高　陽　周業(yè)勛　張繼澤　楊連玉

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130118；2.吉林省動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)重點實驗室，長春 130118；3.昆士蘭大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，布里斯班 4343；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，呼和浩特 010010)

近些年，工場化的養(yǎng)殖模式占比增加，這種養(yǎng)殖模式給豬帶來較大應(yīng)激[1]，破壞豬的胃腸道健康，對仔豬的影響尤為嚴(yán)重[2]。應(yīng)激影響下，豬更為易感，胃腸道的營養(yǎng)代謝功能和免疫功能受損，消化和吸收能力受到限制，抵御和清除病原微生物的能力亦受到影響。為了降低這些不利影響，抗生素最先被生產(chǎn)者和研究者所關(guān)注。但大規(guī)模的抗生素使用也造成了多種細菌耐藥性和畜禽產(chǎn)品藥殘等問題。因此，在尋求抗生素替代物的研究道路上，高劑量銅、鋅作為豬飼糧中預(yù)防性添加劑得到了應(yīng)用和研究[3-4]。

早在1945年，Braude[5]首次發(fā)現(xiàn)飼糧中添加高劑量銅對豬的生長有促進作用。最初，人們猜測銅和抗生素在豬生產(chǎn)中著相似作用，實則不然[1]。其后大量研究發(fā)現(xiàn)，銅的促生長作用是系統(tǒng)性的，與采食、機體內(nèi)多種酶活性和神經(jīng)調(diào)控等息息相關(guān)[6-9]。豬飼糧中鋅的使用和研究可以追溯到20世紀(jì)90年代，鋅的多種化合物在斷奶仔豬飼糧中體現(xiàn)出出色的促生長作用，在降低腹瀉和提高成活率方面有著重要的應(yīng)用價值[10-11]。

1　高劑量銅、鋅飼糧在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用與研究

1.1　高銅飼糧的促生長作用機制

豬的營養(yǎng)中，銅作為必需微量元素，是機體內(nèi)多種酶的必需組分和輔助因子，直接參與代謝。銅在促進骨骼形成、參與造血過程中發(fā)揮重要作用[12]。此外，銅還在抵抗外來病原、增加機體免疫力和抗氧化能力、提高采食量和生產(chǎn)性能等方面發(fā)揮重要的作用[12-14]。

在豬的生產(chǎn)中，高銅飼糧促生長作用是學(xué)者們關(guān)注的重點。斷奶早期的仔豬飼糧中添加高劑量銅(125～250 mg/kg)能顯著提高豬的生長速度、采食量和飼料利用率。同時，許多研究證實，飼糧中補充相同劑量的無機銅源對豬生長的促進效果相似[15]。

1.1.1高銅飼糧與豬的生長軸調(diào)控

高劑量銅能夠誘導(dǎo)機體產(chǎn)生多種生長軸調(diào)控因子[16-17]，提高下丘腦中多巴胺(dopamine，DA)含量，DA直接作用于垂體刺激生長激素(growth hormone,GH)的分泌，調(diào)節(jié)生長激素釋放激素(growth hormone-releasing hormone，GHRH)、生長抑素(somatostatin，SS)和饑餓激素(ghrelin)等神經(jīng)物質(zhì)在生長軸中的濃度。通過對生長軸的調(diào)控來改善豬的生產(chǎn)性能。高銅食糜能刺激胃底腺，使胃底腺饑餓激素mRNA的表達量提高[6,8]。饑餓激素具有與胃動素(motilin)相似的生物學(xué)功能，一方面能夠促進胃蛋白酶的分泌和胃的排空，另一方面能夠保護胃黏膜的完整性[18-19]。同時，體外試驗證實饑餓激素能夠促進原代垂體細胞分泌生長激素，促進動物生長。此外，高劑量銅能夠提高豬下丘腦(neuropeptide tyrosine,NPY)的表達，NPY可以與動物飽腹感信號通路相互作用，提高動物采食欲望并刺激唾液分泌，在采食調(diào)控和營養(yǎng)消化方面具有十分重要的意義[20]。

1.1.2高銅飼糧改善腸道結(jié)構(gòu)與功能

合理使用高銅飼糧，不僅能改善消化酶的活性，還能改善豬消化道的組織結(jié)構(gòu)，提高腸絨毛高度和絨毛高度/隱窩深度[21-22]。研究表明，高銅飼糧能夠改善豬消化道中的多種消化酶活性，如胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰淀粉酶和脂肪酶等，使食糜中的營養(yǎng)物質(zhì)更加高效地分解，為后續(xù)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和沉積奠定基礎(chǔ)。此外，銅參與形成多種抗氧化酶，可提高機體抗氧化能力和抗逆性，降低外界環(huán)境變化對豬造成的應(yīng)激[23-25]。

1.1.3高銅飼糧與腸道菌群的關(guān)系

銅對革蘭氏陽性菌有抑菌功效，因此有學(xué)者認為高銅飼糧的促生長性能歸功于它的抑菌特性。有趣的是，靜脈注射銅對斷奶仔豬的生長性能同樣有促進作用[26-27]。由此可見，高銅飼糧具有促生長和抑菌的雙重特性。H?jberg等[28]的研究表明，飼糧中添加175 mg/kg硫酸銅能夠降低胃腸道中乳酸菌、乳桿菌和鏈球菌的數(shù)量。而乳酸菌通常被認為能夠在維護腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)上發(fā)揮重要作用。這可能是因為胃腸道中細菌總量降低，減少了飼糧中營養(yǎng)成分消耗，使更多的營養(yǎng)物質(zhì)用于豬的生長。

1.2　高鋅飼糧的促生長作用機制

鋅是動物必需的微量元素之一，主要參與機體內(nèi)多種酶的組成，構(gòu)成金屬酶活化劑。機體中的鋅參與蛋白質(zhì)和核糖核酸的合成代謝，在動物生長、發(fā)育、繁殖和免疫等方面發(fā)揮重要作用[29-30]。豬的生產(chǎn)中，鋅作為預(yù)防性添加劑，在預(yù)防斷奶仔豬腹瀉和水腫方面具有十分重要的改善作用[31]。最初，常以氧化鋅(ZnO)作為鋅源添加在斷奶仔豬飼糧中。研究指出，ZnO能有效降低仔豬腹瀉率，提高豬的生長性能和飼料利用率[1,32]。在改善仔豬健康和提高生產(chǎn)性能發(fā)面與抗生素相似的作用。隨后，治療劑量的ZnO(2 000～3 000 mg/kg)作為預(yù)防性添加劑被養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)廣泛使用。

1.2.1高鋅飼糧提高豬的免疫力

鋅的預(yù)防功能主要體現(xiàn)在對豬免疫力、抗逆性和腸道結(jié)構(gòu)功能的改善。豬的免疫力和抗逆性以抗氧化能力、免疫球蛋白含量和T淋巴轉(zhuǎn)化率來反映。研究表明，高鋅飼糧能顯著提高仔豬組織中抗氧化酶活性，如：金屬硫蛋白、銅-鋅超氧化物歧化酶等[33]。還能提高豬血清中免疫球蛋白的含量，如免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)和免疫球蛋白A(IgA)[34]。

1.2.2高鋅飼糧改善豬的腸道健康

豬的營養(yǎng)中，鋅的營養(yǎng)與小腸健康密切相關(guān)。小腸是不僅是機體重要的消化器官，還是機體最大的免疫器官[35]。鋅促進小腸上皮黏膜分泌胰島素生長因子(insulin-like growth factors,IGFs)，促進腸絨毛生長，在斷奶早期迅速建立完整的腸道屏障，改善仔豬小腸的結(jié)構(gòu)和功能。研究表明，高鋅飼糧能顯著增加斷奶仔豬絨毛高度和絨毛高度/隱窩深度，顯著提高腸道內(nèi)細胞因子和緊密連接蛋白表達量[36-37]。除此之外，鋅能調(diào)控機體饑餓激素的分泌，改善動物采食量，調(diào)控動物生長軸，提高動物生長性能。高鋅飼糧還能調(diào)控豬的腸道菌群多態(tài)性，降低小腸中的營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)酵[38-40]。

2　高銅、鋅飼糧的潛在危害

2.1　高銅、鋅飼糧對豬的不利影響

豬生產(chǎn)中，斷奶仔豬飼喂高銅飼糧體現(xiàn)出良好的生長促進作用和疾病防控作用。但長期使用高銅飼糧效果并不明顯，甚至?xí)a(chǎn)生負面效應(yīng)，如器官氧化應(yīng)激、炎性因子表達量升高、腸道菌群失衡、生長速度降低和肉品質(zhì)變差[1,28,41]。研究表明，高銅飼糧在腸道中通過催化芬頓反應(yīng)產(chǎn)生負離子和羥自由基，使腸道細胞損傷、脫落，甚至死亡，導(dǎo)致腸道氧化應(yīng)激，屏障損傷[42]。此外，食糜中高銅含量能降低消化道內(nèi)的細菌總量[43]，在抑制有害菌群增殖的同時也抑制了乳酸菌和雙歧桿菌等有益菌群的活性。因此，長期使用高銅飼糧不利于豬的腸道微生態(tài)平衡，嚴(yán)重影響其腸道功能。在肉品質(zhì)方面，長時間使用高銅飼糧能增加豬肉中不飽和脂肪酸含量，使豬肉更易發(fā)生脂質(zhì)氧化，導(dǎo)致肉質(zhì)變軟，風(fēng)味下降。

高鋅飼糧雖能改善仔豬生長性能，但飼糧中高鋅含量可能會引起毒性反應(yīng)和破壞腸道菌群平衡。研究表明，機體內(nèi)過量的鋅直接作用于多種膜結(jié)構(gòu)，使膜的通透性發(fā)生改變，減少ATP生成量，使膜的主動運輸能力降低[44-45]。小腸是率先接觸鋅刺激的器官之一，長期高劑量鋅刺激會導(dǎo)致腸道上皮細胞膜損傷，腸道消化和吸收能力下降，抑制豬的生長。長期飼喂高鋅飼糧不僅抑制豬免疫器官發(fā)育，還影響T淋巴細胞轉(zhuǎn)化率和白細胞吞噬率，導(dǎo)致豬血清中免疫球蛋白含量顯著下降[45]。

飼糧中的銅、鋅被吸收后，隨循環(huán)系統(tǒng)分布在不同組織與器官中，如肝臟、腎臟、腦等。重金屬(銅、鋅等)在肝臟中大量沉積，能明顯降低肝臟的抗氧能力、解毒能力和生長相關(guān)因子的釋放能力。腎臟中沉積大量的重金屬，通過改變腎臟細胞膜的通透性來影響腎小球的濾過功能與腎小管的重吸收功能。豬腦部大量沉積的重金屬能影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的內(nèi)分泌功能，使動物的采食調(diào)控、生長調(diào)控和記憶力受到抑制。綜上，高劑量銅、鋅飼糧的長期使用，不但降低動物的生長性能，還會影響動物健康。

2.2　環(huán)境污染

豬對飼糧中的銅、鋅吸收率較低，只有較少一部分沉積體內(nèi)，大部分的銅、鋅隨著糞便排出[1，46]，研究數(shù)據(jù)顯示，豬食用高銅飼糧(250 mg/kg)，糞便中的銅含量是飼糧中的14倍[46-48]，養(yǎng)豬產(chǎn)生的糞便大多數(shù)被堆肥還田處理。雖然我國逐漸開始意識到飼料中的重金屬會對環(huán)境造成潛在威脅，并逐步調(diào)整《飼料添加劑安全使用規(guī)范》中銅、鋅在豬飼糧中的使用上限(銅：仔豬飼糧中銅添加量不高于125 mg/kg。鋅：仔豬飼糧中鋅添加量不高于110 mg/kg，斷奶后2周添加量不高于1 710 mg/kg；母豬飼糧中鋅添加量不高于100 mg/kg；其他豬飼糧中添加量不高于80 mg/kg)，但我國生豬存欄較高，養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便總量巨大，且銅和鋅在土壤中難以降解，因此銅、鋅在土壤中的沉積量會隨著我國養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展而逐年增加，終將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和食物鏈污染，對豬場附近地區(qū)的影響尤為嚴(yán)重。為了保護土壤及生態(tài)環(huán)境，我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了土壤中銅、鋅的最高允許含量值，其中二級標(biāo)準(zhǔn)為銅含量不高于50～100 mg/kg，鋅含量不高于200～300 mg/kg。土壤中高銅含量不僅影響作物產(chǎn)量，還會影響土壤周圍的生物多樣性及多種生物健康。研究表明，土壤中的銅含量與土壤硬度呈正相關(guān)，過硬的土壤不利于作物種植，且影響農(nóng)作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量[49-51]。此外，長期在高銅環(huán)境中勞作，容易引發(fā)肝硬化及黃疸等疾病。土壤中高鋅含量會抑制植物吸收率，一般認為土壤中鋅含量大于200 mg/kg就會造成污染。除土壤污染外，銅、鋅對水源的威脅更大，水生動植物的生命活動與水中的銅、鋅含量息息相關(guān)。研究表明，水中銅、鋅含量超標(biāo)對水生動物存在較大威脅[52]。

2.3　細菌耐藥性

近年來，細菌的抗生素耐藥性研究被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。細菌耐藥性的增強對人類健康存在潛在威脅。H?lzel等[53]研究表明，飼糧中高劑量、長時間使用銅作為添加劑將提高豬腸道細菌的耐藥性。Bednorz等[54]的研究表明，飼糧中添加2 500 mg/kg ZnO能提高仔豬胃腸道中某些細菌耐藥性，并增加大腸桿菌多重耐藥性。Slifierz等[55]的研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加大劑量ZnO能夠增加甲氧西林耐藥金黃色葡萄球菌流行性和感染性。長期使用高銅飼糧會誘導(dǎo)細菌產(chǎn)生銅抗性，現(xiàn)今生豬養(yǎng)殖中，往往采取高劑量銅加抗生素的抑菌促生長策略，高劑量銅與抗生素的協(xié)同作用會使細菌耐藥率極顯著升高，為今后的養(yǎng)殖埋下更深隱患[56-57]。研究表明，長時間使用高劑量銅、鋅飼糧，會特異性篩選耐藥細菌，使銅、鋅反而在誘發(fā)細菌耐藥性方面發(fā)揮重要作用[58]。

此外，抗菌金屬(銅、鋅等)與抗生素耐受協(xié)同已有研究，某些在環(huán)境中分離出的細菌已顯示出對抗菌金屬和抗生素的協(xié)同抗性。這些抗性可以通過垂直傳播傳至子代，也可以通過水平傳播至其他細菌[59-60]，這2種傳播機制共同調(diào)控細菌抗銅、抗鋅及抗生素耐藥性增強。這就意味著耐藥細菌可能將其耐藥基因傳播到不同生物群體中，對人類健康造成威脅。

3　解決策略

為保證銅的促生長效果，減少其過量排放，降低其誘導(dǎo)產(chǎn)生耐藥性細菌。豬生產(chǎn)中需要更為高效的投飼方式。有觀點認為，降低環(huán)境污染和抗生素耐藥性，應(yīng)在生產(chǎn)中使用益生菌、酸化劑和植物提取物。也有觀點認為，需要改變銅、鋅在飼糧中的添加形式，使其投喂量降低而效率不受影響。

3.1　替代策略

豬飼糧中添加益生菌已被業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，各種益生菌產(chǎn)品相繼出現(xiàn)。益生菌是活性微生物，其作用是調(diào)節(jié)宿主體內(nèi)微生物平衡[61]。益生菌可與病原菌競爭營養(yǎng)物質(zhì)和腸壁上的結(jié)合位點，激活免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生對病原菌有害的物質(zhì)抑制病原菌活性。Wang等[62]的研究指出，屎腸球菌能促進仔豬增重和健康，其功效與ZnO(2 500 mg/kg)相似。

益生元對動物健康和腸道有益微生物的篩選有積極作用。酵母衍生物和多糖都能調(diào)節(jié)仔豬的免疫系統(tǒng)。研究表明，β-葡聚糖具有抗炎癥的特征，促進豬體內(nèi)抗炎癥因子的產(chǎn)生[47]。酵母衍生物除有促生長作用外，還能清除飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子。

近年來，植物提取物作為豬飼料添加劑被廣泛應(yīng)用，如植物多糖、皂苷和精油等。研究表明，天然植物提取物能促進豬的生長，有益于豬的健康，且不污染環(huán)境。一些植物提取物還能增強豬的機體免疫力、消化酶活性和抗逆性[47]。植物提取物對豬健康和生長方面的研究中，國外學(xué)者多把目光集中在海藻提取物[63-64]，其具有產(chǎn)量高、易獲取、經(jīng)濟等特點。國內(nèi)研究中，除關(guān)注水生植物外，還致力于研究中草藥添加劑[65-66]。

酸化劑通過降低消化道pH來抑制病原菌活性。乳酸和檸檬酸等有機酸通過降低消化道內(nèi)pH來減少消化道中的細菌數(shù)量。報道指出，甲酸、乙酸、丙酸和山梨酸能有效降低消化道內(nèi)的pH，抑制革蘭氏陰性菌增殖[67-68]。飼糧中添加復(fù)合有機酸能降低豬腸道內(nèi)大腸桿菌、沙門氏菌和腸球菌屬的數(shù)量，改善豬的生長性能。但也有學(xué)者指出，酸化劑并不能完全清除有害微生物對豬的威脅[69]。

3.2　新的使用模式

傳統(tǒng)的銅、鋅添加劑多為無機物，如硫酸銅和ZnO等。飼糧中的無機銅、鋅易被氧化，吸收利用率低且造成環(huán)境污染。因此，提高銅、鋅效價，降低其在飼糧中的使用成為備受矚目的研究領(lǐng)域。

研究指出，食糜中的銅和鋅在動物體內(nèi)與消化道黏膜結(jié)合，通過激活通路調(diào)控多種生長因子分泌來促進蛋白質(zhì)沉積和組織發(fā)育。因此，銅、鋅與消化道接觸的表面積與其生物學(xué)效價相關(guān)。增加銅、鋅表面積的有效方式是使其顆粒變小。相同質(zhì)量的微米、納米顆粒能提高表面積數(shù)倍。在對納米粒子和微米粒子的研究中發(fā)現(xiàn)，雖然納米顆粒和微米顆粒增加了銅、鋅的生物學(xué)效價，但也導(dǎo)致其毒性增強[70-71]。納米粒子能穿透生物膜結(jié)構(gòu)，改變膜電位和膜通透性發(fā)生，導(dǎo)致氧化應(yīng)激。同時納米粒子能破壞細胞核中的遺傳物質(zhì)，使DNA發(fā)生不可逆的損傷。在納米和微米銅毒性的比較研究中發(fā)現(xiàn)，口服微米銅(200 mg/kg BW)28 d未顯示出毒性。因此，微米結(jié)構(gòu)的銅、鋅預(yù)混劑可能對未來的養(yǎng)豬事業(yè)產(chǎn)生一定積極影響[72-73]。

除此之外，凹凸棒黏土可作為銅、鋅預(yù)混劑載體在豬飼糧中使用。凹凸棒黏土自身具有離子交換、物理吸附、承載微量元素和黏膜保護等特性[74]。承載銅、鋅的凹凸棒黏土，一方面能夠保護腸道黏膜結(jié)構(gòu)，另一方面能發(fā)揮銅、鋅的促生長和抑菌效果。在提高腸道免疫球蛋白數(shù)量、提高消化酶活性、修復(fù)和保護消化道黏膜等方面發(fā)揮重要作用[75]。

4　小　結(jié)

高銅、鋅飼糧能促進豬的生長，對斷奶仔豬的作用尤為明顯。但過度使用會使金屬元素在糞便和土壤中大量沉積，嚴(yán)重污染土壤和水源。銅、鋅在維持動物生長、器官發(fā)育、免疫應(yīng)答和生殖調(diào)控等方面具有重要作用，但高銅、鋅飼糧的不合理使用會引發(fā)嚴(yán)重的健康問題，如免疫力降低、消化道功能減退、生長發(fā)育遲緩和易感等。因此，合理使用高銅、鋅飼糧，提高銅、鋅在飼糧中的效價和銅、鋅與其他物質(zhì)組合效應(yīng)的研究將成為推動銅、鋅預(yù)混劑使用和發(fā)展的關(guān)鍵。

同時，高銅、鋅飼糧對豬的生長促進機理及其介導(dǎo)的相關(guān)信號通路仍需進一步研究。一方面，提高銅、鋅在豬飼糧中的使用效率，減少飼糧中抗生素和銅、鋅的過度添加，緩解其過度使用帶來的抗藥性與食品安全問題；另一方面，尋求高銅、鋅飼糧新的替代策略和使用模式，為我國養(yǎng)豬事業(yè)高效綠色、高效和可持續(xù)發(fā)展提供參考。