土壤–水稻体系中砷迁移与阻控及其健康风险研究

Arsenic (As) contamination in soils is a serious problem, directly impacting human health and threatening food safety in China. Arsenic contamination in soils, As transfer from soils to crops, and As bioavailability in foods are all important. In the past, most research focuses mainly on soils and crops, failing to take "soil-crop-human" as one system to systematically investigate food safety issues resulting from soil As contamination. This research selects rice a typical crop and uses "soil-crop-human" as an integral system, to first investigate As transformation in rhizosphere, then look into the biochemical processes impacting As bioavailability in soils. In addition, we will employ molecular biology technology to exam the role of P transporters and As efflux protein in As uptake into rice and As efflux into soils. Once in rice grain, we will also investigate As bioavailability based on a mouse-blood animal model and As bioaccessibility based on various in vitro assays with the goal of establishing an assay to predict As bioavailability in rice grain. Bioavailability-based assessment of human exposure to As in rice is more accurate. This research will provide valuable information on controlling soil As contamination, reducing As transfer from soils to crops, and decreasing As exposure via diet in humans. Such information to will help to protect food safety and maintain sustainable economic development in China.

我国土壤砷污染形势严峻，威胁我国食品安全。保障食品安全需考虑多方面因素包括耕地土壤砷污染、农作物对砷的吸收、食品中砷的人体生物有效性等。然而，过去研究主要关注土壤砷污染和砷在农作物中的富集，没有将“土壤–农作物–人体”作为完整的研究体系。本项目选取水稻为代表性农作物，从砷在农作物根际土壤的形态变化入手，利用原位二位表征DGT等技术研究根际土壤砷生物化学过程及对植物有效性的影响；在此基础上，通过转录组学挖掘砷磷吸收的关键转运蛋白，利用转基因水稻深入探讨外源砷吸收、外排的分子通道在水稻中的功能，为阻控砷从土壤向农作物的迁移提供科学依据；开展小鼠活体和体外胃肠模拟试验，研究砷从土壤迁移至水稻后，稻米砷的人体生物有效性，并基于人体生物有效性准确评价我国典型砷污染区和城市人体膳食砷暴露风险，提出降低人体膳食砷暴露的有效控制措施。本研究将为阻控砷从土壤向农作物的迁移，保障我国食品安全具有重要指导意义。

砷的人体健康危害涉及土壤砷污染、农作物对砷的吸收、食品中砷的人体生物有效性等多方面，有必要开展“土壤–农作物–人体”的系统研究。本项目将“土壤–水稻–人体”作为完整研究体系，开展了以下研究工作：（1）基于纳米巯基-氨基介孔硅胶，开发了能够专性吸附无机三价砷的二维新型梯度扩散薄膜技术（DGT）装置，实现了水稻根际无机三价砷的二维高分辨原位表征，揭示了水稻根尖好氧界面上砷活化的规律，为原位研究土壤根际砷的形态转化及植物有效性提供了技术支撑；（2）对模式植物蜈蚣草，筛选得到了不同表达特征的一系列新的磷转运蛋白基因（Pht）和亚砷酸外排基因ACR3，表征了其在植物砷代谢及解毒中的作用，重点分析了其在水稻砷吸收和积累过程中所起的作用，结果表明PvPht1;2可提高转基因烟草对磷的吸收和转运，并促进植物生长，但PvPht1;2没有砷转运能力；PvACR3;1和PvACR3;3定位于植物细胞的液泡膜上，介导了砷从胞质向液泡中的转运，导致砷留在根部，从而阻控了砷向地上部的转运和迁移，在水稻中异源表达PvACR3;1基因可将水稻籽粒中的总砷和无机砷含量降低26-46%；而与PvACR3;1和PvACR3;3截然不同，PvACR3;2定位于细胞质膜，参与了砷在根部内皮层和中柱向木质部的运输和装载，在模式植物烟草异源表达，PvACR3;2可将烟草地上部砷含量提高203-258%；研究结果表明，PvACR3;1和PvACR3;3基因可做为阻控水稻砷吸收的基因资源，对保障水稻安全生产和食品安全具有重要科学意义；（3）建立了在低剂量暴露条件下能够测试大米中砷生物有效性的小鼠尿液砷排泄活体实验方法，分别以我国市场销售大米、湖南矿区生产大米以及国外生产大米为研究对象，揭示了大米砷形态对大米中砷生物有效性的影响；利用人工人体肠道微生物模拟器，分析了肠道微生物对稻米中砷的代谢作用；（4）基于砷生物有效性，评估了市场销售大米以及污染区生产大米的健康风险，解析了污染区成人砷暴露的主要途径为大米摄入，而儿童砷暴露的主要途径为非饮食途径，并以南京为例比较了摄食稻米及其他典型食品对人体砷膳食暴露的贡献。