從國家自然科學基金資助項目分析應對土壤鎘污染的研究發展方向

張標金等

摘 要 為探討應對日益嚴重的土壤鎘（Cadmium， Cd）污染的研究發展方向，分析了2000～2013年國家自然科學基金批準資助的155個與之相關的項目。結果表明：這些項目主要由面上項目和青年科學基金項目資助；近年來，相關項目的資助力度正逐步加大；所有項目可分為9大研究方向，其中以植物吸收轉運積累鎘的機理和相關基因研究所占總項目數的比例最大。對未來的研究方向也作了展望。

關鍵詞 鎘 ；土壤 ；國家自然科學基金 ；資助項目

分類號 X53

Abstract In order to probe into the research fields to reply the increasingly serious soil cadmium （Cd） contamination， 155 related projects supported by National Natural Science Foundation of China （NSFC） in 2000-2013 were studied. The results indicated： the projects were mainly supported by general program and youth science fund project. In recent years， the support intensity of related projects was gradually increasing. All the projects can be classified into 9 research fields， and studies about the mechanism and related genes of cadmium absorption， transportation and accumulation in plants account for a largest fraction in all the projects. Furthermore， prospects for further study were summarized.

Kewwords cadmium ； soil ； National Natural Science Foundation of China ； supported project

近一百年來，隨著工業化的快速發展和城市化的無限制擴張，金屬礦被大量開采，冶煉廢氣、工業污水和城市垃圾常常超標排放，農用化學品無節制施用等導致我國環境鎘（Cadmium， Cd）污染日益加重。據1975年的調查統計，歐洲和美國每年分別向環境中釋放約6 118 t和761.3 t鎘，其中分別有94%和81.8%進入土壤，其中很大一部分為農業土壤。污灌常常是鎘等重金屬進入土壤的主要途徑之一，我國11 個污灌區遭受Cd 污染的農田就有12 000 hm2[1]， 如沈陽張士灌區嚴重污染區土壤的含Cd 量高達5～7 mg/kg， 稻米中含Cd 也達1～2 mg/kg[2]，嚴重超過了大米含鎘小于0.2 mg/kg的國家標準。鎘在環境中活性較強，在土壤-植物系統中具有很強的遷移能力[3]。作物生長在鎘污染的土壤上，生長發育受到抑制，產量品質被嚴重影響，其吸收和積累的鎘進入食物鏈而嚴重威脅人類健康。鎘在人體中的富集不僅會引起胃腸不適、貧血、高血壓、腎損害以及對生殖細胞的選擇性毒害，還影響鈣、磷代謝使骨骼生長代謝受阻，甚至致癌和致畸[4-5]。因而，如何減輕直至解決土壤鎘污染的危害成為政府和廣大科技工作者的重要研究課題。

為減輕土壤鎘污染的危害，國內外科技工作者已進行了大量的相關研究工作。目前，已經揭示了鎘對植物的主要危害與機理和植物應對鎘脅迫時的一些應對策略[6-9]，如植物螯合肽（Phytochelatin，PC）的絡合、液泡的區室化等；發現了植物中鎘的吸收、轉運規律與調控過程和其中的一些重要基因[10-15]；探索了通過植物修復等降低土壤鎘危害的途徑及石灰等土壤改良劑減少作物中鎘含量的作用[16-19]。近年來，我國也加大了針對土壤鎘污染的項目支持力度和科研步伐，但仍有很多關鍵問題尚未探清，需要做更深入的研究。為此，本文分析了2000～2013年國家自然科學基金與應對土壤Cd污染相關的項目資助情況，旨在探索解決我國土壤鎘污染問題的研究發展方向，為我國從事相關研究工作的科技工作者提供參考。

1 概況

2000～2013年，國家自然科學基金共批準資助相關研究項目155項，其中面上項目84項（3 929.5萬元）；青年科學基金項目65項（1 492萬元）；地區科學基金項目5項（161萬元）；國際（地區）合作與交流項目1項（100萬元）；總經費5 682.5萬元。各類項目數和資助金額所占百分比總結如圖1、2所示。從年度資助的項目數（圖3）來看，資助項目呈不斷增加趨勢，特別是2006年以來，增長明顯加快。這說明隨著近年鎘污染公共事件的增多，鎘污染問題正日益引起政府部門和廣大科技工作者的高度重視，并加大了資助力度和加快了相關研究步伐。

2 研究方向

針對日益嚴重的鎘污染形勢，廣大科技工作者已經開展了大量的研究工作，從已有的研究來看，主要集中于兩大方面：一方面是揭示土壤-植物系統中鎘行為與危害及其機理，植物對鎘脅迫的響應規律、機制和分子機理等；另一方面是探索如何治理土壤鎘污染，減輕其危害，如鎘的凈化、鈍化等。從2000～2013年獲得國家自然科學基金批準資助的155項項目，也可以體現應對土壤鎘污染的具體研究和發展方向。

（1）土壤鎘積累的地球化學過程和遷移規律20項，涉及土法煉鋅時鎘的釋放規律和環境危害，富鎘鉛鋅礦、煤礦、長江下游沖積土、三峽庫區高鎘地質背景區、長江流域典型礦區、稻田土壤、湖泊等區域鎘的地球化學過程和對環境的影響，紅壤地區和其他地表環境中鎘的來源、積累、遷移特征和相關驅動因子分析，鎘與其他環境因子如硼、苯并[a]芘、四溴雙酚-A、PAEs等在土壤中的交互作用和相關機理，凍融作用、污灌區土壤鹽堿化、公路鋪曬工業鹽等對土壤中鎘的遷移行為的影響，“稻鴨共生”生態系統中鎘的遷移規律。endprint

（2）植物吸收轉運積累鎘的機理和相關基因研究56項，主要涉及水稻、小麥、大麥、油菜、東南景天、花生、龍葵、大豆、小白菜、大白菜、蘿卜、三葉鬼針草、菱蒿、楊樹、苧麻、忍冬、馬蘭根、蕓苔屬蔬菜、濕地植物和超積累植物等植物吸收轉運和積累鎘的生理生化與分子機理和遺傳基礎研究，MxIrt1、擬南芥CDR2、XCD1、ZBP1、microRNA395、VEW1轉錄子、東南景天SaREF1及MTP基因家族、SaHMA3、金屬耐受蛋白MTP、microRNA、MiR166、油菜miR159/167和ABC/NRAMP1、大豆GmHMA3、谷胱甘肽轉移酶（GST）等基因和分子在植物吸收轉運與積累鎘中的功能，細胞壁、液泡、植物鐵載體、植物螯合肽等在植物鎘積累中的作用及機理，血紅素加氧酶-1/一氧化碳信號系統、一氧化氮、硫化氫在植物耐鎘脅迫中的作用機制，鎘與蛋白結合機理及結構穩定性。

（3）鎘脅迫對植物的影響和相關機制16項，其研究內容主要包括鎘脅迫對各類植物形態特征與生物/急性毒性、亞細胞結構和生理生化響應特征、細胞骨架及細胞壁建成和細胞壁果膠合成與去甲酯化、氧化代謝與鈣信使、鐵營養調控、鉀離子泄漏、microRNA合成、基因突變及甲基化改變、青蒿素積累、光合作用、土壤氮循環和遷移等的影響及相關機制。

（4）微生物耐鎘機理和相關基因研究6項，主要包括細菌、牛肝菌、AM真菌、雙孢蘑菇、酵母等微生物的鎘耐受機理及相關基因的克隆與表達。

（5）外在因素對植物鎘吸收轉運的影響28項，主要涉及土壤改良劑如秸稈還田、赤泥、生物質炭，微生物如鐵氧化細菌、外生菌根真菌、叢支菌根真菌和伯克氏菌，其他元素與化合物包括鈣、硅、鐵、硫、硒、共價陽離子、二氧化碳、水楊酸、精胺、低分子量有機酸、金屬螯合肽等，不同栽培環境（方式）如淹水環境、水分管理、不同pH、施肥等，以及土壤鐵錳化學過程等因素對植物吸收轉運和積累鎘的影響及其機制。

（6）土壤的植物、微生物和物理修復12項，主要研究油菜、紫茉莉、棉花、馬櫻丹、紫莖澤蘭-AMF、細菌強化的植物等多種植物修復鎘污染的機理，植物修復的根際調控機理，土壤鎘污染的微生物修復機理，物理性吸附劑對鎘的分離富集。

（7）鎘污染土壤中植物/微生物-土壤互作研究9項，主要內容有植物根系對鎘脅迫的識別與調控和根際特征與環境效應，土壤-植物系統中鎘污染預警和遷移規律，鎘與土壤微生物的相互作用機制等。

（8）不同積累鎘能力植物資源的篩選7項，包括寶山堇菜、油菜、大麻、辣椒、花生等種質資源的篩選和鎘積累的生理生化基礎研究5項，另1項為開發了一種鎘高積累蔬菜品種分子標識新方法。

（9）土壤鎘污染的檢測技術1項，研究開發了一項定向進化構建細菌傳感器檢測環境中鎘污染的技術。

綜合來看，“植物吸收轉運積累鎘的機理和相關基因研究”在所有資助項目中所占比例最大，其次為“外在因素對植物鎘吸收轉運的影響”（圖4），而“土壤鎘污染的檢測技術”研究只有1項。目前鎘含量的檢測方法有電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）、原子吸收光譜法（AAS）、同位素稀釋質譜法（ID-MS）等，這些方法的檢測精度和靈敏度都很高，但都需要復雜的前處理和專門的儀器設備，檢測時間較長，難以滿足很多情況下的實際需要，因而應加強快速檢測技術方面的研究工作。

3 展望

自1968年日本報道“痛痛病”是由鎘污染引發以來，土壤鎘等重金屬污染治理研究一直成為農業和環境科學等相關領域的研究熱點。而我國有關農產品中鎘等有毒重金屬超標的問題也日益突出，中毒事件時有發生，而且這種情形有隨著工業化的發展和城市化進程的加快而呈加劇的趨勢。在此大背景下，相關研究工作雖然取得了一些進展，但整體上相對比較落后，研究水平不高，比如鎘在土壤-植物系統中的很多關鍵機理還未知，相關治理措施也仍處于試驗探討階段，還未能大規模地應用于生產實踐。在科學發展主導技術進步的今天，全面推進各研究方向的快速發展，是治理土壤鎘污染，保障人民生命健康的迫切需要。

（1）鎘在土壤-植物系統中的地球化學行為、形態轉化及其遷移過程等研究。鎘在土壤中的遷移轉化過程受多種生物和地球化學因素的調控，其中土壤pH和氧化還原狀況是影響鎘存在形態的主要因素，探明土壤-植物生態系統中鎘的來源、化學行為、遷移轉化過程及其驅動因素和對環境的影響是在污染區建立鎘污染控制指標體系不可缺少的研究內容。

（2）植物吸收轉運和累積鎘的遺傳基礎和分子機理。植物對鎘的吸收轉運和積累涉及很多基因的表達調控和復雜的生理生化過程，盡管在此方面的研究取得了一些進展，但仍有很多尚未解決的問題，如植物對土壤鎘活化吸附的根際過程，不同耐鎘能力植物吸收和積累鎘差異的遺傳基礎和關鍵遺傳位點，植物對鎘脅迫響應的信號轉導過程，與鎘脅迫響應基因的表達調控模式，鎘通過木質部和韌皮部向籽粒的轉運積累過程等，這些都有待從生理生化和分子水平的進一步研究。對這些問題的探索將有助于進一步了解植物吸收轉運和積累鎘的整體過程與機制，進而有望人為地調控其中的某些過程，以提高植物對鎘污染的耐受能力，或減少對鎘的吸收。

（3）控制農產品中鎘污染的綜合治理措施研究。影響植物積累鎘的因素主要有兩個方面：植物自身的因素，即植物種類差異和品種基因型差異；環境因素，如土壤、空氣、水等。因而，控制農產品中鎘污染應從以下兩方面入手：①廣泛收集耐鎘污染的植物種質資源，培育出耐、抗、低吸收或可食部位少富集鎘的植物新品種；②環境鎘污染的控制和治理。加強生物修復、化學措施、田間管理等措施治理土壤鎘污染的研究和技術示范與推廣，特別是將各種措施組裝配套使用，較單一措施可以提高對鎘污染的控制效果。土壤生態環境較為復雜，各種重金屬間和重金屬與其他污染物間往往存在協同、拮抗、屏蔽和獨立作用[20]，使鎘的生態效益受到多種因素的影響，因而還需加強鎘與其他污染物復合污染條件下的治理措施研究。endprint

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