崔 嘉，楊新宇，李 楠，陳寶江,2*

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，保定 071000；2.河北省牛羊胚胎技術(shù)創(chuàng)新中心，保定 071000)

氨氣(NH3)是一種劇毒的環(huán)境污染物，被美國環(huán)境保護(hù)署(environmental protection agency, EPA)確認(rèn)為環(huán)境應(yīng)激源[1]。在不同國家和地區(qū)，工作人員8小時(shí)工作日和生活環(huán)境中氨的接觸限值不同，例如法國接觸限值為7 mg·m-3[2]，歐盟為18 mg·m-3[3]。在集約化大型畜禽舍中，空氣中氨氣的濃度范圍為1.4～60.9 mg ·m-3[4]。大氣中的氨有助于微粒形成并降低空氣能見度，影響人類健康和壽命[5]。Beker等[6]研究表明，長時(shí)間暴露于低至15.2 mg ·m-3的氨水平下，會對家禽健康產(chǎn)生負(fù)面影響。Reeb-Whitaker等[7]和郭艷等[8]研究表明，環(huán)境中高濃度的氨會增加器官和組織中的氨濃度，導(dǎo)致代謝紊亂、組織和器官受損，引發(fā)組織病變，降低動物的生長和生產(chǎn)性能。Zhang等[9]和 Yi等[10]研究還表明，高濃度的氨氣會誘導(dǎo)基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的改變，這些基因和蛋白質(zhì)與脂質(zhì)代謝、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生長、免疫反應(yīng)及氧化應(yīng)激有關(guān)。

1 氨氣對呼吸系統(tǒng)的影響

氨氣是一種常見空氣污染物，是霾(PM2.5)的組成部分。Brautbar等[11]和George等[12]認(rèn)為，氨氣對人或動物的危害往往首先表現(xiàn)在呼吸道，尤其是上呼吸道區(qū)域，如鼻腔，它是氨氣進(jìn)入人和動物體內(nèi)的第一途徑。Beker等[6]和Zhang等[13]研究表明，高濃度氨氣對雞鼻腔和眼睛的損傷最顯著。Jones等[14]研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于28 mg·m-3的氨氣環(huán)境下，會影響豬的嗅覺靈敏度，并導(dǎo)致不可逆的干擾。除鼻腔外，隨暴露時(shí)間的增加，氨氣還會進(jìn)一步危害氣管、支氣管、肺等下呼吸道組織。Wang等[15]和Perkins等[16]研究發(fā)現(xiàn)，氨氣破壞氣管黏膜纖毛和肺泡，導(dǎo)致支氣管和氣管水腫，上皮壞死，并在肺泡腔中發(fā)現(xiàn)由纖維蛋白、血液和大量炎性細(xì)胞組成的滲出液，表明接觸氨氣會損傷氣管結(jié)構(gòu)的完整性，損害免疫功能，并伴有更高的呼吸道氣管炎風(fēng)險(xiǎn)。Phillips等[17]對支氣管肺泡灌洗抽樣分析表明，氨氣通過增加巨噬細(xì)胞活性和中性粒細(xì)胞百分率誘導(dǎo)肺部炎癥。

氨氣主要通過以下3個(gè)途徑影響呼吸系統(tǒng)：1)呼吸紊亂在氨氣引起的呼吸毒性中起中心作用，造成嚴(yán)重的繼發(fā)性影響，甚至可能導(dǎo)致死亡。氨氣溶于水會轉(zhuǎn)化為氫氧化銨，吸附于呼吸道黏液，增加黏液的pH，影響?zhàn)ひ涸诶w毛上的黏度和功能，腐蝕纖毛并使氣管無法正常啟動免疫反應(yīng)[18-21]。暴露后氣管纖毛排列紊亂[22]，將捕獲的細(xì)菌引向氣囊和肺部并最終引起感染[13,22-24]。同時(shí)，呼吸道的形態(tài)和結(jié)構(gòu)將發(fā)生一系列變化，包括平滑肌增生、肺纖維化、基底層增厚以及細(xì)胞組成改變，并伴有炎性細(xì)胞浸潤，引起周圍組織損傷甚至壞死[18]。Kim和Patterson[24]研究還表明，氨氣脅迫會增加S100A家族的表達(dá)水平，S100A與EGFR結(jié)合會導(dǎo)致仔豬呼吸道黏液含量增加，阻塞呼吸道。2)氨氣對動物最直接的損害是氣管炎癥反應(yīng)，炎癥損傷是氣管氨氣毒性損傷的標(biāo)志[22]。Wang等[25]研究發(fā)現(xiàn)，氨氣能促進(jìn)嗜中性粒細(xì)胞分泌各種促炎因子(IL-1β和IL-6)和炎性小體(NLRP3、ASC和Caspase1)。Braissant等[26]和Royes等[27]研究表明，吸入體內(nèi)的氨氣以銨根離子的形式存在，會導(dǎo)致機(jī)體氧化應(yīng)激。Shi等[28]和Singleton等[29]在氣管中觀察到細(xì)胞色素P450同工酶(CYP)和抗氧化酶mRNA表達(dá)上調(diào)和下調(diào)，CYP450酶系統(tǒng)中的CYP1C1，CYP2A1，CYP2C8和CYP17A1，F(xiàn)OXP3和HSP都在NH3的刺激下增加。CYP1B則促進(jìn)ROS產(chǎn)生，加速Treg/Th1的失衡，并激活Th2和Th17的免疫反應(yīng)，導(dǎo)致氣管損傷發(fā)炎[28，30]。當(dāng)雞氣管組織中的下游炎癥基因暴露于NH3時(shí)，NF-κB被激活，炎癥反應(yīng)損傷加劇。3)高濃度的氨會影響有害細(xì)菌的定殖率，從而導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)損害甚至肺炎。鼻腔微生物的構(gòu)成可以反映整個(gè)呼吸道的菌群結(jié)構(gòu)[31-32]。高濃度氨會影響有害細(xì)菌的定殖率，使有害細(xì)菌占主導(dǎo)地位。鼻腔菌群失衡會導(dǎo)致呼吸道黏膜免疫功能紊亂[15,33-34]。Lanaspa等[34]研究表明，豬舍中的氨氣對豬鼻腔微生物群有直接影響，并與呼吸系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。Hamilton等[35]研究發(fā)現(xiàn)，仔豬暴露于15.2 mg ·m-3氨氣下，會引起萎縮性鼻炎，并使鼻腔中巴斯德芽孢桿菌顯著增加。Maliselo和Nkonde[36]研究表明，高濃度氨引起的呼吸道黏膜損傷，增加了禽類對細(xì)菌性呼吸道感染的敏感性，尤其是大腸桿菌。莫拉氏菌和鏈球菌是肺炎患者肺組織中常見的致病菌[37]。Wang等[15]和Gutbier等[38]發(fā)現(xiàn)，莫拉菌和鏈球菌在暴露于19 mg ·m-3氨氣的豬的鼻腔中顯著增加，并且鼻腔中的莫拉菌能在呼吸過程中進(jìn)入肺泡，從而引起肺部炎癥并導(dǎo)致豬阻塞性肺炎。

2 氨氣對神經(jīng)系統(tǒng)的影響

2.1 干擾大腦組織的能量代謝

氨可導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)開放程度加大，使其通透性增加，線粒體基質(zhì)腫脹，氧化磷酸化不完全及 ATP 合成阻斷[46-47],還會抑制三羧酸(TCA)循環(huán)中α-酮戊二酸脫氫酶和丙酮酸脫氫酶的活性[48]。Lindell和Jacobs[21]研究表明，進(jìn)入大腦的NH3可通過攝入α-酮戊二酸、NADH和ATP來減少大腦組織中能量物質(zhì)的產(chǎn)生，從而使大腦處于抑制狀態(tài)。氨對腦組織中神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞都具有很強(qiáng)的破壞作用[49]，星形膠質(zhì)細(xì)胞是氨毒性的主要靶標(biāo)[46]。Jayakumar等[50]、Rangroo Thrane等[51]和Rama等[52]研究表明，高血氨對星形膠質(zhì)細(xì)胞的神經(jīng)毒性作用導(dǎo)致氧化代謝途徑的改變，隨后，糖酵解增加、腦乳酸水平升高、ATP生成減少。氨通過激活氨基酸的谷氨酸受體(N-甲基-達(dá)斯巴酸(NMDA))經(jīng)腦能量代謝途徑影響脊椎動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。這些受體負(fù)責(zé)控制突觸可塑性和記憶功能。這些受體的激活導(dǎo)致神經(jīng)元立即去極化和中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的細(xì)胞死亡。

2.2 引起大腦中神經(jīng)遞質(zhì)的變化

NH3在谷氨酸合成酶催化下與谷氨酸(Glu)向谷氨酰胺轉(zhuǎn)化是NH3在在腦組織的主要解毒途徑，大腦將氨轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺的能力有限，高血氨導(dǎo)致大腦氨和谷氨酰胺升高，大腦功能異常，包括腦積水增多、離子運(yùn)輸和神經(jīng)遞質(zhì)功能異常[53]。Ott等[54]研究發(fā)現(xiàn)，高血氨可導(dǎo)致大腦興奮性神經(jīng)遞質(zhì)(谷氨酸)過度減少，抑制性神經(jīng)遞質(zhì)(谷氨酰胺)增多，引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙，神經(jīng)精神癥狀的嚴(yán)重程度與腦內(nèi)氨解毒劑谷氨酰胺濃度呈正相關(guān)。Rama Rao和Norenberg[55]研究也表明，氨的毒性作用與谷氨酰胺的產(chǎn)生直接相關(guān)。NH3與谷氨酸生成的過多谷氨酰胺[56]，在線粒體內(nèi)降解回谷氨酸和氨，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)變，內(nèi)部線粒體膜電位降低，從而干擾線粒體功能，ATP合成失敗并產(chǎn)生額外的自由基[56-57]。

2.3 影響pH和電解質(zhì)平衡

NH3和NH4+可以通過質(zhì)膜的傳播機(jī)制傳播，并直接影響pH，這可能會影響神經(jīng)細(xì)胞的功能。氨中毒時(shí)所引起的各種腦功能、代謝及結(jié)構(gòu)改變有可能通過細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)[56]。氨會損害星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣信號傳導(dǎo)而導(dǎo)致其功能異常，并且NH4+與K+具有相似的水合離子半徑，會與K+競爭轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通道，直接影響膜電位，破壞K+動態(tài)平衡[58-61]。胞外氨和鉀的快速增加引起γ-氨基丁酸(GABA)平衡電位的去極化轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致機(jī)體神經(jīng)元抑制還原[60]。

3 氨氣對繁殖性能的影響

氨在生殖活動中起著極其重要的作用。環(huán)境中高濃度的氨氣會導(dǎo)致吸收到動物體內(nèi)的氨增加，進(jìn)而損害動物的生殖功能[62-64]。高濃度NH3會降低雞只的產(chǎn)蛋量、繁殖性能和繁殖率, 且隨著氨氣濃度的升高，影響越顯著[65]。前期研究表明，氨氣濃度范圍為23.4-200 mg ·m-3時(shí)，蛋雞的產(chǎn)蛋率顯著下降[66-68]。李振[69]也發(fā)現(xiàn)，蛋雞產(chǎn)蛋性能隨氨氣濃度的升高而驟降。氨氣環(huán)境下所產(chǎn)雞蛋蛋白高度較低，蛋白pH和蛋白稠度較高，蛋形更大[70]。高濃度的氨氣還會對胚胎發(fā)育造成危害[62]，且顯著降低大小鼠的產(chǎn)仔量、仔鼠的初生重、仔鼠的離乳率及胎次間隔[71]。高水平的氨對發(fā)育中的胚胎/胎兒有毒，這是由于：1)氨使谷氨酸脫離谷胱甘肽的合成而產(chǎn)生谷氨酰胺并造成氧化應(yīng)激，從而降低卵巢中孕酮的產(chǎn)生和釋放；2)氨與質(zhì)子結(jié)合形成銨離子，從而增加細(xì)胞內(nèi)pH；3)氨從尿素循環(huán)中吸取α-酮戊二酸形成谷氨酸，破壞其循環(huán)并降低了ATP的產(chǎn)生；4)氨導(dǎo)致的谷氨酰胺增加抑制了內(nèi)皮細(xì)胞從精氨酸產(chǎn)生NO，從而減少了血流量(包括子宮胎盤血流量)和營養(yǎng)物質(zhì)的輸送，導(dǎo)致子宮分泌減弱以及缺氧。這些變化導(dǎo)致胚胎/胎兒存活、生長和發(fā)育受阻。

同時(shí)，NH3是可以與空氣顆粒物結(jié)合的空氣污染物[72]。許多研究表明，其可能對精子活力和雄性生育能力產(chǎn)生不利影響[73-79]。Pentik?inen等[80]研究表明，NH3可通過破壞精子發(fā)生，降低精子濃度20%～40%和使生育率降低20%～30%。另有研究表明，NH3可以降低公豬的精子活力[63,81-84]。高水平的氨對精子的運(yùn)動有毒性，這是由于：1)血漿尿素氮和血氨水平升高會增加生殖道的pH，并降低精子的運(yùn)動性和存活率[85]；2)NH3會破壞睪丸中與內(nèi)分泌有關(guān)的蛋白質(zhì)，從而損害細(xì)胞膜完整性，擾亂能量平衡，抑制細(xì)胞生長，破壞氧化還原系統(tǒng)。

4 氨氣對生長性能的影響

許多研究表明，高濃度氨直接危害家禽的呼吸道和免疫功能[86-87]，影響家禽的健康和生長性能[88-91]，導(dǎo)致多種疾病[22,92]。Yahav[89]和Sa等[93]將雞舍氨濃度從0增加到75 mg·kg-1，結(jié)果顯示，ADFI和ADG數(shù)值呈線性下降。Tao等[94]發(fā)現(xiàn)，暴露于氨氣中，可使鴨體重和脾重量降低，并且隨氨氣濃度升高，損害加大。Miles等[90]研究表明，暴露于38 mg ·m-3和57 mg ·m-3氨濃度下的肉雞42日 齡體重分別比0 mg ·m-3下的肉雞降低6%和9%，并且57 mg ·m-3氨濃度下雞的死亡率要高于0 mg ·m-3。其原因在于以下幾個(gè)方面。

4.1 影響采食和活動

高濃度氨氣會強(qiáng)烈刺激畜禽眼部和鼻腔的黏膜[8]，引起動物眼睛紅腫流淚，導(dǎo)致視力障礙，呼吸困難，影響其覓食和攝食，并隨著NH3濃度的增加，攝取食物的頻率和時(shí)間減少[95]，行走和站立的時(shí)間增加[96]，頻繁的活動會增加維持能量的需求并減輕重量[97-98]。而且高濃度的氨影響腦神經(jīng)中樞的pH[60]，對呼吸活動產(chǎn)生明顯抑制作用，減少能量需求，減少飼料攝入，影響生長和生產(chǎn)。

4.2 影響機(jī)體健康

前期試驗(yàn)表明，高濃度氨氣可導(dǎo)致肺、肝、胸腺及卵巢等組織損傷[94,99]。氨暴露可通過激活細(xì)胞色素P450酶(CYP)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激[100-102]，產(chǎn)生大量ROS，例如H2O2、OH-、O22-[103-104]，導(dǎo)致抗氧化系統(tǒng)失調(diào)[105-107]，引起炎癥[105]。抑制與抗氧化劑相關(guān)基因(GPx和GST4)的表達(dá)并增加雞胸腺中炎癥相關(guān)基因(IL-1β，IL-6，IL-8和iNOS)的mRNA表達(dá)[99]，導(dǎo)致不可逆的細(xì)胞損傷。氨氣還會導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，凋亡與疾病的發(fā)生直接相關(guān)[108]。Shah等[109]試驗(yàn)表明，暴露于氨氣會顯著增加肉仔雞法氏囊凋亡細(xì)胞，并且凋亡相關(guān)基因(如Caspase3，Caspase9，Bcl-2和Bax)的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)顯著改變。

4.3 影響腸道消化功能

腸道也是空氣污染的目標(biāo)器官，Dybdahl等[110]研究表明，暴露于柴油機(jī)排氣顆粒會導(dǎo)致結(jié)腸黏膜中的DNA鏈斷裂，凋亡和蛋白質(zhì)氧化。高濃度氨會導(dǎo)致肝疾病，影響腸道免疫力和組織形態(tài)[9]。Zheng等[111]和Wang等[15]研究表明，NH3可破壞刷狀緣的完整性，減少空腸的內(nèi)表面積，導(dǎo)致空腸組織中微絨毛的異常缺乏和粘性聚集，并引起空腸組織中SLC(SLC7A9，SLC51A，SLC10A2，SLC26A3和SLC6A19)的異常表達(dá)。此外，Tao等[94]研究發(fā)現(xiàn)，氨會導(dǎo)致盲腸菌群在屬水平發(fā)生變化，且隨濃度和暴露時(shí)間的增加變化增大。腸道功能和內(nèi)部異常環(huán)境必將影響營養(yǎng)物質(zhì)的利用，從而降低生產(chǎn)性能[112]。

4.4 影響正常代謝

前期研究表明，暴露在高濃度的氨氣環(huán)境中可改變?nèi)怆u的體脂分布[113]，影響脂肪合成與分解關(guān)鍵酶活性及其相關(guān)基因與蛋白質(zhì)表達(dá)，影響脂肪代謝相關(guān)通路[114-115]，從而調(diào)控機(jī)體脂代謝[116]。姜慶林等[117]試驗(yàn)表明，鴨 PARα信號途徑在氨氣應(yīng)激狀態(tài)下抑制機(jī)體脂代謝。Wang等[15]研究表明，隨著氨濃度的增加，豬的脂肪和氨基酸代謝活動加強(qiáng)，但能量和碳水化合物代謝降低，這可能說明，在暴露于低水平氨氣的豬中，脂肪和氨基酸比碳水化合物更優(yōu)先利用。另外，環(huán)境氨氣濃度過高必然導(dǎo)致機(jī)體血氨濃度異常，間接影響腦神經(jīng)細(xì)胞和肌肉細(xì)胞的正常代謝，導(dǎo)致畜禽氨氣中毒，使生物組織器官對氨的解毒活動加強(qiáng)。黏膜細(xì)胞更新，消耗大量由腸細(xì)胞供應(yīng)的氨基酸，且能量需求遠(yuǎn)高于正常水平，導(dǎo)致原本用于生長的能量被利用，生長性能受到影響。

5 小 結(jié)

氨氣是畜禽舍氣體污染的主要來源，對畜禽的生產(chǎn)和生殖性能均有負(fù)面影響。但其機(jī)理研究尚不全面，且單面性強(qiáng)，需更深層次更系統(tǒng)的研究。今后，研究方向應(yīng)圍繞氨氣對呼吸、神經(jīng)、生殖系統(tǒng)及生產(chǎn)特性等方面的影響綜合展開，并從分子機(jī)理方面探索其作用關(guān)鍵點(diǎn)。