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南农教授赵方杰:从土壤到作物,多学科交叉解决农产品重金属污染问题

农业环境科学学报    王见 2018-08-21 来源:农业环境科学学报

南京农业大学教授 赵方杰

科研工作 跨学科交叉研究是很重要的,从土壤到作物,多学科交叉来解决农产品重金属污染问题。

问:赵老师好,现在依然可以从南农官网上 查到 2012年1月份,欢迎您的签约仪式,可以看出学校很重视您的回来。您回国为什么选择到南农?

赵方杰:因为南农是我的母校。我在南农读硕士,1986年硕士毕业后留校当了2年老师,1988年去英国读博士。我是2012年1月份回来的。为什么选择回国工作?因为这是一个很好的机会,国家千人计划层次比较高,我们国家农业环境方面面临的问题很多,值得研究的东西也很多,国内现在科研资助力度比较强,人力资源也很丰富,回来后有望实现一些在国外难以实现的科研想法。

问:英国洛桑验试验站,您在那里20年时间,您认为自己最大的获取是什么?

背景资料,英国洛桑试验站(Rothamsted Research),至今已有170多年的历史,它是世界上历史最悠久的农业研究所。洛桑试验站是英国生物技术和生物科学研究理事会主办的8个研究所之一。资金来源于政府、企业、个人、基金会等各方集资。

赵方杰:我1992年博士毕业后到洛桑试验站(现称研究所)工作,先是做关于作物硫素营养、农田系统硫素循环的研究工作,用到了洛桑著名的长期试验保存了一百多年的样品,应用了稳定性同位素、同步辐射光谱等技术,围绕硫素从土壤、植物到农产品品质开展了比较系统的研究,研究成果对指导英国农业硫肥使用起了很大的促进作用。

之后开始研究土壤重金属和微量元素迁移转化、生物有效性、植物吸收机理、重金属超积累植物及污染土壤生物修复,涉及土壤环境化学、植物生理及分子生物学等。我在洛桑工作20年的收获是学会了科学研究的严谨性和系统性,以及如何灵活应用多学科的技术方法来研究我关注的科学问题。

此外,学会了在做应用性研究时如何发现有意思的科学问题,在做基础研究时要想着生产实践上有没有用。

问:在查您资料的时候,我不知该如何定位您的研究方向,定位在植物营养、环境生物学、土壤研究,好像这些领域在您这儿已经被打通。植物、微生物、土壤它们应该都彼此关联?那您认为自己的研究重点是在哪里呢?

赵方杰:我研究的内容既宽又窄,宽的是涉及到土壤化学、微生物学、植物生理和分子生物学,现在还涉及到一些作物遗传学的内容。窄的是就围绕元素周期表中的几个元素,例如过去20年我研究最多的是砷和镉两个元素,因为这两个元素对人体毒性很强,容易被作物吸收积累,对农产品质量安全的危害比较突出,也是我国农田土壤污染比较严重的两个元素。

我们的目标是阻控作物对这些有害元素的积累,以及研发污染土壤生物修复的方法,这就必然需要将土壤学、环境科学和生物学联系在一起。跨学科交叉研究需要合作精神和不断学习精神,我觉得科研的一大乐趣是可以不断地学到新的知识,同时发现新的知识。

问:2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,农田土壤污染超标点位在19.4%….您怎么看目前我们国家的土壤污染?我们的农田土壤污染是什么情况?

赵方杰:我们去年(注:指2015年)在ES&T发表了《 中国土壤污染现状与对策》的文章,把我们国家的情况与发达国家进行了对比,主要表达了几个观点:

(1)我国土壤环境质量标准比较严格,尤其是镉。

(2) 以土壤重金属总量进行评价,我国土壤污染的总体现状并不比欧美国家严重,例如,我国土壤镉超标的比例是7%,如果用我国土壤环境质量标准衡量,英国土壤镉超标的比例是20 - 40%,比我国严重得多。当然我们国家过去二三十年土壤重金属含量增速比较快,是必须引起重视的。

(3)我国农产品重金属含量超标的比例明显高于欧美发达国家,尤其是南方部分地区稻米镉超标的比例很高,说明这些地区的土壤重金属生物有效性比较高。

(4)南方稻米镉超标比例高的原因有多个,包括灌溉水污染、土壤酸化、稻田水分管理模式、种植镉积累能力较强的籼稻品种等。

(5)对于南方中低程度污染稻田,当务之急是阻断污染源(尤其是灌溉水)、降低土壤镉的生物有效性、筛选培育低积累品种和禁止种植高积累品种,降低土壤镉生物有效性方法包括施用石灰等碱性物质、保持稻田淹水等措施。

问:您这里好像说出了一个概念,也就是说土壤中重金属的全量多少 并不能直接代表农产品的安全问题 您可以具体举例说一下?

赵方杰:是的。以英国为例,虽然土壤镉含量较高,但是农产品超标的比例极低。英国农田一般四年要施用一次石灰,将土壤pH调节在6.0 以上,所以土壤重金属的生物有效性是比较低的。另外,不同的作物类型和品种重金属吸收积累能力也有很大差别。

英国农田重金属的管控主要在于源头控制和农产品监测。源头控制包括涉重金属的工业排放、进入农田土壤的肥料、有机肥、污泥、农药等的质量控制。英国对农产品的质量监控是比较严格的,经常会对农产品抽查检验,只要确保农产品质量安全,土壤重金属含量稍高一些并没有太大关系。

英国并没有规定农田土壤重金属的标准,仅有的指标是自家种菜用的菜地(allotment),土壤镉含量的指导值定为1.8 mg/kg,远高于我国土壤镉的环境标准。

当然国内外农业生产方式和农产品经营模式有很多差别,发达国家农业生产规模大,农产品销售渠道相对集中,如英国主要的四五家超市销售了英国人消耗的大部分的食品,因此进行质量控制相对容易。而我们国家生产和销售规模小且极其分散,给农产品质量监测带来很大的困难。

问:所以我们不能单纯地说土壤重金属超标的问题

赵方杰:对,土壤重金属含量是一方面,但是事实上土壤重金属的生物有效性是更重要的因素,它关系到农产品的质量安全。

问:您说可以采取措施降低土壤重金属有效性,这些措施目前可行吗

赵方杰:这些措施的科学道理是清楚的,效果也很明显。但实际操作上会有一些具体问题,比如农民不大愿意施用石灰,因为有成本问题,需要国家补贴;目前没有施用石灰的农机,需要研制机施方法。比如稻田水分管理,灌浆期淹水是控制稻米镉含量很有效的方法,但农民为了收割的方便,往往会提前排水。

又比如筛选低积累品种,这个需要多年多点大田试验验证,但是等你筛选出来后,有些品种可能已经被更新换代了。

还有一个问题是农产品质量与价格没有挂钩,因此农民没有积极性降低农产品重金属含量。事实上农民也是土壤污染的受害者。

如何在环境立法中明确农民的责任和权利?应该采取什么样的政策或市场机制,使得生产优质安全的农产品可以在经济上获利?消费者是否愿意为优质安全的农产品买单?这些社会经济问题值得研究。

问:您有做过一个报告给我留下深刻印象,《作物吸收重金属的分子遗传机理与培育低积累品种的前景》,您讲到培育筛选低积累品种,我可以理解成 是在培育自我防御功能强的品种来应对重金属污染吗

赵方杰:我们关心的主要是控制重金属吸收、运输和积累的基因,因为大多数情况下,农田重金属污染还没有严重到对作物本身产生毒害,如果对作物产生毒害,说明土壤已经严重污染,很可能不宜种植农作物了。

为什么需要研究植物吸收重金属的分子遗传机理?我们可以筛选到稳定低积累的品种,但是这些品种几年后就被更新换代了,我们的筛选往往跟不上品种的更新换代。

所以我们需要通过艰苦的遗传和分子生物学研究,找到控制重金属吸收积累的关键基因,在作物不同品种或种质资源的自然变异中,发现重金属低积累的优异等位基因。

知道了这些等位基因,便可通过分子育种方法快速地将低积累的性状导入适应不同地区、不同条件的品种中。这个研究需要一些时间和投入,但研究出来以后将是一劳永逸的结果。

问:您在报告曾提到转基因手段可大幅度降低稻米重金属含量,增进农产品安全,您这里讲的转基因手段是指什么

赵方杰:水稻基因组中有一个基因叫OsHMA3,该基因编码细胞液泡膜上面的镉转运蛋白,负责将镉储存到根细胞的液泡中,从而减少镉向水稻地上部和稻米的运输。有些水稻品种OsHMA3基因发生突变,导致功能丧失,这些品种稻米镉积累能力特别强。多数水稻品种OsHMA3是有功能的,但是表达量较低。

日本冈山大学马建锋教授团队的研究表明,采用强启动子将OsHMA3在水稻中过量表达,可以大幅度降低稻米镉含量,即使在污染土壤种植,稻米镉含量也可以达标。我们与马建锋教授合作,正在研究将该基因在我国南方籼稻主栽品种中过量表达,评估对稻米镉积累的降低效应。

这个技术用到的编码基因是水稻本身就有的,其效果是降低稻米中有害重金属镉的积累,增进农产品质量安全,对人体健康肯定是好的。如果盲目排斥这类转基因技术,我觉得是非常可惜的。

上面只是举了一个例子,其它例子还很多。例如我校资环学院徐国华教授课题组发现过量表达一个水稻的硝酸盐转运蛋白基因可以显著提高水稻氮素利用效率和产量,对氮肥减量增效很有好处,为什么不能接受这一新技术?转基因是一项技术,我们需要科学分析科学对待,很好地加以利用。

问:土十条的出台,您有什么看法

赵方杰:我觉得很好。目标很清晰,比较客观和实际。关键是我们国家把土壤环境保护提到和水、气同等的地位,这个很重要。因为土壤污染看不见摸不着,既隐蔽又长久,但潜在性危害很大。另外,土十条强调防与治。

湖南部分稻田的污染就是过去这30多年不知不觉地产生的,假如把源头管紧了,把污染排放的源头管理好了,把灌溉水等进入农田的渠道监控好了,情况就不会像现在这么严重。治理、修复污染土壤的代价是很高的,所以防永远是最重要的。

问:您曾经提出过一个有关数据公开的建议

赵方杰:对,信息共享和公开很重要。数据共享可以减少不必要的重复工作,可以产出更好的研究成果。信息公开可以增进信任感、减少不必要的恐慌,可以起到很重要的监督作用,也可以满足人民的知情权。很高兴见到土十条强调了这两点。

我在英国工作二十多年,知道英国很多与环境相关的数据都是公开的,如英国土壤普查数据(图)是公开的,因为这些工作是国家财政资助的,因此要遵守Open Access 的原则。我们国家土十条参与的部门很多,每个部门都有很多数据,第一步是部门之间数据要共享,应该现在把各个部的数据都拿出来进行分析和比较,可比性如何?哪个地方还缺什么数据?可以有的放矢地进行下一步的调查和监测。

我也始终认为,我们科研工作 跨学科交叉研究是很重要的,从土壤到作物,多学科交叉来解决农产品重金属污染问题。

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