本發明涉及重金屬污染治理技術領域，尤其是涉及一種利用5-氨基乙酰丙酸促進水稻根部積累重金屬鎘的方法及其制備的水稻植株。
背景技術：
環境中重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點，其污染物在介質中移動性差、滯留時間長、不能被微生物降解，還可經食物鏈傳遞，最終影響人類健康。隨著改革開放后我國工業、農業活動的巨大產生和發展，農田重金屬污染情況不斷加劇，重金屬污染事件也頻頻在發生，鎘等重金屬更是對稻田、麥地、玉米地等農田生態系統造成污染，重金屬以更短的周期通過食物鏈被人體攝入，對人類健康造成極大的威脅。利用外源物質促進植物對重金屬的富集，進而對土壤進行植物修復具有投資少、效率高，且不造成二次污染等多種特性，顯示了極大的潛力。
現階段，鎘污染土壤主要的修復方法有物理修復、化學修復、生物修復和聯合修復法等方法來降低土壤中的鎘元素濃度，從而減輕土壤重金屬對人群和生物群落的危害。但這些方法不但成本昂貴、操作復雜、需要特殊的儀器，而且這些方法周期漫長并不適合我國人多耕地少的國情。與傳統的方法相比，植物修復技術集生態和治理于一體，以其環境友好、易被接受和價格低廉等優點而成為研究熱點。
水稻在鎘污染土壤中種植后很容易富集鎘元素，特別是水稻的根部作為植株主要與土壤接觸的部位，是不斷吸收運輸土壤營養物質，并和其進行交換的一個主要器官，非常容易對鎘元素進行吸收、富集，并且在積累較高鎘元素含量的同時也不影響水稻正常生長。同時，水稻的根部富含淀粉，收取水稻根部制備工業淀粉，剩余部分可以進一步提取重金屬鎘，也利于鎘元素的回收和利用。此外，水稻作為常規作物，其田間管理均為農業常規方法，降低了應用操作的難度。
因此，研究一種促進水稻根部積累重金屬鎘的方法，該方法具有操作簡便、環境友好、價格低廉及方便鎘元素回收利用等優點，同時，又能抑制水稻糙米中的鎘含量積累，進而在保證水稻糙米達到國家食用標準的同時(我國規定糙米中重金屬鎘含量的最高限制標準為0.2mg/kg)，又能夠有效緩解現有鎘污染土壤的修復方法成本昂貴、操作復雜、需要特殊的儀器以及修復周期漫長的問題，變得十分必要和迫切。
有鑒于此，特提出本發明。
技術實現要素：
本發明的第一目的在于提供一種利用5-氨基乙酰丙酸促進水稻根部積累重金屬鎘的方法，5-氨基乙酰丙酸能夠明顯促進水稻根部積累重金屬鎘的含量，同時，又能抑制水稻糙米中的鎘含量積累，該應用方法具有成本低廉、操作簡單、應用過程中不需要特殊的儀器以及方便后期鎘元素回收利用的優點。
本發明的第二目的在于提供一種水稻植株，該水稻植株由上述利用5-氨基乙酰丙酸促進水稻積累重金屬鎘的方法制得，該水稻植株的根部富含有大量的鎘元素的同時，又能抑制水稻糙米中的鎘含量積累，進而在保證水稻糙米達到國家食用標準。
本發明提供的一種利用5-氨基乙酰丙酸促進水稻根部積累重金屬鎘的方法，所述方法包括，在鎘污染土壤中種植水稻，在水稻的種植過程中使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理。
進一步的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液為5-氨基乙酰丙酸與水混合后配制的水溶液。
進一步的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的濃度為190～210mg/l。
更進一步的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的濃度為200mg/l。
進一步的，所述噴施處理的時間為水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天。
進一步的，所述噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝300～350l/天。
更進一步的，所述噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。
進一步的，所述鎘污染土壤中的鎘濃度為1～1.4mg/kg。
本發明提供的一種水稻植株，所述水稻植株由上述方法制得。
進一步的，所述水稻植株根中的鎘含量為1.5～1.8mg/kg，水稻植株糙米中的鎘含量為0.15～0.18mg/kg。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
本發明提供了5-氨基乙酰丙酸的一種新應用方法，在鎘污染土壤中種植水稻，在水稻的種植過程中使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理。上述濃度的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后可以明顯促進水稻根部積累重金屬鎘元素，同時，又能抑制水稻糙米中的鎘含量積累。該應用方法具有操作簡便、環境友好、價格低廉及方便鎘元素回收利用等優點，能夠有效緩解現有鎘污染土壤的修復方法成本昂貴、操作復雜、需要特殊的儀器以及修復周期漫長的問題，同時，水稻作為常規作物，其田間管理均為農業常規方法，降低了該土壤修復方法的操作難度。
具體實施方式
下面將結合實施例對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
根據本發明的一個方面，一種利用5-氨基乙酰丙酸促進水稻根部積累重金屬鎘的方法，所述方法為，在鎘污染土壤中種植水稻，在水稻的種植過程中使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理。
5-氨基乙酰丙酸作為四氫吡咯的前綴化合物，是生物體合成葉綠素、血紅素、維生素b12等這些物質所不能缺少的元素，本發明提供了5-氨基乙酰丙酸的一種新應用，通過施加外源5-氨基乙酰丙酸，可以明顯促進水稻積累重金屬鎘元素，進而使在鎘污染土地中種植的水稻的植株富含大量的鎘元素。此外，5-氨基乙酰丙酸為水稻體內所固有成分，無毒副作用，不影響水稻的正常生長發育，且來源廣泛，價格低廉。
本發明提供了5-氨基乙酰丙酸的一種新應用方法，在鎘污染土壤中種植水稻，在水稻的種植過程中使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理。上述濃度的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后可以明顯促進水稻積累重金屬鎘元素，進而使在鎘污染土地中種植的水稻的植株富含大量的鎘元素。該應用方法具有操作簡便、環境友好、價格低廉及方便鎘元素回收利用等優點，同時，又能抑制水稻糙米中的鎘含量積累，進而在保證水稻糙米達到國家食用標準的同時，又能夠有效緩解現有鎘污染土壤的修復方法成本昂貴、操作復雜、需要特殊的儀器以及修復周期漫長的問題，同時，水稻作為常規作物，其田間管理均為農業常規方法，降低了該土壤修復方法的操作難度。
在本發明的一種優選實施方式中，所述5-氨基乙酰丙酸溶液為5-氨基乙酰丙酸與水混合后配制的水溶液。
作為一種優選的實施方式，本發明將5-氨基乙酰丙酸與水混合后配制的水溶液可以使進行外源噴灑的5-氨基乙酰丙酸溶液更為均勻的噴施于水稻葉面。
優選的，所述5-氨基乙酰丙酸溶液為5-氨基乙酰丙酸與蒸餾水混合后配制的水溶液。蒸餾水是利用蒸餾設備使水蒸汽化,然后使水蒸氣凝成水，制備得到的蒸餾水除去了重金屬離子。本發明應用蒸餾水配制5-氨基乙酰丙酸溶液，可以避免水中的重金屬離子對試驗的影響，使的實驗的結果更為準確。
在本發明的一種優選實施方式中，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的濃度為190～210mg/l。
在上述優選實施方式中，所述5-氨基乙酰丙酸溶液的濃度為200mg/l。
本發明中，通過對5-氨基乙酰丙酸溶液濃度的進一步調整和優化，從而進一步優化了本發明5-氨基乙酰丙酸促進水稻積累重金屬鎘的效果。
在本發明的一種優選實施方式中，所述噴施處理的時間為水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天。
作為一種優選的實施方式，本發明在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天對水稻葉面進行噴施處理。
在本發明的一種優選實施方式中，所述噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝300～350l/天。
在上述優選實施方式中，所述噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。
優選的，所述噴施處理的噴施量為噴施至水稻葉面附著滿水珠，液體開始下滴為止。
在本發明的一種優選實施方式中，所述鎘污染土壤中的鎘濃度為1～1.4mg/kg。
鎘在自然土壤中的含量一般是表現較低，不會對人類造成很大的危害，我國的土壤鎘背景值大約為是0.097mg/kg。本發明用于種植水稻的土壤為鎘濃度為1～1.4mg/kg，為重金屬鎘中重度污染的土壤。
根據本發明的一個方面，一種水稻植株，所述水稻植株由上述方法制得。
本發明提供的水稻植株，該水稻植株由上述利用5-氨基乙酰丙酸促進水稻積累重金屬鎘的方法制得，該水稻植株較正常在鎘脅迫條件下種植的水稻根部富含有更多的鎘元素。
在本發明的一種優選實施方式中，所述水稻植株根中的鎘含量為1.5～1.8mg/kg，水稻植株糙米中的鎘含量為0.15～0.18mg/kg。
水稻植株的根部富含淀粉，本發明水稻植株根中的鎘含量高達1.5～1.8mg/kg，收取水稻根部制備工業淀粉，剩余部分可以加工成粉末，進而提取重金屬鎘。因此，利用水稻植株的根部富集鎘元素非常方便鎘元素的回收利用。同時，水稻植株糙米中的鎘含量為0.15～0.18mg/kg，低于我國規定糙米中重金屬鎘含量的最高限制標準為0.2mg/kg。
下面將結合實施例對本發明的技術方案進行進一步地說明。
下述各實施例均以浙江省水稻主栽品種甬優9號為試驗品種，在鎘濃度為1～1.4mg/kg的鎘污染土壤中種植。
下述各個實施例中，水稻種植模式為：每處理小區占地面積2.35×2.55m＝6m2，品種間間隔0.4m，株行距0.3m×0.2m，為125叢，每小區之間筑埂并加塑料膜防滲，每個處理進行3個重復。如無特殊說明，整地、育苗、移栽、田間管理均為農業常規方法。
實施例1
首先，將5-氨基乙酰丙酸用蒸餾水配置成濃度為180mg/l的水溶液，隨后在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
實施例2
首先，將5-氨基乙酰丙酸用蒸餾水配置成濃度為220mg/l的水溶液，隨后在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
實施例3
首先，將5-氨基乙酰丙酸用蒸餾水配置成濃度為190mg/l的水溶液，隨后在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
實施例4
首先，將5-氨基乙酰丙酸用蒸餾水配置成濃度為210mg/l的水溶液，隨后在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
實施例5
首先，將5-氨基乙酰丙酸用蒸餾水配置成濃度為200mg/l的水溶液，隨后在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
對比例1
在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用蒸餾水在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中蒸餾水的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
對比例2
首先，將5-氨基乙酰丙酸用蒸餾水配置成濃度為170mg/l的水溶液，隨后在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
對比例3
首先，將5-氨基乙酰丙酸用蒸餾水配置成濃度為230mg/l的水溶液，隨后在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用上述5-氨基乙酰丙酸溶液在水稻苗期、分蘗期、抽穗前期和揚花期后的第1～14天連續對水稻葉面進行噴施處理，噴施處理中5-氨基乙酰丙酸溶液的噴施量為每畝330l/天。水稻的整個種植過程采用常規田間管理方式進行。
效果例1水稻農藝性狀分析
將實施例1～5和對比例1～3種植的水稻在割前采集植株樣品，并分別考察不同處理條件下水稻的株高、穗數、穗粒數、千粒重和結實率等農藝形狀，其結果如下表所示：
由上表所示，使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理，對水稻成熟期整體農藝性狀影響不大。與對比例1使用蒸餾水進行噴灑的對照組相比，在本發明實施例1～5和對比例2以及對比例3的5-氨基乙酰丙酸溶液處理下，水稻株高、穗數、穗粒數、千粒重和結實率都無顯著變化，水稻結穗，生長態勢良好，未受到很大影響。因此，濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻植株整體農藝性狀并沒有很大影響，即濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻植株沒有不良的影響，5-氨基乙酰丙酸促進水稻積累重金屬鎘的效果并不是由于限制水稻植株的生長而得到的。
效果例2
將實施例1～5和對比例1～3種植的水稻成熟收割后于60～70℃烘干至恒重，將水稻植株的根部進行收割；隨后應用常規試驗方法對得到的水稻植株的根部的鎘含量進行測定，其測定結果如下表所示：
由上表可知，與對比例1使用蒸餾水進行噴灑的對照組相比，實施例1～5使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后水稻植株根部中的鎘元素含量具有顯著的增加，實施例1～5在鎘污染土地中種植的水稻植株根部的鎘含量高達1.5～1.8mg/kg。因此，在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理，可以顯著促進水稻積累重金屬鎘元素，并且效果顯著，其中，實施例5使用濃度為200mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后水稻根部的鎘含量高達1.86mg/kg，其效果最佳。
通過與對比例2和對比例3使用本發明濃度范圍以外的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后得到的結果相比，由上表可知，對比例2種植的水稻植株根部的鎘含量為1.21mg/kg，對比例3種植的水稻植株根部的鎘含量為1.23mg/kg，其對鎘元素的富集效果均明顯低于本發明實施例1～5種植的水稻植株根部的鎘含量，與對比例1未經噴施5-氨基乙酰丙酸溶液的水稻相差不大。因此，使用本發明濃度范圍外的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理不能達到本發明促進水稻積累重金屬鎘元素的技術效果。
效果例3
將實施例1～5和對比例1～3種植的水稻成熟收割后于60～70℃烘干至恒重，將水稻籽粒用脫殼機去殼，得到糙米；隨后應用常規試驗方法對得到的糙米的鎘含量進行測定，其測定結果如下表所示：
由上表可知，與對比例1使用蒸餾水進行噴灑的對照組相比，實施例1～5使用濃度為80～120mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后水稻糙米中的鎘含量顯著下降，實施例1～5在鎘污染土地中種植的糙米的鎘含量為0.15～0.18mg/kg，低于我國規定糙米中重金屬鎘含量的最高限制標準為0.2mg/kg，因此，在鎘污染土壤的水稻種植過程中，使用濃度為80～120mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理，可以明顯緩解鎘脅迫對水稻的毒害作用，能降低水稻糙米中鎘元素的積累量，并且效果顯著，其中，實施例5使用濃度為100mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后水稻糙米中的鎘含量僅為0.152mg/kg，其效果最佳。
通過與對比例2和對比例3使用本發明濃度范圍以外的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后得到的結果相比，由上表可知，對比例2種植的糙米的鎘含量為0.21mg/kg，對比例3種植的糙米的鎘含量為0.194mg/kg，其效果均明顯低于本發明實施例1～5在鎘污染土地中種植的糙米中的鎘含量。因此，使用本發明濃度范圍外的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理不能達到本發明降低水稻糙米中鎘元素含量的技術效果。
綜上所述，本發明在鎘污染土壤中種植水稻，在水稻的種植過程中使用濃度為180～220mg/l的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理。上述濃度的5-氨基乙酰丙酸溶液對水稻葉面進行噴施處理后可以明顯促進水稻根部積累重金屬鎘元素，同時，又能抑制水稻糙米中的鎘含量積累，保證水稻糙米達到國家食用標準。該應用方法具有操作簡便、環境友好、價格低廉及方便鎘元素回收利用等優點，能夠有效緩解現有鎘污染土壤的修復方法成本昂貴、操作復雜、需要特殊的儀器以及修復周期漫長的問題，同時，水稻作為常規作物，其田間管理均為農業常規方法，降低了該土壤修復方法的操作難度。
最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。