鎘超標稻谷飼料化的可行性分析

黎俊，馮澤猛，黃瑞林，印遇龍

（中國科學院亞熱帶農業生態研究所畜禽健康養殖研究中心，長沙 410125）

鎘超標稻谷飼料化的可行性分析

黎俊，馮澤猛*，黃瑞林*，印遇龍

（中國科學院亞熱帶農業生態研究所畜禽健康養殖研究中心，長沙 410125）

近年來，我國土地重金屬污染日益嚴峻，鎘污染尤為嚴重。在眾多農作物中，水稻對鎘有較強的生理耐受和富集能力，大多數被污染土壤區域收獲的稻谷鎘含量超標，不適合人類直接食用。這部分稻谷來源廣、數量大，如何消耗這些“鎘米”是近期迫切需要解決的問題。“鎘米”所含有的營養成分與普通稻谷并無明顯差異。在飼料原料緊缺的情況下，將“鎘米”飼料化，通過動物的首過代謝減少其對人的毒害作用是一不錯的消耗“鎘米”的途徑。文章就我國“鎘米”生產現狀、鎘直接暴露對機體的危害、鎘米飼料化可行性、能量飼料原料的替代需求及鎘在機體內的吸收沉積規律和阻控等進行了梳理分析。

鎘污染；鎘米；飼料化；能量飼料；沉積

1817年，德國冶金學家Stromyer在略帶黃色的白色顏料氧化鋅中發現了鎘。正常環境中，大氣含鎘量一般≤0.003 μg·m-3，水中含量≤10 μg·L-1，土壤中含量≤0.5 mg·kg-1，不會影響人體健康。環境中的鎘污染主要是由工業排放造成的。經由消化道、呼吸道和皮膚等途徑，環境中的鎘可進入機體，然后經血液循環到達各組織細胞與金屬硫蛋白結合，蓄積于各組織器官中，半衰期長達16～30年。體內過量的鎘蓄積可導致腎臟、肝臟、肺部、骨骼、生殖等器官的損傷，引發多種疾病，危害人體健康。在農業生產中，不適當的生產措施，如使用污水灌溉，利用城市垃圾、工業廢渣等做肥料，過多地使用含重金屬元素的化肥等，會引起土壤中包括鎘在內的重金屬蓄積，進而導致許多農作物鎘含量超標[1]。目前，我國幾乎沒有關于重金屬污染土地的使用指導規范，大量被污染土地仍在進行農業生產活動。近年來“鎘中毒”事件引人矚目，2006年1月株洲市新馬村發生震驚全國的鎘污染事件，有2人因不明原因死亡，150名村民經檢驗被判定為慢性輕度鎘中毒，致使許多人談“鎘”色變[2]。“鎘米”來源廣、數量大，卻不適合人類直接食用。理論上，“鎘米”可用作燃料乙醇釀造的原料，但水稻淀粉含量低于玉米，乙醇產量低；且其淀粉顆粒具有小且易碎的特點，添加比例過高，影響后續副產物酒糟蛋白的分離[3]。當今全球養殖及飼料業飛速發展，飼料原料供應越來越緊張，碎米作為大米加工的副產物，其營養成分與大米相當，早已應用于飼料中。“鎘米”與碎米相比，常規營養成分并沒有明顯差異；通過一定的技術處理，可以減緩“鎘米”中鎘在機體的殘留和沉積。因此，可以考慮將鎘超標稻谷用做飼料原料。本文就鎘超標稻谷飼料化可行性作一分析，為“鎘米”的利用提供參考。

1 我國大量生產“鎘米”的現狀

我國是世界上最大水稻生產和消費國，水稻是我國第一大糧食作物，年種植面積約2 860萬hm2，占全球水稻種植面積的1/5。我國常年水稻產量約占糧食總產量的40%，年產稻米1.85億t，占世界總產量的1/3。然而，隨著我國工業化進程的加速，重金屬污染問題日趨嚴峻，受重金屬污染的稻谷總量也日益加劇，鎘污染尤其明顯，嚴重威脅著糧食生產安全[4-5]。據統計，目前我國每年被重金屬（鎘、鉛、鉻）污染的糧食達1 200萬t，造成直接經濟損失超過200億元[6]。20世紀90年代初我國鎘污染耕地面積就達到1.3萬hm2，涉及11個省（市）的25個地區[7]。近幾年來，我國鎘污染農田面積更是達到28.0萬hm2，年產鎘超標農產品數量超過150萬t，短短20年就使得我國鎘污染農田面積增加約20倍，足見我國農田鎘污染日趨嚴重[8]。以湖南省為例，湖南省既是我國雙季稻生產大省，同時也是我國的有色金屬生產之鄉。1998年湖南省被重金屬污染的稻田面積已增至1.13萬hm2，占湖南省稻田面積的0.45%，而且具有加重趨勢[9]。近年來，根據湖南省農業環境質量監測和重金屬污染專項調查表明，湖南省被污染的耕地面積已占全省總耕地面積的23.70%，還有約25%的農田大氣污染和約27%的農田灌溉水污染，主要污染物為鎘、鉛等重金屬。其他地方“鎘米”事件也常有報道，如浙江省遂昌縣和溫州地區曾相繼出現鎘中毒事件，上述兩地的糙米鎘含量分別達到1.17 mg·kg-1和1.30 mg·kg-1[10]。福建省各主要稻區稻米重金屬污染也不容樂觀，特別是鎘含量幾乎均超標[11]。王昌全等研究表明，成都平原（廣漢、德陽、新都等）13個市（縣、區）在主要耕種制度為稻-麥輪作制條件下，稻米中鎘含量超標達8.70%[12]。

鎘污染區域多分布在污灌區、金屬采礦區、工業區和鄉鎮企業周圍，在南方經濟相對發達地區具有一定的普遍性。這些污染土壤絕大多數還在從事農業生產活動，水稻生產仍然存在鎘污染風險，在某些地區還相當嚴重。我國食品安全標準規定，大米中鎘含量限量標準<0.2mg·kg-1（GB2762-2012）。甄燕紅等隨機抽取我國部分市場的精米樣品（44個秈米和47個粳米樣品），對樣品中鎘含量進行測定，結果表明，91個樣品中鎘含量超標達約10%[13]。我國年產稻米近2億t，據此估算近2 000萬t稻米鎘超標，但目前仍沒有找到消耗鎘稻谷的合理途徑。因此，研究鎘污染稻谷的利用方式顯得極其緊迫。

2 鎘直接暴露對人體健康的危害

鎘并不是人體需要的營養物質，長期的鎘暴露會誘發一系列健康問題。聯合國環境規劃署和國際勞動衛生重金屬委員會把鎘列為第6位危害人體健康的有毒物質，其在人體內長期累積，會產生明顯健康負效應，就是腎毒性和骨毒性[14-20]。長期攝入含鎘的食物會影響鈣和磷的代謝，引起腎、肺和肝等內臟器官的病理變化，誘發骨質疏松、軟骨化和腎結石等疾病。同時鎘還與人體內含羥基、氨基和巰基高分子有機物結合，影響肝、腎等器官中酶系統的正常功能[21]。

2.1 腎毒性

人體吸收的鎘主要通過腎臟經尿排出，當環境的鎘長期暴露時，機體內最先出現的是尿鎘的增加，有資料表明，當尿中鎘含量>2.5～5 ug·g-1時，腎功能就會有損傷。研究表明，長期接觸鎘會引起尿鎘（UCd）、尿N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（UNAG）、尿β2-微球蛋白（UBMG）、尿視黃醇結合蛋白（URBP）及尿白蛋白（UALB）含量升高，表明腎近曲小管的重吸收功能已受到影響，引起了腎小管的不可逆損傷[22]。鎘對腎臟的損害不僅表現在尿蛋白和UNAG的升高，而且還與金屬硫蛋白（MT）的結合有關，認為當鎘與MT結合后對腎臟功能產生的影響會比不與其結合時損害大。

2.2 骨毒性

骨毒性最直接的表現就是骨質疏松[23]。多項研究表明，慢性長期鎘暴露可引起人體骨量減少，從而導致骨質軟化和骨質疏松癥，并且容易引發骨折，以致病人的病殘死亡率較高[24-25]。Chen等對456名中年女性的調査研究表明，鎘污染區人群尿鎘濃度要顯著高于對照區人群，且污染區人群或尿鎘濃度較高人群的前臂近端骨密度要顯著低于對照區人群或尿鎘濃度較低的人群[26]。Zhu等對> 50歲女性的調查研究表明，居住在重污染區人群的骨質疏松癥患病率要顯著高于對照區（P<0.01），重污染區人群發生骨質疏癥的風險是顯著高于對照區人群。另外，對于居住在污染區的男性和女性，其骨折的患病率都顯著增加[27]。

2.3 其他疾病

研究表明，鎘直接暴露對血管功能也有損害，體外細胞培養及活體試驗均表明，鎘染毒可造成血管內皮細胞一氧化氮（NO）分泌量明顯降低和細胞間黏附分子-1（ICAM-1）分泌量明顯升高，促進血管內皮細胞凋亡及動脈粥樣硬化的形成[28]。Lukkhananan等研究表明，長期慢性鎘暴露患者表現出血管內皮功能障礙[29]。

可見，鎘對人體的毒害作用是復雜的、多方面的，涉及到人體的各種內臟器官；而鎘對人體的毒性作用機制也十分復雜，特別是在致癌、致畸、致突變方面的生理生化反應及分子生物學毒性作用機理方面，仍有許多地方不明確。基于糧食安全考慮，鎘米不再適合直接供給人類食用。

3 鎘米飼料化的可行性

鎘并不是動物機體所需要的營養物質，而鎘在飼料中常態化存在卻是不爭的事實，其進入食物鏈亦屬無奈。飼料中鎘污染主要來自飼用作物，礦物質飼料如飼用磷酸鹽、石粉等，微量元素飼料添加劑、魚粉、食鹽等配合飼料組成成分。另外，飼料加工過程中采用鍍鎘處理的加工機械、器皿、上釉的陶、瓷容器等也會污染飼料。

我國飼料衛生標準（GB13078-2001）規定了飼料原料及配合飼料中鎘的限量標準，米糠、魚粉、石粉和雞、豬配合飼料中鎘含量分別不得超過1.0、2.0、0.75和0.5 mg·kg-1。2009—2012年我國飼料產品質量抽檢鎘超標率分別為0.57%、0.46%、0.16%和0.08%，逐年下降[30]。普查結果表明，我國北方花生鎘含量平均為0.2～0.3 mg·kg-1。湖南郴州鉛鋅污染區大豆鎘含量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]。水生生物對鎘有較強的富集能力，藻類可富集11～20倍的鎘，魚類可富集1 000～100 000倍的鎘，魚粉含鎘量平均高達1.2 mg·kg-1，而污染海域的魚粉含鎘量可達25 mg·kg-1[32]。礦物性飼料添加劑，特別是硫酸鋅、氧化鋅、磷酸氫鈣等，是飼料鎘污染重要來源。分析表明，硫酸鋅中鎘含量嚴重超標，達到28 641.0 mg·kg-1，按照0.01%～ 0.02%的比例添加到動物全價料中，單就硫酸鋅一種就會使飼料鎘含量達到2.86～5.72 mg·kg-1，是國家飼料衛生標準（≤0.5 mg·kg-1）的5.7～11.4倍[33]。由此可見，飼料中鎘含量的控制關鍵在于礦物質添加量及其種類的把握。而且，只要把飼料鎘控制在合適的范圍內，不會對畜禽健康及其產品品質產生不良作用。

4 鎘米作為能量飼料原料的可行性

現代社會人類生活水平穩步提高，對肉類產品需求不斷增加，這極大地促進了畜牧業的發展，但同時也引發了飼料原料供應的緊張局面。近年來，植物能量飼料的供應雖沒有蛋白原料那么急迫，也呈現出一定窘迫狀態。糙米是指稻谷僅經過脫殼處理而沒有經過碾白過程的米，因在加工過程中保留了胚、種皮以及糊粉層，具有較高的營養價值，其能量、蛋白質的消化率水平都高于普通玉米，被視為優良的能量飼料。大量的研究表明，糙米可以部分或全部替代玉米。對仔豬的試驗結果表明，隨著糙米替代玉米比例的增加，仔豬的日增重與飼料的轉化率均得到提高[34]。Li等研究表明，50%糙米組總能、粗蛋白質和粗脂肪的表觀消化率較純玉米組分別提高了1.3%、2.3%和4.5%；100%糙米組總能、粗蛋白質和粗脂肪的表觀消化率較純玉米組分別提高了3.5%、1.9%和8.2%[35]。謝章學等研究表明，用100%糙米代替玉米飼喂約25 kg的杜×長×大三元雜交瘦肉豬，糙米組豬的平均日增重（ADG）、料肉比（FCR）都要優于玉米組[36]。

由于成本原因，飼料中使用的能量飼料主要為玉米，占配合飼料總比重的50%～70%。自2008年來，為保障國家糧食安全和農民利益和積極性，玉米收儲價格不斷上調，從2008年的1 500元·t-1一直漲至2014年的2 240元·t-1，2015年回調到2 000元·t-1。玉米價格持續高位運行的情況下，對于飼料企業來說，尋找合適的玉米原料替代品無疑是一個重要的戰略需要。小麥含有較高的非淀粉多糖（阿拉伯木聚糖），不僅降低動物對養分的利用率，還影響動物的生長性能[37]；高粱所含的淀粉和蛋白質消化率都不如玉米，而且含有較多的單寧，影響飼料的適口性[38]。鎘超標稻谷來源廣、數量大，常年積壓、難以消耗；而飼料行業玉米原料價格節節攀升，供應日趨緊張，將鎘超標稻谷加工成糙米應用于飼料無疑是一個不錯的選擇。

5 鎘在機體內沉積及阻控

鎘是機體非必需元素，生物細胞表面沒有鎘的特異離子通道或者運輸蛋白，被認為是通過必需元素Fe、Ca、Zn、Mn和Cu的吸收系統進入細胞[39-41]。日糧中鎘進入消化道后，主要吸收部位在十二指腸，吸收量約5%～10%，其余通過糞便和尿液排出。但鎘具體怎樣通過上皮細胞基質進入血液循環還不是很清楚，Fe和Zn輸出蛋白可能參與該過程[42-43]。體內沉積試驗表明，鎘主要蓄積于肝、腎等器官中，脾、胰、甲狀腺、睪丸和毛發重也有一定的沉積，肌肉中殘留量不高于0.1 mg·kg-1，符合我國食品質量衛生標準（GB2762-2012）[44-45]。

“鎘米”應用于飼料中，可以調控其整體添加比例，控制飼料中鎘的含量；而對于肝、腎等鎘沉積量較多的組織，可以考慮無害化處理以保證食品安全，這與國際上通行做法一致。同時，可以通過一定的技術處理，減少重金屬在動物機體的殘留，保證畜產品質量。吸附和解吸在重金屬污染處理方面起著重要的作用，常見飼用吸附劑，如蒙脫石、海泡石、麥飯石等，與重金屬形成吸附復合物，可以減少胃腸道對重金屬元素的吸收，從而降低重金屬對動物的毒害作用及其在肌肉、肝臟和腎臟等組織中的殘留[46]。體外試驗表明，麥飯石對鎘具有較強的吸附能力，且當鎘的濃度為50 mg·L-1時吸附效果最好[47]。韓新燕研究表明，納米硅酸鹽（CDAA）能穩定地吸附食糜中的鎘，使之從糞便中排出，從而阻止其通過吸收途徑進入豬體內，顯著降低鎘在組織器官中的殘留量[48]。利用鋅、鐵與鎘的頡頏作用，提高日糧中鋅和鐵的含量，可減少動物對鎘的吸收，從而減輕鎘的中毒[49]。另外，提高日糧中維生素B、維生素C、硒的含量，也可顯著降低鎘的毒性[50]。

6 小結

重金屬污染是近代工業革命的產物，鎘污染是其中的一個縮影，相信隨著科技的不斷進步，一定能找到根治土壤重金屬污染的有效辦法，重建生態農業。但就目前情況，大量鎘稻谷若不能加以有效利用，不僅產生巨大的經濟損失還在一定程度上打擊農民的種糧積極性，影響我國的糧食生產安全。因此，本著對人類健康負責的前提下，通過畜禽的首過代謝充分利用鎘超標稻谷中的常規營養成分，并通過一定的技術處理（鎘阻斷劑）減少鎘在動物機體的殘留，生產出符合國家標準的畜禽產品（鎘殘留量＜0.1mg·kg-1），以達到資源的最大化利用。當然，鎘稻谷應用于飼料后，其中的有機態鎘（蛋白結合態）對畜禽的影響及其在機體內的殘留及沉積規律至今還沒明晰，因此很有必要開展相關試驗研究，確定鎘稻谷飼料化利用的相關標準，為其合理利用提供參考。

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“現代農業產業技術體系”欄目征稿

為提升國家、區域創新能力和農業科技自主創新能力，為現代農業和社會主義新農村建設提供強大的科技支撐，國家農業部和財政部于2007年啟動現代農業產業技術體系建設，并決定在水稻、玉米、小麥、大豆、油菜、棉花、柑桔、蘋果、生豬、奶牛等10個農產品中開展現代農業產業技術體系建設實施試點工作。

為配合現代農業產業技術體系建設，我刊新辦了“現代農業產業技術體系”欄目，旨在報道體系內的最新動態和最新研究成果，為現代農業產業技術體系的建設貢獻媒體的力量。

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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，湖南湘陰人，碩士研究生，研究方向為動物營養與飼料科學。

*通訊作者