第一章 农业生产过程中的粮食安全性
本章要点：本章重点介绍了大气污染、水体污染、土壤污染、农药和化肥的过量施用对粮食作物安全的影响；对转基因粮食作物潜在安全性进行了分析；并对农业生产过程控制以及安全性评价方法进行了论述。
粮食作物一般是谷类作物（包括稻谷、小麦、大麦、燕麦、玉米、谷子、高粱等）、薯类作物（包括甘薯、马铃薯、木薯等）和豆类作物（包括大豆、蚕豆、豌豆、绿豆、小豆等）的统称。粮食作物不仅为人类提供食粮和某些副食品，以维持生命的需要，还为食品工业提供原料，为畜牧业提供精饲料和大部分粗饲料。因此，在粮食生产过程中保证粮食食品的安全性至关重要。
第一节 环境污染对粮食作物的影响及危害
一、环境污染物
（一）大气污染物
大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气并对人类或环境产生有害影响的那些物质。大气污染物的种类很多，其理化性质非常复杂，毒性也各不相同，主要包括工业废气，即气体状态污染物（包括二氧化硫、氮氧化物、氟化物、一氧化碳、汽车尾气、酸雨等）和气溶胶状态污染物（包括雾、烟、尘等）两大类。这些污染物的主要来源为矿物质燃烧、工业生产、机动车运行、自然生态破坏及二次污染等。
1. 工业废气
随着工业的迅速发展，工业生产过程中排放的工艺尾气也在迅速增加。工艺尾气随着*终产品、原材料使用、生产工艺、操作管理水平等因素的不同而有很大的区别，这种区别主要表现在排空物质的性质、数量和排放方式等方面。例如，炼焦厂的二氧化硫、苯并[a]芘，硫酸厂的二氧化硫、酸雾，氨基酸厂的氯化氢，化工厂的氯气、氨气等。工艺尾气在总的大气污染物中所占的比例虽然不大，但大多为有毒有害排空物，在不利于大气污染物扩散的条件下，很容易造成较为严重的局部污染。机动车尾气属于流动污染源，主要成分有碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、铅、苯并芘、固体颗粒物等，在排放量、危害作用方面都相对较轻，其污染主要发生在车辆相对集中的地方。但近年来，随着机动车辆的迅速增加，机动车尾气已经成为一些大中城市的主要大气污染物。
此外，大气中还存在由二次污染所产生的二次污染物，它们是由直接排放的污染物相互之间或者与大气中现有的成分之间，在适当条件下经过一系列的物理化学反应所形成的与原有直接排放物在性质上完全不同的新的大气污染物，对大气质量的影响也比较大。例如，碳氢化合物在条件适当的大气中可以生成醛、酮、臭氧等二次污染物。硫氧化物、氮氧化物也存在二次污染的问题。
2. 气溶胶状态污染物
在大气污染物中，气溶胶是指空气中固体颗粒状物质和液体粒子，或固体粒子和液体粒子在气体介质中的悬浮体。固体颗粒是指因自然现象，如大风、火山爆发、森林火灾、陨石流星烧毁等产生的各种各样的悬浮物，有粉尘、火山灰、烟尘、宇宙尘埃以及飘逸的植物花粉、细菌等。液体粒子是指水汽凝结物，如水滴、云雾、油雾和冰晶等。
煤烟粉尘是燃煤过程中排放出来的固体颗粒物，由炭黑颗粒、煤粒和飞灰组成，粒径一般为0.05～10μm，主要成分是二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙和未经燃烧的碳微粒等。
金属飘尘是指大气中粒径小于10μm，能在空气中长期飘浮的固体粒子。铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）、砷（As）和汞（Hg）等重金属是构成金属飘尘的主要成分。
沥青烟雾的化学成分复杂，除含碳粒外，还含有有机化合物，如苯酚、萘和多环芳烃3，4-苯并芘（高达2.5%～3.5%）等致癌物质。
（二）水体污染物
水体污染根据污染物的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。其中，影响粮食作物安全的水体污染主要是化学性污染（来源于工业废水），其污染物种类包括无机有毒污染物和有机有毒污染物；其次是生物性污染，其污染物种类包括生活污水、禽畜饲养场、医院等排放的废水中的病菌、一些病毒和某些寄生虫等病原体。
1. 无机有毒污染物
无机有毒污染物包括各类重金属（Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Se、As、Mo、Mn等）和氰化物、氟化物等。重金属在自然水中通常含量很低，采矿和冶炼是其主要污染源，此外，部分工业企业排放的污水中也大量含有这些重金属污染物。重金属污染物的一个重要特点就是在水体中不能被生物降解，只能发生各种形态之间的相互转化以及分散和富集。重金属在水中的变化规律主要为沉淀、络合与螯合、氧化还原及吸附。
2. 有机有毒污染物
有机有毒污染物包括苯酚、多环芳烃和各种人工合成的具有积累性的稳定的有机化合物，如多氯联苯、邻苯二甲酸酯、多氯代二苯并二*英/呋喃、氯苯、氯酚、有机农药等，主要来源于防腐、消毒、炼油、制药、造纸、煤气、焦化、皮革、食品工业及化学工业排出的废水，这些有机有毒污染物有的可以被水或土壤中的微生物分解，但更多的物质能在环境中积累而长久不会消失，是水体污染的重要来源。
有机有毒污染物在水体中虽然含量甚微，但生态毒理学研究结果证明，它们中有些极难被生物分解，对化学氧化和吸附也有阻抗作用，在急性及慢性毒性试验中往往并不表现出毒性效应，但却可以在水生生物、农作物和其他生物体中迁移、转化和富集，并具有“三致”（致癌、致畸、致突变）作用，在长周期、低剂量条件下，往往可以对生态环境和人体健康造成严重的，甚至是不可逆的影响。
3. 病原体
病原体主要是指生活污水、医院、禽畜饲养场及屠宰、制革、洗毛、生物制品等企业排放废水中的病毒、病菌和寄生虫等。已确认的病原体中，至少有24种细菌、7种病毒、5种原生动物和6种寄生虫。这些病原体在污水中的含量取决于污水来源地区居民的健康状况、污水处理工艺等因素。水体受到病原体的污染会传播疾病，如血吸虫病、霍乱、伤寒、痢疾、病毒性肝炎等。历史上流行的瘟疫，有的就是水媒型传染病。
（三）土壤污染物
引起土壤自然功能失调、质量恶化的物质，统称为土壤污染物。土壤污染物的来源极其广泛，大致可分为工业污染源、农业污染源和生物污染源3类。土壤污染的发生途径有3个：一是农用施肥（含污泥利用）、农药施用和污灌，污染物质进入土壤，并随之积累；二是土壤作为废物（垃圾、废渣和污水等）的处理场所，大量的有机、无机和生物病原体等污染物进入土壤；三是土壤作为环境要素之一，大气或水体中的污染物迁移和转化而进入土壤。因此，土壤中的污染物与大气和水体中的污染物很多是相同的，且土壤污染物的种类繁多而复杂。按污染物的性质大致可以分为有机污染物、重金属污染物及城市污水、污泥和垃圾中的病原微生物3类。对于粮食作物来说，有毒化学物质的污染*为严重。而在有毒化学物质对土壤的污染中以重金属污染和农药污染*为突出。
二、环境污染物对粮食作物生长的影响及潜在的危害
粮食作物的生长发育和结实与周围环境条件存在着密切关系。不同的生长发育时期对周围环境条件（如水分、温度、光照等）的要求也不相同。环境条件的明显变化将会直接或间接地影响农作物的生长发育和产量。衡量粮食作物生长的指标主要有相对生长速率（relative growth rate，RGR）、净同化率（net assimilation rate，NAR）、叶面积、株高、生物量（或干物重）和生育期等。
（一）重金属污染物
粮食生产中重金属污染物的来源主要是未经处理的污水和大气中的金属飘尘。当用含有大量重金属元素的污水灌溉时，重金属元素在土壤中富集和扩散，并且有难降解、毒性强、具有积累效应和转化为甲基化合物的特点。大气中的金属飘尘，如Pb、Cd、Cr、Ni、Zn、As和Hg，可沉积或随雨雪降到地面，落到作物叶子上或进入土壤。部分通过叶片进入作物体内，部分通过土壤经根部吸收进入作物体内，并在其体内富集，影响粮食作物的品质和安全性。
1. 粮食作物对重金属的吸收和富集规律
粮食作物的重金属污染主要是通过根系从土壤中吸收、富集重金属污染物造成的。生长在污染土壤上的粮食作物，虽然能够通过根系分泌作用等机制不同程度地排斥重金属进入体内，但是这种保护作用并不是完全彻底的，特别是有些对重金属具有富集作用的粮食作物或品种，其体内积累了大量的重金属，并在粮食作物的可食部分富集，直接进入食品。
随着污灌区土壤中重金属的积累，粮食作物及其农产品中的重金属含量即使未超标，但也受到不同程度的污染。例如，重金属Pb、As、Cd在小麦植物体中总的分布趋势是根>茎叶>穗，且水稻、小麦籽实中重金属元素含量受土壤pH的影响，pH越低，Cd、Pb、Cu、Zn含量越高，pH越高，吸收量越少；As含量则与之相反。
2. 重金属污染对农作物生长发育的影响
土壤受Cu、Ni、Zn、Co等元素的污染能引起植物的生长和发育障碍。而Cd、Hg、Pb等元素的污染主要是在作物可食用部分蓄积。土壤中Cd胁迫对植物代谢的影响更加显著，胁迫引起作物体内活性氧自由基剧增，超出了活性氧清除酶的歧化-清除能力时，使根系代谢酶活性降低，严重影响根系活力。随胁迫时间的延长，超氧化物歧化酶（superoxide dismutases，SOD）活性受到影响而急剧下降，从而使其他代谢酶活性也受到影响，*终使植株死亡。用含Zn的污水灌溉农田会对粮食作物，特别是小麦的生长产生较大影响，导致一些器官的外形变化，如花色改变、叶形改变或植株发生个体变态，变得矮小或硕大。当土壤中含As量较高时，作物的*初症状是叶片卷曲、枯萎，进而根系发育受阻，*后植株根、茎、叶全部枯死。
土壤中存在过量的Cu也能严重地抑制作物的生长和发育。当小麦和大豆遭受Cu的毒害时其生长受到严重影响。重金属元素的复合污染对作物的生长发育也有一定影响。同一浓度下，重金属对小麦根伸长的抑制率明显大于对种子发芽的抑制率。
Hg进入土壤后95%以上能迅速被土壤吸持或固定，这主要是由于土壤的黏土矿物和有机质有强烈的吸附作用，因此，Hg容易在表层积累，并沿土壤的纵深垂直分布递减。土壤中Hg的存在形态有金属汞、无机态汞与有机态汞，不同的形态在一定条件下相互转化。粮食作物吸收和积累汞的能力是水稻>玉米>高粱>小麦。Hg不但能在作物体内累积，还会对作物产生毒害，引起Hg中毒，严重情况下引起叶子和幼蕾掉落。
重金属还能影响种子萌发、蒸腾作用及物质的合成。种子中积累的Cd对种子萌发的抑制效应比外源Cd强得多，并且随着Cd处理浓度的增加，种子中蛋白水解酶、淀粉水解酶及脱氢酶的活性都受到抑制，从而影响种子中储存营养物质的转化，降低种子的发芽率。低浓度重金属刺激细胞膨胀，气孔开度增加，导致蒸腾加强，当污染浓度超过一定值，重金属胁迫可诱导ABA增加，引起气孔关闭，蒸腾降低，当重金属毒害严重时，叶片枯萎或出现伤斑，蒸腾作用急剧下降。细胞内的重金属离子能与酶活性中心或蛋白质中的巯基结合，取代某些必需元素，如Ca2+、Mg2+、Zn2+和Fe2+的位置，导致生物大分子构象改变、酶活性丧失以及必需元素的缺乏，进而干扰细胞内物质的合成与运输。
3. 重金属污染物的危害
有毒重金属（Cd、Hg、Pb、Cr、As等）为持久性毒害污染物（persistent toxic substances，PTS），是一类具有很强毒性，在环境中难以降解，并可通过食物链在动物和人体中累积、富集和放大的污染物。
（1）Cd污染
Cd具有很强的生物毒性，而且属于积蓄毒性元素，引起慢性中毒的潜伏期可达10～30年之久。Cd是作物的非必需元素，Cd进入作物体内并积累到一定程度，就会表现出毒害症状。Cd主要是通过破坏叶片的叶绿素结构，降低叶绿素含量，使叶片发黄，严重时几乎所有叶片都出现褪绿现象，叶脉组织成酱紫色、变脆、萎缩，叶绿素严重缺乏时表现为缺铁症状。Cd能在人体中存留很多年，长期食用高Cd浓度的植物食品，将导致慢性中毒。Cd在人体中主要
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