Растително хранене

Тази статия е част от изследователската тема

Хранене с желязо и взаимодействия в растенията Вижте всички 28 статии

Редактиран от
Томас Дж. Бъкхаут

Университет Хумболт в Берлин, Германия

Прегледан от
Роберто Пинтън

Университет в Удине, Италия

Зено Варанини

Университет във Верона, Италия

Принадлежностите на редактора и рецензенти са най-новите, предоставени в техните профили за проучване на Loop и може да не отразяват тяхното положение по време на прегледа.

екологични

  • Изтеглете статия
    • Изтеглете PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Допълнителни
      Материал
  • Цитат за износ
    • EndNote
    • Референтен мениджър
    • Прост ТЕКСТ файл
    • BibTex
СПОДЕЛИ НА

Оригинални изследвания СТАТИЯ

  • 1 Катедра по селскостопанска химия и хранителни науки, Автономен университет в Мадрид, Мадрид, Испания
  • 2 Институт по обща и неорганична химия на Курнаков, Руска академия на науките, Москва, Русия
  • 3 Катедра по материалознание, Московски държавен университет "Ломоносов", Москва, Русия
  • 4 Катедра по химия, Московски държавен университет "Ломоносов", Москва, Русия
  • 5 Катедра по химия и физическа химия на почвите, В.В. Институт за почвознание Докучаев, Москва, Русия
  • 6 Национален изследователски център „Институт Курчатов“, Москва, Русия

Въведение

Желязото (Fe) е основен микроелемент за хората и растенията. Недостигът на желязо е много често срещан в човешката диета и засяга приблизително два милиарда души по света (Briat et al., 2015). Желязната хлороза е широко разпространен селскостопански проблем, срещащ се в около 30–50% от култивираните почви (Cakmak, 2002) и един от основните ограничителни фактори на производството на култури в варовити почви. Земеделските производители прилагат железни синтетични хелати, за да облекчат дефицита на желязо в пасищните култури. Въпреки високите разходи за тези торове, те са склонни да се ликсивират и хелатиращите агенти могат да избегнат валежите и да засилят мобилизацията на тежки метали (Ylivainio, 2010). Много култури са чувствителни към желязната хлороза, като цитрусови и овощни дървета, но соя (Глицин макс L.) е едно от най-изследваните растения за желязна стратегия I (Fuentes et al., 2018). Освен това производството на соя достига нива от около 230 милиона метрични тона годишно по целия свят (Vasconcelos и Grusak, 2014) и тази бобова култура е високо питателна култура, която съдържа повече протеини (40%) и масло (20%) от всяка друга обикновена източник на храна (Bolon et al., 2010).

Според ООН [ООН] (2013), бързо нарастващото световно население се очаква да достигне 9,6 милиарда до 2050 г. и Организацията за прехрана и земеделие на ООН [ФАО] (2017) прогнозира, че световното производство на зърно е изисква да се увеличи със 70%, за да отговори на тези изисквания. Ето защо трябва да се разработят нови подходи за облекчаване на дефицита на желязо в растенията и са необходими нови екологични торове, за да се подобри качеството на околната среда на културите. Железните торове на основата на HS, извлечени от лигнити, като леонардит, се използват в района на Средиземно море (като течни концентрати) при напояване с капково напояване (Kovács et al., 2013). Този вид железни торове е по-екологичен от синтетичните железни хелати, но те са по-малко ефективни при коригиране на желязната хлороза. Освен това, полеви експерименти демонстрират, че синтетичният хелат има бърз ефект, докато торовете с железен хумат осигуряват увеличаване на наличността на желязо в границата между корена и почвата, което води до бавно усвояване на Fe от растенията (Cieschi et al., 2017). Куликова и др. (2017) демонстрират, че само желязото от много малки и аморфни наночастици от железни полимери, включени в хуминовата матрица, лесно се поема от растенията. Следователно синтезът на железни хумати трябва да бъде оптимизиран за разработване на ефективни NF.

Тук са синтезирани три 57-белязани с Fe хумусни наноматериали (F, S и M), като се използва калиев хумат като изходен хумусен материал и 57 Fe под формата на 57 Fe (NO3) 3 (продукт F) и 57 Fe2 (SO4) 3 (продукти S и M), характеризиращ се със спецификация на желязото и фазов състав на наночастици и тестван за бионаличност за растения с дефицит на соево желязо, отглеждани във варовити почви в условия на камерата за растеж. Това трябваше да установи връзка между характеристиките на Fe-NPs и тяхното поведение в системата почва-растение, използвайки 57 Fe като инструмент за проследяване.

Материали и методи

Реактиви

Всички използвани реактиви са с признат аналитичен клас и разтворите са приготвени с вода тип I (ISO 3696: 1987, 1987) без органични замърсители (Millipore, Milford, CT, САЩ).

Синтез на 57 Fe-NF

Преди синтеза, известно тегло на леонардитов калиев хумат (С 34,9%, Н 3,89%, N 0,72%, S 0,06%, Fe 0,45%) (Powhumus, Humintech Ltd., Германия) се разтваря в дестилирана вода и се центрофугира при 10 000 мин -1 за 10 минути, за да се отделят и изхвърлят всички неразтворими минерални компоненти. Полученият разтвор съдържа 70 g L -1 леонардит калиев хумат (L разтвор) и се използва за по-нататъшния синтез на NF.

57 Fe2 (SO4) 3 разтвор (0.20 М в 57 Fe) се приготвя от метален 57 Fe (Isoflex, 96.28% 57 Fe изотопно обогатяване) чрез разтваряне на 0.4008 g в 34 ml 1M H2SO4 и нагряване до пълно разтваряне. След това бяха получени два продукта (S и M) чрез взаимодействие на калиев хумат с 57 Fe2 (SO4) 3 разтвор. Накратко, продуктът S е синтезиран както в Sorkina et al. (2014), 17 mL от 0.2M 57 Fe2 (SO4) 3 разтвор се добавят на капки към 14.3 mL от L разтвор и pH се поддържа на стойност 10 чрез бавно добавяне на 1M KOH, когато е необходимо. За синтеза на продукта М, 17 ml 57 Fe2 (SO4) 3 разтвор се добавят бавно към 40 ml L разтвор, поддържайки рН на 9 с 1 М КОН. Продуктът M е приготвен с 90% от максималния му комплексен капацитет (Fe-MCC). Определянето на Fe-MCC се провежда, както е описано в Villén et al. (2007) и представен в допълнителната фигура SM1. Според получената крива на титруване е необходимо количество от 190 mg Fe (III) на g org C -1, за да се получат 200 mg комплексен Fe (III) на g org C -1 в MCC.

По същия начин, за приготвянето на F продукт, се приготвя 57 Fe (NO3) 3 разтвор от същия метален 57 Fe чрез разтваряне на 0.2004 g в 5 ml HNO3 (70%, 1 401 g/ml плътност) и след това се разрежда. Полученият разтвор се добавя на капки към 32 ml от L разтвор, поддържайки рН на 9 с 1М КОН.

Във всички синтези, описани по-горе, крайните реакционни смеси бяха замразени "както е" с помощта на течен N2 и лиофилизирани с помощта на Labconco FreeZone система за лиофилизиране (-50 ° C, 0,03 mbar налягане).

Трябва да се отбележи, че се изисква висока скорост на хидролиза, за да се получат ултрадисперсни (наноразмерни) наночастици железен (хидр) оксид от разтвори на железен (III) сулфат или нитрати. За това добавихме 57 Fe2 (SO4) 3 и 57 Fe (NO3) 3 на капки, но бързо към силно алкалната среда на разтвор на калиев хумат и предотвратихме спада на pH чрез едновременно добавяне на KOH. Стойностите на рН между 9 и 10 бяха избрани, за да осигурят образуването на неупорядочени и химически лабилни железни окси-хидроксидни фази вместо добре кристални железни оксиди като Fe3O4, Fe2O3 или твърд α-FeOOH.

Съдържанието на разтворимо желязо в синтезираните торове беше определено с помощта на ICP AES. Той беше (в% маса) съответно 2,9, 2,3 и 2,1 в пробите F, S и M. Съотношенията Fe: org C са съответно 0,27, 0,52 и 0,12 (g Fe g C org -1) в пробите F, S и M, съответно.

Характеризиране на 57 Fe-NF

Изсушените чрез замразяване препарати от 57 Fe-NF се характеризират изчерпателно, като се използват XRD, TEM с ED, EELS и филтрирана с енергия предавателна електронна микроскопия (EFTEM), рентгенова абсорбционна спектроскопия (XANES и EXAFS) и Mössbauer спектроскопия. Моделите на XRD са събрани при CuKα на дифрактометъра Rigaku D-MAX 2500 в геометрията Theta/2Theta. Референтни проби, като ферихидрит и гетит са синтезирани съгласно процедурата, предложена от Schwertmann и Cornell (1992) и описана от López-Rayo et al. (2015).

Данните за ТЕМ са получени с помощта на микроскоп Zeiss Libra 200MC, оборудван с монохроматор и Омега-филтър. За измерванията на ТЕМ пробите се разтварят в дестилирана вода, пускат се върху медната решетка, покрита с млечен въглерод, за няколко минути с последващо отстраняване на излишъка от разтвора за намаляване на концентрацията на минерални соли в пробата. Подробности за енергофилтрираното TEM и SAED придобиване и обработка са описани в съответната част и в Допълнителни материали. Обработката на изображенията е извършена с помощта на Gwyddion (Nečas и Klapetek, 2012), по-нататъшна обработка на данни - с използване на скучен и matplotlib (Хънтър, 2007). EELS спектрите са получени с помощта на омега-филтъра и интегрирани със софтуера DigitalMicrograph2 (DM2), Gatan. Променливият процеп с ширина 3,5 eV беше поставен в Омега-филтъра, за да се избере еластичната част на разпръснатите електрони. Бяха събрани две EFTEM изображения с фонов сигнал, различаващ се по интензивност в енергийната зона преди края, а едно изображение - с комбинираните сигнали от желязо и фон - беше събрано на Fe M-линията. Окончателната карта на разпределение на желязото беше изчислена с помощта на софтуера DM2.

Рентгеновите абсорбционни спектри бяха измерени на STM лъча на съоръжението за източник на синхротрони Kurchatov, Национален изследователски център „Курчатов институт“, Москва, Русия. Използван е монохроматор с канален изрез Si (111). Камерите за йонизация с дължина 10 cm, пълни с аргон, бяха използвани като детектори за падане и предавани лъчи. Пробите се използват като сухи прахове, монтирани върху каптон лентата. Дебелината на всяка проба се коригира, за да се получи стойността на абсорбция от 3. Всички спектри за железосъдържащите NFs, които се изследват, и референтните стойности на железния (хидр) оксид бяха измерени чрез абсорбиране, като се използва Fe фолио като референтна проба. XAS на изходния хумат (L) се измерва с помощта на флуоресценция поради ниското съдържание на желязо в тази проба. За тази цел е използван детекторът Amptek X-123 SDD. Шест спектъра бяха получени за всяка проба и осреднени. Всички спектри бяха обработени с помощта на софтуера Athena. По-нататъшното моделиране и усъвършенстване бяха направени с помощта на софтуера Artemis. Прецизирането беше извършено от к 2-претеглени спектри в диапазона 3–14 Å -1 в к-пространство и от 1–3,5 Å в R-пространството, беше използвана функцията на Hanning window. Стойността на С0 2 = 1 беше фиксирано по време на усъвършенстванията.

Mössbauer спектрите на абсорбция са получени на MS1104EM Express Mössbauer спектрометър (Cordon GmbH, Ростов на Дон). Източникът на радиация с активност 6 mCi е 57 Co в метална матрица от родий (RITVERC GmbH, Санкт Петербург, Русия). Спектрите са получени при стайна температура (295 ± 3 К) и във вакуумен криостат при температура на течен азот (77,5 ± 0,5 К). Спектрите бяха събрани, докато съотношението сигнал/шум не беше по-малко от 1%. Математическа обработка беше извършена за спектри с висока разделителна способност (1024 точки), използвайки софтуера SpectrRelax 2.4 (Ломоносов MSU, Русия). Изместването на изомера се определя по отношение на α Fe.

Експеримент с почвено гърне

Торове

Основен разтвор (1000 μmol Fe L -1) от всеки 57 Fe-хумусен NF (F, S и M) при pH 7 се приготвя от лиофилизирани продукти (57 Fe-NF), получени преди това, както е описано по-горе Основен разтвор от 57 FeEDDHA (1000 μmol Fe L -1) се приготвя чрез хелиране с Fe 3+ от Fe (NO3) 3 и о-оEDDHA [етилендиамин-ди (о-о хидроксифенилоцетна киселина)], получена от LGC Standards, Tedington, Великобритания (93,12%), предварително разтворена с три мола NaOH на мол хелатообразуващ агент. Разтворът се регулира при рН 7 с 1М КОН.

За да се тестват 57 Fe-NFs като коректори на желязната хлороза, три дози (35, 75 и 150 μmol 57 Fe саксия -1) бяха приложени към дефицитни на желязо соеви растения и сравнени с 57 FeEDDHA (50 μmol гърне -1), като положителен контрол, и L (осигурявайки 8,9 μmol Fe пота -1). Обработките се прилагат върху почвената повърхност 2 дни след пренасянето на соевите растения в саксиите. Извършени бяха пет повторения (пет саксии) на тор.

Растителен материал

маса 1. Физични и химични свойства на почвата, използвана и за двата експеримента с гърне.

Аналитични процедури

Взетите проби от корени, стъбла и листа бяха разделени, претеглени и измити с 0,1% HCl и 0,01% нейоногенни детергенти (Tween 80) разтвори, изплакнати с дестилирана вода (Álvarez-Fernández et al., 2001) и изсушени в фурна с принудителен въздух при 65 ° C за 3 дни. След това пробите се смилат и калцинират в муфелна пещ (480 ° С). Пепелта се усвоява с помощта на 7М HNO3 Suprapour.

Почвената разтворима фракция се получава чрез измиване на почвата с дестилирана вода (600 ml) чрез разбъркване в продължение на 10 минути на ротационен шейкър при 90 min -1. Аликвотна част от 40 ml се центрофугира при 9000 min -1 за 10 min (Sorvall Legend XFR, Thermo Fisher Scientific, САЩ), супернатантата първо се филтрира с безпепелна филтърна хартия (клас 1238, Filter Lab) и след това, чрез спринцовка целулоза филтри (0,45 μm) (OlimPeak, Teknokroma). Добавя се азотна киселина (Suprapur, Merck) за постигане на 1% киселинна матрица.

Наличната фракция на почвата се получава от твърдия остатък в центрофужната епруветка чрез екстракция в продължение на 20 минути с 25 ml, като се използва екстрагент Soltanpour и Schwab (1977) (DTPA + амониев бикарбонат). След това пробите бяха филтрирани. Екстракцията се извършва в три екземпляра, екстрактите се обединяват в един екстракт и обемът достига до 100.0 ml. Добавя се аликвотна част от 7,165 ml 65% HNO3, за да се елиминира излишъкът от бикарбонат и да се даде киселинна среда за аналитичните определяния.

Количественото определяне на изотопите в растителните органи и фракциите на почвата (разтворими и налични) се определя от ICP-MS (7500c, Agilent Technologies, Санта Клара, Калифорния, САЩ), като се използват 57 Fe стандарти и се коригират интерференциите на Ca и Ar посредством сблъсъчна клетка квадруполен инструмент ICP-MS.

Специфичният принос на всеки железен тор за храненето на почвата и растенията е изчислен чрез анализ на деконволюция на изотопния модел, като се вземат предвид двата източника на желязо, с модификация на метода, предложен от Rodríguez-Castrillón et al. (2008) Накратко, балансът на масата за естествения изотоп Fe може да бъде изразен, както е показано чрез матрична нотация:

където всеки Общо е изотопното изобилие на всеки изотоп на Fe в растителната проба. AFer е съответното изотопно изобилие в индикатора, и ANat е естественото изотопно изобилие. освен това, xFer и xNat означава моларните фракции на Fe в изотопно променената проба, произтичащи от двата различни източника на елемента (тор или естествен). Най-добрите стойности на xNat и xFer се намират чрез напасване на най-малките квадрати на вектора на грешката д (минимизиране на квадратната сума от грешки) с помощта на инструмента SOLVER в Excel ® .

За да се оцени влиянието на Fe върху хлорофила на листа, SPAD индексът се измерва на всеки 2 или 3 дни, като се използва Minolta Chlorophyll Meter SPAD-502 (Minolta, Осака, Япония) след първото внасяне на торовете Fe.

Статистически анализ

За да се провери хомогенността на данните, първо се използва тестът на Levene, преди да се тестват разликите между леченията с Fe за значимост чрез еднопосочна ANOVA. Средствата бяха сравнени с помощта на теста на Дънкан за многобройни обхвати (P ∗ P ∗∗ P ∗∗∗ P 57 Fe-NF

Основните инструменти за характеризиране, използвани в тази работа, са 57 Fe Mössbauer спектроскопия, XRD, EXAFS и TEM. Те бяха приложени за идентифициране на железните фази в 57 Fe-NFs и за оценка на размера на частиците. Според данните от XRD основните кристални фази и в трите проби от 57 Fe-NF са минерални соли на калий и натрий: нитрати в продукта F и сулфати в продуктите S и M, събраните данни са показани на допълнителна фигура SM2. Не са наблюдавани съдържащи желязо кристални фази в получените XRD модели. XRD данните за синтезираните референтни проби - ферихидрит и гетит - са показани на допълнителна фигура SM3.

Данните от ТЕМ показват, че всички 57 проби от Fe-NF съдържат големи частици с ниска плътност, типични за HS. Вътре в тези частици могат да се наблюдават вариации на наноразмерния контраст, които съответстват на NP с размери 57 проби от Fe-наноторове, които се изследват: а) F, б) М, (° С) С.

Фигура 2. TEM, Fe M-линия EFTEM, EELS спектри и схемата на EFTEM измервания за продукта F.