植物质量安全生物学

**章绪论 　　1.1植物的质量安全问题 　　1.1.1植物源农产品质量安全的法律规定 　　《国风 王风 黍离》云：“彼黍离离，彼稷之苗”，生动描述了古代农作物的生长情况。众所周知，植物是地球上*重要的生命形态之一，是高等动物和人类生存与发展的基础。一方面，植物通过光合作用产生人和动物呼吸所必需的氧气，构成了地球大气的基本组分；另一方面，来源于植物的产品构成了人类生活必需品中*基本、*重要的部分。人类赖以生存的谷物及蔬菜、水果等均来源于植物的器官，它们为人类提供了基本的营养元素，特别是碳水化合物、维生素、植物蛋白、矿物质等。农业加工品中大量使用的原料如植物油、香料、植物源性调料（如桂皮、八角、胡椒）亦来自植物组织或植物代谢物。以天然农业植物为原料，进一步经过物理、化学方法提取、分离和浓缩得到的植物提取物如茶皂素（油茶籽提取物）、姜黄素、褐藻糖胶则已超越初级农产品范畴，成为进一步提高人类生活品质的“增味剂”。此外，从特殊的药用植物或饲用植物中经复杂提取、纯化过程得到的有效成分如青蒿素、人参皂苷、糖萜素等则对维护人类健康和动物福利发挥了重要作用（任琰等，2016；Armendáriz-Barragánetal.，2016）。 　　在20世纪90年代之前，我国农业生产的主要任务还是扩大生产、保障供给，党和政府及人民群众主要关注的还是与“吃得饱”相关的农产品供给数量问题。随着我国及世界各国经济的发展，人民的生活水平不断提高。在这种新的时代背景下，人们的消费理念和消费需求已经发生了重大的改变，对包括植物源农产品在内的各种农产品的需求已经远远不止于满足生存所急、温饱所需，而是包括外观好看、品质卓越、营养丰富、质量安全等多方面需求。而所谓“民以食为天，食以安为先”，在这诸多需求中，对农产品质量安全的需求具有突出的地位和重要性（刘萍等，2020）。习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上就强调：加强食品安全监管，关系全国13亿多人“舌尖上的安全”，关系广大人民群众身体健康和生命安全。根据《中华人民共和国农产品质量安全法》的规定，农产品质量安全是指在农业生产活动中获得的植物、动物、微生物及其产品质量符合保障人体健康、安全的要求。相应的，为了维护农产品质量安全，保障人民生命健康和生活品质，《中华人民共和国农产品质量安全法》规定有下列情形之一的农产品不得销售：①含有国家禁止使用的农药、兽药或者其他化学物质的；②农药、兽药等化学物质残留或者含有的重金属等有毒有害物质不符合农产品质量安全标准的；③含有的致病性寄生虫、微生物或者生物毒素不符合农产品质量安全标准的；④使用的保鲜剂、防腐剂、添加剂等材料不符合国家有关强制性的技术规范的；⑤其他不符合农产品质量安全标准的。 　　因此，根据《中华人民共和国农产品质量安全法》的规定，符合质量安全的植物源农产品应当不含或不超量含有可能损害人体健康的各种内源、外源有害因子，不应对消费者产生急性或慢性毒害或导致感染疾病、造成危及消费者及其后代健康的隐患。由于可导致植物源农产品质量安全问题的内源、外源因素贯穿于植物的生长、产品加工、储存、流通等各个环节，系统性地研究和认识上述各个环节中所出现的植物源农产品质量安全问题的主要类型、主要原因及其机制，具有重要的科学意义和实用价值。 　　1.1.2植物源农产品质量安全问题的主要类型 　　植物源农产品的质量安全问题既可以来自植物本身（内因），也可以由外部因素导致（外因）。内因主要来自植物自身合成的对人体有毒或致敏的化合物，而由外因导致的质量安全问题更为普遍和严重。在全球农业快速迈向现代化的进程中，各国普遍出现了化肥、农药、植物生长调节剂等过量或不合理使用的问题。同时，伴随着全球人口的快速增长和工业化浪潮对资源的巨大需求，人类对环境的破坏加剧，导致气候变化和环境污染问题突出，而这些污染物被植物吸收以及在植物体内积累后会对人体健康产生严重威胁。我国作为世界上人口*多、经济增速*快的发展中国家，近年来由环境污染、非法添加等导致的农产品质量安全问题十分突出。例如，湖南省是我国的有色金属之乡，汇集了大批有色金属和重化工企业，由此造成的土壤污染导致湖南所产大米中镉等重金属元素含量普遍超标，不仅严重危害了消费者的健康，还导致了市场对湖南大米的抵制，严重影响了湖南农业企业和农户的经济利益。农药残留也是我国植物源农产品质量安全的主要问题之一，而且农产品的质量安全问题除了发生在粮食、蔬菜、水果等初级植物农产品上，在次级植物农产品领域同样存在。例如，我国是世界上*重要的植物提取物供应地之一，以2014年为例，我国出口的植物提取物价值达17.48亿美元，占全球植物提取物总份额的18%。然而由于质量安全问题，近年屡次发生被国外通报存在风险的情况，主要原因包括农药残留超标、添加剂超标、含有毒有害物质、非法辐照等，大大影响了我国植物提取物产品在国际市场上的声誉和竞争力（任琰等，2016）。此外，动物饲料中含有的安全危害成分，如菜籽饼粕中含有的硫代葡萄糖苷及芥子酸、棉籽饼粕中含有的游离棉酚毒素等也可能会通过生物富集作用进入人体，危害健康（贺秀媛等，2008）。 　　本书针对上述植物源农产品质量安全的主要问题，凝练了目前导致这些问题或者与其密切相关的主要内源、外源因子，并以它们作为本书后续各章的主要论述对象，从生物学角度详细介绍了这些因子影响植物生长发育和环境响应的机制，以及植物对它们的吸收、转运、降解机制。这些因子（素）列述如下。 　　（1）植物内源毒素和抗营养因子 　　植物内源毒素是植物中天然产生的毒素，具有广泛和多样的生物作用，绝大部分属于植物的次生代谢产物，在植物生命过程中常具有防御机制，保护植物免于被采食或感病，其产生和积累受外部环境因素及植物自身生长发育的影响。 　　（2）植物外源毒素 　　植物外源毒素分为细菌毒素、真菌毒素、病毒毒素等，其中真菌毒素是*常见和危害*为严重的毒素。 　　（3）重金属 　　重金属是指密度大于或等于5g/cm3的金属元素，通常包括镉（Cd）、汞（Hg）、镍（Ni）、铅（Pb）、锌（Zn）、铬（Cr）等生物毒性显著的元素。随着我国工业化和城市化进程的不断发展，重金属造成的土壤污染形势日趋严峻。重金属一旦进入土壤–作物系统就很难排除，过量的重金属在作物的根、茎、叶及籽粒中积累，不仅影响作物的品质、产量和农田生态系统，并且可通过食物链进入人体从而引发多种疾病，*终危害人体健康。 　　（4）有机污染物 　　环境中的有机污染物是指引起环境污染并对生态系统产生有害影响的有机化合物。其中，人工合成有机污染物在自然环境中原本并不存在，而是由人工合成产生的，如各类农药、多环芳烃、多氯联苯、高分子聚合物等。有机污染物的污染面广、分解缓慢且其毒性容易通过食物链的生物放大作用蓄积于生物体内，对人体健康造成严重危害。 　　（5）纳米污染物纳米物质是一种由在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸（1～100nm）的基本颗粒组成的天然或人工材料。纳米污染物主要来源于工业制造，在合成和使用过程中直接流入环境，也可能通过间接方式，如垃圾填埋、污水污泥进入水源、土壤，并进一步被植物体所吸收和积累。 　　（6）植物采后劣变 　　植物采收后，体内营养物质不断消耗，不适宜的贮藏条件可能造成病原菌的侵染或自身的生理失调，导致采后植物产品品质劣变，失去其商品价值，造成经济损失。因此，深入了解植物器官采后质量安全性状及其调控机制，对于延长植物采后保鲜期和保障植物采后质量安全具有重要意义。 　　针对上述因子（素），本书第2章专门从植物内外源毒素的产生、性质和消除角度进行详述；第3章专门从植物吸收、转运、积累、抵抗和排除重金属的生物学机制等方面予以详述；第4章专门从有机污染物的类型对植物的影响，在植物体内的吸收、转运、降解机制等方面予以详述；第5章专门从纳米污染物的概念、特性、生物学效应，在植物体内的吸收、转运、降解机制等方面予以详述；第6章专门从植物营养器官、繁殖器官的采后质量安全性状及采后质量安全的调控机制等方面予以详述。　　 　　1.1.3植物源农产品质量安全问题溯源 　　研究植物源农产品质量安全问题的根本目的是进行预防和治理。通过对发生在植物源农产品上的质量安全问题进行溯源，发现其产生的主要来源如下。 　　（1）品种遗传因素 　　植物内源毒素的产生及其种类、含量与植物物种和品种特性密切相关，有的产毒素量高，有的产毒素量低。植物对外源毒素和污染物的解毒能力、排除能力和降解能力也与品种特性密切相关。有的植物能将大量的重金属留置在根部，有的则在果实中大量积累，引起质量安全风险。类似的，有的植物在经过一段时间的分解后能较有效地清除外源喷施的农药，有的则不能，从而引起农药残留的危害。 　　（2）产地环境污染不少地方为了追求社会经济的高速发展，片面执行以“GDP挂帅”的评价体制，过分注重速度，牺牲了生态环境，并带来质量安全隐患。由于废水、废气、固体废弃物等工业“三废”和城市生活垃圾的随意排放与堆放，城镇周边耕地土壤中的有机污染物和镉、铬、铅等重金属含量超标，大气中的复合污染及有机污染加重，地表和地下水系也受到严重污染，进而使得包括广大农村在内的整个农业生产领域的生态系统环境恶化。尽管近年来的“环保风暴”在很大程度上控制住了大气、地表和水源污染状况恶化的趋势，但是有机物、重金属等污染很难在短时间内消除，进而造成环境中的污染物持续在植物源农产品中积累，成为农产品质量安全问题的源头因素。 　　（3）农业投入品过量和不合理使用 　　农业投入品，包括化肥、农药、植物生长调节剂等，不仅对植物的产量具有重要的促进作用，而且已被纳入标准生产规程，成为农业生产的必需品。然而，长期以来为了片面达到增产、防治病虫害的目的，农业生产者在生产过程中往往超剂量施用化肥、农药、农膜等农业投入品，不仅造成土壤、水资源污染严重，而且由于长期过量使用这些农业投入品，其在农产品内也有大量残留，农产品本身变成了污染物，对质量安全造成直接影响。分布在大中型工矿企业周围和大中城市郊区的田地，其出产的农产品受到的污染往往*为严重。 　　（4）生产技术落后导致危害物残留 　　尽管近几十年来我国的工农业生产技术发生了翻天覆地的变化，但客观上我国的农业技术仍然较为落后，农民的安全生产意识仍然不高，这就带来了农产品中危害物残留较多的问题。例如，绿色、安全农业投入品的研发技术不高，难以开发和大面积应用安全、高效、低残留的农业投入品；生产者文化程度和科学知识水平较低，对农业投入品使用不当，导致农产品中有大量不安全的化学制品；农产品快速、便捷的检验检疫技术研发滞后，对一些需要专用和高精度仪器才能检测出的问题产品难以鉴别，导致存在质量安全问题的农产品流入市场，给人体健康和安全带来隐患。 　　（5）植物源产品流通环节的劣变及污染 　　植物源产品在采后运输、贮藏过程中容易出现脱水、软化、褐变与絮败、风味丧失及腐烂、霉变等品质和安全性的劣变。这些劣变和污染的产生会造成产品使用价值和商业价值的大幅下降，并可能对消费者的健康产生严重危害。目前，对储存和流通环节上植物源农产品质量安全的检测和监管已经成为市场监管的重点领域，对植物采后生物学机制的研究和新技术研发已成为农学和食品科学的重要研究领域。 　　1.2植物质量安全生物学的概念及含义 　　1.2.1植物的质量安全性状 　　性状是生物体所表现出的可遗传的形态结构、生理生化特征和行为方式等的统称（戴灼华等，2008）。任何生物都有丰富多样的性状，有的与形态特征相关（如植物花瓣的颜色和形状、人的身高和体重等），有的与生理特征相关（如植物的水分利用效率、人的ABO血型等），有的与行为方式有关（如植物叶片的向光性、宠物的服从性等），有的则与生物体对环境的适应性有关（如植物根系的结构和发达程度、动物皮下脂肪层的厚度等）。植物，特别是农业植物的性状