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陈浩伟,Oct. 14, 2024
镉（Cd）位于原子周期表第五周期IIB族，是一种过渡金属元素。其在蓄电池生产、核反应堆建设等工业、生产领域存在广泛的应用。但它被人们所熟知的另一大重要原因是其具有很强的毒性，被镉污染的空气和食物进入人体后会引发人体的肝、肾功能衰竭，从而危害人体健康。
目前镉（Cd）污染的主要来源一般来自人类的工业活动，尤其是有色金属冶炼，占全球人为镉排放的40.6%。这些工业活动将大量镉释放到大气中，导致大气中的镉沉降成为农业生态系统中的一个重要污染途径，在水稻等主粮作物中，镉可以通过叶片（叶面吸收）和根系（从土壤吸收）进入植物体内。由于稻米是全球许多地区的主食，镉在稻米中的累积会直接影响人类健康，尤其是在靠近工业污染源的农田里。因此对稻米中Cd的研究显得尤为重要。
针对这一目的，作者提出以下三个基本研究目标：①区分大气沉降对水稻不同吸收途径的贡献。目前镉的吸收主要有两种途径：叶片（通过大气中的干、湿沉降直接吸收）和根系（通过土壤吸收镉），但现有研究多集中于根系吸收，叶片吸收的机制及其重要性尚不明确；②利用镉同位素追踪水稻中的镉来源。通过同位素混合模型，结合质量平衡法，计算叶片和根系分别从大气中吸收的镉量，追踪大气沉降对水稻中镉的贡献；③研究镉在水稻体内的分配及运输机制。探讨水稻的不同组织间的镉传输路径，揭示节点在镉的上下传输中的作用及其对稻米中镉积累的影响。
本次实验的场所是位于中国最大的Cu冶炼厂附近，实验组设置了干沉降和湿沉降分别对叶面和土壤进行的处理，并且设定了一系列外部对照条件（图1）。对土壤和整株植物的样品进行ICP-MS分析，得到对应的Cd浓度。并希望通过测定对应的Cd同位素组成来示踪Cd的来源。
图1 实验设计示意图及实物图（右下）
对于实验结果作者利用质量平衡的计算模型大致判断出大气沉降对Cd的贡献（图2a、2b），并用同位素混合模型来追踪不同来源的镉在水稻中的比例（图3）。通过实验数据我们可以发现以下结论：①水稻地上部分（尤其是稻谷中）主要通过叶片吸收大气中的镉，特别是来自干沉积的镉。这表明叶片对大气沉积镉的吸收贡献显著高于根系吸收。②通过叶片的干沉积吸收途径，水稻中的镉积累占了主要份额，而来自土壤中的镉的贡献相对较小。③大气沉积镉在土壤镉总量中的比例较低，但其在水稻组织中的移动性和生物有效性更高。因此，大气中的镉对水稻中镉的积累贡献比例远远超过了土壤中的镉。这也解释了为何在未经污染的土壤中种植的作物，镉含量仍然可能超出食品安全限值。④叶片对大气干沉积的吸收效果优于根系，尤其是干沉积中的颗粒物在叶片表面的残留时间较长，有助于镉的内部化。而根系更倾向于吸收湿沉积中的镉，因其具有更高的生物可利用性。
图2a 植株各部位的Cd浓度
图2b 质量平衡模型数据
图3 不同样品Cd同位素组成（左图）及同位素混合模型结果（右图）
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