水稻中無機砷的危害與防治

黃冰清

（肥東縣農業科學研究所，安徽合肥 231600）

大米是一種重要的主食，全世界50%以上的人口以大米為主食。但隨著大米消費量的日益增長，在大米食用過程中，其中的砷物質也會進入人體，從而危害人體健康。稻田淹水導致土壤中砷的溶解度和生物有效性大幅度增加，因此水稻比其他谷類作物能吸收更多的砷，而且這些從土壤中吸收的砷將在水稻中進一步富集，對水稻的品質及其營養產生不利影響。砷按照存在形態可以分為有機砷和無機砷，在自然水體中主要以無機砷的形式存在，其中又以砷酸鹽[As（V）] 、亞砷酸鹽[As（Ⅲ）] 為主體。無機砷對人體具有致癌性，即使飲食中含量很低，也會給人體健康帶來巨大的風險。水稻基因有多種類型，不同基因型的水稻對于砷的積累程度存在顯著的差異。因此確定水稻基因型和水稻中砷的積累程度，對于篩選優良的水稻品種、減少水稻中砷的含量具有重要的意義。此外，加強灌溉水管理，合理使用肥料和土壤改良劑，也能夠有效降低水稻中砷的含量。

1 砷的危害

砷（As）是飲用水和糧食作物中最具威脅的環境污染源之一，在南美洲和東南亞部分地區，大部分人口依靠地下水提供飲用水及種植農作物，其中就包括灌溉水稻。水稻已被確定為無機砷的重要來源，不同類型或不同產地的水稻中砷的含量變化很大，大多數濃度范圍為0.02～0.90 mg/kg，對以大米為主食的人口的健康是一個嚴重的威脅。

砷元素廣泛存在于自然界中，砷與其化合物被大規模運用于農藥、除草劑、殺蟲劑與多種合金中。砷化合物可經呼吸道、皮膚和消化道吸收，無機砷毒性強于有機砷，人體口服三氧化二砷的中毒劑量為5～50 mg，致死量為 70～180 mg，長期少量吸入或口服可產生慢性中毒。砷可損害胃腸道系統、呼吸系統、皮膚和神經系統、心血管系統、肝腎系統、血液系統和生殖系統，增加患皮膚癌、肺癌的風險性。鑒于砷的重大危害，有必要將現有研究的重點放在評估水稻中砷的存在與砷的生物利用度，以了解其攝入的風險并予以降低。

2 水稻中砷的來源

在自然界中，砷化合物主要存在于沖擊形成的三角洲沉積物、火山巖以及溫泉中，這些沉積物風化后可導致砷化合物在自然界的流動。其他的砷來源于人類活動，比如采礦、施用農藥、存儲木材、燃燒煤炭等。隨著砷在自然界的流動，有一部分進入了地下水或河流中，然后人類使用含有砷的水源灌溉水稻，最終使得砷進入了水稻中。此外，人類還使用了含有砷的農藥或化肥，這也會進一步提高水稻中砷的含量。水稻在淹水稻田土壤中作為低地作物種植，由于氧化鐵或氫氧化物的還原溶解，亞砷酸鹽[As（III）] 的流動性高于砷酸鹽[As（V）] 。在厭氧條件下砷的這種還原性使得其進入水稻中的可能性大大提高，從而導致水稻谷粒和其他部分（如根和稻草）中砷的含量逐漸增加。英國科學家諾頓等人研究了在孟加拉國和中國受到砷污染的土壤中種植的水稻，秧苗中砷濃度為13%～17%，谷粒中砷濃度為3%～4%。此外，用含有砷的水源灌溉土壤，還會導致砷的沉積，嚴重影響水稻產量，對該地區的農業可持續發展構成嚴重威脅。

水稻對砷的生物累積與土壤和環境因素以及水稻物種性質有關。許多研究表明，水稻基因型在谷粒的砷濃度和砷形態中存在顯著的遺傳變異。在水稻中，染色體6和染色體10上有3個相互作用的位點，它們維持遺傳變異以調節砷的耐受性。

3 水稻中砷的吸收和運轉

水稻中砷的吸收和運轉，受根系土壤中砷含量濃度的影響很大，土壤和地下水中硅和磷的含量也會影響水稻對砷的吸收。水稻攝取砷的主要途徑是磷酸鹽的轉運途徑，因為As（V）是磷酸鹽的類似物，而As（III）（硅酸類似物）和未離解的甲基化砷物種二甲基胂酸（DMA）及單甲基胂酸（MMA）通過水通道蛋白進入水稻根部。不同砷物種的攝取效率存在顯著差異，甲基化砷物種的吸收效率相對低于無機砷物種，但甲基化砷物種的轉運效率更高。研究表明，水稻籽粒中砷的轉移量大于其他谷物，這種轉移率的差異可能是由于好氧和厭氧土壤中砷的形態和動態的差異。

4 降低水稻中砷含量的方法

為了降低水稻中砷的濃度和毒性，必須使用新型肥料代替傳統的施肥方法。關于硅和硒對砷積累的影響已有很多報道，證明硅具有降低砷毒性的重要作用，國際上越來越多地使用硅肥料來取代其他肥料。而且硅肥料中有一部分是工業副產品，如來自鋼鐵制造過程中的堿性爐渣。硅肥已被世界各國廣泛應用，可有效降低水稻中砷的積累量，還可以提高水稻產量。向土壤中添加20 g/kg的二氧化硅，可使水稻秸稈和谷粒中的砷濃度分別降低78%和16%。此外，硝酸鹽肥料對減少砷的吸收也有積極作用，試驗表明，添加硝酸鹽可以減少水稻對砷的吸收，其原理是硝酸鹽可以抑制Fe（III）還原和刺激硝酸鹽依賴型 Fe（II）氧化，使得砷與土壤中的 Fe（III）結合，從而被固化在土壤中，不會被水稻的根系吸收。

除了選擇新型肥料來減少水稻中砷的含量外，另外一個常用的手段就是水管理技術，也能非常有效地解決水稻籽粒中砷過量積累的問題。水控制技術除了能夠節約用水，還意味著減少了使用被砷污染的地下水灌溉稻田，有利于提高水稻產量，確保糧食安全。研究表明，與淹水田相比，在好氧土壤中采取水管理技術，將使砷的攝取量減少10倍。對室內農作物進行的試驗也呈現類似的結果，與連續淹水相比，在有氧條件下土壤的砷濃度降低。進一步研究表明，在水稻營養生長或生殖生長期間，增加有氧條件，結果顯示水稻籽粒中砷的含量分別降低了80%和50%。盆栽研究還顯示，在抽穗前3周進行有氧治療，抽穗后能有效減少水稻中砷的濃度，間歇性淹水也降低了砷的攝取量（根、莖、葉分別降低了23.33%、13.84%、19.84%）。在有氧土壤條件下，As（V）是優勢種，而在淹沒土壤條件下，As（III）是優勢種。還有研究表明，水管理技術結合定期暴露土壤中的砷物質，可以減少水稻籽粒中的砷含量。最近的一項實地研究結果表明，在淹水處理中，孔隙水中的As（III）是砷的主要種類，占砷總量的87.3%～93.6%，而在非淹水處理中，As（V）是優勢種，占90%～96%。美國阿肯色州斯圖加特市的一項研究表明，與傳統栽培方法相比，水管理技術可以提高水稻產量，谷粒和秸稈中砷的濃度分別降低62%和86%。

5 結語

砷廣泛分布于自然界，通過飲用水和食物影響人類健康。由于食用大米的人口數量眾多，其中含有的無機砷對人類健康造成了嚴重威脅。受到砷污染的土壤和灌溉水，還會降低水稻的產量和質量。該文論述了2種目前普遍采用的降低水稻砷含量的方法，今后更多更優良的方法也將得到開發和應用，以實現大米產量增長、質量更加安全的目標。