李煒月，禹愛兵，鄒雪，喬鑫，荊學(xué)毅，程雨菲，洪亮*

(1.天津市綠色生態(tài)飼料重點實驗室，天津 301800；2.天津農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)學(xué)院/天津市農(nóng)業(yè)動物繁育與健康養(yǎng)殖重點實驗室，天津 300392)

1959年，諾貝爾獎獲得者Richard P. Feynman首次提出了“納米技術(shù)”(Nanotechnology)的概念[1]，也稱毫微技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1～100 nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)。我們正處于科學(xué)和工業(yè)迅速發(fā)展的時期，納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)和認知科學(xué)的融合將引領(lǐng)畜牧獸醫(yī)科學(xué)跨入新的時代。納米技術(shù)在物理、化學(xué)、生物特性等方面獨具特點，由此制備的納米制劑已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，并且逐漸成為生物技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展的重要推動力，在畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域也具有較高的研究價值[2]。近年來，納米技術(shù)在畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域的研究不斷深入，相關(guān)專利、產(chǎn)品接連不斷地出現(xiàn)，由此可見，納米技術(shù)在畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣闊。本文將從動物疾病防治、動物營養(yǎng)與健康、動物繁殖及環(huán)境保護等方面進行綜述，旨在為納米技術(shù)應(yīng)用于畜牧獸醫(yī)行業(yè)提供參考。

1 納米技術(shù)在動物疾病防治中的應(yīng)用

1.1 納米技術(shù)在疾病診斷方面的應(yīng)用

1.1.1 提高診斷靈敏度

病原體檢測是診斷、治療動物傳染病以及農(nóng)場和牧場條件控制和管理的重要步驟[3]。按照傳統(tǒng)的檢測方法，如果動物感染傳染性疾病，可能直到患病動物表現(xiàn)出全身癥狀時才能被察覺，這會導(dǎo)致致病細菌、病毒等病原微生物的傳播范圍更廣，嚴重時甚至要撲殺整個畜群，導(dǎo)致畜牧業(yè)遭受重大經(jīng)濟損失。聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)和實時熒光定量PCR(qRT-PCR)等分子技術(shù)，已用于動物傳染病的診斷，但由于這些技術(shù)對試劑和儀器、樣品保存和處理以及操作人員的技術(shù)水平均有一定的要求，所以應(yīng)用于牧場診斷時會受到限制。因此，開發(fā)用于早期診斷的檢測技術(shù)是防止疾病傳播的有效措施[3]。

隨著納米材料合成技術(shù)的發(fā)展，基于納米粒子的免疫分析方法可顯著提高傳統(tǒng)免疫分析方法的靈敏度，同時使操作更簡便。金納米粒子(goldnanoparticles，AuNPs)具有易于合成、無細胞毒性、高生物相容性、良好光學(xué)性質(zhì)等特性[4]，納米PCR技術(shù)正是依賴于其基本效應(yīng)，可以非常有效、靈敏地診斷包括病毒性疾病在內(nèi)的多種疾病。對于口蹄疫病毒(foot-and-mouth disease virus，F(xiàn)MDV)的診斷，AuNPs-FMDV生物傳感器具有特異性且靈敏度高，表現(xiàn)出卓越的分析性能和臨床性能，并且工作流程簡單，檢測速度快，適用于檢疫站和農(nóng)場對FMDV的診斷[5]。

生物芯片能夠?qū)ι飿颖?包括血液、組織、分泌物和排泄物)進行即時分析，以識別疾病的標志性分子。納米技術(shù)有助于研發(fā)和優(yōu)化用于診斷疾病和遺傳易感性的生物芯片，使得生物芯片的反應(yīng)靈敏度和精確度明顯提高，這些診斷芯片可同時分析數(shù)千個基因，診斷速度大幅度提升[6]。

臨床相關(guān)的生物標志物經(jīng)常被高豐度、高分子量蛋白質(zhì)掩蓋，以極低的濃度存在于血液和體液中，通常低于普通免疫測定的靈敏度，再加上內(nèi)源性和外源性蛋白酶的作用，血液中的生物標志物在收集和運輸過程中經(jīng)常發(fā)生降解。由N-異丙基丙烯酰胺水凝膠核殼組成的納米顆?？梢越鉀Q發(fā)現(xiàn)和測量疾病生物標志物這一關(guān)鍵問題[7]。量子點(quantum dot)可以同時篩查血液樣本中是否存在多種蛋白質(zhì)生物標志物和不同的病毒，并且操作簡單、成本低廉[6]，已初步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢驗[8]。

1.1.2 精準定位病灶

近些年來，研究者們進行了廣泛的研究，開發(fā)了納米粒子成像系統(tǒng)，可用于實驗室診斷和體內(nèi)診斷成像，其目的是通過在敏感的高分辨率成像模式中使用精細的納米粒子系統(tǒng)來識別亞臨床疾病，這些模式可以檢測整個生物體內(nèi)的非典型細胞的小聚集體，還可以用于生物標志物和病原體的早期檢測，且具有直接、快速、靈敏的優(yōu)勢。在獸醫(yī)臨床治療過程中，病灶定位是比較具有挑戰(zhàn)性的一個步驟，可供選擇的成像方式有限，目前，已有研究證實納米粒子成像可用于病灶定位。在牛、馬等大型動物的診療過程中，由于尺寸限制無法使用常規(guī)成像方法，此時可以選用放射性標記的脂質(zhì)體來定位腫瘤或膿毒癥病灶[9]。另外，納米粒子(NPs)與抗體或核酸相結(jié)合，提高了特異性和便攜式診斷分析的速度和靈敏性[10]。

由于磁性納米顆粒獨特的物理特性，眾多研究者在過去的幾十年里探索了它應(yīng)用于醫(yī)療的潛力[11]。在各種功能性磁性納米粒子中，氧化鐵和鐵氧體因具有體積小、細胞毒性低的特點被廣泛使用。氧化鐵磁性納米顆粒已應(yīng)用于灌注成像，從而實現(xiàn)了在體內(nèi)表征腫瘤的目的。超順磁性納米顆粒在生物傳感、靶向給藥、核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)造影劑等方面都發(fā)揮著重要作用。盡管傳統(tǒng)的超順磁性納米粒子已廣泛應(yīng)用于疾病的早期診斷，但磁矩低、MRI診斷靈敏度低、負載能力低等問題仍然未能完全解決。為了突破這些局限性，研發(fā)高磁矩、多功能和高載藥效率的新型超順磁性氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs)是非常有必要的[12]。與周圍組織相比，SPIONs在組織中積累時增強了特定組織的質(zhì)子弛豫，作為MRI造影劑的效果良好。此外，超順磁性納米顆粒分子靶向的效率高，可作為檢測細菌、病毒、細胞、蛋白質(zhì)等的傳感器[13]。酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)主要用于蛋白質(zhì)檢測，帶有抗體的超順磁性納米顆粒也可發(fā)揮相同的作用[12]。

盡管以人類和鼠模型為試驗對象的研究為采用納米技術(shù)來解決與獸醫(yī)臨床相關(guān)的問題提供了參考，但應(yīng)用于診斷經(jīng)濟動物的疾病仍然存在一些困難亟待克服，比如設(shè)備耗材成本較高、納米劑型的制備流程復(fù)雜等。納米技術(shù)還有無限潛力值得開發(fā)，在動物疾病診斷方面，要充分考慮到其經(jīng)濟價值和實用性。

1.2 納米技術(shù)在藥物遞送方面的應(yīng)用

1.2.1 提高藥物溶解度和生物利用度

藥物溶解于體液是其產(chǎn)生療效的基礎(chǔ)。溶解性在藥物研發(fā)過程中產(chǎn)生著重要的影響，包括候選化合物的體外活性，體內(nèi)活性以及藥代動力學(xué)行為等?！睹绹幍洹酚涗浀钠贩N中，超過三分之一的藥品不溶或難溶于水；在新化學(xué)實體(new chemical entities，NCE)中，這一比例甚至達到了50%。由此可見，提高難溶性藥物在水中的溶解度，從而達到理想的生物利用度是一個需要攻克的難題，這正是許多藥物未能進一步推廣使用的主要原因之一。因此，從事于藥物研發(fā)的科研人員多年來嘗試了許多方法將藥物的溶解度和生物利用度提高到治療疾病所要求的水平[18]。

表1 用于疾病診斷的納米制劑的優(yōu)勢及應(yīng)用

將納米技術(shù)應(yīng)用于藥物制劑研究，可大幅度增加疏水性藥物的比表面積，有效解決部分疏水性藥物生物利用度低的問題。非諾貝特是一種親脂性化合物，幾乎不溶于水，臨床上主要用作降血脂劑，以降低動脈粥樣硬化所造成的風(fēng)險。將非諾貝特制成納米混懸劑(nanosuspensions)膠囊，處于空腹或飽腹狀態(tài)的大鼠對藥物的吸收速度和程度均明顯提高，相比于市面上銷售的微粉化膠囊，其生物利用度分別提高了36.45%和48.48%，證實了納米技術(shù)可為難溶性藥物的吸收提供有利條件[19]，但應(yīng)用于豬等經(jīng)濟動物中的效果還需進一步驗證。

利用納米系統(tǒng)包封或結(jié)合藥物也是一種提高藥物溶解度的方法，樹枝狀大分子是常用材料之一[20]。目前樹枝狀大分子的理化性質(zhì)已經(jīng)可以精準控制，此外，這種分子內(nèi)部具有廣闊的空腔，為裝載藥物提供了便利條件；表面具有密集的活性官能團，修飾后更加適用于藥物遞送。姜黃素(curcumin，CUR)是從姜黃提取的天然多酚活性成分，具有抗炎、抗腫瘤等作用[21]，但在水中溶解度僅為0.3 μg/mL，并且穩(wěn)定性差[22]，因此應(yīng)用受限。選用一種新型的樹枝狀大分子(PAMAM-co-0.25 OEG，PGD)作為載體制備姜黃素納米粒(CUR-PGD)，此納米粒呈球形，分布均勻，在生理鹽水等幾種介質(zhì)中穩(wěn)定存在，有助于擴大CUR的應(yīng)用范圍[23]。

1.2.2 實現(xiàn)藥物的靶向釋放

采用納米技術(shù)從動物、植物或礦物資源中提取具有藥用價值的物質(zhì)或人工合成的藥物、藥物載體稱為納米藥物(nanodrug)[18]。固體脂質(zhì)納米粒是利用納米技術(shù)制備出的藥物新劑型之一，與傳統(tǒng)劑型相比，當前研發(fā)出的新劑型不僅可以提高藥物的生物利用度，還可以實現(xiàn)藥物的靶向釋放[24]。

由于聚合物納米顆?？梢愿鶕?jù)外部或生物刺激將生物材料(如蛋白質(zhì)、基因和化療藥物等)遞送到所需的作用位點，近年來這項技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。聚合物納米顆粒根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為納米球和納米膠囊。納米球可以選擇性地將活性藥物輸送到巨噬細胞[25]。聚合物納米膠囊作為藥物輸送系統(tǒng)可以實現(xiàn)持續(xù)和靶向輸送，減少藥物對健康組織的副作用，同時也能顯著降低組織環(huán)境對有效載荷的不利影響[26]。山藥多糖納米粒是一種效果良好的中藥微生態(tài)調(diào)節(jié)劑，可以對大鼠結(jié)腸進行靶向治療[27]，未來的研究方向可以聚焦在經(jīng)濟動物體內(nèi)的應(yīng)用。

1.2.3 控制藥物緩釋

在過去的30余年里，已有研究者嘗試將治療效果好但毒性較顯著的難溶性小分子包封在聚合物膠束中[28]，證實了聚合物膠束可以保護藥物免受外部環(huán)境影響，并改善藥代動力學(xué)，是一種應(yīng)用前景廣闊的藥物遞送平臺。膠束的多種特征均有利于實現(xiàn)藥物緩釋，其一，膠束粒徑通常小于100 nm，有助于躲避網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的吞噬，延長體循環(huán)的時間；其二，聚合物膠束的親水外殼等結(jié)構(gòu)特點，不僅有助于避免藥物在血清中的損失，還能抵抗補體系統(tǒng)的殺傷力，防止藥物在發(fā)揮作用前被迅速清除[29]。在全身循環(huán)過程中，聚合物膠束調(diào)控藥物從其內(nèi)核中釋放出來，從而提高治療效果[28]。

1.2.4 提高核酸疫苗穩(wěn)定性

脂質(zhì)體藥物遞送系統(tǒng)花費了近50年的時間才應(yīng)用于臨床，使得抗腫瘤、抗細菌(綠膿桿菌、非結(jié)核分枝桿菌等)感染和疼痛治療的效果實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[30]。以納米科學(xué)與技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展出了形式多樣的新型疫苗佐劑及疫苗遞送系統(tǒng)，因此，疫苗的免疫激活能力、穩(wěn)定性和生物安全性實現(xiàn)了新的突破，也使傳統(tǒng)疫苗具備了更多附加功能，為疫苗的創(chuàng)新研發(fā)設(shè)計與發(fā)展開辟了全新的思路。脂質(zhì)納米顆粒(lipidnanoparticles，LNPs)是常用的納米遞送系統(tǒng)之一，可以有效提高核酸疫苗穩(wěn)定性，目前與之相關(guān)的研究主要集中于如何優(yōu)化陽離子脂質(zhì)結(jié)構(gòu)[31]。具有環(huán)狀氨基頭部基團的脂類可以激活髓樣分化因子88(myeloid differentiation protein 88，MyD88)/ RIG-I樣受體(RIG-I-like receptors，RLR)非依賴性干擾素基因刺激因子(stimulatorof interferon genes，STING)通路，從而激活干擾素分泌[32]。STING激活的環(huán)狀脂質(zhì)與mRNA凝聚形成LNPs。因此，通過納米顆粒介導(dǎo)的內(nèi)吞機制來調(diào)節(jié)細胞內(nèi)吞功能，進一步改善細胞內(nèi)STING通路的激活是一種可行的方法[33]。

1.2.5 提高抗菌藥物的療效

脂質(zhì)體也是良好的抗結(jié)核藥物遞送系統(tǒng)。結(jié)核病是最致命的人畜共患病之一，也是全世界的公共衛(wèi)生安全問題[2]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織2018年的統(tǒng)計結(jié)果，當年全世界新增的結(jié)核病患者約有1 000萬，中國出現(xiàn)了86萬左右的新發(fā)結(jié)核病病例，防治結(jié)核病任重而道遠[34]。左氧氟沙星(levofloxacin，LEV)是一種相對較新的喹諾酮類抗生素，對結(jié)核分枝桿菌有較好的抑菌活性。在此基礎(chǔ)上，干粉氣霧劑形式的LEV前體脂質(zhì)體對牛分枝桿菌的抑制作用顯著高于游離LEV，證實了脂質(zhì)體膠囊可以提高抗菌藥物的治療效果[35]。

一般情況下，將異煙肼(isonicotinicacid hydrazide，INH)，利福平(rifampicin，RIF)，乙胺丁醇(ethambutol，EMB)和吡嗪酰胺(pyrazinamide，PZA)聯(lián)用來治療敏感結(jié)核分枝桿菌[36]。其中，RIF是治療結(jié)核分枝桿菌感染的首選藥物。用脂質(zhì)體將地衣酸(usnicacid，UA)封裝成膠囊，形成地衣酸脂質(zhì)體(UA-Lipo)，并與RIF和INH等抗結(jié)核藥物聯(lián)合使用，治療耐多藥結(jié)核病(multidrug -resistant tuberculosis，MDR-TB)，結(jié)果表明UA-Lipo可作為一種新劑型來提高RIF的抗細菌活性[37]。

表2 用于藥物遞送的納米系統(tǒng)的優(yōu)勢及應(yīng)用

2 納米技術(shù)在動物營養(yǎng)與健康中的應(yīng)用

2.1 動物營養(yǎng)與健康中的納米多糖

多糖化合物具備相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在機體內(nèi)可以發(fā)揮調(diào)節(jié)免疫、抗腫瘤、抗氧化等作用。當前多糖運用的一種新趨勢是利用納米技術(shù)將中藥多糖的作用發(fā)揮得更充分，主要通過兩種途徑：一種是將中藥多糖制成納米顆粒，另外一種是將中藥多糖與其他納米顆粒結(jié)合[41]。

黃芪有“補氣圣藥”之美譽，具有補氣健脾、益衛(wèi)固表、利水消腫等功效[42]。黃芪多糖是黃芪的主要活性成分，發(fā)揮著多種生理功能，諸如增強機體免疫力、強心保肝、抗衰老和抗自由基損傷等[43]。將黃芪多糖改造成黃芪多糖納米乳(astragalus polysaccharide nanoemulsion，APS-NE)給藥系統(tǒng)，試驗證明這種系統(tǒng)毒性極低，安全性高，通過APS-NE給藥的雛雞最早產(chǎn)生針對新城疫(Newcastle disease，ND)的特異性抗體，而且能維持較長時間，還能上調(diào)機體的免疫調(diào)節(jié)水平[44]。

山藥富含的山藥多糖可以抗氧化、預(yù)防癌癥、抵抗病毒感染等，人們對抗氧化、防衰老的關(guān)注度持續(xù)升高，山藥多糖的抗氧化功能也成為研究熱點。已有多項研究證明，在飼糧中添加山藥多糖有助于促進斷奶仔豬生長發(fā)育，提高機體免疫水平[45-46]。將山藥多糖添加到雞的飼料中，也可發(fā)揮促生長、抗氧化作用[47-48]。因此，山藥多糖具有替代抗生素應(yīng)用于動物生產(chǎn)的潛力。山藥多糖及其納米顆粒在體外均有抗氧化活性，相對而言，納米顆粒的體外抗氧化活性更優(yōu)[49]，但納米山藥多糖在經(jīng)濟動物體內(nèi)的作用效果和機制有待深入探究。

目前臨床常用的免疫增強劑有香菇多糖、胸腺五肽等，但它們對機體的肝、腎有副作用，也不利于胃腸的消化吸收[50]。因此，研發(fā)不良反應(yīng)較小、成本較低的新型免疫增強劑是有必要的。刺五加多糖(Acanthopanaxsenticosuspolysaccharide，ASPS)是刺五加提取物的主要活性成分之一，具有增強免疫力、抗炎的功能以及廣泛的藥理作用，另外，ASPS的毒性低，作用機制復(fù)雜，有較高的研究價值[51]。濃度低于31.25 μg/mL的刺五加多糖納米乳對L929細胞刺激性小，這為研發(fā)應(yīng)用于獸醫(yī)臨床的免疫增強劑提供了新思路[52]。

攝入纖維有助于改善動物的血脂狀況、腸道健康，促進膳食吸收，從而提高動物的生產(chǎn)性能和生產(chǎn)率，這一點已逐漸成為共識[53]。添加殼聚糖納米顆粒(chitosan nanoparticles，CNP)的飼糧提高了用脂多糖攻毒的斷奶仔豬的平均日增重(averagedaily gain，ADG)，降低了料重比(feed and gain，F(xiàn)/G)和腹瀉率，還可以減輕免疫應(yīng)激，改變腸道菌群組成，增加一些有益的腸道細菌數(shù)量，抑制潛在致病菌的生長。因此，CNP可作為仔豬飼糧的功能性添加劑[54]。

平菇中分離出的葡聚糖等多糖不僅可以用作免疫刺激劑，還具有抑制腫瘤細胞增殖或組織生長等生理活性[55]。將平菇多糖與生物相容性鐵納米顆粒混合可以使植入惡性肉瘤細胞的小鼠腫瘤體積減小，脾細胞增殖能力提高。因此，可考慮將納米顆粒與多糖結(jié)合用于制備增強免疫和治療腫瘤的疫苗[56]。

在近些年的研究中，益生菌展現(xiàn)出替代抗生素和抗炎藥的潛力，但由于益生菌產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)有限，想要用益生菌替代抗生素，必須設(shè)法提高細菌素的產(chǎn)量，促進抑菌活性[57]。鑒于益生元能夠刺激益生菌的生長或活性，用菊粉和鄰苯二甲酸進行自組裝，合成鄰苯二甲酸菊粉納米顆粒，試驗證實了納米顆粒形式的益生元可以被乳酸片球菌內(nèi)化并提高其抑菌活性[57]。植物乳桿菌經(jīng)鄰苯二甲酸普魯蘭納米顆粒處理后，也觀察到同樣的現(xiàn)象[58]，此后又驗證了二者與普魯蘭多糖組成的新型合生元可以鞏固小鼠模型的腸道屏障，這為納米顆粒能夠提高動物抵御病原菌的能力、治療炎癥性腸病等與生態(tài)失調(diào)相關(guān)的疾病提供了證據(jù)[59]。類似地，用鄰苯二甲酸葡聚糖納米顆粒與益生菌組合制成的合生元，可以抑制腸道致病性感染，并調(diào)節(jié)體內(nèi)腸道微生物群[60]，這有利于應(yīng)對出現(xiàn)耐藥細菌的挑戰(zhàn)。

將益生菌高效地輸送到腸道是實現(xiàn)其治療效果的必要條件[61]。乳酸片球菌內(nèi)化鄰苯二甲酸菊粉納米顆粒然后用海藻酸鹽/殼聚糖/海藻酸鹽封裝，可以提高益生菌在模擬胃液中的存活率和抑菌性能，是一種適用于畜牧業(yè)的開發(fā)抗菌多肽的方法，為今后在動物體內(nèi)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)[62]。

2.2 動物營養(yǎng)與健康中的納米礦物質(zhì)

與傳統(tǒng)的有機或無機飼料添加劑相比，低劑量的納米礦物補充到動物飼料中即可發(fā)揮顯著的作用[17]。常添加在飼料中的金屬納米復(fù)合材料有銀[63-64]、銅[64]、鋅[65]等。

銀可作用于細菌的酶和蛋白質(zhì)，從而實現(xiàn)抑制細菌產(chǎn)生毒素的目的，即使在低濃度下仍能表現(xiàn)出廣譜抗菌性能，因此被用作抗菌劑[66]。利用納米技術(shù)制備的納米銀(silvernanoparticles，AgNPs)，同時具有納米材料的特性和銀的抗菌作用，抑菌性能更強[67]。在肉雞飲用水中添加AgNPs作為消毒劑，可以提高肉雞的生長性能，且對肉雞血清生化特性和組織病理學(xué)參數(shù)無負面影響[68]。

鋅在維持動物的基因組穩(wěn)定、代謝以及免疫反應(yīng)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[69]。用納米氧化鋅(nano Zn oxide，nZnO)替代ZnO可有效提高母羊瘤胃液和乳中的干物質(zhì)攝入(dry matter intake，DMI)、干物質(zhì)消化率(DM digestibility，DMD)、總抗氧化能力(totalantioxidant capacity，TAC)以及白細胞和乳液中的鋅濃度[70]。這可能是因為nZnO的表面積較大，比表面活性較高，有助于提高其黏膜通透性和吸收效率[71]。

硒是可以防止氧化應(yīng)激的元素。納米硒顆粒對新生羔羊的體重增加和保護細胞抗氧化活性具有積極作用，可能會促進羔羊的生長速度[72]。

牲畜糞便是多種抗生素耐藥基因(antibioticresistance genes，ARG)的儲存庫。牲畜糞便堆積在土地上可能導(dǎo)致抗生素耐藥菌的產(chǎn)生和ARG的傳播。因此，采取處理牲畜糞便的有效措施，對降低糞便中ARG的傳播風(fēng)險是至關(guān)重要的。納米級零價鐵(nanoscale zero-valent iron，nZVI)，具有較大的表面積和特殊的物理化學(xué)特性，是一種用于固體廢物處理的材料。堆肥基質(zhì)中添加nZVI降低了強力霉素等抗生素的濃度，可以減少堆肥過程中ARG傳播的風(fēng)險[73]。

表3 納米制劑在動物營養(yǎng)與健康方面的應(yīng)用

3 納米技術(shù)在動物繁殖中的應(yīng)用

動物繁殖是動物生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[74]，納米技術(shù)可以作為輔助繁殖技術(shù)在激素檢測、精子選擇、精液儲存等方面提高動物的繁殖性能。

3.1 快速檢測激素

納米技術(shù)可用于檢測激素水平，管理動物發(fā)情。利用納米金集成電化學(xué)免疫傳感器測定牛血清樣品中的孕酮，無需對樣品進行預(yù)處理，可以快速得到準確的結(jié)果。此方法具有出色的檢測限，濃度達到0.08 ng/mL即可檢出，還表現(xiàn)出高靈敏度和高特異性[75]。相比于液相色譜質(zhì)譜檢測(LC-MS)，節(jié)省了樣品制備時間[76]；與基質(zhì)分散固相萃取然后通過氣相色譜質(zhì)譜檢測(GC-MS)進行測定激素水平的方法相比，不需昂貴的儀器且采樣后很快可獲得結(jié)果[77]。

3.2 輔助精子篩選

利用納米顆粒瞄準精子的物理以及生理特征(運動性、定向性、凋亡、完整的頂體等)，有助于預(yù)測精液樣本與輔助生殖技術(shù)的適合度，從而成功受精。磁性細胞分選(magneticactivated cell sorting，MACS)可用于檢測和清除精液中受損的精子，其生殖效果優(yōu)于密度梯度離心(density gradient centrifugation，DGC)等其他純化精子的常規(guī)技術(shù)。MACS具有簡單、快速、成本可控等優(yōu)點，但其性能局限于處理109個以下的精子活力參數(shù)，這極大地限制了其在養(yǎng)豬行業(yè)的適用性。利用磁性納米顆粒(magneticnanoparticles，MNP)在磁場中進行高通量檢索(即納米篩選，nanoselection)，在靶向定位、去除損傷精子方面展現(xiàn)出優(yōu)勢，可以快速、輕松地富集活動性強、有活力和可育精子的精液[78]。

3.3 提高精液質(zhì)量

氧化應(yīng)激是活性氧(ROS)產(chǎn)生過多或抗氧化防御能力下降的結(jié)果。ROS在精子成功受精過程(包括獲能、過度活化和頂體反應(yīng)等)中發(fā)揮著不可或缺的作用[79]。動物繁殖專家多年來一直在尋找不同的抗氧化系統(tǒng)來提高精子樣本質(zhì)量和精子存活率，納米技術(shù)可作為精子學(xué)的一種創(chuàng)新工具。膠囊化維生素E(12 mmol/L)能夠保護頂體的完整性，維持和保護線粒體活性，防止精子脂質(zhì)過氧化，減少ROS的產(chǎn)生。將能吸收維生素E的納米乳液與維生素E一同使用，可能是一種抗精子氧化損傷的新策略，可以考慮維生素E作為抗氧化劑應(yīng)用于輔助生殖技術(shù)中，以提高精子樣本的質(zhì)量[80]。

氧化應(yīng)激會降低精子活力和線粒體活性，還會誘導(dǎo)膜脂過氧化、DNA氧化和碎片化[81]。另外，哺乳動物的精子對氧化應(yīng)激特別敏感，缺陷精子無論是在體內(nèi)還是體外條件下都會導(dǎo)致受精失敗。因此，在精液儲存過程中提供最佳條件、防止氧化應(yīng)激是保持精子活力的先決條件。牛精液經(jīng)過納米鋅顆粒處理之后，質(zhì)膜完整性、精液中含有活性線粒體的活精子比例顯著提高，并且精子的體外受精成功率顯著提高。用鋅納米顆粒處理精液對精子活力、DNA碎片和受孕率無影響，證實了納米鋅作為抗氧化劑，不影響體外胚胎發(fā)育率，還可提高精液質(zhì)量[82]。

添加抗氧化劑雖然可以清除自由基，但它們在惡劣條件下耐久性差，在水介質(zhì)中溶解性和穩(wěn)定性較低，因此應(yīng)用存在一些局限性[83]。包封納米技術(shù)的應(yīng)用使這些問題得到了妥善解決[84]。鞣花酸是一種水溶性較差的多酚抗氧化劑[85]，添加2 mmol/L鞣花酸可以讓綿羊精液保持更高的活力和存活率[86]。而對于肉種雞精液的冷凍保存只需補充1 mmol/L鞣花酸即可改善解凍后的精子質(zhì)量，脂質(zhì)體制劑可進一步增強其效果[87]。

4 納米技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用

4.1 改善養(yǎng)殖環(huán)境

畜禽養(yǎng)殖業(yè)長期排放大量氨、氮等氣體，不可避免地對環(huán)境造成污染。第一次全國污染源普查資料顯示，農(nóng)業(yè)源的總氮(TN)排放量達271萬t，占中國主要污染物總排放量的57%，畜禽養(yǎng)殖源排放總氮占農(nóng)業(yè)源總比例約為37.6%[88]。在畜禽密集養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)常存在有害物質(zhì)排放成倍增加，甚至超出環(huán)境自凈能力的問題[89]。因此國家出臺多項政策鼓勵將畜禽糞污作為資源加以利用，改善生態(tài)環(huán)境，提升動物福利。納米膜堆肥處理技術(shù)是目前應(yīng)用較為普遍的技術(shù)之一。利用納米技術(shù)生產(chǎn)的納米膜具有選擇透過的功能，從而實現(xiàn)除臭等功能。該技術(shù)將開放式堆肥的簡便性和封閉式堆肥的環(huán)保性集于一身，具有安全環(huán)保、適用性廣、除臭迅速、簡單便利、生產(chǎn)成本低、處理效果好等諸多優(yōu)勢[90]。

清潔的養(yǎng)殖場所是畜禽健康成長的前提，對工作人員的安全健康和改善周圍的空氣和水環(huán)境也產(chǎn)生著重要影響。在大型養(yǎng)豬場中，空氣中的氨氣和二氧化碳對幼齡動物的危害更大，在夏天甚至?xí)_到最大允許濃度(0.02 mg/L)，這種情況下，可選用帶有消石灰的納米分散水溶液進行電化學(xué)凈化，此方法的優(yōu)勢在于避免向環(huán)境中釋放污染氣體。載銅硅酸鹽納米微粒不僅能提高生長豬的生長性能，還能顯著降低畜舍內(nèi)氨氣濃度，這可能有兩方面原因：一方面與硅酸鹽的結(jié)構(gòu)有關(guān)；另一方面是由于這種納米微粒能使腸道中的某些細菌數(shù)量下降，從而降低了氨氣的產(chǎn)量[91]。

4.2 去除有害物質(zhì)

納米活性炭纖維比表面積大，形成的生物膜具有強大的凈化功能，因此可用于去除養(yǎng)豬場廢水中的化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand chromium，CODcr)、氨氮、懸浮物。此工藝設(shè)備簡單、投資運行費用低，成膜后對TN的去除率為55.69%～75.42%；對水中CODcr的去除率可達58.7%～71.65%，充分說明其去除有機物能力強[92]。

氯代苯酚類化合物作為有機工業(yè)中一類重要的物質(zhì)，常用于制造農(nóng)用化學(xué)品、生物殺傷劑、殺真菌劑和一般殺蟲劑，廣泛存在于環(huán)境中，對環(huán)境造成了不可忽視的污染[93]。用槐葉提取物制備的鐵基納米顆粒(Fe NPs)主要由Fe3+、Fe2+、Fe2O3和OH-組成。在H2O2存在時，F(xiàn)e NPs作為類Fenton催化劑，催化效率達到吸附法的2.5倍之高。采用預(yù)吸附與類Fenton試劑氧化相結(jié)合時，2，4-二氯苯酚(2，4-dichlorophenol，2，4-DCP)的去除率高達64.0%。因此，功能性鐵納米粒子可作為去除氯代苯酚的新方法[94]。

根據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織報告，畜牧業(yè)所需用水超過全人類用水的8%，主要用于牲畜飼料、牧草生產(chǎn)與灌溉以及環(huán)境清潔。畜牧業(yè)不僅耗水量大，同時還是造成水污染的主要因素，未經(jīng)處理的動物排泄物、被濫用的抗生素、殺蟲劑等均可能導(dǎo)致水污染。因此，研發(fā)用于清潔或修復(fù)水環(huán)境的材料是有必要的。砷和鉻具有毒性和致癌性，去除存在于水生生態(tài)系統(tǒng)中砷和鉻是一個棘手的問題，吸附是最常用的方法之一[95]。近年來，零價鐵納米顆粒(nanoscale zero-valent iron，nZVI)作為還原劑在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用已被廣泛報道[95]。使用橡樹、桑葚和櫻桃葉提取物(OL-nZVI、ML-nZVI和CH-nZVI)合成的綠色nZVI，pH在4.0～8.0的范圍內(nèi)，該吸附劑對水溶液中的As3+和Cr6+均有較高的親和力，可用于制備環(huán)境友好、無毒、低成本的吸附劑，有望成為一種用于修復(fù)As3+和Cr6+污染的水體基質(zhì)的新型綠色材料[96]。

5 展望

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，它逐漸滲透到更多領(lǐng)域的研究中。本文歸納了納米技術(shù)在動物疾病防治、動物營養(yǎng)與健康、動物繁殖、環(huán)境保護等方面的研究，充分體現(xiàn)了納米技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，可以應(yīng)用于經(jīng)濟動物生產(chǎn)中，從而實現(xiàn)降低成本、提高質(zhì)量的目的。盡管如此，目前仍存在一些問題阻礙納米技術(shù)的推廣，廣泛使用納米產(chǎn)品是否會對環(huán)境、消費者和動物產(chǎn)生不利影響仍是未知數(shù)，如何規(guī)避納米技術(shù)帶來的弊端也是需要考慮的問題。因此，今后的研究需要著眼于消除人們對納米產(chǎn)品安全性的擔憂，進一步在多種多樣的動物模型中驗證其長期的安全性和有效性，提高納米技術(shù)在畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域應(yīng)用的普適性。