水稻镉积累及镉消除技术研究进展_陈世金.pdf

安徽科技2023 年 1 月第 1 期镉（Cd）作为人体非必需元素，属致癌物，长期摄入会损害心血管、胃肠道、肝、肾、骨骼、神经等，对人民健康造成严重威胁。水稻作为我国主要粮食作物，自进入 21 世纪以来其镉污染一直被广泛关注报道。根据食品安全国家标准食品中污染物限量（GB27622017）的规定，大米中的镉限量为 0.2 mg/kg。一、水稻植株中镉的来源按镉元素进入水稻的方式，可将水稻镉污染的来源分为两种：大气中含有镉的浮尘沉降至水稻叶片表面，通过叶片进入水稻体内；土壤中的镉被水稻根部吸收进入植株体内。1.大气污染源大气中镉主要来自工业烟气，如金属冶炼厂、火力发电厂等工厂排放的废气，以及汽车尾气、燃煤、轮胎磨损等。2.土壤污染源土壤中镉的来源主要分为自然来源和人为污染，后者为主要来源。自然来源是指在自然界各种非人类活动长期作用地表导致的镉污染，如岩石风化、大气活动、水活动，以及动植物和微生物活动等。人为污染主要包括大气沉降、污水灌溉、施用化肥或污泥肥料、采矿冶炼、工业废弃物或生活垃圾堆积等。大气中的镉会通过重力沉降和雨淋沉降进入土壤；污水灌溉会使金属镉随着污水进入到耕地中；长期使用含镉肥料会使耕地中镉严重超标，污染粮食作物；矿山开采冶炼、矿渣堆放以及矿山排水等可能会导致镉直接污染土壤；工业和生活垃圾也含有大量镉，这些物质的长期随意堆积会使得镉污染以废弃物为中心，向周围土壤缓慢扩散。二、镉在水稻内部的转运和富集相对于一般植物，水稻的根部对于镉有更强的富集能力。这是由于一方面水稻具有纤维根系，根的表面积较大，进而增加了对土壤中镉的吸收率；另一方面水稻作为一种半水生植物，其根部表面会形成铁氧化物胶膜，同样会促进对镉的吸收。镉随着水分和无机盐通过共质体和质外体途径穿过根部皮层进入木质部后，大部分在皮层细胞间沉积，少部分抵达中柱后受根压和叶片蒸腾作用的驱动转移到地上部分。受蒸腾速率影响，镉通过木质部被传输到蒸腾速率高的叶片。发育中的籽粒需要大量的营养物质，此时水稻水稻镉积累及镉消除技术研究进展文/陈世金谈恩培祖艳红陈军汪业梅盛燕张霞黄颖安徽省科技成果转化促进中心（安徽省科学技术研究院）摘要：环境重金属污染带来的稻米镉污染已经成为影响我国人民身体健康和稻米行业可持续发展的重要风险因素。本文通过探讨镉在水稻植株内的转运及富集机制，结合近年来对大米镉消除技术的各项研究，总结了大米镉污染治理的主要控制技术，为大米镉污染防治提供依据。关键词：水稻；大米；镉污染；镉消除 交流探讨安徽科技2023 年 1 月第 1 期51安徽科技2023 年 1 月第 1 期的维管束节也会参与元素的分配和定向运输，镉也因此一同被传输至籽粒部位。研究表明，镉含量在水稻植株内的分布为：根 茎 叶 籽粒1。三、水稻和大米镉消除技术降低和消除水稻和大米中镉含量通常从两方面着手，一是降低土壤环境中的镉含量，从源头上减少镉的供给；二是通过一些措施直接减少大米中镉含量，使其低于食品限量标准。1.向土壤中添加钝化剂土壤中最容易被水稻吸收的镉的形态为离子交换态和碳酸盐结合态。土壤钝化剂的作用机理主要是通过将土壤中这两种形态的镉转化为其他不易被水稻吸收的形态的镉来降低水稻对镉的吸收。向镉胁迫土壤中添加水溶性有机质，可降低土中有效态镉含量，同时还能抑制水稻根系对镉的吸收，达到抑制稻米镉累积的目的。辜娇峰2研发了一种由羟基磷灰石、沸石和改性秸秆炭组成的组培改良剂，基施可有效降低生育期水稻各部位中的镉含量。陈德3发现在酸性土壤中施用生物质炭，可有效降低水稻植株内的镉。2.调节改善土壤pH水稻为喜酸性植物，一般情况下稻田土壤呈弱酸性，镉活性较强。为了保证稻米产量与镉含量不超标，陈楠4通过构建土壤 pH 与糙米中镉含量和产量方程，计算出早稻最佳土壤 pH 区间为 6.497.34，晚稻最佳土壤 pH 区间为 5.177.68。故在不影响水稻生长的情况下，使用石灰调节土壤 pH，将酸性土壤改良至中性或弱碱性，可能会降低稻米中的镉含量。3.施用叶面肥近年来以叶面阻控剂来治理水稻镉污染的方法日趋成熟，这种防治方式更为直接，且产生二次污染的可能性较小。此方法主要是通过向水稻叶面喷洒阻控肥来抑制水稻对土壤中镉的吸收。已有报道的叶面肥有硅肥5、硫肥6、锰肥7等。4.施用微量元素肥料基施硅肥和硒肥能够促进水稻合成更多的维生素 C 和谷胱甘肽来提高对镉的耐受性，维持幼苗根系活力，降低镉胁迫伤害。硒肥能降低水稻各部位的镉含量，并能显著降低精米中镉的分配比例，保证稻米的食用安全性8。锰肥能显著抑制镉进入根系和叶片的流速，锰与镉产生显著的拮抗作用。5.合理施用营养肥料根施钙镁磷肥不仅可以促进水稻根系发育，而且在根际环境中提高磷酸盐浓度，可以有效抑制水稻根部对镉的吸收及转运。6.施用生物有机肥生物有机肥尤其是微生物有机肥作为土壤镉污染治理剂已经成为稻田镉污染研究的一大热点。沙雷菌9、枯草芽孢杆菌10、YM 菌11等生物有机肥菌已被报道对土壤镉污染产生一定的防治作用，能有效降低土壤中镉含量。7.选育镉低积累型水稻品种不同籼稻品种间稻米镉含量存在显著差异，籼米、糯米和粳米之间镉积累也存在差异，因此可通过改良水稻基因，选育镉低积累型水稻品种，改善稻米的品质。8.改变田间管理方式水稻生长期进行淹水灌溉时，各器官镉含量较其他时期都更低。稻田长期淹水条件下一些金属离子与Cd2+的竞争吸附作用增强，同时 S2-和 Cd2+发生共沉淀，使得土壤中生物利用性镉浓度降低，并且还会降低水稻根表铁膜对镉的吸附固定量。因此，不同田间水分管理方式会影响水稻对镉的积累，可通过科学调控稻田水分来降低水稻镉污染。9.微生物脱除此类方法主要是以镉大米为研究对象，在适当的工艺条件下利用微生物发酵来脱除大米中的镉，以符合食品限量标准。脱除原理是大米中的镉主要以蛋白质螯合形态存在，而发酵有利于蛋白质的溶出，借此可降低大米中镉的含量。目前用于大米发酵降镉的微生物有枯草芽孢杆菌12、酵母菌13、乳酸菌14等。10.大米加工稻米加工工序主要为砻谷和碾米。砻谷即脱壳，交流探讨安徽科技2023 年 1 月第 1 期52安徽科技2023 年 1 月第 1 期指利用挤压、撞击、端压等方式脱除稻米表面颖壳获得糙米的加工工序。碾米即糙米碾白，指剥离糙米籽粒皮层、胚和胚乳以提供其食用品质及贮藏性的加工工序。此外，大米加工还有水洗浸泡和蒸煮等方式。大米中镉含量受加工工艺影响较大。大米浸泡过程中所含的镉会迁移到浸泡液中，从而降低大米本身镉含量。赵美凤等15发现糙米通过碾白制成精米后，镉含量下降了 14.25%。魏帅等16通过试验后发现镉含量低于0.226 mg/kg 的稻谷通过砻谷后能获得镉含量达标的糙米，镉含量低于 0.288 mg/kg 的糙米通过碾米后可获得镉含量达标的大米。何瑞等17的研究也表明随着糙米碾磨时间的延长，稻谷中镉含量呈下降趋势，所以可通过适当提高加工精度来降低大米的镉含量。四、结语随着近年来工业化的飞速发展，稻田及水稻镉污染愈发严重，关系到人民身体健康的粮食污染问题也越来越受到社会的广泛重视。上述水稻和大米镉消除技术只是笔者整理总结出的部分镉污染防治措施，有一些还停留在理论研究阶段，还需要不断全面深入研究，以期用科学方法改善粮食镉污染现状。本文系2021安徽省重点研发与开发计划面上攻关项目“安徽主产区稻米中典型重金属污染物的迁移规律与风险控制研究及应用”（项目编号：202104a07020008）、2020年度安徽省科技厅直属单位科技服务能力建设专项项目“安徽省科学技术研究院科技创新与服务能力提升”、2021年度安徽省科技厅直属单位科技服务能力建设专项项目“安徽省科技成果转化与科技创新服务能力建设”（项目编号：202106b03020004）的研究成果之一。参考文献1 闫颖,孙倩倩,郭波莉.铅、镉、汞在水稻中的累积分布和迁移特性C./中国食品科学技术学会第十七届年会论文集.2020:69-70.2 辜娇峰.组配改良剂对稻田镉砷复合污染的调控效果及机制研究D.长沙:中南林业科技大学,2017.3 陈德.生物质炭对土壤重金属有效性和作物吸收影响的整合分析及田间试验D.南京:南京农业大学,2016.4 陈楠.土壤 pH 对镉在土壤水稻系统中的迁移、积累与分布的影响D.长沙:湖南农业大学,2018.5 沙乐乐.水稻镉污染防控钝化剂和叶面阻控剂的研究与应用D.武汉:华中农业大学,2015.6 赵娜娜,彭鸥,刘玉玲,等.不同形态硫叶面喷施对水稻镉积累影响J.农业环境科学学报,2021,40(7):1387-1401.7 徐莜.锰离子对水稻镉吸收转运特性的影响D.北京:中国农业科学院,2017.8 刘春梅,罗盛国,刘元英.硒对镉胁迫下寒地水稻镉含量与分配的影响J.植物营养与肥料学报,2015,21(1):190-199.9 王孟杰.沙雷氏菌 X10 对水稻土壤镉污染的修复研究D.武汉:华中农业大学,2020.10 马铁铮,马友华,付欢欢,等.生物有机肥和生物炭对Cd 和 Pb 污染稻田土壤修复的研究J.农业资源与环境学报,2015,32(1):14-19.11 李小飞,代兵,何晓峰,等.施用生物有机肥可降低糙米 Cd 含量盆栽试验与田间试验比较J.江苏农业科学,2021,49(8):96-101.12 雷群英.大米中镉的微生物法脱除及其应用品质研究D.无锡:江南大学,2015.13 任嘉瑜.大米发酵脱镉制备米饮料D.长沙:中南林业科技大学,2018.14 傅亚平,刘阳,吴卫国,等.酸溶联用发酵技术脱除大米中镉的工艺优化J.中国酿造,2015,34(10):62-67.15 赵美凤,房芳,宁晖,等.稻谷在碾米加工中镉的含量和分布研究J.粮食与食品工业,2018,25(6):66-72.16 魏帅,田阳,郭波莉,等.稻谷加工工艺对产品镉含量的影响J.中国食品学报,2015,15(3):146-150.17 何瑞,雷正达,龚洋,等.稻谷中镉的测定及加工精度对镉含量的影响研究J.粮食科技与经济,2020,45(6):91-94.特约编辑：李志成 交流探讨安徽科技2023 年 1 月第 1 期53