稻米鎘污染及其消減技術研究進展

摘要：工業三廢的偷排亂放，以及肥料、農藥的濫施亂用，致使我國大米重金屬污染問題日益嚴重。從我國耕地和稻米鎘污染現狀、鎘的吸收機制及其在水稻中的分布差異、以及稻米鎘消減技術方面進行綜述，闡釋了稻米行業發展現狀和重金屬鎘污染問題，為今后稻米的安全生產指明了方向。

關鍵詞：鎘；重金屬；分布；消減；綜述

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）03-0110-04

重金屬一般是指密度在4.5 g/cm³以上的金屬，包括金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、鉛（Pb）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）和鉻（Cr）等。重金屬在人體中積累達到一定量后，會造成人體慢性中毒，尤其是砷、汞、鉛、鎘4種重金屬元素毒性較強，在體內積累超過一定限量后會造成如“水俁病”“痛痛病”等疾病，嚴重影響身心健康。近年來，隨著工業化的飛速發展和城市化進程的不斷加快，再加上化石燃料的大量使用，我國環境問題日益凸顯，土壤重金屬污染問題也越來越受到社會各界的關注。受重金屬污染問題的影響，我國稻米質量安全受到嚴重威脅，造成糧食巨大損失。據估算，我國每年約有1200萬t糧食直接或間接受到重金屬污染，造成經濟損失高達200億元。針對重金屬污染問題，相關領域專家開展了大量研究和技術攻關，付出了大量心血和努力，雖取得了一定的成效，但面對復雜的土壤環境，稻米重金屬污染問題在未來一段時間內，仍然將是專家們重點研究的課題。因此，筆者綜述分析了我國耕地、稻米鎘污染現狀、鎘的吸收機制及其在水稻中的分布差異，以及稻米鎘消減技術，以期為今后開展稻米重金屬鎘消減技術研究提供參考。

1耕地和稻米鎘污染現狀

我國土壤環境污染狀況不容樂觀，重金屬污染已逐漸成為當下環境污染最突出的問題之一。土壤環境中重金屬鎘污染主要是通過大氣沉降、污水灌溉、廢土廢渣農用以及化肥農藥施用等途徑輸入造成的。土壤中富集的鎘離子通過農作物根系被吸收，造成農作物鎘污染問題。水稻是一種對鎘敏感的作物，稻田土壤鎘含量超標極容易引起水稻籽粒鎘含量超標，繼而引發大米鎘污染問題。近年來，從有關研究報道來看，全國各地普遍存在不同程度的鎘污染問題。吳洋等在廣西都安縣全境范圍內采集126個耕地土壤樣品，對其重金屬含量進行測定分析和生態風險評價，結果表明，都安縣耕地重金屬污染嚴重，74.6%耕地土壤點位超標，總體上表現出“中度”生態風險，其中鎘的風險貢獻度高達88%。羅小玲等對珠江三角洲地區工業型和種植型兩類耕地土壤進行監測和評價，結果表明，該地區工業型耕地以銅超標為主，超標率達22.2%，種植型耕地以鎘超標為主，超標率達16.7%。宋偉等對全國范圍內138個最典型地區耕地污染數據進行整理分析，推算出我國耕地近六分之一受重金屬污染，鎘污染概率更是高達25.20%，這與2014年發布《全國土壤污染狀況調查公報》統計的耕地近五分之一受重金屬污染結果十分接近。2015年，我國耕地總面積為1.35億hm2，據此估算，我國耕地受污染面積有近2700萬hm²。盡管造成大米鎘超標問題的原因并不完全是由土壤污染帶來的，但是土壤作為作物生長的環境，其鎘含量超標仍然是稻米鎘超標的主要原因。2007年，潘根興及其團隊的研究發現，全國部分市售大米中約有10%的樣品存在鎘含量超標現象。受土壤重金屬污染的影響，我國稻米重金屬鎘超標情況嚴峻。開展水稻鎘吸收機制研究和水稻中鎘分布規律研究，并針對吸收機理和分布規律開發相應的阻斷、消減技術具有重大意義。

2鎘的吸收機制及其在水稻中的分布差異

2.1水稻中鎘的吸收機制

普遍認為，水稻主要通過根系對鎘進行吸收轉運，土壤中游離的鎘離子可通過根系共質體途徑和質外體途徑抵達維管束，并向葉片和籽粒轉運沉積。共質體途徑是指鎘離子通過轉運蛋白進入細胞內，再利用胞間連絲不斷在細胞之間移動，最后進入維管束。質外體途徑則是鎘離子不進入細胞內，利用細胞壁間的間隙在根內移動。共質體途徑吸收較慢，質外體途徑吸收較陜，但是質外體途徑中的凱氏帶會阻止鎘等重金屬離子進入維管束，需要特色的轉運蛋白才能將重金屬離子運輸到維管束。

2.2水稻中鎘的分布

不同品種的水稻，其各組織器官的形態、結構及化學成分不同，對鎘離子的吸收積累機制也因而不同，直接影響了鎘在水稻中的積累和分布。一般來說，水稻成熟期時，不同部位鎘積累規律為：根系>莖葉>稻殼>糙米。在水稻籽粒中，鎘的分布也表現出明顯的差異，田陽等以不同鎘含量的稻谷為原料，測定了礱谷、碾米過程中不同產物的鎘含量，試驗結果顯示出不同產物的鎘含量差異明顯：糠層>穎殼>外層胚乳>中間層胚乳>核心層胚乳，這與楊居容等的研究結果一致。但是由于水稻籽粒結構中主要部分是胚乳，大部分營養成分也集中在胚乳中，因此胚乳中的鎘含量最多，可占籽粒鎘總量的70%～80%。從水稻籽粒中的化學成分來說，大米中淀粉含量占70%～80%，而蛋白質僅占7%～8%，但是鎘主要與谷氨酸、半胱氨酸、纈氨酸等結合，因而鎘在大米中蛋白含量很高，淀粉、脂肪等成分中含量則很低，因此，水稻籽粒中的鎘，主要集中在含蛋白質較高的部位，有研究表明，大米蛋白產品的鎘含量也大于淀粉產品。

3稻米鎘修復消減技術

從20世紀中葉以來，重金屬鎘污染治理修復的研究不斷，研發和推廣了一系列成效良好的治理修復技術。水稻產前鎘污染治理修復技術原理可以概括為：（1）通過改變土壤中鎘元素存在的形態或結合的方式，降低其可遷移性與生物可利用性，即降低有效態鎘含量；（2）通過一定的方式將鎘從土壤中去除，以降低土壤中全鎘含量。水稻產后鎘污染的治理修復技術則主要利用鎘在水稻籽粒中的分布差異，去除含鎘量高的部分，或是將鎘元素從結合態轉化成離子態，溶入到溶液中，從而去除重金屬鎘?；谝陨霞夹g原理，目前應對稻米鎘污染的修復治理方法主要是：從治理土壤環境出發，運用物理、化學、生物等方式降低土壤中有效態鎘含量；從植物金屬離子吸收轉途徑出發，阻斷鎘離子在水稻體內的吸收轉運；從選育水稻品種角度出發，選育出鎘低積累的水稻品種；從產后稻谷的加工出發，通過礱谷、碾米、浸泡、發酵等技術降低稻米及其制品的鎘含量。

3.1土壤修復

以土壤修復的方式降低土壤中鎘元素的可遷移性與生物可利用性，是當前生產上最常用和最有效的方法，土壤修復治理技術主要有物理、化學修復和生物修復技術。

3.1.1物理修復技術 物理修復技術主要是客土法、換土法、深耕翻土法等。客土法是將未污染的土壤與受污染的土壤充分混合，以降低其中重金屬的含量。換土法則是將耕層一定深度受污染的土壤直接移除，再覆上未受重金屬污染的土壤，從而達到降低其中重金屬含量的目的。有研究表明，大部分鎘污染累積于表層土壤，將土壤表層15～30 cm的土壤換上未污染的新土，可使種植的水稻含鎘量下降50%。據日媒報道，日本富山縣神通川流域主要采用的就是換土法和客土法，覆蓋神通川盆地863 hm²農田，整項換土工程耗時33 a，花費407億日元才基本完成治理。換土法是目前修復治理重金屬污染農田最有效的方法，也是最耗財力、物力的方法。深耕翻土法主要是將表層土壤與深層土壤翻動混合，使表層土壤的重金屬污染物含量降低，但是只適用污染程度較低的農田，同時還需增加施肥量，以補充深層土壤養分的不足。

3.1.2化學修復技術 化學修復技術主要是施用土壤改良劑、鈍化劑、穩定劑等，以改變土壤的物理和化學性質，其得土壤中的鎘被吸附、絡合、沉淀，或者通過氧化還原反應被置換出來。這種修復方式降低了土壤中有效態鎘的含量，降低其生物有效性和可遷移性。目前，農用石灰、碳酸鈣等堿性物質，沸石、坡縷石、磷灰石等礦物，農家肥、綠肥、生物炭、作物秸稈等有機肥料均被認為具有良好的土壤修復能力。施用堿性物質主要是提高了土壤的pH值，增加了土壤表面可變負電荷數量，容易形成鹽類沉淀。有研究表明，土壤中施用石灰，土壤pH值顯著提高，碳酸鹽結合態的鎘顯著增加，有效態鎘濃度降低12.6%，糙米的鎘含量降低了28.3%。徐奕等研究發現，施用坡縷石能夠鈍化土壤中的鎘，坡縷石與葉面硅肥聯合施用時，可降低土壤中鎘的生物有效性，糙米中的鎘含量可降低30%以上。綠肥翻壓后被微生物腐解的過程，會產生腐殖質等大量化學物質，改變了土壤物理和化學性質。有研究表明，施用綠肥可以抑制水稻對土壤中鎘的吸收，從而降低糙米鎘積累，降幅可達70%以上。

3.1 3生物修復技術 生物修復技術主要是通過種植超富集植物吸收積累土壤中的鎘，帶走土壤中重金屬污染物，達到降低土壤中鎘含量的目的。目前，國內外已發現多種鎘超富集植物，為稻米鎘污染研究開辟了新的途徑。雖然生物修復技術是一種綠色環保的修復方式，但是存在著時間長、見效慢的缺陷。近年來，隨著研究的不斷深入，超高富集植物也逐漸被發現。熊愈輝研究發現東南景天對高鎘土壤的耐受性非常強，并且具有很強的積累能力，在高鎘濃度土壤環境下，葉和莖中的鎘含量最高可達5 677和5274mg/kg。

3.2低鎘品種篩選

除土壤環境因素外，水稻的品種基因型也是影響鎘積累的重要因素之一，不同品種的水稻鎘積累能力存在明顯的差異。近年來，培育篩選低鎘積累的水稻品種一直是專家們的研究熱點。曾翔等研究結果表明，不同品種水稻的鎘含量存在顯著差異，特種稻鎘積累能力最強，而爪哇稻鎘積累能力最弱。張錫洲等以145種水稻親本材料為對象，通過水培試驗，結果表明恢復系鎘含量和積累量最大值分別為最小值的2.79倍和6.45倍，保持系分別為2.00倍和2.98倍，并獲得恢復系低鎘種質資源13種，保持系2種。通過專家們的研究和不懈努力，目前已篩選出了越路早生、武育粳3號、武育粳7號、Nipponbare等低鎘積累品種。

3.3加工降鎘

目前，關于稻米重金屬污染方面的研究主要集中水稻產前，即在土壤修復治理和低鎘積累品種水稻篩選方面研究較多，而產后稻谷加工利用以消減其中的鎘含量研究則較少。根據稻米籽粒中鎘含量的差異的機理，魏帥等的研究發現，鎘含量低于0.226mg/kg的稻谷，經過礱谷機礱谷，可獲得國標限值以下的糙米；鎘含量低于0.288 mg/kg的糙米經過碾米機（碾米精度為23.83%）碾米，可獲得國標限值以下的精米。大米浸泡也能釋放大米中的鎘，劉晶等研究發現，在浸泡時大米中的鎘會不斷遷移到浸泡液中，溫度越高，遷移得越多，最高可達達33.71%。這說明了稻米中的鎘可通過淘洗、加熱浸泡等方式遷移，達到降低鎘含量的目的。盡管以物理的方式對大米進行加工利用來降低大米中的鎘含量有一定的作用，但是這些方法所產生的效果終究有限。因此，近年來，也有人對大米進行發酵研究，傅亞平等以鎘超標精米為原料，采用乳酸菌發酵的方式脫除大米粉中的鎘，優化后的發酵工藝，大米粉中的鎘脫除率可達85.73%。此后，傅亞平再將酸液與發酵技術聯用，在最佳工藝條件下，大米粉的鎘脫除率可達98.01%。劉也嘉等以鎘超標大米為原料，采用大米發酵液進行發酵降鎘，通過工藝優化，大米降鎘率為79.24%。對大米進行發酵，主要是利用酵母菌和乳酸菌，將大米浸泡發酵后，利用微生物的活動，將大米中的蛋白質等進行分解，降低了其中蛋白質和灰分的含量，因而降低了鎘含量。

4展望

應對大米鎘污染應首重產前控制，從源頭出發，防止重金屬鎘進入耕地土壤，從不同途徑，以不同手段有效控制鎘在土壤中的有效性和水稻可遷移性，減少其進入水稻體內的途徑；同時，還應注重產后修復，以加工的手段處理大米制品，降低鎘超標風險。筆者認為，以后的研究還應從以下3個方面繼續深入：（1）鎘低積累水稻品種選育。水稻對鎘的吸收是由一段基因控制的，如何去除這段基因，減少水稻對鎘的吸收量，也許能從根本上解決水稻鎘污染問題。（2）復合型土壤調理劑開發。研究開發在不同土壤環境也能穩定降低鎘含量的產品，才能有效、高效修復土壤鎘污染。（3）加工降鎘。為保障不同來源糧食質量安全，從產后加工著手，結合稻米精深加工技術，開發出能高效降鎘的加工方法，也許能成為大米重金屬污染治理的最后一道防線。