稀土元素的生物學功能及其在動物生產中的應用

鄧蒙蒙 高 慧 劉建新 王迪銘*

(1.浙江大學動物科學學院,奶業科學研究所,杭州 310058;2.浙江省畜牧技術推廣與種畜禽監測總站,杭州 310021)

稀土元素位于元素周期表中ⅢB族,包括鑭系元素鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)以及鈧(Sc)、釔(Y),是這17種金屬元素的總稱。稀土元素的發現歷史悠久,首個稀土元素是在1788年由瑞典陸軍中尉Karl Axel Arrhenius發現,他收集了黑色礦物釔礦,1794年芬蘭人Gadolin利用分級結晶法分離出釔,1947年美國人Marinsk等制得钷。據最新調查報告顯示,中國已成為全球稀土儲量最高的國家,約占全球稀土總儲量的33.8%[1]。同時,我國也是對稀土開發利用最廣泛的國家之一。2006年,歐盟禁止在飼料中使用所有促進生長的抗生素,尋找安全、高效的新型飼料添加劑成為了從業者關注的重點。近年來,由于稀土元素在提高畜禽生長及生產性能方面的功效,被認為是下一代具有功能的飼料添加劑。由于活潑的化學性質,稀土元素在哺乳動物細胞生化代謝中發揮重要催化作用,因此通常以有機或無機形式作為家禽和豬的飼料添加劑[2]。研究顯示,有機稀土元素化合物(如檸檬酸稀土、氨基酸稀土螯合鹽等)可顯著提高非反芻動物的營養物質消化率和生長性能[3-6]。同時,已有研究證實,有機稀土元素化合物對反芻動物瘤胃發酵活力也發揮積極調節作用[7-8]。前人綜述多集中在有機稀土元素化合物對畜禽生長及生產性能的影響,而無機稀土元素在動物生產中的表現少有提及。因此,本文綜述了稀土元素的理化性質、生物學功能及其在動物生產中的應用,總結并討論了有機/無機稀土元素在動物生產中應用情況,以期為利用稀土元素作為新型飼料添加劑配制飼糧提供更為全面的參考,以及為飼糧補飼稀土元素在動物實際生產過程中的應用提供廣泛的實踐參考。

1 稀土元素的理化性質

稀土元素在地殼中含量豐富[9],主要以稀土礦物形式存在,多為混合態。地殼中的稀土元素含量比銀(Ag)或汞(Hg)更高,其中以鈰含量最高,在地殼中的儲量與銅(Cu)相差無幾[10]。稀土化合物柔軟、延展性好,鑭系銅氧化物在超低溫下甚至會表現出超導性[11]。在自然界中,稀土元素主要以磷酸鹽形式存在,部分以氧化物、硅酸鹽、碳酸鹽和鹵素化合物等形式存在。稀土元素金屬的化學活性很強,對氫、碳、氮、氧、硫、磷和鹵素具有極強的親和力[12],被廣泛應用于催化反應中。近年來,稀土元素已被廣泛應用于醫學、工業和畜牧業等領域。Martin等[13]研究表明,由于鈰和鑭的原子半徑與鈣(Ca)或其他金屬離子的原子半徑相似,它們的第一電離能接近堿土金屬的電離能,可能在動物的生長與代謝中作為輔助因子取代鈣或其他金屬離子。

2 稀土元素的生物學功能

2.1 增強酶活性

酶是細胞內部生化反應加速的生物催化劑,是介導動物機體新陳代謝的生命活性物質,負責催化體內多種新陳代謝和能量轉換過程。稀土元素作為金屬活化劑,可以與酶結合,改變其構象和催化活性,激活酶活反應系統,從而促進酶的反應速率,提高營養物質的代謝效率。Ou等[14]認為,稀土元素可以誘導仔豬腸道消化酶分泌和提高腸道消化酶活性。Xun等[8]研究表明,有機檸檬酸稀土對反芻動物消化道消化酶的調節是一種不依賴劑量的方式。有機稀土元素化合物還可以提高肉牛肝臟中脂蛋白酯酶(LPL)的活性,降低脂肪酸合成酶(FAS)和蘋果酸脫氫酶(MDH)的活性[15]。有機稀土殼聚糖螯合鹽可提高雞內臟Na+-K+-ATP酶和Ca2+-Mg2+-ATP酶的活性[16]。這可能是由于稀土元素獨特的電子結構,可與蛋白質直接結合,從而影響酶的活性;同時,低濃度的稀土金屬離子進入動物體內,可促進鈣離子內流,激活Na+-K+-ATP酶的活性[17]。此外,無機稀土元素化合物三氧化二鑭(La2O3)納米顆粒和氯化鑭(LaCl3)也被證實可以增強過氧化氫酶(CAT)的活性[18]。研究發現,有機稀土殼聚糖螯合鹽能影響蛋雞十二指腸中α-淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶的活性[19],無機稀土元素化合物納米氧化鈰也能影響蛋雞腸道蛋白酶基因的表達以及胰蛋白酶的合成與分泌[20],這提示稀土元素對動物機體消化酶的調節作用可能不依賴于殼聚糖等化合物。綜上所述,稀土元素可以通過影響動物消化道或能量代謝相關酶的活性,從而影響動物的生產性能。

2.2 增強營養素吸收

作為飼料添加劑的稀土元素,可以提高動物對飼料中營養成分的消化和吸收,促進動物的生長,從而提高動物的生長性能。稀土元素可通過提高蛋白質代謝、與其他礦物元素協同或拮抗,從而提高營養素的吸收率。研究表明,飼糧添加無機稀土混合物可能會影響反芻動物消化道中消化液分泌以及其通透性,進而影響營養物質的消化和吸收[7]。在豬飼糧中添加150 mg/kg無機稀土元素,其氮、碳水化合物的吸收以及營養物質的消化率均得到了明顯提高[21]。上述結果表明無機形式稀土元素對反芻與非反芻動物的營養物質消化和吸收均有提高效果。Han等[22]研究表明,仔豬飼糧添加0.1%的有機稀土礦物酵母,可顯著提高干物質、粗蛋白質、粗脂肪、鈣、磷等營養物質的代謝率。Cai等[3]研究發現,育肥豬飼糧中添加適量有機稀土礦物酵母,其總能和干物質全消化道消化率升高,這與Han等[22]的研究結果一致。由于稀土金屬離子的性質以及結構與鈣離子相似,在動物的生長和代謝中可作為輔助因子取代或干擾鈣離子,從而影響部分生理功能,如調控營養素的吸收等。因此,根據不同階段畜禽消化酶活性的特異性,添加相應的稀土元素可有效提升動物對營養素的利用效率。

2.3 抑制細菌生長

與傳統抑菌金屬離子(如銀離子)相比,稀土金屬離子具有更好的抑菌性能,且光穩定性好、毒性低。馮小強等[23]研究發現,有機稀土殼糖胺螯合鹽可以抑制有害菌群生長,且稀土金屬離子與殼糖胺的摩爾比越高,抑菌效果越好。飼糧中添加稀土元素可以破壞感染性細菌。Zhang等[24]和Peng等[25]的體外試驗均發現,無論是有機稀土檸檬酸鹽鈰還是無機離子形式的鑭離子(La3+),均以劑量依賴的方式抑制幾種細菌的生長。楊自芳等[26]也發現,有機稀土殼糖胺螯合鹽可以顯著抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的生長。這可能是由于其可以破壞細菌的細胞壁、細胞膜,在內部抑制其分裂繁殖。無機形式的納米稀土化合物也可抑制金黃色葡萄球菌的生物膜活性,并降低微生物細胞活力[27]。此外,有機形式稀土元素的抑菌性能優于無機形式稀土元素[28]。因此,進一步開發具有關鍵致病菌靶向效力的稀土元素,將有效改善畜禽微生物源疾病的發生。

2.4 調節免疫功能

近年來的研究發現,稀土元素在動物機體免疫功能調控中發揮重要作用。稀土金屬離子具有類似腎上腺皮質激素的作用,能夠促進炎癥愈合。體外研究表明,無機離子形式的鈰離子(Ce3+)和La3+影響骨髓內血細胞的產生,并以劑量依賴的方式降低白細胞的產生[12]。Durmu等[29]發現,蛋雞飼糧中添加無機稀土元素化合物La2O3對其免疫反應有積極影響,對血清超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)活性無顯著影響,但顯著降低了血清丙二醛(MDA)含量。Cheng等[30]發現,LaCl3、氯化鈰(CeCl3)和氯化釹(NdCl3)3種稀土元素氯化物可顯著抑制小鼠血清免疫球蛋白M(IgM)含量,表明稀土元素對體液免疫具有重要的調節作用。在肉雞飼糧中添加適量的有機稀土殼糖胺螯合鹽可提高其血清和肝臟中總抗氧化能力,增加血清和空腸中白細胞介素-2(IL-2)、白細胞介素-4(IL-4)含量,降低空腸中Toll樣受體4(TLR4)/核因子-κB(NF-κB)通路相關基因表達,使空腸中IgM、分泌性免疫球蛋白A(sIgA)、免疫球蛋白G(IgG)的含量顯著提升,最終改善動物的健康狀況[31]。眾多研究均表明,稀土元素具有提高免疫細胞活性、刺激免疫球蛋白、刺激吞噬細胞吞噬病原體等多種免疫調節功能。

2.5 調節激素分泌

稀土元素對動物體內激素活性也有一定影響[5]。鑭和鈰已被證實可顯著降低豬血清中生長抑制素并提高生長激素水平,主要是由于其可以調控下丘腦-垂體軸,抑制下丘腦釋放生長抑素,并促進腦下垂體細胞分泌生長激素[32]。有機稀土殼糖胺螯合鹽可以顯著提高胰島素樣生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)mRNA在肝臟和卵巢中的表達,提高蛋雞的生產性能[33]。Qin等[34]的體外試驗表明,無機稀土氧化鈰納米顆粒通過調節小鼠睪丸間質細胞的抗氧化能力和生物時鐘(Clock)基因表達,保護睪丸的激素合成。Wang等[35]研究發現,飼糧中添加100 mg/kg無機稀土化合物LaCl3可提高育肥豬血清中生長激素含量、峰值及基線水平。飼糧中添加無機稀土混合物可顯著增加仔豬血清中三碘甲狀腺原氨酸(T3)含量[36]。高艷榮等[37]研究表明,無機稀土硝酸釹和硝酸鈰灌胃可顯著提高大鼠血清三碘甲狀腺原氨酸、四碘甲狀腺原氨酸(T4)含量,從而對內分泌系統產生影響。甲狀腺激素是生長激素發揮作用的前提條件。由此可見,稀土元素能夠通過提高動物體內相關激素的豐,從而改善動物生長性能。

2.6 調控胃腸道菌群

稀土元素在胃腸道內發揮功能,與微生物群落相互作用,最終調節營養攝取、消化和利用。前人研究表明,稀土元素通過促進胃腸道菌群的發育來促進動物生長[38]。許甲平等[39]研究表明,稀土元素鑭能與有害菌結合,影響其核酸酶活性和功能并且抑制其生長,從而使動物腸道內菌群保持平衡,提高免疫力。有機稀土殼糖胺螯合鹽能夠維持斷奶仔豬腸道微生物平衡,提高其生長性能和養分消化利用率[40]。Zhang等[41]在體外瘤胃發酵試驗中發現,添加無機稀土元素化合物LaCl3可影響反芻動物瘤胃微生物區系,降低產甲烷菌、原蟲的相對豐度,提高產琥珀酸絲狀桿菌的相對豐度。稀土元素能影響反芻動物瘤胃微生物生態系統,添加100～300 mg/kg的有機稀土檸檬酸鹽可降低綿羊瘤胃pH,并進一步持續改善瘤胃微生物蛋白合成,提高瘤胃纖維素分解細菌的活性[8]。Zhao等[42]研究發現,鈰離子濃度低于400 μg/mL時刺激大腸桿菌生長,大于等于400 μg/mL時抑制大腸桿菌生長。由此可見,低濃度的稀土元素對微生物生長起促進作用,而高濃度的稀土元素則有抑制作用。

3 稀土元素在動物生產中的應用

3.1 在家禽生產中的應用

稀土元素已被證明可以有效改善肉雞的體增重(BWG)和飼料轉化率(FCR)[12],且少量補充可增加蛋雞的產蛋量[43-44]。Lu等[19]研究表明,飼糧中添加有機稀土殼糖胺螯合鹽顯著提高了蛋雞的平均日采食量(ADFI)和平均日產蛋量,并且在一定劑量范圍內,十二指腸中α-淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶的活性也有所提高。在肉雞飼糧中補充適量有機稀土殼糖胺螯合鹽也可提高平均日增重并降低料重比,對其生長性能、免疫功能和抗氧化能力具有有益的影響[31]。有機稀土元素化合物在肉雞生產中還有降低硫化氫氣體釋放量,改善肉品質的效果[45]。飼糧中添加無機稀土元素化合物氧化鈰后,蛋雞血清鈣、磷含量顯著升高,SOD活性和MDA含量顯著降低[46]。無機稀土元素化合物納米氧化鈰作為催化劑,已被應用在家禽糞便處理中[47]。Li等[48]研究表明,在產蛋后期蛋雞飼糧中添加有機稀土元素化合物會顯著降低蛋雞的蛋殼厚度,并且在高劑量添加時顯著降低梭桿菌門和梭桿菌屬的相對豐度,同時顯著增加瘤胃球菌屬和亞顆粒球菌屬的相對豐度,對卵子質量和腸道形態產生負面影響,并改變腸道微生物群的多樣性和組成。Eleraky等[49]的研究表明,補飼有機稀土元素對日本鵪鶉的生長性能有顯著影響,可增加體重,提高飼料轉化率以及蛋白質和能量利用效率。綜上所述,補飼稀土元素可有效減少家禽機體的應激水平,優化菌群結構,最終改善其生產性能。

3.2 在豬生產中的應用

在豬生產中,稀土元素作為飼料添加劑的應用研究較多。早期研究表明,補充較高劑量的無機稀土元素化合物(LaCl3、CeCl3等)可所提高仔豬的生長性能[35-36]。補充較高劑量的有機檸檬酸稀土混合物則會降低仔豬的采食量,降低血清三碘甲狀腺原氨酸含量[4]。Cai等[3]研究表明,育肥豬的ADG和FCR隨飼糧中有機稀土礦物酵母水平的增加呈線性增加,這與Kraatz等[50]的研究結果不一致。Kraatz等[50]研究發現,在斷奶仔豬飼糧中添加200 mg/kg的有機檸檬酸稀土,對其生長性能、糞重比和糞便微生物群沒有顯著影響。這提示,稀土元素的不同添加形式、飼喂動物的不同生理階段都有可能影響稀土元素飼料添加劑的作用效果。此外,研究發現,添加稀土元素3個月對豬的肌肉、肝臟和腎臟沒有殘留影響[36]。添加有機稀土元素化合物還可以減少圍產母豬飼糧中蛋白質的用量[51]。除稀土元素混合物外,在飼糧中單獨添加100 mg/kg無機形式的鑭可使豬的ADG和FCR分別提高12.95%和6.78%[35]。在Han等[22]的試驗中,飼喂斷奶仔豬添加了抗生素、氧化鋅和有機稀土礦物酵母的3種飼糧后,添加有機稀土礦物酵母組仔豬的干物質、粗蛋白質、鈣、磷、組氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和纈氨酸的消化率和總能均顯著高于添加氧化鋅組,添加抗生素組豬的養分消化率往往介于添加有機稀土礦物酵母組和添加氧化鋅組之間,而生長性能卻沒有顯著差異,表明有機稀土礦物酵母可以作為保育豬飼糧中的生長促進劑。在生產實踐中,有機形式與無機形式的稀土元素飼料添加劑可能會因其稀土元素含量不同可能造成生產表現差異,這提示需要進一步確定添加劑中稀土元素的最佳含量,從而補飼合適劑量的稀土元素,提高豬生長相關激素水平,提高其免疫能力及營養物質消化率,最終提高豬的生產性能。

3.3 在反芻動物生產中的應用

與單胃動物相比,稀土元素飼料添加劑還未廣泛應用在反芻動物生產中。前人研究表明,添加無機形式的稀土氧化物和稀土硝酸鹽可以提高育肥牛的日增重和奶牛的產奶量[12]。稀土元素在改善反芻動物瘤胃微生物區系、提高飼料利用率方面也有顯著成效。在反芻動物飼糧中添加無機稀土元素化合物可顯著提高瘤胃對中性洗滌纖維(NDF)的利用度[52],增加揮發性脂肪酸(VFA)含量[7]。在肉牛飼糧中添加無機稀土元素化合物LaCl3,隨著添加量的增加,瘤胃中總揮發性脂肪酸(VFA)和丙酸含量呈線性和二次增長,表明飼糧中添加LaCl3改善了肉牛的瘤胃發酵[52]。Adu等[53]研究發現,添加無機稀土元素化合物La2O3使西非矮羊體重增加,但其血清和血液學指標沒有顯著變化。Xu等[15]研究表明,飼糧中添加檸檬酸稀土對肉牛的生長性能和胃腸道消化率有積極反應,400 mg/kg組的ADFI最大,ADG最佳,料重比最小,且檸檬酸稀土的添加可以有效地調節瘤胃微生物群,促進瘤胃纖維的消化率,抑制脂質沉積,提高肌肉粗蛋白質含量[54]。李浩等[55]的研究也表明,飼糧中添加有機稀土殼糖胺螯合鹽對水牛犢牛的生長性能和養分表觀消化率有提高作用,且能夠調節瘤胃菌群結構,以0.06%添加水平效果較佳。Renner等[56]發現,在公牛飼糧中補充適量檸檬酸稀土時,外周血單核細胞的增殖明顯增高,表明稀土元素可能在增強牛免疫系統方面發揮潛在作用。綜上所述,給反芻動物補飼一定劑量的稀土元素可以改善瘤胃環境,提高飼糧中營養物質的利用率,進而提高其乳品質、肉品質等生產性能以及生長性能。

3.4 在其他動物生產中的應用

研究表明,飼料中添加300 mg/kg有機稀土殼糖胺螯合鹽時,大菱鲆的生長性能、血清中細菌吞噬指數及SOD活性均得到提高;但超過一定劑量時,會使魚體蛋白質組分、脂類含量降低,免疫能力降低,血清中SOD活性和MDA含量降低[57]。給大鼠靜脈注射無機稀土元素化合物La2O3納米顆粒對其無不良影響[58]。Nikitchenko等[59]研究發現,無機稀土基原釩酸鹽納米顆粒(OV NPs)對Wistar大鼠肝臟和血液中的氧化/抗氧化平衡具有與年齡相關的有益作用;進一步研究表明,OV NPs不僅具有直接的抗氧化作用,而且對生物能量過程的輕微抑制以及對谷胱甘肽依賴性抗氧化系統的觸發可能是它們對衰老生物體有益影響的主要機制[60]。Ladipo等[61]研究發現,飼糧中添加無機稀土元素化合物氧化鈰可顯著改善兔的ADFI、BWG和FCR,并且對血清生化指標和血液學指標無顯著影響。本課題組前期研究發現,無機稀土元素化合物四氟化釔鈉(NaYF4)納米顆粒在未改變小鼠代謝活動的情況下,通過提高肝臟羧酸酯酶(Ces2h)表達,降低了肝臟甘油三酯和膽固醇含量,即減少了中性脂質的積累,減輕了體重和肝臟脂肪變性[62],這對調節遺傳性肥胖及高脂飲食引起的肥胖和脂肪肝疾病具有重要意義。因此,在未來,新形式的稀土元素可能會被更加廣泛地研究并且應用到動物生產實踐中去。

4 小結與展望

綜上所述,稀土元素具有獨特的理化性質,在動物體內可參與多種代謝過程,并在畜禽高效生產和健康維持方面發揮重要作用[63]。目前,大部分研究主要聚焦于稀土元素化合物或混合物在動物生產上的應用,而單個稀土元素在動物生產方面的應用研究有待進一步探索。在前人研究基礎上,今后應進一步挖掘稀土元素在酶活性調節、營養素吸收代謝、致病微生物殺滅、免疫功能調節、激素分泌調控等方面的功能,可為進一步優化動物生長表型和提升牧場經濟效益提供新的思路;進一步探究不同形式稀土元素對動物生產的不同影響,可為新形式稀土元素的應用及高效安全飼料添加劑的開發提供參考;進一步研究稀土元素劑量效應,并針對動物種類、生理狀態等因素開展系統試驗,明確稀土元素最佳添加量,可為稀土元素在動物飼糧中的推廣和動物生產中的實際應用提供更多、更權威的數據。