袁隆平院士新成果发布 再也不用担心大米镉含量超标了
2017/9/29 科学大院
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作者：代茂(中国科学院遗传与发育生物学研究所)
近日，在2017年国家水稻新品种与新技术展示现场观摩会上，中国工程院院士、美国国家科学院外籍院士、“世界杂交水稻之父”袁隆平先生宣布：继“海水稻”技术后又获得了一项重大突破成果——水稻亲本去镉技术。
镉污染常见吗？严重吗？
为什么袁老要专研究水稻的去镉技术呢？镉污染很常见吗？很严重吗？
这里，我想我有必要介绍一下长期被国人忽视的重大食品健康问题——大米的重金属镉污染，虽然各地陆续有镉污染事件的报道，却一直并未引起国人足够的注意。
说到大米的重金属镉污染，不得不说1931年震惊世界的日本富山县“痛痛病”镉米事件。
自20世纪初期开始，人们发现这里的水稻普遍生长不良。1931年开始，又出现了一种怪病，患者大多是妇女，病症表现为腰、手、脚等关节疼痛。病症持续几年后，患者全身各部位会发生神经痛、骨痛现象，行动困难，甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦。
到了患病后期，患者骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊柱变形，骨质松脆，就连咳嗽都能引起骨折。患者不能进食，疼痛无比，常常大叫“痛死了!”“痛死了!”有的人因无法忍受痛苦而自杀。
这种病由此得名为“骨癌病”或“痛痛病”(Itai-Itai Disease)。
1946-1960年，日本医学界从事综合临床、病理、流行病学、动物实验和分析化学的人员经过长期研究后发现，“骨痛病”是由于神通川上游的神冈矿山废水引起的镉(Cd)中毒，用这种含镉的水浇灌农田，生产出来的稻米成为“镉米”。“镉米”和“镉水”把这里的人们带进了“痛痛病”的阴霾中。
我国也曾发生多次镉污染事件，包括2005年“广东北江镉污染”事件，2009年湖南“长沙湘和化工厂镉污染”事件以及2012年广西龙江河拉浪段“重金属镉污染”事件，但所幸环保部门发现及时，妥善处置，事故造成的影响较小，危害轻。
需要指出的是，我国重金属镉污染正在以不同的方式悄然进行，2014年我国官方环保与土地部门联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》，报告的形成历时8年，报告指出镉的点位超标率占7%，是所涉无机污染物超标点位率最高的，且远高于其它化学元素。
土壤中的镉及其来源
镉，元素符号Cd，于1817年由德国科学家在碳酸锌中发现，属于元素周期表第五周期IIB族，是一种具有韧性、可塑性的银白色有光泽金属，六方棱锥晶体。
原子序数即核电荷数48，相对分子质量112.41，镉的溶沸点相对较低，化学性质并不活泼，可溶于酸，不溶于碱，易在物体表面形成保护层，因此常被用作染料(镉黄的主要成分)、钢铁的防腐电锻层、配置合金的添加元素、低溶点钎焊材料、制作镍镉与银镉电池的原料、以及核反应堆的控制棒等。
全世界镉储量约为50万吨，我国镉储量在全球范围内是最高的，存储量为9.2万吨，占全球总量的18.4%。
中国这么高的镉储量，岂不是很危险？
并不会。因为天然存在的镉矿并非单一纯净的镉矿石，往往与铅锌等元素以化合物的形式相伴存在。自然来源的镉在土壤中存在的形式较为稳定，即便是土壤中含有较高含量的自然来源镉，一般情况下也不至于对植物和人类构成威胁，而因人类活动带入土壤的镉往往危害更大。
人为来源的镉是工农业等人类活动过程输入土壤环境中的镉。
现代农业生产过程中，连年向耕地投入大量化肥、农药等化工生产资料，向土壤带入了大量的污染重金属。我国工业生产每年排放的未经处理的污水约400亿立方米，这些工业废水是导致我国农田镉污染的主要原因。镉主要用于电池、染料或塑胶的稳定剂，所以当我们乱扔废旧电池时，土壤中的许多重金属含量也会逐渐升高，形成污染。
镉对人体的危害
作为重金属元素，镉具有很强的毒性。
联合国环境规划署曾在上世纪80年代提出12种在全球范围内均具有危害意义的物质，镉位列第一，而其对人体的毒性则仅次于汞(水银)，位列第二。
镉在人体内的半衰期约为10-30年，镉被人体吸收后，主要累积在肺、肝、肾等器官中。
研究表明，肾脏可吸收进入体内近1/3的镉，是镉中毒的“靶器官”。由于镉损伤肾小管，病者出现糖尿、蛋白尿和氨基酸尿。特别可使骨骼的代谢受阻，造成骨质疏松、萎缩、变形等一系列症状。
还可导致高血压、肾功能紊乱、肝损害、肺水肿、贫血等疾病以及神经和大脑损伤, 甚至诱发癌症。
镉对植物的影响
虽然镉不是植物的必需元素，但植物并不排斥对镉的吸收，又因土壤中的镉有较强的向植物根系迁移的能力，因此植物往往容易富集镉。
植物种植在镉污染的土地上，会危害植物对氮、磷、钾等必需营养元素的吸收利用和转运，镉能够通过多种方式干扰植物正常的光合作用、呼吸作用等生理过程，也会对植物酶系统，营养元素代谢，细胞形态与功能等方面产生严重影响。
科学家的研究发现水稻本身拥有的某些独特基因，使水稻根系吸收土壤中镉的能力较强，比如：水稻对于镉污染的吸附作用明显强于玉米、大豆等其他的作物品种。
而这些吸附的镉会在水稻的米粒中大量富集，所以镉污染在水稻米粒中表现得尤为突出。
一旦人直接食用这些镉米，或者家禽等食用后在体内富集，再通过食物链进入人体，都会引起慢性中毒，严重威胁人类健康。
此外，稻米作为东亚地区最主要的粮食作物，在多地餐桌上属于不可或缺的角色。东亚地区的饮食结构，也无形中促进了镉通过稻米向人体转移的过程。
图 东亚地区饮食结构
“痛痛病”事件后续
发生在日本富山县的神通川污染事件中，从神田矿山的采矿活动中泄露或排放到神通川中的镉经过纵横交错的灌溉水道系统进一步扩散到水田中，逐渐富集下来。
上世纪70年代，距离痛痛病被媒体广泛披露已经过去了十几年，伴随着对受害者的赔偿等善后工作的展开，富山县政府对神通川沿岸农地进行了镉含量的精确测定。
结果表明，神通川左、右岸分别有1480和1648公顷土地被认定为遭受了镉污染，其中的1500公顷被认定为需要重新对土质进行无害化去镉处理。在这一区域内，镉含量最高达到2.0 ppm，表层、深层土壤中的平均含量分别为1.12和0.7 ppm。
由于水稻对镉元素的富集作用，在以上区域内，即便采样土壤中的镉含量相对较低，水稻脱壳糙米中仍然含有相当高的镉含量。
根据日本食品卫生法中的基准值，富山县认定糙米中镉含量超过1.0ppm即为污染米。受此影响，230个检出地点的水稻种植被迫暂停，农户得到了三井金属矿业集团的相应补偿。镉含量在0.4ppm到1.0ppm之间的糙米被认定为准污染米，经铁丹(主要成分为三氧化二铁的传统染料)染色后作为工业用糊精销往相关企业。
由于作为食用米与作为工业原料的“事故米”(注：日文说法，泛指黄曲霉素，镉元素等毒物超标的大米)之间存在销售价格上的显著落差，以守法著称的日本企业界也不免产生铤而走险的害群之马。
2008年，总部位于大阪的三笠食品株式会社，多年以来以事故米冒充食用米进行销售的罪行遭到揭露，日本国内一片哗然，该事件最终导致了日本当时的农林水产大臣太田诚一的辞任。
事件风波后，日本政府规定，镉含量超过0.4 mm的糙米一律进行焚化处理，不再用于工业用途，受到该规定影响的准污染米据称每年有1000吨之多。
世界各国大米镉污染现状
关于稻米镉超标的食品安全问题也正在成为中国社会关注的热点，国家农业部稻米质量监督检验中心也曾对我国市场的稻米进行安全性抽检，结果发现镉超标率高达10.3%。
详细的数据分析显示：南方市场上稻米的镉污染比北方更严重，如江西、湖南的一些县市，稻米镉超标的问题非常突出。
虽然湖南是“镉米”事件爆发的主要省份，但实际上存在大米镉超标问题的省份远不止这一个，镉污染等土壤环境恶化带来的稻米等农产品的质量问题已成为危害我国的战略安全问题。
据报道，我国居民平均人体镉摄入量是美澳等国的两倍多，所幸，与世界多国相比，我国的大米镉污染状况还不算是最为严重的。
我国2013年6月1号开始执行的新版食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB2762-2012)中规定，大米镉含量不得超过0.2ppm。
应该说，这一数值在世界各国中都是相对低的，十分严格，这得益于我国镉含量超标的土地占耕地面积的比例较低，因此实施相对严格的标准也有充足的操作空间。
日本即使经历了“痛痛病”这样的严重公害事件，市售大米的平均镉含量仍然要超过我国，这是由日本高镉土质的资源国情所决定的。很多人迷信日本大米的高品质，花了大价钱买来的海淘高价米，镉含量还可能稍稍高过普通国产米。当然，日本大米的口感还是值得品鉴的，这里并无贬低之意。
除了日本之外，大米中镉含量较高的国家还有印度、斯里兰卡、孟加拉国、伊朗、哥伦比亚等国，超标的原因除了工业污染之外，主要来自于当地土壤自身较高的镉含量。
可见，稻米除镉乃是世界性的健康议题，具有深远的现实意义。
大米除镉技术
世界上目前在开发以及应用中的大米除镉技术主要有土壤改造法、镉稻吸收法以及辐照育种法等。
在这几项技术的开发和应用中，高镉土质遍布全国的日本具有相对领先的技术实力。这两种技术与此次袁隆平院士开发的水稻亲本去镉技术分别属于三条完全不同的技术路线。
土壤改造法利用化学试剂淋洗去除镉，或者直接利用镉含量较低的土质替换高镉土，技术含量较低，成本较高，并且额外加入的化学试剂长期的环境稳定性仍然存有疑问。
该技术的好处是具有立竿见影的除镉效果，日本富山县的数个污染区域都是采用土壤改造的方式加以修复还原的。
镉稻吸收法则是利用了水稻富集镉元素的特性。
水稻是一个品系众多的作物种类，很多水稻品种并非食用稻种，但是他们却具备更强的富镉能力。在高镉土壤中种植非食用的水稻，经过3到5年的周期，可以使土壤中的镉含量降低到之前的一半以下。再用这种经过脱镉处理的土壤进行稻米种植，自然可以降低大米中的镉含量。
这种方法的好处是不会引入额外的环境风险，不过比较长的周期必定带来相当高的实施成本。
辐照育种利用放射源处理植物种子，诱发育成植株的突变。再根据突变后的的性状和育种要求对突变体进行选择以及鉴定。
这种方法的优点是变异频率可以达到自然状态下的1000倍，并且突变后的性状具有广谱性，植株形态、结构以及生理生化等方面均可发生深刻变化。
不过辐照育种的缺陷也十分明显，发生诱变的方向难以控制，随机性巨大，同时产生的有利突变较少，大部分是劣变体。简单来说，就是用霰弹枪打远靶，虽然子弹飞出去不少，能不能命中却全看运气。
此次袁老开发的亲本除镉技术，虽然在技术细节上仍然不为公众所知，但是显然与以上几种方式截然不同。
此前，袁老在“双新会”上宣布：“近期我们在水稻育种上有了一个突破性技术，可以把亲本中的含镉或者吸镉的基因‘敲掉’，亲本干净了，种子自然就干净了。”
亲本除镉技术从根本上改造了水稻，让水稻从容易富集镉的植物变成对镉吸收较少的植物，自然会相应降低水稻稻种也就是大米中的镉含量。
下面我们就从媒体此次报道的细枝末节中，试图还原水稻亲本去镉技术的本尊。
水稻亲本去镉技术
不同水稻品种对于镉污染的积累是不同的。
一般认为，在不同水稻品种中，超级稻向籽粒转运镉的能力最强的，其次是杂交稻，最后是常规稻。
研究人员发现，不同类型和品种的水稻稻米中含镉量也存在较大的差异，其结果为：
特种稻>常规早籼稻>三系杂交晚稻>两系杂交晚稻>常规晚稻>常规粳稻>爪哇稻。
而不同水稻品种类型间对镉的吸收积累量一般认为：
籼稻>粳稻，新株型稻介于二者之间。
研究人员还发现，各水稻品种对镉吸收积累能力的不同是由于各水稻品种的基因型间的差异所致。
这些优质的镉吸收的基因型位点，主要分布在中国科学家多年来收集的水稻种质资源库中，目前，水稻功能基因组学的研究者们正通过对这些基因位点的分子克隆和功能验证，逐步解析控制水稻镉吸收等性状的关键基因。
解析后，可以将这些科学成果与设计育种思路相结合，培育出一批优质、高产、耐镉的优良水稻新品种。
遗憾的是，目前，我们并未得到确切信息阐述袁隆平院士这一关键技术是如何实现(可能技术保密)。
我大胆猜测可能是通过如下两种方式：
第一种是袁隆平院士在水稻的种质资源库中发现了水稻镉吸收关键基因‘失效’的水稻植株A，该植株A在镉污染的土地上能够正常生长，所结的稻米不含重金属镉，将该植株A作为亲本，制备杂交稻，杂交稻将保持亲本干净的背景，稻米也不含重金属镉污染。
第二种方式是袁隆平院士通过生物技术手段发现了水稻镉吸收的关键基因，并利用水稻育种技术将该基因成功去除，获得了亲本，进一步用这些亲本培育的水稻品种将不能吸收土地中的镉，稻米中也不含镉污染。那些镉污染土地上也将可以种上成片成片的稻田，也将结出无污染、绿色优质的稻米。
此次水稻亲本去镉技术的成功，袁隆平院士又对水稻育种技术创新做出了巨大的贡献。他过去解决了中国人的“吃得饱”问题，现在又解决了中国人乃至全人类“吃得安全、吃得放心”这一难题。
近年来，中国的水稻研究连续取得了突破性进展，国际著名学术期刊《自然·植物》专门撰文介绍了中国水稻研究从跟踪到领跑的过程，将这样的表现称之为“中国的复兴”。在袁隆平作为开创者及带头人的中国科学家团体的共同努力下，中国水稻研究正走在世界前列。
网上的资料显示，袁老于1930年9月7日(处女座威武!)出生，今年已经是87岁高龄了。
87岁的时候，我大概是这个样子吧：
而袁老还奋斗在育种工作的第一线，并不断产出科研成果。
袁老辛苦了!
向袁老及各位战斗在一线的科学家们致敬!
本文由科普中国融合创作出品，中国科学院遗传与发育生物学研究所代茂制作，中国科学院计算机网络信息中心监制。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
(文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)
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