水稻鎘積累及鎘消除技術研究進展

文/陳世金 談恩培 祖艷紅 陳 軍 汪業梅 盛 燕 張 霞 黃穎[安徽省科技成果轉化促進中心（安徽省科學技術研究院）]

鎘（Cd）作為人體非必需元素，屬致癌物，長期攝入會損害心血管、胃腸道、肝、腎、骨骼、神經等，對人民健康造成嚴重威脅。水稻作為我國主要糧食作物，自進入21 世紀以來其鎘污染一直被廣泛關注報道。根據《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的規定，大米中的鎘限量為0.2 mg/kg。

一、水稻植株中鎘的來源

按鎘元素進入水稻的方式，可將水稻鎘污染的來源分為兩種：大氣中含有鎘的浮塵沉降至水稻葉片表面，通過葉片進入水稻體內；土壤中的鎘被水稻根部吸收進入植株體內。

1.大氣污染源

大氣中鎘主要來自工業煙氣，如金屬冶煉廠、火力發電廠等工廠排放的廢氣，以及汽車尾氣、燃煤、輪胎磨損等。

2.土壤污染源

土壤中鎘的來源主要分為自然來源和人為污染，后者為主要來源。自然來源是指在自然界各種非人類活動長期作用地表導致的鎘污染，如巖石風化、大氣活動、水活動，以及動植物和微生物活動等。人為污染主要包括大氣沉降、污水灌溉、施用化肥或污泥肥料、采礦冶煉、工業廢棄物或生活垃圾堆積等。大氣中的鎘會通過重力沉降和雨淋沉降進入土壤；污水灌溉會使金屬鎘隨著污水進入到耕地中；長期使用含鎘肥料會使耕地中鎘嚴重超標，污染糧食作物；礦山開采冶煉、礦渣堆放以及礦山排水等可能會導致鎘直接污染土壤；工業和生活垃圾也含有大量鎘，這些物質的長期隨意堆積會使得鎘污染以廢棄物為中心，向周圍土壤緩慢擴散。

二、鎘在水稻內部的轉運和富集

相對于一般植物，水稻的根部對于鎘有更強的富集能力。這是由于一方面水稻具有纖維根系，根的表面積較大，進而增加了對土壤中鎘的吸收率；另一方面水稻作為一種半水生植物，其根部表面會形成鐵氧化物膠膜，同樣會促進對鎘的吸收。鎘隨著水分和無機鹽通過共質體和質外體途徑穿過根部皮層進入木質部后，大部分在皮層細胞間沉積，少部分抵達中柱后受根壓和葉片蒸騰作用的驅動轉移到地上部分。受蒸騰速率影響，鎘通過木質部被傳輸到蒸騰速率高的葉片。發育中的籽粒需要大量的營養物質，此時水稻的維管束節也會參與元素的分配和定向運輸，鎘也因此一同被傳輸至籽粒部位。研究表明，鎘含量在水稻植株內的分布為：根＞莖＞葉＞籽粒[1]。

三、水稻和大米鎘消除技術

降低和消除水稻和大米中鎘含量通常從兩方面著手，一是降低土壤環境中的鎘含量，從源頭上減少鎘的供給；二是通過一些措施直接減少大米中鎘含量，使其低于食品限量標準。

1.向土壤中添加鈍化劑

土壤中最容易被水稻吸收的鎘的形態為離子交換態和碳酸鹽結合態。土壤鈍化劑的作用機理主要是通過將土壤中這兩種形態的鎘轉化為其他不易被水稻吸收的形態的鎘來降低水稻對鎘的吸收。

向鎘脅迫土壤中添加水溶性有機質，可降低土中有效態鎘含量，同時還能抑制水稻根系對鎘的吸收，達到抑制稻米鎘累積的目的。辜嬌峰[2]研發了一種由羥基磷灰石、沸石和改性秸稈炭組成的組培改良劑，基施可有效降低生育期水稻各部位中的鎘含量。陳德[3]發現在酸性土壤中施用生物質炭，可有效降低水稻植株內的鎘。

2.調節改善土壤pH

水稻為喜酸性植物，一般情況下稻田土壤呈弱酸性，鎘活性較強。為了保證稻米產量與鎘含量不超標，陳楠[4]通過構建土壤pH 與糙米中鎘含量和產量方程，計算出早稻最佳土壤pH 區間為6.49～7.34，晚稻最佳土壤pH 區間為5.17～7.68。故在不影響水稻生長的情況下，使用石灰調節土壤pH，將酸性土壤改良至中性或弱堿性，可能會降低稻米中的鎘含量。

3.施用葉面肥

近年來以葉面阻控劑來治理水稻鎘污染的方法日趨成熟，這種防治方式更為直接，且產生二次污染的可能性較小。此方法主要是通過向水稻葉面噴灑阻控肥來抑制水稻對土壤中鎘的吸收。已有報道的葉面肥有硅肥[5]、硫肥[6]、錳肥[7]等。

4.施用微量元素肥料

基施硅肥和硒肥能夠促進水稻合成更多的維生素C 和谷胱甘肽來提高對鎘的耐受性，維持幼苗根系活力，降低鎘脅迫傷害。硒肥能降低水稻各部位的鎘含量，并能顯著降低精米中鎘的分配比例，保證稻米的食用安全性[8]。錳肥能顯著抑制鎘進入根系和葉片的流速，錳與鎘產生顯著的拮抗作用。

5.合理施用營養肥料

根施鈣鎂磷肥不僅可以促進水稻根系發育，而且在根際環境中提高磷酸鹽濃度，可以有效抑制水稻根部對鎘的吸收及轉運。

6.施用生物有機肥

生物有機肥尤其是微生物有機肥作為土壤鎘污染治理劑已經成為稻田鎘污染研究的一大熱點。沙雷菌[9]、枯草芽孢桿菌[10]、YM 菌[11]等生物有機肥菌已被報道對土壤鎘污染產生一定的防治作用，能有效降低土壤中鎘含量。

7.選育鎘低積累型水稻品種

不同秈稻品種間稻米鎘含量存在顯著差異，秈米、糯米和粳米之間鎘積累也存在差異，因此可通過改良水稻基因，選育鎘低積累型水稻品種，改善稻米的品質。

8.改變田間管理方式

水稻生長期進行淹水灌溉時，各器官鎘含量較其他時期都更低。稻田長期淹水條件下一些金屬離子與Cd2+的競爭吸附作用增強，同時S2-和Cd2+發生共沉淀，使得土壤中生物利用性鎘濃度降低，并且還會降低水稻根表鐵膜對鎘的吸附固定量。因此，不同田間水分管理方式會影響水稻對鎘的積累，可通過科學調控稻田水分來降低水稻鎘污染。

9.微生物脫除

此類方法主要是以鎘大米為研究對象，在適當的工藝條件下利用微生物發酵來脫除大米中的鎘，以符合食品限量標準。脫除原理是大米中的鎘主要以蛋白質螯合形態存在，而發酵有利于蛋白質的溶出，借此可降低大米中鎘的含量。目前用于大米發酵降鎘的微生物有枯草芽孢桿菌[12]、酵母菌[13]、乳酸菌[14]等。

10.大米加工

稻米加工工序主要為礱谷和碾米。礱谷即脫殼，指利用擠壓、撞擊、端壓等方式脫除稻米表面穎殼獲得糙米的加工工序。碾米即糙米碾白，指剝離糙米籽粒皮層、胚和胚乳以提供其食用品質及貯藏性的加工工序。此外，大米加工還有水洗浸泡和蒸煮等方式。大米中鎘含量受加工工藝影響較大。大米浸泡過程中所含的鎘會遷移到浸泡液中，從而降低大米本身鎘含量。趙美鳳等[15]發現糙米通過碾白制成精米后，鎘含量下降了14.25%。魏帥等[16]通過試驗后發現鎘含量低于0.226 mg/kg 的稻谷通過礱谷后能獲得鎘含量達標的糙米，鎘含量低于0.288 mg/kg 的糙米通過碾米后可獲得鎘含量達標的大米。何瑞等[17]的研究也表明隨著糙米碾磨時間的延長，稻谷中鎘含量呈下降趨勢，所以可通過適當提高加工精度來降低大米的鎘含量。

四、結語

隨著近年來工業化的飛速發展，稻田及水稻鎘污染愈發嚴重，關系到人民身體健康的糧食污染問題也越來越受到社會的廣泛重視。上述水稻和大米鎘消除技術只是筆者整理總結出的部分鎘污染防治措施，有一些還停留在理論研究階段，還需要不斷全面深入研究，以期用科學方法改善糧食鎘污染現狀。［本文系2021 安徽省重點研發與開發計劃面上攻關項目“安徽主產區稻米中典型重金屬污染物的遷移規律與風險控制研究及應用”（項目編號：202104a07020008）、2020 年度安徽省科技廳直屬單位科技服務能力建設專項項目“安徽省科學技術研究院科技創新與服務能力提升”、2021 年度安徽省科技廳直屬單位科技服務能力建設專項項目“安徽省科技成果轉化與科技創新服務能力建設”（項目編號：202106b03020004）的研究成果之一。 ］