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原文传递镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法及其应用

专利名称：	镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法及其应用
摘要：	本发明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。本发明在已知Cd2+和Ni2+的竞争阳离子为H+和Mg2+的基础上，考虑竞争阳离子的毒性抑制作用和盐溶液的渗透压影响，采用单独毒性浓度相加的方法计算Cd和Ni的复合毒性效应。首先采用砂培实验获得Cd‑Ni复合毒性效应参数及盐溶液的渗透压效应参数，再将获得的参数应用于不同土壤中Cd‑Ni复合毒性效应的预测。本方法也适用于Cd‑Ni复合对其他作物根伸长毒性效应的预测，为土壤重金属生态风险评估和区域土壤污染治理提供新的方法。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京大学
发明人：	顾雪元;朱泊静
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910421044.4
公开号：	CN110018300A
代理机构：	北京栈桥知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	刘亚娟
分类号：	G01N33/50(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	210023 江苏省南京市栖霞区仙林大道163号
主权项：	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Visual MINTEQ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：为了研究土壤中常见阳离子(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，I为溶液的离子强度，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，得到土壤条件下Cd-Ni复合毒性效应的计算模型；由于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： 2.根据权利要求1所述的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：在已知Cd和Ni的竞争阳离子分别为H+和Mg2+的情况下，采用步骤(3)确定的重金属和竞争阳离子与生物配体的结合常数，根据方程(4)拟合得到复合毒性参数；同时采用方程(9)来修正渗透压对毒性产生的影响。 3.根据权利要求1所述的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：采用形态计算软件Visual MINTEQ计算溶液中Cd2+和Ni2+的活度；软件输入值包括溶液pH、所有离子的浓度，活度计算公式采用Davies方程，同时设置体系为开放体系，即考虑大气中的CO2。 4.权利要求1所述的一种镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法在重金属毒性评估领域中的应用。 5.权利要求1所述的一种镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法在小麦种植领域中的应用。 6.一种验证权利要求1中所述的镉镍复合对土壤中小麦根伸长毒性的预测方法的方法，其特征在于：采集具有代表性的红壤和黄棕壤，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；按照所述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+、大量阳离子和阴离子的浓度，计算溶液的离子强度，其中TOC代表富里酸FA含量，通过形态计算软件Visual MINTEQ计算各离子活度，采用方程(9)预测不同土壤中镉镍复合毒性效应。
所属类别：	发明专利