一种镍离子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镍离子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领域。本发明专利技术考虑了Ca

【技术实现步骤摘要】
一种镍离子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，涉及一种镍离子对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，采用砂培条件下获取镍离子对小麦根伸长毒性的预测模型及参数，本方法既考虑了阳离子与重金属离子在生物膜配体上竞争性，也考虑了溶液中大量阳离子的渗透压影响，所获参数用于预测不同土壤类型中镍的根毒性有很好的效果。
技术介绍
镍污染是由于过量的镍及其化合物进入环境中而引起的一种重金属污染，土壤和水体中高浓度的镍会对动植物产生毒性作用。同时粮食作物在含有高浓度镍的土壤中会对镍有一定的富集作用，进而被食用，最终影响人类生命健康。小麦作为世界三大谷物之一，是在世界范围内广泛种植的一种粮食作物。所以镍对于小麦毒性的预测与估计对于种植业和环境保护产业都有极其重要的意义。重金属在土壤中是以多种形态存在的，对于不同的形态，其生物有效性和对植物生长的毒性都是不同。因此使用土壤的金属总量作为质量标准进行评估时时常不能完全正确地反映土壤的重金属污染和生物毒性状况。研究发现采用重金属有效态浓度可以更好地预测土壤环境质量，其中土壤溶液中重金属自由态(即未与有机或无机配体进行配位的形态)的活度被认为与植物毒性有直接联系；此外，土壤溶液中其他共存阳离子可能会对自由态重金属离子的具有竞争性毒性抑制作用；同时土壤条件下，土壤溶液中由盐浓度带来的渗透压影响也会影响植物的生物效应。以上条件在建立模型中均应综合给予考虑。以往文献中关于金属对植物的毒性预测方法多采用水培的方法，例如，中国专利申请号为201610317197.0，申请公布日为2016年10月12日的专利申请文件公开了一种水培条件下镍离子对小麦根伸长毒性的确定方法及应用，专利技术采用控制变量法将各阳离子浓度单独控制并变化，逐步计算出K+、Na+、Ca2+、Mg2+和H+五种阳离子对镍离子毒性的抑制作用，同时利用MINTEQ程序计算各个条件下Ni2+和NiHCO3+的量来计算这两个镍形态的毒性效应，确定各阳离子对Ni的生物毒性抑制参数和两种Ni形态的毒性效应参数，创建了水培条件下Ni2+对小麦根毒性的确定方法。该研究结果揭示Mg2+等阳离子对镍离子毒性的存在竞争保护效应，因此在毒性预测模型中必须加以考虑。但我们研究进一步发现采用上述水培方法获得的毒性参数在应用于真实土壤环境时出现较大偏差，不能完全适用于土壤环境，而目前关于镍对小麦的土壤毒性预测模型还未见报道。
技术实现思路
1.要解决的问题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镍离子对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法及其应用，在土壤溶液中，较为常见的大量阳离子主要有Ca2+、Mg2+和H+，同时镍离子在溶液中可能产生生物毒性的形态主要是Ni2+。其中，确定各阳离子对Ni2+的生物毒性抑制参数、镍离子形态的毒性效应参数和渗透压效应参数是建立砂培条件下镍离子对小麦根伸长毒性的确定方法的关键。本专利技术基于自由离子活度模型，采用visualMINTEQ程序计算不同条件下各离子的活度，同时考虑到不同阳离子在生物膜配体上的竞争效应，采用控制变量法将各阳离子浓度单独控制并变化，获得Ca2+、Mg2+和H+三种阳离子对镍离子毒性的抑制作用参数，根据一定的剂量-效应关系方程可以预测砂中Ni2+对小麦根的毒性效应。同时进行渗透压对小麦根毒性测试，获得溶液离子强度与小麦根伸长的剂量-效应方程，采用协同作用方式修正渗透压对Ni毒性的影响，建立适用于土壤条件下的小麦根毒性预测方程。所获模型以实际土培毒性实验结果加以验证，说明模型的有效性。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种镍离子对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，包括以下步骤：(1)生物毒性实验设计：对小麦种子进行育种，选择发芽种子进行生物毒性实验，将发芽种子进行砂培，控制砂培液中的离子浓度，对与镍离子产生竞争效应的阳离子Ca2+、Mg2+和H+采用控制变量法，在只改变某个阳离子的浓度的同时控制其他阳离子的浓度不变的条件下，对小麦发芽种子进行砂培；(2)确定小麦毒性参数：毒性实验结束后，测量不同砂培条件下小麦的根伸长，计算生物响应值，计算方程为：其中，RE为生物响应值，Li表示在镍离子毒性影响下小麦的根伸长，Lck表示与Li相对应的没有镍离子毒性影响的小麦的根伸长；得到RE值后，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{Ni2+}活度，β为方程的形状参数，各阳离子的自由态离子活度通过形态计算软件visualMINTEQ计算得到；根据EC50和各阳离子Ca2+、Mg2+和H+的关系，确定与镍离子存在竞争抑制效应的阳离子，采用方程(3)对生物毒性实验数据进行非线性拟合，获得毒性预测模型参数f50、β和KXBL。相对应的EC50值可由以下方程计算获得：其中，{Ni2+}、{Ca2+}、{Mg2+}和{H+}指各离子的自由态活度，KXBL是X离子与生物配体的结合常数(例如KCaBL是Ca离子与生物配体的结合常数，KHBL是H离子与生物配体的结合常数等以此类推)。本研究发现针对镍离子而言，主要竞争性离子为Mg2+，即方程(3)可以简化为以下方程；(3)渗透压的影响实验：测量暴露在不同盐浓度下的小麦根长，暴露溶液中不含Ni2+，采用以下方程校正溶液中渗透压对小麦根长毒性效应的影响：其中I为溶液的离子强度，β0为方程的形状参数。采用渗透压毒性实验结果可拟合出相应的I50和β0；(4)构建毒性预测模型：根据EC50和各阳离子Ca2+、Mg2+和H+的关系，确定与镍离子存在竞争抑制效应的阳离子，并利用渗透压影响实验计算出渗透压对毒性影响后，认为两者之间存在协同作用的毒性关系(乘积关系)，即采用方程(6)对方程(5)进行修正，可获得镍离子对不同土壤中小麦根伸长毒性的预测方程为：(5)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。采集全国代表性土壤约18种，土壤风干后过2mm筛，采用人为染毒方式获得不同Ni浓度水平的污染土壤，染毒后加水保持土壤含水率为田间持水量的80％后平衡30天，采用与砂培实验完全相同的生物毒性实验方法进行小麦根伸长实验，期间采用土壤溶液微量采液器(RhizonMOM)原位采集约5mL的土壤溶液，测定溶液pH值、总有机碳TOC、溶液中Ni2+、Mg2+、Na+、K+、Ca2+、Cl-、NO3-、SO42-浓度，计算获得溶液离子强度，其中TOC代表富里酸FA含量，通过形态计算软件visualMINTEQ计算各离子活度，采用方程(7)预测相应土壤中镍的毒性效应。在应用本模型的过程中，可不用开展毒性测试，直接采集土壤溶液并测定相关组份，采用方程(7)及本专利技术获得的毒性参数进行毒性预测计算。更进一步地，采用砂培，而非水培方式来预测实际土壤中镍离子对小麦的根伸长毒性。更进一步地，采用步骤(2)中方法确定与镍离子存在竞争抑制效应的主要阳离子为Mg2+，采用方程(7)建立基本毒性预测方程并获得关键毒性参数，同时采用方程(7)来修正渗透压对毒性产生的影响；更进一步地，所述的形态计算软件visualMINTEQ的输入数据包括pH值、所有离子和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍离子对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，包括以下步骤：(1)生物毒性实验设计：对小麦种子进行育种，选择发芽种子进行生物毒性实验，将发芽种子进行砂培，控制砂培液中的离子浓度，对与镍离子产生竞争效应的阳离子Ca

【技术特征摘要】
1.一种镍离子对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法，包括以下步骤：(1)生物毒性实验设计：对小麦种子进行育种，选择发芽种子进行生物毒性实验，将发芽种子进行砂培，控制砂培液中的离子浓度，对与镍离子产生竞争效应的阳离子Ca2+、Mg2+和H+采用控制变量法，在只改变某个阳离子的浓度的同时控制其他阳离子的浓度不变的条件下，对小麦发芽种子进行砂培；(2)确定小麦毒性参数：毒性实验结束后，测量不同砂培条件下小麦的根伸长，计算生物响应值，计算方程为：其中，RE为生物响应值，Li表示在镍离子毒性影响下小麦的根伸长，Lck表示与Li相对应的没有镍离子毒性影响的小麦的根伸长；得到RE值后，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{Ni2+}活度，β为方程的形状参数，各阳离子的自由态离子活度通过形态计算软件visualMINTEQ计算得到；根据EC50和各阳离子Ca2+、Mg2+和H+的关系，确定与镍离子存在竞争抑制效应的阳离子，采用方程(3)对生物毒性实验数据进行非线性拟合，获得毒性预测模型参数f50、β和KXBL；相对应的EC50值可由以下方程计算获得：其中，{Ni2+}、{Ca2+}、{Mg2+}和{H+}指各离子的自由态活度，KXBL是X离子与生物配体的结合常数；针对镍离子而言，主要竞争性离子为Mg2+，即方程(3)可以简化为以下方程(5)；(3)渗透压的影响实验：测量暴露在不同盐浓度下的小麦根长，暴露溶液中不含Ni2+，采用以下方程校正溶液中渗透压对小麦根长毒性效应的影响：其中I为溶液的离子强度，β0为方程的形状参数；采用渗透压毒性实验结果可拟合出相应的I50和β0；(4)构建毒性预测模型：根据EC50和各阳离子Ca2+、Mg2+和H+的关系，确定与镍离子存在竞争抑制效应的阳离子，并利用渗透压影响实验计算出渗透压对毒性影响后，认为两者之间存在协同作用的毒性关系，即采用方程(6)对方程(5)进行修正，可获得镍离子对不同土壤中小麦根伸长...

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