钒和糖尿病(钒对糖尿病人有哪些好处)

• 1、“金属维生素”——钒
• 2、糖尿病与微量元素
• 3、这个人体必需微量元素，糖尿病患者可根据医嘱适量地摄取它

“金属维生素”——钒

文章转载自“战略性关键金属科普平台”

“金属维生素”——钒

(图源摄图•新视界)

1 认识钒元素

钒先后被两次发现。1801年，墨西哥城的矿物学教授节烈里瓦在钒酸铅矿石中首次发现了这种元素，并将其送到巴黎进一步研究，然而法国化学家推断它是一种被污染的铬矿石。1830年，瑞典化学家塞夫斯特伦在研究瑞典斯马兰矿区的铁矿时，在被酸溶解后的黑色残渣中再次发现了钒。由于其化合物五颜六色，十分漂亮，因此将北欧神话中美丽女神“凡娜迪丝”（Vanadis）的名字赋予了它。

图1 节烈里瓦，左；塞夫斯特伦，右

（图源百度百科）

钒（V）在元素周期表中位于第四周期第五副族，属于第一排过渡族金属。在自然界中具有4种氧化价态（ 2、 3、 4、 5），地核中可能为0价。钒是地球上广泛分布的微量元素之一，主要赋存于磁铁矿、磷酸盐岩、含铀砂岩和粉砂岩矿床中。铝土矿、石油、煤、油页岩、石煤和焦油砂等富含有机碳的物质中也呈现较高的含量，但至今尚未发现独立存在的钒矿物。

图2 钒的物理化学性质

2 开辟“钒蓝海”

优异性能多

钒是一种银灰色难熔难挥发的稀有金属。具有刚柔并济的性质，活泼多变的价态，艳丽多彩的光泽。高纯度的钒质地坚硬，无磁性，具有延展性好、不易氧化、质量轻等特性。当它被加入常规金属形成合金时，能显著提高合金的塑性、延展性、柔韧性与强度。

图3 a高纯钒（图源范例网）；b水硅钒钙石（图源百度图片）；c钒铅矿石（图源花瓣网）；d钒钙铀矿（图源百度图片）

应用领域广

钒在钢铁工业、冶金化工、航空航天、国防军工、医药、颜料、玻璃、新能源电池等领域均有重要应用，有“金属维生素”、“化学面包”、“现代工业的味精”之称。

图4 2001-2019年我国钒消费结构变化

（资料来源：中国钢铁工业协会；中国钢研；国家统计局；前瞻产业研究院）

（1）

含钒钢筋

钒在钢铁工业中主要用作合金添加剂，我国90%左右的钒用于钢铁工业。利用加钒对钢材进行微合金化，既能极大地提升产品的强度、韧性、耐高温性、抗腐蚀性，又可以节约钢材消耗量。相较于普通热轧钢筋，含钒钢筋在连铸、加工等方面具有独特优势，具备抗震性能优良、屈强比高、屈服强度波动范围小、延伸率高、弯曲性能好、低时效、易焊接等特性。利用（钒）微合金化将钢筋强度由400兆帕提升到500兆帕，理论上可节约15%～20%的钢筋消耗量。按照我国钢铁行业平均能源消耗与碳排放数据测算，平均每年可节约1.1亿吨以上标准煤消耗、可减少3.7亿吨以上二氧化碳排放，这对于推动钢铁行业碳达峰及降碳具有积极作用。

图5 攀钢含钒钢筋（图源中国钢铁新闻网）

（2）

钒电池

钒电池（全钒氧化还原液流电池）是一种高效储能和高效输出的装置。钒电池储能系统由正负电极、电解液储液罐、离子交换膜组件等几部分构成。通过电解液中钒离子的价态变化产生电流流动，循环使用次数可达5000次至1万次，是锂电池的10倍以上。钒电池的功率大、容量大、效率高、寿命长、响应速度快、可瞬间充电、安全性高、成本低，已成为可再生能源储能、电网调峰、备用电源等领域的首选技术之一，被称为“电力银行”。

图6 全钒液流电池概述图（图源百度百科）

图7 全国产化材料200KW全钒液流电池系统

图8 装有钒电池的集装箱（图源经济日报）

（3）

医疗

钒元素在人体新陈代谢、牙齿发育中至关重要。国内外对钒化合物的研究早期多集中于降糖作用。钒可以促进糖的代谢，促进血红细胞生长。具有良好的类胰岛素作用，可保护胰岛细胞，降低体内血糖含量。

图9 钒细胞中钒的存储机制

图10 1型和2型糖尿病的原因（Chatterjee et al., 2013）

（4）

钒的同位素

钒共有31种同位素，其中天然存在的包括V（0.25%）和V（99.75%）两个稳定同位素，其余全部通过人工合成。作为多价态的元素，钒同位素在自然界中存在显著分馏，可以作为地球化学示踪剂来制约高温和低温地质过程的物理化学状态，特别是氧化还原条件的变化。目前中国科学技术大学金属稳定同位素实验室可以进行极高精度的钒同位素组成测试。

①钒同位素可以鉴别磁铁矿控制的地质过程

磁铁矿是地质过程中广泛出现的暗色矿物，钒在磁铁矿中显著相容。岩浆演化过程中，磁铁矿结晶会优先富集V，导致残余熔体的V同位素组成变重。

图11 V在磁铁矿结构中的赋存状态

（图源北京同步辐射装置科研亮点）

图12 实验测定磁铁矿与含水花岗岩熔体之间的V同位素分馏系数（Sossi et al., 2018）

图13 冰岛Hekla和马里亚纳Anatahan熔岩的V同位素组成（Prytulak et al., 2018）

图14 基拉韦岩浆湖的V同位素组成（Ding et al., 2020）

② 钒同位素可以制约核幔分异过程

钒在地核形成氧逸度范围存在 2和 3价；钒在金属中以0价存在，因此地核形成过程可能产生钒同位素分馏。相应的分馏系数可以通过测量金属和硅酸盐熔体平衡实验中两相的钒同位素组成获得。

图15 深部岩浆洋模型（Wood et al., 2006）

图16 高温高压实验样品的结构（Zhang et al., in prep）

③ 钒同位素在古环境示踪方面有巨大潜力

作为一个氧化还原敏感元素，钒在沉积物中的富集程度随海水氧化还原状态的变化而变化。对现代大洋各类沉积物的钒同位素研究发现，不同氧化状态的沉积环境中，钒的沉积过程伴随的同位素分馏截然不同。因此，V同位素组成可以示踪局部水体甚至是全球海水的氧化还原程度。

图17 氧化还原敏感微量元素与海洋-大气氧化还原演化（Sahoo et al., 2012）

图18 海洋沉积物的钒同位素组成（Wu et al., 2020）

3 了解钒资源

钒是我国重要的战略资源，当前储量位居世界第一

据美国地质调查局(USGS)统计，全球已探明的钒矿总金属储量为2200万吨，主要分布在中国、俄罗斯、澳大利亚、南非、巴西、美国等地，其中我国钒矿总金属储量约为950万吨，居世界第一。

图19 世界主要国家2020年钒储量分布

（数据来源：美国地质调查局Mineral ComModity Summaries, 2021）

中国钒资源分布，主要来自于钒钛磁铁矿及沉积型钒矿资源

（1）

钒钛磁铁矿

由于V的离子半径（0.061nm）与Fe（0.063nm）相近，因此钒在自然界中以类质同象的形式广泛赋存于含铁矿物中。目前，世界上已探明的钒资源量主要来源于钒钛磁铁矿。我国钒钛磁铁矿主要分布于四川攀西与河北承德地区，矿床规模巨大。张家口、内蒙古赤峰、辽宁省建平等地区也发现多处超贫钒钛磁铁矿矿床或矿点，具有一定的资源开发潜力。

图20 攀枝花钒钛磁铁矿（图源矿道网）

（2）

沉积型钒矿资源

我国特有的一种低品位含钒资源。是指赋存于富有机质（TOC> 5%）和还原硫（TS> 1%）的黑色碳质页岩中，通过沉积成矿作用形成于陆内和大陆边缘的海相缺氧环境下的钒矿床，常与 Ni、Mo、U、P、S、Au、Ag、Ba、PGE 等元素伴生产出。中国沉积型钒矿资源非常丰富，主要分布在陕西、湖南、湖北、贵州等17个省区，形成了塔里木克拉通北缘、扬子克拉通北缘和扬子克拉通东南缘三大沉积型钒矿成矿带。主要成矿时代为寒武纪。矿床规模以中小型为主，大型钒矿较少。矿石品位较低，钒的赋存状态较复杂，选冶成本较高，总体上资源禀赋一般。

图21 南秦岭千家坪钒矿矿体特征。a—条带状钒矿石；b—条带状矿石中夹泥质岩透镜体；c—钒矿层中赋存的磷结核；d—第一岩性段条带状矿石与第二岩性段泥质灰岩接触带（徐林刚等，2022）

据国际钒技术委员会统计，2020年全球钒消耗量为10.3万吨金属钒当量。以目前的消耗速度，全球现有可经济开采钒金属量仅能供人类使用200年。钒钢相关性及基于ARIMA模型的部门需求预测表明，2026年我国钒需求量将达到峰值，届时需求量为11.62万吨，随后维持在10.79万~10.90万吨高位震荡。

图22 2020-2035年我国钒需求趋势预测图

（资料来源：吴晴等，2021）

钒的提取与回收

钒的提取方法主要包括湿法提钒及火法（氧化）提钒。湿法提钒是从含钒钛磁铁矿石中直接提取钒。火法提钒是通过火法冶金得到含钒铁水，再经氧化得到钒渣，富集后成为制造钒铁合金的原料。传统提钒工艺存在成本高、二次污染等缺点。未来应积极推动技术创新，向低成本、绿色化、高回收率的方向发展。

除了钒矿资源，含钒废弃物中也含有多种具有重要经济价值的金属。含钒废弃物种类繁多，包括含钒钢渣、提钒尾渣、失活催化剂以及钒电池失效电解液等。将含钒废弃物作为二次资源回收利用，不仅可以带来不俗的经济、环境效益，对于资源的循环利用也有重要意义。

图23 钢渣尾渣提钒工艺方法

（资料来源：发明专利 CN103614565B）

参考资料

向上滑动阅览

[1]付雪瑞,徐林刚,丁建华,叶会寿,李雷,崔玉宝,门文辉,宁江超.中国沉积型钒矿成矿规律与找矿方向[J].矿床地质,2021,40(06):1160-1181.

[2]何惠平,贾林海. 推进含钒钢筋应用刻不容缓[N]. 中国冶金报,2021-11-10(001).

[3]李鹏,向国洪,王勇军,王会芳,刘雷,李克忠.钒的应用研究综述[J].化工管理,2021(01):72-73.

[4]吴晴,张照志,潘昭帅,张泽南,徐恒逸.2020—2035年我国钒需求预测[J].中国矿业,2021,30(05):48-56.

[5]徐林刚,付雪瑞,叶会寿,郑伟,陈勃,方正龙.南秦岭地区下寒武统黑色页岩赋存的千家坪大型钒矿地球化学特征及成矿环境[J].地学前缘,2022,29(01):160-175.

[6]徐正震,梁精龙,李慧,郭佳明.含钒废弃物中钒的回收研究现状及展望[J].矿产综合利用,2020(03):8-13.

[7]https://baike.baidu.com/item/钒/720193#viewPageContent.

-THE END-

糖尿病与微量元素

微量元素是在人体内存量极少、含量低于人体体重0.01% 的元素，如锌、铁、锰、铜、硒、铬、钴、钼、氟等。体内虽然仅有极少量的微量元素，但对人体的生命健康非常重要，其在激素、酶、核酸、维生素、能量等的代谢过程中均有参与，微量元素不平衡摄入或缺乏会引发机体生理功能异常或疾病发生。研究表明，糖尿病发病与微量元素关系密切，一些微量元素在糖尿病诊治中发挥着重要作用。

图片来源于网络（侵删）

铬

铬是由法国学者于1797年首次发现并命名，是人体必需的微量元素之一。研究者证实 Cr3 是葡萄糖耐量因子的主要活性成分，在胰岛素协同作用下，铬化合物可明显加速骨骼肌细胞内葡萄糖的转运。铬可能主要通过3条途径影响糖代谢：①提升胰岛素与靶向受体结合率而发挥作用；②增加细胞表面胰岛素受体水平而增加组织对于胰岛素的敏感度；③提升糖原合成酶活性而增加糖原合成量，减少糖异生作用发生。铬还能抑制体内胆固醇和脂肪酸的合成，从而起到降低血中甘油三酯、胆固醇和脂肪酸的合成、防止动脉粥样硬化症的作用。

图片来源于网络（侵删）

锌

锌是多种糖代谢酶（3-磷酸甘油脱氢酶、苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅助因子，根据其浓度的高低，锌对酶的活性有双向调节作用。机体内仅有胰岛素具有降糖作用，其分子组成中存有金属原子锌2个，缺少锌的胰岛素容易变性失效，增加胰岛素抵抗。有研究表明，补充锌能增加妊娠期糖尿病孕妇新生儿过氧化物酶体增殖激活受体和葡萄糖转运体1型基因表达水平，有利于血糖的控制。此外，锌具有调节免疫功能，缺乏该元素会使免疫力低下，感染增多，诱导糖尿病发生发展，加重糖尿病患者的病情。

图片来源于网络（侵删）

钒

有关钒的降糖作用首次是被法国科学家Lynnet报道，钒具有广泛、复杂的生物学作用，其中的类胰岛素样作用研究的最多，胰岛素和钒的联合应用对糖尿病的保护效果大于胰岛素及钒剂单独使用所产生的保护效果。钒可通过抑制或激活糖代谢过程中的关键酶如 Ca2 -Mg2 -ATP 酶的活性，使胞浆中Ca2 的浓度升高，从而加速葡萄糖进入细胞内进行代谢，促进糖代谢、影响糖原合成、抑制糖异生。另外，钒化合物表现出抗氧化性能，可防治由糖尿病引起的皮肤损伤。

图片来源于网络（侵删）

硒

硒作为一种人和动物的微量元素，其能参与机体内多种物质代谢，发挥多种重要的生理功能，如抗癌、抗氧化，增强机体免疫力等。研究发现糖尿病患者血清中硒含量比正常人明显偏低，硒在糖尿病动物中具有降血糖效应，硒通过激活p70S60激酶和苏氨酸激酶等达到降低血糖的作用，硒的抗氧化功能还可能介导其类胰岛素作用。然而，也有研究发现长期补硒反而能引起胰岛素抵抗和糖尿病，因此目前不建议糖尿病患者补硒。

图片来源于网络（侵删）

铁

铁是人体内的必需微量元素之一，哈佛大学进行的一项研究表明，血红素铁的摄入量与2型糖尿病的发病风险呈正相关。缺铁会减少血红蛋白的合成，从而造成胰腺组织缺氧、影响胰岛素的合成和释放。另外人体内清除过多自由基都需要含铁酶类如过氧化氢酶参与，铁缺乏时不能及时清除体内自由基，氧化应激增强，从而促进糖尿病的发生、发展以及并发症的形成。机体铁过载也可能通过诱发炎症反应和促进氧化应激等导致胰岛素抵抗和糖尿病。

图片来源于网络（侵删）

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资料来源：转自文糖医

这个人体必需微量元素，糖尿病患者可根据医嘱适量地摄取它

钒属于人体必需微量元素。在自然界分布很广，淡水和海水都含有钒。钒进入人体的途径主要有两条，一是从饮食中摄入，一是从呼吸道和皮肤进入。水溶性的钒离子容易被吸收，吸收率可达10%。血液中的钒大约95%存在于血浆中，20世纪80年代发现钒在体外的类胰岛素作用。

1995年以来大量的临床试验发现钒对Ⅰ、Ⅱ型糖尿病均有作用。日本学者KanaseSasaki等人用高钒水进行试验，发现摄入饱和脂肪酸饮食的健康妇女，饮用含60微克/升钒矿泉水后，虽然对血糖没有明显的影响，但是有效地提高胰岛素受体的敏感性。

日本微量元素研究所所长橘田力先生对山梨县两大水系（相模川和富士川）地区的慢性病流行病学进行了调查，结果表明相模川中的玄武岩水系中的钒含量为130~140微克/升，糖尿病的死亡率低于富士川水系。

从大量的试验中可以看出，钒可以刺激造血功能，改善营养性贫血的症状、促进心血管的收缩，降低心血管病的死亡率，但是过多的钒可能会引起基因的突变、干扰细胞的微管和微管蛋白的有丝分裂、引起DNA的损伤。

微量元素钒是维持体内正常生命活动所不可缺少的营养元素之一。而在未发现钒是人体必需的微量元素之前，就已有人用钒的化合物治疗结核病、贫血症等疾病，并取得了良好的效果。通常吸烟会阻碍钒的吸收，因此，吸烟者要注意钒的补充。

钒的生理功能是多方面的，例如，它有助于脂肪和胆固醇的新陈代谢；增强机体的造血功能；维护心血管系统和肾脏功能的发挥，加强心肌的收缩能力；促进骨骼和牙齿的生长发育；并有类胰岛素的作用，能够促进体内糖类的分解和转化，为人们进行正常活动提供所需的能量等。

因为微量元素钒具有类胰岛素的作用，所以人体内缺乏钒会影响到糖类的代谢，有可能患上糖尿病。除此之外，牙齿的保护层牙釉质也易遭到破坏，生成龋齿；

而身体的生长发育也会变得迟缓，并影响体内血红素的合成，易生成贫血症；并且还会造成脂肪和胆固醇的含量失调，有可能导致动脉硬化和心血管疾病的生成。对于胰岛素依赖型糖尿病患者来说，他们可根据医嘱适量地摄取钒，以此来控制病情。

钒元素能有效降低血糖，改善糖尿病症状，促进人体新陈代谢，抑制胆固醇，并能延长胰岛素的作用时间，对预防糖尿病和减肥有一定作用。

动物实验证明了钒的降血糖功效，但其科学原理是什么呢？曾任日本肥胖学会会长的奥田拓道教授（爱媛大学医学部）的研究揭开了钒降血糖的科学道理，钒的浓度在1μg以上就可以抑制不依赖荷尔蒙作用而进行的脂肪分解。

钒的摄入是食物疗法、运动疗法以外的非药物降低血糖的有效疗法。在钒登场之前，能够有效地防止糖尿病的方法只能是通过节食和运动降低体重、改变肥胖体质，使脂肪内的油滴减小，提高卵磷脂的密度，杜绝脂肪的自然分解维持正常地胰岛素分泌，除此之外别无他路。但钒的登场又增加了一条有效地防止糖尿病的途径。

钒的作用就是有效地斩断了脂肪自然分解的根源，终止了上述游离脂肪酸的增多促使胰岛素异常多量分泌的恶性循环，保持人体血糖的正常值。是今为止发现的能够阻止脂肪自然分解的一种物质。

在现实中不少的糖尿病患者通过饮用含钒水阻止了脂肪的自然分解，达到了降低血糖的效果，当然这是钒的主要功能。