镉污染对家禽健康生产的影响及营养干预控制技术研究进展

■ 高 峰 徐 鹏

（南京农业大学动物科技学院，江苏省动物源食品生产与安全保障重点实验室，江苏省肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心，江苏 南京 210095）

镉（Cadmium，Cd）是一种天然存在的有毒重金属。环境镉污染是家禽镉暴露的主要来源。作为一种环境污染物，镉可以在家禽体内高度积累，并对机体健康产生严重危害。禽肉是人类主要的蛋白质来源，镉在家禽体内的积累不仅是危害家禽健康和生产的难题，也是关乎动物源食品安全的公共卫生问题。因此，深入了解家禽镉中毒的分子机制并探索相应的解毒措施在家禽生产中具有重要意义。文章从环境镉污染现状、镉对家禽的毒性作用、镉毒性的分子机制以及营养干预控制技术4 个方面综述当前镉污染对家禽健康生产的影响及营养干预控制技术研究进展，以期为保障家禽健康生产提供参考。

1 环境镉污染现状

镉污染的来源主要有两个方面：包括化石燃料燃烧和矿冶活动在内的人为活动以及包括火山喷发、森林火灾在内的自然活动，其中，人为因素导致的环境镉污染远高于自然因素。随着工业化的推进，人类的诸多活动将镉不断排放到环境中，造成环境镉污染。有调查显示，我国土壤镉浓度的超标率为7%，远高于其他7 种被检测的重金属[1]。土壤镉污染是导致植物中镉蓄积的主要原因。家禽可通过采食含镉植物导致镉中毒。张玉凤[2]调查了我国锦州湾海域的镉污染情况，发现该海域海水镉浓度超过国家一类海水水质标准，工厂附近海域的沉积物中镉的浓度更是严重超标。李宁等[3]调查显示，即使是城市饮用水也同样存在镉污染的风险。家禽可通过饮用受污染的水导致镉中毒，并且水体镉污染可引起水生动物体内的镉蓄积，导致动物源性饲料原料（如鱼粉）镉污染，进而危害家禽健康。此外，镉是一种大气污染物，工业含镉废气的排放也可通过呼吸道诱发家禽镉中毒[4]。

饲料镉污染是家禽镉中毒的主要因素。家禽饲料中镉污染的来源主要包括3 个方面：饲料原料作物的镉污染，如相关报道表明四川省常用能量饲料DDGS、麦麸、米糠中镉的超标率分别为8.33%、45.45%和66.67%[5]；微量元素添加剂通常伴有镉污染，如不合格的硫酸锌添加剂中镉含量严重超标，甚至可接近30 g/kg[6]；饲料中某些酸性物质可溶解加工设备表面的镀镉金属层，导致饲料镉污染。Li 等[7]对北京和阜新地区215 家畜禽养殖场的饲料进行镉含量抽检，发现最大检测值可达31 mg/kg，远高于我国《饲料卫生标准》限量（0.5 mg/kg）。郭恺[8]检测了元宝山地区235 份鸡饲料样品镉含量，发现浓缩料、配合料和预混料的镉超标率分别为9.86%、15.56%和12.16%，其中，最大检测值为23.3 mg/kg。该调查还显示，肉鸡饲料中镉的超标率（13.67%）高于蛋鸡饲料（9.62%）。这与迪娜·吐尔生江等[9]的调查结果不同，他们发现黄淮海地区蛋鸡饲料镉的超标率为29.2%，远高于肉鸡饲料（12.8%）。这可能与饲料原料镉污染情况和加工工艺的差异有关。禽肉是人类主要的蛋白质来源，镉污染可直接影响动物源食品安全。王雅洁等[10]采集了2015—2017年间我国华北、东北、华东、华中、华南、西南和西北地区5 类畜禽肉（猪、牛、羊、鸡、鸭）样本，共计10 500 份，发现各地区鸡肉样本中镉的超标率为0.33%～2.33%，鸭肉样本的镉超标率为0.67%～2.00%，均以西南地区的超标率为最高。上述调查结果表明，我国家禽养殖行业存在镉污染的情况，其中饲料镉污染现状更为严重。这可能危害家禽的健康生产，并对人类健康构成潜在风险。

2 镉对家禽的毒性作用

镉主要通过皮肤、胃肠道或呼吸道进入体内。家禽采食含镉饲料后，镉主要在小肠被吸收，其中十二指肠的吸收效率最高，是空肠和回肠的两倍。被吸收后的镉可通过血液循环被运送至全身各组织器官，进而产生毒性作用。张娟[11]探究了镉在蛋鸡体内的组织蓄积规律，发现镉主要沉积在肝脏、肾脏中（肾脏＞肝脏），其次为小肠（十二指肠＞回肠＞空肠），再次为生殖器官（卵巢＞子宫＞输卵管），极少量沉积在心脏、肌肉和脑中。镉一旦进入体内就很难排出，且其半衰期长达10～30 年。因此，即使少量的镉暴露也可通过蓄积对各组织器官造成损伤，影响家禽健康和生产性能。

2.1 肝脏

肝脏是机体代谢的主要部位，具有重要的解毒功能。作为镉蓄积的主要靶器官，镉对家禽肝脏具有强烈的毒性作用。有研究显示，饲料镉污染会诱发肝脏炎症反应和氧化应激，导致肉鸡肝脏损伤，生产性能显著下降[12]。Liu 等[13]研究发现，饲粮添加浓度为150 mg/kg 的镉可通过诱发氧化应激导致肉鸡肝细胞排列紊乱和坏死，肝脏出现明显的组织病理学变化。这与Yu 等[14]的研究结果一致，他们发现连续20、40 d或60 d 饲喂镉浓度为140 mg/kg 的饲料，均会导致肉鸡肝脏发生局灶性出血，肝脏组织发生严重病变，抗氧化相关酶活性显著降低。

2.2 肾脏

肾脏是机体排泄镉的重要器官。经肝脏代谢形成的镉-金属硫蛋白复合物可被运输至肾脏，经肾小球过滤而对近端肾小管造成严重损伤，危害肾脏功能。赵满[15]在饲粮中添加浓度为50 mg/kg 的镉，结果显示，肉鸡平均日增重显著降低，料重比显著增加，肾脏出现明显损伤。主要表现为肾脏离子稳态失衡、肾小管上皮细胞和线粒体肿胀、肾脏凋亡细胞数量以及内质网应激相关基因的表达显著增加，但对肾脏的抗氧化功能没有显著影响。这与在蛋鸡上观察到的结果类似，Wang 等[16]同样发现饲料镉污染会导致肾脏出现组织病理学变化，并通过激活NF-κB 途径诱发蛋鸡肾脏炎症反应，引起蛋鸡肾脏损伤。镉诱发家禽肾脏内质网应激的机制可能涉及其介导的miR-30a-GRP78-JNK 信号通路，这将进一步激活磷脂酰乙醇胺（LC3-Ⅱ），从而诱导自噬的发生，最终引起肾脏功能障碍[17]。

2.3 肠道

Berzina 等[18]研究发现1 日龄雄性肉仔鸡遭受亚慢性镉暴露（50.2 mg/kg）导致镉在肠道中的蓄积量相较于未暴露组提高154 倍，肠黏膜杯状细胞和颗粒淋巴细胞数量显著增加，肠道发生炎症反应，生产性能显著下降，这与Yang 等[19]的研究结果相似，Yang 等[19]研究发现，1 日龄肉仔鸡饲喂含镉饲料（4 mg/kg，以干物质计）后，肉鸡肠道形态发生显著变化，肠道紧密连接蛋白相关基因的表达显著降低，肠道通透性显著增加，促炎细胞因子如IL-1β、IFN-γ、NF-κB 的mRNA表达均显著提高。肠道菌群在维护机体健康方面发挥着重要的作用，该研究表明，镉暴露下肉鸡肠道菌群稳态发生改变，α多样性指数如Chao、ACE 和PD 显著降低，这可能影响苯丙氨酸、色氨酸等的生物合成从而影响肠道和机体健康。

2.4 生殖器官

镉已被证明是一种具有生殖毒性的环境污染物，对多物种的生殖器官具有明显的毒性作用[20]。肉鸡的繁殖性能关系到子代商品肉鸡的健康和经济效益。当前，尚未有镉暴露对肉鸡卵巢影响的报道，仅在蛋鸡上见到少量研究。Zhu 等[21]研究发现，蛋鸡镉暴露（60.67 mg/kg）会通过MAPK、AKT/Fox3a 和mTOR 信号通路引起卵巢的氧化应激、细胞凋亡和卵泡闭锁，进而降低产蛋率和蛋品质。在睾丸上，Li 等[22]研究发现肉鸡镉暴露（150 mg/kg）会引起睾丸组织病理学变化、氧化应激、内分泌失调和细胞凋亡。Najafi 等[23]发现类似的现象，腹腔注射氯化镉溶液会引起肉鸡睾丸结构变化和功能性损伤，导致精液品质下降。目前，少有报道揭示饲料镉污染对家禽生殖器官的影响，需要进一步研究以保障家禽的繁殖性能。

除上述器官外，镉对家禽的其他组织器官同样具有毒性作用。例如，尽管只有少量的镉能够在肌肉组织中蓄积，但镉暴露同样可以诱导肉鸡胸肌发生氧化应激和炎症反应，导致胸肌肉品质下降[24]。此外，脾脏[25]、胰腺[26]、血液红细胞[27]等也是镉致家禽毒性的重要靶标。由此可见，镉诱导的家禽毒性涉及多器官损伤。因此，需要进一步研究镉的毒性机理，从而为保障家禽健康，预防镉污染危害提供研究思路和理论支撑。

3 镉毒性的分子机制

3.1 氧化应激

氧化应激是镉致家禽毒性最主要的机制[8，16，18]。氧化应激会引起活性氧（ROS）的过量产生，从而损伤蛋白质、脂质以及DNA 等，导致细胞功能障碍和疾病[28]。其实质是机体氧化-抗氧化系统的失衡。镉通过多种途径诱导氧化应激。首先，进入机体的镉会通过攻击细胞膜的脂质成分诱导脂质过氧化而破坏膜的流动性，随后转移到细胞中。丙二醛（MDA）是脂质过氧化产物，与镉、ROS 都可抑制抗氧化防御酶如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的活性[29]。同时，镉可以与非酶抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）结合，进一步破坏氧化还原平衡，引起ROS 的过量产生。其次，镉可以从各种蛋白质中释放出具有氧化还原活性的金属离子（如铁、铜），这些金属离子可通过激活芬顿（Fenton）反应引起氧化应激[30]。另外，镉离子（Cd2+）与钙离子（Ca2+）在结构上类似，具有一些相同的物理化学性质。故而Cd2+可以通过细胞膜钙通道进入细胞内，并竞争性地结合某些Ca2+受体，导致细胞内Ca2+浓度增加，引起氧化应激发生[31-32]。

3.2 内质网应激

内质网是一种动态且重要的细胞器，通过控制蛋白质的合成、钙稳态等参与多种细胞功能。内质网应激会诱发未折叠蛋白质反应（UPR）。该反应可通过激活CHOP（促凋亡转录因子）、ASK1/JNK 级联（凋亡信号调节激酶1/ jun 氨基末端激酶）和Bax/Bcl2（凋亡相关蛋白）介导细胞凋亡[33]。先前的研究表明，镉诱导哺乳动物卵巢颗粒细胞发生内质网应激，并增加Bax/Bcl2 的比率，导致颗粒细胞凋亡[34]。这证实了在鸡上的研究结果，即镉暴露通过提高鸡卵巢的内质网应激水平来损害生殖系统[35]。此外，越来越多的证据表明，镉可通过激活内质网应激诱导鸡相关细胞凋亡和组织损伤[36-37]。因此，内质网应激也是镉致家禽毒性的主要机制之一。

3.3 细胞自噬

细胞自噬（Ⅱ型程序性细胞死亡）是一种细胞保护机制，通过利用溶酶体降解受损的蛋白质和细胞器以维持细胞稳态。过度的自噬会引起细胞死亡和组织损伤。镉诱导的ROS 和Ca2+稳态失衡是自噬的诱发因素。研究表示，镉可诱导鸡胚成纤维细胞产生大量的ROS，并经过mTOR 途径激活细胞自噬[38]。在另一项研究中，镉暴露破坏了细胞内Ca2+稳态，引起鸡肝细胞自噬和内质网应激。但与硒联合处理后，即可通过调节细胞内Ca2+稳态缓解肝细胞损伤[39]。此外，也有报道显示，镉暴露可诱导鸡胚肝细胞线粒体功能障碍和PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬，导致肝脏和肝细胞脂质代谢紊乱[40]。

3.4 表观遗传变化

表观遗传变化也是镉毒性作用的重要分子机制。当前，已有的镉诱导家禽表观遗传变化的研究多是关于MicroRNA 的。作为非编码RNA，MicroRNA 可在转录后水平负调控基因表达，并在细胞凋亡、自噬、坏死等病理过程中发挥着重要作用。有研究表示，镉暴露引起蛋鸡脾脏miRNA-33-AMPK 轴失调，并通过影响AKT/mTOR 和HSP70-NF-κB/JNK 信号通路诱导BNIP3 依赖性自噬[41]。在肾脏中，镉暴露可通过影响miR-26a-5p/PTEN/PI3K/AKT 信号通路诱导蛋鸡肾脏坏死性凋亡[42]。也有研究表示，miR-30a-GRP78同样是镉致家禽肾脏毒性的关键靶点[17]。

4 营养干预控制技术

关于如何控制家禽镉中毒尚没有统一的策略。但营养干预被认为是一种可行的措施。该措施主要通过针对镉毒性的潜在分子机制来筛选关键的营养解毒物质。

4.1 植物提取物

植物提取物是从植物中提取出的一类天然小分子化合物，一般具有抗氧化、抗病毒等功能，其有效成分包括精油、多糖、多酚以及黄酮类化合物等。当前，许多研究发现利用植物提取物强大的抗氧化功能可缓解镉的毒性作用。白藜芦醇（Resveratrol）是一种天然二苯乙烯多酚化合物，Zhang等[43]研究结果表示，日粮添加白藜芦醇可通过增强抗氧化酶活性，减弱肾脏线粒体自噬，缓解镉诱导的蛋鸡肾脏损伤。Hu 等[44]研究发现，在日粮中添加姬松茸多糖（ABP）可显著降低肝脏MDA 含量和促炎细胞因子的mRNA 表达，提高抗氧化酶活性，缓解镉暴露诱导的鸡肝脏损伤。

4.2 硒

硒（Se）是许多细胞功能所必需的微量元素，也是当前研究较多且效果较好的镉解毒剂。一方面，硒与镉具有拮抗作用，可在体内形成硒-镉复合物，减少镉在体内的蓄积；另一方面，硒具有强大的抗氧化能力并对机体免疫功能具有调节作用，从而发挥其解毒功能。有研究表示，日粮中补充硒可显著降低镉在蛋鸡脾脏中的蓄积量，并通过增加抗氧化酶活性来减轻氧化应激和细胞凋亡，缓解镉诱导的蛋鸡脾脏损伤[45]。硒的化学形式决定了硒的生物利用度。有研究表示，在日粮中添加不同的硒源会产生不同的解毒效果。纳米硒（Nano-Se）和有机硒（酵母硒，SeY）对镉致蛋鸡心脏损伤的缓解作用均要强于无机硒（亚硒酸钠，SSe）[46]。

4.3 微生态制剂

近年来，微生物对重金属的生物吸附能力及其安全、环保、高效的优势特征受到了业内的广泛关注。乳酸菌（LAB）是畜禽生产中常用的益生菌添加剂，也是各种微生物吸附剂中能够防治肉鸡镉中毒的潜在解毒剂。Chen 等[47]在体外分离筛选出禽源耐镉乳酸菌，结果显示，口服耐镉乳酸菌提高了肉鸡的生产性能，减少了镉在肝脏、肾脏中的蓄积，对肉鸡的亚慢性镉中毒具有明显的保护作用。这与李惠嘉[48]的研究结果一致，耐镉乳酸菌可剂量依赖性地缓解雪山草鸡镉中毒。

5 小结

环境镉污染是家禽生产中危害较大且亟待解决的问题，可导致镉在家禽不同组织器官中的蓄积，诱导氧化应激的发生，引起细胞功能障碍以及各个组织器官发生病理学变化，最终危害家禽的生产性能。使用具有抗氧化功能的营养添加剂如植物提取物、有机硒等可减少镉在家禽组织器官中的蓄积，缓解镉诱导的家禽毒性。未来应进一步研究镉对家禽的毒性作用及潜在分子机制，尤其是对种禽繁殖性能的影响这一方向的空白尚需填补。综合控制环境污染，强化饲料质量监督，在明确镉毒性机制的基础上进一步探索高效、安全的解毒物质及其与镉的互作机理对保障家禽生产和人类健康具有重要意义。