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)物深加工國家工程實驗室，湖南 長沙 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 長沙 410004)

鎘是土壤中最具流動性和最易被生物利用的元素之一。雖然鎘對植物生長和構(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最終進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)生強烈的相互作用，使它們失去活性，影響各個器官，如引起肺氣腫和骨質(zhì)疏松，最終對肺、腎臟和肌肉骨骼、心血管造成不可逆轉(zhuǎn)的損害[1-3]。

目前中國國家標準規(guī)定安全食用大米的鎘濃度不超過0.20 mg/kg。早在20世紀90年代中國的鎘污染面積就達到1.3×104hm2[4]，而近幾年的報道[5]則指出中國鎘污染農(nóng)田的面積已達到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)了鎘超標的大米[6]，中國南方鎘大米的規(guī)模和嚴重程度已引起了國家的高度關(guān)注，亟待找到有效的解決方法，來消除這個日趨嚴重的食品安全隱患。本文擬從運用現(xiàn)代生物技術(shù)和農(nóng)作技術(shù)兩個方面，詳述國內(nèi)外防治大米鎘污染的方法研究進展。以期為改善中國嚴峻的大米鎘污染問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[7-8]證明，品種不同對鎘的富集效應(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，這也是中國南方和中部地區(qū)種植的大米比起北方鎘更易超標的一個重要因素。研究[9]表明檢測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了國家標準的0.20 mg/kg；Grant等[10]研究說明不同水稻品種間因為基因堿基構(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5個污染區(qū)取500個谷物樣品，發(fā)現(xiàn)鎘污染的差別達到了60倍以上[11]。在沈陽地區(qū)選取39個常見的粳稻種植品種在鎘污染土壤(0.75 mg/kg)中進行盆栽試驗，最后發(fā)現(xiàn)39個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]證明在中國常見種植的12種水稻品種中創(chuàng)兩優(yōu)4418秈稻超出了國家標準，并且超出南粳9108和通優(yōu)粳11倍之多，達到了0.222 mg/kg的鎘含量。這些研究都證實了不同的品種對鎘的富集程度不同，所以在已被鎘污染的地區(qū)對水稻品種的選擇也非常重要。所以在種植之前進行大米品種的篩選，在鎘污染較嚴重的地區(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)能靈活地運用在動植物的性狀改造當中。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化水稻胚乳中鐵和鋅積累的閾值，同時抑制了鎘的積累[14-15]。Banakar等[14]報道轉(zhuǎn)基因的水稻高表達煙草胺和2’-脫氧麥根酸配體，積累了4倍的鐵和2倍的鋅，并且競爭性抑制了鎘的吸收。與野生型對照相比，snat1表達過度的水稻植株對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)良的性狀通過基因工程的手段在想要改造的生物中表達，但轉(zhuǎn)基因大米尚存在食品安全的爭議問題。

1.3 雜交法改變大米的性狀

中國在通過雜交改變水稻的性狀方面達到了國際領(lǐng)先的水平。據(jù)宗錦濤[16]的報道中國的低鎘水稻雜交已經(jīng)取得了突破性的進展，低鎘水稻在含鎘1.5 mg/kg的高鎘土壤上生長，稻谷中平均鎘含量為0.06 mg/kg，比對照組的稻谷鎘含量都下降了90%以上，取得了重大的突破，遠低于國標的0.20 mg/kg。通過雜交的方法改變稻谷鎘富集的水平，是一種既經(jīng)濟又安全的方法。

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)的巨噬細胞蛋白)基因以后，在水稻根和芽中鎘的含量都會明顯減少，錳含量也減少，然而水稻的生長受影響，產(chǎn)量會降低。最新的研究結(jié)果[19]表明用CRISPR/Cas9基因技術(shù)敲除OsNramp5基因，這個金屬轉(zhuǎn)運基因敲除后，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用的方法，減少了谷物中鎘污染的風(fēng)險?；蚯玫褪怯玫腞NA干擾技術(shù)而非同源重組技術(shù)用雙鏈的RNA分子或轉(zhuǎn)錄載體使靶標基因的mRNA降解或合成受阻，也就是并沒有發(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有基因沉默的對照組(即正常組)的差不多一半的量?；蚯贸突虺聊际窍冗M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)包括細菌、真菌和藻類多種微生物對重金屬鎘有明顯的吸附作用。劉也嘉等[23]報道了用強化菌株比例為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)酵時間21 h的條件下，脫鎘率可達到89.98%。王年忠[25]的研究表明對于在水料比為2.7時，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)酵母菌對大米中的鎘有明顯的吸附作用，為囤積的鎘大米去庫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，比親本菌株提高了7.01%～15.03%，鎘抗性也增強。

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，經(jīng)過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，因為它可以結(jié)合生物炭和納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點[33-34]。納米生物碳復(fù)合物改善了生物炭官能團、炭孔的性能、表面活性位點、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)施硅肥可促進水稻根表鐵膜的形成，當施硅肥達到800 mg/kg時，稻米的鎘含量比對照組(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

土壤改良劑是通過化學(xué)方法用石灰、磷酸鹽、高爐渣、鐵鹽、硅酸鹽、沸石等來治理重金屬污染土壤的改良劑。這些化學(xué)改良劑可以單獨使用，也可以進行組合搭配，尤其是使用石灰[37-40]和鐵鹽[41-42]，進行化學(xué)改良劑的搭配和組合在鎘污染治理當中則更為常見。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糞肥

在鎘污染土壤中施加家禽家畜糞便作為有機肥料，對減少水稻對鎘的富集有顯著效果。豬糞作為有機肥處理以后稻米的鎘含量比對照下降37.5%，雞糞作為有機肥處理以后稻米的鎘含量比對照下降22.5%，用稻草作為有機肥處理后稻米的鎘含量比對照下降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。

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水稻的生長抑制作用，同時能降低水稻對鎘的富集，對于雜交稻來說，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種作物硒對根系中鎘含量影響最明顯。根據(jù)梁程等[47]的報道硒能降低鎘對水稻的生長抑制，提高了水稻幼苗中GSH和PCs的含量，促進水稻體內(nèi)鎘和PC的絡(luò)合作用，從而減緩鎘對水稻幼苗的毒害。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)會顯著降低水稻對鎘的吸收和轉(zhuǎn)運。李虹穎等[49]發(fā)現(xiàn)土壤中鎘濃度水平一致時，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)酵等方法對大米的最終產(chǎn)品進行改良。此外，還可以通過農(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，但也是尚有爭議的轉(zhuǎn)基因方法。相對傳統(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)，對鎘污染進行綜合治理大有可為，可以通過多種技術(shù)方法來解決水稻中鎘含量超標的問題。