微量元素銅在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用研究

張倚劍 梁天柱 馮棟梁 刁藍(lán)宇 梁明振

(廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,南寧 530004)

銅是第29號(hào)元素,化學(xué)式Cu,是一種較為柔軟的金屬,摩爾質(zhì)量為63.546 g.mol-1,活動(dòng)性較弱,自然界中多以銅礦石的形式存在。人類對(duì)銅的利用早在幾千年前就開始了,從日常生活中的電線,到作為藥物、添加劑等的食用,銅與人類社會(huì)有著密切的關(guān)系。銅在動(dòng)物體內(nèi)是一種重要的營養(yǎng)元素,在細(xì)胞呼吸、骨的形成、心臟功能、結(jié)締組織的形成、脊索的髓質(zhì)化、上皮組織角質(zhì)化及組織色素的形成等方面發(fā)揮重要作用。高劑量的銅具有促生長的作用,使用高銅被廣泛應(yīng)用于畜牧生產(chǎn)中。目前,銅元素在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用主要是作為補(bǔ)充劑添加到藥品和飼料中,常見的有：硫酸銅、氧化銅、氨基酸螯合銅、堿式碳酸銅、堿式硫酸銅等。畜牧生產(chǎn)中以硫酸銅和氧化銅的應(yīng)用最為普遍。

1 銅對(duì)動(dòng)物的營養(yǎng)生理功能

銅在動(dòng)物體內(nèi)有重要的作用,參與了細(xì)胞呼吸、骨的形成、結(jié)締組織的形成、脊索的髓質(zhì)化、上皮組織角質(zhì)化及組織色素的形成等。銅具有提高機(jī)體的造血能力、促進(jìn)新陳代謝、提高抵抗力等作用[1]。當(dāng)動(dòng)物體缺乏銅元素時(shí),會(huì)導(dǎo)致全身性營養(yǎng)不良、發(fā)育緩慢、神經(jīng)絮亂等癥狀,并且銅的缺乏會(huì)影響鐵的吸收,從而導(dǎo)致貧血癥。早期畜牧生產(chǎn)中添加高劑量的銅元素主要是為了起到提高生產(chǎn)性能的作用。

2 銅在畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用

2.1 銅在反芻動(dòng)物上的應(yīng)用

反芻動(dòng)物的營養(yǎng)主要依靠瘤胃微生物作用,提高反芻動(dòng)物的瘤胃微生物營養(yǎng)就是提高反芻動(dòng)物營養(yǎng)。在反芻動(dòng)物飼料中添加適當(dāng)含量的銅元素,可以減少飼料資源的浪費(fèi),節(jié)約精飼料,降低飼養(yǎng)成本[2]。張微等人(2006)通過體內(nèi)法證明了日糧中適宜的銅濃度有利于山羊瘤胃微生物的生長[3]。李文才等人(2015)通過體外發(fā)酵的方法發(fā)現(xiàn),添加適當(dāng)?shù)牧蛩徙~可以提高干物質(zhì)的降解率,同時(shí)也提高了瘤胃液中乙酸和總揮發(fā)性脂肪酸的濃度,對(duì)瘤胃微生物的發(fā)酵有促進(jìn)作用[4]。代振威(2017)等人發(fā)現(xiàn),在飼料中添加納米銅可以促進(jìn)瘤胃的發(fā)酵作用[5]。因此,可以在日糧中添加銅或者飼喂含銅量高的飼料,例如豆科和混播牧草、禾谷籽實(shí)料及其副產(chǎn)品等,可以提高反芻動(dòng)物的養(yǎng)分利用率。

2.2 銅在豬的飼養(yǎng)中的應(yīng)用

豬對(duì)銅的需要量大概為6mg/kg,但通常在飼料中添加一些飼料添加劑來提高飼料中的銅含量,以達(dá)到提高生產(chǎn)性能的效果。首次發(fā)現(xiàn)高劑量的銅可以提高豬的生長是在1955年,由英國學(xué)者Braude發(fā)現(xiàn),其后國內(nèi)外做了無數(shù)次重復(fù)試驗(yàn),均證明高銅飼養(yǎng)可以促進(jìn)豬的生長[6]。一般來說,飼料添加高劑量銅150～250mg/kg具有促進(jìn)動(dòng)物生長,改善飼料報(bào)酬的作用[7]。在斷奶仔豬的飼料中添加高銅,可顯著降低仔豬的腹瀉率,并且能提高仔豬的成活率[8]。諸多研究表明,高銅能夠提高豬對(duì)養(yǎng)分的消化率。X G Luo等人的研究表明,250ppm銅能促進(jìn)仔豬腸道脂肪酶和磷脂酶A的活性,從而提高日糧脂肪消化率[9]。歐秀瓊(2014)等人證明了高銅能夠提高豬對(duì)粗蛋白、粗脂肪的消化率[10]。高銅能提高仔豬胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰淀粉酶活性,改善回腸、空腸和十二指腸絨毛高度及三腸段絨毛高度與隱窩深度之比[11]。高銅飼養(yǎng)除了有提高豬的養(yǎng)分消化率的作用,也有提高抵抗力的作用。高銅的作用類似于抗生素,其促生長效應(yīng)與抗生素的效果具有可加性,同時(shí)使用的效果要優(yōu)于單獨(dú)使用的效果[12]。沈紹新(2009)發(fā)現(xiàn),在日糧中添加羽毛粉銅和錳螯合物可以提高斷奶仔豬的免疫球蛋白數(shù)量[13]。周麗華(2009)的研究表明,添加蛋白螯合銅可以提高育肥豬血液中淋巴細(xì)胞數(shù)量和小腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞數(shù)量,增強(qiáng)了生長肥育豬的免疫功能[14]。

2.3 銅在家禽生產(chǎn)上的應(yīng)用

缺銅會(huì)導(dǎo)致雞的貧血、羽毛褪色、佝僂病等癥狀[15],但一般在生中雞很難出現(xiàn)缺銅的情況。銅對(duì)禽類的用法用量尚未有一個(gè)確切的說法,不同品種、不同生理階段的銅需要量均不同。李龍等人的研究表明,在1～21日齡的黃羽肉雞的日糧中含銅量為13.38mg/kg時(shí),能夠提高黃羽肉雞的生長性能、促進(jìn)其免疫器官發(fā)育和提高抗氧化性能力,而在22～42日齡時(shí),黃羽肉雞取得最佳生長性能和抗氧化功能的銅需要量分別為6.75mg/kg和10.75mg/kg,這些數(shù)值是高于白羽肉雞的銅需要量的[16-17]。宋景萍(2017)發(fā)現(xiàn),60mg/kg的銅添加量對(duì)新羅曼蛋雞的生產(chǎn)性能和蛋品質(zhì)產(chǎn)生最佳效果[18],而張彩英(2010)等人發(fā)現(xiàn),以氨基酸螯合銅的形式在雞日糧中添加15～30mg/kg銅就可以顯著提高育成期海蘭褐蛋雞的生產(chǎn)性能和免疫功能[19]。

3 養(yǎng)殖業(yè)過度使用銅添加劑對(duì)食品安全和環(huán)境的危害

3.1 銅對(duì)環(huán)境的危害

改革開放以來,我國的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,但同時(shí)帶來的環(huán)境問題也是嚴(yán)峻的。畜牧行業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,使用高銅帶來的收益是巨大的,但同時(shí)帶來的環(huán)境污染也不容小視。畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)土壤的污染主要是糞污排放帶入的重金屬和各種抗生素[20]。前文中提到,飼料中添加銅可以起到提高生產(chǎn)性能的作用,因此在畜牧生產(chǎn)中,一些養(yǎng)殖戶或者養(yǎng)殖企業(yè)盲目地添加銅元素。由于銅元素的吸收率低,添加的銅越多意味著糞污中的銅殘留,導(dǎo)致土壤中的銅元素不斷提高,對(duì)土地造成了嚴(yán)重的污染[21]。薄錄吉(2018)對(duì)我國21省市規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便和11省市豬飼料重金屬濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,在21省市中,豬糞中Cu平均含量超標(biāo)達(dá)到95.2%;在其中有豬飼料數(shù)據(jù)的11省市中,豬飼料Cu含量超標(biāo)的樣品數(shù)量占到100%,超標(biāo)倍數(shù)在13.2～49.0之間[22]。趙漢取(2014)在湖州市、嘉興市的抽樣檢查中發(fā)現(xiàn),魚類養(yǎng)殖池塘表層沉積物中銅污染指數(shù)較高[23]。王傳花等人(2015)在浙江樂清灣對(duì)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn),所有養(yǎng)殖區(qū)均可發(fā)生由Cu偶爾引起的不利生物毒性效應(yīng)[24]。焦寶玉等人(2015)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),河南中牟縣萬灘鎮(zhèn)養(yǎng)殖池塘底的Cu含量超標(biāo)[25]。潘科等人(2014)通過對(duì)“藍(lán)牡蠣”和“綠牡蠣”這兩種現(xiàn)象的分析來說明了我國近海和河口均出現(xiàn)了不同程度的銅污染現(xiàn)象[26]。我國是養(yǎng)豬第一大國,其豬肉需要量居全球首位。豬飼料中的銅超標(biāo)現(xiàn)象在全國普遍存在,尤其是早期一些散養(yǎng)農(nóng)戶,誤認(rèn)為豬糞越黑飼料品質(zhì)越好,盲目地使用飼料商提供的高銅飼料,殊不知使豬糞發(fā)黑的原因是因?yàn)殂~在腸道內(nèi)形成硫化銅的原因,且散養(yǎng)戶沒有專門的糞污處理系統(tǒng),會(huì)將豬糞作為肥料,致使許多農(nóng)村的土壤、水源都受到了一定程度上的污染。許多研究證明,長期施用豬糞肥會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤的銅重金屬積累[27-29]。

3.2 銅對(duì)食品安全的影響

土壤中適當(dāng)?shù)你~可以促進(jìn)植物的生長,但當(dāng)銅含量嚴(yán)重超標(biāo)時(shí),就會(huì)危害到農(nóng)作物的生長[30-31]。銅會(huì)通過影響葉綠素的合成或者破壞葉綠素的方式來抑制植物的光合作用,從而導(dǎo)致植物的疾病甚至是死亡[32-33]。土壤中的銅隨著循環(huán)作用,最終不僅會(huì)影響動(dòng)植物、土壤中的微生物,甚至也會(huì)對(duì)人體健康造成威脅[34-35]。這些殘留的銅會(huì)通過食物鏈的傳遞作用,最終進(jìn)入人體[36-37],長期食用這些食物,例如動(dòng)物肝臟或是被銅污染的植物,將會(huì)造成人體的銅的積累。銅元素的積累,會(huì)導(dǎo)致人體對(duì)鋅、鐵等微量元素的吸收出現(xiàn)障礙,誘發(fā)缺鐵癥或缺鋅癥,甚至可能引起中毒,導(dǎo)致肝損害、小腦功能失調(diào)等。研究表明,阿爾茲海默癥患者血清中銅的含量較高[38]。郭子雷等人(2017)也證明了血清銅含量與老年癡呆的程度成正相關(guān),為危險(xiǎn)因素[39]。Wilson病患者也是由于銅在體內(nèi)過于沉積而導(dǎo)致組織損害和病變。

4 減少銅危害的措施

4.1 政策性調(diào)整

隨著現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)不斷地向集約化、規(guī)模化的發(fā)展,大型養(yǎng)殖場更應(yīng)該注重銅的添加使用問題。農(nóng)業(yè)部公告第2625號(hào)《飼料添加劑安全使用規(guī)范》規(guī)定,將仔豬添加期從之前的30kg以內(nèi)調(diào)整為25kg以內(nèi),并將最高限量從200mg/kg下調(diào)為125mg/kg。歐洲食品安全局也在2016年將仔豬全價(jià)料中的銅添加量上限由原先的170mg/kg調(diào)整為25mg/kg?？梢钥闯?國內(nèi)外養(yǎng)殖行業(yè)對(duì)銅元素的添加量開始有所限制。降低銅添加量的同時(shí)必定會(huì)伴隨著生產(chǎn)性能下降的問題,我們需要盡快尋找新的方案來應(yīng)對(duì)。除了在養(yǎng)殖環(huán)境上進(jìn)行改善外,還應(yīng)該積極尋找可以替代硫酸銅的方法。

4.2 研究使用代替高銅抗菌促長功能的新型添加劑

王麗娜(2018)等人通過營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)發(fā)現(xiàn)可以提高斷奶仔豬的成活率[40]。還可以通過添加一些植物提取物來替代硫酸銅。黃其春(2018)等人通過在日糧添加1.0%銀杏葉超微粉,發(fā)現(xiàn)可改善斷奶仔豬腸道菌群平衡和小腸形態(tài),提高斷奶仔豬生長性能[41]。Kalpana Platel等人(2000)的研究表明,添加植物精油可以改善飼料的消化利用率[42]。近些年的研究均表明植物精油在一定程度上可以替代抗生素和微量元素的作用,這也是最近國內(nèi)飼料研究的主要方向。復(fù)合精油能夠提高斷奶仔豬的抗應(yīng)激能力,緩解其免疫應(yīng)激,且能夠起到提高其生產(chǎn)性能的效果[43-44]。且植物精油對(duì)于反芻動(dòng)物來說,也能夠起到促進(jìn)其瘤胃發(fā)酵、增加抵抗力、提高產(chǎn)奶率等效果[45-47]。此外,植物精油還能起到提高動(dòng)物抗氧化能力、降低其發(fā)病率的作用[48-49]。

除了植物精油外,益生素也有著提高飼料利用率、提高免疫力、提高奶牛產(chǎn)奶量、促進(jìn)瘤胃發(fā)酵、提升蛋品質(zhì)、降低仔豬腹瀉等作用[50-55]。同時(shí)益生素能夠和許多添加劑起到配伍的作用,從而更加提高飼料價(jià)值。益生素不僅穩(wěn)定性好,且具有種類多、易生產(chǎn)、無毒害等特點(diǎn)。目前來說,益生素不能夠完全取代抗生素或微量元素的地位,但總體研究一直在朝著積極的方向發(fā)展,優(yōu)勢已經(jīng)越來越明顯。

4.3 重金屬污染土地的處理方案

現(xiàn)階段對(duì)于土壤重金屬的處理方法有：生物修復(fù)、物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)等,由于化學(xué)修復(fù)具有實(shí)現(xiàn)土壤原位修復(fù)、無需高能、易于操作、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn),現(xiàn)今治理土壤重金屬污染大多采取化學(xué)修復(fù)[56]?；瘜W(xué)修復(fù)較為實(shí)用的技術(shù)為土壤原位鈍化技術(shù),通過在被污染的土壤使用鈍化材料而達(dá)到改善環(huán)境的目的[57]。鈍化是一種能夠?qū)⑼寥乐械闹亟饘購幕钴S態(tài)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定態(tài)的化學(xué)過程,從而使被污染土壤中的微生物和植物能夠正常生長[58]。黏土礦物鈍化修復(fù)是一種新興的土壤化學(xué)鈍化法,具有良好的吸附性,一般指高嶺石、蒙脫石、水云母、海綠石、綠泥石等,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于治理重金屬污染的農(nóng)田等[59-60]。研究表明,黏土礦物可以有效鈍化銅、鎳、鋅、鉛等重金屬[61-63]。趙立春(2018)等人發(fā)現(xiàn),將海藻有機(jī)肥、伊利石粉、腐植酸粉按一定的比例混合添加到發(fā)酵秸稈肥中,鈍化效果極顯著[64]。除了黏土礦物,磷酸鹽也具有良好的鈍化效果。但使用磷酸鹽來處理重金屬污染,可能會(huì)因?yàn)榱椎姆e聚從而導(dǎo)致一些新的環(huán)境問題,例如水體富營養(yǎng)化等[65]。

5 結(jié)語

銅對(duì)于畜牧業(yè)的作用功不可沒,但是隨著環(huán)境問題的日益突出,我們不得不限制銅的使用。在治理方面,應(yīng)當(dāng)積極開發(fā)天然綠色的材料來處理已造成的污染;在源頭上,一方面要降低銅的添加量、積極尋找替代銅的方案,另一方面要強(qiáng)化養(yǎng)殖場的糞污處理,降低銅的流出。