防治大米镉污染的生物及农作技术研究进展

沈珺珺 林亲录 罗非君

(1. 中南林业科技大学稻谷及副产物深加工国家工程实验室，湖南 长沙 410004；2. 中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004)

镉是土壤中最具流动性和最易被生物利用的元素之一。虽然镉对植物生长和构建生物系统并不重要，但是镉容易被植物(包括谷物)的根系吸收并且传输到地表的其他组织。镉的富集程度取决于土壤中的镉含量以及植物的遗传属性。大米相比其他粮食作物是比较容易吸收镉的植物，镉也主要是通过大米流向人们的餐桌。人体摄入的镉并不能被生物降解和排出，所以不管是在食物链中流动最终进入人体还是直接摄入人体都将在人体内成倍地富集。镉可以与人体内能和蛋白质及酶等发生强烈的相互作用，使它们失去活性，影响各个器官，如引起肺气肿和骨质疏松，最终对肺、肾脏和肌肉骨骼、心血管造成不可逆转的损害[1-3]。

目前中国国家标准规定安全食用大米的镉浓度不超过0.20 mg/kg。早在20世纪90年代中国的镉污染面积就达到1.3×104hm2[4]，而近几年的报道[5]则指出中国镉污染农田的面积已达到2.8×105hm2，镉污染农田的数目整整增加了20余倍。在中国的广东、湖南、四川、福建、辽宁、江苏、安徽和浙江都发现了镉超标的大米[6]，中国南方镉大米的规模和严重程度已引起了国家的高度关注，亟待找到有效的解决方法，来消除这个日趋严重的食品安全隐患。本文拟从运用现代生物技术和农作技术两个方面，详述国内外防治大米镉污染的方法研究进展。以期为改善中国严峻的大米镉污染问题提供一些可行的方法及思路。

1 降低大米镉含量的生物技术

1.1 低镉富集大米品种的筛选

试验[7-8]证明，品种不同对镉的富集效应明显不一样。南方普遍种植的籼稻和北方普遍种植的粳稻对于镉的吸收效果相差显著，在镉污染的土壤上籼稻产的稻米更容易镉超标，这也是中国南方和中部地区种植的大米比起北方镉更易超标的一个重要因素。研究[9]表明检测110种(70种籼稻和40种粳稻)的镉含量，只有3种籼稻的镉含量超过了国家标准的0.20 mg/kg；Grant等[10]研究说明不同水稻品种间因为基因碱基构成的差异，所以不同的水稻品种间镉富集含量差异较大。在中国5个污染区取500个谷物样品，发现镉污染的差别达到了60倍以上[11]。在沈阳地区选取39个常见的粳稻种植品种在镉污染土壤(0.75 mg/kg)中进行盆栽试验，最后发现39个粳稻品种中糙米镉含量为0.06～0.42 mg/kg，存在着显著的差异性[12]。还有研究[13]证明在中国常见种植的12种水稻品种中创两优4418籼稻超出了国家标准，并且超出南粳9108和通优粳11倍之多，达到了0.222 mg/kg的镉含量。这些研究都证实了不同的品种对镉的富集程度不同，所以在已被镉污染的地区对水稻品种的选择也非常重要。所以在种植之前进行大米品种的筛选，在镉污染较严重的地区选择种植低镉富集的大米品种是一种既解决了根本问题又易行的方法。

1.2 转基因改变大米的性状

转基因技术现在已经能灵活地运用在动植物的性状改造当中。镉在水稻中积累的性状也是如此。植物铁载体决定了生物强化水稻胚乳中铁和锌积累的阈值，同时抑制了镉的积累[14-15]。Banakar等[14]报道转基因的水稻高表达烟草胺和2’-脱氧麦根酸配体，积累了4倍的铁和2倍的锌，并且竞争性抑制了镉的吸收。与野生型对照相比，snat1表达过度的水稻植株对镉和衰老胁迫有明显的抗性[14]。转基因技术能够显著地改善镉吸收和富集的状况，对品质的改良有积极意义[15]。转基因技术是科学发展前沿的高技术，可以将优良的性状通过基因工程的手段在想要改造的生物中表达，但转基因大米尚存在食品安全的争议问题。

1.3 杂交法改变大米的性状

中国在通过杂交改变水稻的性状方面达到了国际领先的水平。据宗锦涛[16]的报道中国的低镉水稻杂交已经取得了突破性的进展，低镉水稻在含镉1.5 mg/kg的高镉土壤上生长，稻谷中平均镉含量为0.06 mg/kg，比对照组的稻谷镉含量都下降了90%以上，取得了重大的突破，远低于国标的0.20 mg/kg。通过杂交的方法改变稻谷镉富集的水平，是一种既经济又安全的方法。

1.4 镉迁移基因的敲除与敲低

基因敲除是通过分子生物学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术敲除Nramp5(自然抗性相关的巨噬细胞蛋白)基因以后，在水稻根和芽中镉的含量都会明显减少，锰含量也减少，然而水稻的生长受影响，产量会降低。最新的研究结果[19]表明用CRISPR/Cas9基因技术敲除OsNramp5基因，这个金属转运基因敲除后，谷物中镉浓度的浓度一直低于0.05 mg/kg，而在Huazhan(野生型籼稻)中，Cd浓度为0.33～2.90 mg/kg。在OsNramp5突变体中，镉的含量显著降低，而稻谷的产量没有受到明显的影响。此研究为发展抗镉污染的籼稻品种提供了一种实用的方法，减少了谷物中镉污染的风险。基因敲低是用的RNA干扰技术而非同源重组技术用双链的RNA分子或转录载体使靶标基因的mRNA降解或合成受阻，也就是并没有发生相应基因DNA的替换而是阻止或降低它的转录水平[20]。Uraguchi等[21]的研究表明用RNA干扰技术沉默OsLCT1 转录子，则籼稻中的镉富集只有正常没有基因沉默的对照组(即正常组)的差不多一半的量。基因敲除和基因沉默都是先进的基因工程手段，该方法能靶向定位跟镉富集相关的基因，但是在食品安全方面可能也存在争议。

1.5 微生物吸附或发酵降低大米中的镉

曹霞[22]发现包括细菌、真菌和藻类多种微生物对重金属镉有明显的吸附作用。刘也嘉等[23]报道了用强化菌株比例为1∶1的嗜热链球菌和德氏乳杆菌可以将镉超标2倍以上的大米脱除70%以上的镉。陈瑶等[24]的研究则发现大米用1∶1∶1(体积比)的罗伊氏乳杆菌、发酵乳杆菌、植物乳杆菌发酵，经过优化得到在大米粒度40目, 接种量3%，料液比1∶5 (g/mL)，温度37 ℃，发酵时间21 h的条件下，脱镉率可达到89.98%。王年忠[25]的研究表明对于在水料比为2.7时，淀粉利用率和出酒率分别为93.5%和53%，利用率较高，镉并未对酵母产生明显的抑制作用。李春生等[26]的研究也发现酵母菌对大米中的镉有明显的吸附作用，为囤积的镉大米去库存提供了有意义的技术途径。利用紫外线诱变鲁氏酵母可使鲁氏酵母的镉吸附能力增强，比亲本菌株提高了7.01%～15.03%，镉抗性也增强。

2 镉污染治理的农作技术

2.1 镉污染土壤中添加生物炭

生物炭是物质在限氧环境中热化学转化所得的固体物质[27]。它的原材料可以是稻杆、动物骨头、植物根茎等农业废弃物，生物炭的原料易得且成本低廉，是新颖和有效的一种含水环境下能够吸附镉的吸附剂。近期一些研究[28-29]发现生物炭是一种很有效的处理工业废水和重金属土壤污染的吸附剂。研究[30-31]证实，经过酸和碱活化后的生物炭的结构以及生物炭增加表面官能团后能够更有效地吸附重金属包括镉离子[32]。近些年，基于生物炭的纳米复合材料得到了发展，因为它可以结合生物炭和纳米结构的优点[33-34]。纳米生物碳复合物改善了生物炭官能团、炭孔的性能、表面活性位点、催化降解的能力且比普通生物炭更易分离[33]。

2.2 镉污染土壤中增施硅肥

研究[35]表明，在被镉污染的土壤中增施硅肥可以有效地降低水稻茎、叶、稻壳和稻米中的镉含量和土壤的pH，还能提高水稻的产量，其中稻米的镉含量降低了25.3%。王怡璇等[36]发现施硅肥可促进水稻根表铁膜的形成，当施硅肥达到800 mg/kg时，稻米的镉含量比对照组(未施硅肥)减少了32.76%，显著地减少了稻谷植株镉的吸收和稻米的镉含量。

2.3 镉污染土壤中加入土壤改良剂

土壤改良剂是通过化学方法用石灰、磷酸盐、高炉渣、铁盐、硅酸盐、沸石等来治理重金属污染土壤的改良剂。这些化学改良剂可以单独使用，也可以进行组合搭配，尤其是使用石灰[37-40]和铁盐[41-42]，进行化学改良剂的搭配和组合在镉污染治理当中则更为常见。周歆等[43]的研究分别用2∶1 的石灰石CaCO3和海泡石Mg8(H2O)4[Si6O16]2(OH)4·8H2O，羟基磷灰石Ca10(PO4)6OH2和沸石作为组配改良剂加入重金属污染的土壤，而后在糙米中检测到镉含量下降了23.2%～43.8%，效果显著。

2.4 镉污染土壤中增施有机粪肥

在镉污染土壤中施加家禽家畜粪便作为有机肥料，对减少水稻对镉的富集有显著效果。猪粪作为有机肥处理以后稻米的镉含量比对照下降37.5%，鸡粪作为有机肥处理以后稻米的镉含量比对照下降22.5%，用稻草作为有机肥处理后稻米的镉含量比对照下降7.5%[44]。比较而言，施用猪粪、鸡粪降低稻米镉含量主要是降低了水稻植株对土壤镉的富集，而施用稻草则主要是降低了水稻茎中镉向稻米的转运。

2.5 镉污染土壤中加入硒肥

最新的研究[45]表明，施用硒肥可以明显降低镉对水稻的生长抑制作用，同时能降低水稻对镉的富集，对于杂交稻来说，子代水稻的镉含量与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选用7种农作物包括土豆、茶叶、玉米、水稻、魔芋、白菜、萝卜，考察其根系硒与镉的相互作用，结果显示，以水稻、白菜和萝卜3种作物硒对根系中镉含量影响最明显。根据梁程等[47]的报道硒能降低镉对水稻的生长抑制，提高了水稻幼苗中GSH和PCs的含量，促进水稻体内镉和PC的络合作用，从而减缓镉对水稻幼苗的毒害。庞晓辰等[48]发现，在Cd处理浓度为5.0 μmol/L条件下，外源硒(Ⅳ)会显著降低水稻对镉的吸收和转运。李虹颖等[49]发现土壤中镉浓度水平一致时，随着硒浓度增加，稻米中的镉含量显著下降。

3 展望

大米降镉可以从源头上利用生物技术包括杂交、基因工程，筛选镉低富集的品种，也可以利用微生物吸附或发酵等方法对大米的最终产品进行改良。此外，还可以通过农作施肥的方式降低土壤中镉的含量。利用现在生物技术的前沿方法——基因工程按照人们的意愿改良水稻的性状，使口感好、丰产的优良水稻品种成为低镉富集的品种，但也是尚有争议的转基因方法。相对传统的微生物吸附和发酵的生物技术也可以为已有的镉大米去库存提供良好的低成本的解决方案。

在农作技术方面，效果显著且成本低廉易操作的是往镉污染的土壤里加活性炭、有机粪肥、土壤改良剂等方法。增施硅肥可以降低镉从土壤中的吸收，也可以提高产量；增施硒肥除了降低大米的镉吸收以外，还能增加大米里的硒元素含量，但成本较高。综上所述，利用现代生物技术和农作技术，对镉污染进行综合治理大有可为，可以通过多种技术方法来解决水稻中镉含量超标的问题。