微量元素鋅與植物營養(yǎng)和人體健康

朱盼盼， 馬彥平， 周忠雄， 石 磊

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游耕地保育重點實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微量元素研究中心 湖北武漢 430070；2.上?；ぱ芯吭河邢薰?國家化肥質(zhì)量檢驗檢測中心〔上?！?上海 200062；3.湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司 湖北荊門 448000)

鋅是植物必需的微量元素之一，其參與植物的代謝、色氨酸和吲哚乙酸的合成，影響脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的合成、碳水化合物的代謝，還能促進(jìn)生殖器官的發(fā)育并增強植株的抗逆性[1]。同時，鋅對于人體具有多種生理作用，在人體微量元素中的含量僅次于鐵，廣泛存在于人體各部位，參與多種酶及蛋白質(zhì)的合成。鋅與人體的免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)都有密切聯(lián)系，當(dāng)人體缺鋅時，會導(dǎo)致人體的免疫功能下降，降低對病毒的抵抗能力，對人體健康產(chǎn)生影響[2]。

小麥和水稻是我國重要的主糧品種。由于我國部分地區(qū)土壤中全鋅及有效鋅的含量偏低，且隨著作物產(chǎn)量提高帶來的礦質(zhì)養(yǎng)分稀釋效應(yīng)，收獲后的稻谷與小麥中鋅含量水平較低。此外，在小麥和水稻的加工過程中，部分鋅會進(jìn)入米糠和麥麩中。作物籽粒中的Zn2+容易與植酸結(jié)合形成植素,由于人體消化系統(tǒng)中缺少水解植酸的酶，因此降低了鋅的生物有效性[3]，所以長期單一食用大米、面食的人群仍然存在很多鋅營養(yǎng)不良的癥狀。這些癥狀可以通過服用含鋅藥物進(jìn)行緩解，但長期服用含鋅藥物可能會對人體正常的代謝產(chǎn)生影響。通過食用富含鋅元素的植物或動物食品來緩解人體鋅營養(yǎng)不良的癥狀，正在成為健康領(lǐng)域的一大熱點。近年來的研究表明，動、植物中的鋅可能比無機態(tài)的鋅更容易也更安全地被人體所吸收[4]。因此在不危害植物健康的情況下，將鋅以肥料的形式科學(xué)合理地施入土壤中，以此來提高植物中可食部分的鋅含量，進(jìn)而達(dá)到人體通過食用富鋅農(nóng)產(chǎn)品來改善自身營養(yǎng)平衡的目的。

近年來，由于過于追求作物高產(chǎn)，人們大多注重氮、磷、鉀肥的施用，忽視了鋅等微量營養(yǎng)元素的補充。連年種植作物，植物從土壤中吸收帶走大量的微量元素，造成土壤微量元素缺乏，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。我國南方酸性土壤中有效鋅的含量較高，而北方石灰性土壤容易形成難溶性的鋅化合物，降低了有效鋅的含量[1,5]。土壤有效鋅含量降低會導(dǎo)致作物缺鋅，進(jìn)而影響人體健康。此外，隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注食品的營養(yǎng)組成，發(fā)展?fàn)I養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究的熱點，所以通過合理使用鋅肥來優(yōu)化植物鋅營養(yǎng)，達(dá)到改善人體鋅營養(yǎng)平衡，為農(nóng)業(yè)、營養(yǎng)、健康之間的關(guān)系提供了新思路，具有重要意義。

1 鋅與植物營養(yǎng)的關(guān)系

1962年，Sommer和Lipman用向日葵和大麥證明了鋅是植物必需營養(yǎng)元素后，人們就對鋅在植物體中的含量、分布及其營養(yǎng)功能開展了大量研究[5]。植物含鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以干質(zhì)量計)一般為20～100 mg/kg，植物種類、品種、部位不同，含鋅量也不同，通常新生器官的鋅含量較高，營養(yǎng)器官的鋅含量大于生殖器官的，特別是在根系積累較多[1]。某些植物食用部分鋅含量較高，如豆芽、番茄、黃瓜、栗子、花生、核桃等，含鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在110 mg/kg以上；而豌豆、大蒜、馬鈴薯等的鋅含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40 mg/kg以下[2]。鋅主要通過擴散到達(dá)植物的根系表面，以二價陽離子的形態(tài)通過主動吸收進(jìn)入植物體內(nèi)[1]。植物吸收的鋅在木質(zhì)部主要有兩種形態(tài)，即與有機酸結(jié)合形成的有機態(tài)鋅和二價鋅離子，經(jīng)木質(zhì)部進(jìn)行長距離運輸[1,4]。

植物缺鋅主要發(fā)生在我國北方地區(qū)，特別是石灰性土壤。土壤有效鋅含量受溫度、酸堿度、含水量、有機質(zhì)含量等的影響。低溫可使植物根系發(fā)育不良、微生物活動減弱，從而誘發(fā)缺鋅；介質(zhì)酸堿度也會影響有效鋅的含量，pH降低，減弱了土壤對鋅的吸附能力，吸附態(tài)鋅的解吸量增加；含水量對鋅含量也有一定影響，含水量低，其土壤有效鋅含量一般比較低；此外，在一定范圍內(nèi)，有效鋅的含量與土壤全氮、有機質(zhì)含量呈正相關(guān)；在石灰性和堿性土壤中(全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)<100 mg/kg時)，土壤全磷與有效鋅含量也呈現(xiàn)正相關(guān)，但當(dāng)土壤磷含量較高時，會干擾鋅向地上部的運輸，植物對鋅的吸收量減少，造成植物缺鋅；有機酸、Ca+、Mg2+、Fe2+等也會影響鋅的吸收[1,6-7]。

鋅參與生長素的合成，所以植物缺鋅時，會表現(xiàn)出明顯的植株矮小、節(jié)間縮短現(xiàn)象，葉片的生長和伸長受到抑制，出現(xiàn)小葉；鋅在植物韌皮部的移動性強，但其移動性與鋅的營養(yǎng)狀況有關(guān)，缺素癥狀會優(yōu)先出現(xiàn)在新葉組織[1]。

2 鋅與人體健康

研究表明，人體中大部分的微量元素與土壤中微量元素的豐度呈正相關(guān)。土壤中的微量元素被植物吸收利用，直接或經(jīng)動物傳遞到人，這就是土壤-植物-動物-人類的生物鏈傳遞結(jié)果[8]。鋅是人體必需的微量元素之一，廣泛存在于人體各部位，參與人體的生長發(fā)育、免疫、內(nèi)分泌、生殖遺傳等過程，對人體健康具有重要的調(diào)控功能，被人們稱為“智慧之源”和“生命之花”[9]。

鋅作為必需的微量元素存在于人體的各個組織和器官中。以成年人為例，鋅在人體內(nèi)的總量為1.5～2.5 g，在肝臟、腎臟、肌肉中的含量最高[10]。鋅對人體的免疫功能、消化功能、生長發(fā)育和物質(zhì)代謝等方面均有影響，是人體很多金屬酶的組成成分或酶激活劑，鋅對這些酶的活性具有調(diào)控功能，如核糖核酸聚合酶和堿性磷酸酶等[11]。同時，鋅還是細(xì)胞膜的重要組分，在腦細(xì)胞膜中，鋅水平的高低直接影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生理功能，進(jìn)而影響人體的智力和生長發(fā)育[12]。

研究表明，鋅對于孕婦及新生兒極為重要，大多數(shù)的孕婦可能因為鋅攝入不足，由缺鋅導(dǎo)致自然流產(chǎn)、早產(chǎn)、胎兒先天性畸形等。缺鋅影響消化功能，可能導(dǎo)致癌癥以及增加婦科腫瘤的發(fā)病率；缺鋅還可能會降低視力，加速人體老化[13]。

鋅是人體必需的營養(yǎng)元素，但其在人體中的含量有一定限制，過量補鋅同樣會對人體造成危害。當(dāng)成人一次性攝入量超過2 g時，會發(fā)生鋅中毒，導(dǎo)致腹痛、嘔吐；長期大量攝入鋅還可能會引起慢性中毒，導(dǎo)致貧血[10]。鋅是參與人體免疫功能的重要元素，當(dāng)大量的鋅存在時，會抑制吞噬細(xì)胞的活性及殺菌力，導(dǎo)致人體免疫功能下降[13]。鋅缺乏與鋅過量對人體都會造成一定危害，所以應(yīng)合理補鋅，調(diào)節(jié)人體營養(yǎng)均衡，促進(jìn)人體健康。

3 人體的鋅營養(yǎng)來源

植物鋅的來源主要是土壤和肥料，動物鋅的來源主要是吸收植物中的鋅，人體主要通過食用農(nóng)產(chǎn)品和動物食品來補充鋅。我們要科學(xué)合理補鋅，均衡飲食，合理搭配，不挑食、偏食，多食用富鋅食物。動物性富鋅食物(如動物內(nèi)臟、魚類、海產(chǎn)品等)中，肉類含鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為20～60 mg/kg，魚類一般為15 mg/kg以上，植物性富鋅食物有豆類、堅果類、花生仁、蘿卜等，動物性富鋅食物的鋅含量比植物性的高。對于嬰幼兒應(yīng)該采用母乳喂養(yǎng)，食用含鋅量高的輔食[13-14]。

人體除了直接食用含鋅食物外，還可以通過鋅強化食品來補充鋅?？茖W(xué)研究顯示，食品強化是一種有效、安全和經(jīng)濟(jì)的補充鋅的方式[15]。我國衛(wèi)生健康委員會已經(jīng)批準(zhǔn)在植物、動物及其他食物再加工過程中，可以將鋅作為食品添加劑加入其中，以滿足人體鋅營養(yǎng)需求[14]。

4 優(yōu)化植物鋅營養(yǎng)

提高植物中鋅含量的方法有很多種。由于我國大部分土壤的鋅含量較低，尤其是北方石灰性土壤，所以將鋅作為肥料施入，是補充植物鋅營養(yǎng)的一種重要方式。我國常用的鋅肥品種有氧化鋅、硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅及其他有機螯合鋅肥等，鋅肥的用量因植物種類、肥料類型、土壤狀況等各有不同。植物缺鋅癥狀多出現(xiàn)在早期，所以鋅肥要早施，通常情況下采用土施或葉面噴施的方式[1]。

近年來通過施用鋅肥來提高作物產(chǎn)量及作物可食部分鋅含量的研究很多。王孝忠等[16]的研究表明，合理的鋅肥施肥方式及用量能提高小麥、玉米和水稻的產(chǎn)量。葉廷紅等[17]的研究表明，在水稻營養(yǎng)生長前期，通過基施和追施鋅肥，能提高水稻籽粒中鋅的含量。楊月娥等[18]在全國30個試驗點的研究表明，葉面噴施鋅肥可顯著提高小麥籽粒中鋅的含量。郭九信等[19]的研究表明，不同的鋅肥施用方式對水稻籽粒中鋅含量的提高效果為土施+葉面噴施>葉面噴施>土施，這表明可以通過優(yōu)化鋅肥的施用方式來調(diào)節(jié)作物中鋅的含量。

已有研究表明，大量營養(yǎng)元素肥料供應(yīng)對鋅的吸收、轉(zhuǎn)移、分配和富集均有一定影響。王少霞[20]的研究表明，鋅肥與氮、磷、鉀肥配合施用，均對小麥籽粒富鋅產(chǎn)生影響，其中氮肥和鉀肥與鋅肥的配合噴施，可以提高葉面對鋅的吸收及鋅向營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)籽粒富鋅，其富鋅效果要高于單獨噴施鋅肥的；鋅肥與磷肥配合噴施會產(chǎn)生拮抗作用，富鋅效果低于單獨噴施鋅肥的。因此，可以通過鋅與其他元素的協(xié)同作用，提高鋅肥利用率及植物可食用部分的鋅含量，這也為研究鋅的高效利用提供了一個方向。

此外，還可以通過改變作物的種植方式來提高作物可食部分的鋅含量。有專利表明，將不同品種的小麥進(jìn)行間作或混作，能有效提高小麥籽粒中鋅的含量[21]。同樣，將鷹嘴豆與蠶豆分別與玉米進(jìn)行間作，鷹嘴豆及蠶豆籽粒中鋅的含量要比單作時分別提高12.8%和10.6%[22]。植物在缺鐵和鋅的環(huán)境條件下通過根系分泌H+和麥根酸類物質(zhì)等活化土壤中難溶性鐵和鋅，改變作物根系形態(tài)和根際微生物種類及數(shù)量，滿足自身吸收需求；生態(tài)位互補和種間促進(jìn)作用也可以用來解釋種間鐵和鋅的吸收獲取優(yōu)勢[23-24]。

通過生物技術(shù)增加作物可食用部分鋅含量來改善人體鋅營養(yǎng)缺乏，已成為行業(yè)研究的熱點?？茖W(xué)家通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，能將相關(guān)基因轉(zhuǎn)移到所需要的作物中，以此來提高作物鋅含量。有研究表明[25]，通過在木薯中表達(dá)擬南芥鐵轉(zhuǎn)運蛋白(IRT1)和鐵蛋白(FER1)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)基因木薯塊莖中的鋅含量要比野生型植物的高3～10倍。在遺傳學(xué)方面，通過雜交育種選育鋅高效品種也是提高作物鋅含量的一種重要方式。Wang等[26]的研究表明，將鋅濃度較高的突變體LLZ與植酸濃度較低的突變體Os-lpa-XS110-1雜交，雜交后代中雙突變體籽粒的鋅含量顯著升高，植酸含量顯著降低。

5 結(jié)語

目前，微量元素鋅的研究已涉及多個領(lǐng)域，以人體健康為導(dǎo)向，利用各種農(nóng)藝措施和生物遺傳等技術(shù)改善植物對鋅的利用效率，調(diào)控鋅在植物體中的轉(zhuǎn)移，對調(diào)節(jié)人體營養(yǎng)均衡、緩解人體鋅營養(yǎng)的隱性饑餓、保障人體健康具有重要意義。