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谈高剂量氧化锌降低断奶后仔猪腹泻的作用机制

冯自科 马学会 Hanne D. Poulsen
在现代养猪生产中,为发挥母猪最佳生产性能、减少仔猪疾病感染几率并提高仔猪生产性能,常采用早期隔离断奶(segregated early weaning,SEW)技术。早期断奶仔猪的消化系统尚未发育完善,难以承受由液体母乳向谷物性固体饲料变换带来的营养应激;仔猪与母畜骤然分离引起的心理应激;以及重新建群和等级地位确定过程中仔猪个体之间的争斗引起的环境应激(Spencer等,1989)。营养、心理和环境三重应激不可避免地增加断奶后仔猪对环境中潜在病原微生物的敏感性,导致断奶后仔猪腹泻(post weaning diarrhea,PWD)。断奶后仔猪腹泻往往伴随仔猪生长的停滞,情况严重时产生僵猪,甚至造成仔猪死亡,对养猪生产造成重大经济损失。
断奶后仔猪腹泻是仔猪生产中亟待解决的重大课题。国内外的科研人员通过各种途径尝试解决此问题,但迄今为止,无论是在理论上还是在实践方面都没有取得突破性进展。丹麦Poulsen(1989)首次报道,在断奶仔猪的饲料中添加3 000 mg/kg氧化锌可以降低断奶后仔猪腹泻发生率,改善仔猪的生产性能。因此,人们开始就高剂量氧化锌对治疗早期断奶仔猪腹泻开展了研究。
1 断奶后仔猪腹泻
1.1 生理性腹泻
仔猪在幼龄断奶期间,面临来自营养、心理和环境3个方面的应激,其中营养应激最为严重,不仅造成了断奶后短期内仔猪严重的营养不良,而且还会影响到仔猪的内分泌系统、免疫系统和行为状态等,同时也会造成仔猪肠道酶系活性和吸收功能的降低。在应激状态下,断奶仔猪分泌过量的糖皮质激素,导致正常生理代谢紊乱,胃肠道粘膜功能降低,微生物区系发生变化,引起腹泻。
1.2 病理性腹泻
仔猪因肠道尚未建立稳定的微生态系统和免疫系统,自身抵抗力较低,对外界刺激敏感,易受各种病原微生物的侵袭而导致病理性腹泻。其中,大肠杆菌和轮状病毒是最常见的病原微生物,次者为沙门氏菌、志贺氏菌等。
1.3 过敏理论
仔猪断奶后腹泻的发生机制复杂,由Miller等(1984)提出的断奶仔猪腹泻“过敏理论”经过补充完善后已得到国内外共识。其作用模式为:过敏-肠道损伤-养分消化下降-腹泻,最终导致病原菌的过量定植。抗原物质进入断奶仔猪肠道引起免疫反应,仔猪肠道受损,绒毛缩短,隐窝增生,消化酶活性下降,肠道吸收功能降低,导致消化不良和腹泻,肠道正常菌群发生很大变化,从而为某些致病性大肠杆菌的增殖、固着和毒素产生创造了条件。未被消化的蛋白质或未被吸收的氨基酸进入大肠后,会改变肠道内微生物菌群。肠道微生物以大肠杆菌等蛋白质水解菌为主,这些细菌能分解蛋白质,释放出尸胺、腐胺、酪胺和组胺等毒素,这些毒素会刺激肠壁,引起肠损伤和消化功能紊乱。组胺进入血液后,会诱使肠道组织水肿,也会引起消化吸收功能紊乱,组胺过高会引起“组胺休克”,导致仔猪突然死亡(李德发,2003)。
2 高剂量氧化锌作用机制
高剂量氧化锌日粮对断奶仔猪降低腹泻的效果已经得到学者的公认,但对其作用机制目前还无统一结论,总结起来,对高剂量氧化锌大体有3种认识:①对肠道微生物的杀灭作用;②对断奶仔猪阶段性锌缺乏的改善;③不甚明晰的药理学作用。
2.1 对断奶仔猪肠道微生物的杀灭作用
由于日粮中的高锌可以表现出与抗生素相类似的促生长和抗腹泻效果(Jensen,1998),所以有关断奶仔猪日粮中2 500~3 000mg/kg氧化锌的作用效果往往被归结于高锌对肠道微生物菌群的影响。然而到目前为止,尚无充分的数据和依据可以证明锌在仔猪肠道中的抗菌效果。
Jensen-Waern等(1998)和Katouli等(1999)研究了在日粮中添加2 400~2 500mg/kg氧化锌对35日龄断奶仔猪肠道微生态的影响。研究发现,尽管高锌日粮改善了断奶仔猪的生产性能,但在4周的试验期内没有发现高锌组与对照组断奶仔猪粪便中产肠毒素大肠杆菌(E. coli)和肠道球菌(Enterococci)有何差异。同样,Li等(2001)也未发现日粮中添加3 000mg/kg氧化锌对3周龄仔猪断奶后2~11d回肠和粪便中产肠毒素大肠杆菌(Enterobacteriaceae)、梭菌(Closteridia)和乳酸菌(Lactobacilli)的数量造成影响。然而,Katouli等(1999)研究表明,2 500mg/kg剂量的氧化锌对维持肠道菌群平衡和保持大肠中菌落的密殖有一定益处。此外,一些研究发现,无论日粮中添加抗生素与否,高锌均表现出相同的促生长效果(Mavromichalis等,2001;Hill等,2001)。
Zhang等(1995)用接种猪痢疾螺旋体(S. hyodysenteriae)的小鼠作为研究模型,发现日粮中添加6 000mg/kg锌可以显著降低猪痢疾螺旋体的排出率;同时,组织学检查发现,与对照组相比,饲喂高锌日粮显著改善了小鼠的回肠损伤。尽管高锌可以降低猪痢疾螺旋体的数量,但也发现如此高剂量的锌(6 000mg/kg)对小鼠的生长造成了不良影响,这表明6 000mg/kg水平的锌对小鼠是有害的(Zhang等,1995)。因此,Zhang等(1995)指出,问题的关键在于是否降低锌的添加水平后仍然可以降低猪痢疾螺旋体的数量。Mores等(1998)进行了一个相似的试验,给断奶仔猪接种大肠杆菌,结果发现,饲喂2 400mg/kg锌的断奶仔猪并未表现腹泻征兆;相反,未饲喂高锌的仔猪却发生严重的腹泻。尽管如此,研究人员并没有发现上述两组断奶仔猪粪便中的大肠杆菌(E. coli)在数量上存在差异。这一结果表明,高剂量的锌可能增强仔猪肠道对病原微生物的抗性。Huang等(1999)研究了3 000mg/kg水平的日粮氧化锌对肠系膜淋巴结(mesenteric lymph nodes,MLN)和循环系统(systemic circulation)中活菌数量的影响,结果发现,与对照组相比,饲喂高锌的断奶仔猪肠系膜淋巴结中的活菌数量显著降低,但不同菌种之间的存活率没有差异。由此可见,高剂量氧化锌的抗腹泻效果有可能是通过改善肠道粘膜的结构,或者改善肠道免疫系统的完整性实现的。
Roselli等(2003)的试验在一定程度上验证了上述假设,在这一试验中,研究人员发现氧化锌可以保护肠道细胞(Caco-2作为模型)因产内毒素型大肠杆菌(enterotoxigenic Escherichia coli,ETEC)感染而产生的损伤。研究人员分析认为,该作用并非源于氧化锌的杀菌效果,因为在含有高剂量氧化锌的细胞培养液中大肠杆菌的生长未受影响。鉴于高剂量的氧化锌增加了培养细胞系的细胞紧密连接渗透性(tight junction permeability),研究人员认为氧化锌对细胞的保护效果是通过抑制大肠杆菌的粘附、侵入等过程实现的。
综上所述,高剂量氧化锌改善了肠道生物学结构,抑制了病原微生物的粘附和侵入,从而表现出局部抑菌效果,提高断奶仔猪对病原微生物的抗性。但值得注意的是,高锌并不改变仔猪肠道和粪便中的病原菌数量,也并未证实锌的抑菌效果或者对病原菌的这种抗性对仔猪断奶后腹泻构成显著影响。
2.2 断奶仔猪临界锌缺乏的改善
断奶应激往往造成仔猪采食量降低,生长性能下降以及腹泻发生率提高(Pluske等,1997),而在日粮中添加高剂量氧化锌可以增加仔猪断奶后的采食量和日增重以及降低腹泻等(Poulsen,1989;Poulsen,1995)。联想到锌缺乏的临床症状:食欲降低、生长低下、腹泻(McClain等,1985),一些科研人员提出一种假说,即断奶仔猪日粮中的高锌所表现的效果是改善机体锌状况的结果。显然,断奶阶段仔猪的采食量降低(Pluske等,1997),谷物日粮和无机锌中锌的利用率降低(Poulsen和Larsen,1995),再加上仔猪体内的锌储备较低,这些因素综合在一起极易导致仔猪断奶后锌的缺乏。
有研究表明,断奶后饲喂非高锌日粮的仔猪可能会出现锌缺乏。这是因为仔猪哺乳后期,每头仔猪对乳汁的摄入量是1 100g/d(Theil,2002;Auldist等,2000),母猪乳汁中锌的含量为6mg/kg(Poulsen,1993);断奶后仔猪采食量为50g/d(McCracken等,1999),非高锌日粮含有50mg/kg植物源的锌以及100mg/kg外源添加的锌(氧化锌)。锌(氧化锌形式)的生物学利用率大约为20%(Poulsen和Larsen,1995),植物源锌的生物学利用率也约为20%(Poulsen和Larsen,1995),母乳中锌的生物学利用率估计为73%(就目前资料而言,母乳锌的利用率尚未明确)。对采食牛奶产品的仔猪进行的研究结果表明,断奶仔猪对牛奶锌的生物学利用率是73%(Atkinson等,1993;Bobilya等,1991)。所以,断奶前仔猪锌的日摄入量为:1.1 kg(母乳)/d×6mg/kg=6.6mg/d;断奶后仔猪锌的日摄入量为:0.05kg(日粮)/d×150mg/kg=7.5mg/d。这表明,仔猪断奶前与断奶后摄入大体相同的锌。然而,考虑到断奶前与断奶后摄入锌来源的不同,锌利用的情况差异很大(断奶前仔猪锌的利用情况:6.6mg/d×0.73=4.8mg/d;断奶后仔猪锌的利用情况:7.5mg/d×0.20=1.5mg/d)。
通过计算,我们可以清楚看到,仔猪断奶后可利用锌远远低于断奶前。断奶后摄入的可利用锌约为断奶前的30%,可以推算出断奶后仔猪日粮中需要添加450mg/kg的氧化锌才能满足其需要。事实上,由于谷物中的锌利用率被高估,以及猪乳中的锌利用率被低估,这一差异或许更大。鉴于物种之间的差异,猪乳中的锌源较牛奶中的锌源更易于被仔猪消化吸收,因此,猪乳中锌的利用率要高于73%。此外,测定氧化锌形式锌利用率的试验所用的猪的体重多为35~45kg(Poulsen和Larsen,1995),由于断奶仔猪的消化系统尚未发育完善,同时又要采食与母乳完全迥异的日粮,其对氧化锌源锌的利用率估计低于20%。如果将猪母乳中锌的利用率设定为80%,日粮中氧化锌的利用率设定为10%,那么断奶前仔猪摄入的可利用锌为断奶后的7倍。为保持与断奶前仔猪相同的可利用锌的摄入量,需要在断奶仔猪日粮中提供1 000mg/kg的锌源。
鉴于仔猪断奶后较断奶前摄入较少的可利用锌,因此,可以推断出仔猪断奶后会出现锌缺乏或者临界缺乏。然而,需要指出的一点是断奶前和断奶后锌营养的需要并未准确界定。NRC(1998)认为仔猪对锌的需要量为100mg/kg或50mg/d。但是,当仔猪每天只是采食50g左右的日粮时,100mg/kg的锌浓度每天只能提供5mg的锌。这样,如果根据NRC(1998)推荐,即提供断奶仔猪每天50mg的可利用锌,则需要提供1 000mg/kg日粮锌,这一点与上面公式推算出来的一致。但实际上,断奶仔猪准确的锌需要量尚未确定。此外,确定锌的需要量必须考虑饲料原料中以及不同有机锌源和无机锌源中锌的利用率情况。对于断奶初期的仔猪,这一利用率可能很低。
小鼠空肠进行的体外试验表明,在断奶后一定阶段锌离子从粘膜端向浆膜端的转运降低。Wapnir等(1985)的研究也表明,蛋白和能量缺乏可以削弱锌在小鼠肠道粘膜的转运和吸收。如果这样的情况发生在刚刚断奶的仔猪,此阶段仔猪的采食量会非常低,发生锌缺乏的可能性是存在的,而且,仔猪对锌的需要量有可能在断奶后增加。诸多研究证实,断奶可以降低粘膜高度,增加隐窝深度(Hampson,1986),改变粘膜和胰腺的酶系活性(Owsley等,1986;Hedemann等,2003)。锌是体内诸多酶的催化活性所必需的元素(Prasad等,1969;Bettger和O'Dell,1993),这些酶大多关系到细胞分化和增殖过程,故锌对于具有较高周转速度的小肠组织的生长是极为重要的(Park等,1985;Tamada等,1992)。因此,仔猪在刚断奶后的一定阶段需要高的锌摄入量,以满足肠道粘膜生长和功能维持的需要。
2.3 锌的药理学作用
锌有可能影响或调节肠道的吸收和(或)分泌过程。Hoque等(2005)的研究结果表明,锌可以抑制大鼠回肠cAMP依赖的、而非钙离子依赖的氯离子的分泌,这一抑制作用是通过对回肠基底膜上的钾离子通道的阻断实现的。同样,Klein等(2002)发现,锌离子可以抑制N18TG2成神经细胞瘤细胞系中激素和弗司可林(forskolin,FSK)诱导的cAMP的产生,后者与肠道氯离子的分泌直接相关。
Roselli等(2003)以产肠毒素型埃希氏大肠杆菌(ETEC,K88株)所导致的受损Caco-2细胞系作为模型,研究了氧化锌对受损细胞的保护作用。产肠毒素型埃希氏大肠杆菌可以粘附Caco-2细胞系细胞,继而引发感染,破坏粘膜的完整性,导致炎性细胞因子——白细胞介素-8(interleukin-8,IL-8)、α-生化相关肿瘤基因(growth-related oncogene-α,α-GRO)、α-肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α,α-TNF)的表达量提高,而抗炎性因子——β-生长转化因子(transforming growth factor-β,β-TGF)表达量降低。研究结果表明,0.2mmol/l氧化锌可以阻止粘膜完整性遭到破坏,而0.2mmol/l或1mmol/l氧化锌可以抵消细菌感染所导致的细胞因子的过量表达。研究人员认为,氧化锌对细胞的保护作用并不能归结于抗菌活性,因为在培养液中加入氧化锌后,产肠毒素型埃希氏大肠杆菌的生长并没有抑制。氧化锌对产肠毒素型埃希氏大肠杆菌感染的细胞的保护作用是通过抑制细菌在肠道粘膜的粘附,阻止上皮细胞渗透性的增加和调节细胞因子基因的表达而实现的。
综上所述,通过对3种有关高剂量氧化锌作用机制的假设,可以认为,高剂量氧化锌对断奶后仔猪的抗腹泻作用可能归功于锌对肠道氯离子分泌活动的抑制以及氧化锌对肠道结构和功能的改善,增加了对病原微生物的抗性。上述作用可能是基于锌的药理学作用,但也有一些理由认为,肠道抗性的增加是由于锌临界缺乏状态改善了其生理效果。没有试验证实,当仔猪接受高剂量氧化锌时,锌的抗菌作用和断奶仔猪生产性能改善之间存在明确关联。总之,高剂量氧化锌在断奶后仔猪生产中的应用有待进一步研究。

(参考文献43篇,刊略,需者可函索)
(编辑:高 雁,snowyan78@tom.com
冯自科,农业部饲料工业中心,博士,100094,北京市海淀区圆明园西路2号。
马学会,河北农业大学中兽医学院。
Hanne D. Poulsen,Danish Institute of Agricultural Science,Senior Professor,Foulum,Denmark。
收稿日期:2006-03-13

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