硅酸-铁(氢)氧化物的复合作用及其缓解水稻镉胁迫的机制
批准号:
42077121
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
刘鸣达
依托单位:
学科分类:
环境土壤学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘鸣达
中文摘要
我国土壤镉点位超标率高达7%,有2.786×105km2的农用土壤受到镉污染,已经威胁到农产品安全生产。研究表明,硅促进酸性土壤对镉的吸附,加剧镉解吸的滞后效应,降低镉生物有效性,但其微观机制尚不明确。为此,提出硅同铁(氢)氧化物复合改变其表面性质,促进镉的吸附及铁(氢)氧化物-硅酸-镉配合物形成,减少植物吸收镉的假设。拟通过生物试验、化学分析、模型预测与谱学验证相结合的方法研究硅酸-铁(氢)氧化物的复合作用及其缓解水稻镉胁迫的效应,利用CD-MUSIC模型预测硅酸对镉在铁(氢)氧化物表面的存在形态及分布影响,运用X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱和X射线光电子能谱技术确认铁(氢)氧化物-硅酸-镉三者间化学键的形成;结合水稻逆境生理反应、细胞微结构变化阐明硅-铁(氢)氧化物的复合作用及其缓解水稻镉胁迫作用的原因,对于明确土壤中硅、镉相互作用及揭示硅降低镉生物有效性的土壤化学机制具有重要意义。
英文摘要
The over-standard rate of cadmium in soils in China is as high as 7%. About an area of 2.786×105km2 agricultural soils is polluted by cadmium, which has threatened the safety of agricultural production. Results showed that silicon promoted the adsorption of cadmium in acidic soils, aggravated the lag effect of cadmium desorption, and reduced the bioavailability of cadmium. However, the micro-mechanism is still unclear. Therefore, the hypothesis is that the complex of silicon and iron (hydrogen) oxides can change their surface properties, promote the adsorption of cadmium and the formation of iron (hydrogen) oxides-silicate-cadmium complex, and reduce the uptake of cadmium by plants. The complex effect of silicon-iron (hydrogen) oxides and its mitigation effect on rice cadmium stress were studied by combining biological experiments, chemical analysis, model prediction and spectroscopic verification. The morphology and distribution of cadmium on the surface of ferrosilicon (hydrogen) oxides were predicted by CD-MUSIC model. X-ray diffraction, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy were used. Confirming the formation of chemical bonds between iron (hydrogen) oxides, silicate and cadmium, clarifying the complex action of silicon-iron (hydrogen) oxides and the reasons for alleviating cadmium stress in Rice by combining the physiological response to stress and the changes of cell microstructures are of great significance for clarifying the interaction between silicon and cadmium in soil and revealing the soil chemical mechanism of silicon reducing cadmium bioavailability.
镉的点位超标率居于我国耕地重金属污染物之首。我国北方土壤酸化加剧了镉的生态和健康风险。稻米是我国人群镉膳食摄入的主要来源。施用含硅物料钝化镉而降低其生物有效性常被归结为硅的作用。在消除因施用含硅物料产生pH和伴随离子差异造成的影响条件下,施硅促进了酸性土壤对镉的吸附,显著降低镉的生物有效性,但其微观机制尚不明确。为此,本项目采取生物试验、化学分析、模型预测与谱学验证相结合的方式,综合利用 CD-MUSIC 模型等手段,结合X 射线衍射光谱、红外光谱、拉曼光谱和 X 射线光电子能谱技术研究了硅酸-铁(氢)氧化物的复合作用及其缓解水稻镉胁迫的机制。主要结论如下:.1)施硅通过提高水稻根系活力促进铁在根表氧化,使铁膜数量增加、品质改善,从而增大铁膜固镉量,缓解了水稻镉胁迫;2)硅酸与不同铁(氢)氧化物复合后吸附镉的能力变化不同,与水铁矿、针铁矿复合后吸附镉的能力明显提升,与赤铁矿复合后吸附镉能力无明显变化;3)硅酸与水铁矿、针铁矿复合后表面活性羟基位点增加,复合物电荷零点降低;4)pH = 6.0时,硅酸可在水铁矿、针铁矿表面单齿单核和双齿双核内层表面络合物,镉在水铁矿、针铁矿表面的主要分布形态为双齿双核吸附形态存在;5)硅酸、镉在水铁矿和针铁矿表面可以形成三元复合物,促进镉的专性吸附;6)施用富含硅铁的物料高炉渣降低水田土壤镉生物有效性是多种因素共同作用的结果,不能将其简单归结为硅的作用。.综上,硅酸-铁(氢)氧化物的复合作用缓解水稻镉胁迫的机制主要包括根表效应(促进根表铁膜固镉)和铁表效应(促进镉在水铁矿、针铁矿表面专性吸附)两个方面。.通过本项目研究,初步阐明了硅-铁(氢)氧化物的复合作用及其缓解水稻镉胁迫作用的机制,对于明确土壤中硅、镉、铁的相互作用及揭示硅降低镉生物有效性的土壤化学机制提供了新的证据,可为应用硅铁等复合材料修复利用镉污染农田提供参考。
硅酸-铁(氢)氧化物的复合作用及其缓解水稻镉胁迫的机制
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:58万元
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批准年份:2020
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负责人:刘鸣达
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依托单位:
外源硅降低镉生物有效性的土壤化学机制
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批准号:41371306
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项目类别:面上项目
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资助金额:75.0万元
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批准年份:2013
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负责人:刘鸣达
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依托单位:
硅抑制水稻吸收镉的土壤化学机制
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批准号:31040070
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项目类别:专项基金项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2010
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负责人:刘鸣达
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依托单位:
国内基金
海外基金