China faces great challenges in protecting its soil from contamination caused by rapid industrialization and urbanization over the last three decades. Recent nationwide surveys show that 16% of the soil samples, 19% for the agricultural soils, are contaminated based on China’s soil environmental quality limits, mainly with heavy metals and metalloids. Comparisons with other regions of the world show that the current status of soil contamination, based on the total contaminant concentrations, is not worse in China. However, the concentrations of some heavy metals in Chinese soils appear to be increasing at much greater rates. Exceedance of the contaminant limits in food crops is widespread in some areas, especially southern China, due to elevated inputs of contaminants, acidic nature of the soil and crop species or cultivars prone to heavy metal accumulation. Minimizing the transfer of contaminants from soil to the food chain is a top priority. A number of options are proposed, including identification of the sources of contaminants to agricultural systems, minimization of contaminant inputs, reduction of heavy metal phytoavailability in soil with liming or other immobilizing materials, selection and breeding of low accumulating crop cultivars, adoption of appropriate water and fertilizer management, bioremediation, and change of land use to grow nonfood crops. Implementation of these strategies requires not only technological advances, but also social-economic evaluation and effective enforcement of environmental protection law.

Arsenic poisoning affects millions of people worldwide. Human arsenic intake from rice consumption can be substantial because rice is particularly efficient in assimilating arsenic from paddy soils, although the mechanism has not been elucidated. Here we report that two different types of transporters mediate transport of arsenite, the predominant form of arsenic in paddy soil, from the external medium to the xylem. Transporters belonging to the NIP subfamily of aquaporins in rice are permeable to arsenite but not to arsenate. Mutation in OsNIP2;1 (Lsi1, a silicon influx transporter) significantly decreases arsenite uptake. Furthermore, in the rice mutants defective in the silicon efflux transporter Lsi2, arsenite transport to the xylem and accumulation in shoots and grain decreased greatly. Mutation in Lsi2 had a much greater impact on arsenic accumulation in shoots and grain in field-grown rice than Lsi1. Arsenite transport in rice roots therefore shares the same highly efficient pathway as silicon, which explains why rice is efficient in arsenic accumulation. Our results provide insight into the uptake mechanism of arsenite in rice and strategies for reducing arsenic accumulation in grain for enhanced food safety.

The decontamination of soils and wastes polluted with heavy metals presents one of the most intractable problems for soil clean-up. Present technology relies upon metal extraction or immobilization processes, both of which are expensive and which remove all biological activity in the soil during decontamination. They may only be appropriate for small areas of valuable redevelopment land. In this paper the use of metal-accumulating plants is explored for the removal of metals from superficially-contaminated soils such as those resulting from the long-term application to land of metal-contaminated sewage sludges. Green remediation employs plants native to metalliferous soils with a capacity to bioaccumulate metals such as zinc and nickel to concentrations greater than 2% in the aerial plant dry matter (hyperaccumulators). Growing such plants under intensive crop conditions and harvesting the dry matter is proposed as a possible method of metal removal and for ‘polishing’ contaminated agricultural soils down to metal concentrations below statutory limits. Not only are the biological activity and physical structure of soils maintained but the technique is potentially cheap, visually unobtrusive and offers the possibility of biorecovery of metals. The limitations of the process are reviewed and the future requirements for the development of efficient phytoremediators are outlined.

The cellular compartmentation of elements was analysed in the Zn hyperaccumulator Arabidopsis halleri (L.) O'Kane & Al-Shehbaz (=Cardaminopsis halleri) using energy-dispersive X-ray microanalysis of frozen-hydrated tissues. Quantitative data were obtained using oxygen as an internal standard in the analyses of vacuoles, whereas a peak/background ratio method was used for quantification of elements in pollen and dehydrated trichomes. Arabidopsis halleri was found to hyperaccumulate not only Zn but also Cd in the shoot biomass. While large concentrations of Zn and Cd were found in the leaves and roots, flowers contained very little. In roots grown hydroponically, Zn and Cd accumulated in the cell wall of the rhizodermis (root epidermis), mainly due to precipitation of Zn/Cd phosphates. In leaves, the trichomes had by far the largest concentrations of Zn and Cd. Inside the trichomes there was a striking sub-cellular compartmentation, with almost all the Zn and Cd being accumulated in a narrow ring in the trichome base. This distribution pattern was very different from that for Ca and P. The epidermal cells other than trichomes were very small and contained lower concentrations of Zn and Cd than mesophyll cells. In particular, the concentrations of Cd and Zn in the mesophyll cells increased markedly in response to increasing Zn and Cd concentrations in the nutrient solution. This indicates that the mesophyll cells in the leaves of A. halleri are the major storage site for Zn and Cd, and play an important role in their hyperaccumulation.

A pot experiment was conducted to compare two strategies of phytoremediation: natural phytoextraction using the Zn and Cd hyperaccumulator Thlaspi caerulescens J. Presl & C. Presl versus chemically enhanced phytoextraction using maize (Zea mays L.) treated with ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). The study used an industrially contaminated soil and an agricultural soil contaminated with metals from sewage sludge. Three crops of T. caerulescens grown over 391 d removed more than 8 mg kg(-1) Cd and 200 mg kg(-1) Zn from the industrially contaminated soil, representing 43 and 7% of the two metals in the soil. In contrast, the high concentration of Cu in the agricultural soil severely reduced the growth of T. caerulescens, thus limiting its phytoextraction potential. The EDTA treatment greatly increased the solubility of heavy metals in both soils, but this did not result in a large increase in metal concentrations in the maize shoots. Phytoextraction of Cd and Zn by maize + EDTA was much smaller than that by T. caerulescens from the industrially contaminated soil, and was either smaller (Cd) or similar (Zn) from the agricultural soil. After EDTA treatment, soluble heavy metals in soil pore water occurred mainly as metal-EDTA complexes, which were persistent for several weeks. High concentrations of heavy metals in soil pore water after EDTA treatment could pose an environmental risk in the form of ground water contamination.

Selenite can be a dominant form of selenium (Se) in aerobic soils; however, unlike selenate, the mechanism of selenite uptake by plants remains unclear. Uptake, translocation and Se speciation in wheat (Triticum aestivum) supplied with selenate or selenite, or both, were investigated in hydroponic experiments. The kinetics of selenite influx was determined in short-term (30 min) experiments. Selenium speciation in the water-extractable fraction of roots and shoots was determined by HPLC-ICPMS. Plants absorbed similar amounts of Se within 1 d when supplied with selenite or selenate. Selenate and selenite uptake were enhanced in sulphur-starved and phosphorus-starved plants, respectively. Phosphate markedly increased K(m) of the selenite influx. Selenate and selenite uptake were both metabolically dependent. Selenite was rapidly converted to organic forms in roots, with limited translocation to shoots. Selenomethionine, selenomethionine Se-oxide, Se-methyl-selenocysteine and several other unidentified Se species were detected in the root extracts and xylem sap from selenite-treated plants. Selenate was highly mobile in xylem transport, but little was assimilated to organic forms in 1 d. The presence of selenite decreased selenate uptake and xylem transport. Selenite uptake is an active process likely mediated, at least partly, by phosphate transporters. Selenite and selenate differ greatly in the ease of assimilation and xylem transport.

Arsenic (As) exposure from consumption of rice can be substantial, particularly for the population on a subsistence rice diet in South Asia. Paddy rice has a much enhanced As accumulation compared with other cereal crops, and practical measures are urgently needed to decrease As transfer from soil to grain. We investigated the dynamics of As speciation in the soil solution under both flooded and aerobic conditions and compared As accumulation in rice shoot and grain in a greenhouse experiment. Flooding of soil led to a rapid mobilization of As, mainly as arsenite, in the soil solution. Arsenic concentrations in the soil solution were 7−16 and 4−13 times higher under the flooded than under the aerobic conditions in the control without As addition and in the +As treatments (10 mg As kg−1 as arsenite or arsenate), respectively. Arsenate was the main As species in the aerobic soil. Arsenic accumulation in rice shoots and grain was markedly increased under flooded conditions; grain As concentrations were 10−15-fold higher in flooded than in aerobically grown rice. With increasing total As concentrations in grain, the proportion of inorganic As decreased, while that of dimethylarsinic acid (DMA) increased. The concentration of inorganic As was 2.6−2.9 fold higher in the grain from the flooded treatment than in that from the aerobic treatment. The results demonstrate that a greatly increased bioavailability of As under the flooded conditions is the main reason for an enhanced As accumulation by flooded rice, and growing rice aerobically can dramatically decrease the As transfer from soil to grain.

Abstract The method described for digestion of soil samples with aqua regia is simple, flexible and safe to operate with large sample throughout. At least nine metals can be determined in the resulting solutions with errors of <5%. The results compare favourably with those from reflux aqua regia and averaged 88% of the certified total values for reference soils and 88% of those for reference sewage sludges.

Abstract The mechanisms of arsenic (As) hyperaccumulation inPteris vittata, the first identified As hyperaccumulator, are unknown. We investigated the interactions of arsenate and phosphate on the uptake and distribution of As and phosphorus (P), and As speciation in P. vittata. In an 18-d hydroponic experiment with varying concentrations of arsenate and phosphate, P. vittata accumulated As in the fronds up to 27,000 mg As kg−1 dry weight, and the frond As to root As concentration ratio varied between 1.3 and 6.7. Increasing phosphate supply decreased As uptake markedly, with the effect being greater on root As concentration than on shoot As concentration. Increasing arsenate supply decreased the P concentration in the roots, but not in the fronds. Presence of phosphate in the uptake solution decreased arsenate influx markedly, whereas P starvation for 8 d increased the maximum net influx by 2.5-fold. The rate of arsenite uptake was 10% of that for arsenate in the absence of phosphate. Neither P starvation nor the presence of phosphate affected arsenite uptake. Within 8 h, 50% to 78% of the As taken up was distributed to the fronds, with a higher translocation efficiency for arsenite than for arsenate. In fronds, 49% to 94% of the As was extracted with a phosphate buffer (pH 5.6). Speciation analysis using high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectroscopy showed that &gt;85% of the extracted As was in the form of arsenite, and the remaining mostly as arsenate. We conclude that arsenate is taken up by P. vittata via the phosphate transporters, reduced to arsenite, and sequestered in the fronds primarily as As(III).