SPR生物传感技术在农产品安全检测中的应用

王婷婷, 胡建东

中国农学通报. 2020, 36(6): 93-99

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中国农学通报 ›› 2020, Vol. 36 ›› Issue (6) : 93-99. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18110039
食品 营养 检测 安全

SPR生物传感技术在农产品安全检测中的应用

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Applications of SPR Biosensing Technology in Agricultural Products Safety Detection

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摘要

表面等离子共振作为近几年在国内发展起来的一种检测技术,具备检测样品用量少、灵敏度高、检测速度快等优点,已被用于环境检测、医疗诊断、药物筛选、蛋白质组学、基因组学等诸多领域。随着技术的发展,广大学者将其与生物技术结合起来,在传感芯片表面修饰不同的特异性抗原抗体及信号放大因子,将表面等离子共振技术不断应用到农产品安全的检测中。通过介绍该技术在农产品中农残药残、动物疾病、微生物、食品添加剂、重金属及转基因检测的应用情况,以期使读者深入了解表面等离子共振技术在食品安全检测的发展现状,为其在该领域的进一步发展提供可以借鉴的资料。

Abstract

Surface plasmon resonance (SPR) as a novel technology has advantages of small sample volumes, high sensitivity and fast detection speed, which is widely applied in environmental detection, medical diagnosis, drug screening, proteomics, genomics and many other fields. With its development, SPR is combined with biotechnology, then modified by specific antigen, antibody and signal amplification factor, and widely used in safety detection of agricultural products. The paper introduces the application of SPR in detection of pesticide and medicine residues, animal disease, microbe, food additives, heavy metal and transgenic test in agricultural products. The study could provide certain references for understanding the development status of SPR in food safety test.

关键词

表面等离子共振 / 生物传感 / 农产品安全 / 检测 / 应用

Key words

surface plasmon resonance / biosensing / agricultural products safety / detection / application

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王婷婷 , 胡建东. SPR生物传感技术在农产品安全检测中的应用. 中国农学通报. 2020, 36(6): 93-99 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18110039
Wang Tingting , Hu Jiandong. Applications of SPR Biosensing Technology in Agricultural Products Safety Detection. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2020, 36(6): 93-99 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18110039

0 引言

水稻是中国重要的粮食作物,其产量高低及品质优劣直接关系到整个国民经济和人们的生活[1]。水稻作为一种镉积累能力非常强的作物,在进入人体的镉食物来源中占到40%之多,达到一定剂量还会危害人体健康[2]。而近年来稻米镉超标现象在中国各地频繁发生,尤其是湖南、广东等南方地区的大米镉污染更为严重[3],因此其镉污染问题已不容忽视,如何控制水稻镉污染并实现安全生产已成为了一个很重要的研究课题。
众所周知,重金属镉污染在农田土壤修复中有其一定的顽固性,在污染严重的区域,有时还需要连年实施,才能够使土壤中全镉的含量≤0.6 mg/kg且稻米中镉的含量≤0.2 mg/kg。目前国内外关于水稻镉污染研究主要集中在品种、品质和产量、土壤类型、土壤改良、pH值、灌溉方式、栽培模式、水稻镉胁迫条件下的水稻农艺学性状等方面[4,5,6],而对于多种措施综合治理镉污染稻米方面的研究相对较少。因此,本试验针对湘潭县以轻度镉污染为主的区域,结合2014、2015年湘潭县已形成的耕地重金属污染综合治理技术和2011年以来在各乡镇开展的耕地重金属污染普查和治理技术研究的初步结果,采用“VIP+n”综合降镉技术,开展“VIP+n”修复技术模式区域化研究与示范工作,以探究不同“VIP+n”降镉技术组合模式在轻度镉污染区域的适应性,围绕轻度镉污染区域的生态、经济、种植习惯因地制宜地构建最佳“VIP+n”县域本土化技术模式,达到效益最大化。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验田选择安全利用区轻度污染区的耕地,位于湖南省湘潭县杨嘉桥镇原种场,不采取任何降镉措施时,土壤pH 6.0,土壤镉含量为0.48 mg/kg,稻米镉含量为0.392 mg/kg。供试水稻品种中早稻低镉品种为‘中嘉早17号’,当地品种为‘湘早籼24号’;晚稻供试水稻低镉品种为‘H优518’,当地品种为‘岳优27’,低镉水稻品种全部从湖南省《应急性镉低积累水稻品种指导目录》中选择。供试土壤成土母质为紫色砂页岩,距主要交通干道或明显污染源150 m以上,成土母质、肥力水平、污染程度一致;试验地灌溉条件良好,灌溉水源为井水,可保证水稻全生育期淹水需要。

1.2 研究方法

本试验设置30个小区,每个小区6 m×5 m=30 m2;每10个小区1组,3次重复,随机区组排列。先用田埂分出试验区域,再分成3个区组,每个区组再用田埂分成10个小区,小区间作埂分隔,并留走道和灌、排水沟。田埂高度要求30 cm,并覆盖农膜,确保每个小区单灌、单排、小区间不串水。早、晚两季在同一试验田进行,保持小区排列不变,即在早稻人工收获时不用机械收,采用人工挖或小型机械整地,避免破坏小区田埂,按照原试验设计处理继续开展晚稻试验（见表1）。各试点试验中使用的土壤重金属污染修复产品、叶面阻控剂等产品,必须从省农环站审核推荐的产品中进行选定,以免造成二次污染或严重减产。
表1 处理名称和小区内容
处理 名称 水稻品种 修复技术措施
T1 CK 早稻：湘早籼24号;晚稻：岳优27 采用当地品种,不采取任何降镉措施,完全按当地栽培管理
T2 V 早稻：中嘉早17号;晚稻：H优518 采用低镉品种,其余的同CK
T3 I 早稻：湘早籼24号;晚稻：岳优27 采用当地品种+优化水分管理
T4 P 早稻：湘早籼24号;晚稻：岳优27 采用当地品种+施用生石灰
T5 VP 早稻：中嘉早17号;晚稻：H优518 采用低镉品种+施用生石灰
T6 IP 早稻：湘早籼24号;晚稻：岳优27 采用当地品种+优化水分管理+施用生石灰
T7 VIP 早稻：中嘉早17号;晚稻：H优518 采用低镉品种+优化水分管理+施用生石灰
T8 VIP +S 早稻：中嘉早17号;晚稻：H优518 采用低镉品种+优化水分管理+施用生石灰+土壤调理剂
T9 VIP+F 早稻：中嘉早17号;晚稻：H优518 采用低镉品种+优化水分管理+施用生石灰+叶面阻控剂
T10 VIP+S+F 早稻：中嘉早17号;晚稻：H优518 采用低镉品种+优化水分管理+施用生石灰+土壤调理剂+叶面阻控剂
注：V代表种植低镉水稻品种,I代表优化水分管理,P代表撒施石灰,S代表施用土壤调理剂,F代表喷施叶面阻控剂。

1.3 测定项目与方法

在早稻整地前、早晚稻收获时,每个小区按照“梅花五点法”一对一采集土壤和稻谷样品。土壤自然风干（不能放在太阳下面直接晒）,稻谷谷粒（实粒,不带稻穗）样品晒干后粉碎,按照GB/T 5009—2003测定土样和稻谷样中的重金属镉含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和IBM SPSS Statistics 24统计分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 “VIP+n”综合降镉技术对早、晚稻米镉含量的影响

由表2可知,在早、晚稻收获期间,T2至T10 9个处理与CK空白对照组相比,10个处理间虽然差异不显著,但是稻米镉含量都有所降低,而且降镉率至少在40%以上,最高甚至达到了93.01%,其中早稻收获期的VIP、VIP+叶面阻控剂、VIP+土壤调理剂+叶面阻控剂这3种修复技术组合模式的降镉率都在90%以上,晚稻收获期只有VIP+土壤调理剂+叶面阻控剂修复技术组合模式的降镉率在90%以上。在不采取任何降镉措施的情况下,稻米镉含量超过了国家标准,而采用了种植低镉水稻品种、优化水分管理、撒施石灰、施用土壤调理剂、喷施叶面阻控剂这5种修复技术中的无论哪种组合模式都能够使早、晚稻米镉含量降低并远低于国家标准0.2 mg/kg。
表2 收获期稻米总镉含量和降镉率
处理 稻米总镉含量/(mg/kg) 稻米降镉率/%
早稻 晚稻 早稻 晚稻
T1 0.224 aA 0.229 aA - -
T2 0.050 aA 0.047 aA 77.83 79.62
T3 0.044 aA 0.137 aA 80.36 40.32
T4 0.026 aA 0.064 aA 88.24 72.05
T5 0.050 aA 0.033 aA 77.53 85.44
T6 0.029 aA 0.054 aA 87.05 76.42
T7 0.018 aA 0.030 aA 91.96 86.75
T8 0.046aA 0.025aA 79.61 89.08
T9 0.016aA 0.033aA 93.01 85.59
T10 0.017aA 0.020aA 92.26 91.12
注：表中同列数值后不同小、大写字母分别代表差异极显著(P<0.01)、显著(P<0.05)。

2.2 采用不同“VIP+n”综合降镉技术的经济成本分析

由表3可知,从经济效益来看,“VIP+n”综合降镉技术中投入成本最大的是T10处理,达到14670元/hm2,投入成本最小的是T3处理,成本为810元/hm2。
表3 不同“VIP+n”综合降镉技术的投入成本分析表
处理 投入成本/(元/hm2) 处理 投入成本/(元/hm2)
T1 — T6 2610
T2 2250 T7 4860
T3 810 T8 13860
T4 1800 T9 5670
T5 4050 T10 14670

3 结论与讨论

湖南省矿产资源丰富,矿藏开采导致了大量耕地受到重金属污染[8,9],尤其是水稻土壤镉污染引起的“镉大米”已经成为了中国首要的农产品安全问题[10,11]。镉,是一种重金属,在自然界,以化合物形态存在于矿物质中,工业生产中含镉的废气、废水,经过降雨或自然沉降,积蓄在土壤和水源中,再通过灌溉、种植等途径污染农作物[12,13]。重金属污染耕地按照污染程度分为轻度污染区、中度污染区和重度污染区,其中受重金属污染较轻的农田,采用农艺措施治理,可有效减轻土壤中重金属对农作物的危害,提高作物产量,改善产品品质[14],这与本文研究结果一致。
本研究选择湘潭县轻度稻田污染土壤进行降镉效果小区试验,以期探索出轻度污染耕地修复效果最佳的组合。试验表明：除空白对照外,不同综合降镉技术组合都能够降低稻米镉含量并使其远低于国家标准0.2 mg/kg即国家食品安全标准而且降镉率至少在40%以上。这与沈欣等[7]的研究结果一致。同时,早稻米镉含量低于晚稻,这是因为早稻糙米对镉的富集能力弱于晚稻,因此从土壤转运到早稻植株体内富集至糙米中的镉较少[3]。
从降镉效果来看,在早稻时期,采用T9 (VIP+F)处理效果最佳,降镉率达到了93.01%,在晚稻时期,采用T10 (VIP+S+F)处理效果最佳,降镉率达到了91.12%。
从经济效益最大化来看,采用种植低镉水稻品种的技术成本为2250元/hm2,采用优化水分管理的技术成本为810元/hm2,采用撒施生石灰的技术成本为1800元/hm2,采用施用土壤调理剂的技术成本为 9000元/hm2,采用喷施叶面阻控剂的技术成本为 810元/hm2,投入成本最大的是T10处理,达到 14670元/hm2,投入成本最小的是T3处理,成本为 810元/hm2。
从生态环境来看,南方稻田区相比北方,季节多雨,但是要实现全程优化水分管理即淹水灌溉还是存在一定的困难,因为在实际操作过程中,南方存在季节性干旱,会大大影响稻米的降镉效果,从而导致农户收获的稻米镉不达标而出售困难,因此T3修复技术模式存在一定的局限性。
因此,综合生态环境、经济效益以及降镉效果等3个方面的因素,T4修复技术组合模式是降低轻度重金属污染农田稻米镉含量的最佳推广模式,能够实现效益最大化,同时陈远其等[15,16,17,18,19,20]研究也认为,在南方酸性土壤中,施用适量的石灰能提高土壤pH值从而降低单一重金属特别是镉污染土壤对农作物的毒害作用。

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河南省自然科学基金“植物胁迫激素脱落酸光谱检测新技术研究”(162300410143)
郑州市第三批“智慧郑州·1125聚才计划”项目“便携式金标判读仪的研究与开发”(郑政[2018]45号)
郑州市工程技术研究中心“郑州市农业检测工程技术研究中心”(郑科[2017]91号)

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