包括地面茎和地下。所有值平均±标准差( )。
表4
不同玉米器官的生物量比例不同的治疗方法。
3.2。总Cd积累每植物在不同的治疗方法

场规模植物修复的总体评价取决于总Cd /植物积累和总玉米生物量。不同玉米治疗可能导致从土壤中吸收的差异Cd。总Cd积累每植物在不同治疗方法如图所示2。


图2
总Cd积累每植物在不同的治疗方法。所有值平均±标准差( )。标有不同字母值明显不同 。不同治疗方法的代码在水平轴被记者表2。

根据图2,CT38 Cd蓄电池比赫兹;C0-H0 cf。这种差异消失prepollination NTA治疗;cf, C1-H1 C2-H2。与postpollination NTA治疗,显著增强的区别;cf, C3-H3。氮川三乙酸postpollination应用程序也有最大的影响的Cd积累CT38本身;C0-C3 cf。相比之下,氮川三乙酸的影响在赫兹是其最大的应用于prepollination阶段;cf, H0-H1 H0-H2。

可能,授粉可以使玉米CT38有更多的激素,可以调整干燥质量的结合和运输23,24]。锌是必需的微量营养元素构成某种酶,是一种特殊的蛋白质属于干质量和能使生化反应的重要情感。Cd是一个模仿与微量元素锌,可以转让的吸水率的方法。因此,我们可以画一幅画,授粉后,板的动量转移干燥质量,鞘耳朵,然后肯定地导致果实Cd从板转向鞘。然而,在授粉前特别是耳朵的样子,微量营养元素和水主要从根转移到茎、鞘,然后板。玉米CT38,螯合剂NTA改善总Cd积累授粉后主要发生在玉米授粉前赫兹。现象意味着不同的玉米基因型,有不同的强化措施甚至相同的化学螯合剂为了达到最好的感情积累。

3.3。Cd浓度玉米干燥的水果

作为一种广泛种植的粗谷类作物,玉米对人类是很重要的。种子的Cd浓度是重要关注的食品安全,因为玉米水果是用于人类消费食品和石油和牲畜的饲料。

从图3中,我们可以发现Cd浓度可食用的种子的一部分没有超过最大允许浓度的Cd粗谷物(0.1毫克/公斤,干重),这是由中国卫生部(gb2762 - 2005) [25]。玉米基因型不仅积累Cd不能吃玉米秸秆包括离开,鞘、茎和根,而且食用水果是足够安全,因为Cd浓度的容许浓度下的监管。其他研究人员也发现,谷物积累Cd不到玉米植株的其他部分1,17,18]。


图3
Cd水平玉米赫兹干种子种植在不同NTA治疗。折线的最大容许浓度Cd在中国杂粮包括玉米种子(0.1毫克/公斤,干重)(gb2762 - 2005) [25]。

特别是,尽管CT38玉米与postpollination NTA治疗集中Cd远远超过赫兹玉米、CT38谷物保持在一个水平,供人类食用是安全的。此外,玉米种植可以很容易地在各种农业的情况下,导致降低种植成本和更大的经济效益比其他超级蓄电池植物如龙葵L和景天属植物alfredii。在中国,耕地是有限的,所以低,甚至一些中度污染的土地仍在生产中,因为需要食物来养活13亿人。因此,CT38玉米基因型与NTA postpollination应用程序是一个强有力的候选人phytoextraction Cd从土壤污染的土地可以继续生产以来,即使它被清洗。

3.4。Cd分布式分数在不同的器官

Cd甜玉米的分布可以提供有关玉米积累金属(见图4)。


图4
Cd分布分数在不同的治疗方法。叶分数等于鞘和板分数的总和。

Cd的百分比不同器官的积累玉米赫兹的玉米CT38相似。对于prepollination应用程序,氮川三乙酸越来越多导致相对Cd积累树叶(板加鞘)(cf。 和 )和相对降低Cd积累在阀杆(cf。 和 )。这种行为的结果prepollination增长强调营养器官如叶、光合作用的主要器官。的NTA金属螯合剂增加Cd运输,这样可以移动与叶子,水从土壤中沉积在蒸腾。随着叶生物量的增加,Cd的相对分布在叶也会增加。

图2显示总Cd积累与低NTA治疗大于NTA越高治疗;也就是说,C1 C2和H1 H2。这一现象表明,存在一个最佳的添加量对提高植物修复螯合剂;这不是“越多越好”。

图4的比例显示,茎叶的Cd光盘(Cdl/ Cd年代氮川三乙酸)数量增加而提高。Cd的事实l/ Cd年代授粉后值非常接近的控制治疗,可能意味着一部分玉米积累Cd可能与形态学特征有关。授粉之前,干细胞被延长时间,在授粉后茎已经获得最高和植物生产点集中在耳朵和水果。即使授粉后总积累量显著高于控制治疗(图2),分数在授粉后不同器官之间非常接近(C3和H3)和控制(C0和H0)治疗两个玉米基因型。与控制治疗相比,添加相同氮川三乙酸量授粉治疗后变化比例略高于之前授粉。人们普遍认为,授粉后,玉米谷物都是日复一日,但其营养器官(叶、茎和根)增长没有明显的改变。营养器官通常成长植物激素的调控下,数量小但非常重要的植物的成长过程中26]。在不同的生长阶段,玉米不同种植中心,植物激素调节营养元素转移和平衡,然后增加干物质更快。到底,植物激素调节Cd元素的分布和转移?我们需要做更多的研究发现真相为了使用规则来清理Cd污染土壤。

3.5。Cd不同器官的分配两个玉米基因型

浓度积累的Cd在植物生长的不同部位在不同治疗表中列出5。这些信息可以帮助我们理解如何通过在整个玉米积累Cd的增长时期。

表5
Cd浓度在不同地区不同的治疗(毫克/公斤)。所有值平均±标准差( )。
3.5.1。两个玉米基因型的对比没有NTA加法

Cd最高浓度在两种基因型发生在鞘。Cd浓度减少以下序列:根>叶>茎>鞘>水果(表5)。在表格的最后一行5,结果为鞘和叶片叶结合成一个整体。在这种情况下,有一个区别CT38和赫兹;对于CT38,叶>根>茎>水果;而对于赫兹,根≈叶>茎>果实,根和叶HZ之间的差异并不显著 的水平。根和叶之间的不同的序列可能与玉米基因型差异和/或不同的生长条件,如微妙不同的土壤。是否序列鞘 根 板是相同的所有成熟的玉米基因型在野外条件需要进一步的研究来阐明。

3.5.2。玉米CT38积累的Cd NTA授粉前添加

表中的数据5表明,鞘是最高Cd-enriched机关和水果是最低的,无论授粉前氮川三乙酸增加;也就是说,鞘>根>叶>茎>水果。NTA除了增加,Cd浓度玉米的不同器官有不同的变化趋势。鞘和水果,C0≈C1 > C2;板C2≈C1 > C0;茎,C0 > C1 > C2;和根,C1 > C2 > C0。板和护套有相反的趋势,尽管它们都属于整个叶器官。我们比较根和整体叶之间的Cd浓度(表最后一行5)和找到所有可能的事件发生。没有NTA添加(C0治疗),叶高于根;添加在25更易NTA每个玉米授粉(C1)治疗之前,Cd浓度增加更多的根比叶最终根高于叶。然而,在100年氮川三乙酸条件增加更易NTA每个玉米授粉(C2)治疗之前,几乎所有的器官的玉米CT38积累Cd不到C1治疗除了板。从土壤镉是运输到植物根系质量流量、扩散和拦截。质量流量和扩散被认为是最重要的土壤中离子的供给机制。质量流量意味着离子溶解在土壤溶液被运送到了根与蒸腾通量(3]。作为一个biograde螯合剂,NTA增加溶解度(NaNO3Cd离子的萃取)58倍(27),可以增加拍摄金属浓度的2 - 3倍(28]。根是地下的部分,土壤溶解性Cd会损害根更容易。在授粉前,根比叶更敏感NTA添加。太多NTA应用程序(C1治疗)可能损坏玉米根直接和减缓正常成长的课程,然后导致其他所有器官Cd浓度下降。

3.5.3。玉米CT38积累Cd在不同的成长阶段

没有NTA添加治疗相比,NTA添加在25之前更易与每个玉米授粉Cd浓度成为高根和叶片,但不显著改变鞘。然而,授粉后,NTA添加在25更易与每个玉米可以使鞘器官积累Cd更高的浓度。授粉后,玉米是在生殖生长时期,主要增加了水果的器官。几乎所有的营养被运送到玉米的食用部分;Cd也可以从土壤转移到地面后器官的营养元素,如锌和铁。种子和水果一般积累金属浓度低于叶或根29日,30.]。一些研究人员(29日)发现玉米种子生产受污染的土地上可能适用于动物饲料,和其他研究人员(31日- - - - - -33)认为,茎和叶可用于生物能源生产等非食品用途。授粉之前,流利的质量主要从根茎、鞘,晚期板。然而,授粉后,质量流畅是集中在水果的器官,也就是说,玉米棒。根据玉米的特殊结构,干燥质量将会从叶片茎鞘,然后最终转移到玉米穗轴。也许Cd积累干质量积累有关。护套和阀杆是否积累比以前更Cd授粉后授粉具有相同NTA加法是一种常见的规则对于所有玉米,它需要进一步澄清的试验和理论研究。

从表5相反,我们可以发现有根叶C1和C3之间的对比效果。在授粉前根,高于叶,然而,授粉后,叶高于根。与此同时,我们可以发现叶泛滥的Cd浓度在根主要是根据在鞘明显增加。C1和C3,即使有不同的根和叶之间的对比效果;然而,我们发现,序列(鞘>根>板)是一样的。玉米叶子分为纵向重复单位组成的维管组织,维管束鞘,叶肉细胞(34]。尽管鞘和板都属于叶的一部分,他们有不同的结构和细胞组成。在鞘中,主要成分是维管束鞘。但板,叶肉细胞的主要组成成分。鞘Cd浓度大于板,这意味着维管束鞘细胞可以在到期的存款比叶肉细胞Cd玉米。所以,我们认为鞘和板的能力密切相关,它们的化学组成和分子结构。

3.5.4。玉米授粉之前赫兹在不同添加浓度

从表5,我们发现类似的分布序列在不同的器官也发生玉米赫兹:根>叶>茎>鞘>粮食。玉米CT38一样,添加NTA可以改变Cd浓度在不同玉米赫兹器官;然而,相对序列由NTA添加没有改变。我们把整个叶子板和鞘和比较与其他器官。治疗H1、低NTA玉米赫兹,叶子Cd浓度低于根但他们没有显著差异( ),而治疗H2,高NTA玉米赫兹,Cd浓度高于根和他们也有显著差异( )。H1和H2,根和叶之间存在着相反的对比效果,然而序列(鞘>根>叶)仍然是相同的。鞘的Cd积累超过板;甚至他们都属于整个叶器官。从表3和5,我们可以发现低NTA添加比高NTA合理添加为了使Cd积累在射击。

3.5.5。玉米赫兹积累Cd在不同的发展阶段

从表5,我们发现玉米赫兹与玉米CT38有不同的角色。玉米HZ,与之前添加NTA授粉相比,添加NTA授粉后不能在鞘Cd浓度明显增加。然而,对于玉米CT38、Cd浓度在授粉后鞘明显增加。更重要的是,玉米赫兹,Cd浓度在叶略降,不明显,但对玉米CT38;Cd浓度在授粉后叶有明显提升。因此,来自授粉的感情很难与玉米基因型有关。虽然有截然不同的区别两个玉米基因型的射击,两根字符的玉米基因型具有相同的趋势。授粉之前,添加NTA低浓度处理(C1和H1), Cd浓度比其他疗法是最高的。授粉后,添加NTA低浓度处理(C3和H3),根积累Cd之前不到授粉。高生物质农作物,玉米有发达的根系的Cd phytoextraction。 The Cd2 +进入拍摄主要通过根与空气吸收和尘埃沉降。根发展时期,授粉之前,许多基本要素输入根从土壤溶液;所有生物都有害,包括植物(35,36和人类37),但锌是必要的元素(38]。不幸的是,Cd是一个危险的模拟锌和锌可以进入工厂后(2]。授粉意味着玉米植株进入产品课程和所有能源和干物质集中在果实或种子。授粉后添加NTA意味着土壤交换Cd增加水果的过程中形成。干物质可以从其他器官转移到水果和水果变得丰富。从表5,我们可以推测,玉米的亲和力可以容纳种子旁边的Cd。从叶片干物质转移到鞘,Cd是流动与葡萄糖等营养物质。根据玉米的特殊结构,当营养干燥质量传递从鞘茎,茎节和之外的Cd被拒绝了鞘。

4所示。结论

玉米对我们是一个强有力的候选人作物植物修复的低收入和中等的Cd在中国受污染的农田。与玉米赫兹相比,玉米CT38有更重要的是更大的积累能力和更多的干燥质量。Cd浓度降低各个部分按照以下顺序:根>叶>茎>鞘>水果,NTA是否用于强化植物修复的效果。玉米基因型与Cd水平生产水果,都是在最大允许的数量由中国标准(gb2762 - 2005),所以这两个玉米基因型可能是用于治疗Cd污染污染农田,同时生产的作物。

确认

这项工作由项目由广州环境保护署(项目没有。2061760),在大学新世纪优秀人才计划(没有。ncet - 12 - 0199),为中央大学(没有基础研究资金。2013 zz063)。作者感谢中国国家分析中心在广州的icp的决心。作者还要感谢唐纳德·巴恩斯在华南理工大学语言编辑的写作工作。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。