徐偉偉，殷運(yùn)菊，閆昭明，唐小懿，陳清華*

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 湖南百宜飼料科技有限公司，湖南 瀏陽 410300)

微量礦物元素在動(dòng)物機(jī)體中占比小于0.01%，在動(dòng)物生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖以及代謝中起到不可替代作用[1]。微量礦物元素以來源分為有機(jī)與無機(jī)2類。有機(jī)微量元素最早一般指葡萄糖酸鋅、富馬酸亞鐵等有機(jī)酸類，隨著技術(shù)發(fā)展，后來出現(xiàn)金屬氨基酸螯(絡(luò))合物、金屬蛋白鹽及多糖復(fù)合物等[2]，也有以酵母硒等為代表的酵母型微量元素[3]。無機(jī)微量元素的發(fā)展經(jīng)歷無機(jī)鹽時(shí)代和無機(jī)鹽包被時(shí)代，無機(jī)微量元素在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用較為廣泛，其優(yōu)勢(shì)在于利用方便，價(jià)格低廉，但其缺點(diǎn)也暴露無疑，畜禽養(yǎng)殖中，無機(jī)微量元素添加量往往遠(yuǎn)大于NRC推薦量，這使得畜禽糞便中銅、鐵、鋅、錳等金屬元素超標(biāo)，農(nóng)田長(zhǎng)期大量使用這些畜禽糞便，會(huì)使其在土壤富集，使土壤板結(jié)、破壞土壤微生物組成、影響作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收，最終還可能通過食物鏈傳遞作用對(duì)人類健康造成危害[4-6]。

1 微量礦物元素離子吸收機(jī)制探究

微量元素進(jìn)入消化系統(tǒng)后被胃腸道上皮細(xì)胞吸收，進(jìn)入血液后才能供組織細(xì)胞利用，進(jìn)入胃腸道的微量元素主要被小腸吸收，部分可以被胃和其他腸段吸收。

1.1 Cu的吸收代謝機(jī)制

Cu在動(dòng)物機(jī)體中承擔(dān)著合成血紅蛋白和激活機(jī)體正常代謝及發(fā)育所需多種相關(guān)酶的合成。Cu2+的吸收大都發(fā)生在小腸，當(dāng)Cu2+穿過腸腔進(jìn)入門靜脈循環(huán)系統(tǒng)，隨血液運(yùn)輸至肝臟，肝臟是分配機(jī)體Cu2+利用與代謝的重要樞紐，一部分Cu2+在肝臟中會(huì)被動(dòng)員至外周組織，另一部分則會(huì)被分泌到膽汁中排泄至體外[7]。在腸道粘膜細(xì)胞外側(cè)存在Reductase蛋白，可將Cu2+還原為Cu+，小腸黏膜上皮細(xì)胞中的特異性銅轉(zhuǎn)移蛋白(copper transport protein 1，Ctr1)對(duì)Cu+有高親和力，將Cu+轉(zhuǎn)運(yùn)至小腸上皮細(xì)胞內(nèi)，Cu+會(huì)與銅依賴性酶結(jié)合或通過Cu+轉(zhuǎn)運(yùn)P型蛋白ATPase ATP7A從細(xì)胞膜外側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)在血液中[8]。Cu通過門靜脈轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟，再通過體循環(huán)和未知蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至外周組織，過量的銅會(huì)通過膽汁排出體外。

研究表明，在豬腸道上皮細(xì)胞模型中，添加30 μmol/L和120 μmol/L銅蛋白螯合物可以顯著提高超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)蛋白表達(dá)水平，相反30 μmol/L和、120 μmol/L硫酸銅處理會(huì)使細(xì)胞內(nèi)丙二醛含量顯著升高，并顯著下調(diào)ATP7A基因表達(dá)量，在120 μmol/L甘氨酸螯合銅處理下ASCT2基因表達(dá)顯著上調(diào)，表示氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)增多[9]。

1.2 Fe的吸收代謝機(jī)制

Fe元素對(duì)于動(dòng)物機(jī)體各類細(xì)胞及蛋白質(zhì)合成都有重要意義，其中包括氧轉(zhuǎn)移蛋白、血紅蛋白及參與電子轉(zhuǎn)移的氧化還原酶[10]。以上物質(zhì)均為動(dòng)物機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育代謝所必需的，缺Fe會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體發(fā)生缺鐵性貧血，相反，機(jī)體內(nèi)游離的Fe元素過多會(huì)導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生疾病，例如肝損傷、肝硬化、纖維化及 腸道炎癥[11]。

在解剖學(xué)上，F(xiàn)e主要在十二指腸絨毛的上半部分腸上皮細(xì)胞中吸收[12]。飼料中的Fe主要以不易溶解的Fe3+的形式存在，在轉(zhuǎn)運(yùn)前通過Fe還原蛋白細(xì)胞色素氧化酶(duodenal cytochrome b，DCYTB)還原為溶解度更高的Fe2+形式，還原后的Fe2+主要通過二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體(divalent metal-ion transporter-1,DMT1)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，當(dāng)機(jī)體內(nèi)Fe元素充足時(shí)，多余的Fe元素會(huì)通過鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin-1，F(xiàn)PN1)排出細(xì)胞外[13-15]。排出后的Fe2+會(huì)被鐵調(diào)素(hepcidin，HEPC)氧化為Fe3+，F(xiàn)PN1與膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)輔助蛋白(recombinant，hephaestin，HEPH)參與這一過程，共同調(diào)節(jié)鐵元素的排出[16-17]。Shawki等[18]研究發(fā)現(xiàn)，通過將小鼠腸道中二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體(divalent metal-ion transporter-1，DMT1)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)基因靜默后研究其對(duì)機(jī)體Fe運(yùn)輸?shù)闹匾?，通過這一試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，敲除DMT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的小鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的小細(xì)胞低色素性貧血、心臟以及脾臟腫大，血鐵及組織非血紅素鐵儲(chǔ)存減少，而二價(jià)錳、鋅等離子并未減少，這揭示了DMT1可能是機(jī)體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)Fe元素的主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。同樣，也有試驗(yàn)證明，飼料中的Fe主要以不易溶解的Fe3+的形式存在，在轉(zhuǎn)運(yùn)前通過Fe還原蛋白細(xì)胞色素氧化酶(duodenal cytochrome b，DCYTB)還原為溶解度更高的Fe2+形式，還原后的Fe2+主要通過二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體(divalent metal-ion transporter-1，DMT1)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，這也印證了DMT1對(duì)Fe2+運(yùn)輸?shù)闹匾浴．?dāng)機(jī)體內(nèi)Fe元素充足時(shí)，多余的Fe元素會(huì)通過鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin-1，F(xiàn)PN1)排出細(xì)胞外[13-15]。排出后的Fe2+會(huì)被鐵調(diào)素(hepcidin，HEPC)氧化為Fe3+，F(xiàn)PN1與膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)輔助蛋白(recombinant，hephaestin，HEPH)參與這一過程，共同調(diào)節(jié)鐵元素的排出[16-17]。

哺乳動(dòng)物對(duì)于過量Fe元素的排泄并未有清晰的生理機(jī)制，機(jī)體中Fe元素的排出可通過黏膜細(xì)胞的脫落和失血等方式排出，動(dòng)物機(jī)體全身的鐵穩(wěn)態(tài)主要通過調(diào)節(jié)小腸對(duì)鐵元素的轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)現(xiàn)[19]。目前所知?jiǎng)游餀C(jī)體唯一排泄鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin，F(xiàn)PN)，發(fā)揮作用時(shí)受肝素的調(diào)節(jié)，在維持機(jī)體鐵平衡中起關(guān)鍵作用，當(dāng)畜禽機(jī)體FPN基因表達(dá)異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體鐵積累過量，從而造成機(jī)體損傷[20-21]。

1.3 Mn的吸收代謝機(jī)制

Mn元素對(duì)于動(dòng)物生長(zhǎng)有重要作用，在細(xì)胞生長(zhǎng)、神經(jīng)發(fā)育、免疫及抗氧化等過程中起關(guān)鍵作用[22]。Mn元素在動(dòng)物飲食中存在形式主要是Mn2+，Mn2+在小腸中的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制尚未完全清晰。目前已知Mn2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要有ZIP8(SLC39A8)、ZIP14(SLC39A14)和ZNT10(SLC30A10)，動(dòng)物機(jī)體Mn穩(wěn)態(tài)主要依靠腸、肝中存在的以上3種轉(zhuǎn)運(yùn)體[22]。ZIP家族轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白控制金屬離子從細(xì)胞外液轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，ZNT家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則控制金屬離子從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，這兩類轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白廣泛存在于動(dòng)物機(jī)體的腸道和肝臟中[23]。前人的研究表明，ZIP8基因編碼的蛋白質(zhì)能夠轉(zhuǎn)運(yùn)Zn2+、Fe2+、Mn2+等多種二價(jià)陽離子[24-26]。試驗(yàn)人員將小鼠ZIP8基因敲除，小鼠肝、腦、腎、心等多臟器中錳含量顯著降低，并在相關(guān)細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)中，ZIP8-I-KO小鼠細(xì)胞組織的鐵和鋅水平與對(duì)照組相比并無差異，這揭示了ZIP8的主要功能是調(diào)節(jié)錳的吸收代謝[27]。ZIP14轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以轉(zhuǎn)運(yùn)包括鋅、鐵和錳在內(nèi)的多種金屬離子進(jìn)入細(xì)胞。ZIP14基因在肝臟中表達(dá)最高，在控制全身錳穩(wěn)態(tài)中起到關(guān)鍵作用，有研究者證明，缺乏ZIP14基因，會(huì)阻礙肝臟對(duì)錳的吸收以及通過膽管排泄這一過程，進(jìn)而導(dǎo)致錳在血液及肝外組織中積累，造成機(jī)體高錳[28-29]。ZNT10是動(dòng)物機(jī)體中重要的Mn排泄轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，研究人員發(fā)現(xiàn)，缺乏ZNT10轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的斑馬魚體內(nèi)錳含量顯著增加，而機(jī)體鐵和鋅的水平與對(duì)照組相比無顯著差異[30]。也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ZNT10敲除小鼠的肝臟、大腦和血液中錳含量顯著升高，同樣，其體內(nèi)鐵和鋅含量與對(duì)照組相比，并無顯著差異，這揭示了ZNT10轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在錳的排泄過程中起到關(guān)鍵作用，其為錳排泄的主要通道[31]。還有研究表明，小腸黏膜細(xì)胞表面的DMT1蛋白也參與Mn2+的轉(zhuǎn)運(yùn)，但這一轉(zhuǎn)運(yùn)方式并不是Mn元素主要轉(zhuǎn)運(yùn)途徑[32]。

1.4 Zn的吸收代謝機(jī)制

Zn元素是動(dòng)植物生長(zhǎng)必須的微量元素，在動(dòng)物體內(nèi)含量在過度金屬中僅次于Fe。Zn與真核細(xì)胞中超10%的蛋白質(zhì)結(jié)合[33]。Zn缺乏會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體生長(zhǎng)、免疫及大腦功能受損。過量的Zn可能對(duì)細(xì)胞有毒害作用，其作用機(jī)制可能是Zn與金屬蛋白結(jié)合，從而抑制蛋白功能。對(duì)于動(dòng)物機(jī)體健康而言，Zn穩(wěn)態(tài)主要是通過調(diào)節(jié)胃腸道對(duì)Zn的吸收及排泄來實(shí)現(xiàn)[34]。

Zn以二價(jià)陽離子形式存在時(shí)，在細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不需要?dú)v經(jīng)氧化還原反應(yīng)，其轉(zhuǎn)運(yùn)方式與Cu2+、Fe2+相似，鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)與調(diào)控中起關(guān)鍵作用，Zn的吸收與排泄依靠?jī)深愪\轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC30A(ZnT)和Zrt-[35]。在目前所發(fā)現(xiàn)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中，SLC39A(ZIP4)對(duì)腸道鋅轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)最大，當(dāng)ZIP4基因突變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體缺乏鋅元素，從而發(fā)生腸病性肢端皮炎，表現(xiàn)為毛發(fā)脫落和腹瀉[33]。將小鼠中ZIP4相關(guān)基因敲除后會(huì)導(dǎo)致小鼠死亡，飼喂高鋅日糧則會(huì)延長(zhǎng)小鼠壽命，這一現(xiàn)象說明ZIP4在正常飲食下承擔(dān)了機(jī)體大部分Zn的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)工作，同時(shí)也證明，除ZIP4還有可以轉(zhuǎn)運(yùn)鋅離子的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑[36]。通常情況下，ZIP家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)金屬?gòu)募?xì)胞外液或細(xì)胞內(nèi)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，然而，ZnT蛋白負(fù)責(zé)的是將金屬?gòu)募?xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外液[37]。

腸上皮細(xì)胞吸收的鋅有可能是通過ZnT1轉(zhuǎn)運(yùn)至門靜脈，進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)。在果蠅中ZnT1直系同源物體ZnT1定位于腸上皮細(xì)胞基底外側(cè)膜，這證明ZnT1在鋅輸出中起關(guān)鍵作用[38]。ZnT1將鋅轉(zhuǎn)運(yùn)至門靜脈后，鋅與白蛋白和α2-巨球蛋白結(jié)合從而轉(zhuǎn)運(yùn)至外周組織，可通過胞吐等方式脫落排除[39]。

研究發(fā)現(xiàn)，不管飼糧中添加蛋氨酸鋅還是硫酸鋅都會(huì)增加蛋雞小腸、肝臟、十二指腸和空腸中鋅元素含量，這表明無論添加何種來源的鋅元素都會(huì)增加機(jī)體吸收。其中肝臟鋅元素含量最高、十二指腸鋅元素含量最低，這可能是不同器官對(duì)鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)不同導(dǎo)致[40]。

綜上，動(dòng)物機(jī)體無機(jī)微量元素Fe、Cu、Mn和Zn的主要吸收部位在腸道，通過腸道黏膜上的各種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及離子通道吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，部分金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白見表1。

表1 部分金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白存在部位及主要轉(zhuǎn)運(yùn)的離子

2 單胃動(dòng)物機(jī)體有機(jī)微量礦物元素吸收途徑

有機(jī)微量元素多以復(fù)合物形式存在，金屬氨基酸絡(luò)合物、蛋白螯合鹽、有機(jī)酸與酵母培養(yǎng)物為主流產(chǎn)品。各種產(chǎn)品其金屬離子都通過離子鍵等方式與載體結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度與載體種類及結(jié)合方式有顯著相關(guān)性。

有研究指出，氨基酸螯合微量元素在小腸轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，可完整轉(zhuǎn)運(yùn)至小腸上皮細(xì)胞內(nèi)，并非利用小腸金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道。金屬微量元素被螯合物包裹在中心，其金屬螯合物可以以整體形式通過氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制或胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)[41]。

利用有機(jī)銅替代無機(jī)銅在豬的應(yīng)用中表現(xiàn)出更高的利用率和更低的排泄量，提高了豬的生長(zhǎng)性能[42]。同時(shí)，有學(xué)者研究[43]也得出了類似的結(jié)果，甘氨酸銅在育肥豬中可以促進(jìn)機(jī)體對(duì)銅的吸收，并且可以改善腸道微生物群，減少銅的排泄。有研究表明，有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物，如蛋白鹽可以附著在腸肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(peptide transporter，PepT1)上，PepT1是一種二肽與三肽轉(zhuǎn)運(yùn)體，PepT1轉(zhuǎn)運(yùn)體沒有過度特異性，除二肽與三肽外還可以轉(zhuǎn)運(yùn)其它分子，但是現(xiàn)有研究還沒有證實(shí)PepT1轉(zhuǎn)運(yùn)體是使有機(jī)銅吸收率變高的原因[44]。

也有研究表明，蛋氨酸螯合鋅可通過氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)等其它吸收途徑吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。在蛋雞飼糧中補(bǔ)充蛋氨酸螯合鋅與硫酸鋅，結(jié)果顯示，蛋氨酸螯合鋅可以改善腸道健康，提高機(jī)體鋅的利用率，減少鋅排放對(duì)環(huán)境的污染[45]。當(dāng)用有機(jī)微量礦物元素替代無機(jī)微量礦物元素可以改善肉雞肌肉品質(zhì)，包括減少滴水損失，改善肉色等[46]。但在另一試驗(yàn)中，添加不同來源的錳對(duì)肉雞小腸氨基酸和小肽的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白mRNA表達(dá)量沒有影響，但其DMT1和FPN1相關(guān)基因表達(dá)量卻顯著上升，機(jī)體吸收猛可能是提高肉雞十二指腸DMT1表達(dá)的原因[47]。Yu等[48]對(duì)肉雞飼喂不同鋅源的飼料發(fā)現(xiàn)，有機(jī)鋅的吸收率要遠(yuǎn)高于無機(jī)鋅，并且有機(jī)鋅螯合越緊密其吸收率就越高，這揭示了有機(jī)鋅其金屬離子與配體螯合越緊密其被整體轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)的可能性就越高。同樣，在飼喂不同來源鋅時(shí)肉雞也表現(xiàn)出了相同的結(jié)果[49]。在用有機(jī)微量元素與無機(jī)微量元素對(duì)比喂養(yǎng)蛋雞試驗(yàn)中，有機(jī)微量元素在一定濃度下表現(xiàn)出對(duì)蛋雞的生產(chǎn)性能有顯著提高作用[50]。還有研究表明，利用蛋氨酸螯合有機(jī)微量元素復(fù)合包替代無機(jī)微量元素飼喂肉鴨，按照推薦量的50%添加有機(jī)微量元素復(fù)合包不影響其生長(zhǎng)性能、屠宰性能及免疫性能，并且可以減少糞便中微量元素排泄[51-52]。

3 小結(jié)

綜上所述，目前關(guān)于畜禽機(jī)體無機(jī)微量元素吸收機(jī)制的研究較為清晰，但有機(jī)微量元素的研究較少，吸收途徑可能存在2種：其一是，進(jìn)入畜禽腸道后分解為金屬離子，并通過離子通道吸收。其二是通過相應(yīng)配體的吸收通道被小腸直接吸收。有機(jī)微量元素在體內(nèi)的吸收途徑更為廣泛，其吸收速率要高于單一吸收通道的無機(jī)微量元素，這也可能是有機(jī)微量元素在畜禽中利用率較高的原因之一。目前對(duì)于有機(jī)微量元素在畜禽機(jī)體中吸收機(jī)制的研究尚且存在以下幾點(diǎn)問題：1)有機(jī)微量元素在畜禽機(jī)體內(nèi)吸收機(jī)制尚不完全清晰，還需加強(qiáng)研究；2)有機(jī)微量元素在畜禽生產(chǎn)中的添加劑量尚未制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要探究在不同動(dòng)物中合理的添加量；3)有機(jī)微量元素替代無機(jī)微量元素對(duì)環(huán)境污染的改善作用目前還未完全清晰，有待相關(guān)研究。