농작물 오염

1970년대 초에 사람들은 중금속 중독의 증상이나 화학적 특성의 유사성으로 인해 중금속과 작물 영양소가 흡수 또는 저장을 위해 동일한 수송 시스템을 사용하는 경우가 많다는 사실을 알아냈습니다. 작물의 경우 일부 영양 성분 결핍 증상과 매우 유사한 경우가 많습니다. 다양한 영양소의 공급 수준은 작물 내 중금속의 운반 및 축적에 크게 영향을 미칠 수 있습니다.

이러한 상호 작용은 상호 강화할 수도 있고 상호 억제할 수도 있습니다. 따라서 많은 학자들은 중금속과 영양소의 상호작용에 대한 연구는 농작물의 중금속 오염 문제를 해결하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 중금속의 독성 영향을 정확하게 이해하고 활용 간의 모순을 합리적, 과학적으로 해결하는 데에도 도움이 된다고 믿고 있다. 영양소의 축적과 중금속의 축적이 매우 중요합니다.

1 영양소와 중금속의 상호작용

중금속과 영양소의 상호작용은 최근 중금속 오염에 관한 생태학적 연구 분야에서 가장 중요한 과학적 이슈입니다. 토양의 중금속은 대부분 양이온 영양소와 길항 효과를 갖는 반면, 음이온 영양소와는 시너지 효과 또는 길항 효과를 가질 수 있습니다.

작물에서 중금속과 영양 성분 사이의 상호 작용은 복잡합니다. 질소, 인, 칼륨 및 기타 영양소는 작물의 단백질, 핵산 및 기타 중요한 물질의 합성 및 대사에 중요한 역할을 합니다. 신체에 영양소가 부족하면 작물의 물질 대사 장애가 발생하여 성장에 영향을 미칩니다. 농산물의 생산.

농지 토양의 중금속 오염이 심각해짐에 따라 작물 영양분의 활용을 방해하는 중금속 스트레스는 작물 영양분 부족이나 생체 이용률 감소의 주요 원인이 되었습니다. 지난 30년간 식물영양학 및 식물생리학을 연구하는 많은 학자들은 식물 내 영양소와 중금속의 상호작용에 대한 광범위한 연구를 진행해 왔으며, 질소, 인, 칼륨 등 영양소의 외부 공급을 늘리면 식물의 균형이 향상될 수 있다는 사실을 발견했습니다. 효소 시스템과 대사 과정은 중금속 스트레스의 영향을 어느 정도 완화할 수 있습니다.

셀레늄은 작물의 항산화 물질 형성을 촉진하고 중금속 등 유해 물질에 대한 저항성을 높이며 중금속 흡수를 감소시킬 수 있습니다. SCH?TZENDUBEL 등은 셀레늄과 카드뮴이 모두 특정 단백질에서 시스테인의 설프하이드릴 그룹과 부분적으로 결합할 수 있음을 발견했습니다. 외인성 셀레늄의 공급은 쌀의 글루타티온 퍼옥시다제(GSH-Px) 함량을 증가시킬 수 있습니다. 글루타티온이 증가하여 카드뮴과 설프히드릴기의 결합을 촉진합니다.

셀레늄과 카드뮴은 카드뮴의 용해도와 흡수를 감소시키는 CdSeO3를 형성할 수도 있습니다. 셀레늄은 또한 다른 중금속과 결합하면 불용성 화합물을 형성하여 작물의 중금속 흡수를 억제하고 식물의 중금속 축적을 줄일 수 있습니다. 셀레늄은 또한 작물의 대사 활성 세포 부위에서 중금속 제거를 촉진하거나 세포막의 투과성을 중금속으로 변화시켜 체내 중금속 이동에 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 셀레늄 비료를 시용하면 쌀 등 작물의 카드뮴 오염 위험을 줄일 수 있습니다. SHANKER 등의 냄비 실험에서는 셀레늄이 무의 수은 흡수를 감소시킬 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그 이유는 셀레늄과 수은이 토양에서 불용성 화합물을 형성하기 때문일 수 있습니다.

실리콘은 작물의 성장을 촉진하고, 스트레스 저항성을 향상시키며, 쌀과 같은 작물에서 카드뮴과 납의 이동을 크게 줄일 수 있습니다. 토양에 시비되는 규소 비료에 포함된 규산염 이온은 카드뮴과 화학적으로 반응하여 식물에 쉽게 흡수되지 않고 침전되는 규산염을 형성하여 작물의 카드뮴과 같은 중금속의 흡수를 감소시킬 수 있습니다.

쌀의 영양성분인 규소는 벼잎의 엽록소 함량을 높이고 뿌리 활력을 높이며 세포막의 투과성을 감소시켜 쌀의 중금속에 대한 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 나노실리카 제제를 엽면에 살포하면 쌀에 대한 중금속의 독성 영향을 완화할 수 있으며, 실리콘 제제를 살포한 후 종자에 있는 카드뮴, 납, 구리, 아연의 흡수가 크게 감소합니다. 다른 연구에서는 규소와 카드뮴의 침전으로 인해 카드뮴의 상향 이동을 방지하면 토양 카드뮴의 이동 능력을 크게 감소시켜 작물의 지상부에서 카드뮴 축적을 줄이고 탄소 배출을 줄이는 목적을 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 쌀의 카드뮴 함량.

질소, 인, 칼륨 및 기타 영양소를 엽면에 살포하면 농작물에 대한 중금속의 독성 영향을 줄이거나 제거할 수 있으며 농작물에 중금속의 흡수 및 축적을 줄일 수 있습니다. 연구에 따르면 질소비료를 시비하면 납, 아연 등 중금속이 겨울밀 묘목의 잎과 뿌리 성장에 미치는 억제 효과를 줄일 수 있으며, 이는 질소 시비량이 증가할수록 더욱 강화될 것입니다.

인 비료를 엽면에 살포하면 납 중독으로 인한 작물의 인 결핍 증상을 개선할 수 있습니다. 토양에 인을 살포하면 시금치, 당근, 귀리, 귀리 등의 작물에서 발견되는 납의 생체 이용률이 감소할 수 있습니다. 라이그래스 확인됨. Ding Lingyun 등의 연구에 따르면 KH2PO4의 엽면 살포는 벼 수확량을 늘리고 벼의 납, 아연 및 카드뮴 축적을 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. SINGH 등은 칼륨 비료를 사용하면 밀 식물의 아연 농도를 크게 줄일 수 있음을 발견했습니다. 밀 세포에서 카드뮴의 이동 경로를 연구한 결과, 세포벽 표면의 COO-가 카드뮴과 쉽게 결합하여 많은 양의 카드뮴이 세포벽에 갇혀 세포막으로 들어가지 않는 것으로 나타났습니다.

칼슘, 마그네슘, 아연 등은 작물의 흡수 및 수송 부위를 두고 중금속과 경쟁할 수 있습니다. 연구에 따르면 고농도의 중금속은 작물에 의한 칼슘 및 마그네슘과 같은 영양분의 흡수 및 운반을 억제하는 능력이 있는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 카드뮴으로 처리된 밀 묘목의 줄기와 잎의 카드뮴 함량은 크게 증가한 반면, 칼슘 및 마그네슘과 같은 영양소의 수준이 크게 증가했습니다. 아연 농도의 증가는 작물의 마그네슘 및 기타 원소의 농도를 감소시킬 수 있습니다.

따라서 칼슘, 마그네슘 등 영양소를 적절히 공급하면 중금속의 독성을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 작물의 칼슘과 마그네슘이 뿌리 세포가 정상적인 삼투 시스템을 유지하는 데 도움이 되기 때문입니다.

카드뮴 스트레스 하에서 칼슘을 첨가한 조건과 칼슘을 첨가하지 않은 조건을 비교한 결과, 칼슘을 첨가하면 옥수수 뿌리, 잎 소기관 및 세포질의 칼슘 함량이 크게 증가하는 반면 카드뮴 함량은 크게 감소하는 것으로 나타났습니다. 칼슘을 첨가하지 않고도 카드뮴을 첨가하면 엽록체에 그라나(grana)가 없어지거나 그라나 라멜라(grana lamellae)의 배열이 흐트러지고 그라나의 수가 늘어나는 원인이 될 수 있습니다. 이는 칼슘이 카드뮴 스트레스 하에서 옥수수 잎의 정상적인 구조와 기능을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 하기 때문입니다.

철분은 작물의 엽록체 기능에 영향을 주고, 생리적 기능을 조정하며, 중금속의 흡수와 수송에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 엽면 살포를 통해 작물의 철분 공급을 개선하면 카드뮴 및 기타 중금속의 축적을 줄일 수 있습니다. 어느 정도 몸에 금속이 들어있습니다. 일반적으로 작물의 철 함량이 충분하면 망간, 구리, 아연, 카드뮴과 같은 중금속 함량이 낮아지고, 철이 부족하면 망간, 구리, 아연, 아연 등 중금속 함량이 낮아집니다. 카드뮴 함량이 높을 것입니다. 이는 철 수송체 유전자 발현과 관련이 있을 수 있습니다.

COHEN 등은 철분이 부족한 조건과 철분이 충분한 조건에서 완두콩의 카드뮴 흡수 역학을 연구한 결과 철분이 부족한 조건에서 완두콩의 최대 초기 카드뮴 흡수율이 거의 7배인 것으로 나타났습니다. 철분이 충분한 조건입니다. 다양한 철 공급 조건에서 카드뮴 흡수의 차이는 IRT1 유전자의 발현과 관련이 있을 수 있습니다. IRT1은 애기장대에서 복제된 철 수송 유전자로, 철 결핍은 이의 발현을 유도하고 철 흡수와 수송을 촉진할 수 있습니다. 카드뮴 등 중금속 때문이다. 철분 결핍 상태에서 카드뮴 흡수율의 증가는 원형질막의 양성자 펌프 활성화 유도와도 관련이 있을 수 있습니다. FeSO4는 카드뮴으로 오염된 토양에 미량원소 비료로 사용되며, 이는 작물 수확량을 증가시킬 뿐만 아니라 작물의 카드뮴 축적을 줄일 수도 있습니다.

연구에 따르면 희토류 원소는 중금속 스트레스를 완화하는 데 특정 효과가 있는 것으로 나타났습니다. 네오디뮴 또는 그 복합체를 엽면에 살포하면 녹두, 배추, 시금치 등의 납으로 인한 피해를 완화할 수 있습니다. 카드뮴으로 인해 스트레스를 받는 콩과 옥수수 묘목의 잎에 란탄을 뿌리면 카드뮴으로 인해 묘목이 받는 피해를 줄일 수 있습니다. 100 mg/L 란타늄-글리신 복합체를 엽면시비하면 카드뮴에 의한 배추의 피해를 감소시키고, 배추의 광합성률과 Hill 반응 활성, 질산염 환원효소 활성을 증가시키고, 엽록소와 핵산 함량을 증가시키며, 말론디알데히드와 카드뮴 함량, 세포 원형질막 투과성을 감소시킵니다.

이 밖에도 지베렐린, 디에틸아미노에탄올헥사노에이트, 아미노레불린산, 살리실산, 프롤린, 글리신, 베타인 등 생리조절물질을 적용하면 중금속이 작물에 미치는 독성효과도 줄일 수 있다. . 사이토키닌 물질인 6-벤질아미노아데닌을 적용하면 수은이 물땅콩에 미치는 독성 영향을 완화할 수 있습니다. 살리실산과 아브시스산을 적용하면 보리 모종에 대한 카드뮴의 독성 영향을 줄일 수 있습니다. 나프토아세트산을 뿌리면 카드뮴 스트레스 하에서 콩 묘목 잎의 말론디알데히드와 프롤린 함량을 감소시키고, 막 지질 과산화 및 단백질 가수분해를 감소시키며, 과산화효소(POD) 활성을 감소시키고, 질산염 환원효소 활성을 증가시킬 수 있습니다.

식물은 외부 환경 변화에 적응하기 위해 요소의 흡수, 수송 및 유출을 정밀하게 조절하는 복잡한 메커니즘을 가지고 있으며, 현재 식물 요소 균형 경로와 규제 네트워크는 아직 명확하지 않습니다. 과거에는 사람들의 연구가 종종 두 가지 또는 몇 가지 요소에 머물렀지만 실제로 식물의 요소 균형은 매우 복잡한 과정입니다. 어떤 사람들은 최근 등장한 이오노믹스 방법이 식물의 영양 성분과 중금속 사이의 상호 작용 메커니즘을 더 밝힐 수 있는 수단을 제공할 수 있다고 믿습니다.

현재 농작물에 포함된 중금속과 영양성분의 관계에 대해 많은 논의가 진행되어 왔지만, 관련 메커니즘에 대한 전반적인 연구는 아직 심도가 깊지 않습니다. 연구 조건, 연구 방법 및 시험 작물에 따라 얻은 결론은 다르거나 모순되기도 합니다. 중금속과 영양소 사이의 상호 작용에 대해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

2 잎생리장벽기술 개발 현황

작물잎 생리장벽제를 활용하여 작물 내 중금속 축적을 방지하는 것은 중금속 예방 및 방제 연구의 새로운 방향이다. 최근 몇 년 동안 중국 농지의 금속 오염은 주로 작물 세포벽에 중금속을 침전시키거나 킬레이트화하고 중금속에 대한 작물의 스트레스 저항성을 향상시켜 중금속이 먹이 사슬로 이동하는 것을 줄이거나 심지어 완전히 차단함으로써 이루어졌습니다. 이 기술은 저비용, 친환경성, 조작 용이성 등의 장점으로 인해 국내 연구자들이 선호하는 기술이다. 중국의 기존 관련 특허에 따르면, 기존 잎 표면 생리적 차단제는 일반적으로 다음 범주에 속합니다.

(1) 실리콘 기반의 잎 생리적 차단제(유기 규소 및 무기 규소 포함) 성분 제제 및 관련 특허에는 103789114A(특허번호, 이하 동일), 101907029A, 103864531A, 105075763A, 101851133A, 101830735A 등이 있습니다.

(2) 셀레늄 또는 희토류 원소로 구성된 잎 생리학적 차단제 관련 특허에는 103804091A, 102356739A, 104788156A, 104322335A, 101597191A, 104003815A, 103766182A, 10296417이 있습니다. 7A 등

(3) 질소, 인, 칼륨 및 일반 미량원소(칼슘, 마그네슘, 철, 붕소, 망간, 아연, 몰리브덴, 티타늄, 황)를 주성분으로 하는 엽면 생리 차단제, 관련 특허 103749223A, 103314999A, 103314693A, 10501039A, 101507400A, 102653486A, 104478556A, 104082341A 등이 있습니다.

(4) 작물 생리학적 조절 물질, 엽면 생리학적 장벽제, 관련 특허에는 103392401A, 104025921A, 102356739A, 102550313A, 104823738A, 101940112A, 103980030A, 103936495A가 포함됩니다. , 102653486A. 102653485A, 104221796A, 104322336A, 101940113A, 103650817A 등

현재 중국에서 작물 잎 생리학적 차단제의 제품 개발 및 실험 효과 연구에 종사하는 기관은 주로 동부 및 중남부 지역, 주로 대학 및 과학 연구 기관과 일부 지역에 집중되어 있습니다. 풀뿌리 농업 부서. 일반적으로 사용되는 시험작물에는 주로 쌀, 야채, 과일 등이 포함됩니다. 관련 중금속은 주로 카드뮴이지만 납, 비소, 수은 등도 포함되어 있습니다.

유럽과 미국 국가들은 경작지 자원 문제가 상대적으로 덜해서 관련 특허가 많지 않다. 미국특허청, 유럽특허청, 세계무역기구 지적재산권기구 등 웹사이트에서는 관련 특허 3건만 검색됐는데, 그 중 1건은 중국 학자가 제출한 것이다.

일부 예비 테스트 결과를 보면, 잎생리저항성 조절기술을 활용한 효과는 생산지역과 작물 종류에 따라 다르다.

리팡바이 등의 실험 결과, 잎에 실리콘 비료를 뿌리면 벼 수확량이 29.6% 증가했고, 벼 비소는 28.2%(질량비, 아래 동일) 감소했으며, 카드뮴은 40.2% 감소한 것으로 나타났다. %.

왕시화(Wang Shihua) 등의 화분 실험에서는 실리콘 비료를 살포한 후 쌀알의 카드뮴이 17%~53% 감소하고, 납, 아연, 구리가 26%~41% 감소한 것으로 나타났습니다. 각각 29%~34%, 29%~53%입니다.

Liu Jie의 실험에 따르면 카드뮴이 없는 실리콘 비료를 엽면 실리콘 비료에 뿌리면 쌀알 수확량이 5% 증가하고 카드뮴이 40% 감소하여 잎에서 곡물로 중금속이 이동하는 것을 억제하는 것으로 나타났습니다.

Cui Xiaofeng 등은 실리콘 비료를 엽면에 살포하면 상추의 성장을 촉진하고 상추 지상부에서 POD와 SOD(과산화물 제거효소)의 활성을 증가시킬 수 있음을 발견했습니다. 각각 33.5%~40.1%, 55.2%~63.3%.

유추안핑(Liu Chuanping)의 연구에 따르면 실리콘 비료를 잎에 뿌린 후 겨자의 카드뮴, 비소 및 납이 각각 24.5%, 26.4%, 22.5% 동시에 감소한 것으로 나타났습니다. 세륨비료, 카드뮴, 비소, 납은 각각 42.6%, 40.0%, 36.8% 감소했다.

Liu Jizhen 등의 연구에 따르면 실리콘 살포 후 화분에 담긴 고추의 카드뮴이 13.4%에서 26.1%로 감소한 것으로 나타났습니다.

셀레늄 비료를 엽면에 살포하는 것도 작물의 중금속 감소에 상당한 효과가 있습니다. Jiang Bin의 연구에 따르면 나노 셀레늄 비료와 셀레늄 + 키토산 복합 비료를 잎에 뿌렸을 때 수경 상추의 카드뮴이 각각 19.24%와 21.13% 감소하는 것으로 나타났습니다. 벼잎에 셀레늄 비료를 살포한 후 벼 수확량은 16.2% 증가했고, 카드뮴은 8.6%에서 17.8%로 감소했습니다. 야채와 과일의 잎에 셀레늄 비료를 살포한 후, 토마토와 마늘 모종의 카드뮴은 24.46% 감소했고, 토마토와 오이의 카드뮴은 60.6%에서 75.8%로 감소했으며, 수박의 카드뮴은 6.61%에서 66.13%로 감소했습니다. 4.55%에서 83.33%로 감소하였고, 막지방과산화산물인 말론디알데히드의 함량도 각각 10.20% 감소한 94.65%와 18.33%로 나타났으며, 납은 38.86% 감소한 76.80%로 나타났다. 감의 카드뮴, 납 및 수은 함량이 각각 77.71% 감소합니다. 셀레늄, 실리콘, 몰리브덴 복합비료를 살포한 후 양배추와 고추의 카드뮴 함량이 1.9%에서 20.6%로 감소했습니다. 셀레늄과 실리콘을 함께 살포하면 쌀 생산량이 43.8% 증가하고 곡물의 비소가 46% 감소합니다.

희토류 원소를 엽면에 살포하면 옥수수, 녹두, 양배추 등 작물의 카드뮴 중독 증상을 줄일 수 있고, 상추 지상부에 있는 납도 31.7% 감소한다. 토마토의 카드뮴은 각각 45.3%, 26.7%에서 71.4%로 감소했으며, 오이의 카드뮴은 32.0% 감소한 49.8%를 기록했습니다. 잎은 각각 2.91%에서 7.82%, 2.91%에서 6.99%, 7.26%~20.92%, 6.32%~15.79%, 7.69%~21.31% 감소했습니다. 각각 26.0%, 32.5%였다. 아연을 잎에 뿌렸을 때 양상추의 카드뮴은 37.02% 감소했고, 토마토의 카드뮴은 37.01% 감소했으며, 현미의 카드뮴은 41.9% 감소했습니다. 잎에 철분을 뿌리면 양배추의 카드뮴은 4.3%에서 35.5%로, 납은 6.17%에서 50.30%로, 구리는 8.34%에서 33.40%로 감소했으며, 토마토 열매의 카드뮴은 2.8%에서 8.2%로 감소했다.

3 적용 전망

중금속은 생명에 필요한 많은 영양소와 상호 작용하여 양쪽의 기능에 영향을 미칩니다. 영양소를 보충하면 농작물에서 중금속의 독성 영향을 줄일 수 있습니다. 실리콘, 셀레늄, 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 일부 미량 원소는 작물에 유익한 요소입니다. 생리적 차단제로 엽면 살포를 사용하면 작물의 중금속 축적을 어느 정도 방지하고 제어할 수 있습니다. 또한 작물의 성장을 촉진하고 수확량이 증가하며 품질이 향상됩니다. 저렴한 비용과 쉬운 작동으로 인해 많은 연구자들은 엽면 살포가 농업을 방해하지 않는 중간 및 약간 오염된 토양에 대한 편리하고 효과적인 생리적 장벽 방법이며 광범위한 적용 가능성을 가지고 있다고 믿습니다.

중국은 외국에 비해 엽면 생리 차단제에 대한 연구 범위가 더 넓으며 생리 차단 제품의 연구 개발 및 응용, 특히 응용 연구에서 세계 선두에 있습니다. 쌀의 중금속 통제. 그러나 작물의 중금속 함량을 조절하기 위한 엽면생리적 차단제에 대한 기초이론적 연구는 해외만큼 좋지 않다. 현재 중국에서 농작물 잎에 생리학적 차단제를 사용하여 농산물 중 중금속 축적을 제어하는 ​​기술은 아직 미성숙한 상태입니다. 대부분의 제품은 광범위한 현장 시험 평가가 부족하고 적용 효과가 충분히 안정적이지 않으며 적용 방법을 개선해야 합니다. . 통일되고 표준화된 표준이 없기 때문에 현재 중국에는 다양한 종류의 엽생리적 장벽제가 있어 사용자는 무엇을 해야 할지 혼란스러워하고 있습니다. 동시에 표준화된 응용 기술이 부족하여 사용자가 비표준적인 작업으로 인해 문제를 겪고 있으며 결과적으로 적절한 응용 효과를 얻을 수 없습니다. 따라서 다음 분야의 연구에 중점을 두어야 합니다.

(1) 농지의 중금속 오염에 대한 효율적인 작물 잎 생리학적 차단제의 연구 및 개발. 기존 연구를 바탕으로 다양한 작물 경엽 생리적 차단제가 농산물 중 중금속 제어에 미치는 영향에 대한 심층적인 연구를 수행하여 효율적인 작물 경엽 생리적 차단제를 선별했습니다.

(2) 작물 잎에 대한 생리학적 차단제 적용 범위에 관한 연구. 다양한 지역, 다양한 윤작 시스템, 다양한 물 및 비료 관리 조건에서 작물의 중금속에 대한 엽면 생리학적 차단제의 차단 효과를 연구하여 적용 범위를 결정하고 환경 요인(온도, 습도, 빛, 토양 비옥도)을 탐색합니다. 살포시간, 살포량 및 농도, 살포횟수 등이 엽면생리장벽제가 작물의 중금속 흡수에 미치는 영향.

(3) 잎 생리학적 차단제의 효율성을 향상시키고 복합 잎 생리학적 차단제를 개발할 수 있는 보조제를 선별합니다. 엽면생리장벽제를 계면활성제, 착화제, 식물생장조절제 등과 함께 적용하여 독성이 낮고 중금속의 흡수를 효과적으로 차단할 수 있는 제제를 선택합니다. 이를 바탕으로 다양한 제제 복합 시험을 통해 복합잎 생리학적 차단제에 대한 추가 연구가 진행되었다.

(4) 엽면 생리학적 장벽제에 대한 현장 실증 및 적용 기술과 표준 연구를 강화합니다. 보다 성숙한 엽면 생리학적 차단제를 선택하면 여러 곳에서 현장 실증 연구를 수행하고 실제 응용 분야에서 응용 기술을 지속적으로 수정하여 효율성을 향상시켜 최종적으로 관련 기술 규정을 형성할 수 있습니다.