水稻重金屬鎘污染研究綜述

1、水稻重金屬鎘污染研究綜述鎘（Cadmium，Cd）是一種毒性極強(qiáng)的重金屬元素，也是人體和植物非必需元素。Cd由于其在環(huán)境中具有很強(qiáng)的遷移轉(zhuǎn)化特性及對人體的高度危害性而被列為國家重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)關(guān)注的5大重金屬污染元素之一（孫聰，2014）。鎘通過食物鏈進(jìn)入人體后，會對人體腎、肺、肝、睪丸、腦、骨骼及血液系統(tǒng)等產(chǎn)生損傷，造成急性或慢性中毒，甚至癌變。鎘過量會抑制植物的生長。水稻是中國第一大糧食作物，全國約有65%人口以稻米為主食，稻米的安全品質(zhì)與人類健康密切相關(guān)，目前水稻生產(chǎn)正受到鎘污染土壤的嚴(yán)重威脅（孟桂元，2015）。與其它重金屬元素相比，鎘（Cd）對水稻顯示出更大的毒性

2、，鎘的活性較強(qiáng)，容易被水稻吸收和富集，可以在不影響水稻正常生長的情況下積累較高含量的鎘，重金屬Cd通過灌溉在土壤中累積，且主要累積在020cm表層土壤（姜國輝，2012），經(jīng)過根、莖、葉的吸收，最終遷移到稻米中，直接影響人類的健康。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國受鎘污染的農(nóng)田面積已超過20萬hm2，每年生產(chǎn)鎘含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品達(dá)14.6億kg（楊雙，2015），由于重金屬污染導(dǎo)致的糧食每年減產(chǎn)1000多萬t，受污染糧食多達(dá)1200多萬t，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200多億元。如在湖南安化縣境內(nèi)的某鈾礦區(qū)，每年因污灌帶入農(nóng)田的鎘達(dá)2-3kg/hm2，使近40km2的農(nóng)田受到不同程度污染。嚴(yán)重危害了廣大人民群眾的身體健康（賀

3、慧，2014）。目前土壤鎘污染問題已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一（李啟權(quán)，2014）。國內(nèi)、外關(guān)于土壤Cd污染對水稻的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了大量的研究，主要集中在不同水稻對Cd的富集機(jī)理、Cd在土壤-水稻系統(tǒng)遷移轉(zhuǎn)化的根際過程及分子機(jī)理與遺傳規(guī)律、Cd誘導(dǎo)脅迫的生理生化特征及Cd污染土壤的生態(tài)修復(fù)等。1、不同水稻對Cd的富集機(jī)理大量研究表明，由于遺傳特性的不同，水稻對鎘的吸收存在著很大差異，這種差異不僅表現(xiàn)在水稻的不同類型之間，也表現(xiàn)在不同品種之間。李坤權(quán)等研究表明，水稻糙米中的鎘濃度與水稻類型有關(guān)，即秈型新株型粳型（李坤權(quán)，2003）。李正文等采用田間試驗(yàn)的方法，研究了江蘇省目前栽種的57個(gè)水稻品種

4、，揭示了雜交稻Cd吸收極顯著高于常規(guī)稻（李正文，2003）。徐燕玲等認(rèn)為，在低污染水平土壤上，水稻對Cd的累積品種間存在一定的穩(wěn)定性，而水稻類型間Cd含量沒有顯著差異，因此按照水稻類型來篩選是不可行的，應(yīng)針對品種來篩選并對篩選出來的穩(wěn)定的品種進(jìn)行重點(diǎn)研究（徐燕玲，2009）。孫聰研究發(fā)現(xiàn)，不同水稻品種對土壤中Cd毒性脅迫有顯著性差異，雖然Cd屬于非必需元素，但不同水稻品種對低劑量Cd表現(xiàn)出不同的刺激效應(yīng)。經(jīng)過Burr-III模型的計(jì)算得到基于保護(hù)95%水稻品種的土壤中Cd50%抑制濃度值（HC550%）為4.93mg·kg-1（孫聰，2014）。孟桂元以湘中地區(qū)主要栽培的26個(gè)水稻品

5、種為材料，研究了鎘脅迫(0.5mmol/L)對不同水稻品種種子萌發(fā)及根芽生長的影響。結(jié)果表明，鎘脅迫對水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，對種子活力指數(shù)及根芽生長具有顯著影響;鎘脅迫對根的抑制作用明顯大于對芽的抑制。不同品種對鎘脅迫的耐性存在較大差異（孟桂元，2015）。劉侯俊研究東北地區(qū)水稻生長、籽粒產(chǎn)量和Cd在水稻植株不同部位的分配規(guī)律。結(jié)果表明，土壤中添加Cd后，多數(shù)水稻籽粒產(chǎn)量和植株總生物量下降，只有少數(shù)品種籽粒產(chǎn)量和生物量有所上升。Cd在水稻植株中的含量遵循根系>莖葉>穎殼>籽粒的規(guī)律（劉侯俊，2011）。張錫洲比較水稻親本材料的鎘耐性差異,篩選鎘低積累水稻種質(zhì)資

6、源,為水稻鎘安全品種(Cd-safecultivars,CSCs)的培育提供遺傳材料（張錫洲，2013）。2、Cd在土壤-水稻系統(tǒng)遷移轉(zhuǎn)化的根際過程及分子機(jī)理與遺傳規(guī)律土壤中的重金屬鎘首先被根系吸收，再經(jīng)木質(zhì)部裝載向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，并在各組織中沉積。籽粒的大部分鎘來自于此，還有少部分則經(jīng)劍葉的“再活化”后由韌皮部運(yùn)至穎果。水稻籽粒富集鎘的基本過程是：(1)根系吸收和在木質(zhì)部進(jìn)行加載，完成根系對鎘的吸收和由根系到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn);(2)莖節(jié)中微管間的定向轉(zhuǎn)運(yùn)分配，完成鎘在地上部運(yùn)輸?shù)亩ㄏ蜣D(zhuǎn)運(yùn);(3)葉片中的鎘通過韌皮部的再轉(zhuǎn)移（王凱，2014）。肖美秀通過盆栽實(shí)驗(yàn)研究了鎘在水稻體內(nèi)的分配規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Cd在

7、水稻體內(nèi)各器官的分配規(guī)律是:根>>莖>鞘>葉>稻米。水稻品種的鎘耐性與其吸收鎘相對較少或向地上部運(yùn)輸比例較低有關(guān)（肖美秀，2006）。相對于根系對鎘的活化和吸收過程，木質(zhì)部的裝載和運(yùn)輸作用被認(rèn)為是水稻根系、莖鞘和籽粒鎘積累量的決定因素，而韌皮部的輸入則對糙米中鎘含量起到支配作用。水稻對鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的特殊生理模式，決定了水稻各部位中鎘含量的基本分布規(guī)律是根系莖葉籽粒，其中根系中的鎘含量是莖葉中的100倍，糙米中的1000倍（朱智偉，2014）。王曉娟揭示了Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)途徑及其調(diào)控機(jī)制，Cd2+通過共質(zhì)體和質(zhì)外體途徑穿過根部皮層進(jìn)入木質(zhì)部的過程中，大部分在皮層細(xì)

8、胞間沉積，少部分抵達(dá)中柱后轉(zhuǎn)移到地上部分（王曉娟，2015）。李彬盆栽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四種鐵鹽處理均能影響土壤砷銻鎘的形態(tài)轉(zhuǎn)化（李彬，2014）。張紅振采用多元回歸模型的方法，基于土壤鎘含量和土壤pH預(yù)測作物可食部分鎘含量，結(jié)果表明回歸模型對作物可食部分鎘含量的預(yù)測效果明顯優(yōu)于富集系數(shù)中位值;回歸模型95%預(yù)測上限對作物可食部分鎘含量的保守預(yù)測優(yōu)于富集系數(shù)90分位值，土壤pH顯著影響作物對鎘的吸收（張紅振，2010）。于輝的研究中發(fā)現(xiàn)，水稻對鎘的積累具有基因型依賴，隨著營養(yǎng)液中鎘濃度的升高,水稻根和葉亞細(xì)胞鎘含量顯著上升,大部分鎘積累在細(xì)胞壁(F)和細(xì)胞可溶部分(F).高鎘積累品種“珍桂矮”根和

9、葉中可溶部分鎘含量顯著高于低鎘積累品種“廣源占No.3“（于輝，2008）。胡林飛研究發(fā)現(xiàn)不同基因型水稻根際分泌物對供鐵水平的響應(yīng)差異與植株對鎘的吸收有一定關(guān)系。在缺鐵處理中，水稻根系有機(jī)酸分泌的量較供鐵處理都有顯著的增加，植株對重金屬鎘的積累量也較供鐵處理有顯著的增加，但地上部分和根部干重較供鐵處理有所下降（胡林飛，2012）。日本岡山大學(xué)使得存在于水稻根的外皮以及植株中心部位的“Nramp5”基因不發(fā)揮作用，然后把水稻種植到受鎘污染的土壤中。收獲的稻谷中鎘的含量不到普通水稻的十分之一（劉艷芳，2012）。3、Cd誘導(dǎo)脅迫的生理生化特征姜國輝通過桶栽土培水稻試驗(yàn)研究不同濃度鎘水灌溉對土壤及水

10、稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，重金屬主要累積在土層，灌溉水中的重金屬的濃度應(yīng)該控制在以下（姜國輝，2012）。張國君揭示了水稻鈣調(diào)蛋白調(diào)控鎘耐性的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)水稻的互作蛋白在鎘脅迫下能夠使鈣調(diào)蛋白保持活性且表達(dá)量上調(diào)，從而表現(xiàn)出對鎘的耐性（張國君，2013）。熊維亮發(fā)現(xiàn)高濃度的鎘對根的生長具有強(qiáng)烈的抑制作用，高濃度的鎘對水稻根的平均直徑也有較大的影響（熊維亮，2010）。在鎘脅迫下水稻品種汕優(yōu)63和日本晴表現(xiàn)出不同的耐受能力，但隨著脅迫時(shí)間的延長，根系鎘積累量均表現(xiàn)降低的趨勢。鎘脅迫影響水稻根系能量代謝類蛋白質(zhì)、物質(zhì)合成和運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)及抗逆蛋白質(zhì)的差異表達(dá)，從而將細(xì)胞的重金屬鎘排除（張文鳳，2

11、012）。肖清鐵探討水稻根系對鎘脅迫的分子生理響應(yīng)，結(jié)果表明，在鎘脅迫下水稻PI312777和I24根系有18個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)生了差異表達(dá)，其中的12個(gè)得到MALDI-TOF/MS鑒定（肖清鐵，2015）。龍小林采用盆栽試驗(yàn)研究了鎘脅迫下，秈稻（）和粳稻（粳）在不同生育期對重金屬鎘的吸收和積累及其鎘的分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律，結(jié)果表明，鎘由水稻根部向地上部轉(zhuǎn)移能力表現(xiàn)為分蘗期成熟期。鎘在植株內(nèi)分配表現(xiàn)為根莖葉糙米谷殼，根是水稻吸收和積累鎘的主要器官（龍小林，2014）。江巧君以鎮(zhèn)稻88和優(yōu)107兩個(gè)不同基因型水稻為材料，采用兩年盆栽試驗(yàn)方法，研究了有機(jī)肥對水稻鎘吸收及分配的影響。結(jié)果顯示：鎘脅迫（3.0mg&

12、#183;kg-1）下，水稻各器官的鎘含量以及根系鎘分配比例增加，穗的鎘分配比例減少。有機(jī)肥對不加鎘處理的營養(yǎng)器官鎘含量沒有顯著影響，籽粒鎘含量略降低，但影響不顯著（江巧君，2013）。4、Cd污染土壤的修復(fù)手段戴佰林研究發(fā)現(xiàn)采用新工藝對重金屬污染稻谷中Cd含量具有良好的減量效果，普遍可使稻谷中重金屬Cd含量降低50%左右，其中最高值可達(dá)63.59%（戴佰林，2015）。楊雙研究發(fā)現(xiàn)預(yù)處理對稻稈中的鎘含量沒有顯著影響；預(yù)處理后稻稈殘?jiān)墟k含量降低了以上，說明具有去除稻稈中鎘的作用（楊雙，2015）。賈樂研究了秸稈還田對鎘污染農(nóng)田土壤中鎘生物有效性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)秸稈還田顯著提高了2種鎘污染土壤

13、的pH值。鎘污染水稻土上還田玉米和菜豆秸稈顯著提高了土壤中醋酸銨提取態(tài)鎘和DTPA提取態(tài)鎘含量（賈樂，2010）。李劍睿發(fā)現(xiàn)與常規(guī)管理、濕潤灌溉處理相比，長期淹水處理的稻米鎘含量分別降低了37.9%和52.6%；不同施加劑量的坡縷石、腐殖酸處理均顯著降低了土壤有效態(tài)鎘含量，稻谷生物量不同程度增加，稻米鎘含量顯著下降，合理的農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)措施聯(lián)合土壤鈍化處理，可使稻米鎘含量降至國家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)0.2mg·kg-1以下（李劍睿，2015）。為了解決鎘超標(biāo)精米的利用問題，傅亞平研究得出發(fā)酵溫度40.8、發(fā)酵時(shí)間23.4h、接種量3%。在此條件下，大米粉中鎘的脫除率達(dá)85.73%，在發(fā)酵

14、后的大米粉中，鎘的殘留量為0.0925mg/kg，低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)(0.2mg/kg)（傅亞平，2015）。張振宇發(fā)現(xiàn)生物炭施用于土壤后，不但可以通過抑制鎘的運(yùn)輸量來涫減水稻鎘庫器官糙米對鎘的積累，還可以通過相對增加水稻籽粒鎘庫的容量進(jìn)而使籽粒中鎘含量下降（張振宇，2013）。代允超發(fā)現(xiàn)在對鎘污染的酸性土壤改良上，石灰好于有機(jī)質(zhì)，而對鎘污染的中性和堿性土壤改良上，有機(jī)質(zhì)則好于石灰（代允超，2014）。為獲得稻田土壤鎘污染修復(fù)的微生物,周麗英采用培養(yǎng)基加鎘平板法,從水稻根際土壤分離耐鎘細(xì)菌。分離得到的3株菌株具有較強(qiáng)鎘耐性和鎘吸收能力,將為稻田土壤重金屬鎘污染的修復(fù)提供重要微生物資源（周麗英，2

15、012）。于玲玲通過田間試驗(yàn)，利用不同吸鎘特性的油菜與水稻輪作，研究表明：在鎘污染農(nóng)田土壤上，2個(gè)不同吸鎘特性的油菜品種籽粒的產(chǎn)量沒有顯著性差異，通過品種篩選可以實(shí)現(xiàn)鎘污染農(nóng)田土壤的作物安全生產(chǎn)（于玲玲，2014）。另外，還有學(xué)者研究了土壤中鎘對人體的影響，如崔巖山研究發(fā)現(xiàn)通過口部無意攝入土壤中鎘的對人體并沒有很高的風(fēng)險(xiǎn).但當(dāng)土壤中鎘含量較高,同時(shí)其具有很高的生物可給性,就會對人體健康產(chǎn)生很大的風(fēng)險(xiǎn)（崔巖山，2010）。一些學(xué)者研究了鎘的來源和分布特征，如李啟權(quán)對成都平原崇州市平原區(qū)農(nóng)地土壤鎘含量特征及來源進(jìn)行分析,結(jié)果表明，研究區(qū)土壤鎘含量在0.160.77mg·kg-1之間，平均

16、為0.33mg·kg-1，高出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)10%。研究區(qū)土壤鎘總體上處于中等程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)尚處于可接受的范圍（李啟權(quán)，2014）。趙曉軍通過對國內(nèi)外土壤重金屬鎘標(biāo)準(zhǔn)限值和我國土壤鎘背景值的研究，給出了全國各省級行政區(qū)域土壤表層鎘背景含量范圍值和部分土壤類型鎘背景含量范圍值（趙曉軍，2014）。在鎘污染的歷史重建上，趙傳冬采用河漫灘沉積物分層采樣技術(shù)和同位素測年技術(shù),初步恢復(fù)了研究區(qū)Cd等重金屬元素沉積和污染的地球化學(xué)歷史,對研究區(qū)Cd等重金屬元素異常的未來演變趨勢進(jìn)行了預(yù)警預(yù)測（趙傳冬，2008）。參考文獻(xiàn)1孫聰, 陳世寶, 宋文恩,等. 不同品種水

17、稻對土壤中鎘的富集特征及敏感性分布(SSD)J. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(12):2384-2394.2孟桂元, 唐婷, 周靜,等. 不同水稻品種種子萌發(fā)及根芽生長的耐鎘性差異研究J. 雜交水稻, 2015, 30(5):65-69.3姜國輝, 周雪梅, 李玉清,等. 不同濃度鎘水灌溉對土壤及水稻品質(zhì)的影響J. 水土保持學(xué)報(bào), 2012, 26(5):264-267.4楊雙, 張長波, 王景安,等. 富鎘水稻秸稈纖維素酶解效率的研究J. 化學(xué)與生物工程, 2015(6):28-31.5賀慧, 陳燦, 鄭華斌,等. 不同基因型水稻鎘吸收差異及鎘對水稻的影響研究進(jìn)展J. 作物研究, 20

18、14(2):211-215.6李啟權(quán), 張少堯, 代天飛,等. 成都平原農(nóng)地土壤鎘含量特征及來源研究J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(5):898-906.7李坤權(quán), 劉建國, 陸小龍, 等. 水稻不同品種對鎘吸收及其分配的差異J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 22（5）：529-532.8李正文, 張艷玲, 潘根興, 等. 不同水稻品種籽粒 Cd、Cu 和 Se 的含量差異及其人類膳食攝取風(fēng)險(xiǎn)J. 環(huán)境科學(xué), 2003, 24（3）：112-115.9徐燕玲, 陳能場, 徐勝光, 等. 低鎘累積水稻品種的篩選方法研究: 品種與類型J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28（7）

19、：1346-1352.10劉侯俊, 梁吉哲, 韓曉日,等. 東北地區(qū)不同水稻品種對Cd的累積特性研究J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(2):220-227.11張錫洲, 張洪江, 李廷軒,等. 水稻鎘耐性差異及鎘低積累種質(zhì)資源的篩選J. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(11):1434-1440.12王凱, 徐世龍, 楊遠(yuǎn)柱. 水稻鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理研究進(jìn)展C/ 湖南省農(nóng)學(xué)會農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染治理科學(xué)論壇. 2014:926-930.13朱智偉, 陳銘學(xué), 牟仁祥,等. 水稻鎘代謝與控制研究進(jìn)展J. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(18):3633-3640.14肖美秀, 林文雄

20、, 陳祥旭,等. 鎘在水稻體內(nèi)的分配規(guī)律與水稻鎘耐性的關(guān)系J. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2006, 22(2):379-381.15王曉娟, 王文斌, 楊龍,等. 重金屬鎘(Cd)在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑及其調(diào)控機(jī)制J. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015(23):7921-7929.16李彬. 鐵鹽影響水稻土砷銻鎘形態(tài)及有效性的化學(xué)機(jī)制研究D. 廣西大學(xué), 2014.17張紅振, 駱永明, 章海波,等. 土壤環(huán)境質(zhì)量指導(dǎo)值與標(biāo)準(zhǔn)研究 .鎘在土壤-作物系統(tǒng)中的富集規(guī)律與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全J. 土壤學(xué)報(bào), 2010(4):628-638.18于輝, 楊中藝, 楊知建,等. 不同類型鎘積累水稻細(xì)胞鎘化學(xué)形態(tài)及亞細(xì)胞和分子分布J

21、. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19(10):2221-2226.19胡林飛. 兩種基因型水稻根際微域中重金屬鎘形態(tài)差異及其有效性研究D. 浙江大學(xué), 2012.20劉艷芳. 日本培育出幾乎不吸收鎘的水稻J. 福建農(nóng)業(yè), 2012(3):42-42.21姜國輝, 周雪梅, 李玉清,等. 不同濃度鎘水灌溉對土壤及水稻品質(zhì)的影響J. 水土保持學(xué)報(bào), 2012, 26(5):264-267.22張國君. 水稻鈣調(diào)蛋白對鎘脅迫的分子響應(yīng)D. 福建農(nóng)林大學(xué), 2013.23熊維亮. 鎘對水稻材料根邊緣細(xì)胞的影響及其在根、芽細(xì)胞壁上的分布D. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010.24張文鳳. 鎘脅迫下水稻根系GST蛋白質(zhì)互作及差異表達(dá)蛋白質(zhì)的分析D. 福建農(nóng)林大學(xué), 2012.25肖清鐵, 王經(jīng)源, 鄭新宇,等. 水稻根系響應(yīng)鎘脅迫的蛋白質(zhì)差異表達(dá)J. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(24):8276-8283.26龍小林, 向珣朝, 徐艷芳,等. 鎘脅迫下秈稻和粳稻對鎘的吸收、轉(zhuǎn)移和分配研究J. 中國水稻科學(xué), 2014, 28(2):177-184.27江巧君, 周琴, 韓亮亮,等. 有機(jī)肥對鎘脅迫下不同基因型水稻鎘吸收和分配的影響J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 32(1):9-14.28戴佰林. 重金屬污染水稻中鎘的減量化控制技術(shù)研究D. 湖南工業(yè)大學(xué), 2015.