張宏福 尹 暢 陳 亮

(中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193)

畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標志性產(chǎn)業(yè)，“十三五”期間質(zhì)量興牧持續(xù)推進，畜牧業(yè)發(fā)展保持穩(wěn)定向好的態(tài)勢。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國肉類、禽蛋、奶類總產(chǎn)量分別為7 748萬、3 468萬和3 530萬t，肉類、禽蛋產(chǎn)量繼續(xù)保持世界首位，奶類產(chǎn)量位居世界前列[1]。同時，產(chǎn)業(yè)素質(zhì)明顯提高，規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖快速發(fā)展并呈現(xiàn)龍頭企業(yè)引領的趨勢，為“十四五”行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定良好基礎。畜牧業(yè)是一個年產(chǎn)值4萬億規(guī)模的民生基礎產(chǎn)業(yè)，健康、高效養(yǎng)殖不僅是為提高優(yōu)質(zhì)、充裕肉蛋奶的重大需求，也是為緩解飼料用糧急驟增長和提高糧食安全的重大戰(zhàn)略需求。在現(xiàn)代養(yǎng)殖生產(chǎn)中，飼料成本占養(yǎng)殖成本的60%以上[2]。以往養(yǎng)殖模式中通常按動物最大需求量供給各類營養(yǎng)物質(zhì)，導致飼料轉(zhuǎn)化為動物產(chǎn)品的利用效率偏低。近年來，逐漸發(fā)展為根據(jù)動物品種遺傳特性、生理階段以及生產(chǎn)用途等方面制定飼養(yǎng)標準，即精準動物飼養(yǎng)，以期在滿足如動物最佳生長速度和蛋白質(zhì)沉積所需各類營養(yǎng)物質(zhì)的同時，降低生產(chǎn)成本的投入和環(huán)境負荷。據(jù)報道，通過精準營養(yǎng)調(diào)控可提高生長豬對營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率，明顯降低生產(chǎn)成本(>8%)、蛋白質(zhì)和磷的攝入(25%)、糞便排泄(40%)以及溫室氣體排放(6%)[2-3]。然而，目前的畜禽精準飼養(yǎng)策略往往忽略了環(huán)境因素，限制著畜牧業(yè)健康發(fā)展[4]。

1 畜禽精準飼養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展勢頭以及當前復雜環(huán)境下面臨的挑戰(zhàn)

據(jù)預測，到2050年全球人口將增長到90億，必須增加60%的糧食生產(chǎn)才能滿足需求，集約化飼養(yǎng)的豬和家禽的產(chǎn)量至少需要增加1倍，才足以滿足人類對動物源食品日益增長的需求[5]。鑒于全球資源有限，環(huán)境保護壓力激增，各國將面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是食用糧和飼用糧生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性。隨著近幾年畜禽精準飼養(yǎng)概念的提出，探討準確評定飼料原料中可利用營養(yǎng)物質(zhì)含量的方法及不同品種、生理階段畜禽營養(yǎng)需求量的精準評估，并進一步優(yōu)化飼料配方等措施，不僅有效提高了飼料利用率，節(jié)約了飼料原料資源，在保障畜禽產(chǎn)品安全、降低環(huán)境污染等方面也發(fā)揮了重要作用[6]。例如，研究表明，飼料原料中多種化學成分與飼料原料的有效能值顯著相關(guān)，通過建立基于不同飼料原料化學成分的預測方程可以較為準確地評定其有效能值[6]。隨著全自動仿生消化裝置的開發(fā)與改良，可實現(xiàn)準確、快速地測定飼料原料營養(yǎng)物質(zhì)的生物學效價[7]。根據(jù)實時收集個體豬的日采食量、體重及日增重等信息，建立相關(guān)數(shù)學模型，對個體豬只氨基酸需要量進行動態(tài)估測，在不影響育肥豬生長性能的前提下節(jié)省蛋白質(zhì)原料消耗，從而降低飼料成本[8]。此外，國內(nèi)外復雜環(huán)境下催動我國畜禽養(yǎng)殖發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。我國畜牧業(yè)在生產(chǎn)數(shù)量增長的同時，仍存在生產(chǎn)效率低、畜禽發(fā)病率高、設施工藝水平差、畜產(chǎn)品質(zhì)量安全隱患等問題[4]，畜牧生產(chǎn)迫切需要完成從追求數(shù)量增長向追求高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級。同時，蛋白質(zhì)飼料資源不足、優(yōu)質(zhì)牧草飼料資源短缺成為制約我國未來糧食安全的重要因素[9]。且養(yǎng)殖業(yè)以養(yǎng)為本，養(yǎng)重于防、防重于治已成共識，養(yǎng)殖環(huán)境是畜禽健康高效生產(chǎn)的前提條件，也是養(yǎng)殖業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的科學技術(shù)短板[10]。因此，認識環(huán)境對畜禽健康的影響因素，以建立健康、高效的養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)尤為重要。

2 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的重要性——夯實綠色發(fā)展根基

畜禽養(yǎng)殖是集遺傳、環(huán)境、營養(yǎng)、飼養(yǎng)管理、生物安全等高度統(tǒng)一體的系統(tǒng)工程，共同決定其生產(chǎn)水平，其中30%～40%取決于環(huán)境[11]。研究環(huán)境因素對畜禽生理的影響及其機制，并以此制定利用、控制、保護和改造環(huán)境的技術(shù)措施，一直是畜牧業(yè)發(fā)展的重大技術(shù)需求和研究方向。“十三五”期間，科研工作者采用多組學、單細胞測序等前沿技術(shù)和方法在環(huán)境領域針對養(yǎng)殖過程中主要影響因素開展了一系列研究，為建立滿足動物生產(chǎn)性能和福利需求的新型畜牧生產(chǎn)環(huán)境打下堅實基礎。

2.1 養(yǎng)殖環(huán)境中的適宜參數(shù)及飼養(yǎng)密度對畜禽健康的影響

前期開展的系列研究揭示了光照、環(huán)境溫度、有毒有害氣體、飼養(yǎng)密度和群體規(guī)模、空氣顆粒物和微生物氣溶膠共5類主要環(huán)境因素對畜禽生長、免疫、繁殖、健康的影響，表明畜禽舍環(huán)境是影響動物健康、高效生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量安全的直接要素[12]。例如，通過動物試驗結(jié)合細胞研究手段，明確了光照通過褪黑素(MT)介導的氧化應激信號通路影響精子發(fā)生的生理機制，以及激活絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)-核因子E2相關(guān)因子(Nrf2)通路抑制公雞睪丸間質(zhì)細胞凋亡(MT-Akt-Nrf2途徑)的作用[13-14]；單色綠光(12 h光照，12 h黑暗)可刺激并加速松果體的早期組織學發(fā)育和節(jié)律功能成熟以及MT分泌，縮短雞胚胎孵化時間而不影響孵化性能[15]。

飼養(yǎng)密度會直接影響畜禽舍的溫度、濕度、灰塵數(shù)、有毒有害氣體濃度、微生物數(shù)量及噪聲等，通過這些因素的互作，進而影響畜禽健康和生產(chǎn)[16]。此外，豬群飼養(yǎng)密度過大，影響體況較差個體的正常采食，容易引發(fā)應激并刺激交感神經(jīng)促進兒茶酚胺和糖皮質(zhì)激素釋放，影響體增重[17]。在奶牛上研究表明，高放養(yǎng)密度對早期泌乳階段機體的氧化還原穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生負面影響，且降低血清催乳素和生長激素濃度，增加乳腺通透性，有引發(fā)氧化應激和降低奶品質(zhì)的風險[18]。在肉雞上，高養(yǎng)殖密度導致其生長性能下降，可能與肌肉和骨骼的生長遲緩有關(guān)[19]；進一步研究發(fā)現(xiàn)，高養(yǎng)殖密度(18.75只/m2)的環(huán)境可通過下丘腦神經(jīng)肽Y(NPY)和促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子(CRF)途徑抑制肉雞食欲，影響其健康生長[20]。

2.2 養(yǎng)殖環(huán)境中的溫度、顆粒物和氣溶膠對畜禽健康的影響機制

隨著畜禽飼養(yǎng)環(huán)境相關(guān)研究的深入，從整體、組織、細胞和分子水平上系統(tǒng)探究了溫熱環(huán)境對畜禽的營養(yǎng)物質(zhì)代謝、腸道健康、器官發(fā)育、免疫功能和繁殖性能的影響機制。研究發(fā)現(xiàn)，溫熱環(huán)境影響動物體內(nèi)脂質(zhì)代謝和膽汁酸代謝[21-22]，如牛磺型膽汁酸、血液膽固醇和甘油三酯含量可指示生長豬的熱應激反應[22]。熱應激狀態(tài)下，畜禽采食量的下降尤為明顯。研究表明，一方面，長期熱暴露導致的采食量下降與肉雞食欲相關(guān)激素(瘦素)的表達和分泌增加有關(guān)，以及腸道中味覺受體1型成員1(T1R1)和味覺受體1型成員3(T1R3)的表達增加[23]；另一方面，長期熱應激通過誘導線粒體功能障礙和影響能量物質(zhì)有氧代謝，導致糖酵解和肌內(nèi)脂肪沉積增加等，進而對肉質(zhì)造成影響[24]。在繁殖性能方面，以豬卵丘-卵母細胞復合體為模型，研究發(fā)現(xiàn)熱應激通過干擾跨透明帶突起(TZPs)中絲狀肌動蛋白(F-actin)的組裝與穩(wěn)態(tài)，破壞卵丘顆粒細胞和卵母細胞的間隙連接，以及激活細胞中半胱天冬蛋白酶-3(Caspase-3)的表達導致其卵母細胞成熟緩慢和質(zhì)量下降[25]；還有研究表明，長期熱暴露抑制線粒體ATP產(chǎn)生，增加線粒體活性氧(ROS)，上調(diào)卵丘顆粒細胞RNA去甲基化酶(FTO)表達，并誘導穿透素3(PTX3)mRNA 3’端非編碼區(qū)(3’-UTR)特定位點去甲基化，導致豬卵母細胞成熟障礙[26]。熱應激還會干擾妊娠后期母體腸道微生物組成及垂直傳遞，影響子代的腸道微生物組成和血清代謝譜，對機體代謝穩(wěn)態(tài)起到負面作用[27]。在雄性動物方面，研究發(fā)現(xiàn)，熱應激通過誘導糖原合成酶激酶3α(GSK3α)激活，進而對精子活力造成影響[28]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了熱應激通過上調(diào)葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)和Caspase-3表達誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激并下調(diào)Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號通路抑制腸上皮細胞增殖和干細胞擴增，破壞腸道上皮完整性，而Wnt/β-catenin是改善腸上皮損傷的重要靶點[29]。

如上所述，高密度飼養(yǎng)引起養(yǎng)殖場空氣質(zhì)量問題日益突出，特別是養(yǎng)殖舍內(nèi)顆粒物污染和氣溶膠可通過呼吸直接刺激呼吸道，引起家畜呼吸道健康及相關(guān)疾病的問題不容忽視。在畜禽舍中，懸浮在空氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物(粒徑1 nm～100 μm)形成的氣溶膠，往往附著氨氣(NH3)、病原微生物等成分，其中，粒徑低于2.5 μm的粒子可進入呼吸道甚至進入肺泡并沉積，引發(fā)畜禽氣管炎、支氣管炎或肺炎等疾病[30]。還有研究表明，在斷奶仔豬、生長肥育豬、妊娠母豬和分娩母豬4種豬舍中，最豐富的微生物和抗生素抗性基因類型分別是變形菌門(Proteobacteria)和氨基糖苷類(aminoglycosides)，并在舍內(nèi)生物氣溶膠中發(fā)現(xiàn)了3種潛在的病原體和18種可能的攜帶抗生素抗性基因的微生物屬[31]。對從保育豬舍收集的PM2.5研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物濃度普遍較高(如內(nèi)毒素濃度高達681.80 EU/mg)，PM2.5可激活3D4/21豬肺泡巨噬細胞Toll樣受體4(TLR4)/髓樣分化因子88(MyD88)通路和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NLRP3)炎性體，誘導細胞凋亡、ROS產(chǎn)生和炎性細胞因子如白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-18(IL-18)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和環(huán)氧化酶-2(COX-2)的釋放，且發(fā)現(xiàn)TLR4/MyD88、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB(NF-κB)的下游信號通路參與了NLRP3炎癥體的激活[32]。畜禽舍內(nèi)的空氣顆粒物對人和動物的呼吸健康均有不利影響，有研究利用蛋雞舍PM2.5處理人肺腺癌肺泡基底上皮細胞(A549細胞)誘導炎癥反應，發(fā)現(xiàn)Nrf2過表達可顯著降低TNF-α、白細胞介素-6(IL-6)、白細胞介素-8(IL-8)以及NF-κB p65和NF-κB pp65的水平，抑制氧化應激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，進而減輕由PM2.5刺激引起的炎癥反應[33]。

2.3 養(yǎng)殖環(huán)境中的有毒有害氣體對畜禽健康的影響機制

畜禽養(yǎng)殖過程中會產(chǎn)生許多有毒有害氣體，其中NH3占比最多，硫化氫(H2S)的毒性最大。近年來，大量研究揭示了H2S和NH3導致氣管組織和免疫器官炎癥反應、細胞凋亡的表觀遺傳調(diào)控機制，并發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNA(cirRNA)、長非編碼RNA(lncRNA)和微小RNA(miRNA)參與有毒有害氣體調(diào)控炎癥、細胞凋亡、細胞焦亡的分子機制，例如lncRNA-107053293、miR-148a-3p、cirRNA-17828、miR-6631-5p、lncRNA3037、miR-15a、cir-PTPN23等一批表征損傷的分子標記物[34-37]。

研究還發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖環(huán)境中的NH3干擾生長豬骨骼肌脂質(zhì)代謝(圖1)，且存在濃度依賴性，當NH3濃度達到10 mg/m3時即增加骨骼肌粗脂肪含量，引起骨骼肌肌纖維類型轉(zhuǎn)化；當濃度大于25 mg/m3時，除肌內(nèi)脂肪含量增加和肌纖維由氧化型向酵解型轉(zhuǎn)化外，骨骼肌中脂質(zhì)代謝相關(guān)基因表達發(fā)生明顯改變[38]。豬暴露在高NH3濃度環(huán)境(NH3濃度高于25 mg/m3)中時，肝臟、肺臟和肌肉中支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶1/2(BCAT1/2)和脫氫酶復合物(BCKDC)的表達受到不同程度的抑制，增加了血清或肝臟外組織中游離支鏈氨基酸(BCAA)含量[39]；養(yǎng)殖環(huán)境高NH3濃度暴露導致腸道中潛在致病菌[陰性芽孢桿菌屬(Negativibacillus)、擬普雷沃氏菌屬(Alloprevotella)]豐度增加，有益菌[阿克曼氏菌屬(Akkermansia)]豐度減少，腸道菌群紊亂，進而影響機體膽汁酸代謝[40]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境NH3暴露引起肝外BCAA和芳香族氨基酸以及微生物來源的次級膽汁酸[石膽酸(LCA)和去氧膽酸(DCA)]含量升高，可作為信號分子激活骨骼肌哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路，抑制5’單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)信號通路，最終通過上調(diào)脂質(zhì)合成相關(guān)基因、下調(diào)β-氧化相關(guān)基因，紊亂骨骼肌脂質(zhì)代謝[41]。

在繁殖方面，環(huán)境中高濃度NH3、H2S等有害氣體導致畜禽精神萎靡、食欲不振，間接紊亂其生殖相關(guān)激素水平，對胚胎發(fā)育造成危害；而H2S還會干擾雄性動物的精子生成，影響卵母細胞的發(fā)育，降低后葉催產(chǎn)素的刺激作用，并導致母畜分娩時間延長[42]。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)，H2S呈濃度依賴性方式通過激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt和NF-κB信號通路，改善牛乳腺上皮細胞(MAC-T細胞)活力、炎癥反應和凋亡，而Akt似乎是起到“橋梁”作用的關(guān)鍵串擾分子，表明硫氫化鈉(NaHS)在臨床上可用于預防或治療乳房炎[43]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，NaHS提供的外源H2S通過PI3K/Akt-mTOR途徑對母豬乳腺上皮細胞(PMEC)的增殖產(chǎn)生雙相效應，10 μmol/L NaHS會促進PMEC細胞增殖，而當濃度大于600 μmol/L時會誘導相關(guān)增殖基因表達的變化[44]。

3 精準營養(yǎng)需求下的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境生理學與調(diào)控創(chuàng)新研究的思考

當前我國動物營養(yǎng)與環(huán)境領域在理論探索、關(guān)鍵技術(shù)突破以及標準制定等方面表現(xiàn)出良好的開端，下一步還需系統(tǒng)解析主要畜禽集約化養(yǎng)殖生產(chǎn)中環(huán)境因素對其生長發(fā)育、基礎代謝、蛋白質(zhì)沉積等生理過程的影響。并利用Meta分析等手段整合交互作用，建立畜禽舍環(huán)境參數(shù)耦合優(yōu)化的精準飼養(yǎng)技術(shù)，是實現(xiàn)畜禽健康、高效生產(chǎn)和綠色養(yǎng)殖的重要途徑(圖2)。

圖2 動物營養(yǎng)-環(huán)境交叉融合創(chuàng)新策略Fig.2 Animal nutrition-environment cross-integration innovation strategy

鑒于此，從不同“思維角度”提出精準飼養(yǎng)-環(huán)境創(chuàng)新研究發(fā)展的如下思考：

3.1 養(yǎng)殖環(huán)境因素對畜禽基礎代謝、食欲、機體組成及能量分配的影響機制

目前，畜禽在不同環(huán)境下的能量動態(tài)代謝規(guī)律以及營養(yǎng)需求仍不清晰，且深入探究環(huán)境因素干預畜禽下丘腦與胃腸道的途徑、與脂肪組織等外周組織“信息交流”的方式，以及不同環(huán)境的綜合調(diào)控作用，對未來健康、高效養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導意義。此外，如上述的研究表明，環(huán)境NH3暴露在生長豬骨骼肌發(fā)育和脂肪沉積過程中發(fā)揮著明顯的干預作用，而類似的系統(tǒng)性研究還較為缺乏，亟需拓展環(huán)境因素(包括但不限于溫熱)影響畜禽機體代謝和機體養(yǎng)分分配的相關(guān)研究，以闡明其中涉及的重要機制。

3.2 養(yǎng)殖環(huán)境因素及其精準營養(yǎng)供給模型的構(gòu)建

健康和高效的精準飼養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，還需對復雜情況下畜禽營養(yǎng)需要及環(huán)境生理學進行精確研究，準確定位參數(shù)。一方面，建立可精準調(diào)節(jié)的單一環(huán)境因素影響畜禽采食、生長及生產(chǎn)等相關(guān)基礎模型；另一方面，構(gòu)建復雜小氣候中畜禽的動態(tài)能量需要和代謝規(guī)律等綜合模型以支撐高效精準飼養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。

3.3 養(yǎng)殖環(huán)境應激的營養(yǎng)與代謝調(diào)控機制研究

從畜禽自身健康出發(fā)，以改善其抗病、抗應激能力為主題，開發(fā)靶向營養(yǎng)與代謝調(diào)控、減抗替抗等產(chǎn)品或技術(shù)。此外，還需發(fā)展養(yǎng)殖環(huán)境精準把控技術(shù)，包括動物行為分析、環(huán)境因素精準監(jiān)測等，提高智能化水平，并與精準飼養(yǎng)技術(shù)結(jié)合，通過高效、可靠和綜合的管理手段，實現(xiàn)畜禽產(chǎn)品綠色、高效、安全轉(zhuǎn)化。

4 小 結(jié)

畜禽養(yǎng)殖是個系統(tǒng)性工程，其中，環(huán)境因素對動物不同生理階段及生理活動的影響機制極為復雜。養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境因子眾多，包括溫濕度、有毒有害氣體、單元密度、顆粒物、光照、噪音、電磁波、微生物等，可協(xié)同對畜禽健康產(chǎn)生復合效應。養(yǎng)殖環(huán)境是畜禽生存和生產(chǎn)最直接的影響因素，也是精準飼養(yǎng)乃至畜禽產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)安全的重要前提，進一步實現(xiàn)健康、高效養(yǎng)殖亟需發(fā)展畜禽舍環(huán)境參數(shù)耦合優(yōu)化的精準飼養(yǎng)技術(shù)。因此，動物營養(yǎng)與環(huán)境領域融合創(chuàng)新是突破養(yǎng)殖業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展瓶頸的有力措施。