納米氧化鋅在畜牧生產(chǎn)中的研究進(jìn)展

吳 勝，彭 艷

（上海美農(nóng)生物科技股份有限公司，上海 201807）

鋅是一種重要的微量元素，是國際生物化學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)盟（IUBMB）規(guī)定的六類酶中唯一的金屬，具有廣泛的生物活性，其不能在體內(nèi)儲存，需要定期通過飲食攝入來滿足生理需要，在生物系統(tǒng)中鑒定的200多種鋅酶中起催化、合成和調(diào)節(jié)作用[1]。在DNA和RNA等大分子的聚合組織、蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞分裂和生物膜的穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著重要的作用[2]。從生理學(xué)上講，鋅對于生長發(fā)育、性成熟和生殖、暗視覺適應(yīng)、嗅覺和味覺活動、胰島素的儲存和釋放、減輕疼痛、抗氧化應(yīng)激以及各種宿主免疫防御等都是至關(guān)重要的[3]。

納米氧化鋅是指粒徑為1~100 nm的氧化鋅納米粒子，隨著粒徑變小，其理化特性從根本上發(fā)生改變，生物學(xué)活性更高，作為飼料添加劑比普通氧化鋅具有更多的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。在動物日糧中少量添加，可以達(dá)到比高劑量普通氧化鋅更好的抗腹瀉促生長效果，同時避免高劑量氧化鋅對環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)[6]。因此，本文就納米氧化鋅的特性、在動物體內(nèi)的吸收方式以及在動物健康上的主要作用和機(jī)制進(jìn)行綜述，旨在為納米氧化鋅在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 納米氧化鋅的特性

1.1 生物學(xué)活性高

納米氧化鋅的粒徑較小，具有比普通氧化鋅更高的比表面積和更多表面原子數(shù)，這些表面的Zn和O原子未按照比例排列，導(dǎo)致部分氧或者鋅空缺，表面的空缺易于捕獲和束縛電子形成O2-，從而導(dǎo)致表面生成質(zhì)子空穴h+，h+易與其他原子結(jié)合，具有不飽和性和極強(qiáng)生物學(xué)活性[7]。極小的粒度也賦予納米氧化鋅在組織內(nèi)被動擴(kuò)散的能力，減少對配體、載體和能量的需要，能夠透過組織間隙迅速吸收到達(dá)機(jī)體各個部位[8]。極細(xì)的納米氧化鋅能夠增加和腸道絨毛接觸的面積，增加氧化鋅和腸絨毛的作用位點(diǎn)，更容易被動物吸收利用。馬恒東等應(yīng)用翻轉(zhuǎn)腸囊法研究仔豬小腸對納米氧化鋅、飼料級ZnSO4和ZnO的吸收率，結(jié)果表明，納米氧化鋅的吸收速率較另外兩種氧化鋅高出1倍以上[9]。

1.2 殺菌效果好

納米氧化鋅具有廣泛的抗菌活性，除了粒徑大小對抗菌活性有顯著的影響外，納米氧化鋅的濃度及作用時間對抗菌活性也存在一定的影響。目前主流的幾種觀點(diǎn)：納米氧化鋅通過極大的比表面積和在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧（ROS）來發(fā)揮抑菌作用[10]。納米氧化鋅具有光催化性，在可見光和紫外光的照射下可產(chǎn)生光學(xué)毒性，殺死細(xì)菌[11]。曲敏利等研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅的抑菌半徑是普通氧化鋅的2倍以上，同時在可見光的條件下，納米氧化鋅抑菌效果更好[12]。

1.3 安全性高

納米氧化鋅在動物飼料中因添加量少、不產(chǎn)生抗藥性而避免了高劑量普通氧化鋅對環(huán)境的污染和抗生素的耐藥性問題。其極大的比表面積能夠更好地在動物腸道內(nèi)發(fā)揮氧化鋅的藥理作用，同時能夠吸附飼料中的霉菌毒素，減少這些毒素和病原菌對腸上皮黏膜的吸附。納米氧化鋅還能夠利用自身極強(qiáng)的化學(xué)活性，吸收紫外光進(jìn)行光催化降解氨和廢水中的有機(jī)物，改善動物舍內(nèi)環(huán)境[13]。

2 納米氧化鋅在動物體內(nèi)的吸收方式

納米氧化鋅經(jīng)口進(jìn)入胃腸道后，首先在胃內(nèi)酸性環(huán)境下被分解成Zn2+，胃酸pH的大小、納米氧化鋅粒徑的大小和濃度是影響納米氧化鋅解離率的重要因素[14]。Bian等研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅在不同pH的鹽酸溶液中的溶解度不同，當(dāng)鹽酸溶液的pH為1、3、6時，100 mg·L-1的納米氧化鋅溶解率分別為92%、40%、10%，同時15 nm的氧化鋅顆粒溶解率較15和240 nm氧化鋅納米顆粒更高[15]。Yan等將納米氧化鋅和普通氧化鋅溶解在pH為1.5的模擬胃液中，當(dāng)兩種氧化鋅濃度＜5 mg·mL-1時，納米氧化鋅（98.2%）和普通氧化鋅（97.8%）大量溶解在上清液中；當(dāng)兩種氧化鋅濃度增至5~8 mg·mL-1時，模擬胃液中的Zn2+含量較少，4 h內(nèi)含量幾乎恒定，兩種氧化鋅在胃中的溶解率隨著氧化鋅濃度的增加而逐漸減小[14]。

進(jìn)入腸道內(nèi)的納米氧化鋅一部分是已被胃酸分解成的Zn2+，另一部分以納米粒子的形式進(jìn)入小腸。進(jìn)入小腸內(nèi)的Zn2+在動物機(jī)體內(nèi)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)與SLC39（ZIPs）和 SLC30（ZnTs）蛋白家族有關(guān)[16-17]。其中的ZIPs負(fù)責(zé)從胞外或者胞內(nèi)小泡轉(zhuǎn)運(yùn)Zn2+到細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)胞內(nèi)的鋅含量升高后，ZnTs負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)Zn2+至胞外，或者使細(xì)胞質(zhì)中的Zn2+轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞器中。而鋅的儲存和釋放受金屬硫蛋白家族（MTs）的重要影響，富半胱氨酸腸蛋白（CRIP）可與Zn2+結(jié)合，促進(jìn)鋅吸收，MTs可抑制CRIP和Zn2+結(jié)合[18]。楊鵬飛等通過給小鼠灌胃的形式研究納米氧化鋅在胃腸道內(nèi)的吸收特點(diǎn)，單次灌胃4 h后，十二指腸中與Zn2+吸收相關(guān)基因僅ZIP5上調(diào)，與Zn2+轉(zhuǎn)出相關(guān)基因ZnT2和ZnT4表達(dá)上調(diào)[19]。而MT1和MT4儲存和釋放相關(guān)蛋白基因上調(diào)，表明十二指腸并沒有吸收過量的Zn2+，而是通過內(nèi)吞和轉(zhuǎn)胞吞作用吸收納米粒子，吸收胞外的納米氧化鋅進(jìn)入胞內(nèi)再分解出Zn2+供機(jī)體利用[20]。試驗(yàn)結(jié)果表明，納米氧化鋅主要在十二指腸和空腸中以納米顆粒和Zn2+的形式被吸收[19]。

3 納米氧化鋅對動物的主要作用和機(jī)制

同傳統(tǒng)鋅源一樣，納米氧化鋅在動物健康上發(fā)揮著重要的作用，納米氧化鋅對動物健康的影響見附表[21-31]。

附表 納米氧化鋅對動物健康的影響

3.1 提高動物生長性能

納米氧化鋅可作為生長促進(jìn)劑加入動物飼料中，可提高動物生長性能，改善飼料利用率，提升畜禽養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益[21,23]。研究表明，在仔豬日糧中添加納米氧化鋅0、600 mg·kg-1和普通氧化鋅2 000 mg·kg-1，納米氧化鋅和普通氧化鋅組可顯著降低仔豬的腹瀉率，日增重分別提高11和14 g[22]。Mishra等觀察到納米氧化鋅可以顯著提高肉雞血清葡萄糖和堿性磷酸酶（ALP）水平，降低丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（ALT）的含量，促進(jìn)肉雞的生長[23]。納米氧化鋅通過為動物機(jī)體提供Zn，促進(jìn)機(jī)體激素和酶的合成，加速蛋白質(zhì)合成及傷口的愈合，產(chǎn)生能量，刺激小腸絨毛生長，降低腹瀉率，提高動物的生長性能[24-25]。

3.2 抑菌作用

大量研究報道，金屬氧化鋅納米顆粒具有抗菌活性，通過局部殺死細(xì)菌或減緩細(xì)菌的生長達(dá)到抑菌的目的，且對周圍組織無毒[32]。納米氧化鋅對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有抑菌作用，并且對抗高溫和高壓的孢子也同樣有效[33]。進(jìn)入腸道內(nèi)的Zn2+代謝平衡對細(xì)菌的存活至關(guān)重要，這些Zn2+可與細(xì)菌表面存在的蛋白質(zhì)巰基基團(tuán)（-SH）反應(yīng)[34]。蛋白基團(tuán)通過細(xì)胞壁突出來運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)，Zn2+能夠使這些蛋白失活并進(jìn)入菌體內(nèi)部，破壞電子傳遞系統(tǒng)的酶，進(jìn)而降低膜的通透性并最終誘導(dǎo)細(xì)菌死亡[35]。有研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子的尺寸大小與抗菌活性呈反比，納米氧化鋅粒徑越小，抗菌活性越好[36]。納米氧化鋅擁有極大的比表面積，更易與細(xì)菌膜發(fā)生相互作用，破壞菌體細(xì)胞壁，引起納米粒子的細(xì)胞內(nèi)化，改變菌體的形態(tài)和釋放菌體內(nèi)容物，并且誘導(dǎo)細(xì)菌體內(nèi)氧化應(yīng)激基因的表達(dá)[37]。除了上述兩種抑菌機(jī)制以外，納米氧化鋅粒子能夠在菌體細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS也被認(rèn)為是1種重要的抑菌機(jī)制，誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS能引起一系列的生化反應(yīng)，其中的羥基自由基和超氧化物離子立即與菌膜相互作用，導(dǎo)致脂膜多不飽和磷脂組分的過氧化，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)鈣通量、線粒體去極化和質(zhì)膜泄漏，最終誘導(dǎo)細(xì)菌死亡[38-39]。Barreto等在仔豬日糧中加入粒徑為17 nm的納米氧化鋅，對仔豬腸道內(nèi)的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有良好的抑菌活性[40]。

3.3 提高動物免疫性能

在人類和動物的多次試驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)，缺鋅將減弱機(jī)體的免疫反應(yīng)和抗病能力，補(bǔ)充鋅能夠提高動物細(xì)胞和體液免疫應(yīng)答機(jī)能，促進(jìn)初乳和血清中免疫球蛋白水平的增加[41]。研究表明，小鼠灌胃納米氧化鋅后，小腸組織中的sIgA的表達(dá)顯著上調(diào)，影響?zhàn)つす逃袑觭IgA的合成和分泌，提高機(jī)體免疫力；促炎性因子IL-1β、IFN-γ和抗炎性因子IL-10含量升高，有效阻止病原微生物的入侵，降低小鼠腸道炎癥反應(yīng)[19,29,42-43]。納米氧化鋅處理組的SOD1、SOD2和CAT均上調(diào)，SOD1主要編碼銅、鋅超氧化物歧化酶，主要分布在細(xì)胞中，保護(hù)細(xì)胞抵御自由基的損傷作用；SOD2可編碼錳超氧化物歧化酶，廣泛存在線粒體中，清除線粒體產(chǎn)生的活性氧，通過提高SOD和CAT的表達(dá)，提高腸道組織的抗氧化能力，進(jìn)而提高動物的免疫應(yīng)答能力[44]。Sahoo等在肉雞日糧中添加納米氧化鋅0.06 mg·kg-1體重，與傳統(tǒng)基礎(chǔ)日糧中添加有機(jī)和無機(jī)鋅15 mg·kg-1相比，顯著改善肉雞的健康狀況（低血膽固醇、高ALT）和免疫力[45]。

3.4 提高動物繁殖性能

在動物繁殖性能方面，鋅是維持下丘腦-垂體-性腺軸發(fā)揮正常功能的重要微量元素。性腺功能減退是人類觀察到鋅缺乏癥的一個突出特征[46]。研究發(fā)現(xiàn)，在鋅缺乏的大鼠和公豬中發(fā)現(xiàn)了附屬性腺延遲生長、發(fā)育和睪丸萎縮的現(xiàn)象[47]。已知人和動物前列腺液、精漿、精子和前列腺組織中的鋅含量在所有生物體液和體組織中含量最高，公牛精液中鋅的含量是血漿中鋅含量的10~15倍[27,48]。鋅被描述為前列腺功能的標(biāo)志物，主要參與精子分化的后期和射精過程。鋅主要分布在精子尾部的外部致密纖維中，外部致密纖維是精子鞭毛的主要結(jié)構(gòu)，能夠提高能量轉(zhuǎn)換并改善鞭毛的搏動，同時保護(hù)鞭毛免受剪切力的影響，在附睪精子成熟過程中促使精子運(yùn)動[49]。在外部致密纖維中，鋅通過形成鋅-硫醇鹽復(fù)合物與胱氨酸的巰基（-SH）結(jié)合，并保護(hù)外部致密纖維免于過早氧化。Princewill等研究發(fā)現(xiàn)，給受試的公牛補(bǔ)充額外的鋅源可以提高精子體積、精子濃度、活精子比例和運(yùn)動能力。張春香等研究結(jié)果顯示，納米鋅50 mg·kg-1可顯著提高精漿抗氧化能力，改善精液的品質(zhì)[50]。

3.5 鎮(zhèn)痛作用

納米氧化鋅被用作CNS神經(jīng)元組織的再生支架，可以耐受和傳導(dǎo)電荷，已被證明可以促進(jìn)神經(jīng)元的生長，在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)界被廣泛關(guān)注[30]。另有研究報道，鋅作為動物體內(nèi)最普遍的微量元素能夠在外源給藥時影響疼痛感，具有過渡性抗傷害感受作用[51]。一項(xiàng)臨床研究表明，低劑量血漿鋅濃度與舌痛有關(guān)，補(bǔ)充鋅可以降低這種神經(jīng)性疼痛[52]。給大鼠腹腔注射ZnCl2還可抑制熱痛覺過敏或神經(jīng)性疼痛[53]。在突觸中，鋅作用于許多通道和受體，并且是N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）谷氨酸受體的非競爭性抑制劑，其可以減弱谷氨酸影響受體的能力。NMDA受體是疼痛過程中的主要受體之一，且許多研究表明其競爭性或非競爭性抑制劑可減輕疼痛感[54]。納米氧化鋅可通過阻斷NMDA受體，達(dá)到鎮(zhèn)痛作用；鋅通過增加γ-氨基丁酸（GABA）作為抑制性神經(jīng)遞質(zhì)來減少谷氨酸的釋放，從而減輕疼痛感[55]。Kesmati等用成年Wistar大鼠作為動物模型，研究納米氧化鋅補(bǔ)充劑在阿片類藥物系統(tǒng)活性存在和不存在的情況下對急性疼痛的作用，結(jié)果顯示，納米氧化鋅5、10、20 mg·kg-1能夠改善嗎啡的抗傷害作用，起到鎮(zhèn)痛作用[56]。

3.6 高劑量毒性

高劑量納米氧化鋅的潛在危害尚無詳盡報道，相關(guān)的毒理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，肝臟、脾臟、心臟、胰臟和骨骼是口腔暴露納米氧化鋅的靶器官[57]。在組織病理學(xué)檢查中，納米氧化鋅具有劑量和時間依賴的細(xì)胞毒性，其機(jī)制包括氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化、細(xì)胞膜損傷和氧化DNA損傷等，氧化鋅納米顆粒對細(xì)胞的毒性（特別容易積聚在肝臟組織細(xì)胞中）是通過自由基的產(chǎn)生，進(jìn)而誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生氧化損傷、激發(fā)炎癥和細(xì)胞死亡[57]。Najafzadeh等報道，綿羊在連續(xù)飼喂納米氧化鋅20 mg·kg-1體重25 d后，出現(xiàn)了輕微的肝細(xì)胞水腫和變形，以及嚴(yán)重的腎臟損傷（多間質(zhì)腎炎），其中的毒性機(jī)制可能是納米氧化鋅的尺寸效應(yīng)，容易在胃液中迅速被分解成金屬離子，并進(jìn)入肝臟和腎臟進(jìn)行代謝和排泄，迅速在肝臟和腎臟組織內(nèi)積累，長期高濃度的納米粒子會對肝臟和腎臟組織造成損害[58]。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，納米顆粒的表面效應(yīng)和極大比表面積賦予了納米氧化鋅生物學(xué)活性高、殺菌效果強(qiáng)、安全性好的特點(diǎn)，在動物胃腸道內(nèi)能夠更好與胃腸壁接觸并發(fā)揮作用。在日糧中添加少量納米氧化鋅能夠降低動物腹瀉率，提高生長性能；減少病原微生物數(shù)量；改善機(jī)體體液和細(xì)胞免疫應(yīng)答水平，提高動物的免疫機(jī)能；增加生殖細(xì)胞的活性，提高動物繁殖性能；同時具有鎮(zhèn)痛的效果。納米氧化鋅是高劑量普通氧化鋅等傳統(tǒng)鋅源在畜禽飼糧中一種很好的替代選擇。然而，納米技術(shù)在礦物營養(yǎng)領(lǐng)域尚處于起步階段，納米礦物的吸收位點(diǎn)、吸收方式、作用機(jī)理、胃腸道內(nèi)的分布方式等尚未完全清晰；同時，納米氧化鋅提供更好的生產(chǎn)性能和經(jīng)濟(jì)效益的最佳配氮水平也是未來需要研究的重點(diǎn)。