硅-铁氢氧化物缓解水稻镉胁迫的机制研究

发布时间：2020-06-17 21:12

【摘要】：近年来农田土壤镉污染情况加剧,影响农产品质量安全,镉通过食物链进入人体,可严重损害肾脏、心血管、肌肉骨骼和女性生殖系统。因此,治理农田土壤镉污染,保障农产品安全势在必行。硅酸和铁氢氧化物降低土壤中镉的生物有效性,进而缓解镉对水稻的胁迫作用已成共识;但其化学机制尚不完全明确。为此,开展硅、铁氢氧化物共存缓解水稻镉毒性的效应及其机制研究,对于揭示硅降低土壤镉生物有效性机制具有重要的理论意义。本文基于CD-MUSIC模型研究镉的硅-铁氢氧化物表面络合形态,旨在探究硅、铁氢氧化物二者共存情况下水稻镉毒性缓解的土壤化学机制。本文通过化学方法,获得高纯度硅酸盐处理的铁氢氧化物(水铁矿(Fh)、针铁矿(Goe)),应用X射线衍射、红外光谱、扫描电镜、比表面积测定和酸碱电位滴定等手段,对其进行物理化学性质表征,通过水培及等温吸附-解吸试验结合CD-MUSIC模型,以期明确硅-铁氢氧化物(硅-水铁矿(Si-Fh)、硅-针铁矿(Si-Goe))缓解水稻镉毒害效应,揭示硅对酸性水稻土镉吸附行为的影响机制。主要结论如下:1.硅-铁氢氧化物可显著缓解水稻镉胁迫。镉胁迫下硅-铁氢氧化物和铁氢氧化物处理降低了水稻植株镉含量(P0.05)、CAT活性(P0.05)、POD活性(P0.05)和MDA含量(P0.05),缓解了膜脂过氧化和木质化作用;根组织分化完全、维管束环纹清晰、细胞结构饱满排列紧密;促进水稻幼苗生长,增强其抗镉胁迫能力,硅-铁氢氧化物处理缓解效果优于铁氢氧化物。2.硅-铁氢氧化物可显著促进镉的吸附。各处理对镉的吸附量,硅-铁氢氧化物相较于铁氢氧化物,促进镉吸附抑制镉解吸(P0.05);各处理镉吸附量与pH正相关;非线性等温吸附方程Langmuir和Freundlich均能较好拟合镉的吸附,Freundlich的拟合效果均好于Langmuir,铁氢氧化物的镉吸附倾向于表面非均一的单层吸附。3.基于CD-MUSIC模型拟合,表明镉在硅-铁氢氧化物表面形成铁氢氧化物-硅-镉的三元表面络合物为硅对缓解酸性水稻土镉毒性的土壤化学机制。硅-铁氢氧化物表面活性羟基位数多于铁氢氧化物;硅-铁氢氧化物相较于铁氢氧化物的电荷零点左移,表面负电荷数增加。硅主要以双齿双核和单齿单核络合物形态吸附于铁氢氧化物表面,镉在铁氢氧化物表面的主要分布为双齿双核吸附形态,镉在硅铁氢氧化物表面可能形成铁氢氧化物-硅-镉三元表面络合物。综上所述,硅-铁氢氧化物可有效缓解水稻镉胁迫,降低水稻镉含量,缓解膜脂过氧化和木质化作用,增强根组织分化,增强抗镉胁迫能力;镉主要以静电吸附和配位吸附方式,在硅-铁氢氧化物表面生成铁氢氧化物-硅-镉三元表面络合物,而不被水稻所吸收。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S511;X53
【图文】：

镉毒害,水稻,机制

碳酸盐矿物(梁学峰等，2009)和磷酸盐矿物(佟倩等，2008)。其中，向水酸盐改良剂，可增加水稻根系表面水铁矿附着比例，从而缓解水稻对重金化(Limmer et al., 2018)。缓解植物镉毒害进展于硅可增强作物对镉胁迫的抗性和耐受性，已得到各国学者广泛认同(刘Adrees et al., 2015; 张玉秀等，2011)。其植物学机制包括四方面：一是硅以在水稻根部外皮层凯氏带和内皮层凯氏带聚合成聚硅酸或沉积成 SiO2(见水稻对镉的吸收和转运，提高产量降低稻米镉积累(彭华等，2017)；二是稻的抗氧化防御体系(王会方等，2016)，改变镉胁迫下抗氧化酶活性(Sriva15)，缓解镉对细胞质膜的伤害(Hasanuzzaman et al., 2017)，降低 ROS 损伤缓镉对水稻超微结构的破坏，使细胞器更加完整(李天哲等，2018)，并提、叶绿素 a/b 比值和叶片气孔导度，促进光合作用( Vaculík et al., 2015; 宋四是植物体内的硅与镉螯合形成共沉淀或代谢成失活产物来减轻镉毒害2015)。

水铁矿,结构模型

图 1-2 水铁矿结构模型(Cornell & Schwertmann, 2003)Fig. 1-2 Structural model for Ferrihydrite特征ite)在土壤中分布广泛，是一种反铁磁性黄褐色或黄棕色柱状或针状，阴离子以 ABAB[001]型紧密堆积，八面OH，相对分子量为 89 g mol-1。针铁矿(α-FeOOH)呈现中心对称晶体空间群结构)描述，如图 1-3 所示(Balwahwertmann, 2003)。其空间群结构为 Fe 原子排列在 O 框合体。空间架构中的边共享复合体，即 Fe 原子共享两个 O1 和一个 O2 原子；而角共享复合体通过单个 O1 原由 O2 位置配位，即-OH 基团。

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