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碘在农业中的用途_碘的农业用途将受重视

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发表时间:2019-05-15 14:55作者:小贺来源:碘与粮食体系和健康会议期刊


碘的农业用途将受重视

人类于1814年才从海藻灰分中成功分离出碘,并将其认定为一种独立的化学元素。目前,虽然碘在人体生理学中的核心作用众所周知,但世界上仍有大量的碘缺乏症。研究发现,碘缺乏是以下综合征的罪魁祸首或唯一罪魁祸首。包括: 1、胎儿在发育过程中有严重的脑损伤,导致儿童期和成年期智商严重受阻; 2、胎儿流程; 3、面部和器官畸形; 4、儿童发育不良,影响身体发育,尤其是身高发育; 5、甲状腺肿综合征,甲状腺肥大; 6、肥胖;7、高胆固醇血症; 8、甲状腺癌

碘样品.jpg

碘盐:最常用的碘补充方法

多年来,为了以最经济的投资和最低的风险来解决碘缺乏的问题,已经尝试了各种方法,并且目前接受的解决方案是吃碘盐(作为碘化钾或碘酸钾添加 20-35ppm碘)。全世界数以百计的研究发现,食用碘盐后,甲状腺肿的发病率下降了82%。发育不良的发生率降低了87%,智商严重低(智商低于70)的痴呆发病率降低了73%。自推广碘盐以来,世界上缺碘国家的数量已从1993年的113个减少到2017年的19个。这一数据充分证明了有效使用碘盐对预防人体碘缺乏的显着影响。乌克兰 芬兰和俄罗斯是仍有严重缺碘问题的几个国家,其次是意大利马里苏丹安哥拉莫桑比克和马达加斯加等国

已经证实,满足婴儿碘需求的最佳方法是允许哺乳期妇女食用加碘盐,因为婴儿的吸收能力远低于哺乳期妇女的吸收能力。世卫组织建议,12岁以上的妇女每天应摄入150毫克碘,而孕妇和哺乳期妇女每天需要摄入220-250毫克碘和250-290毫克碘。然而,虽然碘盐具有许多优点,加碘盐面临严重的操作问题已发现在许多发达国家,使用家用碘盐并不能完全满足对碘补充的需求。一些加工产品,如食品调味料和酱汁,深加工肉类和烘焙产品也需要碘盐。但是,这会侵犯消费者的个人选择,有些国家不能依法实施这种做法。此外,加碘盐有时会导致洪都拉斯碘摄入过量。哥斯达黎加哥伦比亚所罗门乌干达和贝宁过量食用加碘盐导致甲状腺功能亢进的病例很多,因此定期监测对于预防碘缺乏和碘摄入至关重要。

事实上,上述只是当碘盐被用作解决碘缺乏问题的主要方法时出现的问题的一小部分。 A. Timmer博士(全球营养改善联盟)指出,技术水平社会经济条件基础设施和消费者接受度不足是推广碘盐的主要障碍。

一些技术问题源于该产品的产品特性。盐的加工工艺简单,从业人员喜忧参半。一些供应商可能会使用一些劣质成分来降低成本并减少碘酸钾的使用,有时使用量甚至很低,而且一些小型加工厂经常面临供应和分销问题。

尽管盐的价格很低,但一些低收入人群仍可能减少盐的消费,尽管这些人最容易出现碘缺乏症。政府的监督和执法力度不够这可能会导致恶性循环:因为碘缺乏导致后代的智商降低,当他们长大后,他们找不到收入较高的工作,因此他们无法摆脱贫困和枷锁。缺乏对微量元素重要性的认识不仅在低收入和中等收入国家,而且在一些高收入国家也很常见。

在碘缺乏最严重的国家,消费者对碘盐的接受仍然是克服这一困境的主要瓶颈。不愿吃碘盐会导致消费者需求不足,加入碘添加量极少。此外,减少盐摄入量已成为全球流行的饮食习惯,这也限制了人们摄入足够的碘盐,而这反过来又无法有效地治疗碘缺乏症。

全球碘市场:高度集中,产品多样

全球的总产碘量接近33,000公吨。目前,主要的和含碘化合物生产商包括智利的SQM公司(57%)日本王泷川Godo Shigen公司(37%)以及俄罗斯、美国、中国和印尼的一些公司(共计6%)

SQM公司是采用沥滤工艺,从矿石中提取纯碘元素。这些矿石均采自位于智利北部阿塔卡马沙漠的“Caliche”盐矿,这里蕴藏着高浓度的碘矿。SQM联合Ajay公司,后者从事应用产品例如碘化钾(KI)和碘酸钾(KIO3)等的生产业务。Ajay-SQM集团还开发了多种先进的再生工艺,以将用过的碘产品再生成新产品,进而避免碘造成的环境污染,并减少原始碘的生产成本。日本在加工碘时,使用了天然气盐水作为原料。

印度的Calibre公司也在生产KI和KIO3,但除此之外,该公司还生产碘酸钙产品(Ca(IO3)2),这种产品非常适合用作养殖业的饲料加碘原料,例如可用于反刍类家畜(牛、羊、山羊)以及鸡和猪等。

在全球所生产的碘中,仅有3%直接用于人类食用,另外还有8%用于动物饲料。

如下图所示,MRI、X射线和CT成像对比介质是碘产品的最大用途,其次是有机合成化合物以及用于生产液晶显示器(LCD)和LED行业中需求量日益增长的偏光膜。碘还被广泛用于生物消毒(例如用于伤口消毒)和农业领域(例如奶牛挤奶前使用的消毒剂,以及杀虫剂和除草剂等)。碘还用于抗转移性黑色素瘤临床应用以及用作卤素粘合剂等。

碘的各种用途


解决方法应来自于农田,而非药房

现在,我们再重新回到如何解决全球面临的IDD这一严峻问题上来。Cakmak教授(伊斯坦布尔萨班吉大学,2005年IFA作物营养大奖的获奖者)指出,这一问题的根源在于大多数农田和灌溉水域的含碘量都极低。这导致人类的主食,也就是占人类卡路里摄入量75%的谷物,其含碘量仅约为10µg/千克,如此之低的含碘量远远无法满足人类的日常需求量(150-300µg/天),而在谷物摄入量更高的发展中国家更是如此。

还有一个重要因素导致这种情形进一步恶化,那就是几乎所有的作物基因改良项目都主要是以增加碳水化合物、蛋白质和脂肪酸为目标,而很少考虑到膳食成分。所以,育种工作在成功提高作物产量的同时,通常无法实现微量元素等其他成分的同步提高;因此这种基因改良的最终结果一般会导致碘等微量元素被稀释。

一种解决方案:对作物进行生物富集

提升谷物含碘量是当今营养领域的一个重要研究课题,也是全球面临的一项人道主义挑战。显然,我们的研究重点首先应放到基础行业,也就是农业上,因为农业是人类膳食系统中所有营养素的主要来源。所以,研究基金现在应向农业转移,因为农业在抗击营养不良方面蕴藏着更大潜力。同时,从长远来看,我们应对加碘盐或药物进行合理地管理,这些手段应主要用于严重缺碘。

通过对农作物进行生物强化让作物含有充足的营养成分,能够更经济、更高效地改善全球日益增长的人口的膳食状况。Cakmak教授讲到,通过国家强制使用富微量元素的复合肥对作物进行生物强化,已有一些成功案例,其中土耳其就推出了强制加锌计划,而芬兰则推出了加硒计划。结果表明,在作物生物强化后不久,人体器官中这些元素的含量显着增加。这些成功案例引发了新的生物增强浪潮,资金来自国际作物营养增强项目(HarvestPlus)国际,墨西哥 巴西 土耳其 哈萨克斯坦 巴基斯坦 印度 中国 老挝 泰国 赞比亚 津巴布韦 莫桑比克南非还推出了复合肥加锌和碘的作物生物强化项目。该项目目前的结果表明,小麦籽粒的锌含量平均增加了26-50ppm。比尔和梅林达盖茨基金会是国际作物营养强化计划的主要资助者,该计划得到化肥行业许多利益相关者的支持。该项目建议通过施用微量元素肥料和培育含有较高微量元素的谷物新品种来增加重要作物中的微量元素含量。 Cakmak教授介绍了他的测试结果。他在土耳其 印度 泰国 巴西和巴基斯坦进行了研究。在该研究中,他使用根和叶施用方法将碘化肥施用于小麦 水稻和在田间生长的玉米。向所用的碘肥中加入KI(碘化钾)和KIO3(碘酸钾)。当施用叶子时,在灌浆的抽穗期和早期阶段施用碘化肥料一次。试验结果清楚地表明,该作物可以通过韧皮部运输碘,通过合理的辅助措施可以提高碘肥的施用效果。

在巴基斯坦(小麦)和巴西(糙米)试验中,研究人员发现,当施用最高浓度的KIO3(喷雾浓度为0.13%)时,谷物中的碘含量达到最高值280和350 ppm,分别。玉米仅达到180ppm的最高浓度。喷雾浓度越高,谷物的碘含量越高。

喷施碘肥对这些作物的产量没有不利影响。就籽粒各部位中碘的相对分布而言,胚乳 麸和胚的分配比分别为40%  55%和5%。该分布数据再次强调了尽可能避免谷物加工的需要,以便最大化面粉的碘含量。显然,这项研究的结果非常有价值,可以提醒人们不要过度加工小麦,以尽量减少谷物加工过程中的碘损失。值得一提的是,Ye Shi(Comandini等,2013)或根施用方法(Weng等,2014)所含的各种自制蔬菜中含有的碘显示出强碘。稳定性更高。然而,通过添加碘补充碘盐,在烹饪未经生物强化的蔬菜时会发生大量的碘损失。

大豆施用碘酸钾后效果喜人

会议中,有一篇海报论文谈到了与Cakmak教授类似的试验结果,该论文概述了SQM公司在比萨圣安娜大学植物试验室的温室中所开展的一系列试验。试验中,研究人员按照0。21%(10mM)的加碘浓度,以叶施方式向大豆喷施了硝酸钾肥。喷施时间选择为V5阶段(大豆主干上第五个节点的叶子完全发育时)或R2-R3阶段(主干最顶部两个节点中的一个开始开花至所说花朵开始萌出第1个豆荚时)。结果出乎意料:叶施加碘肥后,叶片的叶绿素含量出现明显升高,但未见其他形态学或生物化学变化。这种处理方法取得了极其积极的结果:在V5阶段施用加碘肥后,叶片新鲜物质部(FM)中的碘浓度提升至2,250ppm,大大高于未经处理的对照组(700ppm)。同样,在R2- R3阶段施用加碘肥后,新鲜物质部的碘浓度也达到了1,050ppm,远远高于对照组(500ppm)

不仅如此,作物种子部位的碘浓度也出现显著升高。对于在V5阶段经过加碘处理的作物,其种子部的含碘量达到125ppm,与之相比对照组仅为70ppm;而在R2-R3进行过处理的作物,该浓度达到120ppm,与之对比对照组仅为80ppm。因此,我们可以得出这样的结论:作物能够有效吸收叶面喷施的碘,并能将其运移到其他叶面和在种子中积聚。与生殖早期相比,在生长阶段喷施更加有效。这对于膳食中需要额外补碘且主食为大豆的人群以及家畜(养殖户)来说,无疑是个好消息。

叶面喷施生菜:KI的效果比KIO3更好

来自德国的Daum教授介绍了另一组试验。试验中,研究人员重点研究了大田种植的奶油生菜叶面喷施碘后的反应情况。研究人员在生菜收获前的不同生长阶段,以最高0。25kg/ha的浓度喷施了KI和KIO3溶液,并对比了这两种溶液的差别。结果表明,这两种溶液对农作物的产量和外观品质没有显著影响。但大多数情况下,KI的效率好像更高(见图3),这可能是由于KI的溶点比KIO3更高,阴离子更小。当每天在11:00至15:00之间的不同时段多次喷施KI时能够更有效地增加作物的碘含量。作物在不同时间所表现出的碘吸收能力差异,可能反映了喷施时大气环境的变化。在邻近收获前喷施碘可以提高蔬菜中的碘含量,这可能还有助于提高作物的新鲜物质量和叶片面积。将KI和KIO3在水罐中与市面上的钙肥混合后喷施,这不仅不会降低奶油生菜中的碘积聚量,在有些情况下甚至可以显著提升碘积聚量。这些结果表明,叶面喷施KI和KIO3能够有效地以生物手段增强此类作物的含碘量,这种方法可在常规商业种植中轻松实施。

图3:碘化合物和叶施时间对奶油生菜碘吸收能力的影响

这些研究人员还开展了一些其他研究,并发现与甘蓝相比,生菜叶面喷施碘后的效果更加明显。结果表明,当以7.5kg/ha的浓度叶面喷施KIO3时,生菜和甘蓝的含碘量可达到每100克新鲜物质含碘50-100毫克的理想效果,而且不会明显影响到蔬菜产量以及市场销售品质。与之相比,当按照相同的用量喷施KI时,所得到的含碘增强效果要低得多,而且KI还会明显阻碍作物生长,见图4所示。这些结果表明,在作物的可食用部位广泛喷施碘对于提高叶施效果至关重要,而且仅需极低的碘施用量(0.5kg/ha),就可达到目标含碘量。

图4:按不同浓度叶面喷施碘后,(A)甘蓝和(B)奶油生菜的碘积聚量。

因此,叶面喷施方法对于奶油生菜来说,是最有效的碘生物强化方法。同时我们可以想象,其他叶类蔬菜应该也会表现出类似的响应。由于所需碘量较少而且应用简便、叶面喷施成为碘生物强化的首选手段。

当以7。5kg/ha的含碘量施用于砂壤土时,对于这两种肥料(I和IO3-)而言,农作物都只能在第一个生长周期内吸收这些肥料,此后的生长周期几乎无法吸收。Alex Stewart(参与本次会议的一位地球化学专家)博士讲到,施用到土壤中的碘会被土壤中的有机质吸收,进而失去活性。

无土栽培也在推行碘生物强化

有些奶油生菜品种对加碘生物强化的响应比冰山品种和皱叶品种(L. sativa var crispa)更加明显。来自波兰克拉科夫大学的Sylwester Smolen博士使用营养膜的方法,在温室无土栽培生菜的营养液中添加了KIO3。试验中,研究人员采用了含碘量(KIO3)为5mg/dm^3的标准营养溶液来种植生菜,同时还添加了一些水杨酸。

结果表明,Cud Voorburgu品种生菜叶子中的碘积聚量最高,优于“Zimujaca”、“Maugli”、“Krolowa lata”、“Lollo rossa”和“Redlin”等其他品种。在无土栽培的营养液中添加水杨酸可增强碘吸收效果,进而可以降低碘的施用浓度和成本。

是时候重视农业用碘了

在比萨举行的首届“碘与粮食体系和健康”期间,专家学者得出了很多有意思的结论。食盐加碘战略虽然已造福全球数亿人,但这种战略在技术、法规和商业上都有诸多局限性。不仅如此,该战略还面临着一个最大挑战,那就是很多消费者不愿意在膳食中使用加碘盐。这导致全球仍有上百万人口正在遭受缺碘以及缺碘所致病患的威胁。综合考虑以上原因,现在我们亟需以农艺方法为重点,通过合理地培育碘吸收效率更高的作物品种和运用有机的作物施肥方法,为全球人口带来含碘量更高的食物,进而以经济、安全而又可持续的方法,解决缺碘问题,缓解碘缺乏病的发生率和严重程度。如果我们能够进一步拓展土耳其复合肥加锌计划和芬兰复合肥加硒计划的成功,将碘也列入到此类计划之中,那么,碘将会在农业中得到更加广泛的应用,并将为数千万人带来福音。

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