微量元素鐵與植物營養(yǎng)和人體健康的關(guān)系解析

韓秀萍，馬彥平，黃燦燦

（1. 浙江清華長(zhǎng)三角研究院 嘉興市肺癌精準(zhǔn)治療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 嘉興 314000；2. 上?；ぱ芯吭河邢薰?國家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海），上海 200062）

鐵是植物生命活動(dòng)過程必需的微量元素，植物的呼吸、光合作用、DNA 的合成、活性氧的形成與消除等生理代謝過程都離不開鐵［1］。鐵是人體內(nèi)含量最高的必需微量元素，是人體血紅蛋白、肌紅蛋白等的重要組成部分，攝入的鐵參與人體氧的運(yùn)輸和貯存以及多種金屬酶的合成［2］。

植物從土壤及施入的鐵肥中獲得鐵元素來滿足正常的生長(zhǎng)發(fā)育，植物可食用部分鐵元素含量偏低又成為動(dòng)物和人類缺鐵的主因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界貧血人口中膳食缺鐵是首要原因［3］。

近年來，我國農(nóng)業(yè)一味追求高產(chǎn)，注重氮、磷、鉀肥的投入，卻忽視了鐵、鋅等微量元素肥料的施用，造成微量元素失衡狀況日趨嚴(yán)重。再加上土壤中鐵的有效性很低，導(dǎo)致植物極易缺鐵，不僅影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且影響人類健康。如何通過生物強(qiáng)化、科學(xué)施用鐵肥來提高農(nóng)產(chǎn)品中鐵含量，進(jìn)而達(dá)到改善人類鐵營養(yǎng)狀況是目前該研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，更是促進(jìn)我國農(nóng)作物化肥減施、綠色提質(zhì)增效，落實(shí)健康中國戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的保障。

1 鐵與植物營養(yǎng)的關(guān)系

1844 年CRIS 在黃化的葡萄葉片上涂以鐵鹽溶液，使葉片轉(zhuǎn)綠；1860年，SACHS J發(fā)現(xiàn)鐵是植物必需的營養(yǎng)元素，大多數(shù)植物中w（Fe）在100 ～300 mg/kg（以干質(zhì)量計(jì)，下同），其隨植物種類和植株部位的不同而有差異［4］。某些蔬菜作物中鐵含量較高，如菠菜、萵苣、綠葉甘藍(lán)等，w（Fe）一般≥100 mg/kg，最高可達(dá)800 mg/kg；而水稻、玉米中鐵含量相對(duì)較低，w（Fe）為60 ～180 mg/kg。一般情況下，豆科植物的鐵含量高于禾本科植物。鐵在植物中的營養(yǎng)功能主要包括合成葉綠素、參與體內(nèi)氧化還原反應(yīng)和電子傳遞、參與植物呼吸作用［4］。

一般認(rèn)為，鐵主要以Fe2+形式被植物吸收，螯合態(tài)鐵也可以被吸收，F(xiàn)e3+在高pH值條件下溶解度很低，多數(shù)植物都難以吸收利用［4］。植物缺鐵主要發(fā)生在我國北方的干旱、半干旱地區(qū)，尤其是石灰性土壤上。全國測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)顯示，我國耕地土壤中鐵元素在臨界值以下的耕地占比達(dá)31%。土壤鐵供應(yīng)不足原因有多種，北方土壤中可給性鐵含量低與土壤pH 值高及游離碳酸鹽含量高有密切關(guān)系，另外，土壤的水、氣狀況失調(diào)及溫度不適會(huì)妨礙植物根系吸收養(yǎng)分，也是植物缺鐵的原因［4］。

鐵在植物體內(nèi)難以移動(dòng)，又是葉綠素形成所必需的元素，所以最常見的缺鐵癥狀是幼葉失綠。失綠癥開始時(shí)葉片顏色變淡，新葉脈間失綠而黃化，但葉脈仍保持綠色，缺鐵嚴(yán)重時(shí)，整個(gè)葉片失綠或完全變白并出現(xiàn)壞死斑點(diǎn)，甚至植株死亡［4］?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，微量元素鐵是植物生長(zhǎng)發(fā)育的第三大限制性營養(yǎng)元素［5］，主要原因是，土壤環(huán)境中鐵的溶解性低，植物可利用的有效鐵少。

2 鐵與人體健康的關(guān)系

早在20 世紀(jì)30 年代，美國已經(jīng)有人向國會(huì)提交報(bào)告，指出土壤微量元素缺乏對(duì)公眾健康的影響。報(bào)告指出，我們多數(shù)人都受著某種危險(xiǎn)食譜缺陷的影響，而且除非生產(chǎn)這些食物的土壤礦物質(zhì)恢復(fù)平衡，否則人類“隱性饑餓”的問題無法得到根本解決。可以說，這是土壤—植物—?jiǎng)游铩祟惿镦渹鬟f的結(jié)果［6］。人體生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)代謝是復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，這些反應(yīng)過程都需要酶的參與，鐵恰好是人體血紅蛋白、肌紅蛋白及多種酶的重要成分［7］。

鐵在人體多個(gè)組織中都有存在，尤其以血液、肝、脾中含量最多，在人體中含量為4.2 ～6.1 g［8］。盡管人體中鐵元素含量很少，但在人體所必需的微量元素中，重要性居首位。

人體內(nèi)微量元素的生理功能很重要的方面就是參與人體各種酶的組成。鐵參與細(xì)胞色素氧化酶、過氧化氫酶等的合成，同時(shí)它與琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素C還原酶、乙酰輔酶A等的活性密切相關(guān)［9］。鐵還深度影響細(xì)胞內(nèi)鐵酶和鐵蛋白的活性，一旦缺乏會(huì)引發(fā)多種病癥［10］。

人體內(nèi)的儲(chǔ)備鐵很少，當(dāng)人體對(duì)鐵的消耗過多或大量失血時(shí)，缺鐵性貧血［11］就會(huì)表現(xiàn)出來，身體就會(huì)發(fā)生一些異常。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年約有10 萬婦女在生產(chǎn)時(shí)因貧血死亡，缺鐵還會(huì)影響人的智力和學(xué)習(xí)能力，導(dǎo)致精神不振、易疲憊。

鐵盡管是人體必需的營養(yǎng)元素，其本身也不具備毒性，但當(dāng)誤服過量鐵劑時(shí)會(huì)引起急性鐵中毒。據(jù)統(tǒng)計(jì)，最常見的鐵中毒是由硫酸亞鐵過量引起。如長(zhǎng)期過量攝入鐵劑或富鐵食物都會(huì)引起慢性鐵中毒。臨床發(fā)現(xiàn)，慢性鐵中毒主要對(duì)肝臟造成損害，嚴(yán)重者危及生命。

3 人體的鐵營養(yǎng)來源

植物的鐵營養(yǎng)主要來自于土壤和施肥，人體鐵來源有兩個(gè)途徑：一是食物中的鐵，二是紅細(xì)胞破壞釋放出來的鐵［12］。當(dāng)然，食物補(bǔ)鐵是人體鐵來源的主要渠道，有癥狀或檢查發(fā)現(xiàn)身體缺鐵后應(yīng)注意有針對(duì)性地食補(bǔ)。這就要求從日常膳食結(jié)構(gòu)和飲食搭配著手，做到飲食結(jié)構(gòu)多樣化，精糧適當(dāng)配以粗糧、雜糧、水果和蔬菜，尤其應(yīng)多吃些含鐵較多的食物［9］，才能更科學(xué)地維持體內(nèi)微量元素含量的正常與均衡。陳萌山在“會(huì)吃才有健康”系列文章指出，顏色越深的蔬菜含有的鈣、鐵、胡蘿卜素、維生素B2及維生素C也越多，尤其是深色蔬菜鈣、鐵含量比淺色蔬菜多1 ～2倍，甚至數(shù)十倍［13］。攝取紅肉補(bǔ)充鐵元素是非常有效的途徑，只不過成人每日紅肉攝入量不超過75 g為宜。

依靠食物補(bǔ)鐵的同時(shí)，還需要想方設(shè)法提高鐵的吸收和利用效率，如人體對(duì)動(dòng)物肝臟、血和肉中的鐵吸收率一般為22%，最高可達(dá)25%，部分富鐵農(nóng)產(chǎn)品被人食用后吸收利用效率也較高［11］。

4 多管齊下優(yōu)化植物鐵營養(yǎng)

生產(chǎn)實(shí)踐表明，施肥是植物鐵營養(yǎng)非常重要的渠道。常用的鐵肥中主要有硫酸亞鐵，施入土壤中有效性容易降低，故建議葉面噴施。此外鐵肥的施用還有局部富鐵法、輸液法、植干埋鐵法、強(qiáng)力注射法、浸根法等［4］。由于螯合態(tài)鐵更容易被作物吸收，近年來科學(xué)界對(duì)鐵螯合劑的研究也比較深入，為作物能夠高效吸收鐵提供最佳解決方案。

近年來，通過施用微肥來提高農(nóng)作物可食部分中鐵含量的研究較多。楊習(xí)文［13］、張曉［14］的研究結(jié)果表明，在土壤肥力較高條件下，施用鋅肥可增加小麥對(duì)鐵元素的吸收，提高小麥籽粒中鐵元素的含量。喬鮮花等［15］以14個(gè)不同基因型小麥為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn)，在拔節(jié)期葉面噴施鐵肥可增加小麥籽粒中鐵含量。

有研究顯示，鐵營養(yǎng)的改善能夠很好地促進(jìn)豆科植物花生根瘤的形成，進(jìn)而提高花生的固氮能力［16］。生產(chǎn)實(shí)踐中種植戶也發(fā)現(xiàn)，通過作物間合理搭配種植，充分利用植物間互惠互利的遺傳潛力，從而提高作物對(duì)營養(yǎng)元素，尤其是鐵、鋅、硼等微量元素的吸收和利用是可行的措施。

但是，在施用鐵肥增加植物鐵素營養(yǎng)，糾正缺鐵病癥以獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物的實(shí)踐中，效果并不理想。CAKMAKA和ACIKSOZA等［17-18］開展的研究發(fā)現(xiàn)，通過施用鐵肥來增加小麥籽粒中鐵含量比較困難，因?yàn)槎呦嚓P(guān)性并不高。興榮榮等［19］開展的鋅鐵微肥對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量及其微量元素含量影響研究也發(fā)現(xiàn)，鋅鐵微肥的配施有利于籽粒對(duì)鋅的累積，提高籽粒中鋅含量，但籽粒中鐵含量與對(duì)照相比無顯著差異，甚至含量低于對(duì)照。

然而，CAKMAKA和ACIKSOZA等［17-18］通過給小麥?zhǔn)┯肅a（NO3）2·4H2O 提高了小麥的氮素營養(yǎng)水平后發(fā)現(xiàn)，無論是麥根酸的分泌量還是三價(jià)鐵的活化吸收、地上部鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)都受到了顯著影響，有效促進(jìn)了試驗(yàn)小麥籽粒中鐵和鋅積累量的增加。該結(jié)果表明，施肥措施的優(yōu)化可以改善植物鐵營養(yǎng)狀況。

史曉凱等［20］在新型有機(jī)肥對(duì)友好菜鈣、鐵含量及產(chǎn)量的影響研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)無機(jī)化學(xué)肥料，新型有機(jī)肥可以顯著提高友好菜的鈣、鐵含量及產(chǎn)量。該研究為依靠施肥來提高作物可食部分鐵含量提供了新的思路。

5 結(jié)語

在健康導(dǎo)向下，通過選擇富含鐵元素的土地種植作物，科學(xué)施用鐵肥來增加種子和谷粒中鐵元素的含量，多食用富含鐵元素的食品，尤其是多吃蔬菜、水果和豆類，盡可能使食物多樣化，都是避免人體鐵缺乏的有效途徑。科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐都已經(jīng)證明，通過生物學(xué)手段提高植物鐵的吸收、利用效率，在改善人類鐵營養(yǎng)缺乏方面具有較大的優(yōu)勢(shì)和潛力［21-23］，能夠提高和有利于作物對(duì)環(huán)境中鐵的吸收、體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和向植物可食部位轉(zhuǎn)移的遺傳育種技術(shù)也將在植物、人體鐵營養(yǎng)中發(fā)揮重要作用。