水稻镉同位素组成及分馏机理研究

The cadmium pollution brings new challenges to food safety and security of China. Cadmium stable isotope ratio is considered as an effective and reliable technique for tracing Cadmium pollution source. However, the application potential of this technology is limited due to unclear knowledge on the mechanism of cadmium isotope fractionation in the process of rice cadmium pollution. The hydroponic experiments of rice will be performed indoor according to different concentrations of Cadmium and pollution patterns. The inductively coupled plasma mass spectrometry will be used to analyze the concentration characters of Cadmium in rice organs and nutrient solution containing cadmium. Anion exchange liquid chromatography, double dilution method and multicollector-inductively coupled plasma mass spectrometry will be employed to determine the compositions of cadmium isotopic and analyze change characters. According to the theory of stable isotope fractionation, Cadmium migration and isotope fractionation characters in rice and in interface between rice - growth environment will be analyzed to determine the coefficient of fractionation, and to draw a fractionation curve. The fractionation model of rice cadmium isotope will be construct which is used to analyze the mechanism of cadmium isotope fractionation during rice growing. The method of separating and purifying cadmium and determining cadmium isotope for crop plant will be established. This study will provide theoretically and technologically tracing the rice cadmium pollution and controlling pollution sources.

水稻镉污染给中国粮食和食品安全带来新的挑战。镉稳定同位素溯源技术是准确、可靠追溯镉污染源的有效手段。但该技术应用潜力受到水稻镉同位素分馏机理尚不明确等因素限制。本项目拟通过不同镉浓度梯度和污染方式的水稻室内水培实验，采用电感耦合等离子体质谱法测定分析水稻各器官、含镉营养液等样品中镉含量的变化特征；采用阴离子交换层析法、双稀释剂法和多接收电感耦合等离子体质谱法，测定分析样品中镉同位素组成的变化规律；依据稳定同位素分馏理论，分析水稻体内及其与生长环境间的镉迁移规律和镉同位素分馏特征，确定分馏系数，绘制分馏曲线，构建分馏模型，探讨水稻生长过程中镉同位素分馏机理；建立水稻等农作物镉分离提纯和同位素分析测定方法。本研究将为水稻镉污染溯源和污染源控制研究提供理论依据和技术支持。

本研究采用阴离子交换层析法、标准-样品-标准和多接收电感耦合等离子体质谱法建立准确测定水稻样品中Cd同位素值的方法；以Cd同位素分析法为主要技术支撑，利用室内培养方式，以水稻为供试植物，开展镉污染水稻的镉同位素分布特征和分馏机理研究工作，旨在明确镉污染水稻及其生长环境的镉同位素分布特征规律，研究可能存在的分馏机理，并探讨镉同位素信号在水稻籽粒镉污染源解析方面的应用，主要研究结论为：.1．采用阴离子交换层析技术，分离提纯水稻中的镉。利用MC-ICP-MS测定水稻中镉同位素组成，建立了以溶解样品-转换介质（硝酸-盐酸）-平衡分离柱-上样-分离提纯（淋洗和洗脱）-接样-分析测试准确测定水稻镉同位素的分析方法。Cd回收率稳定高于96%，测定精度范围在±0.5‰（2sd），长期重现性0.10% (2sd)。.2. 通过Cd污染盆栽试验研究结果表明，整个生育期内，由于内在遗传因素与外界环境条件共同作用，Cd的积累是展现出动态变化特征，生育前期快速积累，随后呈下降趋势，；从根系通过茎叶到籽粒Cd含量呈现逐渐降低的趋势，即根＞老叶＞茎＞新叶＞穗＞颖壳＞糙米。水稻某一器官向另一器官转运Cd时发生“阻滞截留”作用，一部分Cd被截留在细胞内，另一部分Cd转运到下一器官中；随着Cd处理浓度的增加，水稻根Cd含量呈现逐渐增加的趋势；茎、老叶、新叶、稻穗、颖壳和糙米Cd含量呈现先增加后降低的趋势，环境Cd污染程度对这个动态变化的趋势有一定的影响。.3.成熟期水稻各器官之间及与所生长土壤的Cd同位素组成存在显著差异，递减顺序为：颖壳＞糙米＞茎＞根＞新叶＞老叶。植株体相对土壤存在114Cd的亏缺，显示了在植物吸收Cd时存在Cd同位素分馏，分馏系数α为0.9993±0.0008，表明水稻根系通过被动扩散方式吸收富集Cd。Cd从水稻根系向地上部分运输的过程中同样存在Cd同位素分馏现象，分馏程度与Cd在各器官之间运输的距离有关。.4.水稻各器官的δ114Cd值变化呈现从茎到糙米升高的趋势，这表明水稻体内的Cd同位素变化可能是沿蒸腾流发生的动力学同位素分馏过程。本研究发现在水稻根部吸收Cd的过程和水稻内部存在Cd同位素分馏现象，证明植物的生物活动是自然界Cd同位素分馏的一个重要因素。