植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用

随着我国农田土壤重金属污染问题日益严重,导致农产品重金属超标时常发生。如何阻控重金属在作物可食部位的积累,保证农产品安全和重金属中、低污染农田的安全利用,已成为我国农业生产急需解决的问题。培育重金属低积累作物品种,实现作物可食部位重金属含量达标,是解决重金属中低污染农田安全利用的经济而有效的手段之一。培育作物重金属低积累品种需要克隆控制重金属积累的相关基因,并阐明其分子遗传机理。以Os NRAMP5、Os HMA3和CAL1三个控制水稻镉吸收、转运和分配的基因为实例,介绍植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用,包括基于正向遗传学和反向遗传学的方法,克隆控制镉在作物中积累的基因,并阐述这些功能基因控制重金属积累的分子遗传机理,同时展望这些基因在培育重金属低积累品种中的应用前景。     

土壤-水稻系统Cd-As同步钝化与吸收阻控研究进展

我国稻田土壤镉-砷(Cd-As)复合污染形势严峻,是实现农田安全利用的难点。相较于其他粮食作物,水稻积累Cd/As的能力更强,对人类健康危害更大,因此,修复Cd-As复合污染稻田土壤,降低稻米Cd/As含量,对保障我国食品安全意义重大。原位钝化技术是目前应用最广泛且治理效率较高的重金属污染土壤修复技术,本文重点阐述了针对稻田土壤Cd-As复合污染的典型钝化剂及其钝化机理,主要包括铁(Fe)+碱性无机材料复合钝化剂、Fe+有机材料复合钝化剂、Fe+有机+碱性无机材料复合钝化剂、有机+碱性无机材料复合钝化剂等;在此基础上,从根际稳定固持和体内运移阻控两方面,探讨原位钝化技术同步降低水稻Cd-As吸收的作用机制。最后,提出未来Cd-As复合钝化剂的研发方向,强调了土壤友好型Fe-Si复合钝化剂可有效从土壤钝化和生理阻隔两方面同步降低Cd/As生物毒害,应用前景广阔。     

土壤筛选值在镉污染稻米产地环境评价与分类适用性探讨

为科学地进行农用地土壤环境质量评价及环境质量类别划分,以稻田镉(Cd)污染为例,以全国典型稻米产区土壤与稻米Cd含量对应样点数据为基础,以土壤Cd与稻米Cd非对应性超限值情况即误判率为判定参数,分析土壤污染风险筛选值对稻米产地环境质量评价及类别划分的适用性。结果表明,在湖南长株潭、广东北部等区域采用筛选值评价产地环境质量存在较多误判情况。在高误判区,采用实地采样多参数分析混合线性建模的方式筛选影响稻米富集Cd的关键因子,结果表明,除土壤Cd全量及pH等因子外,土壤钙(Ca)也对稻米富集Cd有重要影响。因此在产地环境安全评价及类别划分时,对于以筛选值为依据误判率较高的区域,应加入其他土壤关键因子进一步研究,以避免误判。     

我国稻田系统镉污染风险与阻控

过去30年的工业化和环保措施不到位导致我国部分地区农田土壤Cd污染较为严重。南方部分地区稻米Cd含量超标严重,危害农产品安全和人体健康。农田Cd不断输入、土壤酸化以及种植Cd积累能力较强的籼稻品种是部分地区稻米Cd含量超标的主要原因。我国人群Cd平均摄入量在过去30年里增加了一倍。本文综述了人体Cd摄入量的安全阈值,鉴于食用大米是我国人群Cd摄入的主要来源,重点介绍稻田系统控制稻米Cd积累的主要生物地球化学过程以及水稻Cd吸收积累与转运的分子遗传机制,在此基础上还建议了稻米Cd积累阻控的农艺和育种措施。     

长期不同施肥下紫色土-作物体系镉累积及安全性评估

【目的】利用连续施肥23年(1991—2014)的稻麦长期定位试验,研究长期不同施肥对土壤-小麦/水稻轮作体系镉(Cd)累积的影响,为西南紫色土地区农产品质量安全和合理施肥提供科学依据。【方法】利用8个长期不同施肥处理:(1)CK(不施肥对照);(2)N(只施氮肥);(3)NK(只施氮、钾肥);(4)NPK(施氮、磷、钾肥);(5)NPK+M(化肥+猪、牛粪);(6)NPK+S(化肥+稻草还田);(7)1.5NPK+S(1.5倍化肥+稻草还田);(8)(NK)_(Cl)P+S(含氯化肥+稻草还田)。分别测定不同年际间土壤中全镉和有效镉含量以及作物中的镉含量,并评估镉的累积程度。【结果】随着施肥年限的增加,土壤全镉含量逐年提高;长期不施磷肥的CK、N、和NK处理土壤全镉累积提升较慢,施用磷肥、有机肥及含氯化肥处理提升较快,其中以NPK+M、1.5NPK+S和(NK)_(Cl)P+S处理土壤全镉含量提升最快,23年后分别增加了1.18、1.18、1.15 mg·kg~(-1);除不施磷肥处理外,其他所有处理土壤全镉含量均超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB15618—2018)中的土壤镉污染风险筛选值0.6mg·kg~(-1)。长期施肥处理的土壤有效镉含量均明显高于不施肥对照,其中长期施用N、(NK)_(Cl)P+S和1.5NPK+S处理土壤有效镉含量提升幅度较大。随着试验年份的增加各施肥处理水稻籽粒中镉含量呈上升趋势,但均未超过食品安全国家标准(GB 2762—2017,Cd≤0.2 mg kg~(-1));小麦籽粒中镉含量在不同年际间没有明显变化,除长期施用含氯化肥(NK)_(Cl)P+S处理籽粒中镉含量超过食品中污染物限量标准外(GB 2762—2017,Cd≤0.1 mg kg~(-1)),其他处理均未超标。【结论】本试验条件下,长期不同施肥、特别是施用磷肥和猪、牛粪有机肥均提高了土壤全镉含量,增加了其生态风险;而长期施用含氯化肥因使土壤p H下降而提高了有效镉含量,并导致小麦籽粒中镉含量超标。因此,防止镉因施肥等途径进入农田,是保证农产品安全生产的重要环节。     

Microbial Remediation of Heavy Metal(loid)Contaminated Soil: A Review

Because of the rapid development of industrial processes, increased urban pollution and agricultural chemicals applied in recent years, heavy metal(loid) pollution in soil has been very serious, and there is an urgent need for fast and efficient removal of heavy metal(loid) pollution. Currently, environmental microorganisms are always used to perform biological alteration or improvement of soils and sewage. Using functional microorganisms that are resistant to toxic heavy metal(loid) ions for alteration and transformation of heavy metal(loid)s in ionic form is an effective measure for microbial remediation of heavy metal(loid)contaminated soil. This paper reviewed the microbial remediation mechanism of heavy metal(loid) contaminated soils, and the approaches for breeding bacteria those can be used for highly efficient removal of heavy metal(loid)s, as well as the application examples of microbial remediation and transformation of heavy metal(loid) contaminated soil, and finally described the future trends and further research work of heavy metal(loid) contaminated soils by microbial remediation.     

土壤-水稻系统砷的生物地球化学过程研究进展

本文综述了具有不同渗氧能力基因型水稻对土壤砷结合形态、水稻根表铁膜、砷吸收的影响以及不同根际氧化还原条件对土壤砷形态、水稻砷积累、砷转运载体表达的影响,分析了硅的不同施加量对水稻砷吸收的研究进展及其作用机制,从土壤铁矿物氧化和还原两个方面总结了根际铁循环对砷环境行为的影响以及对砷污染土壤修复的潜在价值,以期为最终降低水稻砷吸收提供理论参考。微生物介导的铁氧化还原对砷的环境行为如砷的溶解释放、吸附沉淀、形态转化等有重要影响,而铁细菌的胞外电子传递过程促进了铁的矿物相转化并耦合砷的钝化,在未来工作中值得进一步关注和研究。     

我国稻田土壤镉污染现状及安全生产新措施

水稻是我国重要的粮食作物,由于受重金属污染威胁日益增大,其安全生产问题备受关注。通过综述我国稻田土壤及稻米镉污染现状、镉污染土壤改良剂研究进展以及稻米对镉富集的品种间差异,认为在土壤中镉的去除修复技术无法在短时间内实现的前提下,镉排异型水稻品种的筛选与利用是实现其安全生产的一个新的有效措施。在此基础上,配合一些污染土壤改良剂的使用,会进一步增强其安全生产水平。     

Cd Hg Pb胁迫下不同作物可食部分重金属含量及累积特征研究

采用微区土培试验方法,研究了甘肃省3类10种主要栽培作物在Cd、Hg、Pb重度污染土壤上,作物可食部分对重金属的吸收富集能力,并根据食品安全国家标准(GB 2762—2012),采用单因子指数法对农产品质量安全进行评价。结果表明:不同类型作物对重金属的吸收与富集能力有显著性差异,对Cd富集能力表现为蔬菜类油料作物粮食作物,对Hg、Pb富集能力表现为蔬菜类粮食作物油料作物;同一作物(除玉米和大豆外)对不同重金属吸收能力表现为CdPbHg。经综合评价,在对甘肃地区pH值大于8.0的重金属重度污染土壤进行种植业结构调整时,Cd污染耕地可优先选择种植玉米,Hg污染耕地可优先选择种植玉米和油菜,Pb污染耕地可优先选择种植玉米和大豆。     

土壤有效态镉与稻米镉污染风险广东案例研究

为了科学评估土壤镉(Cd)污染造成的稻米Cd超标风险,以广东省韶关市(酸性土壤)和汕头市(中性土壤)Cd污染稻田为研究对象,对土壤与稻米配对样品进行回归分析,比较了两种提取剂(CaCl₂和DTPA)对土壤Cd的提取能力以及对稻米Cd含量的反映能力,以探讨适用于不同pH土壤的有效态Cd提取方法,建立最佳稻米Cd累积预测模型,并推导出土壤有效态Cd的风险阈值。结果表明:CaCl₂提取剂对Cd的提取能力小于DTPA;两种提取剂对酸性土壤Cd的提取能力显著高于近中性土壤。与土壤全Cd相比,有效态Cd含量可更好地预测稻米Cd含量。CaCl₂提取剂适用于全部试验区的酸性、中性土壤;DTPA适用于汕头市中性土壤,但不适用于韶关市酸性土壤。利用CaCl₂-Cd进行线性方程拟合,得到了最佳的稻米Cd预测模型。韶关市的早稻、晚稻预测模型各包含20个水稻品种,其土壤CaCl₂-Cd阈值分别约为0.10 mg·kg^-1和0.05 mg·kg^-1。研究表明,基于CaCl₂-Cd的稻米Cd预测方法和阈值可指导广东省Cd污染稻田安全利用,并对其他酸性土Cd污染区具有参考意义。     

Internal phosphate starvation signaling and external phosphate availability have no obvious effect on the accumulation of cadmium in rice

Phosphorus(P) is a limiting nutrient element for crop. To obtain maximum crop yield, P fertilizer is often over-applied, which leads to accelerating exhaustion of phosphate resources and serious environmental problems. Reducing the application of P fertilizer and enhancing the P utilization efficiency of crops are significant for the sustainable development of agriculture. Cadmium(Cd) contamination in rice is another serious agricultural issue. However, whether reducing the application of P fertilizer and enhancing the P utilization efficiency of crops will increase the risk of Cd accumulation in crops remains obscure. In this study, we are aiming to elucidate the relationship between Cd and P in rice from physiological and genetic perspectives. For this purpose, the wild type(WT) rice plants and phosphate(Pi)-starvation signaling repressed mutant phr2 were used to analyze the relationship between Cd and P. Here, we found that Cd stress could promote P accumulation and induce Pi-starvation signaling in WT and phr2 shoots under Pi-sufficient condition in a PHOSPHATE STARVATION RESPONSE 2(PHR2) independent manner. Besides, the expression level of Cd transporter of OsNramp5 and the uptake speed of Cd~(2+) were not obviously changed under Pi-sufficient and Pi-deficient conditions. Furthermore, our Cd determination results showed that the Cd concentrations in WT and phr2 were not obviously changed under Pi-sufficient and Pi-deficient conditions. These results indicate that the external P availability and internal Pi-starvation signaling cannot obviously affect the accumulation of Cd in rice seedling.     

Cadmium pollution from phosphate fertilizers in arable soils and crops: an overview

The application of mineral and organic phosphorus fertilizers to arable land has greatly increased crop yield to meet the world food demand. On the other hand, impurities in these fertilizers, such as heavy metals, are being added to agricultural soils, resulting both from the raw materials themselves and the processes used to obtain the final product. Cadmium, a non-essential and toxic heavy metal, has been found in relatively high amounts in common P fertilizers obtained from sediments. This metal poses a high risk for soil fertility, crop cultivation, and plants in general. Furthermore, human health might be compromised by the cadmium concentrations in agricultural and livestock products, due to the bioaccumulation effect in the food web. The accumulation in the different matrixes is the result of the high mobility and flexible availability of this harmful metal. This review summarizes risks to human health, the factors influencing cadmium movement in soils and crop uptake, as well as common plant responses to its toxicity. In addition, it summarizes cadmium balances in soils, trends, long-term experiments, and further studies. Cadmium inputs and outputs in arable soil, together with their calculated concentrations, are compared between two different regions: the European countries (in particular Germany) and China. The comparison appears useful because of the different proportions in the inputs and outputs of cadmium, and the diverse geographical, environmental and social factors. Moreover, these variables and their influences on cadmium contamination improve the understanding of the pollution from phosphate fertilizers and will help to establish future mitigation policies.     

中国土壤模式-作物系统重金属生物富集模型建立

针对土壤模式建立土壤和作物重金属含量关系模型,旨在消除土壤属性对作物重金属吸收量的影响。当作物类型或品种确定后,作物重金属吸收量只与土壤重金属含量有关。提出了农田作物重金属生物富集的"土壤重金属含量-作物特性-土壤属性"关系理论,定义了土壤模式、土壤模式-作物系统重金属生物富集模型、土壤模式-作物系统重金属生物富集模型图谱等概念,确定了土壤模式的划分方法和使用方法,在此基础上以最近30年来中文期刊发表的土壤镉含量与水稻和小麦镉含量关系作为案例验证了以上方法。结果表明:水稻和小麦同一部位镉吸收量随土壤镉含量增加而增加,水稻和小麦吸收镉能力顺序为根>茎>叶>籽粒,水稻和小麦籽粒镉吸收量在同一范围内。     

滇南矿区稻米重金属累积的品种差异及其健康风险分析

基于矿区稻米质量安全问题,为获得区域适宜种植的重金属低累积水稻品种,采用大田小区试验,对近年来滇南矿区主栽的15个水稻地方品种设置连续2年3个不同试验点的栽培试验,研究分析了滇南矿区不同水稻品种的重金属累积特征及其健康风险。结果表明:15个参试水稻品种糙米对As、Pb、Cd的吸收累积有较大的差异。糙米中Pb含量较高的品种为宜香107,最低的为滇屯502,两者相差幅度为0.188 mg/kg;Cd含量最高的品种为红优4号,最低的为云恢290,两者相差幅度为0.383 mg/kg;总As含量最高的品种为宜香99E-4,最低的为丰优香占,两者相差幅度为0.189 mg/kg。以食品安全国家标准GB 2762-2012中污染物Pb、Cd、无机As限量指标(≤0.2 mg/kg)和健康风险定量评估风险熵(HQ1)为评价标准,初步筛选出适宜该地区重金属复合污染土壤条件下种植的重金属低累积水稻品种:滇屯502、宜优2815、云恢290和丰优香占,这4个品种的选择种植与土壤修复+农艺调控的联合管理将会更有效地减少试验区域重金属对稻米食用人群的危害。     

成都平原北部水稻土重金属含量状况及其潜在生态风险评价

为了解成都平原水稻土重金属含量状况和潜在的生态风险,选取成都平原北部水稻土典型区域为研究对象,采集了158个表层土壤样品,分析了土壤中pH值和Cd、Cu、As、Hg、Pb、Cr、Ni 7种重金属元素含量,以20世纪80年代测定的成都平原土壤重金属元素背景值为评价标准,采用Hakanson潜在生态危害指数法对研究区域的重金属潜在生态风险进行了评价。结果表明:研究区域水稻土Cd、Hg、Ni、Cu、Pb、Cr和As平均含量分别为0.709、0.187、32.08、34.12、31.52、82.13 mg/kg和7.25 mg/kg;Cd、Ni、Cu和Hg 4种重金属超过《土壤环境质量标准》(GB15618-1995) Ⅱ级标准值样本比例分别为87.34%、8.23%、3.80%和3.80%,Cd含量超标严重。7种重金属元素变异系数幅度为18.35%-49.03%,由大到小依次为Cd、Hg、Cu、As、Ni、Cr、Pb。75.32%的样本达到中度或较强重金属潜在生态风险,区域整体表现为中度潜在生态风险(RI平均值为198.65),Cd和Hg为高生态风险元素,对潜在生态风险贡献率分别为62.27%和20.78%,As、Pb、Cu、Ni、Cr为低生态风险元素;风险概率图显示城区周边和绵远河沿线的潜在生态风险等级较高。因此,成都平原水稻土农业生产中应采取一定的措施防控农产品Cd和Hg污染。     

不同水稻品种对铜镉的吸收与耐性研究

以七种水稻品种为材料,通过温室水培试验,研究七个水稻品种Cu,Cd吸收累积特征的差异。结果表明:汕优63相对其它六种水稻品种属于高积累水稻品种,对重金属Cu,Cd较敏感;武育粳3号属于相对低积累水稻品种,对重金属Cu,Cd相对不敏感。     

典型铅锌矿区土壤-农作物体系重金属含量及污染特征分析

[目的]研究贵州SQ、DX典型铅锌矿区种植的水稻、玉米与其土壤中重金属的污染状况,为矿区环境保护、农业生产提供参考。[方法]以该矿区18个水稻籽、15个玉米样品与其土壤中重金属含量为对照,采用单项污染指数法和综合污染指数（内梅罗指数）法研究铅锌矿区土壤-农作物体系重金属含量间的相关性。[结果]研究结果表明,水稻籽、玉米中Cu、As的单因子污染指数小于1,Pb、Cr、Hg、Cd的单因子污染指数大于2,已造成农作物污染。采用综合污染指数评价,该矿区种植的水稻籽、玉米已受重金属污染。[结论]除Cu、As、Zn外,水稻籽、玉米中的其他重金属含量与土壤中的相应重金属含量显著相关,说明这些元素较易从土壤向水稻、玉米植物体内迁移积累。     

沈抚灌区农田土壤重金属污染时空变化特征及生态健康风险评价

以东北典型污灌区——沈抚灌区农田土壤为研究对象,在收集整理沈抚灌区自20世纪末停灌后不同时期土壤重金属污染情况的相关文献报道后,沿灌渠主干以行政村为单位布设取样点28个,利用原子吸收分光光度法、数理统计法、空间插值法等研究了重金属元素Cd、Pb、Cu、Zn在灌区农田土壤和农作物中的污染现状及时空分布特征,并利用内梅罗污染指数法、EPA人体暴露风险评价法及潜在生态危害指数法对污灌区重金属污染土壤及农产品的潜在健康风险进行评价。结果表明:灌区土壤重金属的平均浓度为:Cd 0.60 mg·kg~(-1)、Pb 38.76 mg·kg~(-1)、Cu 22.39 mg·kg~(-1)、Zn 57.64 mg·kg~(-1),其中Cd含量超过了国家土壤环境质量二级标准;与文献报道该灌区近15年来土壤重金属污染情况相比,土壤中Cu、Zn含量明显降低,而Cd、Pb含量并无显著变化;土壤中4种重金属元素的空间分布特征各异,灌区土壤重金属综合污染水平属于轻微污染;Cd、Pb在玉米中残留浓度超过国家食品安全限值,对人摄食途径存在健康风险,尤其是Cd具有较强的潜在生态危害性。     

雷州半岛土壤—水稻系统重金属含量特征及其迁移规律

【目的】研究雷州半岛土壤—水稻系统重金属污染程度及稻米的食用风险,以期为雷州半岛开展水稻健康安全食品认证工作提供科学依据。【方法】采集雷州半岛水稻种植地35份表层土壤样品和30份水稻作物样品,采用潜在生态风险指数法和人体健康风险评价方法对土壤—水稻系统中的砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、汞（Hg）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）元素进行分析。【结果】雷州半岛水稻土壤重金属中Cr和Hg元素的变异系数大于1.000,属于强度变异性,受人为因素影响大;其他6种重金属元素的变异系数介于0.100~1.000,为中等变异强度,受人为因素干扰影响较小;各重金属变异强度大小为Cr>Hg>Ni>Cd>Cu>Pb>As>Zn。通过潜在生态富集系数计算得知土壤重金属Hg的平均潜在生态富集系数为4.657,属于强污染风险;其余7种重金属的潜在生态富集系数在1~3,属于中等污染风险。由潜在生态风险参数得出,廉江市Hg元素为极强污染,在赤坎区和吴川市为很强污染程度,在坡头区为中等污染程度,其余区域则为强污染程度;赤坎区Cd元素为很强污染,廉江市和遂溪县为强污染程度,其余区域为中等污染程度。雷州半岛水稻土壤重金属潜在生态风险指数平均值为309.24,属于强污染风险;各县（市、区）土壤重金属潜在生态风险指数排序为:廉江市>赤坎区>吴川市>遂溪县>雷州市>麻章区>霞山区>坡头区。从健康风险评价结果来看,研究区部分水稻中As、Pb和Cd的含量超过食品安全国家标准（GB 2762—2017）,超标率分别为73.33%、53.33%和6.67%,其中As的高危商（HQ）为2.9839,对人体健康存在潜在危害;Cd和Pb的HQ小于1,对人体健康产生的影响不明显。水稻中各重金属元素迁移系数平均值排序为Cd>Zn>Cu>Hg>As>Pb>Cr,其中Cd、Zn和Cu的迁移系数中位值分别为0.9547、0.4900和0.1685,其吸收富集能力强;而Hg、As、Pb和Cr的中位值均小于0.05,其吸收富集能力弱。土壤pH与水稻重金属含量的相关分析结果显示,土壤pH与As呈显著正相关（P<0.05）,与Cu和Ni呈极显著负相关（P<0.01）;表明土壤酸性越低,越有利于As元素积累在土壤中,而不利于其他7种重金属元素在土壤中的积累。【结论】雷州半岛水稻田土壤重金属受人类影响越大、理化性质越复杂,其在土壤—水稻系统中的迁移和富集能力越强,以致该地区受污染的程度通常越严重,其中As、Cd和Pb元素含量超标对人体健康存在一定危害,应加强对农业施肥和药剂喷洒以及生活污染的控制,以减轻雷州半岛水稻田土壤的重金属污染程度,保护当地居民健康。     

Derivation of soil Pb/Cd/As thresholds for safety of vegetable planting: A case study for pakchoi in Guangdong Province,China

Regional guidelines for soil heavy metals, in conjunction with specific crops, are proposed to better assess soil environmental quality. In this study, large amounts of soils with different levels of Pb/Cd/As pollution were collected in Guangdong Province, China, to carry out a pot experiment, which was closer to the actual situation and properties of the heavy metal contaminated soils. Taking the widely planted vegetable pakchoi as the research object, we analyzed the correlations between the Pb/Cd/As concentrations in pakchoi and the total or available soil Pb/Cd/As concentrations and established their optimal regression equations. And then, the total and available soil Pb/Cd/As thresholds for pakchoi were calculated according to the allowable Pb/Cd/As limits in pakchoi and were compared with the current soil assessment standards. Furthermore, a lot of paired vegetable-soil samples in field were collected and their pollution situations were assessed by both the current limit thresholds and the calculated thresholds. Obviously, it was more consistent to assess the Cd and As pollution situation of the vegetable and soil samples with the calculated soil thresholds than the current soil assessment thresholds. It further proved that it was necessary to explore the soil heavy metal thresholds for safety of vegetable in specific regions, which would be more scientific and practical to guide safety production of local agricultural products and effective utilization of soil resources.