海莉·贝内特强调了水稻对砷的天然亲和力以及研究人员正在采取的措施

去年,德克萨斯州科罗拉多河沿岸的稻农们自2011年以来第一次涉水回到被水淹没的田地里,稻苗的嫩芽擦着他们的胶靴。经过多年的干旱,河流管理部门终于释放了农民急需的灌溉用水。水稻是一种特别口渴的作物,对种植它的人来说,空的水道和水库是一个严重的问题。所以这是一个皆大欢喜的结局,尽管它的表面之下隐藏着一些阴险的东西。

水稻种植在美国中南部的这个地区,一直向东延伸到密西西比州,在历史上种植棉花的土地上种植。为了杀死以棉花为食的甲虫,农民们在棉花上喷洒含有砷的农药,这些农药现在污染了土壤和水,并进入了干旱的水稻植物的根部,从而进入了食物链。

砷的安全水平是不存在的,每服用一剂都会增加患病风险

Andy Meharg,贝尔法斯特女王大学

据参与砷污染研究的科学家称,从来没有对大米中的砷含量进行过常规检测,所以如果你从超市货架上拿起一些大米,或者婴儿食品区里的调味年糕,真的不能保证它含有安全的砷含量。如果有这样的东西存在的话。

英国贝尔法斯特女王大学的研究员安迪·梅哈格(Andy Meharg)说:“砷的安全水平是不存在的。”他研究植物中的砷含量已经有20多年了。“每服用一剂都会增加患病风险。“至于父母是否应该停止给孩子喂年糕的问题?”“目前是的。”

孟加拉国,农场工人正在为种植稻田做准备

来源:©Andrew Meharg /贝尔法斯特女王大学

孟加拉国,农场工人正在为种植稻田做准备

需要明确的是,吃一包年糕或把皮劳和外卖咖喱一起吃,并不等同于服用致命剂量的19世纪毒药。然而,食物中的无机形式的砷对人类是有毒和致癌的,没有阈值,这意味着没有确定的剂量,你可以摄入,你可以确定是无害的。1(相比之下,一些有机形式的砷被认为是无害的,而另一些则被列为“潜在有毒”。)

但是,为什么大米会带来特别的风险呢?要回答这个问题,我们需要了解水稻是如何生长的。首先,大多数情况下,就像德克萨斯州、密西西比州和亚洲的稻田一样,水稻种植在被洪水淹没的土地上。这大大增加了水稻植株吸收砷的量,因为与非淹水(好氧)条件(砷酸As(V)占主导地位相比,淹水(厌氧)条件使无机砷处于一种更易移动的氧化状态亚砷酸As(III)。在干旱的土地上种植水稻是可能的,但这会增加镉的吸收。要理解的第二件事稍微复杂一点,那就是大米比其他主要作物更容易吸收砷。

对毒药的嗜好

似乎令人费解的是,任何植物都能吸收砷,因为它们实际上并不需要砷。英国诺丁汉大学的生物化学家大卫·索尔特(David Salt)将其描述为“一个认错人的案例”。植物根部的细胞无法区分无机形式的砷和它们真正需要的砷。

20世纪70年代,人们在对大麦幼苗的研究中发现了这种混淆,研究表明砷酸盐含量越多,幼苗通过根部吸收的磷酸盐就越少,反之亦然。2这两种离子似乎在竞争相同的吸收路线,这使得研究人员提出了一种“共同载体”机制。原来砷酸盐劫持了磷酸盐转运体。亚砷酸盐在洪水泛滥的农田中更常见,它也有类似的作用,通过破坏硅转运体潜入植物细胞。因为水稻植物需要大量的硅来保持它们的叶子、茎和根的强壮,并形成谷物的保护性外壳,它们在不经意间吸收了大量的亚砷酸盐。

大米对砷的亲和性影响着世界各地饮食严重依赖谷物的人们;无麸质饮食的人和儿童往往吃得更多。“这个星球上几乎所有孩子吃的第一种食物都是大米粥。这就是我们被告知要让孩子戒掉的东西,”梅哈格说。在英国,孩子们过去是吃着土豆泥长大的,而现在,六个月大的孩子吃米饼干也很常见。此外,梅哈格建议,如今的父母更喜欢大米产品,而不是面包、意大利面和土豆,因为他们担心土豆中的麸质敏感性和“化学物质”。对于婴儿来说,砷的问题更为紧迫,因为按体重计算,婴儿的摄入量是成年人的三倍。流行病学研究还表明,他们更容易受到砷的影响,这可能会损害生长和发育。3.

手部有砷中毒迹象砷性角化病

来源:©Andrew Meharg /贝尔法斯特女王大学

手部有砷中毒迹象砷性角化病

自2016年以来,欧盟的监管将食品中的无机砷含量限制在0.2毫克/公斤,婴儿食品中为0.1毫克/公斤,但这些限制不一定得到执行。根据Meharg最近参与的一项研究,在英国销售的29种米饼干、31种米谷物和13种婴儿米的样品中,四分之三的大米产品中无机砷含量超过了0.1毫克/公斤的限制。4欧盟委员会(European Commission)的一位发言人说,确保不超过限制是“成员国主管部门的责任”。Meharg的研究还显示,在79名断奶前和断奶后接受测试的儿童中,一旦他们开始食用固体食物,尿液样本中砷代谢物的含量就会更高。

大米中的砷无疑是个问题。现在的问题是:我们能做些什么?梅哈格最近提出了一种厨房科学解决方案,可以从谷物中去除一半以上的砷。5最简单的做法就是在一大锅水里煮少量的米饭。以12:1的水米比例烹饪,可以去除白米中约53%的无机砷,全麦米中61%的无机砷,而全麦米的砷含量本来就更高。梅哈格建议说:“更好的做法是把米饭在大量的水中浸泡一夜,然后冲洗,然后用大量的水煮熟,然后再冲洗一次。”他说,我们也在把这种方法应用到工业上,比如孟加拉国,那里的人吃半熟的米饭,这种米饭浸过水,事先煮熟。

在同一项研究中,他的团队展示了一种使用冷凝管的渗透方法,其中循环水不断地流经大米,可以分别去除白米和全麦米约59%和69%的水分。对于家庭烹饪来说,老式的咖啡过滤器也能起到同样的作用,尽管研究表明它只能去除约49%的砷,而全麦米和白米的砷含量没有显著差异。

违背常理

一种方法是在谷物生长后将砷从谷物中去除,但有没有一种方法可以在一开始就减少进入谷物中的砷含量呢?一种可能性是使用含有硅酸的肥料,硅酸与亚砷酸盐在硅转运体方面相互竞争,从而部分阻断了其进入途径。然而,Salt有了另一个主意。这始于20世纪90年代,当时他正在斯坦福同步加速器工作,用x射线轰击芥菜。6他回忆说:“(它)让我们得以深入观察工厂内部。”“我们发现,当你给植物喂食砷酸盐,然后观察根部和叶子,你会发现所有的砷酸盐现在都神秘地变成了亚砷酸盐。”他们得出的结论是,植物必须能够在它们的组织中自然地将砷酸盐还原为亚砷酸盐。Salt解释说,这对植物有益,因为它提供了一种储存砷的方法,使其远离伤害或完全摆脱砷。储存的亚砷酸盐会被一种叫做植物螯合素的植物分子清除,这种植物分子与有毒离子形成复合物,然后被运送到根细胞的细胞室中,使其远离可食用部分。其余的通过根细胞中的转运蛋白送回土壤。

当你给植物喂食砷酸盐,然后观察根部和叶子,你会发现所有的砷酸盐现在都神秘地变成了亚砷酸盐

大卫·索尔特,诺丁汉大学

索尔特想要做的是找出植物是如何将砷酸盐还原为亚砷酸盐的,以及这种能力是否可以通过育种来增强。不久,美国底特律韦恩州立大学的另一个研究小组发现了一种酶,可以进行这种关键的还原。他们对植物基因组进行了梳理,以寻找与已知的将砷酸盐还原为亚砷酸盐的酵母酶相匹配的序列——Salt指出,这是一个很好的策略——这使他们在包括水稻在内的植物中找到了砷酸盐还原酶。不过这是转移注意力的事。虽然这些酶确实可以在试管中将砷酸盐还原为亚砷酸盐,但在体内却不能做到这一点;Salt的研究小组表明,使植物中的酶失活对它们处理砷的方式几乎没有影响。7

接下来,他们尝试了全基因组关联图谱:利用整个植物种群中砷积累的自然变化来追踪导致这些变化的基因变化。索尔特说:“这听起来很复杂,但实际上很简单。”“你能在一组植物中做的就是在基因组中寻找序列的变化,所以我们这样做了,我们在序列中发现了25万个小变化。”然后我们测量了这些植物中的砷含量,并提出了一个统计学问题:“在所有高砷植物中,基因组中是否有一种特殊的变化?”“‘

此时,他们正在研究泰勒斯水芹,拟南芥这是一种被科学家用作模型植物的杂草,他们从不同的栖息地收集了数百个品种。他们的问题的答案是肯定的——在所有高砷积累品种中都有一个共同的变化拟南芥.在种植了349个不同的品种,在饲料中添加砷,然后辛苦地收集并使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测它们的叶子中的砷,他们能够将搜索范围缩小到2号染色体上的一小段序列。

2014年12月,他们发表了一篇论文,描述了一种新的砷酸还原酶,并将其命名为HAC(高砷含量)1。8这种蛋白质似乎积聚在根中,它将砷酸盐还原为亚砷酸盐,并将其释放到土壤中。失活HAC1会使植物的嫩枝中积累更多的砷。当研究人员在水稻基因组中寻找匹配时,他们找到了。去年,Salt和他的同事们展示了两个与HAC1序列非常相似的水稻基因,如果细菌自身的砷酸还原酶不起作用,它们可以让细菌恢复还原砷酸的能力。9

然而,事情并没有那么简单。与细菌不同的是,缺乏HAC1蛋白的植物仍然能够还原砷,这意味着除了其他植物吸收砷的过程外,还必须有其他的还原机制在发挥作用。只有当稻田定期排水时,砷酸还原酶才被认为在砷的积累中起重要作用,因为在洪水泛滥的田地里,砷主要以亚砷酸盐的形式存在。

这就引出了一个问题:生长条件对砷摄取的影响实际上比遗传更重要吗?2014年,Salt与Meharg合作发表了另一项全基因组关联研究——在四个不同的田间地点种植的300个水稻品种。10他们已经确定了水稻基因组中似乎与砷积累有关的五个部分,但得出的结论是,气候和土壤化学等环境因素可能对植物吸收砷的量起着更大的作用。该研究表明,遗传差异只能解释39-50%的谷物砷含量变化。2015年一项对1700多个水稻品种的研究将这一估计上调至60%左右,11但仍然有很强的环境因素。梅哈格说:“基因与环境之间有很大的相互作用。”“因此,当你在世界的另一个地方种植来自世界一个地方的水稻时,你不会看到正确的效果,当你把这种良好的基因型带到100英里外的另一个地方时,它也不起作用。”

科学家种植泰勒斯水芹用于基因分析

科学家种植泰勒斯水芹用于基因分析

来源:©科学图片库

那么,这给任何潜在的水稻育种计划留下了什么?水稻基因组中是否存在足够的自然变异,从而有可能培育低砷品种?Salt是这么认为的,利用现代分子技术可以加快育种过程,让育种者追踪他们感兴趣的基因。问题是,看起来越来越像没有一个单一的基因可以控制水稻中很大一部分砷的积累,这给植物育种家带来了棘手的任务,即将多个有利的基因变异转移到优质水稻品种中。

购买更安全的谷物

与此同时,Meharg正准备发表一份关于现有水稻品种砷含量的全球调查报告。他说,基于此,他可以告诉婴儿制造商“到哪里去买超低砷大米”。然而,目前对砷的检测非常有限,数据也非常稀缺,因此几乎没有动力去采购含砷含量较低的大米。

美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的化学家Julian Tyson说,使用ICP-MS的可靠检测对种植者或米厂来说是无法获得的。因此,他正在与非政府组织“无国界化学家”合作开发一种测试方法(见附表)简单到可以由本科生进行,即使是在资源匮乏的水稻种植区。但这并不意味着这些测试不能被世界各地的进口商或食品标准机构使用。他希望,通过可访问的测试,农学家将获得他们需要的信息,以便更好地改变种植方式。他说,如果有可能在全球范围内说,看,由于不使用淹水条件或使用不同的品种,有证据表明砷浓度正在下降,这将非常有用。

至于美国的老棉花种植区,泰森说,虽然你可能期望随着时间的推移,砷含量会随着水稻的持续种植和收获而下降,但他目前看到的证据并没有多大帮助。他说,据我所知,有一个数据点。他们分析了一些存档的30年前的大米样本。事实证明,当时的浓度和现在一样。”

检测大米含砷量

检测大米中砷最可靠的方法是采用ICP-MS的高效液相色谱(HPLC)。2015年,英国阿伯丁大学的Jorg Feldmann团队发表了一篇关于水稻中砷的实地测试试剂盒的论文。12朱利安·泰森(Julian Tyson)的团队正在尝试采用这种基于溴化汞和胂气体之间变色反应的过滤条测试。

这并非没有挑战。从碾碎和煮熟的大米中提取出的无机砷很难检测到,而且大米中白色淀粉类物质会干扰砷的检测。此外,为了控制产生胂气体的快速反应,Feldmann的团队使用硼氢化物,以片剂的形式,含有10%的硼氢化物。泰森说,这些药片对一些水稻种植区的社区来说还不够容易获得。他的解决办法是将硼氢化物搅拌到琼脂凝胶中。他说:“现在我们把小果冻放进去,反应似乎得到了控制。”他说,所以我们并不依赖拥有平板电脑的唯一一家公司。“尽管这种测试不如HPLC-ICP-MS方法准确,但它可以为需要进一步检查的样本提供筛选。”