镉超标稻谷饲料化的可行性分析

黎俊，冯泽猛，黄瑞林，印遇龙

（中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖研究中心，长沙 410125）

镉超标稻谷饲料化的可行性分析

黎俊，冯泽猛*，黄瑞林*，印遇龙

（中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖研究中心，长沙 410125）

近年来，我国土地重金属污染日益严峻，镉污染尤为严重。在众多农作物中，水稻对镉有较强的生理耐受和富集能力，大多数被污染土壤区域收获的稻谷镉含量超标，不适合人类直接食用。这部分稻谷来源广、数量大，如何消耗这些“镉米”是近期迫切需要解决的问题。“镉米”所含有的营养成分与普通稻谷并无明显差异。在饲料原料紧缺的情况下，将“镉米”饲料化，通过动物的首过代谢减少其对人的毒害作用是一不错的消耗“镉米”的途径。文章就我国“镉米”生产现状、镉直接暴露对机体的危害、镉米饲料化可行性、能量饲料原料的替代需求及镉在机体内的吸收沉积规律和阻控等进行了梳理分析。

镉污染；镉米；饲料化；能量饲料；沉积

1817年，德国冶金学家Stromyer在略带黄色的白色颜料氧化锌中发现了镉。正常环境中，大气含镉量一般≤0.003 μg·m-3，水中含量≤10 μg·L-1，土壤中含量≤0.5 mg·kg-1，不会影响人体健康。环境中的镉污染主要是由工业排放造成的。经由消化道、呼吸道和皮肤等途径，环境中的镉可进入机体，然后经血液循环到达各组织细胞与金属硫蛋白结合，蓄积于各组织器官中，半衰期长达16～30年。体内过量的镉蓄积可导致肾脏、肝脏、肺部、骨骼、生殖等器官的损伤，引发多种疾病，危害人体健康。在农业生产中，不适当的生产措施，如使用污水灌溉，利用城市垃圾、工业废渣等做肥料，过多地使用含重金属元素的化肥等，会引起土壤中包括镉在内的重金属蓄积，进而导致许多农作物镉含量超标[1]。目前，我国几乎没有关于重金属污染土地的使用指导规范，大量被污染土地仍在进行农业生产活动。近年来“镉中毒”事件引人瞩目，2006年1月株洲市新马村发生震惊全国的镉污染事件，有2人因不明原因死亡，150名村民经检验被判定为慢性轻度镉中毒，致使许多人谈“镉”色变[2]。“镉米”来源广、数量大，却不适合人类直接食用。理论上，“镉米”可用作燃料乙醇酿造的原料，但水稻淀粉含量低于玉米，乙醇产量低；且其淀粉颗粒具有小且易碎的特点，添加比例过高，影响后续副产物酒糟蛋白的分离[3]。当今全球养殖及饲料业飞速发展，饲料原料供应越来越紧张，碎米作为大米加工的副产物，其营养成分与大米相当，早已应用于饲料中。“镉米”与碎米相比，常规营养成分并没有明显差异；通过一定的技术处理，可以减缓“镉米”中镉在机体的残留和沉积。因此，可以考虑将镉超标稻谷用做饲料原料。本文就镉超标稻谷饲料化可行性作一分析，为“镉米”的利用提供参考。

1 我国大量生产“镉米”的现状

我国是世界上最大水稻生产和消费国，水稻是我国第一大粮食作物，年种植面积约2 860万hm2，占全球水稻种植面积的1/5。我国常年水稻产量约占粮食总产量的40%，年产稻米1.85亿t，占世界总产量的1/3。然而，随着我国工业化进程的加速，重金属污染问题日趋严峻，受重金属污染的稻谷总量也日益加剧，镉污染尤其明显，严重威胁着粮食生产安全[4-5]。据统计，目前我国每年被重金属（镉、铅、铬）污染的粮食达1 200万t，造成直接经济损失超过200亿元[6]。20世纪90年代初我国镉污染耕地面积就达到1.3万hm2，涉及11个省（市）的25个地区[7]。近几年来，我国镉污染农田面积更是达到28.0万hm2，年产镉超标农产品数量超过150万t，短短20年就使得我国镉污染农田面积增加约20倍，足见我国农田镉污染日趋严重[8]。以湖南省为例，湖南省既是我国双季稻生产大省，同时也是我国的有色金属生产之乡。1998年湖南省被重金属污染的稻田面积已增至1.13万hm2，占湖南省稻田面积的0.45%，而且具有加重趋势[9]。近年来，根据湖南省农业环境质量监测和重金属污染专项调查表明，湖南省被污染的耕地面积已占全省总耕地面积的23.70%，还有约25%的农田大气污染和约27%的农田灌溉水污染，主要污染物为镉、铅等重金属。其他地方“镉米”事件也常有报道，如浙江省遂昌县和温州地区曾相继出现镉中毒事件，上述两地的糙米镉含量分别达到1.17 mg·kg-1和1.30 mg·kg-1[10]。福建省各主要稻区稻米重金属污染也不容乐观，特别是镉含量几乎均超标[11]。王昌全等研究表明，成都平原（广汉、德阳、新都等）13个市（县、区）在主要耕种制度为稻-麦轮作制条件下，稻米中镉含量超标达8.70%[12]。

镉污染区域多分布在污灌区、金属采矿区、工业区和乡镇企业周围，在南方经济相对发达地区具有一定的普遍性。这些污染土壤绝大多数还在从事农业生产活动，水稻生产仍然存在镉污染风险，在某些地区还相当严重。我国食品安全标准规定，大米中镉含量限量标准<0.2mg·kg-1（GB2762-2012）。甄燕红等随机抽取我国部分市场的精米样品（44个籼米和47个粳米样品），对样品中镉含量进行测定，结果表明，91个样品中镉含量超标达约10%[13]。我国年产稻米近2亿t，据此估算近2 000万t稻米镉超标，但目前仍没有找到消耗镉稻谷的合理途径。因此，研究镉污染稻谷的利用方式显得极其紧迫。

2 镉直接暴露对人体健康的危害

镉并不是人体需要的营养物质，长期的镉暴露会诱发一系列健康问题。联合国环境规划署和国际劳动卫生重金属委员会把镉列为第6位危害人体健康的有毒物质，其在人体内长期累积，会产生明显健康负效应，就是肾毒性和骨毒性[14-20]。长期摄入含镉的食物会影响钙和磷的代谢，引起肾、肺和肝等内脏器官的病理变化，诱发骨质疏松、软骨化和肾结石等疾病。同时镉还与人体内含羟基、氨基和巯基高分子有机物结合，影响肝、肾等器官中酶系统的正常功能[21]。

2.1 肾毒性

人体吸收的镉主要通过肾脏经尿排出，当环境的镉长期暴露时，机体内最先出现的是尿镉的增加，有资料表明，当尿中镉含量>2.5～5 ug·g-1时，肾功能就会有损伤。研究表明，长期接触镉会引起尿镉（UCd）、尿N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（UNAG）、尿β2-微球蛋白（UBMG）、尿视黄醇结合蛋白（URBP）及尿白蛋白（UALB）含量升高，表明肾近曲小管的重吸收功能已受到影响，引起了肾小管的不可逆损伤[22]。镉对肾脏的损害不仅表现在尿蛋白和UNAG的升高，而且还与金属硫蛋白（MT）的结合有关，认为当镉与MT结合后对肾脏功能产生的影响会比不与其结合时损害大。

2.2 骨毒性

骨毒性最直接的表现就是骨质疏松[23]。多项研究表明，慢性长期镉暴露可引起人体骨量减少，从而导致骨质软化和骨质疏松症，并且容易引发骨折，以致病人的病残死亡率较高[24-25]。Chen等对456名中年女性的调査研究表明，镉污染区人群尿镉浓度要显著高于对照区人群，且污染区人群或尿镉浓度较高人群的前臂近端骨密度要显著低于对照区人群或尿镉浓度较低的人群[26]。Zhu等对> 50岁女性的调查研究表明，居住在重污染区人群的骨质疏松症患病率要显著高于对照区（P<0.01），重污染区人群发生骨质疏症的风险是显著高于对照区人群。另外，对于居住在污染区的男性和女性，其骨折的患病率都显著增加[27]。

2.3 其他疾病

研究表明，镉直接暴露对血管功能也有损害，体外细胞培养及活体试验均表明，镉染毒可造成血管内皮细胞一氧化氮（NO）分泌量明显降低和细胞间黏附分子-1（ICAM-1）分泌量明显升高，促进血管内皮细胞凋亡及动脉粥样硬化的形成[28]。Lukkhananan等研究表明，长期慢性镉暴露患者表现出血管内皮功能障碍[29]。

可见，镉对人体的毒害作用是复杂的、多方面的，涉及到人体的各种内脏器官；而镉对人体的毒性作用机制也十分复杂，特别是在致癌、致畸、致突变方面的生理生化反应及分子生物学毒性作用机理方面，仍有许多地方不明确。基于粮食安全考虑，镉米不再适合直接供给人类食用。

3 镉米饲料化的可行性

镉并不是动物机体所需要的营养物质，而镉在饲料中常态化存在却是不争的事实，其进入食物链亦属无奈。饲料中镉污染主要来自饲用作物，矿物质饲料如饲用磷酸盐、石粉等，微量元素饲料添加剂、鱼粉、食盐等配合饲料组成成分。另外，饲料加工过程中采用镀镉处理的加工机械、器皿、上釉的陶、瓷容器等也会污染饲料。

我国饲料卫生标准（GB13078-2001）规定了饲料原料及配合饲料中镉的限量标准，米糠、鱼粉、石粉和鸡、猪配合饲料中镉含量分别不得超过1.0、2.0、0.75和0.5 mg·kg-1。2009—2012年我国饲料产品质量抽检镉超标率分别为0.57%、0.46%、0.16%和0.08%，逐年下降[30]。普查结果表明，我国北方花生镉含量平均为0.2～0.3 mg·kg-1。湖南郴州铅锌污染区大豆镉含量0.24 mg·kg-1，赤豆0.23 mg·kg-1，高粱0.14～0.16 mg·kg-1，花生0.35～0.55 mg·kg-1[31]。水生生物对镉有较强的富集能力，藻类可富集11～20倍的镉，鱼类可富集1 000～100 000倍的镉，鱼粉含镉量平均高达1.2 mg·kg-1，而污染海域的鱼粉含镉量可达25 mg·kg-1[32]。矿物性饲料添加剂，特别是硫酸锌、氧化锌、磷酸氢钙等，是饲料镉污染重要来源。分析表明，硫酸锌中镉含量严重超标，达到28 641.0 mg·kg-1，按照0.01%～ 0.02%的比例添加到动物全价料中，单就硫酸锌一种就会使饲料镉含量达到2.86～5.72 mg·kg-1，是国家饲料卫生标准（≤0.5 mg·kg-1）的5.7～11.4倍[33]。由此可见，饲料中镉含量的控制关键在于矿物质添加量及其种类的把握。而且，只要把饲料镉控制在合适的范围内，不会对畜禽健康及其产品品质产生不良作用。

4 镉米作为能量饲料原料的可行性

现代社会人类生活水平稳步提高，对肉类产品需求不断增加，这极大地促进了畜牧业的发展，但同时也引发了饲料原料供应的紧张局面。近年来，植物能量饲料的供应虽没有蛋白原料那么急迫，也呈现出一定窘迫状态。糙米是指稻谷仅经过脱壳处理而没有经过碾白过程的米，因在加工过程中保留了胚、种皮以及糊粉层，具有较高的营养价值，其能量、蛋白质的消化率水平都高于普通玉米，被视为优良的能量饲料。大量的研究表明，糙米可以部分或全部替代玉米。对仔猪的试验结果表明，随着糙米替代玉米比例的增加，仔猪的日增重与饲料的转化率均得到提高[34]。Li等研究表明，50%糙米组总能、粗蛋白质和粗脂肪的表观消化率较纯玉米组分别提高了1.3%、2.3%和4.5%；100%糙米组总能、粗蛋白质和粗脂肪的表观消化率较纯玉米组分别提高了3.5%、1.9%和8.2%[35]。谢章学等研究表明，用100%糙米代替玉米饲喂约25 kg的杜×长×大三元杂交瘦肉猪，糙米组猪的平均日增重（ADG）、料肉比（FCR）都要优于玉米组[36]。

由于成本原因，饲料中使用的能量饲料主要为玉米，占配合饲料总比重的50%～70%。自2008年来，为保障国家粮食安全和农民利益和积极性，玉米收储价格不断上调，从2008年的1 500元·t-1一直涨至2014年的2 240元·t-1，2015年回调到2 000元·t-1。玉米价格持续高位运行的情况下，对于饲料企业来说，寻找合适的玉米原料替代品无疑是一个重要的战略需要。小麦含有较高的非淀粉多糖（阿拉伯木聚糖），不仅降低动物对养分的利用率，还影响动物的生长性能[37]；高粱所含的淀粉和蛋白质消化率都不如玉米，而且含有较多的单宁，影响饲料的适口性[38]。镉超标稻谷来源广、数量大，常年积压、难以消耗；而饲料行业玉米原料价格节节攀升，供应日趋紧张，将镉超标稻谷加工成糙米应用于饲料无疑是一个不错的选择。

5 镉在机体内沉积及阻控

镉是机体非必需元素，生物细胞表面没有镉的特异离子通道或者运输蛋白，被认为是通过必需元素Fe、Ca、Zn、Mn和Cu的吸收系统进入细胞[39-41]。日粮中镉进入消化道后，主要吸收部位在十二指肠，吸收量约5%～10%，其余通过粪便和尿液排出。但镉具体怎样通过上皮细胞基质进入血液循环还不是很清楚，Fe和Zn输出蛋白可能参与该过程[42-43]。体内沉积试验表明，镉主要蓄积于肝、肾等器官中，脾、胰、甲状腺、睾丸和毛发重也有一定的沉积，肌肉中残留量不高于0.1 mg·kg-1，符合我国食品质量卫生标准（GB2762-2012）[44-45]。

“镉米”应用于饲料中，可以调控其整体添加比例，控制饲料中镉的含量；而对于肝、肾等镉沉积量较多的组织，可以考虑无害化处理以保证食品安全，这与国际上通行做法一致。同时，可以通过一定的技术处理，减少重金属在动物机体的残留，保证畜产品质量。吸附和解吸在重金属污染处理方面起着重要的作用，常见饲用吸附剂，如蒙脱石、海泡石、麦饭石等，与重金属形成吸附复合物，可以减少胃肠道对重金属元素的吸收，从而降低重金属对动物的毒害作用及其在肌肉、肝脏和肾脏等组织中的残留[46]。体外试验表明，麦饭石对镉具有较强的吸附能力，且当镉的浓度为50 mg·L-1时吸附效果最好[47]。韩新燕研究表明，纳米硅酸盐（CDAA）能稳定地吸附食糜中的镉，使之从粪便中排出，从而阻止其通过吸收途径进入猪体内，显著降低镉在组织器官中的残留量[48]。利用锌、铁与镉的颉颃作用，提高日粮中锌和铁的含量，可减少动物对镉的吸收，从而减轻镉的中毒[49]。另外，提高日粮中维生素B、维生素C、硒的含量，也可显著降低镉的毒性[50]。

6 小结

重金属污染是近代工业革命的产物，镉污染是其中的一个缩影，相信随着科技的不断进步，一定能找到根治土壤重金属污染的有效办法，重建生态农业。但就目前情况，大量镉稻谷若不能加以有效利用，不仅产生巨大的经济损失还在一定程度上打击农民的种粮积极性，影响我国的粮食生产安全。因此，本着对人类健康负责的前提下，通过畜禽的首过代谢充分利用镉超标稻谷中的常规营养成分，并通过一定的技术处理（镉阻断剂）减少镉在动物机体的残留，生产出符合国家标准的畜禽产品（镉残留量＜0.1mg·kg-1），以达到资源的最大化利用。当然，镉稻谷应用于饲料后，其中的有机态镉（蛋白结合态）对畜禽的影响及其在机体内的残留及沉积规律至今还没明晰，因此很有必要开展相关试验研究，确定镉稻谷饲料化利用的相关标准，为其合理利用提供参考。

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“现代农业产业技术体系”栏目征稿

为提升国家、区域创新能力和农业科技自主创新能力，为现代农业和社会主义新农村建设提供强大的科技支撑，国家农业部和财政部于2007年启动现代农业产业技术体系建设，并决定在水稻、玉米、小麦、大豆、油菜、棉花、柑桔、苹果、生猪、奶牛等10个农产品中开展现代农业产业技术体系建设实施试点工作。

为配合现代农业产业技术体系建设，我刊新办了“现代农业产业技术体系”栏目，旨在报道体系内的最新动态和最新研究成果，为现代农业产业技术体系的建设贡献媒体的力量。

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Analysis on Feasibility of Utilization of Excessive Cadmium Grain in Feed

LI Jun,FENG Zemeng*,HUANG Ruilin*,YIN Yulong
（Institute of Subtropical Agriculture of Chinese Academy of Sciences,Research Center of Healthy Breeding Livestock&Poultry,Changsha 410125,China）

In recent years,it was very common and serious to heavy metal pollution of land in our country,espe⁃cially for cadmium contamination in agricultural land.It had a strong physiological tolerance and enrichmental capaci⁃ty to cadmium for rice and most rice,which came from the polluted area.It could not be supplied directly for human.So a large of"cadmium rice"has been backlogged in our country.It is urgent to consume them in the near future.There is not significant difference for nutrient composition in"cadmium rice"and"normal rice".Under the conditions of short⁃ages in feed ingredients,it is worthy to explore"cadmium rice"in feed and reduce the toxicity to human through firstpass metabolism in animals.This paper was mainly to analyze the feasibility of application for excessive cadmium grain in feed,from the perspective of the status of soil cadmium pollution and harm to the human body exposed to cad⁃mium and feasibility of cadmium rice feed,alternative of plant energy feed as well as absorption,deposition and regula⁃tion of cadmium in animal organism.

cadmium contamination;cadmium rice;feed;energy material;deposition

S816.72；S816.4

A

1001-0084（2017）03-0014-06

2017-02-08

黎俊（1987-），男，湖南湘阴人，硕士研究生，研究方向为动物营养与饲料科学。

*通讯作者