從國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目分析應(yīng)對土壤鎘污染的研究發(fā)展方向

1、    從國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目分析應(yīng)對土壤鎘污染的研究發(fā)展方向    張標(biāo)金等摘 要 為探討應(yīng)對日益嚴(yán)重的土壤鎘（cadmium， cd）污染的研究發(fā)展方向，分析了20002013年國家自然科學(xué)基金批準(zhǔn)資助的155個與之相關(guān)的項(xiàng)目。結(jié)果表明：這些項(xiàng)目主要由面上項(xiàng)目和青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助；近年來，相關(guān)項(xiàng)目的資助力度正逐步加大；所有項(xiàng)目可分為9大研究方向，其中以植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)積累鎘的機(jī)理和相關(guān)基因研究所占總項(xiàng)目數(shù)的比例最大。對未來的研究方向也作了展望。關(guān)鍵詞 鎘 ；土壤 ；國家自然科學(xué)基金 ；資助項(xiàng)目分類號 x53abstract in order to

2、probe into the research fields to reply the increasingly serious soil cadmium （cd） contamination， 155 related projects supported by national natural science foundation of china （nsfc） in 2000-2013 were studied. the results indicated： the projects were mainly supported by general program and youth sc

3、ience fund project. in recent years， the support intensity of related projects was gradually increasing. all the projects can be classified into 9 research fields， and studies about the mechanism and related genes of cadmium absorption， transportation and accumulation in plants account for a largest

4、 fraction in all the projects. furthermore， prospects for further study were summarized.kewwords cadmium ； soil ； national natural science foundation of china ； supported project近一百年來，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展和城市化的無限制擴(kuò)張，金屬礦被大量開采，冶煉廢氣、工業(yè)污水和城市垃圾常常超標(biāo)排放，農(nóng)用化學(xué)品無節(jié)制施用等導(dǎo)致我國環(huán)境鎘（cadmium， cd）污染日益加重。據(jù)1975年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，歐洲和美國每年分別向環(huán)境中釋放

5、約6 118 t和761.3 t鎘，其中分別有94%和81.8%進(jìn)入土壤，其中很大一部分為農(nóng)業(yè)土壤。污灌常常是鎘等重金屬進(jìn)入土壤的主要途徑之一，我國11 個污灌區(qū)遭受cd 污染的農(nóng)田就有12 000 hm21， 如沈陽張士灌區(qū)嚴(yán)重污染區(qū)土壤的含cd 量高達(dá)57 mg/kg， 稻米中含cd 也達(dá)12 mg/kg2，嚴(yán)重超過了大米含鎘小于0.2 mg/kg的國家標(biāo)準(zhǔn)。鎘在環(huán)境中活性較強(qiáng)，在土壤-植物系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的遷移能力3。作物生長在鎘污染的土壤上，生長發(fā)育受到抑制，產(chǎn)量品質(zhì)被嚴(yán)重影響，其吸收和積累的鎘進(jìn)入食物鏈而嚴(yán)重威脅人類健康。鎘在人體中的富集不僅會引起胃腸不適、貧血、高血壓、腎損害以及對生

6、殖細(xì)胞的選擇性毒害，還影響鈣、磷代謝使骨骼生長代謝受阻，甚至致癌和致畸4-5。因而，如何減輕直至解決土壤鎘污染的危害成為政府和廣大科技工作者的重要研究課題。為減輕土壤鎘污染的危害，國內(nèi)外科技工作者已進(jìn)行了大量的相關(guān)研究工作。目前，已經(jīng)揭示了鎘對植物的主要危害與機(jī)理和植物應(yīng)對鎘脅迫時的一些應(yīng)對策略6-9，如植物螯合肽（phytochelatin，pc）的絡(luò)合、液泡的區(qū)室化等；發(fā)現(xiàn)了植物中鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律與調(diào)控過程和其中的一些重要基因10-15；探索了通過植物修復(fù)等降低土壤鎘危害的途徑及石灰等土壤改良劑減少作物中鎘含量的作用16-19。近年來，我國也加大了針對土壤鎘污染的項(xiàng)目支持力度和科研步伐，

7、但仍有很多關(guān)鍵問題尚未探清，需要做更深入的研究。為此，本文分析了20002013年國家自然科學(xué)基金與應(yīng)對土壤cd污染相關(guān)的項(xiàng)目資助情況，旨在探索解決我國土壤鎘污染問題的研究發(fā)展方向，為我國從事相關(guān)研究工作的科技工作者提供參考。1 概況20002013年，國家自然科學(xué)基金共批準(zhǔn)資助相關(guān)研究項(xiàng)目155項(xiàng)，其中面上項(xiàng)目84項(xiàng)（3 929.5萬元）；青年科學(xué)基金項(xiàng)目65項(xiàng)（1 492萬元）；地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)（161萬元）；國際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目1項(xiàng)（100萬元）；總經(jīng)費(fèi)5 682.5萬元。各類項(xiàng)目數(shù)和資助金額所占百分比總結(jié)如圖1、2所示。從年度資助的項(xiàng)目數(shù)（圖3）來看，資助項(xiàng)目呈不斷增加趨勢，

8、特別是2006年以來，增長明顯加快。這說明隨著近年鎘污染公共事件的增多，鎘污染問題正日益引起政府部門和廣大科技工作者的高度重視，并加大了資助力度和加快了相關(guān)研究步伐。2 研究方向針對日益嚴(yán)重的鎘污染形勢，廣大科技工作者已經(jīng)開展了大量的研究工作，從已有的研究來看，主要集中于兩大方面：一方面是揭示土壤-植物系統(tǒng)中鎘行為與危害及其機(jī)理，植物對鎘脅迫的響應(yīng)規(guī)律、機(jī)制和分子機(jī)理等；另一方面是探索如何治理土壤鎘污染，減輕其危害，如鎘的凈化、鈍化等。從20002013年獲得國家自然科學(xué)基金批準(zhǔn)資助的155項(xiàng)項(xiàng)目，也可以體現(xiàn)應(yīng)對土壤鎘污染的具體研究和發(fā)展方向。（1）土壤鎘積累的地球化學(xué)過程和遷移規(guī)律20項(xiàng)，涉

9、及土法煉鋅時鎘的釋放規(guī)律和環(huán)境危害，富鎘鉛鋅礦、煤礦、長江下游沖積土、三峽庫區(qū)高鎘地質(zhì)背景區(qū)、長江流域典型礦區(qū)、稻田土壤、湖泊等區(qū)域鎘的地球化學(xué)過程和對環(huán)境的影響，紅壤地區(qū)和其他地表環(huán)境中鎘的來源、積累、遷移特征和相關(guān)驅(qū)動因子分析，鎘與其他環(huán)境因子如硼、苯并a芘、四溴雙酚-a、paes等在土壤中的交互作用和相關(guān)機(jī)理，凍融作用、污灌區(qū)土壤鹽堿化、公路鋪曬工業(yè)鹽等對土壤中鎘的遷移行為的影響，“稻鴨共生”生態(tài)系統(tǒng)中鎘的遷移規(guī)律。endprint（2）植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)積累鎘的機(jī)理和相關(guān)基因研究56項(xiàng)，主要涉及水稻、小麥、大麥、油菜、東南景天、花生、龍葵、大豆、小白菜、大白菜、蘿卜、三葉鬼針草、菱蒿、楊樹、

10、苧麻、忍冬、馬蘭根、蕓苔屬蔬菜、濕地植物和超積累植物等植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和積累鎘的生理生化與分子機(jī)理和遺傳基礎(chǔ)研究，mxirt1、擬南芥cdr2、xcd1、zbp1、microrna395、vew1轉(zhuǎn)錄子、東南景天saref1及mtp基因家族、sahma3、金屬耐受蛋白mtp、microrna、mir166、油菜mir159/167和abc/nramp1、大豆gmhma3、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（gst）等基因和分子在植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)與積累鎘中的功能，細(xì)胞壁、液泡、植物鐵載體、植物螯合肽等在植物鎘積累中的作用及機(jī)理，血紅素加氧酶-1/一氧化碳信號系統(tǒng)、一氧化氮、硫化氫在植物耐鎘脅迫中的作用機(jī)制，鎘與蛋白結(jié)合機(jī)理

11、及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。（3）鎘脅迫對植物的影響和相關(guān)機(jī)制16項(xiàng)，其研究內(nèi)容主要包括鎘脅迫對各類植物形態(tài)特征與生物/急性毒性、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理生化響應(yīng)特征、細(xì)胞骨架及細(xì)胞壁建成和細(xì)胞壁果膠合成與去甲酯化、氧化代謝與鈣信使、鐵營養(yǎng)調(diào)控、鉀離子泄漏、microrna合成、基因突變及甲基化改變、青蒿素積累、光合作用、土壤氮循環(huán)和遷移等的影響及相關(guān)機(jī)制。（4）微生物耐鎘機(jī)理和相關(guān)基因研究6項(xiàng)，主要包括細(xì)菌、牛肝菌、am真菌、雙孢蘑菇、酵母等微生物的鎘耐受機(jī)理及相關(guān)基因的克隆與表達(dá)。（5）外在因素對植物鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響28項(xiàng)，主要涉及土壤改良劑如秸稈還田、赤泥、生物質(zhì)炭，微生物如鐵氧化細(xì)菌、外生菌根真菌、叢支菌根

12、真菌和伯克氏菌，其他元素與化合物包括鈣、硅、鐵、硫、硒、共價陽離子、二氧化碳、水楊酸、精胺、低分子量有機(jī)酸、金屬螯合肽等，不同栽培環(huán)境（方式）如淹水環(huán)境、水分管理、不同ph、施肥等，以及土壤鐵錳化學(xué)過程等因素對植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和積累鎘的影響及其機(jī)制。（6）土壤的植物、微生物和物理修復(fù)12項(xiàng)，主要研究油菜、紫茉莉、棉花、馬櫻丹、紫莖澤蘭-amf、細(xì)菌強(qiáng)化的植物等多種植物修復(fù)鎘污染的機(jī)理，植物修復(fù)的根際調(diào)控機(jī)理，土壤鎘污染的微生物修復(fù)機(jī)理，物理性吸附劑對鎘的分離富集。（7）鎘污染土壤中植物/微生物-土壤互作研究9項(xiàng)，主要內(nèi)容有植物根系對鎘脅迫的識別與調(diào)控和根際特征與環(huán)境效應(yīng)，土壤-植物系統(tǒng)中鎘污染預(yù)警

13、和遷移規(guī)律，鎘與土壤微生物的相互作用機(jī)制等。（8）不同積累鎘能力植物資源的篩選7項(xiàng)，包括寶山堇菜、油菜、大麻、辣椒、花生等種質(zhì)資源的篩選和鎘積累的生理生化基礎(chǔ)研究5項(xiàng)，另1項(xiàng)為開發(fā)了一種鎘高積累蔬菜品種分子標(biāo)識新方法。（9）土壤鎘污染的檢測技術(shù)1項(xiàng)，研究開發(fā)了一項(xiàng)定向進(jìn)化構(gòu)建細(xì)菌傳感器檢測環(huán)境中鎘污染的技術(shù)。綜合來看，“植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)積累鎘的機(jī)理和相關(guān)基因研究”在所有資助項(xiàng)目中所占比例最大，其次為“外在因素對植物鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響”（圖4），而“土壤鎘污染的檢測技術(shù)”研究只有1項(xiàng)。目前鎘含量的檢測方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法（icp-ms）、原子吸收光譜法（aas）、同位素稀釋質(zhì)譜法（id-ms）

14、等，這些方法的檢測精度和靈敏度都很高，但都需要復(fù)雜的前處理和專門的儀器設(shè)備，檢測時間較長，難以滿足很多情況下的實(shí)際需要，因而應(yīng)加強(qiáng)快速檢測技術(shù)方面的研究工作。3 展望自1968年日本報(bào)道“痛痛病”是由鎘污染引發(fā)以來，土壤鎘等重金屬污染治理研究一直成為農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而我國有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品中鎘等有毒重金屬超標(biāo)的問題也日益突出，中毒事件時有發(fā)生，而且這種情形有隨著工業(yè)化的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快而呈加劇的趨勢。在此大背景下，相關(guān)研究工作雖然取得了一些進(jìn)展，但整體上相對比較落后，研究水平不高，比如鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的很多關(guān)鍵機(jī)理還未知，相關(guān)治理措施也仍處于試驗(yàn)探討階段，還未能大規(guī)模地應(yīng)

15、用于生產(chǎn)實(shí)踐。在科學(xué)發(fā)展主導(dǎo)技術(shù)進(jìn)步的今天，全面推進(jìn)各研究方向的快速發(fā)展，是治理土壤鎘污染，保障人民生命健康的迫切需要。（1）鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的地球化學(xué)行為、形態(tài)轉(zhuǎn)化及其遷移過程等研究。鎘在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過程受多種生物和地球化學(xué)因素的調(diào)控，其中土壤ph和氧化還原狀況是影響鎘存在形態(tài)的主要因素，探明土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)中鎘的來源、化學(xué)行為、遷移轉(zhuǎn)化過程及其驅(qū)動因素和對環(huán)境的影響是在污染區(qū)建立鎘污染控制指標(biāo)體系不可缺少的研究內(nèi)容。（2）植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和累積鎘的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)理。植物對鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和積累涉及很多基因的表達(dá)調(diào)控和復(fù)雜的生理生化過程，盡管在此方面的研究取得了一些進(jìn)展，但仍有很多尚未解

16、決的問題，如植物對土壤鎘活化吸附的根際過程，不同耐鎘能力植物吸收和積累鎘差異的遺傳基礎(chǔ)和關(guān)鍵遺傳位點(diǎn)，植物對鎘脅迫響應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，與鎘脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)調(diào)控模式，鎘通過木質(zhì)部和韌皮部向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)積累過程等，這些都有待從生理生化和分子水平的進(jìn)一步研究。對這些問題的探索將有助于進(jìn)一步了解植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和積累鎘的整體過程與機(jī)制，進(jìn)而有望人為地調(diào)控其中的某些過程，以提高植物對鎘污染的耐受能力，或減少對鎘的吸收。（3）控制農(nóng)產(chǎn)品中鎘污染的綜合治理措施研究。影響植物積累鎘的因素主要有兩個方面：植物自身的因素，即植物種類差異和品種基因型差異；環(huán)境因素，如土壤、空氣、水等。因而，控制農(nóng)產(chǎn)品中鎘污染應(yīng)從以下兩

17、方面入手：廣泛收集耐鎘污染的植物種質(zhì)資源，培育出耐、抗、低吸收或可食部位少富集鎘的植物新品種；環(huán)境鎘污染的控制和治理。加強(qiáng)生物修復(fù)、化學(xué)措施、田間管理等措施治理土壤鎘污染的研究和技術(shù)示范與推廣，特別是將各種措施組裝配套使用，較單一措施可以提高對鎘污染的控制效果。土壤生態(tài)環(huán)境較為復(fù)雜，各種重金屬間和重金屬與其他污染物間往往存在協(xié)同、拮抗、屏蔽和獨(dú)立作用20，使鎘的生態(tài)效益受到多種因素的影響，因而還需加強(qiáng)鎘與其他污染物復(fù)合污染條件下的治理措施研究。endprint參考文獻(xiàn)1 廖自基. 微量元素的環(huán)境化學(xué)及生物效應(yīng)m. 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社，1993：299-302.2 吳燕玉，陳 濤，等.

18、沈陽張士灌區(qū)cd 污染生態(tài)研究j. 生態(tài)學(xué)報(bào)，1989，9（1）：21-26.3 顧繼光，林秋奇，胡 韌，等. 土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染的治理途徑及其研究展望j. 土壤通報(bào)，2005，36（1）：128-133.4 野見山一村. 關(guān)于鎘對健康影響的最新認(rèn)識與展望j. 食品衛(wèi)生研究，1979，28（10）：7-20.5 張?zhí)矣ⅲw連佳. 北京市海淀區(qū)市場銷售豬腎中鎘含量情況調(diào)查j. 現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2007，34（1）：16-19.6 sandalio l m， dalurzo h c，gomez m， et al. cadmium-induced changes in the growth a

19、nd oxidative metabolism of pea plants j. journal of experimental botany， 2001， 52（364）： 2115-2126.7 schutzendubel a， schwanz p， teichmann t， et al. cadmium-induced changes in antioxidative systems， hydrogen peroxide content， and differentiation in scots pine roots j. plant physiology， 2001， 127（3）：

20、887-898.8 schutzendubel a， polle a. plant responses to abiotic stresses： heavy metal-induced oxidative stress and protection by mycorrhization j. journal of experimental botany， 2002， 53（372）：1351-1365.9 zhu r， macfie s m， ding z f. cadmium-induced plant stress investigated by scanning electrochemic

21、al microscopyj. journal of experimental botany， 2005， 56（421）： 2831-2838.10 uraguchi s， mori s， kuramata m， et al. root-to-shoot cd translocation via the xylem is the major process determining shoot and grain cadmium accumulation in ricej. journal of experimental botany， 2009， 60（9）： 2 677-2 688.11

22、ogawa i， nakanishi h， mori s， et al. time course analysis of gene regulation under cadmium stress in rice j. plant soil， 2009（325）： 97-108.12 fujimaki s， suzui n， ishioka n s， et al. tracing cadmium from culture to spikelet： noninvasive imaging and quantitative characterization of absorption， transp

23、ort， and accumulation of cadmium in an intact rice plantj. plant physiology， 2010， 152（4）： 1 796-1 806.13 dalcorso g， farinati s， furini a. regulatory networks of cadmium stress in plantsj. plant signaling & behavior， 2010， 5（6）： 663-667.14 ishikawa s， suzui n， tanabata s， et al. real-time imagi

24、ng and analysis of differences in cadmium dynamics in rice cultivars （oryza sativa） using positron-emitting 107cd tracerj. bmc plant biology， 2011（11）： 172-183.15 張標(biāo)金，張祥喜，羅林廣. 與植物鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的主要基因家族j. 基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)，2013，32（1）：127-134.16 vamerali t， bandiera m， mosca g. field crops for phytoremediation of me

25、tal-contaminated land， a review j. environ chem lett， 2010（8）： 1-17.17 fotiadis e， lolas p c. phytoremediation of cd contaminated soil through certain weed and crop speciesj. journal of agricultural science and technology， 2011， 1（6a）： 811-817.18 ahmad h r， ghafoor a， corwin d l， et al. organic and

26、inorganic amendments affect soil concentration and accumulation of cadmium and lead in wheat in calcareous alkaline soils j. communications in soil science and plant analysis， 2011 （42）： 111-122.19 pandit t k， naik s k， patra p k， et al. influence of lime and organic matter on the mobility of cadmiu

27、m in cadmium-contaminated soil in relation to nutrition of spinachj. soil and sediment contamination， 2012（21）： 419-433.20 王 新，梁仁祿. 土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬復(fù)合污染物交互作用及生態(tài)效應(yīng)的研究j. 生態(tài)學(xué)雜志，2000，19（4）：38-42.endprint參考文獻(xiàn)1 廖自基. 微量元素的環(huán)境化學(xué)及生物效應(yīng)m. 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社，1993：299-302.2 吳燕玉，陳 濤，等. 沈陽張士灌區(qū)cd 污染生態(tài)研究j. 生態(tài)學(xué)報(bào)，1989，9（1）：21-26

28、.3 顧繼光，林秋奇，胡 韌，等. 土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染的治理途徑及其研究展望j. 土壤通報(bào)，2005，36（1）：128-133.4 野見山一村. 關(guān)于鎘對健康影響的最新認(rèn)識與展望j. 食品衛(wèi)生研究，1979，28（10）：7-20.5 張?zhí)矣ⅲw連佳. 北京市海淀區(qū)市場銷售豬腎中鎘含量情況調(diào)查j. 現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2007，34（1）：16-19.6 sandalio l m， dalurzo h c，gomez m， et al. cadmium-induced changes in the growth and oxidative metabolism of pea plants

29、j. journal of experimental botany， 2001， 52（364）： 2115-2126.7 schutzendubel a， schwanz p， teichmann t， et al. cadmium-induced changes in antioxidative systems， hydrogen peroxide content， and differentiation in scots pine roots j. plant physiology， 2001， 127（3）： 887-898.8 schutzendubel a， polle a. pl

30、ant responses to abiotic stresses： heavy metal-induced oxidative stress and protection by mycorrhization j. journal of experimental botany， 2002， 53（372）：1351-1365.9 zhu r， macfie s m， ding z f. cadmium-induced plant stress investigated by scanning electrochemical microscopyj. journal of experimenta

31、l botany， 2005， 56（421）： 2831-2838.10 uraguchi s， mori s， kuramata m， et al. root-to-shoot cd translocation via the xylem is the major process determining shoot and grain cadmium accumulation in ricej. journal of experimental botany， 2009， 60（9）： 2 677-2 688.11 ogawa i， nakanishi h， mori s， et al. t

32、ime course analysis of gene regulation under cadmium stress in rice j. plant soil， 2009（325）： 97-108.12 fujimaki s， suzui n， ishioka n s， et al. tracing cadmium from culture to spikelet： noninvasive imaging and quantitative characterization of absorption， transport， and accumulation of cadmium in an

33、 intact rice plantj. plant physiology， 2010， 152（4）： 1 796-1 806.13 dalcorso g， farinati s， furini a. regulatory networks of cadmium stress in plantsj. plant signaling & behavior， 2010， 5（6）： 663-667.14 ishikawa s， suzui n， tanabata s， et al. real-time imaging and analysis of differences in cadm

34、ium dynamics in rice cultivars （oryza sativa） using positron-emitting 107cd tracerj. bmc plant biology， 2011（11）： 172-183.15 張標(biāo)金，張祥喜，羅林廣. 與植物鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的主要基因家族j. 基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)，2013，32（1）：127-134.16 vamerali t， bandiera m， mosca g. field crops for phytoremediation of metal-contaminated land， a review j. env

35、iron chem lett， 2010（8）： 1-17.17 fotiadis e， lolas p c. phytoremediation of cd contaminated soil through certain weed and crop speciesj. journal of agricultural science and technology， 2011， 1（6a）： 811-817.18 ahmad h r， ghafoor a， corwin d l， et al. organic and inorganic amendments affect soil conce

36、ntration and accumulation of cadmium and lead in wheat in calcareous alkaline soils j. communications in soil science and plant analysis， 2011 （42）： 111-122.19 pandit t k， naik s k， patra p k， et al. influence of lime and organic matter on the mobility of cadmium in cadmium-contaminated soil in rela

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