沈珺珺 林親錄 羅非君

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

鎘是土壤中最具流動(dòng)性和最易被生物利用的元素之一。雖然鎘對(duì)植物生長(zhǎng)和構(gòu)建生物系統(tǒng)并不重要，但是鎘容易被植物(包括谷物)的根系吸收并且傳輸?shù)降乇淼钠渌M織。鎘的富集程度取決于土壤中的鎘含量以及植物的遺傳屬性。大米相比其他糧食作物是比較容易吸收鎘的植物，鎘也主要是通過(guò)大米流向人們的餐桌。人體攝入的鎘并不能被生物降解和排出，所以不管是在食物鏈中流動(dòng)最終進(jìn)入人體還是直接攝入人體都將在人體內(nèi)成倍地富集。鎘可以與人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及酶等發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它們失去活性，影響各個(gè)器官，如引起肺氣腫和骨質(zhì)疏松，最終對(duì)肺、腎臟和肌肉骨骼、心血管造成不可逆轉(zhuǎn)的損害[1-3]。

目前中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安全食用大米的鎘濃度不超過(guò)0.20 mg/kg。早在20世紀(jì)90年代中國(guó)的鎘污染面積就達(dá)到1.3×104hm2[4]，而近幾年的報(bào)道[5]則指出中國(guó)鎘污染農(nóng)田的面積已達(dá)到2.8×105hm2，鎘污染農(nóng)田的數(shù)目整整增加了20余倍。在中國(guó)的廣東、湖南、四川、福建、遼寧、江蘇、安徽和浙江都發(fā)現(xiàn)了鎘超標(biāo)的大米[6]，中國(guó)南方鎘大米的規(guī)模和嚴(yán)重程度已引起了國(guó)家的高度關(guān)注，亟待找到有效的解決方法，來(lái)消除這個(gè)日趨嚴(yán)重的食品安全隱患。本文擬從運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)和農(nóng)作技術(shù)兩個(gè)方面，詳述國(guó)內(nèi)外防治大米鎘污染的方法研究進(jìn)展。以期為改善中國(guó)嚴(yán)峻的大米鎘污染問(wèn)題提供一些可行的方法及思路。

1 降低大米鎘含量的生物技術(shù)

1.1 低鎘富集大米品種的篩選

試驗(yàn)[7-8]證明，品種不同對(duì)鎘的富集效應(yīng)明顯不一樣。南方普遍種植的秈稻和北方普遍種植的粳稻對(duì)于鎘的吸收效果相差顯著，在鎘污染的土壤上秈稻產(chǎn)的稻米更容易鎘超標(biāo)，這也是中國(guó)南方和中部地區(qū)種植的大米比起北方鎘更易超標(biāo)的一個(gè)重要因素。研究[9]表明檢測(cè)110種(70種秈稻和40種粳稻)的鎘含量，只有3種秈稻的鎘含量超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.20 mg/kg；Grant等[10]研究說(shuō)明不同水稻品種間因?yàn)榛驂A基構(gòu)成的差異，所以不同的水稻品種間鎘富集含量差異較大。在中國(guó)5個(gè)污染區(qū)取500個(gè)谷物樣品，發(fā)現(xiàn)鎘污染的差別達(dá)到了60倍以上[11]。在沈陽(yáng)地區(qū)選取39個(gè)常見(jiàn)的粳稻種植品種在鎘污染土壤(0.75 mg/kg)中進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)39個(gè)粳稻品種中糙米鎘含量為0.06～0.42 mg/kg，存在著顯著的差異性[12]。還有研究[13]證明在中國(guó)常見(jiàn)種植的12種水稻品種中創(chuàng)兩優(yōu)4418秈稻超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且超出南粳9108和通優(yōu)粳11倍之多，達(dá)到了0.222 mg/kg的鎘含量。這些研究都證實(shí)了不同的品種對(duì)鎘的富集程度不同，所以在已被鎘污染的地區(qū)對(duì)水稻品種的選擇也非常重要。所以在種植之前進(jìn)行大米品種的篩選，在鎘污染較嚴(yán)重的地區(qū)選擇種植低鎘富集的大米品種是一種既解決了根本問(wèn)題又易行的方法。

1.2 轉(zhuǎn)基因改變大米的性狀

轉(zhuǎn)基因技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)能靈活地運(yùn)用在動(dòng)植物的性狀改造當(dāng)中。鎘在水稻中積累的性狀也是如此。植物鐵載體決定了生物強(qiáng)化水稻胚乳中鐵和鋅積累的閾值，同時(shí)抑制了鎘的積累[14-15]。Banakar等[14]報(bào)道轉(zhuǎn)基因的水稻高表達(dá)煙草胺和2’-脫氧麥根酸配體，積累了4倍的鐵和2倍的鋅，并且競(jìng)爭(zhēng)性抑制了鎘的吸收。與野生型對(duì)照相比，snat1表達(dá)過(guò)度的水稻植株對(duì)鎘和衰老脅迫有明顯的抗性[14]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)能夠顯著地改善鎘吸收和富集的狀況，對(duì)品質(zhì)的改良有積極意義[15]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是科學(xué)發(fā)展前沿的高技術(shù)，可以將優(yōu)良的性狀通過(guò)基因工程的手段在想要改造的生物中表達(dá)，但轉(zhuǎn)基因大米尚存在食品安全的爭(zhēng)議問(wèn)題。

1.3 雜交法改變大米的性狀

中國(guó)在通過(guò)雜交改變水稻的性狀方面達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的水平。據(jù)宗錦濤[16]的報(bào)道中國(guó)的低鎘水稻雜交已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，低鎘水稻在含鎘1.5 mg/kg的高鎘土壤上生長(zhǎng)，稻谷中平均鎘含量為0.06 mg/kg，比對(duì)照組的稻谷鎘含量都下降了90%以上，取得了重大的突破，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)的0.20 mg/kg。通過(guò)雜交的方法改變稻谷鎘富集的水平，是一種既經(jīng)濟(jì)又安全的方法。

1.4 鎘遷移基因的敲除與敲低

基因敲除是通過(guò)分子生物學(xué)的手段使特定的功能性基因缺失或者失活的最直接和有效的方法[17]。Sasaki等[18]的研究表明采用基因敲除技術(shù)敲除Nramp5(自然抗性相關(guān)的巨噬細(xì)胞蛋白)基因以后，在水稻根和芽中鎘的含量都會(huì)明顯減少，錳含量也減少，然而水稻的生長(zhǎng)受影響，產(chǎn)量會(huì)降低。最新的研究結(jié)果[19]表明用CRISPR/Cas9基因技術(shù)敲除OsNramp5基因，這個(gè)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因敲除后，谷物中鎘濃度的濃度一直低于0.05 mg/kg，而在Huazhan(野生型秈稻)中，Cd濃度為0.33～2.90 mg/kg。在OsNramp5突變體中，鎘的含量顯著降低，而稻谷的產(chǎn)量沒(méi)有受到明顯的影響。此研究為發(fā)展抗鎘污染的秈稻品種提供了一種實(shí)用的方法，減少了谷物中鎘污染的風(fēng)險(xiǎn)。基因敲低是用的RNA干擾技術(shù)而非同源重組技術(shù)用雙鏈的RNA分子或轉(zhuǎn)錄載體使靶標(biāo)基因的mRNA降解或合成受阻，也就是并沒(méi)有發(fā)生相應(yīng)基因DNA的替換而是阻止或降低它的轉(zhuǎn)錄水平[20]。Uraguchi等[21]的研究表明用RNA干擾技術(shù)沉默OsLCT1 轉(zhuǎn)錄子，則秈稻中的鎘富集只有正常沒(méi)有基因沉默的對(duì)照組(即正常組)的差不多一半的量?；蚯贸突虺聊际窍冗M(jìn)的基因工程手段，該方法能靶向定位跟鎘富集相關(guān)的基因，但是在食品安全方面可能也存在爭(zhēng)議。

1.5 微生物吸附或發(fā)酵降低大米中的鎘

曹霞[22]發(fā)現(xiàn)包括細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)多種微生物對(duì)重金屬鎘有明顯的吸附作用。劉也嘉等[23]報(bào)道了用強(qiáng)化菌株比例為1∶1的嗜熱鏈球菌和德氏乳桿菌可以將鎘超標(biāo)2倍以上的大米脫除70%以上的鎘。陳瑤等[24]的研究則發(fā)現(xiàn)大米用1∶1∶1(體積比)的羅伊氏乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌、植物乳桿菌發(fā)酵，經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到在大米粒度40目, 接種量3%，料液比1∶5 (g/mL)，溫度37 ℃，發(fā)酵時(shí)間21 h的條件下，脫鎘率可達(dá)到89.98%。王年忠[25]的研究表明對(duì)于在水料比為2.7時(shí)，淀粉利用率和出酒率分別為93.5%和53%，利用率較高，鎘并未對(duì)酵母產(chǎn)生明顯的抑制作用。李春生等[26]的研究也發(fā)現(xiàn)酵母菌對(duì)大米中的鎘有明顯的吸附作用，為囤積的鎘大米去庫(kù)存提供了有意義的技術(shù)途徑。利用紫外線誘變魯氏酵母可使魯氏酵母的鎘吸附能力增強(qiáng)，比親本菌株提高了7.01%～15.03%，鎘抗性也增強(qiáng)。

2 鎘污染治理的農(nóng)作技術(shù)

2.1 鎘污染土壤中添加生物炭

生物炭是物質(zhì)在限氧環(huán)境中熱化學(xué)轉(zhuǎn)化所得的固體物質(zhì)[27]。它的原材料可以是稻桿、動(dòng)物骨頭、植物根莖等農(nóng)業(yè)廢棄物，生物炭的原料易得且成本低廉，是新穎和有效的一種含水環(huán)境下能夠吸附鎘的吸附劑。近期一些研究[28-29]發(fā)現(xiàn)生物炭是一種很有效的處理工業(yè)廢水和重金屬土壤污染的吸附劑。研究[30-31]證實(shí)，經(jīng)過(guò)酸和堿活化后的生物炭的結(jié)構(gòu)以及生物炭增加表面官能團(tuán)后能夠更有效地吸附重金屬包括鎘離子[32]。近些年，基于生物炭的納米復(fù)合材料得到了發(fā)展，因?yàn)樗梢越Y(jié)合生物炭和納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)[33-34]。納米生物碳復(fù)合物改善了生物炭官能團(tuán)、炭孔的性能、表面活性位點(diǎn)、催化降解的能力且比普通生物炭更易分離[33]。

2.2 鎘污染土壤中增施硅肥

研究[35]表明，在被鎘污染的土壤中增施硅肥可以有效地降低水稻莖、葉、稻殼和稻米中的鎘含量和土壤的pH，還能提高水稻的產(chǎn)量，其中稻米的鎘含量降低了25.3%。王怡璇等[36]發(fā)現(xiàn)施硅肥可促進(jìn)水稻根表鐵膜的形成，當(dāng)施硅肥達(dá)到800 mg/kg時(shí)，稻米的鎘含量比對(duì)照組(未施硅肥)減少了32.76%，顯著地減少了稻谷植株鎘的吸收和稻米的鎘含量。

2.3 鎘污染土壤中加入土壤改良劑

土壤改良劑是通過(guò)化學(xué)方法用石灰、磷酸鹽、高爐渣、鐵鹽、硅酸鹽、沸石等來(lái)治理重金屬污染土壤的改良劑。這些化學(xué)改良劑可以單獨(dú)使用，也可以進(jìn)行組合搭配，尤其是使用石灰[37-40]和鐵鹽[41-42]，進(jìn)行化學(xué)改良劑的搭配和組合在鎘污染治理當(dāng)中則更為常見(jiàn)。周歆等[43]的研究分別用2∶1 的石灰石CaCO3和海泡石Mg8(H2O)4[Si6O16]2(OH)4·8H2O，羥基磷灰石Ca10(PO4)6OH2和沸石作為組配改良劑加入重金屬污染的土壤，而后在糙米中檢測(cè)到鎘含量下降了23.2%～43.8%，效果顯著。

2.4 鎘污染土壤中增施有機(jī)糞肥

在鎘污染土壤中施加家禽家畜糞便作為有機(jī)肥料，對(duì)減少水稻對(duì)鎘的富集有顯著效果。豬糞作為有機(jī)肥處理以后稻米的鎘含量比對(duì)照下降37.5%，雞糞作為有機(jī)肥處理以后稻米的鎘含量比對(duì)照下降22.5%，用稻草作為有機(jī)肥處理后稻米的鎘含量比對(duì)照下降7.5%[44]。比較而言，施用豬糞、雞糞降低稻米鎘含量主要是降低了水稻植株對(duì)土壤鎘的富集，而施用稻草則主要是降低了水稻莖中鎘向稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.5 鎘污染土壤中加入硒肥

最新的研究[45]表明，施用硒肥可以明顯降低鎘對(duì)水稻的生長(zhǎng)抑制作用，同時(shí)能降低水稻對(duì)鎘的富集，對(duì)于雜交稻來(lái)說(shuō)，子代水稻的鎘含量與父本水稻相仿而低于母本水稻。有研究者[46]在湖北恩施的富硒土壤中選用7種農(nóng)作物包括土豆、茶葉、玉米、水稻、魔芋、白菜、蘿卜，考察其根系硒與鎘的相互作用，結(jié)果顯示，以水稻、白菜和蘿卜3種作物硒對(duì)根系中鎘含量影響最明顯。根據(jù)梁程等[47]的報(bào)道硒能降低鎘對(duì)水稻的生長(zhǎng)抑制，提高了水稻幼苗中GSH和PCs的含量，促進(jìn)水稻體內(nèi)鎘和PC的絡(luò)合作用，從而減緩鎘對(duì)水稻幼苗的毒害。龐曉辰等[48]發(fā)現(xiàn)，在Cd處理濃度為5.0 μmol/L條件下，外源硒(Ⅳ)會(huì)顯著降低水稻對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。李虹穎等[49]發(fā)現(xiàn)土壤中鎘濃度水平一致時(shí)，隨著硒濃度增加，稻米中的鎘含量顯著下降。

3 展望

大米降鎘可以從源頭上利用生物技術(shù)包括雜交、基因工程，篩選鎘低富集的品種，也可以利用微生物吸附或發(fā)酵等方法對(duì)大米的最終產(chǎn)品進(jìn)行改良。此外，還可以通過(guò)農(nóng)作施肥的方式降低土壤中鎘的含量。利用現(xiàn)在生物技術(shù)的前沿方法——基因工程按照人們的意愿改良水稻的性狀，使口感好、豐產(chǎn)的優(yōu)良水稻品種成為低鎘富集的品種，但也是尚有爭(zhēng)議的轉(zhuǎn)基因方法。相對(duì)傳統(tǒng)的微生物吸附和發(fā)酵的生物技術(shù)也可以為已有的鎘大米去庫(kù)存提供良好的低成本的解決方案。

在農(nóng)作技術(shù)方面，效果顯著且成本低廉易操作的是往鎘污染的土壤里加活性炭、有機(jī)糞肥、土壤改良劑等方法。增施硅肥可以降低鎘從土壤中的吸收，也可以提高產(chǎn)量；增施硒肥除了降低大米的鎘吸收以外，還能增加大米里的硒元素含量，但成本較高。綜上所述，利用現(xiàn)代生物技術(shù)和農(nóng)作技術(shù)，對(duì)鎘污染進(jìn)行綜合治理大有可為，可以通過(guò)多種技術(shù)方法來(lái)解決水稻中鎘含量超標(biāo)的問(wèn)題。