饲料中去除矿物添加剂对猪粪中矿物元素含量及化学形态的影响

赵红波，韩 红，陈雪梅，韩冠军，李会荣，盛清凯*，王迎雪

(1.山东省农业科学院 畜牧兽医研究所，山东 济南 250100；2.山东省畜禽疫病防治与繁育重点试验室，山东 济南250100；3.山东美事达农牧科技有限公司，山东 济阳 264055；4.山东省饲料质量检验所，山东 济南 250022；5.山东大学 第二医院，山东 济南 250033)

目前普遍认为饲料是畜禽粪便中铜、铁、锌、锰等矿物元素污染的源头。如何减排矿物元素的同时促进猪生长，即合理减排，成为全球普遍关注的热点之一。基于玉米等植物性饲料原料中铜、铁、锌、锰等矿物元素利用率低、其含量不予考虑、饲料配制时需额外补充矿物添加剂的动物营养学理论，为了促进猪的生长，人们配制饲料时常常额外补充无机或有机矿物添加剂[1]。此举无疑会增加饲料中矿物元素的含量，导致畜禽粪便中矿物元素含量增加。Shaw等[2]报道在出栏前一个月饲料去除矿物添加剂，降低了粪中铜等元素的含量，且对猪的生长无影响，这为破解环保减排与养殖生产的矛盾提供了新的思路。矿物元素的化学形态不但与动物机体代谢相关[3]，还影响着粪肥的有效性[4]。去除矿物添加剂后对猪粪中矿物元素化学形态的影响及如何进一步营养提高猪的生产性能尚不清楚。

益生菌作为一种常用的绿色饲料添加剂，添加于猪饲料中直接饲喂或厌氧发酵后饲喂，可以减少猪粪氮排放及促进猪的生长[5-6]，但对降低猪粪中矿物元素的含量及化学形态的影响未见报道。盛清凯等利用BCR(Community Bureau of Reference，BCR)法[7]发现添加矿物添加剂的饲料发酵后，饲料及猪粪中铜、铁、锌、锰的化学形态皆发生改变[8]，这为矿物质减排提供了参考，但对去除矿物添加剂后猪粪的影响尚不清楚。研究去除矿物添加剂后猪粪中矿物元素的形态及提高动物生产性能的方法有助于兼顾环保与养殖的协调发展。本试验旨在利用BCR法，研究饲料中去除铜、铁、锌、锰等矿物添加剂后及其添加益生菌、厌氧发酵对猪粪中矿物元素含量、化学形态及猪生长的影响，为粪污合理减排提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验动物和材料

同日龄80头体重62.5±0.50 kg杜长大三元杂交去势生猪以及试验饲料全部由美士达公司提供。益生菌(枯草芽孢杆菌和植物乳酸杆菌，含量均为1×1010cfu/g)由山东省农业科学院畜牧兽医研究所提供。

1.2 试验设计

将生猪随机均分为四组，分别饲喂添加矿物添加剂的常规日粮(对照组)、常规日粮中去除矿物添加剂后的基础日粮(去矿组)、基础日粮+益生菌干粉料饲喂的试验日粮(益生菌组)、基础日粮+益生菌后厌氧发酵湿喂的试验日粮(发酵组)，每组5个重复，每重复4头猪。常规日粮中铜、铁、锌、锰添加剂皆为硫酸盐化合物，铜、铁、锌、锰添加量分别为45 mg/kg、170 mg/kg、140 mg/kg、120 mg/kg。益生菌在基础日粮中的添加量为0.05 %。发酵日粮为塑料袋厌氧发酵[9]，其主要操作步骤为将含有益生菌的基础日粮调整水分含量至50%，厌氧发酵7 d后湿喂，此时饲料的pH 为4.2，乳酸菌含量为1.1×109cfu/g。整个试验期为31 d。试验在美士达猪场进行。生猪全部水泥地面饲养于同一猪舍，每重复单栏饲养。生猪自由采食与饮水，饲养程序一致。每天观察记录天气、采食、健康等情况。

表1 基础饲料组成及营养水平(风干基础)Table 1 Composition and nutrient levels of the basal diet (air-dry basis)

注：营养水平为理论计算值。

Notes:Nutrient levels were calculated values.

1.3 试验方法

试验开始前与结束后一天8:00全部生猪个体空腹称重，每重复生猪每10 d统计一次采食量，发酵组猪的采食量按对照组同等水分含量计算，计算始重(IW)、末重(FW)、平均日增重(ADG)(n=20)、平均日采食量(ADFI)及料肉比(F/G)(n=15)。试验第3d、第16d、第31 d早7:00每组生猪每重复随机选择2头猪空腹采集猪粪，猪排泄时立即收集，低温贮存带回实验室进行分析(n=10)。

1.4 矿物元素的检测

粪便中铜、铁、锌、锰含量的测定：粪便样品直接加酸消解, 用去离子水进行溶解、定容，用Thermo Scientific iCE 3000 原子吸收光谱仪进行测定。

粪便中不同形态铜、铁、锌、锰含量的测定：依据BCR法[7]将猪粪分离为酸提取态(Acid soluble fraction，ASF)、还原态(Reducible fraction，RDF)、氧化态(Oxidisable fraction, OF)、残渣态(Residual fraction, RSF)四部分，然后利用原子吸收光谱仪测定各分离组分中铜、铁、锌、锰的含量。同种元素四种形态的含量之和为100 %，据此计算不同形态所占的比例。

1.5 数据处理

所有试验数据采用SAS ( V9.1) 软件进行处理, 计算平均值与标准误，用ANOVA进行单因子方差分析，以Duncan 氏法进行多重比较，P<0.01 为差异极显著,P<0.05 为差异显著。数据结果用平均值表示。

2 结果与分析

2.1 去除矿物添加剂对猪粪中矿物元素含量的影响

表2中，和对照组相比，去矿组第16天和第31天猪粪铜、铁、锌、锰含量皆显著降低(P<0.01), 第31天去矿组粪中铜、铁、锌、锰含量分别降低80.58%、53.12%、78.13% 、49.06%，表明常规饲料去除矿物添加剂降低了粪中铜、铁、锌、锰的含量。和去矿组比较，第31d益生菌组铜、铁、锌、锰含量降低，但差异不显著(P>0.05)；发酵组降低显著(P<0.05)，第31天发酵组铜、铁、锌、锰分别降低91.45%、64.87%、84.22%、61.03%，表明饲料发酵影响铜、铁、锌、锰的代谢。

表2 去除矿物添加剂对猪粪中不同元素含量的影响Table 2 Effects of demineralized additives on minerals content in pig feces mg/kg

注：同行无字母或数据肩标相同字母表示差异不显著(P>0.05)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。下表同。

Note:In the same row, values with no letter or the same letter superscripts mean insignificant difference (P>0.05), while different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), and different capital letter superscripts mean extremely significant difference (P<0.01). The same below.

2.2 去除矿物添加剂对猪粪中不同矿物元素化学形态的影响

由表3看出，和对照组相比，去矿组第3天还原态铜含量升高、氧化态铜含量降低 (P<0.05)，而第31天无显著差别，表明停用矿物元素添加剂初期影响粪铜形态，长期无影响。和去矿组相比，益生菌组各时间不同形态铜的含量无显著差异(P>0.05)，表明益生菌对铜形态无影响；发酵组第16天和第31天的酸提取态、还原态降低，氧化态增加(P<0.05)，表明饲料发酵影响粪铜的形态。

表3 去除矿物添加剂对猪粪中铜形态的影响Table 3 Effects of demineralized additives on different speciation of Cu in pig feces %

由表4看出，和对照组相比，去矿组各时间氧化态铁含量降低，残渣态含量升高(P<0.01)，表明停用矿物元素影响铁的形态。和去矿组比较，益生菌组各时间铁含量无显著差异(P>0.05)，表明添加益生菌对粪铁形态无影响；而发酵组第31天的酸提取态、还原态、氧化态含量增加，残渣态降低 (P<0.05)，表明发酵影响粪铁的形态。

由表5知，和对照组相比，去矿组第31天猪粪中酸提取态锌降低，氧化态和残渣态增加(P<0.05)，表明停用矿物元素影响锌的化学形态。和去矿组相比，益生菌组各时间酸提取态、还原态、氧化态及残渣态无显著变化(P>0.05)；发酵组第16天及第31天醋酸态含量升高，还原态含量降低(P<0.05)，表明饲料发酵影响锌的形态。

表4 去除矿物添加剂对猪粪中铁形态的影响 Table 4 Effects of demineralized additives on different speciation of Fe in pig feces %

表5 去除矿物添加剂对猪粪中锌元素形态的影响 Table 5 Effects of demineralized additives on different speciation of Zn in pig feces %

由表6看出，和对照组相比，去矿组第16天、31天猪粪中酸提取态降低，氧化态升高(P<0.05)，表明停用矿物元素影响锰的化学形态。和去矿组相比， 益生菌组第31天锰酸提取态降低，氧化态增加，但差异不显著(P>0.05)，而发酵组第16天及31天酸提取态含量降低，氧化态含量增加(P<0.05)，表明停用矿物添加剂后添加益生菌对猪粪锰形态无影响，但饲料发酵影响锰的形态。

表6 去除矿物添加剂对猪粪中锰元素形态的影响 Table 6 Effects of demineralized additives on different speciation of Mn in pig feces %

2.3 去除矿物添加剂对猪生产性能的影响

和对照组相比(表7)，去矿组猪末重、日增重、采食量及料肉比无显著差异，表明停用矿物元素添加剂对猪生产性能无影响。和去矿组相比，益生菌组猪末重及日增重显著升高，而料肉比显著降低(P<0.05)，表明添加益生菌可以促进猪的生长；而发酵组猪末重、日增重及采食量极显著增加，料肉比极显著降低(P<0.01)，表明饲料发酵进一步促进猪的生长。

表7 去除矿物添加剂对猪生长的影响 Table 7 Effects of demineralized additives on pig growth %

3 讨 论

随着环保的日益重视，粪污减排成为普遍关注问题。由于饲料矿物质成为粪尿中主要的矿物来源，因此降低饲料中矿物质的添加量成为减排的主要手段。过去饲料添加矿物质的理论为玉米等植物性饲料原料中铜、铁、锌、锰的利用率低，其含量不予考虑，为了满足猪的营养需要或提高猪的生产性能，饲料中额外添加无机或有机矿物添加剂[1，10]。由此导致矿物质在体内蓄积，猪粪中排出的量增加[11]。粪中铜的排出量可占饲料食入量的87% 以上，甚至高达98%[12]。其实，植物性饲料原料中含有一定量的矿物元素，提高其利用率或许可以减少或不再额外添加矿物添加剂。如何提高玉米等植物性饲料原料中铜、铁、锌、锰的利用率成为矿物减排的关键。目前关于矿物元素利用率的资料缺乏。本试验基础日粮中铜、铁、锌、锰的含量分别为9.19 mg/kg、105.05 mg/kg、44.78 mg/kg、46.30 mg/kg，超过或接近猪饲养标准[13]规定2.5 mg/kg、50 mg/kg、50 mg/kg、2.00 mg/kg的需要量。本试验中去除矿物添加剂改变了猪粪中矿物元素形态的原因可能为常规饲料中矿物添加剂为硫酸盐无机化合物，与体内铜等有机化合物形态不同[14-15]，体内有机化合物分解所致。去除矿物添加剂对猪生长无影响的原因可能在于去除矿物添加剂后的饲养期短，长期去除则可能影响猪的生长或肉质[16-17]。饲料发酵后进一步降低猪粪中矿物元素含量及促进猪生长的原因，可能为发酵提高了植物性原料中铜、铁、锌、锰的利用率[18]，饲料中的矿物元素被机体吸收、利用，猪粪中矿物元素含量降低。

目前未见去除矿物添加剂后饲料发酵对猪粪中矿物元素形态影响的报道。本试验饲料发酵后猪粪中铜、铁、锌、锰的酸提取态或还原态含量降低、氧化态含量升高，这一结果与盛清凯[7]报道常规饲料发酵后猪粪中氧化态含量降低的结论不同，差异原因可能在于本试验停用矿物添加剂，发酵的是植物性饲料原料。本试验饲料发酵改变了猪粪矿物元素形态的原因可能在于，其一，发酵提高了植物性原料中矿物元素的溶解度[19]。由于铜等矿物元素主要富集在植物细胞壁中,在发酵产物酸、酶或微生物的作用下，植物细胞壁被破坏，矿物元素溶解度增加。其二，降解了植物性原料中植酸等的抗营养因子[20-21]。植酸被降解，可以导致铜、锌的形态改变[22-23]。其三，有机酸与铜等发生螯合(或络合)反应，形成有机添加剂。饲料厌氧发酵后产生的乳酸、乙酸等有机酸或蛋白质降解后的小肽、氨基酸，可以与铜等元素发生络合反应，改变了铜等矿物元素的化学形态，形成易被机体利用的有机矿物添加剂[24]。目前国内共识为与无机矿物添加剂相比，有机矿物添加剂能够减少粪铜等排放及促进猪的生长[25]。矿物元素溶解度增加、植酸等抗营养因子被降解以及发生络合反应可能为发酵减排矿物元素、改变矿物元素化学形态及促进猪的生长的重要原因。本试验去除矿物添加剂的饲料发酵后促进猪生长的结果有助于粪便矿物元素最大程度的减排及动物营养矿物元素利用理论的更新。

本试验去除矿物添加剂及饲料发酵后猪粪中铜、铁、锌、锰化学形态发生了各自相应不同的变化，目前未见相似或相反的有关报道。推测铜、铁、锌、锰化学形态变化不同的原因可能与金属元素的化学稳定性有关。其一，铜、铁、锌、锰的氧化性各自不同。二价铁离子易氧化为三价铁，而二价锰离子难以氧化。其二，铜、铁、锌、锰不同元素与富马酸、蛋氨酸等不同配位体螯合物稳定常数存在明显差异[26]。不同螯合物在动物胃肠道中的吸收率不同。本试验饲料发酵后形成的有机酸、小肽或氨基酸与铜等微量元素可能为多元螯合。其三，铜、铁、锌、锰在植物和动物[27]中的形态不同，动物利用率存在差异。去除矿物添加剂的典型植物性猪饲料中铜、铁、锌、锰的利用率存在明显差异[28]。本试验BCR法只是笼统地将矿物元素划分为四种形态，具体的形态结构及浓度还有待进一步研究。

本试验只是对生猪育肥后期进行了去除矿物添加剂31 d的猪粪矿物元素减排研究，去除矿物添加剂饲养期可否进一步延长以及发酵对粪氮、磷减排的影响、不同形态矿物元素的迁移规律等都有待进一步研究。

4 结 论

本研究表明，育肥期全价饲料中停用矿物元素添加剂31 d，可以降低猪粪中铜、铁、锌、锰的含量，不会降低猪的生长性能；去除矿物添加剂后饲料发酵可以改变粪中铜、铁、锌、锰的化学形态，促进猪的生长；饲料配方中的植物性原料厌氧发酵，有助于减少矿物添加剂的使用及猪粪中矿物质的减排； 去除添加剂后，猪粪中矿物元素化学形态的变化与其元素本身的金属属性有关。