吳信， 萬(wàn)丹， 印遇龍*

1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；畜禽養(yǎng)殖污染控制與資源化技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；湖南省畜禽健康養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙410125；2.中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津300308

作為不可再生資源，礦物元素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，其更是人類和動(dòng)物機(jī)體所必需的營(yíng)養(yǎng)素，分為常量元素和微量元素兩類。人和動(dòng)物體內(nèi)含量大于0.01%的稱為常量元素，包括鈣、磷、鈉、氯、鉀、鎂、硫等；人和動(dòng)物體內(nèi)含量在0.01%以下的稱為微量元素，目前已發(fā)現(xiàn)機(jī)體必需的或可能必需的微量元素有16 種，即鐵、錳、鈷、銅、鋅、硒、鉬、碘、氟、釩、鎳、砷、鉻、鋰、硅、錫[1]。礦物元素在畜禽生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝、神經(jīng)活動(dòng)、免疫功能及內(nèi)分泌等幾乎所有的生命活動(dòng)過(guò)程中都發(fā)揮著重要的生理作用。如果機(jī)體某種礦物元素?cái)z入不足或在體內(nèi)過(guò)量蓄積、礦物元素間比例失調(diào)，都將引發(fā)疾病甚至死亡等嚴(yán)重問(wèn)題。世界飼料工業(yè)起源于20世紀(jì)40年代，隨著世界經(jīng)濟(jì)和人口的快速發(fā)展以及人均生活水平的提高，飼料工業(yè)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，2016 年全球飼料產(chǎn)量首次超過(guò)10 億t[2]。隨著飼料工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的集約化規(guī)模化發(fā)展，畜禽礦物元素用量迅速增加，導(dǎo)致礦物元素資源緊缺，同時(shí)，目前礦物元素在劑型與劑量的使用上存在較大問(wèn)題，造成生態(tài)環(huán)境污染[1]。因此，亟需從源頭控制礦物元素在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用，以滿足畜禽的營(yíng)養(yǎng)需要為出發(fā)點(diǎn)，形成既減少向環(huán)境中的排放，又能為種植業(yè)提供良好的有機(jī)肥料的可持續(xù)種養(yǎng)模式。

鈣磷作為畜禽體內(nèi)含量最高的礦物元素，在消化、吸收、代謝、利用、排泄五大營(yíng)養(yǎng)過(guò)程中均存在復(fù)雜的交互關(guān)系[3]。微量元素雖在畜禽體內(nèi)含量較少，但具有極其重要的生理功能，有助于維持畜禽機(jī)體健康、提高機(jī)體抗氧化和抗應(yīng)激能力、提高畜禽肉品質(zhì)等[4]。基于此，以鈣磷和微量元素為切入點(diǎn)，介紹了飼用礦物元素的應(yīng)用現(xiàn)狀、畜禽礦物元素基礎(chǔ)需要量及合適的添加范圍，著重綜述了新型飼用微量元素的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展，并探討了礦物元素動(dòng)態(tài)飼喂模式的可行性及有效性，以期為合理利用礦物元素資源及進(jìn)一步解決全球生態(tài)農(nóng)業(yè)研究的畜禽礦物元素導(dǎo)致的環(huán)境污染提供參考。

1 我國(guó)飼料中鈣磷和微量元素應(yīng)用現(xiàn)狀

飼料行業(yè)是現(xiàn)代畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)連接著種植業(yè)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)飼料產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，從2012年的2.17億t增長(zhǎng)至2017年的2.85億t[5]。飼料工業(yè)發(fā)展至今，面臨著質(zhì)量安全要求更嚴(yán)、資源環(huán)境約束更緊張的雙重挑戰(zhàn)。然而，由于飼料中礦物元素的不合理使用，致使鈣、磷、銅、鋅、鎂、鐵、錳等每年的環(huán)境排放量超過(guò)1 000 萬(wàn)t[6]，已對(duì)土壤、水體等生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅，而伴隨礦物元素存在于飼料中的有毒重金屬鎘、鉛等更是一大安全隱患。對(duì)部分城市集約化養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞便取樣調(diào)查的結(jié)果表明，部分區(qū)域的豬糞中銅、鋅的超標(biāo)率分別達(dá)59.84%和95.08%[7]。因此，在滿足畜禽養(yǎng)殖營(yíng)養(yǎng)需要量的情況下，科學(xué)合理的使用飼料中的礦物元素，實(shí)現(xiàn)降低養(yǎng)殖業(yè)中礦物元素的排放，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

2 飼用鈣磷和微量元素概況

飼用礦物元素主要有鈣、磷、銅、鋅、鐵、錳、硒等。以豬為例，豬對(duì)鈣的需要量在所有礦物元素中最高，一旦日糧供給不足或鈣磷比例不當(dāng)會(huì)直接影響豬的正常生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)水平[8]。因此，在配制豬日糧時(shí)，對(duì)于礦物元素，首先需要準(zhǔn)確供給的就是鈣，同時(shí)應(yīng)添加相應(yīng)比例的磷。微量元素對(duì)于畜禽的生長(zhǎng)發(fā)育同樣具有重要意義。在飼糧中添加較高劑量的銅可以改善生豬和家禽對(duì)飼料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、促進(jìn)生長(zhǎng)激素的分泌[9]，從而使其采食量增加等。飼糧中銅含量過(guò)少，可能引起貧血、生長(zhǎng)發(fā)育停滯；但向飼糧中添加過(guò)量的銅，不僅提高生產(chǎn)成本，還會(huì)引起生豬的蓄積性銅中毒、導(dǎo)致其他二價(jià)金屬元素吸收代謝異常，同時(shí)影響食品安全、造成生態(tài)環(huán)境污染[10]。所以，合理的銅添加在畜禽飼養(yǎng)過(guò)程中十分重要。飼料中硒缺乏會(huì)導(dǎo)致機(jī)體抗氧化功能異常，但飼料中硒過(guò)量也會(huì)對(duì)動(dòng)物機(jī)體造成不良影響，甚至毒害作用[11]。向家禽日糧中添加外源鋅（如ZnSO4）以滿足日常營(yíng)養(yǎng)需要，然而，因ZnSO4的利用效率低，只有6%的鋅被留于體內(nèi)，而94%的鋅被排出體外，并在土壤中累積，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)[12]。因此，探索畜禽礦物元素需要量和合適的添加范圍，改進(jìn)現(xiàn)有劑型的利用效率，對(duì)養(yǎng)殖業(yè)礦物元素源頭控制至關(guān)重要。

3 畜禽鈣磷和微量元素的需要量研究進(jìn)展

3.1 畜禽鈣磷和微量元素基礎(chǔ)需要量

體重、生長(zhǎng)階段是影響礦物元素基礎(chǔ)需要量的重要因素。其次，蛋禽的產(chǎn)蛋量以及妊娠母豬的配種體重、胎次、產(chǎn)仔數(shù)等也是影響種畜禽礦物元素基礎(chǔ)需要量的影響因素。參考豬營(yíng)養(yǎng)需要（NRC，2012）[13]和家禽營(yíng)養(yǎng)需要（NRC，1994）[14]，隨著體重的增加，生長(zhǎng)豬對(duì)礦物元素的基礎(chǔ)需要量見(jiàn)表1，不同階段家禽對(duì)礦物元素的基礎(chǔ)需要量見(jiàn)表2。目前，除妊娠母豬和哺乳母豬的鈣磷基礎(chǔ)需要量考慮到母豬的初配體重、胎次、產(chǎn)仔數(shù)等因素外，母豬的微量元素基礎(chǔ)需要量、種禽的鈣磷基礎(chǔ)需要量均未細(xì)化（表2、3）。因此，如何選擇合適的劑型與劑量的礦物元素，避免母豬和蛋禽的微量元素負(fù)平衡，確保繁殖潛能的最大化是當(dāng)今動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究的關(guān)注點(diǎn)之一。

表1 生長(zhǎng)豬日糧鈣、磷和微量元素需要量（自由采食，90%干物質(zhì)）[13]Table 1 Dietary requirements of calcium,phosphorus and trace elements of growing pigs(free feeding,90%dry matter)[13]

表2 家禽日糧鈣、磷、微量元素需要量（自由采食，90%干物質(zhì)）[14]Table 2 Dietary requirements of calcium,phosphorus and trace elements of poultry(free feeding,90%dry matter)[14]

3.2 畜禽鈣磷和微量元素的合適添加范圍

根據(jù)我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際和環(huán)保因素，我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2625 號(hào)公告分別推薦和限制了畜禽中各種礦物元素的添加量(表4)。當(dāng)前，飼料企業(yè)基本參考限量標(biāo)準(zhǔn)的上限進(jìn)行飼料配方設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。然而，該公告除了針對(duì)銅、鋅有較嚴(yán)格的最高限量，對(duì)鐵和錳的限量均較高，對(duì)鈣磷暫無(wú)最高限量要求。其中，我國(guó)仔豬階段銅的限量（125 mg·kg-1）仍高于歐盟的限量（25 mg·kg-1）。因此，需要對(duì)畜禽的礦物元素的合適添加量進(jìn)行系統(tǒng)的研究，制訂適合我國(guó)的合適添加范圍。

表4 我國(guó)畜禽鈣、磷和微量元素推薦添加量和最高限量Table 4 Recommended addition and maximum limit of calcium,phosphorus and trace elements of livestock and poultry in China

3.3 新型飼用微量元素開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展

飼用微量元素不僅與骨骼發(fā)育等畜禽生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，還可通過(guò)與機(jī)體內(nèi)的蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)相結(jié)合形成酶、激素、維生素等生物大分子，在機(jī)體內(nèi)特別是繁殖階段和快速生長(zhǎng)及應(yīng)激期間對(duì)內(nèi)分泌、免疫等生命活動(dòng)發(fā)揮重要的生理調(diào)控功能。目前，飼料中添加的微量元素主要是無(wú)機(jī)鹽的形式，雖然價(jià)格便宜，但是穩(wěn)定性差，易受飼料中其他成分的影響，且存在吸收利用率低等問(wèn)題。而通過(guò)改變微量元素的結(jié)構(gòu)，可以增加其吸收利用率，減少飼料中的添加量以及向環(huán)境的排放量，從而達(dá)到降低飼用礦物元素給生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重污染的目的。因此，亟需開(kāi)發(fā)新型飼用微量元素。

鋅具有改善腸道健康、增強(qiáng)機(jī)體抗應(yīng)激能力的生理功能。研究表明，氧化鋅能顯著降低斷奶仔豬腹瀉率，但大量氧化鋅沒(méi)有被吸收而是直接排出體外，并蓄積在土壤中，對(duì)環(huán)境造成重要的影響。通過(guò)在斷奶仔豬日糧中添加高鋅（3 000、2 000、1 000 mg·kg-1），42 日齡后，測(cè)定糞便中鋅的含量，高鋅組中鋅的含量分別是對(duì)照組（100 mg·kg-1）的 13.6、9.9 和 4.6 倍[15]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 2625號(hào)公告對(duì)氧化鋅的添加量減少了用量，現(xiàn)代養(yǎng)殖生產(chǎn)中，為了更好地利用鋅對(duì)機(jī)體的積極作用及減少對(duì)環(huán)境的危害，可考慮堿式氯化鋅替代氧化鋅。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料工業(yè)中心的研究結(jié)果表明，堿式氯化鋅在抗腹瀉和促生長(zhǎng)方面具有比氧化鋅更高的效率[15]，1 250 mg·kg-1堿式氯化鋅能達(dá)到2 250 mg·kg-1氧化鋅的效果，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已將堿式氯化鋅作為抗腹瀉鋅源納入2625 號(hào)公告，為行業(yè)替代氧化鋅提供了新的方案。其他形式的氧化鋅替代方案，如改性氧化鋅、納米氧化鋅等方案在控制仔豬腹瀉應(yīng)用上也具有一定的作用。

表3 妊娠和泌乳母豬日糧微量元素需要量（自由采食，90%干物質(zhì)）[13]Table 3 Dietary requirements of trace element of pregnant and lactating sows(free feeding,90%dry matter)[13]

近年來(lái)，采用氨基酸微量元素替代無(wú)機(jī)微量元素也是“減量增效”策略之一。研究表明，日糧中高水平的添加量會(huì)增加糞便中的排出量，而添加有機(jī)形式的微量元素，可減少它們經(jīng)糞便的排出量[16]，日糧中用較少的有機(jī)形式的鋅代替無(wú)機(jī)鋅既滿足了肉雞和蛋的營(yíng)養(yǎng)需求，又將礦物元素對(duì)環(huán)境的影響降到最低[17]。本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，使用氨基酸金屬螯合物能顯著提高畜禽對(duì)微量元素的消化吸收率[18]。低劑量的有機(jī)銅替代無(wú)機(jī)銅，提高了銅的生物利用率，降低了糞便中銅的含量[19]，有機(jī)銅也可改善生長(zhǎng)后期畜禽肉品質(zhì)。在肉雞日糧中添加有機(jī)銅——賴氨酸銅（250 mg·kg-1）顯著降低在十二指腸和空腸內(nèi)容物的鋅的溶解度[20]；肉雞日糧中50～75 mg·kg-1羥基蛋氨酸螯合錳可有效替代100 mg·kg-1硫酸錳[21]。使用有機(jī)鐵飼喂哺乳仔豬，與無(wú)機(jī)鐵相比，仔豬體重、日增重以及血紅蛋白和血液紅細(xì)胞數(shù)含量等指標(biāo)均顯著增加，有機(jī)鐵促進(jìn)了鐵的吸收與利用，降低排糞量和糞中排鐵量[22]。研究發(fā)現(xiàn)，妊娠后期母仔日糧中采用有機(jī)鐵Fe-CGly 替代FeSO4，能顯著改善妊娠后期母豬的胎盤鐵沉積和鐵代謝，改善母豬的繁殖性能，特別是仔豬的出生窩重[23]；螯合鐵還可增強(qiáng)幼齡期免疫力以及減少腸道刺激[24-25]。

微量元素絡(luò)合物配體的選擇對(duì)其功能性也具有重要的影響。本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源的硒對(duì)蛋雞產(chǎn)蛋性能影響區(qū)別較大[26]；鋅和鐵等與多糖等植物天然產(chǎn)物絡(luò)合后具有多種兼具天然產(chǎn)物和微量元素的功能性生理作用[27]?？傊c傳統(tǒng)無(wú)機(jī)微量元素相比，飼料中選用新型微量元素更加高效安全，可一定程度上降低微量元素的排放。

4 鈣磷和微量元素機(jī)體內(nèi)動(dòng)態(tài)規(guī)律與精準(zhǔn)化飼喂

機(jī)體對(duì)礦物元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收和利用存在明顯的空間分布差異，礦物元素之間存在協(xié)同與拮抗作用，基于此規(guī)律提出了動(dòng)態(tài)營(yíng)養(yǎng)及其飼喂模式[28]。本實(shí)驗(yàn)室研究表明，機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)受生物鐘調(diào)控，一天中，仔豬09:00 肝臟鐵儲(chǔ)存濃度最高，15:00血清鐵濃度最高，且與鐵吸收、代謝密切相關(guān)的基因DMT1、DCYTB、TfR和HAMP均呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)節(jié)律變化[29]；相應(yīng)地節(jié)律性補(bǔ)鐵影響豬的鐵吸收和沉積[30]；妊娠后期動(dòng)態(tài)添加鈣顯著縮短了母豬的產(chǎn)程，有效提高了母豬的繁殖性能[31]。在家禽中的研究結(jié)果表明，蛋雞鈣和鋅動(dòng)態(tài)飼喂影響了鈣、鋅和磷3 種元素在蛋雞體內(nèi)不同器官和組織間的調(diào)運(yùn)節(jié)律，以及蛋雞體內(nèi)鈣與鋅元素之間的晝夜變化，調(diào)節(jié)鈣、鋅和磷元素在蛋雞體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，影響了鈣、鋅和磷在產(chǎn)蛋雞血清和脛骨晝夜變化及蛋黃中的沉積規(guī)律和沉積水平[32]。這提示動(dòng)態(tài)飼喂模式可一定程度上避免礦物元素間的拮抗作用，進(jìn)而提高利用率。

5 展望

隨著畜牧業(yè)不斷進(jìn)步和發(fā)展，飼料中鈣磷和微量元素需要量更趨于精準(zhǔn)化。建立適合我國(guó)國(guó)情的畜禽礦物元素添加量推薦標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)高效的礦物元素產(chǎn)品，有效地降低畜禽飼料中的礦物元素含量，降低或者平衡糞污中的礦物元素排放量，構(gòu)建養(yǎng)殖礦物元素安全與高效利用的理論、方法和技術(shù)體系，減少畜禽養(yǎng)殖排泄物對(duì)環(huán)境的污染是關(guān)乎我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的維護(hù)的重要舉措[33-34]。因此，需要進(jìn)一步完善礦物元素有效性評(píng)估模型，精確評(píng)價(jià)動(dòng)物不同階段礦物元素的有效需要量，修訂飼料中礦物元素添加標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，在研究功能性氨基酸和礦物元素吸收與分布規(guī)律基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)并篩選出高效安全的礦物元素添加劑產(chǎn)品，降低畜禽排泄物中的重金屬元素的含量。