Határok a növénytudományban

Növénytáplálás

Ez a cikk a kutatási téma része

A vas táplálkozása és kölcsönhatásai a növényekben Az összes 28 cikk megtekintése

Szerkesztette

Thomas J. Buckhout

Humboldt University of Berlin, Németország

Felülvizsgálta

Roberto Pinton

Udine Egyetem, Olaszország

Varanini Zénó

Veronai Egyetem, Olaszország

A szerkesztő és a lektorok kapcsolatai a legfrissebbek a Loop kutatási profiljukban, és nem feltétlenül tükrözik a felülvizsgálat idején fennálló helyzetüket.

Cikk letöltése
- PDF letöltése
- ReadCube
- EPUB
- XML (NLM)
- Kiegészítő
  Anyag
Exportálás
- EndNote
- Referencia menedzser
- Egyszerű TEXT fájl
- BibTex

OSZD MEG

Eredeti kutatás CIKK

1 Agrárkémiai és Élelmiszertudományi Tanszék, Madridi Autonóm Egyetem, Madrid, Spanyolország
2 Kurnakov Általános és Szervetlen Kémiai Intézet, Orosz Tudományos Akadémia, Moszkva, Oroszország
3 Anyagtudományi Tanszék, Lomonoszov Moszkvai Állami Egyetem, Moszkva, Oroszország
4 Kémiai Tanszék, Lomonoszov Moszkvai Állami Egyetem, Moszkva, Oroszország
5 Talajok Kémiai és Fizikai Kémiai Tanszéke, V.V. Dokuchaev Talajtani Intézet, Moszkva, Oroszország
6 Nemzeti Kutatóközpont „Kurchatov Institute”, Moszkva, Oroszország

Bevezetés

A vas (Fe) nélkülözhetetlen mikroelem az emberek és a növények számára. A vashiány nagyon gyakori az emberi étrendben, és a világon hozzávetőlegesen kétmilliárd embert érint (Briat et al., 2015). A vas-klórózis széles körben elterjedt mezőgazdasági probléma, amely a művelt talajok mintegy 30–50% -ában fordul elő (Cakmak, 2002), és a meszes talajok növénytermesztésének egyik fő korlátozó tényezője. A gazdálkodók vas szintetikus kelátokat alkalmaznak a késztermékek vashiányának enyhítésére. Annak ellenére, hogy ezeknek a műtrágyáknak magas a költsége, hajlamosak oldódni, és a kelátképző szerek elkerülhetik a kicsapódást és fokozhatják a nehézfémek mobilizálódását (Ylivainio, 2010). Számos növény érzékeny a vas-klórózisra, mint például a citrusfélék és a gyümölcsfák, de a szójabab (Glicin max L.) az egyik legtöbbet vizsgált vas stratégia I. növény (Fuentes et al., 2018). Ezenkívül a szójabab-termelés eléri a 230 millió metrikus tonnát évente az egész világon (Vasconcelos és Grusak, 2014), és ez a hüvelyes rendkívül tápláló növény, amely több fehérjét (40%) és olajat (20%) tartalmaz, mint bármely más szokásos élelmiszer-forrás (Bolon et al., 2010).

Az Egyesült Nemzetek Szervezete [ENSZ] (2013) szerint a világ gyorsan növekvő népessége az előrejelzések szerint 2050-re eléri a 9,6 milliárdot, és az ENSZ Élelmezési és Mezőgazdasági Szervezete [FAO] (2017) előrejelzése szerint a globális gabonatermelés szükséges, hogy 70% -kal növekedjen ezen igények kielégítése érdekében. Ezért új megközelítéseket kell kidolgozni a növények vashiányának enyhítésére, és új, környezetbarát műtrágyákra van szükség a növények környezeti minőségének javítása érdekében. A lignitekből kivont HS-eken alapuló vas műtrágyákat, például a leonarditot a Földközi-tenger térségében (folyékony koncentrátumként) használják csepegtető öntözés során (Kovács et al., 2013). Ez a fajta vastrágya környezetbarátabb, mint a szintetikus vas-kelátok, de kevésbé hatékonyak a vas-klórózis korrekciójában. Sőt, terepi kísérletek azt mutatták, hogy a szintetikus kelát gyors hatással bír, míg a vas-humát műtrágyák növekvő vas-hozzáférhetőséget biztosítanak a gyökér-talaj határfelületen, ami a növények lassú Fe-felvételét eredményezi (Cieschi et al., 2017). Kulikova és mtsai. (2017) kimutatták, hogy csak a humikus mátrixba beépített vas-polimerek nagyon kicsi és amorf nanorészecskéiből származó vasat veszik fel könnyen a növények. Ezért a vas-humátok szintézisét optimalizálni kell a hatékony NF-ek kialakításához.

Itt három 57 Fe-jelöléssel ellátott humusz-nanoanyagot (F, S és M) szintetizáltunk, kálium-humátot használva alap humuszanyagként, és 57 Fe-t 57 Fe (NO3) 3 (F termék) és 57 Fe2 (SO4) formájában. 3 (S és M termékek), amelyet a nanorészecskék vasspecifikációjára és fázisösszetételére jellemeznek, és meszes talajban növesztett szójabab-vashiányos növények biológiai hozzáférhetőségét tesztelik növekedési kamra körülmények között. Ennek célja az volt, hogy kapcsolatot teremtsen a Fe-NP-k jellemzői és a talaj-növény rendszerben tanúsított viselkedése között, 57 Fe-t használva nyomjelző eszközként.

Anyagok és metódusok

Reagensek

Valamennyi alkalmazott reagens elismert analitikai minőségű volt, és az oldatokat I. típusú vízzel (ISO 3696: 1987, 1987) készítettük, szerves szennyeződésektől mentesen (Millipore, Milford, CT, Egyesült Államok).

57 Fe-NF szintézise

A szintézis előtt ismert tömegű leonardit-kálium-humátot (C 34,9%, H 3,89%, N 0,72%, S 0,06%, Fe 0,45%) (Powhumus, Humintech Ltd., Németország) desztillált vízben oldunk és centrifugálunk. 10 000 perc -1 10 percig az oldhatatlan ásványi komponensek elválasztásához és megsemmisítéséhez. A kapott oldat 70 g L -1 leonardit-kálium-humátot (L oldat) tartalmazott, és a további NF-szintézishez használtuk.

57 Fe2 (SO4) 3 oldatot (0,20 M 57 Fe-ben) állítottunk elő fém 57 Fe-ből (Isoflex, 96,28% 57 Fe izotópos dúsítás) 0,4008 g feloldásával 34 ml 1 M H2S04-ban és a teljes feloldódásig hevítve. Ezt követően két terméket (S és M) kapunk a kálium-humát és az 57 Fe2 (SO4) 3 oldat kölcsönhatásával. Röviden, az S terméket szintetizáltuk, ahogyan azt Sorkina és mtsai. (2014), 17 ml 0,2 M 57 Fe2 (SO4) 3 oldatot csepegtetünk 14,3 ml L oldathoz, és a pH-t 10 értéken tartjuk, szükség esetén lassan 1 M KOH hozzáadásával. Az M termék szintéziséhez 17 ml 57 Fe2 (S04) 3 oldatot adtunk lassan 40 ml L oldathoz, miközben a pH-t 1 M kálium-hidroxiddal 9-nél tartottuk. Az M terméket maximális komplexképző képességének (Fe-MCC) 90% -ával állítottuk elő. A Fe-MCC meghatározását Villén et al. (2007) és az SM1 kiegészítő ábrán mutatjuk be. A kapott titrálási görbe szerint 190 mg Fe (III)/g org C -1 mennyiségre volt szükség ahhoz, hogy 200 mg komplexelt Fe (III)/g org C -1 mennyiséget kapjunk az MCC-n.

Hasonlóképpen az F termék előállításához 57 Fe (NO3) 3 oldatot készítettünk ugyanabból a fémes 57 Fe-ből úgy, hogy 0,2004 g-ot 5 ml HNO3-ban (70%, 1401 g/ml sűrűség) feloldottunk, majd hígítottunk. A kapott oldatot cseppenként hozzáadjuk 32 ml L oldathoz, miközben a pH-t 1 M KOH-val 9-nél tartjuk.

Az összes fent leírt szintézis során a végső reakcióelegyeket „a jelenlegi állapotban” lefagyasztottuk folyékony N2 alkalmazásával, és fagyasztva szárítottuk Labconco FreeZone fagyasztva száraz rendszerrel (-50 ° C, 0,03 mbar nyomás).

Meg kell jegyezni, hogy a magas hidrolízis sebességre van szükség ahhoz, hogy vas (III) -szulfát- vagy -nitrát-oldatokból ultradiszperzált (nanoszinált) vas (hidr) -oxid nanorészecskéket nyerjünk. Ehhez cseppenként, de gyorsan 57 Fe2 (SO4) 3 és 57 Fe (NO3) 3-at adtunk az erősen lúgos kálium-humát oldat közegéhez, és a KOH egyidejű hozzáadásával megakadályoztuk a pH csökkenését. A pH-értékeket 9 és 10 között választottuk meg, hogy biztosítsuk a rendezetlen és kémiailag labilis vas-oxi-hidroxid fázisok kialakulását jól kristályos vas-oxidok, például Fe3O4, Fe2O3 vagy merev α-FeOOH helyett.

Az oldható vas tartalmát a szintetizált műtrágyákban ICP AES alkalmazásával határoztuk meg. Az F, S és M mintákban (tömegszázalékban) 2,9, 2,3 és 2,1 volt. A Fe: org C arány 0,27, 0,52 és 0,12 (g Fe g C org -1) volt az F, S és M mintákban.

57 Fe-NF jellemzése

57 Fe-NF fagyasztva szárított készítményeit kimerítően jellemeztük XRD, TEM ED, EELS és energiaszűrt transzmissziós elektronmikroszkóppal (EFTEM), röntgenabszorpciós spektroszkópiával (XANES és EXAFS) és Mössbauer spektroszkópiával. Az XRD mintákat CuKa-n gyűjtöttük Rigaku D-MAX 2500 diffraktométeren Theta/2Theta geometriában. Összehasonlító mintákat, például ferrihidritet és goethitet szintetizáltunk Schwertmann és Cornell (1992) által javasolt és López-Rayo és mtsai. (2015).

A TEM adatokat Zeiss Libra 200MC mikroszkóppal nyertük, monokromátorral és Omega-szűrővel felszerelve. A TEM mérésekhez a mintákat desztillált vízben oldjuk, és néhány percig a csipkés szénnel bevont rézrácsra csepegtetjük az oldat feleslegének következő eltávolításával, hogy csökkentse az ásványi sók koncentrációját a mintában. Az energiával szűrt TEM és SAED megszerzésének és feldolgozásának részleteit a megfelelő rész és a Kiegészítő anyagok ismertetik. A képfeldolgozást Gwyddion (Nečas és Klapetek, 2012) alkalmazásával, további adatkezeléssel - scipy és matplotlib (Hunter, 2007). Az EELS spektrumokat az omega-szűrő segítségével szereztük be, és integráltuk a DigitalMicrograph2 (DM2) szoftverbe, a Gatanba. A változó, 3,5 eV szélességű rést az Omega-szűrőbe helyeztük a szétszórt elektronok rugalmas részének kiválasztására. Két EFTEM képet gyűjtöttünk az él előtti energiaterületen eltérő intenzitású háttérjellel, és egy képet - a vas és a háttér kombinált jeleivel - a Fe M-vonalon. A végső vaseloszlási térképet a DM2 szoftver segítségével számoltuk ki.

A röntgenabszorpciós spektrumokat a Kurchatov Synchrotron Source létesítmény STM sugárvonalán mértük, Moszkva, Oroszország, Nemzeti Kutatóközpont. A Si (111) csatornával vágott monokrómot használtuk. 10 cm hosszú, argonnal töltött ionizációs kamrákat alkalmaztunk detektálási és sugárzási detektorként. A mintákat száraz porként használtuk, amelyek a kapton szalagra voltak rögzítve. Az egyes minták vastagságát úgy állítottuk be, hogy 3 abszorpciós értéket kapjon. A vizsgált vas-tartalmú NF-ek összes spektrumát és a vas (hidr) -oxid referenciákat abszorpcióval mértük Fe fóliával referencia mintaként. A szülő humát (L) XAS-értékét fluoreszcencia alkalmazásával mértük a minta alacsony vaskoncentrációja miatt. Erre a célra az Amptek X-123 SDD detektort használták. Minden mintához hat spektrumot nyertünk és átlagoltunk. Az összes spektrumot Athena szoftver használatával kezeltük. A további modellezés és finomítás az Artemis szoftver segítségével történt. A finomításokat az k 2 súlyozott spektrumok a 3–14 Å -1 tartományban a k-helyet, és az R-térben 1–3,5 Å-t, Hanning ablak funkciót használtunk. Az értéke SA finomítások során 0 2 = 1 értéket rögzítettünk.

A Mössbauer abszorpciós spektrumokat MS1104EM Express Mössbauer spektrométeren (Cordon GmbH, Rostov-on-Don) nyertük. A 6 mCi aktivitású sugárforrás 57 Co volt egy fém ródiummátrixban (RITVERC GmbH, Szentpétervár, Oroszország). A spektrumokat szobahőmérsékleten (295 ± 3 K) és vákuum alatt tartott kriosztátban, folyékony nitrogén hőmérsékleten (77,5 ± 0,5 K) kaptuk. A spektrumokat addig gyűjtöttük, amíg a jel/zaj arány kevesebb mint 1% volt. A matematikai feldolgozást nagy felbontású (1024 pont) spektrumokon végeztük SpectrRelax 2.4 (Lomonosov MSU, Oroszország) szoftverrel. Az izomer eltolódást az α Fe-hez viszonyítva határoztuk meg.

Talaj edénykísérlet

Trágyák

Mindegyik 57 Fe-humusz NF (F, S és M) törzsoldatát (1000 μmol Fe L -1) pH 7-nél készítettük a korábban kapott, fagyasztva szárított termékekből (57 Fe-NF), amint azt fent leírtuk 57 FeEDDHA (1000 μmol Fe L -1) törzsoldatát készítjük kelátképzéssel Fe 3+ -val Fe (NO3) 3-ból és o-oEDDHA [etilén-diamin-di (o-o hidroxi-fenil-ecetsav)], amelyet az LGC Standards, Teddington, Egyesült Királyság (93,12%) nyertünk, és amelyet előzőleg három mól NaOH-val oldottunk egy mól kelátképző szerre számítva. Az oldat pH-ját 1 M KOH-dal 7-re állítottuk be.

Az 57 Fe-NF mint vas-klórózis korrektorának teszteléséhez három dózist (35, 75 és 150 μmol 57 Fe pot -1) alkalmaztunk vashiányos szójabab növényeken, és összehasonlítottuk 57 FeEDDHA-val (50 μmol pot -1)., mint pozitív kontroll, és L (8,9 μmol Fe pot -1-et biztosít). A kezeléseket a talaj felszínén alkalmaztuk 2 nappal azután, hogy a szójababot átültettük az edényekbe. Műtrágyánként öt ismétlést (öt edényt) hajtottunk végre.

Növényi anyag

Asztal 1. A két edénykísérlethez használt talaj fizikai és kémiai tulajdonságai.

Analitikai eljárások

A mintában vett gyökereket, szárakat és leveleket elválasztottuk, súlyoztuk, majd 0,1% HCl és 0,01% nemionos detergens (Tween 80) oldatokkal mostuk, desztillált vízzel leöblítettük (Álvarez-Fernández et al., 2001) és szárítottuk. kényszerített levegős kemence 65 ° C-on 3 napig. Ezt követően a mintákat őröltük és muffenkemencében (480 ° C) kalcináltuk. A hamvakat 7M HNO3 Suprapour alkalmazásával emésztettük.

A talajban oldódó frakciót úgy nyertük, hogy a talajt desztillált vízzel (600 ml) mostuk, 10 percig keverjük rotációs rázógépen 90 perc -1-nél. Egy 40 ml-es alikvot részt centrifugáltunk 9000 perc -1-en 10 percig (Sorvall Legend XFR, Thermo Fisher Scientific, Egyesült Államok), a felülúszót először hamutalan szűrőpapírral (1238-as fokozat, Filter Lab) leszűrtük, majd fecskendővel ellátott cellulóz segítségével szűrők (0,45 μm) (OlimPeak, Teknokroma). Salétromsavat (Suprapur, Merck) adunk az 1% -os savmátrix eléréséhez.

A talajban rendelkezésre álló frakciókat a centrifugacsőben lévő szilárd maradékból 20 percig 25 ml-es extrakcióval nyertük Soltanpour és Schwab (1977) extraktor (DTPA + ammónium-hidrogén-karbonát) alkalmazásával. Ezt követően a mintákat leszűrtük. Az extrakciót három példányban készítettük, az extraktumokat egyetlen kivonatba egyesítettük, és a térfogatot 100,0 ml-re tettük fel. 7,165 ml 65% -os HNO3 alikvot részét adtuk a bikarbonát feleslegének kiküszöbölése és az analitikai meghatározásokhoz savas közeg lehetővé tétele érdekében.

Az izotóp mennyiségi meghatározását a növényi szervekben és a talajfrakciókban (oldható és rendelkezésre álló) ICP-MS (7500c, Agilent Technologies, Santa Clara, Kalifornia, Egyesült Államok) határozta meg 57 Fe standard alkalmazásával és a Ca és Ar interferenciák korrekciójával ütközési sejt segítségével. kvadrupol ICP-MS műszer.

Az egyes vastrágyák fajlagos hozzájárulását a talajhoz és a növények táplálékához izotópmintázatú dekonvolúciós elemzéssel számoltuk a két vasforrást figyelembe véve, Rodríguez-Castrillón és mtsai által javasolt módszer módosításával. (2008) Röviden: a Fe természetes izotóp tömegmérlege a mátrixjelzéssel kifejezhető:

ahol mindegyik Teljes az egyes Fe izotópok izotóp bősége a növényi mintában. AFer a megfelelő izotóp bőség a nyomjelzőben, és ANat a természetes izotóp-bőség. Ráadásul, xFer és xNat az elem két különböző forrásából (műtrágya vagy természetes) származó izotóposan megváltozott mintában lévő Fe moláris frakcióit jelöli. A legjobb értékei xNat és xFer a hibavektor legkisebb négyzetek illesztésével találjuk meg e (a hibák négyzetösszegének minimalizálása) az SOLVER eszközzel az Excel ® alkalmazásban .

A Fe levél levélklorofillra gyakorolt hatásának értékeléséhez a SPAD indexet 2-3 naponta mértük, Minolta SPAD-502 klorofill mérővel (Minolta, Osaka, Japán) a Fe műtrágyák első alkalmazása után.

Statisztikai analízis

Az adatok homogenitásának igazolása érdekében először a Levene-tesztet alkalmaztuk, mielőtt a Fe-kezelések közötti különbségeket egyirányú ANOVA-val teszteltük volna a szignifikancia szempontjából. Az eszközöket összehasonlítottuk a Duncan multi range teszt segítségével (P ∗ P ∗∗ P ∗∗∗ P 57 Fe-NF

A munka során használt fő jellemzési eszközök 57 Fe Mössbauer spektroszkópia, XRD, EXAFS és TEM voltak. Ezeket alkalmaztuk az 57 Fe-NF vasfázisainak azonosítására és a részecskeméret megbecsülésére. Az XRD adatai szerint az 57 Fe-NF mindhárom mintájának fő kristályos fázisai a kálium és a nátrium ásványi sói: az F termék nitrátjai, az S és M termékek szulfátjai, az összegyűjtött adatokat a Kiegészítő ábra mutatja. SM2. A kapott XRD mintákban nem észleltek vasat tartalmazó kristályos fázisokat. A szintetizált referencia minták - ferrihidrit és goethit - XRD adatait az SM3 kiegészítő ábra mutatja.

A TEM adatok azt mutatják, hogy mind az 57 Fe-NF minta nagy, kis sűrűségű részecskéket tartalmaz, amelyek jellemzőek a HS-ekre. Ezen részecskék belsejében megfigyelhetők a nano nagyságú kontrasztváltozások, amelyek megfelelnek a vizsgált 57 Fe-nanofertilizer minta NP-knek: a) F, b) M, c) S.

2. ábra. TEM, Fe M-line EFTEM, EELS spektrumok és az F termék EFTEM mérési sémája.