近日，在2017年國(guó)家水稻新品種與新技術(shù)展示現(xiàn)場(chǎng)觀摩會(huì)上，中國(guó)工程院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士、“世界雜交水稻之父”袁隆平先生宣布：繼“海水稻”技術(shù)后又獲得了一項(xiàng)重大突破成果——水稻親本去鎘技術(shù)。
近日，在2017年國(guó)家水稻新品種與新技術(shù)展示現(xiàn)場(chǎng)觀摩會(huì)上，中國(guó)工程院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士、“世界雜交水稻之父”袁隆平先生宣布：繼“海水稻”技術(shù)后又獲得了一項(xiàng)重大突破成果——水稻親本去鎘技術(shù)。
鎘污染常見嗎?嚴(yán)重嗎?
為什么袁老要專研究水稻的去鎘技術(shù)呢?鎘污染很常見嗎?很嚴(yán)重嗎?
這里，有必要介紹一下長(zhǎng)期被國(guó)人忽視的重大食品健康問題——大米的重金屬鎘污染，雖然各地陸續(xù)有鎘污染事件的報(bào)道，卻一直并未引起國(guó)人足夠的注意。
說到大米的重金屬鎘污染，不得不說1931年震驚世界的日本富山縣“痛痛病”鎘米事件。
自20世紀(jì)初期開始，人們發(fā)現(xiàn)這里的水稻普遍生長(zhǎng)不良。1931年開始，又出現(xiàn)了一種怪病，患者大多是婦女，病癥表現(xiàn)為腰、手、腳等關(guān)節(jié)疼痛。病癥持續(xù)幾年后，患者全身各部位會(huì)發(fā)生神經(jīng)痛、骨痛現(xiàn)象，行動(dòng)困難，甚至呼吸都會(huì)帶來難以忍受的痛苦。
到了患病后期，患者骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，就連咳嗽都能引起骨折。患者不能進(jìn)食，疼痛無比，常常大叫“痛死了!”“痛死了!”有的人因無法忍受痛苦而自殺。
這種病由此得名為“骨癌病”或“痛痛病”（Itai-Itai Disease）。
1946-1960年，日本醫(yī)學(xué)界從事綜合臨床、病理、流行病學(xué)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和分析化學(xué)的人員經(jīng)過長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn)，“骨痛病”是由于神通川上游的神岡礦山廢水引起的鎘(Cd)中毒，用這種含鎘的水澆灌農(nóng)田，生產(chǎn)出來的稻米成為“鎘米”?！版k米”和“鎘水”把這里的人們帶進(jìn)了“痛痛病”的陰霾中。
我國(guó)也曾發(fā)生多次鎘污染事件，包括2005年“廣東北江鎘污染”事件，2009年湖南“長(zhǎng)沙湘和化工廠鎘污染”事件以及2012年廣西龍江河拉浪段“重金屬鎘污染”事件，但所幸環(huán)保部門發(fā)現(xiàn)及時(shí)，妥善處置，事故造成的影響較小，危害輕。
需要指出的是，我國(guó)重金屬鎘污染正在以不同的方式悄然進(jìn)行，2014年我國(guó)官方環(huán)保與土地部門聯(lián)合發(fā)布了《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，報(bào)告的形成歷時(shí)8年，報(bào)告指出鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率占7%，是所涉無機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位率最高的，且遠(yuǎn)高于其它化學(xué)元素。
1
土壤中的鎘及其來源
鎘，元素符號(hào)Cd，于1817年由德國(guó)科學(xué)家在碳酸鋅中發(fā)現(xiàn)，屬于元素周期表第五周期IIB族，是一種具有韌性、可塑性的銀白色有光澤金屬，六方棱錐晶體。
原子序數(shù)即核電荷數(shù)48，相對(duì)分子質(zhì)量112.41，鎘的溶沸點(diǎn)相對(duì)較低，化學(xué)性質(zhì)并不活潑，可溶于酸，不溶于堿，易在物體表面形成保護(hù)層，因此常被用作染料(鎘黃的主要成分)、鋼鐵的防腐電鍛層、配置合金的添加元素、低溶點(diǎn)釬焊材料、制作鎳鎘與銀鎘電池的原料、以及核反應(yīng)堆的控制棒等。
全世界鎘儲(chǔ)量約為50萬噸，我國(guó)鎘儲(chǔ)量在全球范圍內(nèi)是最高的，存儲(chǔ)量為9.2萬噸，占全球總量的18.4%。
中國(guó)這么高的鎘儲(chǔ)量，豈不是很危險(xiǎn)?
并不會(huì)。因?yàn)樘烊淮嬖诘逆k礦并非單一純凈的鎘礦石，往往與鉛鋅等元素以化合物的形式相伴存在。自然來源的鎘在土壤中存在的形式較為穩(wěn)定，即便是土壤中含有較高含量的自然來源鎘，一般情況下也不至于對(duì)植物和人類構(gòu)成威脅，而因人類活動(dòng)帶入土壤的鎘往往危害更大。
人為來源的 鎘是工農(nóng) 業(yè)等人類活動(dòng)過程輸入土壤環(huán)境中的鎘。
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，連年向耕地投入大量化肥、農(nóng)藥等化工生產(chǎn)資料，向土壤帶入了大量的污染重金屬。我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)每年排放的未經(jīng)處理的污水約400億立方米，這些工業(yè)廢水是導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)田鎘污染的主要原因。鎘主要用于電池、染料或塑膠的穩(wěn)定劑，所以當(dāng)我們亂扔廢舊電池時(shí)，土壤中的許多重金屬含量也會(huì)逐漸升高，形成污染。
2
鎘對(duì)人體的危害
作為重金屬元素，鎘具有很強(qiáng)的毒性。
聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署曾在上世紀(jì)80年代提出12種在全球范圍內(nèi)均具有危害意義的物質(zhì)，鎘位列第一，而其對(duì)人體的毒性則僅次于汞(水銀)，位列第二。
鎘在人體內(nèi)的半衰期約為10-30年，鎘被人體吸收后，主要累積在肺、肝、腎等器官中。
研究表明，腎臟可吸收進(jìn)入體內(nèi)近1/3的鎘，是鎘中毒的“靶器官”。由于鎘損傷腎小管，病者出現(xiàn)糖尿、蛋白尿和氨基酸尿。特別可使骨骼的代謝受阻，造成骨質(zhì)疏松、萎縮、變形等一系列癥狀。
還可導(dǎo)致高血壓、腎功能紊亂、肝損害、肺水腫、貧血等疾病以及神經(jīng)和大腦損傷， 甚至誘發(fā)癌癥。
3
鎘對(duì)植物的影響
雖然鎘不是植物的必需元素，但植物并不排斥對(duì)鎘的吸收，又因土壤中的鎘有較強(qiáng)的向植物根系遷移的能力，因此植物往往容易富集鎘。
植物種植在鎘污染的土地上，會(huì)危害植物對(duì)氮、磷、鉀等必需營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用和轉(zhuǎn)運(yùn)，鎘能夠通過多種方式干擾植物正常的光合作用、呼吸作用等生理過程，也會(huì)對(duì)植物酶系統(tǒng)，營(yíng)養(yǎng)元素代謝，細(xì)胞形態(tài)與功能等方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)水稻本身?yè)碛械哪承┆?dú)特基因，使水稻根系吸收土壤中鎘的能力較強(qiáng)，比如：水稻對(duì)于鎘污染的吸附作用明顯強(qiáng)于玉米、大豆等其他的作物品種。
而這些吸附的鎘會(huì)在水稻的米粒中大量富集，所以鎘污染在水稻米粒中表現(xiàn)得尤為突出。
一旦人直接食用這些鎘米，或者家禽等食用后在體內(nèi)富集，再通過食物鏈進(jìn)入人體，都會(huì)引起慢性中毒，嚴(yán)重威脅人類健康。
此外，稻米作為東亞地區(qū)最主要的糧食作物，在多地餐桌上屬于不可或缺的角色。東亞地區(qū)的飲食結(jié)構(gòu)，也無形中促進(jìn)了鎘通過稻米向人體轉(zhuǎn)移的過程。
圖 東亞地區(qū)飲食結(jié)構(gòu)
4
“痛痛病”事件后續(xù)
發(fā)生在日本富山縣的神通川污染事件中，從神田礦山的采礦活動(dòng)中泄露或排放到神通川中的鎘經(jīng)過縱橫交錯(cuò)的灌溉水道系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)散到水田中，逐漸富集下來。
上世紀(jì)70年代，距離痛痛病被媒體廣泛披露已經(jīng)過去了十幾年，伴隨著對(duì)受害者的賠償?shù)壬坪蠊ぷ鞯恼归_，富山縣政府對(duì)神通川沿岸農(nóng)地進(jìn)行了鎘含量的精確測(cè)定。
結(jié)果表明，神通川左、右岸分別有1480和1648公頃土地被認(rèn)定為遭受了鎘污染，其中的1500公頃被認(rèn)定為需要重新對(duì)土質(zhì)進(jìn)行無害化去鎘處理。在這一區(qū)域內(nèi)，鎘含量最高達(dá)到2.0 ppm，表層、深層土壤中的平均含量分別為1.12和0.7 ppm。
由于水稻對(duì)鎘元素的富集作用，在以上區(qū)域內(nèi)，即便采樣土壤中的鎘含量相對(duì)較低，水稻脫殼糙米中仍然含有相當(dāng)高的鎘含量。
根據(jù)日本食品衛(wèi)生法中的基準(zhǔn)值，富山縣認(rèn)定糙米中鎘含量超過1.0ppm即為污染米。受此影響，230個(gè)檢出地點(diǎn)的水稻種植被迫暫停，農(nóng)戶得到了三井金屬礦業(yè)集團(tuán)的相應(yīng)補(bǔ)償。鎘含量在0.4ppm到1.0ppm之間的糙米被認(rèn)定為準(zhǔn)污染米，經(jīng)鐵丹(主要成分為三氧化二鐵的傳統(tǒng)染料)染色后作為工業(yè)用糊精銷往相關(guān)企業(yè)。
由于作為食用米與作為工業(yè)原料的“事故米”(注：日文說法，泛指黃曲霉素，鎘元素等毒物超標(biāo)的大米)之間存在銷售價(jià)格上的顯著落差，以守法著稱的日本企業(yè)界也不免產(chǎn)生鋌而走險(xiǎn)的害群之馬。
2008年，總部位于大阪的三笠食品株式會(huì)社，多年以來以事故米冒充食用米進(jìn)行銷售的罪行遭到揭露，日本國(guó)內(nèi)一片嘩然，該事件最終導(dǎo)致了日本當(dāng)時(shí)的農(nóng)林水產(chǎn)大臣太田誠(chéng)一的辭任。
事件風(fēng)波后，日本政府規(guī)定，鎘含量超過0.4 mm的糙米一律進(jìn)行焚化處理，不再用于工業(yè)用途，受到該規(guī)定影響的準(zhǔn)污染米據(jù)稱每年有1000噸之多。
5
世界各國(guó)大米鎘污染現(xiàn)狀
關(guān)于稻米鎘超標(biāo)的食品安全問題也正在成為中國(guó)社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，國(guó)家農(nóng)業(yè)部稻米質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心也曾對(duì)我國(guó)市場(chǎng)的稻米進(jìn)行安全性抽檢，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎘超標(biāo)率高達(dá)10.3%。
詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析顯示：南方市場(chǎng)上稻米的鎘污染比北方更嚴(yán)重，如江西、湖南的一些縣市，稻米鎘超標(biāo)的問題非常突出。
雖然湖南是“鎘米”事件爆發(fā)的主要省份，但實(shí)際上存在大米鎘超標(biāo)問題的省份遠(yuǎn)不止這一個(gè)，鎘污染等土壤環(huán)境惡化帶來的稻米等農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量問題已成為危害我國(guó)的戰(zhàn)略安全問題。
據(jù)報(bào)道，我國(guó)居民平均人體鎘攝入量是美澳等國(guó)的兩倍多，所幸，與世界多國(guó)相比，我國(guó)的大米鎘污染狀況還不算是最為嚴(yán)重的。
我國(guó)2013年6月1號(hào)開始執(zhí)行的新版食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《食品中污染物限量》(GB2762-2012)中規(guī)定，大米鎘含量不得超過0.2ppm。
應(yīng)該說，這一數(shù)值在世界各國(guó)中都是相對(duì)低的，十分嚴(yán)格，這得益于我國(guó)鎘含量超標(biāo)的土地占耕地面積的比例較低，因此實(shí)施相對(duì)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)也有充足的操作空間。
日本即使經(jīng)歷了“痛痛病”這樣的嚴(yán)重公害事件，市售大米的平均鎘含量仍然要超過我國(guó)，這是由日本高鎘土質(zhì)的資源國(guó)情所決定的。很多人迷信日本大米的高品質(zhì)，花了大價(jià)錢買來的海淘高價(jià)米，鎘含量還可能稍稍高過普通國(guó)產(chǎn)米。當(dāng)然，日本大米的口感還是值得品鑒的，這里并無貶低之意。
除了日本之外，大米中鎘含量較高的國(guó)家還有印度、斯里蘭卡、孟加拉國(guó)、伊朗、哥倫比亞等國(guó)，超標(biāo)的原因除了工業(yè)污染之外，主要來自于當(dāng)?shù)赝寥雷陨磔^高的鎘含量。
可見，稻米除鎘乃是世界性的健康議題，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。
6
大米除鎘技術(shù)
世界上目前在開發(fā)以及應(yīng)用中的大米除鎘技術(shù)主要有土壤改造法、鎘稻吸收法以及輻照育種法等。
在這幾項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用中，高鎘土質(zhì)遍布全國(guó)的日本具有相對(duì)領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)力。這兩種技術(shù)與此次袁隆平院士開發(fā)的水稻親本去鎘技術(shù)分別屬于三條完全不同的技術(shù)路線。
土壤改造法利用化學(xué)試劑淋洗去除鎘，或者直接利用鎘含量較低的土質(zhì)替換高鎘土，技術(shù)含量較低，成本較高，并且額外加入的化學(xué)試劑長(zhǎng)期的環(huán)境穩(wěn)定性仍然存有疑問。
該技術(shù)的好處是具有立竿見影的除鎘效果，日本富山縣的數(shù)個(gè)污染區(qū)域都是采用土壤改造的方式加以修復(fù)還原的。
鎘稻吸收法則是利用了水稻富集鎘元素的特性。
水稻是一個(gè)品系眾多的作物種類，很多水稻品種并非食用稻種，但是他們卻具備更強(qiáng)的富鎘能力。在高鎘土壤中種植非食用的水稻，經(jīng)過3到5年的周期，可以使土壤中的鎘含量降低到之前的一半以下。再用這種經(jīng)過脫鎘處理的土壤進(jìn)行稻米種植，自然可以降低大米中的鎘含量。
這種方法的好處是不會(huì)引入額外的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，不過比較長(zhǎng)的周期必定帶來相當(dāng)高的實(shí)施成本。
輻照育種利用放射源處理植物種子，誘發(fā)育成植株的突變。再根據(jù)突變后的的性狀和育種要求對(duì)突變體進(jìn)行選擇以及鑒定。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是變異頻率可以達(dá)到自然狀態(tài)下的1000倍，并且突變后的性狀具有廣譜性，植株形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及生理生化等方面均可發(fā)生深刻變化。
不過輻照育種的缺陷也十分明顯，發(fā)生誘變的方向難以控制，隨機(jī)性巨大，同時(shí)產(chǎn)生的有利突變較少，大部分是劣變體。簡(jiǎn)單來說，就是用霰彈槍打遠(yuǎn)靶，雖然子彈飛出去不少，能不能命中卻全看運(yùn)氣。
此次袁老開發(fā)的親本除鎘技術(shù)，雖然在技術(shù)細(xì)節(jié)上仍然不為公眾所知，但是顯然與以上幾種方式截然不同。
此前，袁老在“雙新會(huì)”上宣布：“近期我們?cè)谒居N上有了一個(gè)突破性技術(shù)，可以把親本中的含鎘或者吸鎘的基因‘敲掉’，親本干凈了，種子自然就干凈了。”
親本除鎘技術(shù)從根本上改造了水稻，讓水稻從容易富集鎘的植物變成對(duì)鎘吸收較少的植物，自然會(huì)相應(yīng)降低水稻稻種也就是大米中的鎘含量。
下面我們就從媒體此次報(bào)道的細(xì)枝末節(jié)中，試圖還原水稻親本去鎘技術(shù)的本尊。
7
水稻親本去鎘技術(shù)
不同水稻品種對(duì)于鎘污染的積累是不同的。
一般認(rèn)為，在不同水稻品種中，超級(jí)稻向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力最強(qiáng)的，其次是雜交稻，最后是常規(guī)稻。
研究人員發(fā)現(xiàn)，不同類型和品種的水稻稻米中含鎘量也存在較大的差異，其結(jié)果為：
特種稻>常規(guī)早秈稻>三系雜交晚稻>兩系雜交晚稻>常規(guī)晚稻>常規(guī)粳稻>爪哇稻。
而不同水稻品種類型間對(duì)鎘的吸收積累量一般認(rèn)為：
秈稻>粳稻，新株型稻介于二者之間。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，各水稻品種對(duì)鎘吸收積累能力的不同是由于各水稻品種的基因型間的差異所致。
這些優(yōu)質(zhì)的鎘吸收的基因型位點(diǎn)，主要分布在中國(guó)科學(xué)家多年來收集的水稻種質(zhì)資源庫(kù)中，目前，水稻功能基因組學(xué)的研究者們正通過對(duì)這些基因位點(diǎn)的分子克隆和功能驗(yàn)證，逐步解析控制水稻鎘吸收等性狀的關(guān)鍵基因。
解析后，可以將這些科學(xué)成果與設(shè)計(jì)育種思路相結(jié)合，培育出一批優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、耐鎘的優(yōu)良水稻新品種。
遺憾的是，目前，我們并未得到確切信息闡述袁隆平院士這一關(guān)鍵技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)(可能技術(shù)保密)。
我大膽猜測(cè)可能是通過如下兩種方式：
第一種是袁隆平院士在水稻的種質(zhì)資源庫(kù)中發(fā)現(xiàn)了水稻鎘吸收關(guān)鍵基因‘失效’的水稻植株A，該植株A在鎘污染的土地上能夠正常生長(zhǎng)，所結(jié)的稻米不含重金屬鎘，將該植株A作為親本，制備雜交稻，雜交稻將保持親本干凈的背景，稻米也不含重金屬鎘污染。
第二種方式是袁隆平院士通過生物技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)了水稻鎘吸收的關(guān)鍵基因，并利用水稻育種技術(shù)將該基因成功去除，獲得了親本，進(jìn)一步用這些親本培育的水稻品種將不能吸收土地中的鎘，稻米中也不含鎘污染。那些鎘污染土地上也將可以種上成片成片的稻田，也將結(jié)出無污染、綠色優(yōu)質(zhì)的稻米。
此次水稻親本去鎘技術(shù)的成功，袁隆平院士又對(duì)水稻育種技術(shù)創(chuàng)新做出了巨大的貢獻(xiàn)。他過去解決了中國(guó)人的“吃得飽”問題，現(xiàn)在又解決了中國(guó)人乃至全人類“吃得安全、吃得放心”這一難題。
近年來，中國(guó)的水稻研究連續(xù)取得了突破性進(jìn)展，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·植物》專門撰文介紹了中國(guó)水稻研究從跟蹤到領(lǐng)跑的過程，將這樣的表現(xiàn)稱之為“中國(guó)的復(fù)興”。在袁隆平作為開創(chuàng)者及帶頭人的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)體的共同努力下，中國(guó)水稻研究正走在世界前列。
網(wǎng)上的資料顯示，袁老于1930年9月7日(處女座威武!)出生，今年已經(jīng)是87歲高齡了。
而袁老還奮斗在育種工作的第一線，并不斷產(chǎn)出科研成果。
袁老辛苦了!
向袁老及各位戰(zhàn)斗在一線的科學(xué)家們致敬！
