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气候变化降低大米营养价值

如果大气中二氧化碳浓度持续增加,未来水稻的某些核心维生素含量可能会就此出现下降, 克里斯蒂·埃比写道。

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研究发现,气候变化对以大米为生的极端贫穷国家孕产妇和儿童健康的影响尤为明显。图片来源:olly301

水稻是全球30多亿人的主粮。而这30亿人口中,很多人都负担不起营养丰富、含有完整蛋白质、谷物、水果和蔬菜的多样化饮食结构。相对便宜的谷物是他们主要的卡路里来源,而这其中就包括水稻。

我的研究主要关注与气候的波动和变化相关的健康风险。在最近发表的一份研究中,我与来自中国、日本、澳大利亚和美国的多位科学家合作,对气候变化的罪魁祸首,也就是二氧化碳浓度的上升可以改变水稻营养价值这一问题进行了评估。我们在亚洲实地种植了多种基因多样性水稻品系,并就此分析了大气二氧化碳浓度上升是如何改变水稻中蛋白质、微量元素和B族维生素的水平。

我们的数据首次显示,在科学家预估的2100年大气二氧化碳浓度下生长的水稻,其含有的4种B族维生素含量出现了下降。这些发现同时还支持了其他实地研究结果,比如在上述大气条件下生长的水稻,其蛋白质、铁和锌的含量都相对较低,而这3种元素对胎儿和幼儿的早期发育非常重要。这些变化可对孟加拉国、柬埔寨等以大米为生的极端贫穷国家孕产妇和儿童健康的影响尤为明显。

亚洲许多极端贫困地区都以水稻为主食
亚洲许多极端贫困地区都以水稻为主食亚洲水稻产量和消费量占全球总量的90%,贫困人口占全球贫困总人口的70%以上。图片来源:国际水稻研究所IRRI

二氧化碳和作物生长 植物从大气二氧化碳中汲取生长所需的碳,并从土壤中吸收其他所需的营养物质。人类活动——尤其是化石燃料燃烧和森林砍伐——导致大气二氧化碳浓度从工业化前的280ppm增加到如今的410ppm。如果全球排放率保持现状,那么到2100年,大气二氧化碳浓度很有可能会上升到1200ppm(其中包括甲烷和其他气体排放量)。

通常,较高浓度的二氧化碳能够刺激植物的光合作用和生长。这种影响可以使水稻、小麦和玉米等全球最重要的食物来源谷物更多产。不过最新的研究表明,预测对作物生长的影响其实是很复杂的。

对人类健康至关重要的几种矿物质浓度(特别是铁和锌)并不会随着二氧化碳浓度变化而改变。现有植物生理学认为,主要谷物作物——特别是水稻和小麦——在面对较高浓度的二氧化碳时,会合成更多碳水化合物(淀粉和糖)和较少蛋白质,而且谷物内矿物质的含量也会减少。

2014年以来全球营养不良人口数量呈增长趋势,2016年估计达到8.15亿2014年以来全球营养不良人口数量呈增长趋势,2016年估计达到8.15亿注:2000年-2016年全球营养不良人口数量及占比。2016年的数字为估计值。数据来源:FAO

过去十年,全球饥饿人口数量及占比稳步下滑,而如今似乎又出现了抬头的迹象,预计将会影响全球11%的人口(数据来源:联合国粮食与农业组织(Food and Agriculture Organization,简称FAO))

至关重要的微量元素

目前,全球约有8.15亿人的粮食安全难以得到保证,也就是说他们缺乏可靠的途径获得数量充足、安全营养、价格合适的粮食来源。而面临铁、碘和锌等重要微量元素缺乏问题的人口数量可能更多(大约为20亿)。

膳食铁含量不足会导致缺铁性贫血。这种情况下,人体内的红细胞数量太少,无法携带足量氧气。这是最常见的一种贫血症,会导致疲劳、气短或胸痛,甚至可能引发心脏衰竭和儿童发育迟缓等严重并发症。

锌缺乏症的特征是食欲不振、嗅觉减退、伤口愈合缓慢和免疫功能下降。锌对生长和发育非常重要,所以保证足够的膳食锌摄入对孕妇和生长期儿童来说至关重要。

植物中二氧化碳浓度升高会降低植物组织中的氮含量,而后者对B族维生素的生成至关重要。人体的不同功能需要不同种类的B族维生素提供支持,比如调节神经系统、将食物转换为能量以及抵抗感染等。而孕妇摄入叶酸这种B族维生素可以降低新生儿的先天性缺陷风险。

育龄妇女贫血是一个长期存在的问题育龄妇女贫血是一个长期存在的问题全球有三分之一的育龄妇女患有贫血症,约6.13亿人。(资料来源:联合国粮食与农业组织(FAO)​注:育龄妇女贫血患病率,2005-2016。资料来源:WHO全球卫生观察站,2017

重要的营养缺失

我们在中国和日本分别进行了不同品种水稻的户外种植和实地研究。为了模拟较高的大气二氧化碳浓度,我们采用了自由大气二氧化碳浓缩方法,将二氧化碳直接吹向稻田,让其维持在科学家预计的本世纪晚期的二氧化碳浓度。控制组稻田除了较高浓度的二氧化碳外,其他实验条件与对照组稻田相似。

平均而言,与处于当前二氧化碳浓度中的水稻相比,生长在高二氧化碳浓度稻田中的水稻维生素B1(硫胺素)含量低17%;维生素B2(核黄素)含量低17%;维生素B5(泛酸)含量低13%;维生素B9(叶酸)含量低30%。我们的研究首次证实二氧化碳浓度升高会降低水稻中的B族维生素含量。

我们还发现,在二氧化碳浓度较高的环境下,水稻的蛋白质含量平均减少10%,铁减少8%,锌减少5%。而维生素B6或钙的水平基本没有变化。而维生素E是多数稻谷品种中含量唯一出现增长的营养物质。


这块稻田中栏杆围成的八角形区域种植的稻米是不同大气条件下水稻种植实验的一部分。二氧化碳浓度为568至590ppm的情况下种植的水稻营养较差,蛋白质、维生素、矿物质的含量都较低(图片来源:日本国家农业和食品研究组织Toshihiro Hasegawa博士)

微量元素匮乏不断恶化

目前,大约有6亿人 (主要是在东南亚地区)日常一半以上的卡路里和蛋白质摄入直接来自大米。如果不采取行动,我们发现的水稻营养物质含量下降将很有可能让全球营养不良的现状愈加恶化。此外,营养不良会让腹泻和疟疾等疾病恶化,从而影响儿童的早期发育。

与二氧化碳浓度升高导致的营养不良相关的潜在健康风险与最低人均国内生产总值直接相关。这说明,这些改变将给已经饱受贫困与营养不足困扰的国家带来严重的潜在后果。很少有人会把化石燃料、森林砍伐和水稻的营养成分含量联系在一起。但是我们的研究已经明确证实,化石燃料污染物排放会加剧全球饥饿挑战。

气候变化如何影响其他关键植物?

很遗憾,如今无论是在联邦、州、还是商业层面,没有一个实体愿意提供长期研究资金,评估二氧化碳浓度增加对植物化学组成和营养物质的影响。但二氧化碳引发的种种变化的确具有非常重要的意义,包括从药用植物到营养物质,食品安全和食物过敏等多个领域。鉴于可能已经出现的潜在影响,很明显,投资这项研究已经迫在眉睫。

此外,关键是还要明确避免或减少这些风险的措施,从传统植物育种到基因改良,再到营养补充剂都要考虑到。二氧化碳浓度升高正在加剧气候变化。这些排放物在改变植物生物学各方面到底会发挥怎样的作用(包括我们的食物、饲料、纤维和燃料作物的营养品质)仍然还是未知数。

 

英文原文首发于《对话

 

翻译:Estelle

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