微量元素锌与植物营养和人体健康

2021-12-06朱盼盼马彦平周忠雄

肥料与健康 2021年5期

朱盼盼，马彦平，周忠雄，石磊

(1.农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室/华中农业大学微量元素研究中心湖北武汉 430070；2.上海化工研究院有限公司/国家化肥质量检验检测中心〔上海〕上海 200062；3.湖北凯龙楚兴化工集团有限公司湖北荆门 448000)

锌是植物必需的微量元素之一，其参与植物的代谢、色氨酸和吲哚乙酸的合成，影响脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的合成、碳水化合物的代谢，还能促进生殖器官的发育并增强植株的抗逆性[1]。同时，锌对于人体具有多种生理作用，在人体微量元素中的含量仅次于铁，广泛存在于人体各部位，参与多种酶及蛋白质的合成。锌与人体的免疫系统、神经系统都有密切联系，当人体缺锌时，会导致人体的免疫功能下降，降低对病毒的抵抗能力，对人体健康产生影响[2]。

小麦和水稻是我国重要的主粮品种。由于我国部分地区土壤中全锌及有效锌的含量偏低，且随着作物产量提高带来的矿质养分稀释效应，收获后的稻谷与小麦中锌含量水平较低。此外，在小麦和水稻的加工过程中，部分锌会进入米糠和麦麸中。作物籽粒中的Zn2+容易与植酸结合形成植素,由于人体消化系统中缺少水解植酸的酶，因此降低了锌的生物有效性[3]，所以长期单一食用大米、面食的人群仍然存在很多锌营养不良的症状。这些症状可以通过服用含锌药物进行缓解，但长期服用含锌药物可能会对人体正常的代谢产生影响。通过食用富含锌元素的植物或动物食品来缓解人体锌营养不良的症状，正在成为健康领域的一大热点。近年来的研究表明，动、植物中的锌可能比无机态的锌更容易也更安全地被人体所吸收[4]。因此在不危害植物健康的情况下，将锌以肥料的形式科学合理地施入土壤中，以此来提高植物中可食部分的锌含量，进而达到人体通过食用富锌农产品来改善自身营养平衡的目的。

近年来，由于过于追求作物高产，人们大多注重氮、磷、钾肥的施用，忽视了锌等微量营养元素的补充。连年种植作物，植物从土壤中吸收带走大量的微量元素，造成土壤微量元素缺乏，进而影响作物的产量及品质。我国南方酸性土壤中有效锌的含量较高，而北方石灰性土壤容易形成难溶性的锌化合物，降低了有效锌的含量[1,5]。土壤有效锌含量降低会导致作物缺锌，进而影响人体健康。此外，随着生活水平的提高，人们越来越关注食品的营养组成，发展营养导向型农业已经成为业内研究的热点，所以通过合理使用锌肥来优化植物锌营养，达到改善人体锌营养平衡，为农业、营养、健康之间的关系提供了新思路，具有重要意义。

1 锌与植物营养的关系

1962年，Sommer和Lipman用向日葵和大麦证明了锌是植物必需营养元素后，人们就对锌在植物体中的含量、分布及其营养功能开展了大量研究[5]。植物含锌质量分数(以干质量计)一般为20～100 mg/kg，植物种类、品种、部位不同，含锌量也不同，通常新生器官的锌含量较高，营养器官的锌含量大于生殖器官的，特别是在根系积累较多[1]。某些植物食用部分锌含量较高，如豆芽、番茄、黄瓜、栗子、花生、核桃等，含锌质量分数在110 mg/kg以上；而豌豆、大蒜、马铃薯等的锌含量较低，质量分数在40 mg/kg以下[2]。锌主要通过扩散到达植物的根系表面，以二价阳离子的形态通过主动吸收进入植物体内[1]。植物吸收的锌在木质部主要有两种形态，即与有机酸结合形成的有机态锌和二价锌离子，经木质部进行长距离运输[1,4]。

植物缺锌主要发生在我国北方地区，特别是石灰性土壤。土壤有效锌含量受温度、酸碱度、含水量、有机质含量等的影响。低温可使植物根系发育不良、微生物活动减弱，从而诱发缺锌；介质酸碱度也会影响有效锌的含量，pH降低，减弱了土壤对锌的吸附能力，吸附态锌的解吸量增加；含水量对锌含量也有一定影响，含水量低，其土壤有效锌含量一般比较低；此外，在一定范围内，有效锌的含量与土壤全氮、有机质含量呈正相关；在石灰性和碱性土壤中(全磷质量分数<100 mg/kg时)，土壤全磷与有效锌含量也呈现正相关，但当土壤磷含量较高时，会干扰锌向地上部的运输，植物对锌的吸收量减少，造成植物缺锌；有机酸、Ca+、Mg2+、Fe2+等也会影响锌的吸收[1,6-7]。

锌参与生长素的合成，所以植物缺锌时，会表现出明显的植株矮小、节间缩短现象，叶片的生长和伸长受到抑制，出现小叶；锌在植物韧皮部的移动性强，但其移动性与锌的营养状况有关，缺素症状会优先出现在新叶组织[1]。

2 锌与人体健康

研究表明，人体中大部分的微量元素与土壤中微量元素的丰度呈正相关。土壤中的微量元素被植物吸收利用，直接或经动物传递到人，这就是土壤-植物-动物-人类的生物链传递结果[8]。锌是人体必需的微量元素之一，广泛存在于人体各部位，参与人体的生长发育、免疫、内分泌、生殖遗传等过程，对人体健康具有重要的调控功能，被人们称为“智慧之源”和“生命之花”[9]。

锌作为必需的微量元素存在于人体的各个组织和器官中。以成年人为例，锌在人体内的总量为1.5～2.5 g，在肝脏、肾脏、肌肉中的含量最高[10]。锌对人体的免疫功能、消化功能、生长发育和物质代谢等方面均有影响，是人体很多金属酶的组成成分或酶激活剂，锌对这些酶的活性具有调控功能，如核糖核酸聚合酶和碱性磷酸酶等[11]。同时，锌还是细胞膜的重要组分，在脑细胞膜中，锌水平的高低直接影响细胞结构及生理功能，进而影响人体的智力和生长发育[12]。

研究表明，锌对于孕妇及新生儿极为重要，大多数的孕妇可能因为锌摄入不足，由缺锌导致自然流产、早产、胎儿先天性畸形等。缺锌影响消化功能，可能导致癌症以及增加妇科肿瘤的发病率；缺锌还可能会降低视力，加速人体老化[13]。

锌是人体必需的营养元素，但其在人体中的含量有一定限制，过量补锌同样会对人体造成危害。当成人一次性摄入量超过2 g时，会发生锌中毒，导致腹痛、呕吐；长期大量摄入锌还可能会引起慢性中毒，导致贫血[10]。锌是参与人体免疫功能的重要元素，当大量的锌存在时，会抑制吞噬细胞的活性及杀菌力，导致人体免疫功能下降[13]。锌缺乏与锌过量对人体都会造成一定危害，所以应合理补锌，调节人体营养均衡，促进人体健康。

3 人体的锌营养来源

植物锌的来源主要是土壤和肥料，动物锌的来源主要是吸收植物中的锌，人体主要通过食用农产品和动物食品来补充锌。我们要科学合理补锌，均衡饮食，合理搭配，不挑食、偏食，多食用富锌食物。动物性富锌食物(如动物内脏、鱼类、海产品等)中，肉类含锌质量分数一般为20～60 mg/kg，鱼类一般为15 mg/kg以上，植物性富锌食物有豆类、坚果类、花生仁、萝卜等，动物性富锌食物的锌含量比植物性的高。对于婴幼儿应该采用母乳喂养，食用含锌量高的辅食[13-14]。

人体除了直接食用含锌食物外，还可以通过锌强化食品来补充锌。科学研究显示，食品强化是一种有效、安全和经济的补充锌的方式[15]。我国卫生健康委员会已经批准在植物、动物及其他食物再加工过程中，可以将锌作为食品添加剂加入其中，以满足人体锌营养需求[14]。

4 优化植物锌营养

提高植物中锌含量的方法有很多种。由于我国大部分土壤的锌含量较低，尤其是北方石灰性土壤，所以将锌作为肥料施入，是补充植物锌营养的一种重要方式。我国常用的锌肥品种有氧化锌、硫酸锌、氯化锌、硝酸锌及其他有机螯合锌肥等，锌肥的用量因植物种类、肥料类型、土壤状况等各有不同。植物缺锌症状多出现在早期，所以锌肥要早施，通常情况下采用土施或叶面喷施的方式[1]。

近年来通过施用锌肥来提高作物产量及作物可食部分锌含量的研究很多。王孝忠等[16]的研究表明，合理的锌肥施肥方式及用量能提高小麦、玉米和水稻的产量。叶廷红等[17]的研究表明，在水稻营养生长前期，通过基施和追施锌肥，能提高水稻籽粒中锌的含量。杨月娥等[18]在全国30个试验点的研究表明，叶面喷施锌肥可显著提高小麦籽粒中锌的含量。郭九信等[19]的研究表明，不同的锌肥施用方式对水稻籽粒中锌含量的提高效果为土施+叶面喷施>叶面喷施>土施，这表明可以通过优化锌肥的施用方式来调节作物中锌的含量。

已有研究表明，大量营养元素肥料供应对锌的吸收、转移、分配和富集均有一定影响。王少霞[20]的研究表明，锌肥与氮、磷、钾肥配合施用，均对小麦籽粒富锌产生影响，其中氮肥和钾肥与锌肥的配合喷施，可以提高叶面对锌的吸收及锌向营养器官的转移，实现籽粒富锌，其富锌效果要高于单独喷施锌肥的；锌肥与磷肥配合喷施会产生拮抗作用，富锌效果低于单独喷施锌肥的。因此，可以通过锌与其他元素的协同作用，提高锌肥利用率及植物可食用部分的锌含量，这也为研究锌的高效利用提供了一个方向。

此外，还可以通过改变作物的种植方式来提高作物可食部分的锌含量。有专利表明，将不同品种的小麦进行间作或混作，能有效提高小麦籽粒中锌的含量[21]。同样，将鹰嘴豆与蚕豆分别与玉米进行间作，鹰嘴豆及蚕豆籽粒中锌的含量要比单作时分别提高12.8%和10.6%[22]。植物在缺铁和锌的环境条件下通过根系分泌H+和麦根酸类物质等活化土壤中难溶性铁和锌，改变作物根系形态和根际微生物种类及数量，满足自身吸收需求；生态位互补和种间促进作用也可以用来解释种间铁和锌的吸收获取优势[23-24]。

通过生物技术增加作物可食用部分锌含量来改善人体锌营养缺乏，已成为行业研究的热点。科学家通过转基因技术，能将相关基因转移到所需要的作物中，以此来提高作物锌含量。有研究表明[25]，通过在木薯中表达拟南芥铁转运蛋白(IRT1)和铁蛋白(FER1)，产生的转基因木薯块茎中的锌含量要比野生型植物的高3～10倍。在遗传学方面，通过杂交育种选育锌高效品种也是提高作物锌含量的一种重要方式。Wang等[26]的研究表明，将锌浓度较高的突变体LLZ与植酸浓度较低的突变体Os-lpa-XS110-1杂交，杂交后代中双突变体籽粒的锌含量显著升高，植酸含量显著降低。