杜明芳,周巖民

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,江蘇 南京 210095)

隨著世界各國飼料禁抗、養(yǎng)殖減抗政策的實(shí)施,養(yǎng)殖業(yè)面臨新挑戰(zhàn),表現(xiàn)為動物生產(chǎn)性能下降、疾病發(fā)生率增加等[1-2]。非金屬礦物具有良好的吸附性、膠體性、離子交換性、懸浮性和穩(wěn)定性等理化特性,無殘留、無污染,對環(huán)境友好,生產(chǎn)成本低,且病原微生物不易對其產(chǎn)生抗性,可作為飼料原料或飼料添加劑應(yīng)用[3-5]。研究表明,非金屬礦物應(yīng)用于飼料中可以保護(hù)動物腸道屏障,防止外界有毒有害物質(zhì)通過腸黏膜進(jìn)入體內(nèi),維持機(jī)體穩(wěn)態(tài);改善動物消化功能,增強(qiáng)飼料營養(yǎng)的吸收利用,促進(jìn)動物生長發(fā)育;提高機(jī)體抗氧化和抗應(yīng)激能力,增強(qiáng)動物免疫功能和抗病能力[6-10]。近期研究發(fā)現(xiàn),非金屬礦物在控制病原微生物感染、耐藥基因傳播和修復(fù)污染土壤方面極具潛力[1,11-12]。因此,本文介紹了飼料中常用的凹凸棒石、沸石、蒙脫石等非金屬礦物的基本組成、結(jié)構(gòu)和特性,系統(tǒng)綜述了非金屬礦物在飼料中的應(yīng)用研究進(jìn)展,探討了非金屬礦物的前沿研究并展望了其在飼料中的應(yīng)用前景,旨在為非金屬礦物在飼料中的合理應(yīng)用提供參考依據(jù),并為健康養(yǎng)殖飼料技術(shù)開發(fā)提供新的視角和思路。

1 非金屬礦物的特性

非金屬礦物是指除金屬礦產(chǎn)和燃料礦產(chǎn)以外的、自然產(chǎn)出的一切可供提取有用非金屬元素,或具有可供人類選取利用的某種功能并在經(jīng)濟(jì)上有開發(fā)利用價(jià)值的礦產(chǎn)資源[5]。非金屬礦物因具有獨(dú)特的理化性質(zhì)和品種多樣的特點(diǎn),作為霉菌毒素吸附劑、養(yǎng)分緩釋載體、黏結(jié)劑、土壤改良劑、肥料增效劑、環(huán)保處理材料等在包括飼料行業(yè)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。非金屬礦物資源豐富,種類繁多,產(chǎn)品開發(fā)潛力大。在中國,非金屬礦產(chǎn)分布廣、儲量大,凹凸棒石、膨潤土、稀土礦等儲量居世界首位[13]。

1.1 非金屬礦物的組成

非金屬礦物品種繁多,主要由O、Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg等元素組成[5]。其中,常見的沸石、蒙脫石、凹凸棒石等是一類具有晶體結(jié)構(gòu)的黏土類非金屬礦物,由硅氧四面體層和鋁氧八面體層通過共價(jià)鍵連接而成,四面體層與八面體層的不同組合重疊重復(fù),構(gòu)成各種非金屬礦物的不同晶體結(jié)構(gòu)[14]。根據(jù)不同的晶體單元可將此類非金屬礦物分為1∶1層型(高嶺土)、1∶1管型(埃洛石)、2∶1層型(蒙脫石、蛭石)、2∶1層鏈型(凹凸棒石、海泡石)和混合型(綠泥石)等[5]。

1.2 非金屬礦物的基本特性

非金屬礦物在形成過程中經(jīng)沉積、風(fēng)化作用,自然產(chǎn)生孔道、層狀、纖維狀等特殊空間結(jié)構(gòu),賦予其巨大的比表面積[13]。沸石、蒙脫石、海泡石等非金屬礦物在形成過程中,高價(jià)Si4+、Al3+可被低價(jià)陽離子同晶置換,如四面體中Al3+或Fe3+替代Si4+、八面體中Mg2+替代Al3+,導(dǎo)致表面帶負(fù)電荷,使之產(chǎn)生吸附作用和離子交換[15]。在一定的pH值條件下,非金屬礦物表面電荷發(fā)生變化,晶體邊緣Al—O和Si—O斷裂形成的不飽和鍵與高聚物發(fā)生吸附作用。因此,非金屬礦物普遍擁有極強(qiáng)的吸附性和陽離子交換能力[11]。另有研究表明,部分非金屬礦物在水溶液中發(fā)生膨脹作用,可保持穩(wěn)定的膠體狀態(tài)[14]。此外,非金屬礦物性質(zhì)穩(wěn)定、安全性高,具有良好的流動性、催化性等特性[6,16-17]。

2 非金屬礦物的飼用功能

良好的吸附性和離子交換能力等特性是非金屬礦物在飼料中應(yīng)用的基礎(chǔ)。非金屬礦物在飼料中發(fā)揮作用的可能機(jī)制主要包括:1)非金屬礦物具有極強(qiáng)的吸附性,可有效吸附飼料和動物腸道中的霉菌毒素和病原微生物等有毒有害物質(zhì),降低有毒有害物質(zhì)對腸道的損傷,改善動物機(jī)體健康,提高動物產(chǎn)品安全性[18];2)非金屬礦物具有良好的流變性和膠體性,可增強(qiáng)動物腸道黏膜物理屏障,改善腸道健康[6];3)非金屬礦物可提高腸道食糜黏度,延長飼料在消化道中的滯留時(shí)間,加強(qiáng)消化酶與飼料養(yǎng)分的作用,有效提高飼料利用率[16,19];4)非金屬礦物可作為活性氧自由基清除劑和免疫調(diào)節(jié)劑,通過增強(qiáng)動物抗氧化和免疫功能而保障動物健康[6,10,20-21];5)非金屬礦物良好的膠體性可使其作為黏結(jié)劑改善顆粒飼料質(zhì)量[16,20]。

2.1 吸附有毒有害物質(zhì)

玉米、豆粕等飼料原料普遍存在不同程度的霉菌毒素污染,動物攝食后會影響機(jī)體健康、降低生產(chǎn)性能[22]。非金屬礦物對霉菌毒素有良好的吸附效果,通過在飼料里加入沸石、蒙脫石、膨潤土等非金屬礦物,可降低霉菌毒素的生物利用度,緩解其對動物造成的損傷[23-25]。非金屬礦物能吸附固定細(xì)菌、真菌和病毒等病原微生物,包括大腸桿菌、沙門氏菌、白色鏈球菌、輪狀病毒等[10,26-29]。非金屬礦物對病原微生物的作用有利于提高動物健康水平,防止病原菌與寄生蟲感染,尤其對控制斷奶仔豬腹瀉等動物腸道疾病具有重要意義[30]。另外,非金屬礦物可有效吸附有毒重金屬,緩解其對動物機(jī)體的毒害作用[31]。

2.2 改善腸道健康

腸道是動物機(jī)體最大的消化、免疫和內(nèi)分泌器官,腸道健康是健康養(yǎng)殖的重要保障。非金屬礦物良好的吸附性能是其保護(hù)動物腸道的基礎(chǔ)。凹凸棒石、蒙脫石、膨潤土等非金屬礦物可吸附、固定霉菌毒素、病原微生物等有毒有害物質(zhì),減少其對腸道的損傷;同時(shí),非金屬礦物能黏附于腸道上皮,增強(qiáng)腸道黏膜物理屏障,減少有毒有害物質(zhì)黏附到腸道上皮,阻斷病原微生物在腸道內(nèi)定殖,對腸道屏障具有保護(hù)作用[6,32]。非金屬礦物可調(diào)節(jié)腸道內(nèi)環(huán)境,如pH值和氧化還原狀態(tài),影響特定菌群生長,維持腸道微生態(tài)環(huán)境平衡[2,33]。

2.3 提高生產(chǎn)性能

非金屬礦物通過改善腸道健康,促進(jìn)腸道發(fā)育,保障腸道消化功能,增強(qiáng)機(jī)體對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收[34]。非金屬礦物還可提高食糜黏度,延緩食糜通過消化道的速度,增加消化酶與飼料養(yǎng)分的作用時(shí)間,提高飼料利用率,且非金屬礦物價(jià)格低廉,可提高飼料和動物生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益[35]。另外,堿土鎂鋁硅酸鹽類非金屬礦物含有豐富的礦物元素,如Mg、Fe、Cu、Zn、Mn、Se和稀土元素,部分礦物元素與消化液中的H+發(fā)生離子交換作用,改變胃腸道液體的pH值和離子組成,增強(qiáng)消化酶活性,并參與體內(nèi)重要輔酶和激素的合成,促進(jìn)機(jī)體代謝,進(jìn)而提高動物生產(chǎn)性能[10,36-39]。

2.4 改善產(chǎn)品品質(zhì)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,消費(fèi)者對畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品的品質(zhì)提出了更高的要求。飼料中的有毒有害物質(zhì)可殘留于動物性產(chǎn)品中,并隨食物鏈進(jìn)入人體,對人類健康造成潛在威脅。非金屬礦物可吸附飼料中的霉菌毒素、重金屬等毒物,減少其在肉、蛋和奶中殘留,提高動物產(chǎn)品安全性[31,35,40-41]。非金屬礦物還可以調(diào)節(jié)動物營養(yǎng)代謝,改善動物產(chǎn)品營養(yǎng)成分組成,提高營養(yǎng)價(jià)值[42-44]。

2.5 提高飼料制粒質(zhì)量

顆粒飼料具有營養(yǎng)全面、適口性好、避免動物挑食、不分級等優(yōu)點(diǎn),已得到廣泛應(yīng)用。除營養(yǎng)價(jià)值外,硬度、粉化率、顆粒耐久性指數(shù)(pellet durability index,PDI)、淀粉糊化度等是評定顆粒飼料加工質(zhì)量的重要指標(biāo)[16,20,45]。非金屬礦物比表面積大,具有很好的流變性,吸水后可形成高黏度膠體,增加物料間的交聯(lián)作用,是飼料制粒生產(chǎn)中常用的黏結(jié)劑[25]。研究已證實(shí),非金屬礦物可提高顆粒飼料硬度和穩(wěn)定性,降低粉化率,改善飼料顆粒質(zhì)量,提高飼料利用率[34-35]。

3 非金屬礦物在畜禽及水產(chǎn)動物飼料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 豬

仔豬腹瀉是生豬養(yǎng)殖中常見的問題之一,由于仔豬腸道屏障未完全發(fā)育、免疫功能不完善,易受到病原微生物和各種應(yīng)激因素的影響而發(fā)生腹瀉,造成仔豬生長發(fā)育遲緩,嚴(yán)重制約生豬養(yǎng)殖發(fā)展[2,46]。研究發(fā)現(xiàn),非金屬礦物可吸附、固定病原微生物,抑制其在動物腸道黏膜的定殖,維持腸道環(huán)境平衡,從而降低腹瀉發(fā)生率[47]。Trckova等[2]研究表明,褐煤中的腐殖質(zhì)含有羧基和酚類基團(tuán),具有抗氧化能力,能夠降低斷奶仔豬氧化應(yīng)激,提高采食量,從而降低仔豬腹瀉率、促進(jìn)生長。Zhang等[48]在仔豬日糧中添加0.2%凹凸棒石,改善了仔豬的腸道形態(tài)和完整性,腹瀉率由34.39%降至7.94%,同時(shí)顯著降低了料重比。Valpoti等[49]指出,日糧中添加0.5%斜發(fā)沸石提高了斷奶仔豬的平均日增重,降低了斷奶仔豬的腹瀉率和腹瀉指數(shù),同時(shí)增加了血液中淋巴細(xì)胞數(shù)量,顯著增強(qiáng)斷奶仔豬免疫功能。Liu等[26]通過Illumina MiSeq測序發(fā)現(xiàn),添加0.2%蒙脫石可提高斷奶仔豬腸道微生物多樣性和益生菌菌群(乳酸桿菌屬、直腸真桿菌屬、鏈球菌屬)的相對豐度,改善菌群結(jié)構(gòu),增強(qiáng)腸道黏膜屏障功能。日糧中添加0.45%黑云母可降低斷奶仔豬血清中促炎因子水平,增強(qiáng)仔豬免疫力,緩解大腸桿菌脂多糖引起的仔豬免疫應(yīng)激反應(yīng)[50]。蒙脫石、伊俐石等非金屬礦物具有良好的吸水性能,可作為腸道收斂劑吸收腸道中的水分,有效緩解腹瀉程度[6]。綜上,非金屬礦物添加于仔豬飼料中可調(diào)節(jié)腸道菌群組成,維持腸道穩(wěn)態(tài),改善腸道健康,增強(qiáng)機(jī)體免疫力,從而減少仔豬腹瀉。

在飼料中添加適量非金屬礦物可提高生豬的體增重和飼料利用率,促進(jìn)豬生長發(fā)育,同時(shí)提高機(jī)體抗氧化和免疫功能[51]。Zhao等[52]報(bào)道,日糧添加1%蒙脫石顯著提高了仔豬的采食量、日增重以及飼料轉(zhuǎn)化率。楊雪等[53]研究發(fā)現(xiàn),生長育肥豬飼料中添加凹凸棒石可使其平均日增重提高9.96%,降低重金屬As、Pb、Cr在機(jī)體中的沉積。吳承武等[54]指出,沸石可提高育肥豬的能量代謝水平,改善機(jī)體供氧能力,并通過對毒素和病原菌的吸附作用,調(diào)節(jié)血清和腸道黏膜免疫球蛋白含量,進(jìn)而提升育肥豬的免疫力。

日糧中添加非金屬礦物可減少妊娠母豬厭食、發(fā)熱和乳腺炎的發(fā)生率,其窩產(chǎn)活仔數(shù)、仔豬初生重、斷奶仔豬數(shù)、仔豬斷奶重均提高,提示非金屬礦物具有改善母豬繁殖性能的功能[55-56]。玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)、黃曲霉毒素(aflatoxins,AFT)、嘔吐毒素等霉菌毒素會導(dǎo)致動物繁殖性能下降,母豬對其尤為敏感,可誘發(fā)母豬發(fā)生繁殖障礙[28]。而非金屬礦物對霉菌毒素造成母豬的生殖損傷具有顯著的緩解作用[56-57]。蒙脫石可緩解ZEN導(dǎo)致的后備母豬的生殖毒性,表現(xiàn)為顯著降低了母豬陰戶腫脹,減小陰戶面積,降低由ZEN造成的子宮氧化應(yīng)激損傷,減輕由ZEN引起的雌激素增加和子宮腺體異常增殖現(xiàn)象[56]。

3.2 家禽

家禽消化道短,排泄快,非金屬礦物可延緩食糜通過消化道的速度,增加飼料養(yǎng)分與消化酶的作用時(shí)間;且非金屬礦物可與消化酶結(jié)合形成活性復(fù)合物,提高消化酶在不同pH值消化液中的活性,從而提高動物對飼料營養(yǎng)物質(zhì)的消化率,并在一定程度上提高家禽生長性能[39-40]。de Lemos等[39]報(bào)道,在日糧中添加高嶺土顯著提高了肉雞采食量、日增重以及飼料轉(zhuǎn)化率,且1.5%添加量的改善效果優(yōu)于0.75%添加量。Yal?n等[38]在日糧中添加1%海泡石后,肉雞的出欄重、采食量和飼料轉(zhuǎn)化率有顯著提高,但2%海泡石組無顯著變化。Shannon等[58]報(bào)道,飼喂膨潤土能夠有效緩解AFT對肉雞生產(chǎn)性能造成的負(fù)面影響,且膨潤土原土的緩解作用強(qiáng)于提純后的膨潤土(蒙脫石)。而Attar等[34]研究表明,飼料中添加膨潤土可提高顆粒飼料PDI和生長期肉雞的養(yǎng)分利用率,但對肉雞生長無顯著影響。肉鴨飼料添加凹凸棒石可降低腸道黏膜通透性,增強(qiáng)腸道黏膜免疫和屏障功能,進(jìn)而改善生產(chǎn)性能[59]。而Qiao等[40]報(bào)道,蛋雞飼料中添加2%凹凸棒石可提高空腸黏膜絨毛高度、胰腺淀粉酶活性及其基因表達(dá)水平,但產(chǎn)蛋性能無顯著變化。Chen等[60]亦發(fā)現(xiàn),添加蒙脫石對產(chǎn)蛋后期蛋雞的產(chǎn)蛋率、采食量、料蛋比等指標(biāo)無顯著影響。非金屬礦物對家禽生產(chǎn)性能影響的研究結(jié)果不一致,這可能與非金屬礦物種類、添加量、動物品種和飼料料型(粉狀和顆粒)等因素有關(guān)。

肉雞攝食凹凸棒石可提高其產(chǎn)品品質(zhì),具體表現(xiàn)為顯著降低肝臟、肌肉有害重金屬(Pb)的蓄積,提高必需微量元素(Cu)的含量,改善肌肉抗氧化能力和系水力,但添加高水平凹凸棒石會降低肌肉肉色,可能是凹凸棒石吸附飼料中的色素所致[31,61]。王雨雨等[62]在凹凸棒石對櫻桃谷肉鴨的影響研究中也有相似發(fā)現(xiàn)。蛋殼質(zhì)量是評價(jià)蛋品質(zhì)的重要指標(biāo),非金屬礦物可顯著提高蛋殼重、蛋殼厚度和強(qiáng)度,提高蛋的抗破損能力[63-64]。Al-Hadeedy等[64]報(bào)道,日糧添加黏土礦物可提高蛋黃指數(shù),從而延長雞蛋的新鮮度。蛋雞飼料中添加膨潤土可改善霉菌毒素污染對蛋品質(zhì)(蛋重、蛋殼厚度)的不利影響[24]。此外,Yal?n等[44]研究發(fā)現(xiàn),海泡石可降低蛋黃膽固醇含量,均衡雞蛋營養(yǎng)成分。以上研究結(jié)果表明,非金屬礦物可提高動物消化功能,提升畜產(chǎn)品品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值,在不影響生產(chǎn)性能的前提下,達(dá)到“以石代糧”的效果,節(jié)省飼料用糧,降低生產(chǎn)成本,提高動物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。由于一些非金屬礦物對飼料中色素存在吸附作用,過量使用會影響肌肉、蛋黃顏色,影響產(chǎn)品的感官質(zhì)量,因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意礦物類型和添加量。

3.3 反芻動物

非金屬礦物對提高反芻動物的產(chǎn)肉性能有一定積極作用。Bur?ak等[18]報(bào)道,飼喂海泡石提高了美利奴雜交羊的體增重和飼料轉(zhuǎn)化率,增加了肉羊養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。Oliveira等[8]研究表明,膨潤土和蛭石可增加羔羊胴體的肩胛肉產(chǎn)量并降低脂肪沉積。非金屬礦物可調(diào)節(jié)能量代謝,緩解圍產(chǎn)期奶牛能量負(fù)平衡,降低機(jī)體炎癥和發(fā)生細(xì)菌感染的可能[65]。非金屬礦物還可降低瘤胃發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量,不僅能提高反芻動物的能量利用效率,而且對環(huán)境保護(hù)具有重要意義[66]。

非金屬礦物對反芻動物的重要作用之一是消除飼料霉菌毒素的危害。Sulzberger[42]發(fā)現(xiàn),蒙脫石對AFT有良好的吸附作用,在飼料中添加可抑制瘤胃AFT向牛奶中轉(zhuǎn)移,且作用效果與蒙脫石添加量呈線性關(guān)系;采食蒙脫石后奶牛血清中磷酸肌酸激酶活性升高、谷草轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸脫氫酶活性降低,表明霉菌毒素對肝臟的損傷有所緩解。Pate等[43]報(bào)道,在含有AFT的日糧中添加硅酸鹽礦物,顯著降低牛奶中霉菌毒素殘留,并且緩解了霉菌毒素導(dǎo)致的產(chǎn)奶量下降和肝臟細(xì)胞炎癥等不良反應(yīng)。Gouda等[23]研究表明,在AFT污染的日糧中補(bǔ)充蒙脫石降低了羊奶中AFT代謝產(chǎn)物的含量,提高了山羊的飼料粗蛋白消化率和羊奶中乳蛋白、乳脂肪含量,改善了羊奶品質(zhì),其原因可能是蒙脫石吸附霉菌毒素,保護(hù)了山羊的胃腸道,增強(qiáng)消化功能;也可能與蒙脫石減緩瘤胃氮的釋放速度,促進(jìn)瘤胃微生物蛋白質(zhì)的合成,減少飼料中氮的損失有關(guān)。

瘤胃的健康發(fā)育和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定對反芻動物具有重要意義。反芻動物泌乳期常飼喂高精日糧以滿足產(chǎn)奶對高能量的需求,容易造成瘤胃內(nèi)乳酸及揮發(fā)性脂肪酸快速積累,瘤胃液pH值過低,引發(fā)亞急性瘤胃酸中毒(subacute ruminal acidosis,SARA)[37]。非金屬礦物具有良好的離子交換能力,可降低瘤胃液中H+濃度,縮短瘤胃液pH值低于5.6(SARA界定閾值)的持續(xù)時(shí)間,緩解飼喂高精料誘導(dǎo)的SARA癥狀,改善因瘤胃液pH值過低而導(dǎo)致的產(chǎn)乳量和乳品質(zhì)下降[37,66]。Neubauer等[33]研究日糧中補(bǔ)充非金屬礦物(主要成分為膨潤土)對荷斯坦奶牛采食高精日糧影響的結(jié)果顯示,每頭奶牛每天補(bǔ)充50 g非金屬礦物可調(diào)節(jié)瘤胃菌群結(jié)構(gòu),降低潛在致病菌豐度,并通過下調(diào)瘤胃上皮3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合酶1基因(HMGCS1)的表達(dá),減緩血酮和膽固醇生成,消除高精料對瘤胃環(huán)境和健康產(chǎn)生的負(fù)面影響。Sulzberger等[67]指出,高谷物日糧可降低奶牛的體況評分、日產(chǎn)奶量、乳蛋白含量和采食后瘤胃液pH值,而添加2%黏土礦物可使上述指標(biāo)均有所改善;觀察奶牛行為,發(fā)現(xiàn)非金屬礦物降低了奶牛采食高精料后瘤胃酸中毒風(fēng)險(xiǎn)。以上結(jié)果提示,非金屬礦物是良好的瘤胃pH緩沖劑,能夠促進(jìn)瘤胃健康,改善瘤胃屏障功能,維持瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),進(jìn)而提高反芻動物生產(chǎn)性能。

3.4 水產(chǎn)動物

與畜禽研究結(jié)果相似,由于具有強(qiáng)大的吸附性能,非金屬礦物可降低重金屬、霉菌毒素和農(nóng)藥等對水產(chǎn)動物的毒性作用和損傷[35-36,41,68]。Abbas等[35]報(bào)道,廣譜類殺蟲藥二嗪磷可導(dǎo)致羅非魚的肝臟、腎臟、脾臟和鰓組織出現(xiàn)明顯的病理變化,膨潤土能有效吸附飼料中的二嗪磷,保護(hù)肝臟和腎臟功能,降低二嗪磷的神經(jīng)毒性,還可降低脂質(zhì)過氧化、減少機(jī)體氧化應(yīng)激。

非金屬礦物對水產(chǎn)動物的生長發(fā)育亦有促進(jìn)作用。Karimi等[21]報(bào)道,日糧添加蒙脫石可吸附氨,減少氨對組織的損傷,提高虹鱒魚成活率、均末重、體增重以及特定生長率,顯著降低餌料系數(shù)。Hassaan等[69]發(fā)現(xiàn),絹云母可改善羅非魚的飼料利用效率,并顯著提高淀粉酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶和脂肪酶4種內(nèi)源消化酶活性。非金屬礦物具有良好的流變性和膠體性,是理想的水產(chǎn)飼料黏結(jié)劑,可提高顆粒質(zhì)量,防止投喂后飼料顆粒溶散而污染養(yǎng)殖水體[20,70-71]。Zhang等[20,70]研究發(fā)現(xiàn),凹凸棒石具有良好的流變性和膠體性,可以降低團(tuán)頭魴和中華絨螯蟹顆粒飼料的粉化率、溶失率,顯著改善硬度和PDI;可顯著提高團(tuán)頭魴飼料淀粉糊化度,有利于提高飼料中淀粉的消化吸收;還可加快飼料制粒速度。Ayoola[71]通過養(yǎng)分滲出等試驗(yàn)證明膨潤土可提高鯰魚顆粒飼料在水中的穩(wěn)定性;在循環(huán)水養(yǎng)殖條件下,膨潤土組水質(zhì)參數(shù)(pH值、氨氮、亞硝酸鹽和總懸浮顆粒物)顯著優(yōu)于對照組,表明膨潤土明顯改善了鯰魚養(yǎng)殖過程中的水體質(zhì)量。非金屬礦物對養(yǎng)殖水質(zhì)的改善有助于提高水產(chǎn)動物生產(chǎn)性能、養(yǎng)殖效率和效益。

Karimi等[21]報(bào)道,硅酸鹽礦物可刺激機(jī)體產(chǎn)生非特異性免疫反應(yīng),強(qiáng)化溶菌酶活性,提高血液中補(bǔ)體C3、C4含量,激活體液免疫,增強(qiáng)吞噬細(xì)胞功能,提高水產(chǎn)動物對病原體的抵抗能力,因此,飼料添加硅酸鹽礦物提高了虹鱒魚被出血敗血癥病毒感染后的成活率。Xu等[10]研究發(fā)現(xiàn),在日糧中添加黏土礦物能夠提高加州鱸生長性能、非特異性免疫功能,改變腸道絨毛形態(tài),增強(qiáng)抗嗜水氣單胞菌感染能力,可能與黏土礦物中含有稀土元素有關(guān)。上述研究表明,非金屬礦物具有增強(qiáng)水產(chǎn)動物抗病能力的作用。另外,在羅非魚的研究中發(fā)現(xiàn),硅酸鹽礦物含有的必需微量元素Zn、Cu、Se等在睪丸發(fā)育及精子發(fā)生過程中具有重要作用,日糧添加硅酸鹽礦物能夠提高雄羅非魚性腺甾類激素(睪酮、11-酮基睪酮、17β-雌二醇)水平和精子質(zhì)量,說明非金屬礦物對水產(chǎn)動物的繁殖亦具有積極作用[72]。

4 非金屬礦物的前沿研究及在飼料中的應(yīng)用展望

病原微生物感染、超級細(xì)菌產(chǎn)生和土壤重金屬污染等嚴(yán)重威脅食品安全和人類健康,是人類未來面臨的新挑戰(zhàn),對動物亦有極大危害[73-75]。非金屬礦物在控制病原微生物感染和耐藥基因傳播方面極具潛力,在修復(fù)土壤上作用顯著,已引起廣泛關(guān)注[1,76-77]?；诜墙饘俚V物對病原菌、重金屬等的作用,通過在飼料中添加非金屬礦物可從動物到土壤環(huán)境途徑中的各個(gè)環(huán)節(jié)來控制病原微生物和耐藥基因的傳播,同時(shí)發(fā)揮其土壤修復(fù)作用,從而促進(jìn)健康養(yǎng)殖的發(fā)展。

4.1 抑制病原微生物

病原微生物,尤其是腸道病原微生物,與動物的生長、代謝和免疫息息相關(guān)。然而,抗生素和抗病毒藥物的過量使用導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性,誘導(dǎo)病毒變異形成突變株,影響動物和人類健康,人畜共患病的傳染風(fēng)險(xiǎn)增加,因此亟需開發(fā)具有抗菌抗病毒功效的新型產(chǎn)品。研究表明,非金屬礦物在吸附、固定病原微生物后可影響微生物代謝過程,進(jìn)而抑制病原微生物生長。蒙脫石等層狀非金屬礦物在水溶液中可與φ6-噬菌體病毒發(fā)生疏水吸附作用,破壞病毒包膜,從而降低病毒傳染性[77]。Awad等[78]亦發(fā)現(xiàn),納米高嶺土微?？捎行奖透窝撞《?改變病毒跨膜糖蛋白結(jié)構(gòu),增強(qiáng)包膜通透性,從而抑制肺炎病毒存活,為治療COVID-19新型冠狀病毒提供新思路。Zarate-Reyes等[79]對耐藥病原菌研究后發(fā)現(xiàn),非金屬礦物表面的硅氧烷基團(tuán)可與革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁脂多糖作用從而干擾細(xì)菌生長,且礦物中不穩(wěn)定鐵離子誘導(dǎo)產(chǎn)生過量羥基自由基,造成細(xì)菌產(chǎn)生氧化應(yīng)激,最終達(dá)到抑制耐藥菌的作用。但Brennan等[77]報(bào)道,土壤添加蒙脫石會提高腸道病原體(李斯特菌、沙門氏菌、大腸桿菌O157∶H7)的存活率,其原因可能是蒙脫石具有較高的陽離子交換能力,增強(qiáng)了細(xì)菌的呼吸作用。有研究報(bào)道,礦物金屬元素含量可以作為評估層狀、纖維狀黏土礦物抑制病原微生物作用的指標(biāo),其中Ba、Cr含量預(yù)測云母礦物殺菌效果準(zhǔn)確率高達(dá)87%[29]。而Otto[80]研究認(rèn)為,非金屬礦物體外抑菌效果由礦物金屬離子的毒性決定,而體內(nèi)抑菌作用受礦物的物理性質(zhì)影響。此外,納米鋰蒙脫石等黏土材料可與抗原蛋白結(jié)合形成可降解微粒,作為疫苗佐劑提高大腸桿菌疫苗的免疫效果[11]。綜合已有的研究結(jié)果,非金屬礦物對病原微生物表現(xiàn)出有效抑制作用,且非金屬礦物安全、穩(wěn)定,病原微生物不易對其產(chǎn)生抗性。因此,飼料中添加非金屬礦物具有預(yù)防致病微生物感染的潛力。

4.2 減少耐藥基因傳播

飼用抗生素的選擇壓力會促進(jìn)動物腸道內(nèi)耐藥細(xì)菌的增殖和耐藥基因(antibiotic resistant gene,ARG)的水平轉(zhuǎn)移和富集,并通過畜牧從業(yè)者、動物源性食品和排泄物等多個(gè)途徑進(jìn)入空氣、水和土壤環(huán)境中傳播和擴(kuò)散[81]。Hu等[82]研究發(fā)現(xiàn),人體腸道中四環(huán)素ARG的豐度最高,可能是畜禽耐藥病原菌攜帶ARG沿食物鏈傳播所致。而層狀、纖維狀晶體結(jié)構(gòu)的黏土類非金屬礦物可抑制耐藥細(xì)菌的增殖,且對四環(huán)素、泰樂菌素等抗生素有較好的吸附效果,可降低抗生素的選擇壓力,緩解ARG在腸道內(nèi)通過可移動元件發(fā)生水平轉(zhuǎn)移[15]。體外研究發(fā)現(xiàn),埃洛石可下調(diào)大腸桿菌中多黏菌素B耐藥相關(guān)蛋白的表達(dá),抑制外排泵AcrAB-TolC和雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)PhoP/PhoQ的作用,從而降低抗生素選擇壓力而產(chǎn)生的細(xì)菌耐藥性[83]。Jahanbakhsh等[84]報(bào)道,在斷奶仔豬飼料添加斜發(fā)沸石,一定程度上降低了糞便中攜帶ARG和毒力基因大腸桿菌的比例,表明非金屬礦物可降低動物腸道內(nèi)ARG和毒力基因的傳播。Qu等[85]研究發(fā)現(xiàn),日糧中添加沸石可顯著降低肉雞盲腸菌群四環(huán)素ARG的檢出率和相對豐度,可能與沸石多孔結(jié)構(gòu)降低微生物和抗生素的接觸有關(guān)。Jin等[1]的研究亦表明,凹凸棒石添加于飼料中可降低青腳麻雞盲腸內(nèi)容物Ⅰ類整合子整合酶基因(intI1)豐度,減少ARG隨可移動元件水平轉(zhuǎn)移的發(fā)生,顯著降低盲腸內(nèi)容物四環(huán)素ARG的相對豐度。由此可見,日糧添加非金屬礦物可降低ARG豐度,在一定程度上抑制ARG的傳播,降低耐抗生素病原菌對動物和人類健康的威脅。但非金屬礦物對抑制ARG傳播的作用機(jī)制尚需進(jìn)一步探究。

4.3 修復(fù)污染土壤

畜禽糞污中含有大量未被動物吸收利用的重金屬元素,如Cu、Zn、Cr、Pb、Cd等,又隨糞便或有機(jī)肥排放到土壤中,導(dǎo)致土壤中重金屬超標(biāo),造成嚴(yán)重的土壤污染[86]。非金屬礦物具有特殊的陽離子交換性、吸附性和酸堿性,可增加土壤陽離子交換容量,吸附土壤中的重金屬,改善土壤的酸堿度和通透性[13]。Wu等[76]研究發(fā)現(xiàn),凹凸棒石可降低土壤中重金屬的生物有效性和植物對土壤重金屬的富集,可作為重金屬鈍化劑用于污染土壤的修復(fù),改善土壤理化性質(zhì)。Vrnceanu等[12]報(bào)道,土壤添加白云石降低了可交換態(tài)重金屬Cd和Pb的含量,其原因可能是白云石顯著提高土壤pH值,促進(jìn)重金屬形成穩(wěn)定的氧化物和鈣酸鹽沉淀。此外,糞便堆肥添加非金屬礦物能夠有效提高重金屬鈍化率,重金屬由活性較高的交換態(tài)向活性較低的氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化,從而降低其生物利用度[87]。以上結(jié)果提示,利用非金屬礦物對重金屬的吸附作用,通過飼料—糞便—堆肥—土壤的途徑,發(fā)揮非金屬礦物功能,生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥,增強(qiáng)土壤肥沃度,改善土壤結(jié)構(gòu),降低重金屬的可遷移性和生物有效性,達(dá)到修復(fù)土壤的目的。但目前缺乏通過在飼料中添加非金屬礦物對土壤進(jìn)行修復(fù)的研究。

5 小結(jié)

天然非金屬礦物具有良好的吸附性、膠體性、離子交換性和穩(wěn)定性等理化特性,應(yīng)用于飼料中可改善顆粒飼料質(zhì)量,促進(jìn)動物對飼料養(yǎng)分的消化與吸收,提高生長速度和飼料轉(zhuǎn)化效率,而且能夠吸附有毒有害物質(zhì),保護(hù)動物腸道健康,提高產(chǎn)品品質(zhì)。今后應(yīng)進(jìn)一步探究飼料中添加非金屬礦物對控制病原微生物、耐藥基因的傳播和修復(fù)污染土壤的作用,實(shí)現(xiàn)非金屬礦物在飼料中的高效應(yīng)用。