硅酸盐矿物的生物学功能及其在家禽生产中应用的研究进展

王海波，杨姣姣，裴文刚，杨敏敏，史兆国，秦士贞

（甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃兰州 730070）

近年来，我国畜牧业朝着规模化、集约化飞速发展，在满足人们对畜产品需求的同时，也对环境造成了一定污染，养殖生产中的ΝH3、H2S 等气体不仅危害养殖人员的健康，还可诱发畜禽出现呼吸道疾病，严重影响畜牧生产。硅酸盐矿物具有很强的吸附性能和离子交换性能，尤其对ΝH3、H2S、CO2等高极性分子具有极高的亲和力，可吸附有害气体而改善畜舍环境[1-3]。在胃的酸性环境中，硅酸盐矿物可以与带正电荷的毒素结合并作为解毒剂，干扰毒素在胃肠道的吸收[4-5]，并减少肠道大肠杆菌数量、促进肠绒毛发育、维持肠道内环境稳态、增强肠道屏障功能、预防肠道细菌感染、增强消化酶活性[6]，可作为微量元素预混料载体、促生长剂、霉菌毒素脱毒剂、抗菌载体、畜禽舍环境改善剂[7]等广泛用于畜牧生产与饲料加工行业中，以保持动物肠道的动态平衡、激活肠道免疫系统、促进养分消化吸收[8]、提高机体抗氧化[9]、改善生产性能[10-11]。本文就常见硅酸盐矿物的生物学功能及其在家禽生产中的应用进行综述，为硅酸盐矿物在家禽生产中的应用提供参考依据。

1 饲料中常见的硅酸矿物及其生物学功能

黏土已应用数百年[12]，其主要成分为层状硅酸盐，常见为正离子四面体片（通常是Si4+、Al3+和Fe3+）和正离子八面体片（通常是Al3+、Fe3+、Mg2+和Fe2+），含有铝、镁、硅、锶、锂、钛、锌等多种元素，其化学成分主要为SiO2、Al2O3和K2O[13]，粒径小于2.0 μm，受热时变硬，其可塑性受化学组分的影响。硅酸盐矿物是细分散的含水的层状或层链状构造的硅酸盐矿物及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。不同硅酸盐矿物的微观形貌、物相组成以及物理化学性质主要受沉积地以及周围环境的影响，表面主要由微孔表面积和外表面积组成，常见硅酸盐矿物见表1。硅酸盐矿物具有良好的离子交换性能，在医学中常作为无机抗菌剂的载体，模仿天然黏土机制开发抗菌药物，能有效杀灭医院获得性耐药生物病原菌[14]。

表1 常见硅酸盐矿物

天然硅酸盐矿物基本无杀菌、抑菌功效，但具有良好的离子交换性、吸附性和膨胀性[17]；并能吸附铁、铜、镁、铝等抑菌元素，通过静电吸附在细菌膜表面，影响细胞通透性，阻碍细菌与外界环境正常的物质交换，从而抑制细菌生长[7,20]；层内的Νa+、K+、Ca2+等碱金属和碱土金属离子可与带正电荷的离子（如Ag+、Cu2+、Zn2+）进行离子交换，获得安全性高、不易产生耐药性、热稳定性好、持效性长的抗菌剂，作用于细菌，增加细胞膜的通透性，释放胞内酶与K+，抑制细菌呼吸代谢的三羧酸循环，导致细菌死亡[17,19]。在含铝、铁型混合硅酸盐矿物中发现，铝元素靶向作用于细菌细胞膜上的磷酸分子，使细胞膜上磷脂发生过氧化反应，破坏膜表面，增大膜的通透性，使铁、铜等元素进入细胞质中产生活性氧，对蛋白质、DΝA 等进行破坏，达到抗菌目的[20-23]。硅酸盐矿物浸出液能够破坏革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌细胞膜；另一方面，硅酸盐矿物受晶格取代、矿物边棱价键断裂、表面腐殖酸电离等多种因素影响，通过改性调节硅酸盐矿物表面电荷，影响细胞膜的通透性，阻止物质交换，抑制细菌代谢，随着表面正电荷增强，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌性能增大[20,24]，抑制细菌增殖。胡彩虹[19]研究表明，纳米载铜硅酸盐（CSΝ）可使细菌细胞膜发生损伤或通透性增大，导致细菌胞内酶外漏，抑制三羧酸循环途径进行杀菌；且马玉龙等[25]通过抑菌和杀菌试验发现，载铜蒙脱石可使细菌细胞膜受损，冬氨酸氨基转移酶、乳酸脱氢酶和丙氨酸氨基转移酶等胞内酶外泄，改变细菌细胞膜形态和通透性，使胞内物外泄而死亡。因此，硅酸盐矿物能够增强胃肠道黏膜对有害细菌的抵抗作用，保护肠道屏障，显著改善肠道渗透性和微生物区系，进而影响生产性能、肠道消化酶活性、绒毛高度、机体抗氧化、免疫功能和畜禽舍环境。

2 硅酸盐矿物在家禽生产中的应用

2.1 保护肠屏障，维持肠道正常功能 肠道作为动物消化、吸收的重要场所，且肠黏膜上皮、肠黏液、微生物群、肠道相关淋巴组织、胰腺分泌物、胆盐、胃酸、肠蠕动、溶菌酶活性等参与非特异性防御屏障[26]。单层柱状上皮细胞及上皮细胞上动态变化的多种蛋白分子组成了不通透连接复合体[27]，共同构成家禽肠腔与内环境的第一道防线，并维持肠道屏障的完整、防止炎症病原菌进入，将内部环境与外部环境分隔开来[28-30]。覆盖在肠上皮细胞上一定数量微生物的疏松的黏液外层和含有少量微生物的黏液内层[31]与肠腔的各类分泌物（胆汁、胃酸、溶菌酶、消化酶、糖蛋白、糖脂）等一起构成化学屏障[32]；同时，小肠派氏集合淋巴结、肠系膜淋巴结、弥散的上皮、内淋巴细胞、独立淋巴滤泡[33]等肠道相关淋巴组织构成肠道免疫屏障[34]及肠道菌群宿主之间形成共生形成的微生物屏障，共同维持肠道稳态，维护机体的生理功能[35]。硅酸盐矿物具有稳定肠道屏障、治疗胃肠疾病的功能，防止细菌和毒素穿过肠黏膜，进入机体内环境，维持内环境稳态。沸石能够缓解肠道中脂多糖（LPS）及一氧化氮（ΝO）、氨、病原菌与毒素等引起的肠黏膜损伤[6]。蒙脱石可吸附、固定和清除病菌及其产生的毒性物质，抑制细菌和内毒素移位；并通过肠黏液糖蛋白识别、结合、定位，可在消化道表面形成胶体保护膜，降低细菌黏附素与肠黏膜受体的结合[18]，通过对黏膜刺激增加黏蛋白合成与黏液层厚度；通过非均匀性电荷与液分子作用增加黏液的内聚力、黏弹性，保护肠细胞顶端和细胞间连接的结构免受损坏，促进连接蛋白表达、上皮细胞再生和修复，增强黏膜的防御力[36]。蒙脱石能改善胃肠道黏液的流变特性，有效治疗感染性腹泻，维持肠道形态结构及功能[37]。颜瑞[8]研究发现，添加20～60 mg/kg 的固相载锌凹土能提高肠道黏膜免疫球蛋白含量和肠道分泌型免疫球蛋白A（slgA）数量。且载锌沸石（Zn-CP）或氧化锌沸石（ZnO-CP）复合物可降低梭菌和大肠杆菌在小肠内容物中的活菌数、降低肉鸡盲肠菌群数量、丙二醛（MDA）含量，并可提高肠黏膜超氧化物歧化酶（SOD）活性，增强机体免疫功能[6,38-39]。天然斜发沸石和改性天然斜发沸石明显降低肉鸡肠道大肠杆菌总活菌数、显著增加嗜酸乳杆菌的总活菌数，改性天然斜发沸石降低小肠和盲肠pH[8,40-41]。硅酸盐矿物在肠屏障中通过吸附或者抑制肠道细菌和毒素、修复肠黏膜、促进连接蛋白表达、上皮细胞再生与修复，保持肠道结构和功能的完整性。

罗有文[42]通过电镜黏膜形态观察发现，载锌凹凸棒石能够保护肠黏膜结构、提高肉鸡肠绒毛高度、绒毛高度与隐窝深度的比值，降低隐窝深度和黏膜厚度。蒙脱石能改善黄曲霉毒素B1（AFB1）诱导的火鸡肠道组织病理学变化[17,43]；杨伟伟[44]研究表明，改性蒙脱石能促进小肠发育，改善坏死性肠炎对生产性能的不利影响，显著降低魏氏梭菌感染对肠黏膜造成的损伤，明显抑制坏死性肠炎发生。同时，体内外试验研究表明蒙脱石表面带有正电荷，能通过静电引力吸附表面带负电荷的细菌（多数病原菌如大肠杆菌、沙门氏菌等），防治沙门氏菌和大肠杆菌引起的肠道感染[45]，缓解坏死性肠炎（由产气荚膜梭菌引）对肉鸡造成的负面影响[46]，降低蛋鸡肠道内容物pH，提高了十二指肠中乳酸杆菌和双歧杆菌的相对含量，显著降低大肠杆菌和沙门氏菌相对含量[47]。马玉龙等[48]研究表明，载铜蒙脱石（Cu-MMT）与细菌发生吸附作用，破坏细菌的膜结构形态和通透性，显著降低肉鸡肠道有害菌数量；Hu 等[30]采用尤斯灌流系统研究表明，ZnO-MMT 明显降低肉鸡小肠和盲肠中梭菌数量。由于黏土能够在消化道内形成一层胶体保护膜，并吸附病毒、细菌及所产生的毒素，阻止病原菌对肠上皮细胞的侵入，并显著降低消化道内病原菌数，减少腹泻率，从而保护了肠黏膜形态结构的完整。

2.2 增强肠道酶活性，改善生产性能和肉品质 硅酸盐矿物中包含动物所需要的常量和微量矿物元素，一方面为动物提供所需要的矿物元素，另一方面，部分元素作为酶、激素等生物活性物质的重要组分，而且具有良好的润滑性、吸水性，能改善饲料的适口性，增加养分反应表面积、酸化消化酶、延缓饲料通过，促进养分在胃肠中消化吸收、提高饲料养分的利用率[49-50]，并对棉酚和硫贰等有很强的吸附能力，有效缓解饲料中添加棉菜籽饼粕引起的生长抑制和中毒症状。日粮中添加Zn-CP可以调节消化酶活性和肠道结构功能，增强蔗糖酶活性，提高饲料效率和养分表观消化率[51-52]。在日粮中添加天然斜发沸石、改性天然斜发沸石、蒙脱石或Cu-MMT能够提高小肠总蛋白酶、淀粉酶和脂蛋白酶的活性[53]。Wu 等[40]研究表明，Cu-MMT 明显提高总蛋白酶、肠内容物淀粉酶活性，促进养分的消化吸收。在AFB1污染的饲粮中添加天然或改性蒙脱石能有效提高肉鸡的胸肌率、腿肌率、全净膛率，降低腹脂率，减少霉菌毒素、重金属等在畜产品中的残留[10,17]，改善霉菌毒素污染日粮引起的肉鸡平均日增重下降[44]；硅酸盐矿物和铜的混合物能够增加肉鸡平均日增重[54]，提高蛋鸡日产蛋量、延长产蛋周期[11]，提高产蛋率、平均蛋重、降低料蛋比[55]。Zn-CP 有助于提高蛋重和蛋壳强度，通过金属元素在组织中沉积改善胸肌和腿肌肉品质[9]。饲料中添加金属改性硅酸盐矿物可以影响肪酸合成酶（FAS）基因的转录、表达，调节机体的脂肪合成代谢，改善肉品质。

2.3 提高机体抗氧化、增强免疫功能 固相载锌凹凸棒石可增强肉仔鸡免疫器官指数、血清免疫相关因子含量或活性、肠道黏膜免疫球蛋白和肠分泌型免疫球蛋白数量，并通过TLRs-ΝF-kB 信号传导通路调节免疫反应，且基础日粮中添加40 mg/kg 的锌固相载锌凹土对免疫机能效果最优[8-9]。Tang 等[56]研究发现，蒙脱石能显著提高肉鸡小肠黏膜分泌型免疫球蛋白A（sΙgA）、免疫球蛋白G（ΙgG）含量。随后杨伟伟[44]研究发现，改性蒙脱石可降低魏氏梭菌对免疫器官发育的抑制。Wan等[57]研究发现，载钙蒙脱石（Ca-MMT）能有效改善AFB1对肉鸭造成的免疫抑制，显著提高血清ΙgM、ΙgG的含量及胸腺和脾脏指数；芮小丽[58]研究发现，玉米-豆粕型基础日粮添加3%的沸石能改善AFB1引起的肝脏损伤、缓解肉鸡睾丸氧化应激作用，增强机体抗氧化能力；Lala 等[43]研究发现，添加黏土粘合剂、分子和纳米黏土粘合剂可显著改善AFB1生物化学参数，减少对火鸡器官的损伤，降低火鸡肝脏的相对重量与血清尿酸，增加血清总蛋白、血清白蛋白。伍宇超等[59]研究发现，相比玉米赤霉烯酮（Zearalenone，ZEA）处理组，添加0.15% 的 Ca-MMT 能显著提高血清抗氧化力，降低MDA 含量，减轻玉米赤酶烯酮（ZEA）对育成蛋鸡造成的氧化损害，增强机体的抗氧化能力。Zn-CP 能改善金属锌、镁、铁、铜、锰在仔鸡血液、胰腺、胸肌和腿肌等组织中沉积，提高肉鸡胸肌、腿肌总抗氧化能力（T-AOC）和总超氧化物歧化酶（T-SOD）活性，降低MDA 含量，在饲料中代替抗生素使用，改善免疫功能，增加肠黏膜的ΙgG、sΙgA 含量，增强肠道免疫力[9,56]。改性硅酸盐矿物可以促进T 淋巴细胞和单核/巨噬细胞增殖，有效提高机体免疫应答，SOD 能与金属等改性黏土中阳离子结合，也可催化超氧化物阴离子自由基歧化为过氧化氢，解除氧自由基对机体的损伤。

2.4 改善畜禽舍的环境质量 随着温室气体及恶臭污染在全球范围内受到高度重视，减少有害气体（ΝH3、H2S、CO2）对动物健康的损伤、改善粪肥中氮的储存，降低环境污染、改善养殖环境显得尤为关键。天然斜发沸石对ΝH3、H2S、CO2等高极性分子具有很高的亲和力[3]，但亲和能力受到粒径大小与含水率的影响。在蛋鸡饲料中添加沸石可明显减少舍内ΝH3含量，并随着沸石粒径的降低、含水率的升高（含水率达到40%达到最大吸收值）而增强，沸石通过物理、化学吸附ΝH3，干的沸石主要通过物理吸附，含水分的沸石则进行一部分的化学吸附，ΝH3+H2O →ΝH4++OH-，在沸石表面电离出一部分ΝH4+渗入到沸石结构中的孔洞里，化学反应进一步增大吸收面积[1]。关于黏土对改善畜禽舍环境质量的研究报道较少，尤其是关于抑制机理的研究较少，需要进一步探讨。

3 展 望

硅酸盐矿物可以吸附毒素、抗菌、修复黏膜、维持内环境平衡、预防腹泻，可以作为营养性添加剂，促进动物生长发育；作为粘合剂和添加剂，在促动物生长与保健方面可以发挥功效；作为选择性吸附剂，在解毒和减轻胃肠道感染、治疗胃肠疾病等方面具有重要意义。为了进一步有效地开发利用黏土资源在畜禽生产中的应用，还有以下问题需要解决：①硅酸盐矿物种类较多、组分复杂、品质易受产地的影响；②天然硅酸盐矿物在畜牧生产中效果不显著，需要经铜、锌等金属离子交换改性，且易受改性时间、改性温度、环境pH、离子浓度及离子种类互作影响，寻求最佳制备条件、稳定的改性技术，尤其是复合改性，改善作用效果；③硅酸盐矿物在动物饲料中适宜添加量及消化道释放规律需进一步研究。硅酸盐矿物作为广谱抗菌物，替代抗生素，杀灭耐药菌，促进畜牧业可持续发展扮演重要角色；另外，硅酸盐矿物也可以做为催化材料、生物医药材料、抗菌材料等方面具有广袤前景。