水稻重金屬污染及其控制的研究進展

水稻重金屬污染及其控制的研究進展

現(xiàn)在，由于工業(yè)“三輛車”的排放，城市生活的廢水和垃圾以及含有重金屬的農(nóng)藥和化肥不足，農(nóng)業(yè)土壤中的重金屬含量增加，影響了中國大米的質(zhì)量安全。2002年本研究室對福建省各主要稻區(qū)進行質(zhì)量安全普查,對As、Hg、Pb、Cd的分析結(jié)果表明,各稻區(qū)稻米和土壤的重金屬污染不容樂觀,特別是Cd、Pb含量幾乎都超過國家食品安全標準。稻米是我國人民主要的糧食之一,全國60%以上的人口以稻米為主食。稻米重金屬的污染,不僅降低了其品質(zhì)和安全性,而且影響了消費者的健康水平和稻米的銷售。因此,準確測定水稻根、莖、葉及籽實中重金屬的含量,研究其在水稻各品種、各器官的分布規(guī)律及結(jié)合形態(tài),尋找籽實中重金屬可減少或消除的物理、化學(xué)的方法,為無公害稻米的生產(chǎn)提供理論依據(jù),具有重要的理論意義和實用價值。1研究中的水稻污染1.1鉛、砷、鎘水稻品種基因型差異在相同條件下,不同的水稻品種,由于吸收重金屬的生理生化機制各異,重金屬在水稻各品種之間的吸收存在顯著差異。日本學(xué)者曾以籽實鎘含量為參數(shù),對14個常規(guī)稻品種(系)進行了比較,認為水稻品種之間存在很大的耐鎘差異性。蔣彬等也發(fā)現(xiàn)水稻籽實吸收重金屬存在基因型差異,他們將來自全國不同地區(qū)的239份樣品種植在同一地區(qū),發(fā)現(xiàn)各品種鉛、砷、鎘含量存在極顯著的基因型差異,并篩選出了一系列低鉛、低砷或低鎘的品種。王凱榮等(1996)利用水培試驗對兩種基因型水稻(雜交稻“威優(yōu)1126”和常規(guī)稻“漸輻302”)在不同生長發(fā)育期對環(huán)境鎘的吸收和再分配特性進行了比較研究,發(fā)現(xiàn)雜交稻比常規(guī)稻對鎘有更強的吸收及向其莖葉和籽實轉(zhuǎn)運能力,且雜交晚稻籽粒對鉛、鎘的富集能力比早稻強。吳啟堂等(1994)采用盆栽和水培試驗研究了華南地區(qū)水稻的主要品種對鎘吸收累積的差異和引起差異的原因,結(jié)果表明,雜交稻(汕優(yōu)63、汕優(yōu)64等)產(chǎn)量較高,糙米鎘含量也較高;優(yōu)質(zhì)稻(野奧絲苗、增城絲苗、黑糯)產(chǎn)量較低,糙米重金屬含量也較低;常規(guī)稻則變幅較大,作物品種間差異可達1倍以上。這給遺傳育種帶來很大的挑戰(zhàn)。1.2cd、cu、pb的分布及存在形態(tài)同一品種的不同器官,由于外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,吸收富集重金屬的能力也不同,夏增祿發(fā)現(xiàn)Cd在水稻體內(nèi)分布為,根系∶莖葉∶糙米為80∶15∶1。王煥校經(jīng)研究認為Cd在根部積累,可能與Cd進入根的皮層細胞后和根內(nèi)蛋白質(zhì)、多肽、多糖類、核糖類、核酸等化合物形成穩(wěn)定的大分子絡(luò)合物或不溶性有機大分子而沉積下來有關(guān)。谷物中Cd主要與低分子質(zhì)量蛋白質(zhì)相結(jié)合,這類蛋白質(zhì)是金屬蛋白或植物螯合蛋白。楊居榮等采用組織化學(xué)及溶劑提取法研究了污染水稻籽實中Cd、Cu、Pb的分布及存在形態(tài),結(jié)果表明,3種金屬元素在水稻籽實各形態(tài)結(jié)構(gòu)中的含量具有明顯不均一性,胚中含量顯著高于胚乳,穎殼、皮層中含量也較高,但從單位籽實中的重金屬總量分布看,胚乳中重金屬含量占絕對優(yōu)勢。不同重金屬在水稻籽實各形態(tài)結(jié)構(gòu)中含量的順序也不一樣,Cd是皮層>胚>胚乳>穎殼;Cu和Pb是胚>皮層>胚乳>穎殼。根據(jù)籽實各形態(tài)結(jié)構(gòu)的營養(yǎng)化學(xué)成分推測,Cd、Cu、Pb以與蛋白質(zhì)相結(jié)合的形態(tài)存在為主,同時在粗纖維中也結(jié)合有一定數(shù)量的結(jié)合態(tài)。Cd、Cu、Pb在不同溶劑中的提取率的試驗結(jié)果表明,它們在谷物中主要以螯合形態(tài)存在,其中以與堿溶性蛋白質(zhì)、鹽溶性蛋白質(zhì)的結(jié)合形態(tài)為主,此外,還存在與氨基、羧基的結(jié)合態(tài)。楊居榮等在進一步研究作物籽實中Cu的結(jié)合形態(tài)時,采用連續(xù)提取法,分別用去離子水、5%NaCl、70%乙醇、0.2%NaOH溶液提取籽實中清蛋白、球蛋白、醇溶谷蛋白和谷蛋白,結(jié)果表明,水稻籽實不同類型蛋白質(zhì)中Cu的分布比例為谷蛋白>球蛋白>清蛋白>醇溶谷蛋白。Pb的分布比例為醇溶谷蛋白>球蛋白>谷蛋白>清蛋白。1.3廢水中鎘的代謝水稻受重金屬污染后,其植株處于重金屬脅迫環(huán)境中,將產(chǎn)生不同程度的傷害。根據(jù)逆境脅迫的有關(guān)理論,任何逆境都會使光合速率下降,同化物形成減少,葉綠體受傷,呼吸速率也發(fā)生變化,有關(guān)光合和呼吸的酶失活或變性,合成酶的作用下降,水解酶的作用增強,從而引起植物體內(nèi)生理生化的復(fù)雜變化。據(jù)陳平等的研究,鎘濃度在0-10mg·L-1范圍內(nèi),水稻葉片的膜脂過氧化產(chǎn)物和過氧化物酶活性隨鎘濃度升高而增強,而超氧化物岐化酶活性和過氧化氫酶活性隨鎘濃度的降低而減弱。王凱榮進行水培分期添加鎘試驗,研究了雜交水稻和常規(guī)水稻在不同生育時期對環(huán)境鎘毒害的反應(yīng),結(jié)果表明,在水稻幼穗分化之前,鎘主要降低光合生產(chǎn)力,影響植株生長;幼穗分化至抽穗期,主要抑制生殖器官分化,造成穎花敗育;抽穗期之后,鎘主要干擾體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的遷移和再分配,就對產(chǎn)量影響而言,幼穗分化至抽穗期是水稻對鎘反應(yīng)最敏感時期。2對稻米中鎘含量的影響研究表明,水稻籽實中重金屬主要來源于土壤、灌溉水、肥料、大氣、收割、翻曬和加工設(shè)備等,在一定范圍內(nèi),水稻籽實中重金屬的含量與土壤中重金屬的含量呈正相關(guān)。因此,要根本上改良水稻重金屬污染應(yīng)從治理土壤的污染開始。土壤治理的方法主要包括以鏟除和掩埋重金屬土壤為主要內(nèi)涵的物理措施、以降低土壤重金屬的生物有效性為主要內(nèi)涵的化學(xué)措施和利用植物吸收凈化土壤重金屬的生物措施。鄧波兒用盆栽方法,研究了大冶縣鎘污染土壤施用鈣鎂磷肥、草炭、粉煤灰、綠肥等改良劑抑制水稻吸收鎘的效果,結(jié)果表明,這幾種改良劑均不同程度地降低稻米鎘含量,以施鈣鎂磷肥大于1.5kg·m-2最有效,使稻米鎘含量降低77%以上,低于糧食衛(wèi)生標準,其后效維持1年以上。蔡德龍研究發(fā)現(xiàn)用煉鐵水淬渣為主要原料生產(chǎn)的硅肥,能夠抑制水稻對鎘的吸收,且糙米鎘含量相對下降92%以上,稻草鎘含量下降94%以上。水稻吸收鎘不僅決定于土壤中全Cd量,更決定于土壤中Cd的形態(tài)及有效Cd含量。張亞麗等研究發(fā)現(xiàn)有機肥料的施用明顯降低了土壤中有效性Cd的含量,其中豬糞效果優(yōu)于秸稈類。李玉紅等試驗了EDTA、擰檬酸、草酸作為調(diào)控物質(zhì)對水稻吸收Pb的影響,認為檸檬酸和草酸抑制了土壤中Pb的活化,使有效態(tài)Pb含量下降,檸檬酸使水稻籽實中的Pb含量下降53%–66%,而草酸使水稻籽食中的Pb含量下降64%–72%。施肥合理與否也會影響稻谷中重金屬的含量。張敬鎖等在研究不同形態(tài)氮素即NH4+-N,NO3--N營養(yǎng)液對水稻體內(nèi)鎘形態(tài)的影響時發(fā)現(xiàn)NH4+-N促進水稻對Cd的吸收、累積和向地上部轉(zhuǎn)移;NO3--N起抑制作用。衣純真等研究了鎘污染的水稻土上三種鉀肥,即KCl、K2SO4、KNO3對水稻在不同生育期吸收累積Cd的影響,結(jié)果表明K2SO4能顯著降低糙米中Cd含量。劉文菊等則認為營養(yǎng)介質(zhì)中的磷在一定水平上可促進水稻對鎘的吸收。利用元素間的拮抗作用可抑制植物對某些重金屬的吸收。據(jù)報道,Ca、Zn、Mn等金屬離子在植物根表面的代換點上同Cd競爭,降低植物對Cd的吸收。廖寶涼等也發(fā)現(xiàn)當(dāng)硒(Na2SeO3)的濃度小于10-6時,硒能拮抗砷的毒性。由于重金屬在稻谷中分布不均勻,通過脫殼、磨精、拋光等加工過程除掉含重金屬較多的胚、皮層和穎殼等,得到的食用大米中重金屬含量相對稻谷低,查燕等的研究也證實籽實中重金屬的含量隨加工程度的升級而降低,從稻谷到精米,Pb、Cu、Cd的去除率分別是56.93%、41.00%、24.10%。栽培技術(shù)也會影響稻米中重金屬含量。研究表明,淹水栽培可以顯著地降低水稻糙米中的鎘含量,因為淹水使土壤處于還原狀態(tài),從而保證Cd變成無機鹽沉淀和低有效狀態(tài)。壟栽能使砷毒田的水稻增產(chǎn)。3問題和視角3.1對重金屬的遷移、累積規(guī)律研究較少就目前關(guān)于水稻重金屬污染研究來看,重金屬在水稻的根、莖、葉、籽實中吸收、遷移、累積還只是停留在比較研究的階段,從分子遺傳學(xué)的角度對重金屬的吸收、遷移、累積規(guī)律研究較少。對單一污染研究較多,對復(fù)合污染研究較少。就控制機理研究來看,單一控制方法研究較多,綜合控制方法研究較少。3.2對重金屬的分析檢測技術(shù)稻米中重金屬的結(jié)合形態(tài),目前還沒有十分成熟的研究方法。建立可靠的分析方