[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，发明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。

发明内容

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，本发明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。本发明基于自由离子活度模型，采用visual MINTEQ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，本发明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：