Contaminación de cultivos
Estas interacciones pueden potenciarse o inhibirse mutuamente. Por lo tanto, muchos estudiosos creen que estudiar la interacción entre metales pesados y nutrientes no sólo es beneficioso para resolver el problema de la contaminación por metales pesados en los cultivos, sino que también es de gran importancia para comprender correctamente los efectos tóxicos de los metales pesados y resolver racional y científicamente los problemas. contradicción entre la utilización de nutrientes y la acumulación de metales pesados.
1 Interacción entre nutrientes y metales pesados
La interacción entre metales pesados y nutrientes es una cuestión científica de frontera en el campo de la ecología de la contaminación por metales pesados en los últimos años. La mayoría de los metales pesados en el suelo tienen efectos antagónicos sobre los nutrientes catiónicos, mientras que pueden tener efectos sinérgicos o antagónicos sobre los nutrientes aniónicos.
La interacción entre metales pesados y nutrientes en los cultivos es compleja. Elementos nutrientes como el nitrógeno, el fósforo y el potasio desempeñan un papel importante en la síntesis y el metabolismo de sustancias importantes como las proteínas de los cultivos y los ácidos nucleicos. La falta de nutrientes en los cultivos puede provocar trastornos metabólicos, afectando así el crecimiento de los cultivos y el rendimiento de los productos agrícolas.
Con la contaminación cada vez más grave de los suelos agrícolas por metales pesados, el estrés por metales pesados interfiere con la utilización de los nutrientes de los cultivos y se convierte en la principal razón de la deficiencia de nutrientes de los cultivos o de la reducción de su biodisponibilidad. En los últimos 30 años, muchos académicos que estudian la nutrición y la fisiología de las plantas han realizado extensas investigaciones sobre la interacción entre los nutrientes y los metales pesados en las plantas y han descubierto que aumentar el suministro de nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio puede mejorar el sistema enzimático. y metabolismo de los cultivos para aliviar en cierta medida el impacto del estrés por metales pesados.
El selenio puede favorecer la formación de sustancias antioxidantes en los cultivos, aumentar la resistencia de los cultivos a sustancias nocivas como los metales pesados y reducir la absorción. ¿SCH? TZENDUBEL et al. descubrieron que el selenio y el cadmio pueden unirse al resto sulfhidrilo de la cisteína en ciertas proteínas. El suministro de selenio exógeno puede aumentar el contenido de glutatión de la glutatión peroxidasa de arroz (GSH-Px) y promover la combinación de grupos cadmio y sulfhidrilo.
El selenio y el cadmio también pueden formar CdSeO3, que reduce la solubilidad y absorción del cadmio. El selenio también puede producir compuestos insolubles cuando se combina con otros metales pesados, inhibiendo la absorción de metales pesados por los cultivos y reduciendo la acumulación de metales pesados en las plantas. El selenio también puede promover la eliminación de metales pesados por parte de las células metabólicamente activas de los cultivos o afectar el transporte de metales pesados en sus cuerpos al cambiar la permeabilidad de las membranas celulares a los metales pesados.
Por tanto, la aplicación de fertilizantes con selenio puede reducir el riesgo de contaminación por cadmio en cultivos como el arroz. El experimento en macetas de SHANKER et al. encontró que el selenio puede reducir la absorción de mercurio por el rábano, posiblemente porque el selenio y el mercurio forman compuestos insolubles en el suelo.
El silicio puede favorecer el crecimiento de los cultivos, mejorar su resistencia al estrés y reducir significativamente la migración de cadmio y plomo en cultivos como el arroz. Los iones de silicato contenidos en el fertilizante de silicio aplicado al suelo pueden reaccionar químicamente con el cadmio para formar silicatos que las plantas no absorben fácilmente y precipitan, reduciendo así la absorción de metales pesados como el cadmio por los cultivos.
Como elemento nutritivo del arroz, el silicio puede aumentar el contenido de clorofila de las hojas de arroz, mejorar la vitalidad de las raíces, reducir la permeabilidad de la membrana celular y mejorar así la resistencia del arroz a los metales pesados. La pulverización foliar de preparados de nanosílice puede aliviar los efectos tóxicos de los metales pesados en el arroz. Después de pulverizar preparados de silicio, la absorción de cadmio, plomo, cobre y zinc por parte de las semillas se reduce significativamente. Otro estudio demostró que prevenir la migración ascendente de cadmio debido a la precipitación de silicio-cadmio puede reducir significativamente la capacidad de migración del cadmio en el suelo, reduciendo así la acumulación de cadmio en las partes aéreas de los cultivos y reduciendo el contenido de cadmio en el arroz.
La pulverización foliar de nitrógeno, fósforo, potasio y otros nutrientes puede reducir o eliminar los efectos tóxicos de los metales pesados en los cultivos y reducir la absorción y acumulación de metales pesados por los cultivos. Los estudios han demostrado que la aplicación de fertilizantes nitrogenados puede aliviar la inhibición del crecimiento de las hojas y raíces de las plántulas de trigo de invierno causada por metales pesados como el plomo y el zinc, y el crecimiento mejorará con el aumento de la aplicación de nitrógeno.
La pulverización foliar de fertilizantes fosfatados puede mejorar los síntomas de la deficiencia de fósforo en los cultivos provocada por el envenenamiento por plomo. La aplicación de fósforo al suelo puede reducir la biodisponibilidad del plomo. Esto se ha comprobado en espinacas, zanahorias, avena y raigrás. La investigación realizada por Ding Lingyun y otros ha demostrado que la pulverización foliar de KH2PO4 puede aumentar el rendimiento del arroz y reducir la acumulación de plomo, zinc y cadmio en el arroz. SINGH et al. encontraron que la aplicación de fertilizantes potásicos podría reducir significativamente la concentración de zinc en las plantas de trigo. Al estudiar la ruta de migración del cadmio en las células del trigo, se encontró que el COO en la superficie de la pared celular se une fácilmente al cadmio, de modo que el cadmio queda atrapado en la pared celular y no ingresa a la membrana celular.
El calcio, el magnesio y el zinc pueden competir con los metales pesados por los sitios de absorción y transporte en los cultivos. Las investigaciones muestran que las altas concentraciones de metales pesados pueden inhibir la absorción y el transporte de nutrientes como el calcio y el magnesio por los cultivos. Por ejemplo, el contenido de cadmio en los tallos y hojas de las plántulas de trigo tratadas con cadmio aumentó significativamente, mientras que el contenido de calcio, magnesio y otros elementos nutricionales disminuyó significativamente. Una mayor concentración de zinc puede reducir la concentración de elementos como el magnesio en los cultivos.
Por lo tanto, un aporte adecuado de nutrientes como calcio y magnesio es de ayuda para reducir los efectos tóxicos de los metales pesados. Esto se debe a que el calcio y el magnesio del cultivo ayudan a mantener el sistema osmótico normal de las células de la raíz.
Bajo estrés por cadmio, al comparar las condiciones de agregar calcio y no agregar calcio, se encontró que agregar calcio puede aumentar significativamente el contenido de calcio en los orgánulos y el citoplasma de las raíces y hojas del maíz, pero reducir significativamente el contenido de cadmio. contenido sin calcio, cadmio Como resultado, el cloroplasto no tiene grana, o las láminas de grana están dispuestas desordenadamente y aumenta el número de gránulos hambrientos. Esto se debe a que el calcio juega un papel muy importante en el mantenimiento de la estructura y función normales de las hojas de maíz bajo estrés por cadmio.
El hierro puede afectar a la función de los cloroplastos de los cultivos, coordinar funciones fisiológicas y afectar a la absorción y transporte de metales pesados. Por tanto, aumentar el suministro de hierro a los cultivos mediante pulverización foliar puede reducir en cierta medida la acumulación de metales pesados como el cadmio en sus cuerpos. En circunstancias normales, si el contenido de hierro en los cultivos es suficiente, el contenido de metales pesados como manganeso, cobre, zinc y cadmio será bajo; sin embargo, debido a la deficiencia de hierro, el contenido de metales pesados como manganeso, cobre, El zinc y el cadmio son altos, lo que puede estar relacionado con la expresión del gen de ferroportina.
COHEN et al. estudiaron la cinética de absorción de cadmio de los guisantes en condiciones de deficiencia de hierro y deficiencia de hierro. Los resultados mostraron que la tasa máxima de absorción inicial de cadmio por los guisantes en condiciones de deficiencia de hierro fue casi 7 veces mayor que en condiciones de suficiente hierro. La diferencia en la absorción de cadmio bajo diferentes condiciones de suministro de hierro puede estar relacionada con la expresión del gen IRT1. IRT1 es un gen transportador de hierro clonado de Arabidopsis thaliana. La deficiencia de hierro puede inducir su expresión y favorecer la absorción y transporte de hierro, así como la absorción y transporte de metales pesados como el cadmio. El aumento de la tasa de absorción de cadmio en caso de deficiencia de hierro también puede estar relacionado con la activación de las bombas de protones de la membrana plasmática. FeSO4_4, como fertilizante de oligoelementos, no solo puede aumentar el rendimiento de los cultivos, sino también reducir la acumulación de cadmio en los cultivos.
Las investigaciones muestran que las tierras raras pueden aliviar en cierta medida la tensión de los metales pesados. La fumigación foliar de neodimio o sus complejos puede reducir el daño causado por el plomo en los frijoles mungo, el repollo chino y las espinacas. La pulverización foliar de lantano sobre plántulas de frijol y maíz sometidas a estrés por cadmio puede reducir el daño del cadmio a las plántulas. La pulverización foliar de 100 mg/L de complejo de lantano-glicina puede reducir el daño del cadmio a la col china, aumentar la tasa fotosintética, la actividad de la reacción de Hill y la actividad de la nitrato reductasa de la col china, aumentar el contenido de clorofila y ácido nucleico y reducir el malondialdehído. contenido de cadmio, lo que reduce la permeabilidad de la membrana plasmática.
Además, la aplicación de sustancias reguladoras fisiológicas como giberelina, dietil hexanoato de aminoetanol, ácido aminolevulínico, ácido salicílico, prolina, glicina, betaína, etc. también puede reducir el impacto de los metales pesados tóxicos en los cultivos. efectos. La aplicación de citoquinina 6-bencilaminoadenina puede aliviar los efectos tóxicos del mercurio en A. chinensis. La aplicación de ácido salicílico y ácido abscísico puede aliviar los efectos tóxicos del cadmio en las plántulas de cebada. La pulverización de NAA puede reducir el contenido de malondialdehído y prolina de las hojas de las plántulas de soja sometidas a estrés por cadmio, reducir la peroxidación lipídica de la membrana y la hidrólisis de proteínas, reducir la actividad de la peroxidasa (POD) y aumentar la actividad de la nitrato reductasa.
Las plantas cuentan con un complejo mecanismo para regular con precisión la absorción, transporte y excreción de elementos para adaptarse a los cambios del medio externo. En la actualidad, las vías del equilibrio de los elementos vegetales y las redes reguladoras no se comprenden bien. En el pasado, la investigación popular se centraba a menudo en dos o más elementos, pero en realidad el equilibrio de los elementos en las plantas es un proceso muy complejo.
Algunas personas creen que el método ionómico desarrollado en los últimos años puede proporcionar un medio para revelar mejor el mecanismo de interacción entre los elementos nutricionales y los metales pesados en las plantas.
En la actualidad, aunque la relación entre los metales pesados y los nutrientes de los cultivos se ha debatido ampliamente, la investigación sobre los mecanismos relevantes generalmente no es en profundidad. Diferentes condiciones de investigación, diferentes métodos de investigación y diferentes cultivos probados conducen a conclusiones diferentes o incluso contradictorias. Las interacciones entre los metales pesados y los nutrientes requieren más estudios.
2. Estado de desarrollo de la tecnología de control de la resistencia fisiológica de las hojas
En los últimos años, el uso de barreras fisiológicas en las hojas de los cultivos para prevenir la acumulación de metales pesados en los cultivos es una nueva dirección. Al depositar o quelar metales pesados en las paredes celulares de los cultivos, los cultivos pueden mejorar su resistencia a los metales pesados y reducir o incluso bloquear por completo la transferencia de metales pesados a la cadena alimentaria. Los investigadores nacionales prefieren esta tecnología debido a su bajo costo, respeto al medio ambiente y fácil operación. A juzgar por las patentes nacionales pertinentes, los agentes de barrera fisiológica de las hojas existentes son aproximadamente los siguientes:
(1) Barreras fisiológicas de las hojas que contienen componentes a base de silicio (incluidos el silicio orgánico y el silicio inorgánico). Las patentes relevantes son 103789114A (número de patente, el mismo a continuación), 101907029A y 103868.
(2) Barrera fisiológica foliar de selenio o elementos de tierras raras; las patentes relevantes incluyen 103804091A, 102356739A, 104788156A, 104322335A y 101597658.
(3) Agente de barrera fisiológica foliar con nitrógeno, fósforo, potasio y oligoelementos convencionales (calcio, magnesio, hierro, boro, manganeso, zinc, molibdeno, titanio, azufre) como componentes principales, relacionados con el las patentes son 103749223A, 103314999A, 103314693A, 10501039A, 65438
(4) Barrera fisiológica de hojas de cultivo, las patentes relevantes son 103392401A, 10402592102356739 a, 102550365438 3A, 104823738 A. 103980030A, 103936495A, 102653486A, 102653485A, 104221796A, 104322.
En la actualidad, las instituciones dedicadas al desarrollo y la investigación del efecto experimental de productos de barrera fisiológica para hojas de cultivos en mi país se concentran principalmente en las regiones oriental y centro-sur, principalmente universidades e instituciones de investigación científica, así como así como algunos departamentos agrícolas de base. Los cultivos experimentales de uso común incluyen principalmente arroz, verduras y frutas. Los metales pesados involucrados son principalmente cadmio, pero también están involucrados plomo, arsénico y mercurio.
Debido a que el problema de los recursos de tierras cultivadas en Europa y Estados Unidos no es muy destacado, no hay muchas patentes relacionadas. Sólo se recuperaron tres patentes relevantes de la Oficina de Patentes de Estados Unidos, la Oficina Europea de Patentes, la Organización Mundial del Comercio (OMPI) y otros sitios web, de las cuales una fue presentada por académicos chinos.
A juzgar por los resultados de algunas pruebas preliminares, los efectos del uso de tecnología de control de la resistencia fisiológica de las hojas varían según el área de producción y la categoría de cultivo.
Los resultados de las pruebas de Li Fangbai y otros mostraron que la pulverización foliar de fertilizante de silicio aumentó el rendimiento del arroz en un 29,6%, redujo el arsénico del arroz en un 28,2% (la fracción de masa, la misma a continuación) y redujo el cadmio en un 40,2%. .
El experimento en macetas de Wang Shihua et al. demostró que después de rociar fertilizante de silicio, el cadmio en los granos de arroz se redujo de 17 a 53, y el plomo, zinc y cobre se redujeron de 26 a 41, 29. a 34 y de 45 a 53 respectivamente.
Los experimentos de Liu Jie demostraron que rociar detergente con cadmio y fertilizante foliar de silicio en las hojas aumentaba el rendimiento del arroz en un 5% y reducía el cadmio en un 40%, inhibiendo la migración de metales pesados de las hojas a los granos.
Cui Xiaofeng et al. descubrieron que la pulverización foliar de fertilizante de silicio puede promover el crecimiento de la lechuga, aumentar las actividades de POD y superóxido dismutasa (SOD) y reducir el cadmio y el plomo en las partes aéreas de la lechuga en un 33,5 ~. 40,1 y 55,2 ~ 63,3 respectivamente.
La investigación de Liu demostró que después de la pulverización foliar de fertilizante de silicio, los contenidos de cadmio, arsénico y plomo en la mostaza acuosa se redujeron en 24,5, 26,4 y 22,5 respectivamente. Al mismo tiempo, las tasas de reducción de cadmio, arsénico y plomo mediante la pulverización de fertilizantes de silicio y cerio fueron de 42,6, 40,0 y 36,8 respectivamente.
La investigación de Liu Jizhen muestra que después de la pulverización de silicio, el contenido de cadmio en los pimientos en macetas disminuyó de 13,4 a 26,1.
La pulverización foliar de fertilizantes de selenio también tiene un efecto significativo en la reducción de metales pesados en los cultivos. La investigación de Jiang Bin demostró que la pulverización de fertilizantes de nanoselenio y fertilizantes compuestos de selenio y quitosano en las hojas redujo el contenido de cadmio de la lechuga hidropónica en 19,24 y 21,13 respectivamente. Después de rociar fertilizante de selenio sobre las hojas de arroz, el rendimiento del arroz aumentó un 16,2% y el cadmio disminuyó entre un 8,6 y un 17,8%. Después de rociar fertilizante de selenio en las hojas de hortalizas y melones, el cadmio en las plántulas de tomates y ajos se redujo en un 24,46%. El contenido de cadmio en tomates y pepinos disminuyó de 60,6 a 75,8; en sandía, el contenido de cadmio disminuyó de 6,61 a 66,13, el de plomo disminuyó de 4,55 a 83,33 y también disminuyó el contenido de malondialdehído, un producto de la peroxidación lipídica de la membrana. El cadmio en las hojas y frutos de las fresas disminuyó entre 10,20 ~ 94,65 y 18,33 respectivamente, y el plomo disminuyó entre 38,86 ~ 76,80 y 77,71 respectivamente. El contenido de cadmio, plomo y mercurio en los caquis se redujo significativamente. Después de rociar fertilizantes compuestos de selenio, silicio y molibdeno, el contenido de cadmio en la col china y la pimienta disminuyó entre 1,9 y 20,6. La aplicación combinada de selenio y silicio puede aumentar el rendimiento del arroz en un 43,8% y reducir el contenido de arsénico en los cereales en un 46%.
La fumigación foliar de elementos de tierras raras puede reducir los síntomas de intoxicación por cadmio y plomo en cultivos como el maíz, el frijol mungo y la col china. El cadmio y el plomo en las partes aéreas de la lechuga disminuyeron en 365.438±0,7~45,3 y 26,7~765.438±0,4 respectivamente. El cadmio en los tomates disminuyó entre 19,4 y 37,0 y el cadmio en los pepinos disminuyó entre 32,0 y 49,8. El cobre, zinc, cadmio, plomo y níquel en los tallos y hojas de colza disminuyeron de 2,91 a 7,82, 2,91 a 6,99, 7,26 a 20,92, 6,32 a 15,79 y 7,69, respectivamente. El cadmio, el arsénico y el plomo en la mostaza Shuidong disminuyeron en 22,9, 26,0 y 32,5 respectivamente. La pulverización foliar de zinc redujo el contenido de cadmio de la lechuga en un 37,02%. El cadmio en los tomates disminuyó un 37,01 y no tuvo ningún efecto significativo sobre el plomo. El cadmio del arroz integral cayó 0,9 a 465.438. La pulverización de hierro sobre las hojas redujo los contenidos de cadmio, plomo y cobre entre 4,3 y 35,5, entre 6,17 y 50,30 y entre 8,34 y 33,40, respectivamente. El contenido de cadmio en los frutos de tomate disminuyó entre 2,8 y 8,2.
3 Perspectivas de aplicación
Los metales pesados y muchos nutrientes esenciales afectan las funciones de ambas partes. La suplementación con nutrientes puede reducir los efectos tóxicos de los metales pesados en los cultivos. El silicio, el selenio, el nitrógeno, el fósforo, el potasio, el calcio, el magnesio y algunos oligoelementos son elementos beneficiosos para los cultivos. El uso de la pulverización foliar como barrera fisiológica no solo puede prevenir hasta cierto punto la acumulación de metales pesados en los cultivos, sino que también promueve el crecimiento, el rendimiento y la mejora de la calidad de los cultivos. Debido a su bajo costo y fácil operación, muchos investigadores creen que la pulverización foliar es un método de barrera fisiológica conveniente y eficaz para suelos moderada y ligeramente contaminados, y tiene amplias perspectivas de aplicación.
En comparación con países extranjeros, mi país tiene un alcance más amplio de discusión sobre los agentes de barrera fisiológica de las hojas, y la investigación y el desarrollo de agentes de barrera fisiológicos están a la vanguardia del mundo, especialmente en la investigación de aplicaciones de pesados. Control de metales en arroz. Sin embargo, la investigación teórica básica sobre el uso de barreras fisiológicas foliares para controlar el contenido de metales pesados en los cultivos no es tan buena como en el extranjero. En la actualidad, la tecnología de mi país para utilizar barreras fisiológicas en las hojas de los cultivos para regular la acumulación de metales pesados en los productos agrícolas no está lo suficientemente madura. La mayoría de los productos carecen de una evaluación de prueba de campo exhaustiva, el efecto de la aplicación no es lo suficientemente estable y es necesario mejorar los métodos de aplicación. Debido a la falta de estándares unificados, actualmente existen muchas variedades de agentes de barrera fisiológica foliar en China, lo que deja a los usuarios sin saber qué hacer. Existe una necesidad urgente de establecer estándares estandarizados para los agentes de barrera fisiológica foliar. Al mismo tiempo, debido a la falta de tecnología de aplicación estandarizada, los usuarios no pueden lograr los efectos de aplicación deseados debido a operaciones irregulares. Por lo tanto, las siguientes investigaciones deberían centrarse en:
(1) Investigación y desarrollo de barreras fisiológicas eficientes para hojas de cultivos contaminadas por metales pesados en tierras de cultivo. Sobre la base de la investigación existente, se exploraron en profundidad los efectos de control de diferentes agentes de barrera fisiológicos sobre los metales pesados en productos agrícolas, con el fin de descartar agentes de barrera fisiológicos eficaces para las hojas de los cultivos.
(2) Investigación sobre el ámbito de aplicación de barreras fisiológicas en hojas de cultivos.
En diferentes regiones, diferentes sistemas de rotación de cultivos y diferentes condiciones de manejo de agua y fertilizantes, se estudia el impacto de las barreras fisiológicas de las hojas en la absorción de metales pesados por los cultivos para determinar su ámbito de aplicación y explorar factores ambientales (temperatura, humedad, luz, fertilidad del suelo). ), el tiempo de pulverización, la dosis y concentración de pulverización, la frecuencia de pulverización, etc., afectan la barrera fisiológica de la superficie de la hoja sobre la absorción de metales pesados por los cultivos.
(3) Aditivos de pantalla que mejoran la eficacia de la barrera fisiológica foliar y desarrollan barreras fisiológicas foliares compuestas. Mediante la aplicación de barreras fisiológicas foliares, tensioactivos, agentes complejantes y reguladores del crecimiento vegetal, se seleccionan fórmulas con baja toxicidad y alta eficiencia en el bloqueo de la absorción de metales pesados. Sobre esta base, se estudió más a fondo la barrera fisiológica de la hoja compuesta mediante pruebas de combinación de varias fórmulas.
(4) Fortalecer la demostración en campo y la investigación de especificaciones técnicas de aplicación sobre las barreras fisiológicas foliares. Al seleccionar barreras fisiológicas de hojas maduras, se pueden realizar estudios de demostración de campo en muchos lugares y la tecnología de aplicación se puede revisar continuamente en aplicaciones reales para mejorar su eficiencia y, finalmente, formar regulaciones técnicas relevantes.