微量元素铁与植物营养和人体健康的关系解析

韩秀萍，马彦平，黄灿灿

（1. 浙江清华长三角研究院 嘉兴市肺癌精准治疗重点实验室，浙江 嘉兴 314000；2. 上海化工研究院有限公司 国家化肥质量监督检验中心（上海），上海 200062）

铁是植物生命活动过程必需的微量元素，植物的呼吸、光合作用、DNA 的合成、活性氧的形成与消除等生理代谢过程都离不开铁［1］。铁是人体内含量最高的必需微量元素，是人体血红蛋白、肌红蛋白等的重要组成部分，摄入的铁参与人体氧的运输和贮存以及多种金属酶的合成［2］。

植物从土壤及施入的铁肥中获得铁元素来满足正常的生长发育，植物可食用部分铁元素含量偏低又成为动物和人类缺铁的主因。据统计，世界贫血人口中膳食缺铁是首要原因［3］。

近年来，我国农业一味追求高产，注重氮、磷、钾肥的投入，却忽视了铁、锌等微量元素肥料的施用，造成微量元素失衡状况日趋严重。再加上土壤中铁的有效性很低，导致植物极易缺铁，不仅影响作物的产量和品质，而且影响人类健康。如何通过生物强化、科学施用铁肥来提高农产品中铁含量，进而达到改善人类铁营养状况是目前该研究领域关注的热点，更是促进我国农作物化肥减施、绿色提质增效，落实健康中国战略，实现农业绿色发展的保障。

1 铁与植物营养的关系

1844 年CRIS 在黄化的葡萄叶片上涂以铁盐溶液，使叶片转绿；1860年，SACHS J发现铁是植物必需的营养元素，大多数植物中w（Fe）在100 ～300 mg/kg（以干质量计，下同），其随植物种类和植株部位的不同而有差异［4］。某些蔬菜作物中铁含量较高，如菠菜、莴苣、绿叶甘蓝等，w（Fe）一般≥100 mg/kg，最高可达800 mg/kg；而水稻、玉米中铁含量相对较低，w（Fe）为60 ～180 mg/kg。一般情况下，豆科植物的铁含量高于禾本科植物。铁在植物中的营养功能主要包括合成叶绿素、参与体内氧化还原反应和电子传递、参与植物呼吸作用［4］。

一般认为，铁主要以Fe2+形式被植物吸收，螯合态铁也可以被吸收，Fe3+在高pH值条件下溶解度很低，多数植物都难以吸收利用［4］。植物缺铁主要发生在我国北方的干旱、半干旱地区，尤其是石灰性土壤上。全国测土配方施肥数据显示，我国耕地土壤中铁元素在临界值以下的耕地占比达31%。土壤铁供应不足原因有多种，北方土壤中可给性铁含量低与土壤pH 值高及游离碳酸盐含量高有密切关系，另外，土壤的水、气状况失调及温度不适会妨碍植物根系吸收养分，也是植物缺铁的原因［4］。

铁在植物体内难以移动，又是叶绿素形成所必需的元素，所以最常见的缺铁症状是幼叶失绿。失绿症开始时叶片颜色变淡，新叶脉间失绿而黄化，但叶脉仍保持绿色，缺铁严重时，整个叶片失绿或完全变白并出现坏死斑点，甚至植株死亡［4］。科学研究发现，微量元素铁是植物生长发育的第三大限制性营养元素［5］，主要原因是，土壤环境中铁的溶解性低，植物可利用的有效铁少。

2 铁与人体健康的关系

早在20 世纪30 年代，美国已经有人向国会提交报告，指出土壤微量元素缺乏对公众健康的影响。报告指出，我们多数人都受着某种危险食谱缺陷的影响，而且除非生产这些食物的土壤矿物质恢复平衡，否则人类“隐性饥饿”的问题无法得到根本解决。可以说，这是土壤—植物—动物—人类生物链传递的结果［6］。人体生长发育、物质代谢是复杂的生物化学反应过程，这些反应过程都需要酶的参与，铁恰好是人体血红蛋白、肌红蛋白及多种酶的重要成分［7］。

铁在人体多个组织中都有存在，尤其以血液、肝、脾中含量最多，在人体中含量为4.2 ～6.1 g［8］。尽管人体中铁元素含量很少，但在人体所必需的微量元素中，重要性居首位。

人体内微量元素的生理功能很重要的方面就是参与人体各种酶的组成。铁参与细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等的合成，同时它与琥珀酸脱氢酶、细胞色素C还原酶、乙酰辅酶A等的活性密切相关［9］。铁还深度影响细胞内铁酶和铁蛋白的活性，一旦缺乏会引发多种病症［10］。

人体内的储备铁很少，当人体对铁的消耗过多或大量失血时，缺铁性贫血［11］就会表现出来，身体就会发生一些异常。据统计，每年约有10 万妇女在生产时因贫血死亡，缺铁还会影响人的智力和学习能力，导致精神不振、易疲惫。

铁尽管是人体必需的营养元素，其本身也不具备毒性，但当误服过量铁剂时会引起急性铁中毒。据统计，最常见的铁中毒是由硫酸亚铁过量引起。如长期过量摄入铁剂或富铁食物都会引起慢性铁中毒。临床发现，慢性铁中毒主要对肝脏造成损害，严重者危及生命。

3 人体的铁营养来源

植物的铁营养主要来自于土壤和施肥，人体铁来源有两个途径：一是食物中的铁，二是红细胞破坏释放出来的铁［12］。当然，食物补铁是人体铁来源的主要渠道，有症状或检查发现身体缺铁后应注意有针对性地食补。这就要求从日常膳食结构和饮食搭配着手，做到饮食结构多样化，精粮适当配以粗粮、杂粮、水果和蔬菜，尤其应多吃些含铁较多的食物［9］，才能更科学地维持体内微量元素含量的正常与均衡。陈萌山在“会吃才有健康”系列文章指出，颜色越深的蔬菜含有的钙、铁、胡萝卜素、维生素B2及维生素C也越多，尤其是深色蔬菜钙、铁含量比浅色蔬菜多1 ～2倍，甚至数十倍［13］。摄取红肉补充铁元素是非常有效的途径，只不过成人每日红肉摄入量不超过75 g为宜。

依靠食物补铁的同时，还需要想方设法提高铁的吸收和利用效率，如人体对动物肝脏、血和肉中的铁吸收率一般为22%，最高可达25%，部分富铁农产品被人食用后吸收利用效率也较高［11］。

4 多管齐下优化植物铁营养

生产实践表明，施肥是植物铁营养非常重要的渠道。常用的铁肥中主要有硫酸亚铁，施入土壤中有效性容易降低，故建议叶面喷施。此外铁肥的施用还有局部富铁法、输液法、植干埋铁法、强力注射法、浸根法等［4］。由于螯合态铁更容易被作物吸收，近年来科学界对铁螯合剂的研究也比较深入，为作物能够高效吸收铁提供最佳解决方案。

近年来，通过施用微肥来提高农作物可食部分中铁含量的研究较多。杨习文［13］、张晓［14］的研究结果表明，在土壤肥力较高条件下，施用锌肥可增加小麦对铁元素的吸收，提高小麦籽粒中铁元素的含量。乔鲜花等［15］以14个不同基因型小麦为研究对象，研究发现，在拔节期叶面喷施铁肥可增加小麦籽粒中铁含量。

有研究显示，铁营养的改善能够很好地促进豆科植物花生根瘤的形成，进而提高花生的固氮能力［16］。生产实践中种植户也发现，通过作物间合理搭配种植，充分利用植物间互惠互利的遗传潜力，从而提高作物对营养元素，尤其是铁、锌、硼等微量元素的吸收和利用是可行的措施。

但是，在施用铁肥增加植物铁素营养，纠正缺铁病症以获得高产优质作物的实践中，效果并不理想。CAKMAKA和ACIKSOZA等［17-18］开展的研究发现，通过施用铁肥来增加小麦籽粒中铁含量比较困难，因为二者相关性并不高。兴荣荣等［19］开展的锌铁微肥对冬小麦籽粒产量及其微量元素含量影响研究也发现，锌铁微肥的配施有利于籽粒对锌的累积，提高籽粒中锌含量，但籽粒中铁含量与对照相比无显著差异，甚至含量低于对照。

然而，CAKMAKA和ACIKSOZA等［17-18］通过给小麦施用Ca（NO3）2·4H2O 提高了小麦的氮素营养水平后发现，无论是麦根酸的分泌量还是三价铁的活化吸收、地上部铁的转运都受到了显著影响，有效促进了试验小麦籽粒中铁和锌积累量的增加。该结果表明，施肥措施的优化可以改善植物铁营养状况。

史晓凯等［20］在新型有机肥对友好菜钙、铁含量及产量的影响研究时发现，相对于传统无机化学肥料，新型有机肥可以显著提高友好菜的钙、铁含量及产量。该研究为依靠施肥来提高作物可食部分铁含量提供了新的思路。

5 结语

在健康导向下，通过选择富含铁元素的土地种植作物，科学施用铁肥来增加种子和谷粒中铁元素的含量，多食用富含铁元素的食品，尤其是多吃蔬菜、水果和豆类，尽可能使食物多样化，都是避免人体铁缺乏的有效途径。科学研究和生产实践都已经证明，通过生物学手段提高植物铁的吸收、利用效率，在改善人类铁营养缺乏方面具有较大的优势和潜力［21-23］，能够提高和有利于作物对环境中铁的吸收、体内转运和向植物可食部位转移的遗传育种技术也将在植物、人体铁营养中发挥重要作用。