天然非金属矿物的特性及其在饲料中的应用研究进展

杜明芳,周岩民

(南京农业大学动物科技学院,江苏 南京 210095)

随着世界各国饲料禁抗、养殖减抗政策的实施,养殖业面临新挑战,表现为动物生产性能下降、疾病发生率增加等[1-2]。非金属矿物具有良好的吸附性、胶体性、离子交换性、悬浮性和稳定性等理化特性,无残留、无污染,对环境友好,生产成本低,且病原微生物不易对其产生抗性,可作为饲料原料或饲料添加剂应用[3-5]。研究表明,非金属矿物应用于饲料中可以保护动物肠道屏障,防止外界有毒有害物质通过肠黏膜进入体内,维持机体稳态;改善动物消化功能,增强饲料营养的吸收利用,促进动物生长发育;提高机体抗氧化和抗应激能力,增强动物免疫功能和抗病能力[6-10]。近期研究发现,非金属矿物在控制病原微生物感染、耐药基因传播和修复污染土壤方面极具潜力[1,11-12]。因此,本文介绍了饲料中常用的凹凸棒石、沸石、蒙脱石等非金属矿物的基本组成、结构和特性,系统综述了非金属矿物在饲料中的应用研究进展,探讨了非金属矿物的前沿研究并展望了其在饲料中的应用前景,旨在为非金属矿物在饲料中的合理应用提供参考依据,并为健康养殖饲料技术开发提供新的视角和思路。

1 非金属矿物的特性

非金属矿物是指除金属矿产和燃料矿产以外的、自然产出的一切可供提取有用非金属元素,或具有可供人类选取利用的某种功能并在经济上有开发利用价值的矿产资源[5]。非金属矿物因具有独特的理化性质和品种多样的特点,作为霉菌毒素吸附剂、养分缓释载体、黏结剂、土壤改良剂、肥料增效剂、环保处理材料等在包括饲料行业在内的众多领域中得到了广泛应用。非金属矿物资源丰富,种类繁多,产品开发潜力大。在中国,非金属矿产分布广、储量大,凹凸棒石、膨润土、稀土矿等储量居世界首位[13]。

1.1 非金属矿物的组成

非金属矿物品种繁多,主要由O、Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg等元素组成[5]。其中,常见的沸石、蒙脱石、凹凸棒石等是一类具有晶体结构的黏土类非金属矿物,由硅氧四面体层和铝氧八面体层通过共价键连接而成,四面体层与八面体层的不同组合重叠重复,构成各种非金属矿物的不同晶体结构[14]。根据不同的晶体单元可将此类非金属矿物分为1∶1层型(高岭土)、1∶1管型(埃洛石)、2∶1层型(蒙脱石、蛭石)、2∶1层链型(凹凸棒石、海泡石)和混合型(绿泥石)等[5]。

1.2 非金属矿物的基本特性

非金属矿物在形成过程中经沉积、风化作用,自然产生孔道、层状、纤维状等特殊空间结构,赋予其巨大的比表面积[13]。沸石、蒙脱石、海泡石等非金属矿物在形成过程中,高价Si4+、Al3+可被低价阳离子同晶置换,如四面体中Al3+或Fe3+替代Si4+、八面体中Mg2+替代Al3+,导致表面带负电荷,使之产生吸附作用和离子交换[15]。在一定的pH值条件下,非金属矿物表面电荷发生变化,晶体边缘Al—O和Si—O断裂形成的不饱和键与高聚物发生吸附作用。因此,非金属矿物普遍拥有极强的吸附性和阳离子交换能力[11]。另有研究表明,部分非金属矿物在水溶液中发生膨胀作用,可保持稳定的胶体状态[14]。此外,非金属矿物性质稳定、安全性高,具有良好的流动性、催化性等特性[6,16-17]。

2 非金属矿物的饲用功能

良好的吸附性和离子交换能力等特性是非金属矿物在饲料中应用的基础。非金属矿物在饲料中发挥作用的可能机制主要包括:1)非金属矿物具有极强的吸附性,可有效吸附饲料和动物肠道中的霉菌毒素和病原微生物等有毒有害物质,降低有毒有害物质对肠道的损伤,改善动物机体健康,提高动物产品安全性[18];2)非金属矿物具有良好的流变性和胶体性,可增强动物肠道黏膜物理屏障,改善肠道健康[6];3)非金属矿物可提高肠道食糜黏度,延长饲料在消化道中的滞留时间,加强消化酶与饲料养分的作用,有效提高饲料利用率[16,19];4)非金属矿物可作为活性氧自由基清除剂和免疫调节剂,通过增强动物抗氧化和免疫功能而保障动物健康[6,10,20-21];5)非金属矿物良好的胶体性可使其作为黏结剂改善颗粒饲料质量[16,20]。

2.1 吸附有毒有害物质

玉米、豆粕等饲料原料普遍存在不同程度的霉菌毒素污染,动物摄食后会影响机体健康、降低生产性能[22]。非金属矿物对霉菌毒素有良好的吸附效果,通过在饲料里加入沸石、蒙脱石、膨润土等非金属矿物,可降低霉菌毒素的生物利用度,缓解其对动物造成的损伤[23-25]。非金属矿物能吸附固定细菌、真菌和病毒等病原微生物,包括大肠杆菌、沙门氏菌、白色链球菌、轮状病毒等[10,26-29]。非金属矿物对病原微生物的作用有利于提高动物健康水平,防止病原菌与寄生虫感染,尤其对控制断奶仔猪腹泻等动物肠道疾病具有重要意义[30]。另外,非金属矿物可有效吸附有毒重金属,缓解其对动物机体的毒害作用[31]。

2.2 改善肠道健康

肠道是动物机体最大的消化、免疫和内分泌器官,肠道健康是健康养殖的重要保障。非金属矿物良好的吸附性能是其保护动物肠道的基础。凹凸棒石、蒙脱石、膨润土等非金属矿物可吸附、固定霉菌毒素、病原微生物等有毒有害物质,减少其对肠道的损伤;同时,非金属矿物能黏附于肠道上皮,增强肠道黏膜物理屏障,减少有毒有害物质黏附到肠道上皮,阻断病原微生物在肠道内定殖,对肠道屏障具有保护作用[6,32]。非金属矿物可调节肠道内环境,如pH值和氧化还原状态,影响特定菌群生长,维持肠道微生态环境平衡[2,33]。

2.3 提高生产性能

非金属矿物通过改善肠道健康,促进肠道发育,保障肠道消化功能,增强机体对营养物质的消化吸收[34]。非金属矿物还可提高食糜黏度,延缓食糜通过消化道的速度,增加消化酶与饲料养分的作用时间,提高饲料利用率,且非金属矿物价格低廉,可提高饲料和动物生产经济效益[35]。另外,碱土镁铝硅酸盐类非金属矿物含有丰富的矿物元素,如Mg、Fe、Cu、Zn、Mn、Se和稀土元素,部分矿物元素与消化液中的H+发生离子交换作用,改变胃肠道液体的pH值和离子组成,增强消化酶活性,并参与体内重要辅酶和激素的合成,促进机体代谢,进而提高动物生产性能[10,36-39]。

2.4 改善产品品质

随着社会经济的发展,消费者对畜产品、水产品的品质提出了更高的要求。饲料中的有毒有害物质可残留于动物性产品中,并随食物链进入人体,对人类健康造成潜在威胁。非金属矿物可吸附饲料中的霉菌毒素、重金属等毒物,减少其在肉、蛋和奶中残留,提高动物产品安全性[31,35,40-41]。非金属矿物还可以调节动物营养代谢,改善动物产品营养成分组成,提高营养价值[42-44]。

2.5 提高饲料制粒质量

颗粒饲料具有营养全面、适口性好、避免动物挑食、不分级等优点,已得到广泛应用。除营养价值外,硬度、粉化率、颗粒耐久性指数(pellet durability index,PDI)、淀粉糊化度等是评定颗粒饲料加工质量的重要指标[16,20,45]。非金属矿物比表面积大,具有很好的流变性,吸水后可形成高黏度胶体,增加物料间的交联作用,是饲料制粒生产中常用的黏结剂[25]。研究已证实,非金属矿物可提高颗粒饲料硬度和稳定性,降低粉化率,改善饲料颗粒质量,提高饲料利用率[34-35]。

3 非金属矿物在畜禽及水产动物饲料中的应用研究进展

3.1 猪

仔猪腹泻是生猪养殖中常见的问题之一,由于仔猪肠道屏障未完全发育、免疫功能不完善,易受到病原微生物和各种应激因素的影响而发生腹泻,造成仔猪生长发育迟缓,严重制约生猪养殖发展[2,46]。研究发现,非金属矿物可吸附、固定病原微生物,抑制其在动物肠道黏膜的定殖,维持肠道环境平衡,从而降低腹泻发生率[47]。Trckova等[2]研究表明,褐煤中的腐殖质含有羧基和酚类基团,具有抗氧化能力,能够降低断奶仔猪氧化应激,提高采食量,从而降低仔猪腹泻率、促进生长。Zhang等[48]在仔猪日粮中添加0.2%凹凸棒石,改善了仔猪的肠道形态和完整性,腹泻率由34.39%降至7.94%,同时显著降低了料重比。Valpoti等[49]指出,日粮中添加0.5%斜发沸石提高了断奶仔猪的平均日增重,降低了断奶仔猪的腹泻率和腹泻指数,同时增加了血液中淋巴细胞数量,显著增强断奶仔猪免疫功能。Liu等[26]通过Illumina MiSeq测序发现,添加0.2%蒙脱石可提高断奶仔猪肠道微生物多样性和益生菌菌群(乳酸杆菌属、直肠真杆菌属、链球菌属)的相对丰度,改善菌群结构,增强肠道黏膜屏障功能。日粮中添加0.45%黑云母可降低断奶仔猪血清中促炎因子水平,增强仔猪免疫力,缓解大肠杆菌脂多糖引起的仔猪免疫应激反应[50]。蒙脱石、伊俐石等非金属矿物具有良好的吸水性能,可作为肠道收敛剂吸收肠道中的水分,有效缓解腹泻程度[6]。综上,非金属矿物添加于仔猪饲料中可调节肠道菌群组成,维持肠道稳态,改善肠道健康,增强机体免疫力,从而减少仔猪腹泻。

在饲料中添加适量非金属矿物可提高生猪的体增重和饲料利用率,促进猪生长发育,同时提高机体抗氧化和免疫功能[51]。Zhao等[52]报道,日粮添加1%蒙脱石显著提高了仔猪的采食量、日增重以及饲料转化率。杨雪等[53]研究发现,生长育肥猪饲料中添加凹凸棒石可使其平均日增重提高9.96%,降低重金属As、Pb、Cr在机体中的沉积。吴承武等[54]指出,沸石可提高育肥猪的能量代谢水平,改善机体供氧能力,并通过对毒素和病原菌的吸附作用,调节血清和肠道黏膜免疫球蛋白含量,进而提升育肥猪的免疫力。

日粮中添加非金属矿物可减少妊娠母猪厌食、发热和乳腺炎的发生率,其窝产活仔数、仔猪初生重、断奶仔猪数、仔猪断奶重均提高,提示非金属矿物具有改善母猪繁殖性能的功能[55-56]。玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)、黄曲霉毒素(aflatoxins,AFT)、呕吐毒素等霉菌毒素会导致动物繁殖性能下降,母猪对其尤为敏感,可诱发母猪发生繁殖障碍[28]。而非金属矿物对霉菌毒素造成母猪的生殖损伤具有显著的缓解作用[56-57]。蒙脱石可缓解ZEN导致的后备母猪的生殖毒性,表现为显著降低了母猪阴户肿胀,减小阴户面积,降低由ZEN造成的子宫氧化应激损伤,减轻由ZEN引起的雌激素增加和子宫腺体异常增殖现象[56]。

3.2 家禽

家禽消化道短,排泄快,非金属矿物可延缓食糜通过消化道的速度,增加饲料养分与消化酶的作用时间;且非金属矿物可与消化酶结合形成活性复合物,提高消化酶在不同pH值消化液中的活性,从而提高动物对饲料营养物质的消化率,并在一定程度上提高家禽生长性能[39-40]。de Lemos等[39]报道,在日粮中添加高岭土显著提高了肉鸡采食量、日增重以及饲料转化率,且1.5%添加量的改善效果优于0.75%添加量。Yalçn等[38]在日粮中添加1%海泡石后,肉鸡的出栏重、采食量和饲料转化率有显著提高,但2%海泡石组无显著变化。Shannon等[58]报道,饲喂膨润土能够有效缓解AFT对肉鸡生产性能造成的负面影响,且膨润土原土的缓解作用强于提纯后的膨润土(蒙脱石)。而Attar等[34]研究表明,饲料中添加膨润土可提高颗粒饲料PDI和生长期肉鸡的养分利用率,但对肉鸡生长无显著影响。肉鸭饲料添加凹凸棒石可降低肠道黏膜通透性,增强肠道黏膜免疫和屏障功能,进而改善生产性能[59]。而Qiao等[40]报道,蛋鸡饲料中添加2%凹凸棒石可提高空肠黏膜绒毛高度、胰腺淀粉酶活性及其基因表达水平,但产蛋性能无显著变化。Chen等[60]亦发现,添加蒙脱石对产蛋后期蛋鸡的产蛋率、采食量、料蛋比等指标无显著影响。非金属矿物对家禽生产性能影响的研究结果不一致,这可能与非金属矿物种类、添加量、动物品种和饲料料型(粉状和颗粒)等因素有关。

肉鸡摄食凹凸棒石可提高其产品品质,具体表现为显著降低肝脏、肌肉有害重金属(Pb)的蓄积,提高必需微量元素(Cu)的含量,改善肌肉抗氧化能力和系水力,但添加高水平凹凸棒石会降低肌肉肉色,可能是凹凸棒石吸附饲料中的色素所致[31,61]。王雨雨等[62]在凹凸棒石对樱桃谷肉鸭的影响研究中也有相似发现。蛋壳质量是评价蛋品质的重要指标,非金属矿物可显著提高蛋壳重、蛋壳厚度和强度,提高蛋的抗破损能力[63-64]。Al-Hadeedy等[64]报道,日粮添加黏土矿物可提高蛋黄指数,从而延长鸡蛋的新鲜度。蛋鸡饲料中添加膨润土可改善霉菌毒素污染对蛋品质(蛋重、蛋壳厚度)的不利影响[24]。此外,Yalçn等[44]研究发现,海泡石可降低蛋黄胆固醇含量,均衡鸡蛋营养成分。以上研究结果表明,非金属矿物可提高动物消化功能,提升畜产品品质和营养价值,在不影响生产性能的前提下,达到“以石代粮”的效果,节省饲料用粮,降低生产成本,提高动物生产的经济效益。由于一些非金属矿物对饲料中色素存在吸附作用,过量使用会影响肌肉、蛋黄颜色,影响产品的感官质量,因此在实际生产中应注意矿物类型和添加量。

3.3 反刍动物

非金属矿物对提高反刍动物的产肉性能有一定积极作用。Burçak等[18]报道,饲喂海泡石提高了美利奴杂交羊的体增重和饲料转化率,增加了肉羊养殖经济效益。Oliveira等[8]研究表明,膨润土和蛭石可增加羔羊胴体的肩胛肉产量并降低脂肪沉积。非金属矿物可调节能量代谢,缓解围产期奶牛能量负平衡,降低机体炎症和发生细菌感染的可能[65]。非金属矿物还可降低瘤胃发酵的甲烷产量,不仅能提高反刍动物的能量利用效率,而且对环境保护具有重要意义[66]。

非金属矿物对反刍动物的重要作用之一是消除饲料霉菌毒素的危害。Sulzberger[42]发现,蒙脱石对AFT有良好的吸附作用,在饲料中添加可抑制瘤胃AFT向牛奶中转移,且作用效果与蒙脱石添加量呈线性关系;采食蒙脱石后奶牛血清中磷酸肌酸激酶活性升高、谷草转氨酶和谷氨酸脱氢酶活性降低,表明霉菌毒素对肝脏的损伤有所缓解。Pate等[43]报道,在含有AFT的日粮中添加硅酸盐矿物,显著降低牛奶中霉菌毒素残留,并且缓解了霉菌毒素导致的产奶量下降和肝脏细胞炎症等不良反应。Gouda等[23]研究表明,在AFT污染的日粮中补充蒙脱石降低了羊奶中AFT代谢产物的含量,提高了山羊的饲料粗蛋白消化率和羊奶中乳蛋白、乳脂肪含量,改善了羊奶品质,其原因可能是蒙脱石吸附霉菌毒素,保护了山羊的胃肠道,增强消化功能;也可能与蒙脱石减缓瘤胃氮的释放速度,促进瘤胃微生物蛋白质的合成,减少饲料中氮的损失有关。

瘤胃的健康发育和内环境稳定对反刍动物具有重要意义。反刍动物泌乳期常饲喂高精日粮以满足产奶对高能量的需求,容易造成瘤胃内乳酸及挥发性脂肪酸快速积累,瘤胃液pH值过低,引发亚急性瘤胃酸中毒(subacute ruminal acidosis,SARA)[37]。非金属矿物具有良好的离子交换能力,可降低瘤胃液中H+浓度,缩短瘤胃液pH值低于5.6(SARA界定阈值)的持续时间,缓解饲喂高精料诱导的SARA症状,改善因瘤胃液pH值过低而导致的产乳量和乳品质下降[37,66]。Neubauer等[33]研究日粮中补充非金属矿物(主要成分为膨润土)对荷斯坦奶牛采食高精日粮影响的结果显示,每头奶牛每天补充50 g非金属矿物可调节瘤胃菌群结构,降低潜在致病菌丰度,并通过下调瘤胃上皮3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶1基因(HMGCS1)的表达,减缓血酮和胆固醇生成,消除高精料对瘤胃环境和健康产生的负面影响。Sulzberger等[67]指出,高谷物日粮可降低奶牛的体况评分、日产奶量、乳蛋白含量和采食后瘤胃液pH值,而添加2%黏土矿物可使上述指标均有所改善;观察奶牛行为,发现非金属矿物降低了奶牛采食高精料后瘤胃酸中毒风险。以上结果提示,非金属矿物是良好的瘤胃pH缓冲剂,能够促进瘤胃健康,改善瘤胃屏障功能,维持瘤胃内环境稳态,进而提高反刍动物生产性能。

3.4 水产动物

与畜禽研究结果相似,由于具有强大的吸附性能,非金属矿物可降低重金属、霉菌毒素和农药等对水产动物的毒性作用和损伤[35-36,41,68]。Abbas等[35]报道,广谱类杀虫药二嗪磷可导致罗非鱼的肝脏、肾脏、脾脏和鳃组织出现明显的病理变化,膨润土能有效吸附饲料中的二嗪磷,保护肝脏和肾脏功能,降低二嗪磷的神经毒性,还可降低脂质过氧化、减少机体氧化应激。

非金属矿物对水产动物的生长发育亦有促进作用。Karimi等[21]报道,日粮添加蒙脱石可吸附氨,减少氨对组织的损伤,提高虹鳟鱼成活率、均末重、体增重以及特定生长率,显著降低饵料系数。Hassaan等[69]发现,绢云母可改善罗非鱼的饲料利用效率,并显著提高淀粉酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶和脂肪酶4种内源消化酶活性。非金属矿物具有良好的流变性和胶体性,是理想的水产饲料黏结剂,可提高颗粒质量,防止投喂后饲料颗粒溶散而污染养殖水体[20,70-71]。Zhang等[20,70]研究发现,凹凸棒石具有良好的流变性和胶体性,可以降低团头鲂和中华绒螯蟹颗粒饲料的粉化率、溶失率,显著改善硬度和PDI;可显著提高团头鲂饲料淀粉糊化度,有利于提高饲料中淀粉的消化吸收;还可加快饲料制粒速度。Ayoola[71]通过养分渗出等试验证明膨润土可提高鲶鱼颗粒饲料在水中的稳定性;在循环水养殖条件下,膨润土组水质参数(pH值、氨氮、亚硝酸盐和总悬浮颗粒物)显著优于对照组,表明膨润土明显改善了鲶鱼养殖过程中的水体质量。非金属矿物对养殖水质的改善有助于提高水产动物生产性能、养殖效率和效益。

Karimi等[21]报道,硅酸盐矿物可刺激机体产生非特异性免疫反应,强化溶菌酶活性,提高血液中补体C3、C4含量,激活体液免疫,增强吞噬细胞功能,提高水产动物对病原体的抵抗能力,因此,饲料添加硅酸盐矿物提高了虹鳟鱼被出血败血症病毒感染后的成活率。Xu等[10]研究发现,在日粮中添加黏土矿物能够提高加州鲈生长性能、非特异性免疫功能,改变肠道绒毛形态,增强抗嗜水气单胞菌感染能力,可能与黏土矿物中含有稀土元素有关。上述研究表明,非金属矿物具有增强水产动物抗病能力的作用。另外,在罗非鱼的研究中发现,硅酸盐矿物含有的必需微量元素Zn、Cu、Se等在睾丸发育及精子发生过程中具有重要作用,日粮添加硅酸盐矿物能够提高雄罗非鱼性腺甾类激素(睾酮、11-酮基睾酮、17β-雌二醇)水平和精子质量,说明非金属矿物对水产动物的繁殖亦具有积极作用[72]。

4 非金属矿物的前沿研究及在饲料中的应用展望

病原微生物感染、超级细菌产生和土壤重金属污染等严重威胁食品安全和人类健康,是人类未来面临的新挑战,对动物亦有极大危害[73-75]。非金属矿物在控制病原微生物感染和耐药基因传播方面极具潜力,在修复土壤上作用显著,已引起广泛关注[1,76-77]。基于非金属矿物对病原菌、重金属等的作用,通过在饲料中添加非金属矿物可从动物到土壤环境途径中的各个环节来控制病原微生物和耐药基因的传播,同时发挥其土壤修复作用,从而促进健康养殖的发展。

4.1 抑制病原微生物

病原微生物,尤其是肠道病原微生物,与动物的生长、代谢和免疫息息相关。然而,抗生素和抗病毒药物的过量使用导致细菌产生耐药性,诱导病毒变异形成突变株,影响动物和人类健康,人畜共患病的传染风险增加,因此亟需开发具有抗菌抗病毒功效的新型产品。研究表明,非金属矿物在吸附、固定病原微生物后可影响微生物代谢过程,进而抑制病原微生物生长。蒙脱石等层状非金属矿物在水溶液中可与φ6-噬菌体病毒发生疏水吸附作用,破坏病毒包膜,从而降低病毒传染性[77]。Awad等[78]亦发现,纳米高岭土微粒可有效吸附丙型肝炎病毒,改变病毒跨膜糖蛋白结构,增强包膜通透性,从而抑制肺炎病毒存活,为治疗COVID-19新型冠状病毒提供新思路。Zarate-Reyes等[79]对耐药病原菌研究后发现,非金属矿物表面的硅氧烷基团可与革兰氏阴性菌细胞壁脂多糖作用从而干扰细菌生长,且矿物中不稳定铁离子诱导产生过量羟基自由基,造成细菌产生氧化应激,最终达到抑制耐药菌的作用。但Brennan等[77]报道,土壤添加蒙脱石会提高肠道病原体(李斯特菌、沙门氏菌、大肠杆菌O157∶H7)的存活率,其原因可能是蒙脱石具有较高的阳离子交换能力,增强了细菌的呼吸作用。有研究报道,矿物金属元素含量可以作为评估层状、纤维状黏土矿物抑制病原微生物作用的指标,其中Ba、Cr含量预测云母矿物杀菌效果准确率高达87%[29]。而Otto[80]研究认为,非金属矿物体外抑菌效果由矿物金属离子的毒性决定,而体内抑菌作用受矿物的物理性质影响。此外,纳米锂蒙脱石等黏土材料可与抗原蛋白结合形成可降解微粒,作为疫苗佐剂提高大肠杆菌疫苗的免疫效果[11]。综合已有的研究结果,非金属矿物对病原微生物表现出有效抑制作用,且非金属矿物安全、稳定,病原微生物不易对其产生抗性。因此,饲料中添加非金属矿物具有预防致病微生物感染的潜力。

4.2 减少耐药基因传播

饲用抗生素的选择压力会促进动物肠道内耐药细菌的增殖和耐药基因(antibiotic resistant gene,ARG)的水平转移和富集,并通过畜牧从业者、动物源性食品和排泄物等多个途径进入空气、水和土壤环境中传播和扩散[81]。Hu等[82]研究发现,人体肠道中四环素ARG的丰度最高,可能是畜禽耐药病原菌携带ARG沿食物链传播所致。而层状、纤维状晶体结构的黏土类非金属矿物可抑制耐药细菌的增殖,且对四环素、泰乐菌素等抗生素有较好的吸附效果,可降低抗生素的选择压力,缓解ARG在肠道内通过可移动元件发生水平转移[15]。体外研究发现,埃洛石可下调大肠杆菌中多黏菌素B耐药相关蛋白的表达,抑制外排泵AcrAB-TolC和双组分信号转导系统PhoP/PhoQ的作用,从而降低抗生素选择压力而产生的细菌耐药性[83]。Jahanbakhsh等[84]报道,在断奶仔猪饲料添加斜发沸石,一定程度上降低了粪便中携带ARG和毒力基因大肠杆菌的比例,表明非金属矿物可降低动物肠道内ARG和毒力基因的传播。Qu等[85]研究发现,日粮中添加沸石可显著降低肉鸡盲肠菌群四环素ARG的检出率和相对丰度,可能与沸石多孔结构降低微生物和抗生素的接触有关。Jin等[1]的研究亦表明,凹凸棒石添加于饲料中可降低青脚麻鸡盲肠内容物Ⅰ类整合子整合酶基因(intI1)丰度,减少ARG随可移动元件水平转移的发生,显著降低盲肠内容物四环素ARG的相对丰度。由此可见,日粮添加非金属矿物可降低ARG丰度,在一定程度上抑制ARG的传播,降低耐抗生素病原菌对动物和人类健康的威胁。但非金属矿物对抑制ARG传播的作用机制尚需进一步探究。

4.3 修复污染土壤

畜禽粪污中含有大量未被动物吸收利用的重金属元素,如Cu、Zn、Cr、Pb、Cd等,又随粪便或有机肥排放到土壤中,导致土壤中重金属超标,造成严重的土壤污染[86]。非金属矿物具有特殊的阳离子交换性、吸附性和酸碱性,可增加土壤阳离子交换容量,吸附土壤中的重金属,改善土壤的酸碱度和通透性[13]。Wu等[76]研究发现,凹凸棒石可降低土壤中重金属的生物有效性和植物对土壤重金属的富集,可作为重金属钝化剂用于污染土壤的修复,改善土壤理化性质。Vrnceanu等[12]报道,土壤添加白云石降低了可交换态重金属Cd和Pb的含量,其原因可能是白云石显著提高土壤pH值,促进重金属形成稳定的氧化物和钙酸盐沉淀。此外,粪便堆肥添加非金属矿物能够有效提高重金属钝化率,重金属由活性较高的交换态向活性较低的氧化态和残渣态转化,从而降低其生物利用度[87]。以上结果提示,利用非金属矿物对重金属的吸附作用,通过饲料—粪便—堆肥—土壤的途径,发挥非金属矿物功能,生产优质有机肥,增强土壤肥沃度,改善土壤结构,降低重金属的可迁移性和生物有效性,达到修复土壤的目的。但目前缺乏通过在饲料中添加非金属矿物对土壤进行修复的研究。

5 小结

天然非金属矿物具有良好的吸附性、胶体性、离子交换性和稳定性等理化特性,应用于饲料中可改善颗粒饲料质量,促进动物对饲料养分的消化与吸收,提高生长速度和饲料转化效率,而且能够吸附有毒有害物质,保护动物肠道健康,提高产品品质。今后应进一步探究饲料中添加非金属矿物对控制病原微生物、耐药基因的传播和修复污染土壤的作用,实现非金属矿物在饲料中的高效应用。