专利名称：：低积累植物的评判与筛选方法
技术领域：
：本发明涉及农业环境安全以及污染环境的控制技术，涉及有毒有害物质(包括重金属和有机污染物等具有健康风险物质)低积累植物的评判以及筛选的方法，具体地说是超低积累植物评判的标准以及低积累植物筛选的方法。
背景技术：
：随着工农业生产的发展，土壤环境特别是农业环境的污染问题日益突出。据报道，我国受重金属污染的耕地多达2000万公顷，受各种有机污染物或化学品污染的农田总计约6000多万ha。土壤环境质量直接关系到农产品的安全。由于土壤大面积污染，我国每年出产重金属污染的粮食多达1200万吨；全国出产的主要农产品中，农药残留超标率高达16-20%，问题非常严重，我国农产品已经基本没有安全保障！在许多重点地区，土壤及地下水污染已经导致癌症等疾病的发病率和死亡率明显高于没有污染的对照区数倍到10多倍。进入WTO后，土壤环境污染已成为限制我国农产品国际贸易和社会经济可持续发展的重大障碍之一，迫切需要修复、治理(文献1:周启星等，污染土壤修复原理与方法[M]，北京科学出版社，2004)。土壤污染具有以下几个特征1)隐蔽性和滞后性，即土壤污染难以肉眼观察，一旦发现异常，可能已达到严重污染的水平；2)累积性和地域性，即污染物可在植物体内累积，并可通过食物链传递，从而在人体和动物体内富集；另外土壤污染也与各地土壤的背景值、工农业生产状况等因素密切相关，具有一定的地域分布性；3)不可逆性和长期性，即一旦发生污染，其污染就难逆转且具有长期性；4)治理难和周期长，即土壤污染的治理具有相当的难度，其中的重金属和持久性有机污染物难以生物降解，传统的治理手段成本高且难以实际操作，彻底治理土壤污染需要相当长的时间。据报道，沈阳地区土壤已经受到了不同程度的重金属污染，农产品中主要超标元素为铅和镉；沈阳郊区的白菜超标率100%，超标倍数3.9;且土壤中的重金属铅和镉等重金属含量有明显的逐年增加趋势(文献2:张勇.沈阳郊区及农产品重金属污染的现状评价[J].土壤通报，2001，32(4):182186.)。土壤环境最为通常遇到的有毒痕量有机污染物包括多环芳烃(PAHs)、多杂环烃(PHHs)、多氯联苯(PCBs)、多氯二苯二恶英(PCDDs)、多氯二苯呋喃(PCDFs)以及农药残体及其代谢产物。土壤环境污染正在剥夺大片肥田沃土的生产力和相关生态系统的健康。严重的土壤污染可以导致农作物生长发育的抑制甚至枯萎死亡，这些污染后果是可以及时发现的。更多的土壤污染并无明显表现，如破坏土壤的理化性质，使土壤板结，降低农产品的质量，特别是通过农作物对有害物的富集作用，暗地里危害牲畜和人体健康，必须引起高度警惕。当前用于修复治理土壤污染的技术很多，主要包括各种物理、化学、物理化学治理技术和生物修复技术。其中，植物修复作为一种新兴的原位绿色修复技术，具有费用低廉、不破坏环境、易于为人们所接受等优点，逐渐成为环境科学领域的研究与应用热点[文献1:周启星等.污染土壤修复原理与方法[M]北京科学出版社，2004.]，但是植物修复也存3在以下缺点超积累植物生物量较小且具有明显的地域分布，修复周期过长，目前尚难以大面积推广(文献3:刘维涛，张银龙，陈喆敏，等.矿区绿化树木对铅和锌的吸收与分布[J].应用生态学报，2008，19(4):752756.)。鉴于粮食安全的紧迫性和我国国情，将大面积中轻度污染农田停止农作，进行长时间的植物修复或采用价格昂贵的工程技术手段修复显然不太现实。因此，通过利用低积累甚至超低积累作物，实现大面积中轻度污染农田的耕种，从而保证农业粮食安全以及农产品的优质安全生产，是当前最为有效和合理的途径之一。植物对污染物的吸收不仅存在显著的种间差异，也存在显著的种内差异，从而使筛选具有有毒有害物质低积累特性的作物和不同品种成为可能。当前，具有有毒有害物质低积累潜力的作物和其他具有潜在利用价值植物类型的筛选和培育研究，已经成为国内外研究的一个热点。一些研究表明，水稻(OryzasativaL.)、小麦(Triti固aesti權L.)、大麦(HordeumvulgareL)、玉米(ZeamaysL)禾口花生(ArachishypogaeaL)等作物不同基因型积累与分布重金属存在显著差异，并筛选出了相应的重金属低积累基因型(文献4:AraoT，AeN.Genotypicvariationsincadmiumlevelsofricegrain[J].SoilScienceandPlantNutrition,2003，49(4):473479;文献5:ZhangGP，FukamiM，SekimotoH.Genotypicdifferencesineffectsofcadmiumongrowthandnutrientcompositionsinwheat[J].JournalofPlantNutrition,2000，23:13371350;文献6:TiryakiogluM，EkerS，OzkutluF，etal.Antioxidantdefensesystemandcadmiumuptakeinbarleygenotypesdifferingincadmiumtolerance[J].JournalofTraceElementsinExperimentalMedicine,2006，20(3):181189;文献7:KurzH，SchulzR，RomheldV.Selectionofcultivarstoreducetheconcentrationofcadmiumandthalliuminfoodandfodderplants[J].JournalofPlantNutritionandSoilScience,1999，162(3):323328;文献8:McLaughlinMJ，BellMJ，WrightGC，etal.Uptakeandpartitioningofcadmiumbycultivarsofpeanut(ArachishypogaeaL.)[J].PlantandSoil,2000，222(1-2):5158.)。然而，对于有毒有害物质低积累作物的筛选研究，国内外学术界还没有形成一套科学的标准和方法，还没有形成"超低积累植物"的概念。因此，本发明在于首次提出超低积累植物评判的标准以及低积累植物筛选的方法。相信这一发明具有十分重要的理论和现实意义，可为今后筛选低积累植物提供方法。
发明内容本发明的目的是提供一种规范的超低积累植物评判的标准以及低积累植物筛选的方法，从而达到实施农产品安全生产，保障农业粮食安全和农产品品质安全的目标。为实现上述目的，本发明的技术方案为低积累植物的评判与筛选方法盆栽试验将不同种作物培养于不同含量的单一或复合污染重金属处理土壤中，作物为在污染土壤中能够正常生长，其成熟后收获植株，进行可食部分重金属含量测定，可食部位的污染物含量应低于相应国家标准中规定的最高允许浓度(MPC)或食品卫生标准值，并且作物可食部分污染物的含量低于地下部含量100倍的作物，待用；野外污染土壤筛选，将上述筛选出的作物种籽播种于野外污染土壤中，待植株成熟后，收获植株，进行可食部分重金属含量测定，若其可食部分污染物的含量低于地下部含量100倍，即为低积累重金属作物。该植物对污染物的富集系数应小于1.0，即地上部或地下部(当作为可食部分)污染物含量与土壤污染物含量的比值小于1.0;(3)该植物对污染物的转运系数应小于1.0，即地上部(作为可食部分)污染物含量与根部污染物含量的比值小于1.0。所述盆栽试验土壤为清洁土壤中投加一种或几种重金属，使其分为低、中和高等不同含量的重金属处理土壤，平衡8-12周后备用。投加的污染物浓度设为低、中、高3个处理。以当地清洁土壤为栽培介质做土培试验，按低、中、高3种处理浓度投加一种或几种污染物，以不投加污染物的处理为对照，于作物开始生长的季节，从温室育苗盆移苗进行盆栽筛选试验，在成熟期测定供试植物生物量、植物体内污染物含量，由此检验植物对污染物的低积累潜力及耐性。所述野外污染土壤筛选时根据土壤肥力状况，施用促进该作物生长的氮、磷和钾肥，使土壤含水量保持在田间持水量的40-90%。本发明所具有的优点1.具有创新性。尽管国内外对于低积累重金属的作物筛选已进行了不少研究，但并未提出"超低积累植物"的概念。2.方法先进，具有一定的系统性。有关低积累植物评判的标准，以及有关系统的筛选方法，还未见报道。3.可操作性强。盆栽筛选方法可以人为控制污染条件，使参试植物都处于相对一致的生长环境，植物之间对污染物的耐性及低积累特征有一定的可比性，同时可根据试验条件确定试验规模，增加或减少参试植物种的数量，减少很多不确定性因素，这正是本发明的关键之所在。4.适用性广。本发明对试验条件要求不高，凡适于植物生长的环境一般均可以进行，而且试验均在室外进行，盆栽植物生长的环境条件与自然生长植物的环境条件比较相似，较容易反应植物在污染条件下的真实情况。5.费用较低。本发明先通过针对性较强的筛选试验找到具有低积累特征的作物，然后再到受重金属污染的实际环境中测试这种植物的低积累特征，针对性强，减少一些浪费，相应的费用较低。且所需药品都是实验室常规药品，成本较低。6.具有生态安全性，本发明筛选试验全过程始终处于人为控制之下，试验后的污染物可以集中处理而不对周围环境造成二次污染。图1为80种白菜品种地上部Cd含量浓度分布图。图2为18种白菜品种地上部富集系数分布图。图3为不同Cd处理下白菜品种的转移系数分布图。图4为Cd对16种白菜品种生长的影响分布图。图5为大田试验中6种白菜的Cd积累特征分布图。具体实施例方式实施例以大白菜为例，进行低积累镉作物品种的筛选。(1)东北地区大白菜种质资源的收集在东北地区收集到80种白菜种子(表1)，其中绿阳58、北京小杂56、丰源新3号、丰源新5号、东北酸菜王等是沈阳地区的主栽大白菜品种。绿阳58，北京小杂56，抗病金春，高冷地白菜，惊春，丰源新3号，新春，强势，东洋夏秋，先锋快菜，现代夏秋，春抗一号，春秋六轮15种为春白菜，其它为秋白菜，而丰源新3号即可作为春白菜、也可作为秋白菜栽培。表l供试白菜品种绿阳58沈农超级3号青帮核头紋四季王北京小杂56沈农超级6号白帮核头紋福星80抗病金春水师营2号辽科58冬宝高冷地白菜水师营10号新研80赛新5号惊春水师营秋冠乡恋80天绿60丰源新3号水师营上将恒裕80亚冠新春水师营91-12奥星80云抗3号强势秋福津青75连大秋冠东洋夏秋秋傲秋播60世博秋抗先锋快菜秋美晋菜3号秋宝现代夏秋冬储大白菜沈阳快菜青绿王春抗一号酸菜王中王丰源绿星70春秋六轮东北酸菜王多抗二号绿星80辽白12辽白7号胶白6号京春99东农903天津绿北京青白秋绿80秋绿55豫早1号豫园1号豫园3号丰抗70津绿75豫白6号顶上北京-12绿星大棵菜仲秋八北京新三号(2)盆栽筛选试验在中国科学院沈阳生态实验站开展了镉低积累白菜品种筛选试验。土样采自中国科学院沈阳生态实验站农田表层土壤。根据东北地区蔬菜季节生长特点及东北地区农田土壤污染现状，设计镉与铅的污染水平。试验采用土壤盆栽投加重金属的方法进行。Cd污染水平处理一CK，对照(未投加镉)；处理二1\，lmg/kg;处理三T2，2.5mg/kg;处理四T3，5mg/kg。每盆种植6粒种子，待其生长稳定后间苗为2株/盆，生长期间用自来水浇灌.每个处理重复3次。收获的植物分为根、茎、叶和籽实4部分分别用自来水充分冲洗以去除黏附于植物样品上的泥土和污物，然后用去离子水冲洗，沥去水分，称其鲜重；之后在105t:下杀青20min，然后在7(rC烘干至恒重，土样风干后过100目筛备用。植物和土壤样品采用HN03-HC104法硝化，原子吸收分光光度计法测定土壤和植物中重金属含量。利用Officeexcel和DPS统计软件进行数据统计分析。(3)结果与分析a)大白菜地上部的Cd含量差异80种白菜品种地上部Cd含量见图l，不同白菜品种地上可食部位Cd含量差异显著(P<0.05)。其Cd含量浓度范围为(mg/kg)0.22-2.46，0.90-14.1和2.14-2.21，其平均值分别为0.91，4.60和8.06mg/kgDW.当处理浓度为Cd=lmg/kg时，本研究中73%(58/80)的白菜供试品种超过了0.50mg/kgDW，而本次研究中大白菜地上部的6平均含水量为90%，从而这些白菜也超过了无公害蔬菜生产标准(Cd《0.05mg/kgFW)(GB18406.1-2001)。因此，采用地上部Cd含量低于0.50mg/kgDW作为Cd低积累大白菜品种的筛选标准之一。根据此标准，筛选到14种白菜品种作为下一步验证试验的供试品种，分别为赛新5号、丰源新3号、水师营91-12、辽科秋抗、秋冠、锦抗2号、绿星80、沈农超级6号、北京-12、全盛、绿星大棵菜、福星80、天绿和北京大包心。该16种大白菜品种在轻度Cd污染条件下，其可食部位Cd含量低于无公害蔬菜标准，具有一定的低积累Cd特征；为便于下一步分析对其进行编号，见表1。由于北京小杂56和东北酸菜王是东北尤其是沈阳地区的传统主栽大白菜品种，且其Cd含量较高，与上述14个品种一起也作为重点考查品种(见表2)。b)不同白菜品种的富集系数特征富集系数(bioacc咖ulationfactor,BF)也称吸收系数，是指植物中某元素含量与土壤中元素含量之比。富集系数表征土壤-植物体系中元素迁移的难易程度，这是反映植物将重金属吸收转移到体内能力大小的评价指标。富集系数越高，表明植物地上部重金属富集质量分数大。16种白菜品种地上部富集系数见图2。富集系数最大值出现在东北酸菜王和北京小杂56，其富集系数范围为3.46-3.85。三种Cd处理下，9种大白菜品种的地上部富集系数均<1，它们是赛新5号，丰源新3号，水师营91-12，辽科秋抗，北京-12和北京大包心。因此，上述16种镉低积累白菜品种通过富集系数特征衡量后，即富集系数小于1的品种有9个，分别为赛新5号，丰源新3号，水师营91-12，辽科秋抗，北京-12和北京大包心。表216种白菜品种地上部Cd含量(mg/kgDW)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>，d=未检出.b平均值±标准差(n=3)c)不同白菜品种的转运系数特征转移系数(translocationfactor,TF)是指地上部元素的含量与地下部同种元素含量的比值，用来评价植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力。转移系数越大，则重金属从根系向地上部器官转运能力越强.由图3可知，不同Cd处理下白菜品种的转运系数差异显著(P<0.05)。在L、L和T33种Cd处理下，转运系数最低值发现于水师营91-12，与富集系数相似，东北酸菜王和北京小杂56仍然具有最高的转运系数。本研究发现有6种白菜品种在所有Cd处理下，其转运系数均小于l，其分别为赛新5号，丰源新3号，水师营91-12、辽科秋抗。由于这6种白菜品种的富集系数和转运系数都小于1，故选择其作为大田试验的白菜品种，而东北酸菜王和北京小杂56也作为验证品种进行大田验证。上述9种镉低积累且富集系数小于1的品种再经转移系数衡量后，即富集系数和转移系数同时小于的有6个品种，分别为赛新5号，丰源新3号，水师营91-12、辽科秋抗。d)不同Cd处理对白菜品种生长影响从外观上看，除了赛新5号在T2，3处理条件下生物量显著下降外，其它白菜品种随着Cd浓度的增加基本都能够正常生长，未表现出萎黄、缺绿等受胁迫症状。由图4可知，与空白(CK)相比较，丰源新3号、水师营91-12、辽科秋抗地上部生物量在1\、L和1V3种Cd处理下没有明显降低(P〈0.05)，表现出了较强的耐性。而L、T2和T33种处理Cd下东北酸菜王和北京小杂56地上部生物量与对照相比有所增加，其具有很强的Cd耐性。上述6种镉低积累且富集系数小于1同进转移系数也小于1的品种的生物量特征衡量结果表明，赛新5号在镉投加浓度为2.5和5mg/kg时耐性较差外，其它5种耐性均较强。因此，盆栽筛选试验中，根据国家无公害蔬菜生产标准、富集系数、转运系数和生物量这4个衡量指标，认为镉低积累大白菜品种有4个，即赛新5号，丰源新3号，水师营91-12、辽科秋抗，其中赛新5号耐性较差。(4)低积累Cd大白菜品种的大田试验大田试验在沈阳市东陵区的沈抚灌区试验田进行，海拔43m，该地的气象条件与沈阳生态站比较相差不大。土壤类型为黄棕壤，其理化性质为pH值6.9，有机质18.32mg/kg，全N1.27mg/kg，全P1.42mg/kg，速效K145.68mg/kg，总Cd1.25mg/kg。对盆栽试验中筛选到的6种大白菜品种进行大田验证试验，试验中各品种生正常，没有受毒现象，产量正常。由图5可知，大白菜品种地上部的Cd含量范围为0.32-1.56mg/kgDW，其平均值O.80mg/kgDW，其中赛新5号、丰源新3号的Cd含量均低于0.50mg/kg，这与盆栽结果想类似，然而水师营91-12和辽科秋抗两者白菜却与盆栽试验差异较大，其地上部Cd含量超过了0.50mg/kg，分别为0.66和0.84mg/kg，超过了0.50mg/kg，结果表明环境因素对这两种大白菜品种Cd含量影响较大。而东北酸菜王和北京小杂56两种白菜地上部Cd含量、富集系数和转运系数均明显高于另外6种白菜品种，且富集系数和转运系数大于或接近l，与盆栽试验结果相一致。综上，根据国家无公害蔬菜生产标准、富集系数、转运系数和生物量这4个衡量指标，以及大田试验结果，已筛选出符合上述要求的Cd低积累大白菜2种，即赛新5号、丰源新3号，其中赛新5号耐性较差。8权利要求一种低积累植物的评判与筛选方法，其特征在于盆栽试验将不同种作物培养于不同含量的单一或复合污染重金属处理土壤中，作物成熟后收获植株，进行可食部分重金属含量测定，作物可食部分污染物的含量低于地下部含量100倍的作物，待用；野外污染土壤筛选，将上述筛选出的作物种籽播种于野外污染土壤中，待植株成熟后，收获植株，进行可食部分重金属含量测定，若其可食部分污染物的含量低于地下部含量100倍，即为低积累重金属作物。2.按权利要求1所述的低积累植物的评判与筛选方法，其特征在于所述初筛出的作物在污染土壤中能够正常生长，与对照相比，其产量和品质无明显降低，食用该农作物对人体无害，该农作物将重金属主要积累在非食用部位；而且，其对重金属元素的富集系数小于1.0，即地上部重金属含量与土壤重金属含量的比值小于1.0;同时作物对重金属元素的转运系数小于1.0，即地上部重金属含量与根部重金属含量的比值小于1.0。3.按权利要求1所述的低积累植物的评判与筛选方法，其特征在于所述盆栽试验土壤为清洁土壤中投加一种或几种重金属，使其分为低、中和高等不同含量的重金属处理土壤，平衡8-12周后备用。4.按权利要求1所述的低积累植物的评判与筛选方法，其特征在于所述野外污染土壤筛选时根据土壤肥力状况，施用促进该作物生长的氮、磷和钾肥，使土壤含水量保持在田间持水量的40-90%。全文摘要本发明涉及有毒有害物质(包括重金属和有机污染物等具有健康风险物质)低积累植物的评判以及筛选的方法，具体地说是超低积累植物评判的标准以及低积累植物筛选的方法。主要涉及首次提出超低积累植物评判的标准；在此基础上开展低积累植物筛选的方法。它通常以作物作为筛选对象，还包括有潜在利用价值的其它植物种类的筛选；以盆栽土培试验为先导，结合野外大田试验为验证，筛选可用于污染土壤环境条件下实施农产品安全生产的作物品种为主要目标，还包括有潜在利用价值的其它植物种类的筛选。文档编号G01N33/02GK101750472SQ20081022932公开日2010年6月23日申请日期2008年12月5日优先权日2008年12月5日发明者刘睿,刘维涛,周启星申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所