稀土元素的生物学功能及其在动物生产中的应用

邓蒙蒙 高 慧 刘建新 王迪铭*

(1.浙江大学动物科学学院,奶业科学研究所,杭州 310058;2.浙江省畜牧技术推广与种畜禽监测总站,杭州 310021)

稀土元素位于元素周期表中ⅢB族,包括镧系元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)以及钪(Sc)、钇(Y),是这17种金属元素的总称。稀土元素的发现历史悠久,首个稀土元素是在1788年由瑞典陆军中尉Karl Axel Arrhenius发现,他收集了黑色矿物钇矿,1794年芬兰人Gadolin利用分级结晶法分离出钇,1947年美国人Marinsk等制得钷。据最新调查报告显示,中国已成为全球稀土储量最高的国家,约占全球稀土总储量的33.8%[1]。同时,我国也是对稀土开发利用最广泛的国家之一。2006年,欧盟禁止在饲料中使用所有促进生长的抗生素,寻找安全、高效的新型饲料添加剂成为了从业者关注的重点。近年来,由于稀土元素在提高畜禽生长及生产性能方面的功效,被认为是下一代具有功能的饲料添加剂。由于活泼的化学性质,稀土元素在哺乳动物细胞生化代谢中发挥重要催化作用,因此通常以有机或无机形式作为家禽和猪的饲料添加剂[2]。研究显示,有机稀土元素化合物(如柠檬酸稀土、氨基酸稀土螯合盐等)可显著提高非反刍动物的营养物质消化率和生长性能[3-6]。同时,已有研究证实,有机稀土元素化合物对反刍动物瘤胃发酵活力也发挥积极调节作用[7-8]。前人综述多集中在有机稀土元素化合物对畜禽生长及生产性能的影响,而无机稀土元素在动物生产中的表现少有提及。因此,本文综述了稀土元素的理化性质、生物学功能及其在动物生产中的应用,总结并讨论了有机/无机稀土元素在动物生产中应用情况,以期为利用稀土元素作为新型饲料添加剂配制饲粮提供更为全面的参考,以及为饲粮补饲稀土元素在动物实际生产过程中的应用提供广泛的实践参考。

1 稀土元素的理化性质

稀土元素在地壳中含量丰富[9],主要以稀土矿物形式存在,多为混合态。地壳中的稀土元素含量比银(Ag)或汞(Hg)更高,其中以铈含量最高,在地壳中的储量与铜(Cu)相差无几[10]。稀土化合物柔软、延展性好,镧系铜氧化物在超低温下甚至会表现出超导性[11]。在自然界中,稀土元素主要以磷酸盐形式存在,部分以氧化物、硅酸盐、碳酸盐和卤素化合物等形式存在。稀土元素金属的化学活性很强,对氢、碳、氮、氧、硫、磷和卤素具有极强的亲和力[12],被广泛应用于催化反应中。近年来,稀土元素已被广泛应用于医学、工业和畜牧业等领域。Martin等[13]研究表明,由于铈和镧的原子半径与钙(Ca)或其他金属离子的原子半径相似,它们的第一电离能接近碱土金属的电离能,可能在动物的生长与代谢中作为辅助因子取代钙或其他金属离子。

2 稀土元素的生物学功能

2.1 增强酶活性

酶是细胞内部生化反应加速的生物催化剂,是介导动物机体新陈代谢的生命活性物质,负责催化体内多种新陈代谢和能量转换过程。稀土元素作为金属活化剂,可以与酶结合,改变其构象和催化活性,激活酶活反应系统,从而促进酶的反应速率,提高营养物质的代谢效率。Ou等[14]认为,稀土元素可以诱导仔猪肠道消化酶分泌和提高肠道消化酶活性。Xun等[8]研究表明,有机柠檬酸稀土对反刍动物消化道消化酶的调节是一种不依赖剂量的方式。有机稀土元素化合物还可以提高肉牛肝脏中脂蛋白酯酶(LPL)的活性,降低脂肪酸合成酶(FAS)和苹果酸脱氢酶(MDH)的活性[15]。有机稀土壳聚糖螯合盐可提高鸡内脏Na+-K+-ATP酶和Ca2+-Mg2+-ATP酶的活性[16]。这可能是由于稀土元素独特的电子结构,可与蛋白质直接结合,从而影响酶的活性;同时,低浓度的稀土金属离子进入动物体内,可促进钙离子内流,激活Na+-K+-ATP酶的活性[17]。此外,无机稀土元素化合物三氧化二镧(La2O3)纳米颗粒和氯化镧(LaCl3)也被证实可以增强过氧化氢酶(CAT)的活性[18]。研究发现,有机稀土壳聚糖螯合盐能影响蛋鸡十二指肠中α-淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶的活性[19],无机稀土元素化合物纳米氧化铈也能影响蛋鸡肠道蛋白酶基因的表达以及胰蛋白酶的合成与分泌[20],这提示稀土元素对动物机体消化酶的调节作用可能不依赖于壳聚糖等化合物。综上所述,稀土元素可以通过影响动物消化道或能量代谢相关酶的活性,从而影响动物的生产性能。

2.2 增强营养素吸收

作为饲料添加剂的稀土元素,可以提高动物对饲料中营养成分的消化和吸收,促进动物的生长,从而提高动物的生长性能。稀土元素可通过提高蛋白质代谢、与其他矿物元素协同或拮抗,从而提高营养素的吸收率。研究表明,饲粮添加无机稀土混合物可能会影响反刍动物消化道中消化液分泌以及其通透性,进而影响营养物质的消化和吸收[7]。在猪饲粮中添加150 mg/kg无机稀土元素,其氮、碳水化合物的吸收以及营养物质的消化率均得到了明显提高[21]。上述结果表明无机形式稀土元素对反刍与非反刍动物的营养物质消化和吸收均有提高效果。Han等[22]研究表明,仔猪饲粮添加0.1%的有机稀土矿物酵母,可显著提高干物质、粗蛋白质、粗脂肪、钙、磷等营养物质的代谢率。Cai等[3]研究发现,育肥猪饲粮中添加适量有机稀土矿物酵母,其总能和干物质全消化道消化率升高,这与Han等[22]的研究结果一致。由于稀土金属离子的性质以及结构与钙离子相似,在动物的生长和代谢中可作为辅助因子取代或干扰钙离子,从而影响部分生理功能,如调控营养素的吸收等。因此,根据不同阶段畜禽消化酶活性的特异性,添加相应的稀土元素可有效提升动物对营养素的利用效率。

2.3 抑制细菌生长

与传统抑菌金属离子(如银离子)相比,稀土金属离子具有更好的抑菌性能,且光稳定性好、毒性低。冯小强等[23]研究发现,有机稀土壳糖胺螯合盐可以抑制有害菌群生长,且稀土金属离子与壳糖胺的摩尔比越高,抑菌效果越好。饲粮中添加稀土元素可以破坏感染性细菌。Zhang等[24]和Peng等[25]的体外试验均发现,无论是有机稀土柠檬酸盐铈还是无机离子形式的镧离子(La3+),均以剂量依赖的方式抑制几种细菌的生长。杨自芳等[26]也发现,有机稀土壳糖胺螯合盐可以显著抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的生长。这可能是由于其可以破坏细菌的细胞壁、细胞膜,在内部抑制其分裂繁殖。无机形式的纳米稀土化合物也可抑制金黄色葡萄球菌的生物膜活性,并降低微生物细胞活力[27]。此外,有机形式稀土元素的抑菌性能优于无机形式稀土元素[28]。因此,进一步开发具有关键致病菌靶向效力的稀土元素,将有效改善畜禽微生物源疾病的发生。

2.4 调节免疫功能

近年来的研究发现,稀土元素在动物机体免疫功能调控中发挥重要作用。稀土金属离子具有类似肾上腺皮质激素的作用,能够促进炎症愈合。体外研究表明,无机离子形式的铈离子(Ce3+)和La3+影响骨髓内血细胞的产生,并以剂量依赖的方式降低白细胞的产生[12]。Durmu等[29]发现,蛋鸡饲粮中添加无机稀土元素化合物La2O3对其免疫反应有积极影响,对血清超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性无显著影响,但显著降低了血清丙二醛(MDA)含量。Cheng等[30]发现,LaCl3、氯化铈(CeCl3)和氯化钕(NdCl3)3种稀土元素氯化物可显著抑制小鼠血清免疫球蛋白M(IgM)含量,表明稀土元素对体液免疫具有重要的调节作用。在肉鸡饲粮中添加适量的有机稀土壳糖胺螯合盐可提高其血清和肝脏中总抗氧化能力,增加血清和空肠中白细胞介素-2(IL-2)、白细胞介素-4(IL-4)含量,降低空肠中Toll样受体4(TLR4)/核因子-κB(NF-κB)通路相关基因表达,使空肠中IgM、分泌性免疫球蛋白A(sIgA)、免疫球蛋白G(IgG)的含量显著提升,最终改善动物的健康状况[31]。众多研究均表明,稀土元素具有提高免疫细胞活性、刺激免疫球蛋白、刺激吞噬细胞吞噬病原体等多种免疫调节功能。

2.5 调节激素分泌

稀土元素对动物体内激素活性也有一定影响[5]。镧和铈已被证实可显著降低猪血清中生长抑制素并提高生长激素水平,主要是由于其可以调控下丘脑-垂体轴,抑制下丘脑释放生长抑素,并促进脑下垂体细胞分泌生长激素[32]。有机稀土壳糖胺螯合盐可以显著提高胰岛素样生长因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)mRNA在肝脏和卵巢中的表达,提高蛋鸡的生产性能[33]。Qin等[34]的体外试验表明,无机稀土氧化铈纳米颗粒通过调节小鼠睾丸间质细胞的抗氧化能力和生物时钟(Clock)基因表达,保护睾丸的激素合成。Wang等[35]研究发现,饲粮中添加100 mg/kg无机稀土化合物LaCl3可提高育肥猪血清中生长激素含量、峰值及基线水平。饲粮中添加无机稀土混合物可显著增加仔猪血清中三碘甲状腺原氨酸(T3)含量[36]。高艳荣等[37]研究表明,无机稀土硝酸钕和硝酸铈灌胃可显著提高大鼠血清三碘甲状腺原氨酸、四碘甲状腺原氨酸(T4)含量,从而对内分泌系统产生影响。甲状腺激素是生长激素发挥作用的前提条件。由此可见,稀土元素能够通过提高动物体内相关激素的丰,从而改善动物生长性能。

2.6 调控胃肠道菌群

稀土元素在胃肠道内发挥功能,与微生物群落相互作用,最终调节营养摄取、消化和利用。前人研究表明,稀土元素通过促进胃肠道菌群的发育来促进动物生长[38]。许甲平等[39]研究表明,稀土元素镧能与有害菌结合,影响其核酸酶活性和功能并且抑制其生长,从而使动物肠道内菌群保持平衡,提高免疫力。有机稀土壳糖胺螯合盐能够维持断奶仔猪肠道微生物平衡,提高其生长性能和养分消化利用率[40]。Zhang等[41]在体外瘤胃发酵试验中发现,添加无机稀土元素化合物LaCl3可影响反刍动物瘤胃微生物区系,降低产甲烷菌、原虫的相对丰度,提高产琥珀酸丝状杆菌的相对丰度。稀土元素能影响反刍动物瘤胃微生物生态系统,添加100～300 mg/kg的有机稀土柠檬酸盐可降低绵羊瘤胃pH,并进一步持续改善瘤胃微生物蛋白合成,提高瘤胃纤维素分解细菌的活性[8]。Zhao等[42]研究发现,铈离子浓度低于400 μg/mL时刺激大肠杆菌生长,大于等于400 μg/mL时抑制大肠杆菌生长。由此可见,低浓度的稀土元素对微生物生长起促进作用,而高浓度的稀土元素则有抑制作用。

3 稀土元素在动物生产中的应用

3.1 在家禽生产中的应用

稀土元素已被证明可以有效改善肉鸡的体增重(BWG)和饲料转化率(FCR)[12],且少量补充可增加蛋鸡的产蛋量[43-44]。Lu等[19]研究表明,饲粮中添加有机稀土壳糖胺螯合盐显著提高了蛋鸡的平均日采食量(ADFI)和平均日产蛋量,并且在一定剂量范围内,十二指肠中α-淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶的活性也有所提高。在肉鸡饲粮中补充适量有机稀土壳糖胺螯合盐也可提高平均日增重并降低料重比,对其生长性能、免疫功能和抗氧化能力具有有益的影响[31]。有机稀土元素化合物在肉鸡生产中还有降低硫化氢气体释放量,改善肉品质的效果[45]。饲粮中添加无机稀土元素化合物氧化铈后,蛋鸡血清钙、磷含量显著升高,SOD活性和MDA含量显著降低[46]。无机稀土元素化合物纳米氧化铈作为催化剂,已被应用在家禽粪便处理中[47]。Li等[48]研究表明,在产蛋后期蛋鸡饲粮中添加有机稀土元素化合物会显著降低蛋鸡的蛋壳厚度,并且在高剂量添加时显著降低梭杆菌门和梭杆菌属的相对丰度,同时显著增加瘤胃球菌属和亚颗粒球菌属的相对丰度,对卵子质量和肠道形态产生负面影响,并改变肠道微生物群的多样性和组成。Eleraky等[49]的研究表明,补饲有机稀土元素对日本鹌鹑的生长性能有显著影响,可增加体重,提高饲料转化率以及蛋白质和能量利用效率。综上所述,补饲稀土元素可有效减少家禽机体的应激水平,优化菌群结构,最终改善其生产性能。

3.2 在猪生产中的应用

在猪生产中,稀土元素作为饲料添加剂的应用研究较多。早期研究表明,补充较高剂量的无机稀土元素化合物(LaCl3、CeCl3等)可所提高仔猪的生长性能[35-36]。补充较高剂量的有机柠檬酸稀土混合物则会降低仔猪的采食量,降低血清三碘甲状腺原氨酸含量[4]。Cai等[3]研究表明,育肥猪的ADG和FCR随饲粮中有机稀土矿物酵母水平的增加呈线性增加,这与Kraatz等[50]的研究结果不一致。Kraatz等[50]研究发现,在断奶仔猪饲粮中添加200 mg/kg的有机柠檬酸稀土,对其生长性能、粪重比和粪便微生物群没有显著影响。这提示,稀土元素的不同添加形式、饲喂动物的不同生理阶段都有可能影响稀土元素饲料添加剂的作用效果。此外,研究发现,添加稀土元素3个月对猪的肌肉、肝脏和肾脏没有残留影响[36]。添加有机稀土元素化合物还可以减少围产母猪饲粮中蛋白质的用量[51]。除稀土元素混合物外,在饲粮中单独添加100 mg/kg无机形式的镧可使猪的ADG和FCR分别提高12.95%和6.78%[35]。在Han等[22]的试验中,饲喂断奶仔猪添加了抗生素、氧化锌和有机稀土矿物酵母的3种饲粮后,添加有机稀土矿物酵母组仔猪的干物质、粗蛋白质、钙、磷、组氨酸、赖氨酸、苏氨酸和缬氨酸的消化率和总能均显著高于添加氧化锌组,添加抗生素组猪的养分消化率往往介于添加有机稀土矿物酵母组和添加氧化锌组之间,而生长性能却没有显著差异,表明有机稀土矿物酵母可以作为保育猪饲粮中的生长促进剂。在生产实践中,有机形式与无机形式的稀土元素饲料添加剂可能会因其稀土元素含量不同可能造成生产表现差异,这提示需要进一步确定添加剂中稀土元素的最佳含量,从而补饲合适剂量的稀土元素,提高猪生长相关激素水平,提高其免疫能力及营养物质消化率,最终提高猪的生产性能。

3.3 在反刍动物生产中的应用

与单胃动物相比,稀土元素饲料添加剂还未广泛应用在反刍动物生产中。前人研究表明,添加无机形式的稀土氧化物和稀土硝酸盐可以提高育肥牛的日增重和奶牛的产奶量[12]。稀土元素在改善反刍动物瘤胃微生物区系、提高饲料利用率方面也有显著成效。在反刍动物饲粮中添加无机稀土元素化合物可显著提高瘤胃对中性洗涤纤维(NDF)的利用度[52],增加挥发性脂肪酸(VFA)含量[7]。在肉牛饲粮中添加无机稀土元素化合物LaCl3,随着添加量的增加,瘤胃中总挥发性脂肪酸(VFA)和丙酸含量呈线性和二次增长,表明饲粮中添加LaCl3改善了肉牛的瘤胃发酵[52]。Adu等[53]研究发现,添加无机稀土元素化合物La2O3使西非矮羊体重增加,但其血清和血液学指标没有显著变化。Xu等[15]研究表明,饲粮中添加柠檬酸稀土对肉牛的生长性能和胃肠道消化率有积极反应,400 mg/kg组的ADFI最大,ADG最佳,料重比最小,且柠檬酸稀土的添加可以有效地调节瘤胃微生物群,促进瘤胃纤维的消化率,抑制脂质沉积,提高肌肉粗蛋白质含量[54]。李浩等[55]的研究也表明,饲粮中添加有机稀土壳糖胺螯合盐对水牛犊牛的生长性能和养分表观消化率有提高作用,且能够调节瘤胃菌群结构,以0.06%添加水平效果较佳。Renner等[56]发现,在公牛饲粮中补充适量柠檬酸稀土时,外周血单核细胞的增殖明显增高,表明稀土元素可能在增强牛免疫系统方面发挥潜在作用。综上所述,给反刍动物补饲一定剂量的稀土元素可以改善瘤胃环境,提高饲粮中营养物质的利用率,进而提高其乳品质、肉品质等生产性能以及生长性能。

3.4 在其他动物生产中的应用

研究表明,饲料中添加300 mg/kg有机稀土壳糖胺螯合盐时,大菱鲆的生长性能、血清中细菌吞噬指数及SOD活性均得到提高;但超过一定剂量时,会使鱼体蛋白质组分、脂类含量降低,免疫能力降低,血清中SOD活性和MDA含量降低[57]。给大鼠静脉注射无机稀土元素化合物La2O3纳米颗粒对其无不良影响[58]。Nikitchenko等[59]研究发现,无机稀土基原钒酸盐纳米颗粒(OV NPs)对Wistar大鼠肝脏和血液中的氧化/抗氧化平衡具有与年龄相关的有益作用;进一步研究表明,OV NPs不仅具有直接的抗氧化作用,而且对生物能量过程的轻微抑制以及对谷胱甘肽依赖性抗氧化系统的触发可能是它们对衰老生物体有益影响的主要机制[60]。Ladipo等[61]研究发现,饲粮中添加无机稀土元素化合物氧化铈可显著改善兔的ADFI、BWG和FCR,并且对血清生化指标和血液学指标无显著影响。本课题组前期研究发现,无机稀土元素化合物四氟化钇钠(NaYF4)纳米颗粒在未改变小鼠代谢活动的情况下,通过提高肝脏羧酸酯酶(Ces2h)表达,降低了肝脏甘油三酯和胆固醇含量,即减少了中性脂质的积累,减轻了体重和肝脏脂肪变性[62],这对调节遗传性肥胖及高脂饮食引起的肥胖和脂肪肝疾病具有重要意义。因此,在未来,新形式的稀土元素可能会被更加广泛地研究并且应用到动物生产实践中去。

4 小结与展望

综上所述,稀土元素具有独特的理化性质,在动物体内可参与多种代谢过程,并在畜禽高效生产和健康维持方面发挥重要作用[63]。目前,大部分研究主要聚焦于稀土元素化合物或混合物在动物生产上的应用,而单个稀土元素在动物生产方面的应用研究有待进一步探索。在前人研究基础上,今后应进一步挖掘稀土元素在酶活性调节、营养素吸收代谢、致病微生物杀灭、免疫功能调节、激素分泌调控等方面的功能,可为进一步优化动物生长表型和提升牧场经济效益提供新的思路;进一步探究不同形式稀土元素对动物生产的不同影响,可为新形式稀土元素的应用及高效安全饲料添加剂的开发提供参考;进一步研究稀土元素剂量效应,并针对动物种类、生理状态等因素开展系统试验,明确稀土元素最佳添加量,可为稀土元素在动物饲粮中的推广和动物生产中的实际应用提供更多、更权威的数据。