水稻重金屬污染及其阻控技術(shù)研究

鄧思涵 陳聰穎 嚴(yán)冬 龍九妹，2 丁丹 雷鳴*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128；2衡陽師范學(xué)院生命科學(xué)與環(huán)境學(xué)院，湖南衡陽421000）

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，相對應(yīng)而來的重金屬污染也隨之普遍，其中水稻重金屬污染尤為突出[1]。對重金屬目前尚沒有嚴(yán)格的統(tǒng)一定義，一般是指密度大于4.5 g/cm3的金屬。在環(huán)境污染方面所說的重金屬主要包括鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、準(zhǔn)金屬元素砷（As）等生物毒性顯著的元素，也包括一定毒性的銅（Cu）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等常見元素。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部和國土資源部發(fā)布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，我國土壤污染物質(zhì)以無機(jī)類型污染物為主，其中 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等8種污染物點位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[2]。因此，研究水稻中重金屬污染阻控技術(shù)具有極其重要的意義。

1 水稻富集重金屬的研究現(xiàn)狀

從中國知網(wǎng)查閱（時間為1998年1月1日至2018年12月31日），輸入關(guān)鍵詞“水稻”和“重金屬”，中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫有1 570篇，其中博士論文235篇，優(yōu)秀碩士論文785篇，重要會議及其他82篇。如果從學(xué)科類別來看，環(huán)境科學(xué)與資源利用有1 496篇，農(nóng)作物有653篇，生物學(xué)有296篇，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)284篇，農(nóng)藝學(xué)238篇，輕工業(yè)140篇，化學(xué)67篇，預(yù)防醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生學(xué)61篇，植物保護(hù)52篇，園藝41篇，自然地理學(xué)和測繪學(xué)39篇，礦業(yè)工程32篇，地質(zhì)學(xué)31篇，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)20篇，有機(jī)化工18篇。從作者單位來看，排在前10的分別是浙江大學(xué)192篇，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)182篇，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)97篇，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)80篇，中國科學(xué)院南京土壤所67篇，揚(yáng)州大學(xué)63篇，中南林業(yè)科技大學(xué)53篇，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)53篇，西南大學(xué)47篇，福建農(nóng)林大學(xué)43篇。由此可看出，對水稻重金屬污染問題的關(guān)注度和重視度普遍較高。

從湖南省高等學(xué)校圖書館數(shù)字資源共享平臺查閱，輸入關(guān)鍵詞“水稻”和“重金屬元素名稱”，查閱了近20年發(fā)表的水稻重金屬污染文獻(xiàn)（1998年1月1日至2018年12月31日），發(fā)現(xiàn)目前水稻重金屬污染的研究仍主要放在 Cd 上，其次是對 As、Pb、Cu、Zn 的研究，而對Hg、Cr、Ni則研究較少。與單一重金屬污染相比，對復(fù)合污染開展的研究則更少。

2 重金屬對水稻的危害

重金屬不能被土壤中的微生物所分解，因而會在土壤中不斷積累，影響土壤性質(zhì)[3]。重金屬可以通過水稻根部的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)作用，在其根、莖、葉及籽粒中大量富集，并通過食物鏈的傳遞進(jìn)入人體從而嚴(yán)重危害人體健康[3-4]。

Cd進(jìn)入水稻體內(nèi)后，影響線粒體及葉綠體的功能[5-6]，抑制葉肉細(xì)胞的生長，降低葉中葉綠素的含量，最終導(dǎo)致葉片光合作用率下降[7]。Hg可以影響水稻的光合作用、水稻抗氧化酶和活性基團(tuán)及其水稻蛋白質(zhì)磷酸化。As能影響水稻秧苗的初期生長，降低根系活力，導(dǎo)致功能葉明顯黃化，還可以干擾核酸和蛋白質(zhì)的合成，使可溶性糖和蛋白質(zhì)的含量減少，同時抑制體內(nèi)磷的功能，阻礙葉綠素的合成和減少干物質(zhì)的積累，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[8]。Pb可以抑制水稻的細(xì)胞分裂和生長，抑制某些酶的活性，影響組織蛋白質(zhì)的合成，降低光合作用和呼吸作用，損害細(xì)胞膜系統(tǒng)，降低水稻的營養(yǎng)價值和產(chǎn)量[9]。水稻積累過量的Cu會使其生理代謝失調(diào)，導(dǎo)致根部從土壤中吸收氮的能力大幅下降，造成生長發(fā)育不良、分蘗減少、減產(chǎn)等一系列后果[10-11]。水稻若缺Zn則新生的葉片基部會失去綠色變成白色，中下部葉片中脈兩側(cè)出現(xiàn)不規(guī)則形狀的棕色小斑點，嚴(yán)重時可能會蔓延到葉鞘部分，下部老葉容易發(fā)脆、易斷，還會導(dǎo)致莖節(jié)變短，上下葉鞘重疊，葉枕并列。Cr在水稻體內(nèi)積累后會出現(xiàn)氧化脅迫、改變?nèi)~綠體和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，影響正常發(fā)育和生長代謝[12]。水稻中Ni一旦超過限量標(biāo)準(zhǔn)，就會出現(xiàn)一些列中毒癥狀，如植株矮小、葉片黃化，嚴(yán)重者直接壞死[13]。

表1 不同年份水稻重金屬發(fā)表文章情況 （篇）

3 水稻富集重金屬的來源

水稻等作物主要依靠根部從土壤中吸收養(yǎng)分及重金屬，重金屬對水稻的危害也主要來源于土壤。農(nóng)田土壤中重金屬的來源主要是大氣沉降、污水灌溉、農(nóng)用物資長期不合理使用、固體廢棄物堆放等。重金屬化合物的大氣沉降是土壤中重金屬污染超標(biāo)的重要途徑，包括礦山開采和金屬冶煉都是產(chǎn)生大氣沉降污染物的重要來源[14]。污水灌溉是采用工業(yè)廢水、排污江河湖水或污染過后的城市地下水直接對農(nóng)田進(jìn)行灌溉。研究表明，在我國約140萬hm2的污水灌區(qū)中，遭受重金屬污染的土地面積占污水灌區(qū)面積的64.8%[15]。農(nóng)用物資主要包括農(nóng)藥、化肥、地膜、畜禽糞便和污泥堆肥等[16-17]。

4 阻控水稻富集重金屬的措施

大量研究證明，土壤中重金屬含量與水稻體內(nèi)重金屬含量及稻米中重金屬含量呈明顯正相關(guān)，因此，減少土壤中重金屬總量或者降低土壤中重金屬的生物有效性是當(dāng)前最為關(guān)鍵且最為有效的修復(fù)技術(shù)。傳統(tǒng)的土壤修復(fù)可分為物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)。但是對于稻田中重金屬而言，目前修復(fù)阻控技術(shù)主要包括鈍化技術(shù)、葉面肥阻控、品種篩選和農(nóng)藝措施等。

4.1 鈍化技術(shù)

在中低度重金屬污染稻田中施用適量的鈍化材料是目前降低稻田重金屬活性，減少水稻對其吸收與富集的有效途徑之一。現(xiàn)階段鈍化材料主要包括：生石灰、生物炭、海泡石、鈣鎂磷肥、有機(jī)改良劑等。生石灰是目前對酸性污染耕地最常用且最廉價的鈍化材料，施用生石灰可以提升土壤pH值，生石灰中的Ca2+離子還能與重金屬離子形成拮抗作用，最終使土壤中重金屬的有效態(tài)降低[18]。但過度施用生石灰可能導(dǎo)致土壤板結(jié)，造成土壤肥力下降，增加水稻對其他重金屬離子吸收的風(fēng)險。生物炭是當(dāng)前稻田鈍化技術(shù)的研究熱點，是可持續(xù)性較高的一種鈍化方法，在稻田中加入生物炭可以提升土壤pH值、陽離子交換量、水溶性硫酸根離子和可溶性有機(jī)碳，能有效吸附重金屬離子，降低重金屬的有效態(tài)。但生物炭本身可能攜帶重金屬離子，長期施用可能會增加稻田中重金屬的含量。海泡石對重金屬有很強(qiáng)的吸附結(jié)合作用，其主要功效是提高土壤pH值和對重金屬進(jìn)行物理化學(xué)吸附，最高解析率可達(dá)到70%[19]。但海泡石不能連續(xù)多年使用，其可能誘發(fā)稻田土壤次生潛育化風(fēng)險。鈣鎂磷肥的作用與石灰相類似，主要是提升土壤pH值，固定和降低土壤中重金屬離子的交換態(tài)和有效態(tài)，同時還能增加水稻產(chǎn)量，但成本較高。有機(jī)改良劑主要有畜禽糞便、水稻秸稈和堆肥等，這些有機(jī)改良劑都含有大量有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)中含有大量的有機(jī)配位體，能與重金屬離子形成難溶和穩(wěn)定的絡(luò)合物或螯合物，繼而降低水稻對重金屬的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)。但由于有機(jī)物的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性可能會分解成有機(jī)酸類的物質(zhì)，而這些物質(zhì)會活化稻田中的重金屬離子。

4.2 葉面肥阻控

葉面肥阻控技術(shù)是指直接向水稻等植株葉表面上施用肥料的一種措施，也是目前阻控水稻對重金屬吸收的一種較好手段，主要包括葉面施硅（Si）、鋅（Zn）、硒（Se）、鐵（Fe）、鉬（Mo）肥等。施Si可以顯著促進(jìn)作物的生長，提高作物的抗逆性，還能提升葉綠素的含量，提高根系活度和增加產(chǎn)量。研究表明，Si進(jìn)入水稻體內(nèi)后可以向根部移動[20]，與重金屬發(fā)生沉淀反應(yīng)，從而降低重金屬在水稻體內(nèi)向上運(yùn)輸?shù)倪^程，最終減少地上可食用部分中重金屬的含量。Zn可以使水稻葉片中Zn、Cd共用的親和性質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白產(chǎn)生Zn/Cd拮抗作用[21]，Se可以與重金屬發(fā)生沉淀，還能使重金屬在細(xì)胞點位上發(fā)生移動或者改變細(xì)胞膜對重金屬的通透性[22]。Fe和Mo都屬于微量元素，其作用是能夠提高水稻葉片細(xì)胞中抗氧化系統(tǒng)保護(hù)酶的活性，清除重金屬產(chǎn)生的大量自由基，降低作物膜脂過氧化程度，保護(hù)細(xì)胞的完整性，緩解重金屬的毒害，達(dá)到阻控重金屬進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的作用[23]。另外還可以噴施葉面腐殖酸肥和葉面殼聚糖，這兩種物質(zhì)都屬于大分子物質(zhì)，都具有很強(qiáng)的離子交換、螯合作用和吸附作用，使重金屬難以進(jìn)入到水稻體內(nèi)，以此達(dá)到阻控效果。葉面肥既可以使水稻增產(chǎn)，還能有效降低水稻對重金屬的吸收，是一種具有良好經(jīng)濟(jì)利用價值的阻控技術(shù)。但是在實際應(yīng)用中單一噴施葉面肥很難達(dá)到完全阻控水稻對重金屬的吸收，同時其作用還受天氣、溫度和噴施濃度等因素的影響。

4.3 水稻品種篩選

篩選低吸收重金屬品種是目前治理水稻重金屬污染的有效措施之一。水稻對不同重金屬離子的抗性機(jī)制主要體現(xiàn)在金屬蛋白及其功能上[24]。這些金屬蛋白主要是由過量的重金屬離子所誘導(dǎo)，由水稻等植物細(xì)胞合成，金屬蛋白可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)與重金屬相結(jié)合，從而達(dá)到降低重金屬毒害的作用[25]。研究表明，不同水稻品種體內(nèi)的金屬蛋白含量不一致，其對稻米富集重金屬的能力會相差高達(dá)198倍，水稻籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力基本上表現(xiàn)為超級稻＞雜交稻＞常規(guī)稻，且一般高產(chǎn)水稻品種中的重金屬含量高，低產(chǎn)水稻品種中的重金屬含量低[26]。同時篩選出來的水稻品種還應(yīng)該滿足適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颉⒍嘀刂亟饘倏剐?、產(chǎn)量基本穩(wěn)定等因素[27]。篩選出合適的水稻品種是一個難題。

4.4 農(nóng)藝管理措施

農(nóng)藝措施主要包括施肥、間作和水分管理。研究表明，在Cd污染的土壤中采用全生育期淹水灌溉比濕潤灌溉和間歇性灌溉更有利于降低土壤中Cd的生物有效性和稻米中Cd的含量[30]。在稻田淹水狀態(tài)下，土壤膠體和團(tuán)聚體、pH、Eh、碳酸鹽、陰陽離子、有機(jī)物和可溶性有機(jī)物、鐵錳氧化物、含硫化合物、碳酸鹽、磷酸鹽、根系分泌物、微生物都可能產(chǎn)生變化[29-30]，而以上這些物質(zhì)都可以影響重金屬的生物有效性。HU等[33]研究表明，從不淹水逐漸到全生育期淹水，稻米中Cd的含量下降了90%，但As的含量卻上升了50%，同時產(chǎn)量較傳統(tǒng)管理模式有下降趨勢。

5 總結(jié)與展望

目前阻控水稻吸收重金屬雖然取得了一定程度的進(jìn)展，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到我們預(yù)期所需的效果。為了使我國稻米能夠達(dá)到國家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)，未來需要開展以下幾點工作。

抓緊源頭控制，加大對稻田周邊冶金業(yè)、礦業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等管理，從源頭上減少重金屬流入稻田土壤系統(tǒng)中；開展多種阻控技術(shù)研發(fā)，僅僅靠單一修復(fù)技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期結(jié)果，需多種技術(shù)相結(jié)合，如湖南省開展的“VIP+n”阻控技術(shù)；選育高產(chǎn)、低吸收重金屬能力的水稻品種，深入研究水稻吸收重金屬的機(jī)理，加強(qiáng)大田試驗研究，現(xiàn)階段開展的研究主要是集中在實驗室水培或盆栽等小規(guī)模試驗上，未來應(yīng)該加強(qiáng)系統(tǒng)化的大田試驗研究；開展復(fù)合污染研究。