金 磊 王立志

（1.威遠縣農業(yè)農村局，四川內江642450；2.四川農業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，四川成都611130）

磷是影響動物正常生長發(fā)育的一種重要的常量礦物元素。例如，幼齡動物缺乏磷會出現(xiàn)佝僂病，而成年動物缺乏磷會出現(xiàn)軟骨病。此外，磷還以核酸、磷蛋白及磷脂等形式參與了動物體內氨基酸、脂類和碳水化合物等幾乎所有營養(yǎng)物質的消化代謝反應[1]。同時，磷也是一種繼能量和蛋白之后價格較為昂貴的飼料原料[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)，植物性飼料中的磷，由于受到植酸的束縛，并不能被動物胃腸道完全消化吸收，未消化的磷主要以糞便的形式排放到體外，然后滲透到地表以及水體中，最終造成極其嚴重的環(huán)境污染[4]。因此，通過各種調控措施來提高動物對飼料磷的消化利用效率，不但能降低動物的養(yǎng)殖成本，而且對減少環(huán)境污染也具有非常重要的意義。目前為止，提高單胃動物磷消化利用效率最有效的方法是在日糧中添加植酸酶，而目前用于生產中的植酸酶主要來源于從微生物中提取。與單胃動物相比，反芻動物胃腸道中的微生物自身能夠分泌植酸酶，日糧中一般無需額外添加植酸酶[5-7]。鑒于此，本文就減少畜禽糞便磷排放的措施予以綜述，尤其是微生物植酸酶，以期為產植酸酶菌株的篩選及通過添加植酸酶降低畜禽糞便磷排放奠定理論依據(jù)。

1 畜禽磷排放研究進展

1.1 畜禽糞便磷對耕地污染

隨著中國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便的產量也在急劇增加。畜禽糞便中含有大量的未被動物消化的磷，會對環(huán)境造成嚴重的污染，畜禽糞便磷對全國各省份環(huán)境的污染程度見圖1，由圖1 可知，其中沿海以及經濟較發(fā)達地區(qū)污染均較嚴重，全國各省市中北京的污染最為嚴重[8]。畜禽排放糞便常作為有機肥施于土壤中，當土壤中磷的實際容量超過其承載負荷時，會引起土壤酸化和土壤板結等問題[9]。據(jù)統(tǒng)計，全國耕地平均糞便磷能夠承載的負荷僅為29 kg/hm2[10-12]。其中，全國約20個省份超過該地區(qū)的承載負荷，12個省市糞便磷的含量以對其耕地造成了嚴重的污染[13-14]。由圖1可以看出，糞便磷含量超過耕地承載負荷的省市多為沿海經濟較發(fā)達省市，分布極其不均衡。同樣，在省內不同城市也是如此，以四川省為例（見圖2），四川部分城市耕地磷負荷嚴重超過承載負荷，像德陽和雅安。

圖1 部分省市畜禽糞便污染情況[8]

圖2 四川省各市畜禽糞便對耕地負荷的影響[15]

1.2 畜禽糞便磷對水體的污染

近年來，來源于畜禽糞便的水體污染已成為世界各國面臨的挑戰(zhàn)。經調查發(fā)現(xiàn)，我國135座水庫處于中度富營養(yǎng)化的水平[16]。水體富營養(yǎng)化使水生植物和藻類迅速繁殖，引起水華暴發(fā)的現(xiàn)象，同時水體富營養(yǎng)化產生的藻毒素類物質釋放的毒素可直接導致家禽、家畜甚至人類的死亡[17-20]。因此，迫切需要通過生物技術等手段提高畜禽磷的消化率，減少畜禽糞便磷的排放。由表1可知，山羊單位重量糞便中磷的含量最少，反映了山羊胃腸道對飼料磷的消化吸收能力優(yōu)于其他動物。這可能是因為反芻動物胃腸道的微生物能夠分泌大量的植酸酶催化植酸水解，釋放出其中所含的磷，從而提高了宿主對飼料磷的消化，減少了磷的排放。

2 減少畜禽磷排放的措施

2.1 分子生物學技術的應用

研究發(fā)現(xiàn)，通過轉基因技術，可以使單胃動物像反芻動物一樣從唾液中分泌植酸酶[21]。將大腸桿菌植酸酶基因經胚胎移植獲得轉基因豬，發(fā)現(xiàn)仔豬唾液中的植酸酶活性高達341～10 077 IU/ml，對日糧中的植酸磷的利用率提高，仔豬對總磷的真消化率達到87.9%[22-23]。袁名安[24]培育出了有效磷的含量比常規(guī)玉米提高了6.6倍的低植酸基因玉米。

表1 單位個體畜禽糞便磷排泄量[7]

2.2 磷的供需平衡

研究表明，高磷（0.57%）和低磷（0.31%）日糧對奶牛的產奶量的并無顯著的影響，日糧磷量0.31%時就能滿足中、高產奶牛的營養(yǎng)需求[25-26]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，日糧磷的水平對奶山羊采食量和泌乳性能也無顯著影響[27]。由此表明，磷的供需平衡能根據(jù)動物的實際需求來調控日糧中磷的實際添加量，反芻動物飼料中無需添加過多磷，這樣既能降低養(yǎng)殖成本，還能減少其糞便磷的排放。

2.3 飼料加工

研究發(fā)現(xiàn)，用蒸汽壓片玉米飼喂奶牛能顯著提高其飼料轉化率，減少磷的排泄量[28]。當飼糧磷添加量一致時，用高濕玉米替換干粉玉米能降低磷的排放[29]。Wu 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，用豆皮替代部分苜蓿干草對于奶牛的采食量和產奶量均無顯著影響，但能提高磷的表觀消化率。由此表明，用非粗料纖維替代粗飼料纖維可以適當降低磷的供給量。此外，飼料經過膨化和顆粒加工后，能破壞或抑制飼料中的抗營養(yǎng)因子、有毒有害物質，從而提高飼料轉化率和磷的利用率。

2.4 飼料添加劑

酸化劑可以降低胃腸道pH 值，引起胃腸道微生物菌群結構發(fā)生改變，從而改變營養(yǎng)物質的消化吸收。研究發(fā)現(xiàn)，雞日糧中添加酸化劑后，植酸磷的表觀消化率顯著提高，約0.41%～68%；血清無機磷含量隨著酸化劑添加水平的增加而降低[31-32]。此外，益生素是一類微生物制劑，具有促進動物生長、提高飼料轉化率的作用。研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬日糧中添加0.5%的益生素，磷利用率提高11.10%[33-34]。

孫德成等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛飼料中添加乳酸和復合脂肪酸的混合酸，能有效減少奶牛糞尿量以及總磷排泄量，顯著提高奶牛場的生態(tài)環(huán)境和經濟效益。宋范成等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛日糧中添加聚糖、鹽藻粉、維生素A，能顯著提高奶牛磷的表觀消化率。商常發(fā)等[37]通過在奶牛日糧中添加殼聚糖，發(fā)現(xiàn)奶牛血磷含量隨飼喂時間的延長而顯著升高，說明飼喂殼聚糖有利于促進奶牛機體對磷的吸收。Borucki 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，相同的能量、蛋白和磷水平，在奶牛日糧中添加一定的陰陽離子(鈉、鉀、氯、硫)對磷消化并無顯著影響，但是陰陽離子的營養(yǎng)調控對減少奶牛糞便排放量是可行的，從而能一定程度減少磷排放。

2.5 植酸酶的應用

豬、家禽飼料的主要以玉米、小麥及大豆等為主，這些作物中約80%～90%的磷是以植酸磷的形式存在。而非反芻動物難以利用植酸磷，減少植物中植酸磷的水平，就能相對地提高畜禽對植物性飼料中磷的利用率。單胃動物體內缺乏植酸酶，故磷的消化利用率較低。萬振環(huán)等[39]研究發(fā)現(xiàn)，在肉雞日糧中加入植酸酶，磷排放比正常營養(yǎng)水平降低26.06%。蔡景義等[40]研究表明，植酸酶的添加能顯著提高菜籽粕和棉籽粕中植酸磷的消化率。Azeem 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在豬日糧中加入植酸酶，豬對菜籽粕中磷的消化率由34.31%上升至64.43%，豆粕中磷的消化率由40.85%提高至70.77%，均升高約30%。以上研究表明，在單胃動物日糧中添加植酸酶能顯著提高磷的消化率。

反芻動物瘤胃微生物能產生植酸酶有效地水解植酸鹽，一般不用考慮添加植酸酶。但是，Kincaid等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛日糧中添加植酸酶后，動物血液中的磷含量和植酸酶的水解作用有所增加。由此表明，額外添加植酸酶同樣可以提高反芻動物磷的消化率。Knowlton 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，添加植酸酶對奶牛體重和奶產量并沒有影響，但能顯著提高奶牛磷的消化率，減少磷的排泄。研究表明，在不同種類動物的日糧中添加植酸酶，其有效磷的增加量不同。由表2可知，在減少畜禽磷排放的常用措施中，在畜禽日糧中添加植酸酶是提高可消化磷含量最有效的措施。

3 植酸酶研究進展

3.1 植酸酶的來源

植酸酶的來源廣泛，主要包括動物、植物和微生物[57]。研究發(fā)現(xiàn)，植物中的植酸酶不適合在單胃動物呈酸性環(huán)境的胃中發(fā)揮作用；而動物自身小腸黏膜分泌的植酸酶含量少且活性低，對于單胃動物飼料中植酸磷的水解效率微乎其微，因而難以形成規(guī)?；a[58]。而動物胃腸道微生物菌群產生的植酸酶作用范圍廣、穩(wěn)定性好[59-60]。迄今為止，研究者已經發(fā)現(xiàn)小鼠、豬、兔、反芻動物以及人等胃腸道微生物均能分泌植酸酶[61-62]。但是，與反芻動物相比，單位動物胃腸道微生物植酸酶的活性較低，水解飼料中植酸磷的能力也很有限，因此仍需要額外的在飼料中添加植酸酶。這可能是由于反芻動物胃腸道具有更豐富的微生物，能產生植酸酶的微生物菌群種類較多、活性較高。

表2 植酸酶對畜禽有效磷含量的影響

3.2 微生物植酸酶

Reid 等[63]首次報道綿羊能將飼料中的植酸磷完全降解為易消化的無機磷。隨后，Viveros等[64]首次發(fā)現(xiàn)，反芻動物胃腸道微生物是通過分泌植酸酶來水解飼料中的植酸磷，釋放磷元素。植酸酶水解植酸是以分步的方式進行的，植酸酶能分步將植酸水解成不同的中間產物植酸五磷酸酯至植酸一磷酸酯，但最終產物主要以二磷酸肌醇為主[5]。至今為止，已研究發(fā)現(xiàn)能產生植酸酶的瘤胃細菌種類很有限，詳見表3。由表3 可知，已發(fā)現(xiàn)分泌植酸酶的細菌主要為Bacillus（桿菌屬）、Prevotella（普雷沃氏菌屬）、Bifidobacterium（雙歧桿菌屬）和Lactobacillus（乳酸桿菌屬）等。應用于生產植酸酶的需要滿足的特點是性質穩(wěn)定，主要包括耐高溫和耐酸堿。因為對于家禽、兔子等動物飼料常需制粒，而制粒溫度至少要保持在70 ℃。但目前發(fā)現(xiàn)的植酸酶適宜溫度為46～57 ℃，超過60 ℃時，植酸酶的活性有部分損失，溫度達70 ℃時，酶的活性大部分喪失。此外，生產中常用的植酸酶均為酸性植酸酶，而酸性植酸酶主要在胃（pH＜7）內起作用。曾有學者發(fā)現(xiàn)，中性植酸酶也能在pH 值逐漸升高至中性地腸道中起作用，推測中性與酸性植酸酶聯(lián)合使用，將延長整個胃腸道中植酸酶的作用時間，從而更有效地提高植酸磷的消化。因此，雖然微生物來源的植酸酶已在動物生產中被廣泛應用，但現(xiàn)有的產品存在著適用pH 值范圍窄，對熱穩(wěn)定性差等諸多缺點。更高效、應用范圍更廣泛的植酸酶還有待開發(fā)。

表3 瘤胃能產生微生物植酸酶的細菌

4 小結與展望

目前已經發(fā)現(xiàn)的植酸酶仍不能完全滿足生產的需求，植酸酶的研發(fā)和新產品的開發(fā)進入了瓶頸期，能否開發(fā)出一種能夠突破諸多瓶頸效應的高效植酸酶還需要大量的科學試驗進行探索，從胃腸道微生物進行篩選植酸酶的產酶菌株也許是一條有效的途徑。隨著高通量測序技術的快速發(fā)展，可借助宏基因組測序技術篩選影響磷消化的微生物相關基因，然后對磷的消化具有積極影響的微生物進一步分離、培養(yǎng)及鑒定這些微生物是否能夠分泌植酸酶，并需要進一步從機制層面深入探討腸道微生物影響飼糧磷消化的途徑。