镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法及其应用，属于生态重金属毒性评估技术领域。本发明专利技术在已知Cd

Prediction method and application of cadmium-nickel complex on root elongation toxicity of wheat in soil

【技术实现步骤摘要】
镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法及其应用
本专利技术属于生态重金属毒性评估领域，更具体地说，涉及一种镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，采用砂培实验获得镉镍复合对小麦根伸长毒性效应的预测模型及参数。本方法既考虑了重金属离子和其他阳离子与生物配体的竞争效应，也考虑了土壤盐溶液的渗透压效应，获得的参数对不同土壤类型中镉镍复合毒性有很好的预测效果。
技术介绍
据2014年土壤环境质量调查报告显示，镉和镍是我国最严重的两大重金属污染物。此外镍镉电池的广泛使用使得部分农田土壤受到严重的镉镍复合污染。环境中的镉-镍具有较高的迁移性，会通过土壤-植物系统进入食物链，对动植物产生毒性作用。而小麦作为世界三大谷物之一，在世界范围内广泛种植，因此有效地评价镉-镍对小麦的复合毒性对防治土壤重金属污染和人体毒害具有重要意义。土壤中不同形态的重金属具有不同的生物毒性，研究发现土壤溶液中自由态重金属的活度与植物毒性直接相关，而且考虑土壤溶液中其他共存阳离子对重金属离子的竞争作用和盐溶液的渗透压作用能够更准确地描述重金属对植物的毒性效应。目前这一研究多集中于单一重金属生物毒性的描述，但复合重金属的生物毒性作用仅用单一毒性参数无法准确描述。例如专利号为201610317197.0的文件公开了一种镍离子对小麦根伸长毒性的预测方法及其应用，专利技术考虑了Mg2+等阳离子对镍离子的毒性竞争抑制效应，建立了水碚条件下Ni2+对小麦根毒性的确定方法。但该专利技术只研究了镍单一污染下的毒性参数，不适用于复合污染条件，且专利技术采用水培实验条件，与实际土壤条件下还存在差异。目前关于土壤中镉镍复合的土壤植物毒性预测模型还未见报道。
技术实现思路
针对现有的土壤中重金属毒性评估方法存在评估不全面、适用性差等问题，本专利技术提供一种镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法及其应用。已知镉和镍在溶液中可能产生生物毒性的主要形态为Cd2+和Ni2+，认为在镉镍复合胁迫时Cd和Ni具有相似的致毒机理和相同的反应位点，采用浓度相加的方法计算Cd-Ni复合毒性效应。同时考虑土壤溶液中共存阳离子的毒性抑制效应和盐溶液的渗透压效应。确定Cd-Ni复合毒性效应参数及剂量-效应方程是建立土壤中镉镍复合污染对小麦根伸长毒性预测方法的关键。本专利技术基于生物配体毒性模型和浓度相加方法，采用VisualMINTEQ软件计算的溶液中Cd2+和Ni2+的活度，同时考虑H+/Mg2+和Cd2+/Ni2+与生物配体的竞争，拟合得到砂培条件下镉镍复合毒性参数。此外，开展大量阳离子的渗透压对小麦根伸长的毒性实验，获得渗透压效应参数，采用相乘的方式修正渗透压对镉镍复合毒性的影响，建立适用于土壤中镉镍复合对小麦根毒性的预测方程。再通过实际土培实验对获得的预测模型参数加以验证，证明模型的有效性。为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种镉镍复合(Cd-Ni)对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，包括以下步骤：(1)复合毒性试验：首先进行育种，选择发芽条件一致的小麦种子进行Cd和Ni复合及单一胁迫的生物毒性实验。采用控制变量法开展砂培实验。Cd-Ni复合胁迫时，控制溶液中其他共存阳离子浓度不变，只改变Cd和Ni的浓度；而Cd/Ni单一胁迫时，在已知Cd2+和Ni2+的竞争阳离子为H+和Mg2+的基础上，只改变溶液中H+或Mg2+的浓度而控制其他阳离子浓度不变。(2)确定Cd-Ni复合毒性模型参数：毒性实验结束后，测定所有处理组小麦的根伸长，计算相对毒性效应值RE％，计算公式为：其中，RE％表示相对毒性效应，Li表示在Cd-Ni胁迫下小麦的根伸长(cm)，Lck表示与Li对应的没有Cd-Ni胁迫的小麦的根伸长(cm)。得到相对毒性效应RE％后，认为在复合毒性效应中，Cd和Ni具有相似的致毒机理，在反应过程中占据相同的点位，即Cd和Ni的复合毒性效应为Cd/Ni单独毒性效应的浓度相加，具体的计算公式为：其中，fCd和fNi表示在复合胁迫时，Cd和Ni与生物配体结合的点位的百分比；a和d为Cd和Ni的强度系数，系数越大说明金属的毒性越强；β为形状参数。已知Cd和Ni的竞争阳离子为H+和Mg2+，结合方程(3)即f的计算，方程(2)可表达为：其中，{M2+}为重金属阳离子的活度，{X2+}为竞争阳离子的活度，{Cd2+}、{Ni2+}、{H+}和{Mg2+}表示溶液中各自由态离子的活度(mol/L)，通过形态计算软件VisualMINTEQ计算；KCdBL、KHBL、KNiBL和KMgBL表示各离子与生物配体的结合常数(L/mol)。(3)确定Cd/Ni和竞争阳离子的结合常数：Cd/Ni单一胁迫毒性实验结束后，测定各处理组小麦的根伸长，根据方程(1)计算相对毒性效应值RE％。再计算各阳离子浓度下对应的EC50值，计算方程为：其中，C表示对应处理组金属离子活度{Cd2+}或{Ni2+}(mol/L)，β为剂量-效应方程的形状参数，溶液中各离子的自由态离子活度通过形态计算软件VisualMINTEQ计算。根据EC50与H+和Mg2+的关系，采用方程(6)和(7)对生物毒性实验数据进行非线性拟合，获得重金属和竞争阳离子与生物配体的结合常数KMBL和KXBL。其中，f为Cd2+或Ni2+与生物配体结合的点位的百分比，{M2+}表示溶液中Cd2+或Ni2+的活度(mol/L)，{Xn+}表示H+或Mg2+的活度(mol/L)，KMBL和KXBL是各阳离子与生物配体的结合常数(L/mol)。EC50表示在产生50％生物抑制效应时溶液中Cd2+或Ni2+的活度(mol/L)。(4)渗透压的影响实验：为了研究土壤常见阳离子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)的渗透压对小麦根的抑制效应，开展渗透压砂培实验，即实验中不加入Cd和Ni，采用控制变量法，只改变某个阳离子的浓度同时控制其他阳离子浓度不变。采用以下剂量-效应方程拟合渗透压效应参数：其中，I50为小麦根伸长达到50％抑制效应时溶液的离子强度，β0为模型形状参数。通过渗透压毒性实验数据拟合得到I50和β0。(5)构建土壤中Cd-Ni复合毒性模型：根据方程(4)和拟合得到的Cd2+/Ni2+和H+/Mg2+与生物配体的结合常数KMBL和KXBL，再结合渗透压实验获得的渗透压抑制效应参数，得到复合毒性计算模型。本专利技术认为渗透压效应与复合毒性效应之间为协同关系，因此采用相乘的方式将方程(8)和方程(4)结合，得到Cd-Ni复合毒性效应的预测方程：(6)土培验证实验方法为验证砂培实验条件下获得的毒性参数在实际土壤中的应用效果，设计了本土培验证实验。采集具有代表性的红壤(云南昆明)和黄棕壤(江苏南京)，将土壤风干后过2mm筛，通过人为染毒的方式获得不同复合Cd-Ni浓度水平的污染土壤，染毒后保持土壤含水率为田间持水量的80％并平衡30天。按照权利要求1中的生物毒性试验放开展小麦根伸长实验，生长期间采用原位土壤溶液提取器MicroRhizon(RhizosphereResearchProducts，荷兰)提取土壤溶液，测定溶液pH值、总有机碳TOC、溶液中Cd2+、Ni2+、大量阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)和阴离子(Cl-、SO42-、NO3-)的浓度，计算溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)复合毒性试验：首先进行育种，选择发芽条件一致的小麦种子进行Cd和Ni复合及单一胁迫的生物毒性实验，采用控制变量法开展砂培实验，Cd‑Ni复合胁迫时，控制溶液中其他共存阳离子浓度不变，只改变Cd和Ni的浓度；而Cd/Ni单一胁迫时，在已知Cd

【技术特征摘要】
1.一种镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)复合毒性试验：首先进行育种，选择发芽条件一致的小麦种子进行Cd和Ni复合及单一胁迫的生物毒性实验，采用控制变量法开展砂培实验，Cd-Ni复合胁迫时，控制溶液中其他共存阳离子浓度不变，只改变Cd和Ni的浓度；而Cd/Ni单一胁迫时，在已知Cd2+和Ni2+的竞争阳离子为H+和Mg2+的基础上，只改变溶液中H+或Mg2+的浓度而控制其他阳离子浓度不变；(2)确定Cd-Ni复合毒性模型参数：毒性实验结束后，测定复合胁迫所有处理组小麦的根伸长，计算相对毒性效应值RE％，计算公式为：其中，RE％表示相对毒性效应，Li表示在Cd-Ni胁迫下小麦的根伸长(cm)，Lck表示与Li对应的没有Cd-Ni胁迫的小麦的根伸长(cm)；得到相对毒性效应RE％后，在复合毒性作用中，Cd和Ni具有相似的致毒机理，在反应过程中占据相同的点位，即复合毒性效应为Cd和Ni单独毒性效应的浓度相加，具体的计算公式为：其中，fCd和fNi表示在复合胁迫时，Cd和Ni与生物配体结合的点位的百分比；a和d为Cd和Ni的强度系数，系数越大说明金属的毒性越强；β为形状参数；在已知Cd和Ni的竞争阳离子为H+和Mg2+的基础上，结合方程(3)即f的计算，方程(2)可表达为：其中，{M2+}为重金属阳离子的活度，{X2+}为竞争阳离子的活度，{Cd2+}、{Ni2+}、{H+}和{Mg2+}表示溶液中各自由态离子的活度(mol/L)；KCdBL、KHBL、KNiBL和KMgBL表示各离子与生物配体的结合常数(L/mol)；(3)确定Cd/Ni和竞争阳离子的结合常数：Cd/Ni单一胁迫毒性实验结束后，测定各处理组小麦的根伸长，根据方程(1)计算相对毒性效应值RE％；再计算各阳离子浓度下对应的EC50值，计算方程为：其中，C表示对应处理组金属离子活度{Cd2+}或{Ni2+}(mol/L)，β为剂量-效应方程的形状参数，溶液中各离子的自由态离子活度通过形态计算软件VisualMINTEQ计算；根据EC50与H+和Mg2+的关系，采用方程(6)和(7)对生物毒性实验数据进行非线性拟合，获得重金属和竞争阳离子与生物配体的结合常数KMBL和KXBL；其中，f为Cd2+或Ni2+与生物配体结合的点位的百分比，{M2+}表示溶液中Cd2+或Ni2+的活度(mol/L)，{Xn+}表示竞争阳离子H+或Mg2+的活度(mol/L)，KMBL和KXBL是各阳离子与生物配体的结合常数(L/mol)；EC50表示在产生50％生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾雪元，朱泊静，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32