徐偉偉，殷運菊，閆昭明，唐小懿，陳清華*

(1. 湖南農業(yè)大學動物科學技術學院，湖南 長沙 410125；2. 湖南百宜飼料科技有限公司，湖南 瀏陽 410300)

微量礦物元素在動物機體中占比小于0.01%，在動物生長、發(fā)育、繁殖以及代謝中起到不可替代作用[1]。微量礦物元素以來源分為有機與無機2類。有機微量元素最早一般指葡萄糖酸鋅、富馬酸亞鐵等有機酸類，隨著技術發(fā)展，后來出現(xiàn)金屬氨基酸螯(絡)合物、金屬蛋白鹽及多糖復合物等[2]，也有以酵母硒等為代表的酵母型微量元素[3]。無機微量元素的發(fā)展經(jīng)歷無機鹽時代和無機鹽包被時代，無機微量元素在畜禽養(yǎng)殖中的應用較為廣泛，其優(yōu)勢在于利用方便，價格低廉，但其缺點也暴露無疑，畜禽養(yǎng)殖中，無機微量元素添加量往往遠大于NRC推薦量，這使得畜禽糞便中銅、鐵、鋅、錳等金屬元素超標，農田長期大量使用這些畜禽糞便，會使其在土壤富集，使土壤板結、破壞土壤微生物組成、影響作物產量和養(yǎng)分吸收，最終還可能通過食物鏈傳遞作用對人類健康造成危害[4-6]。

1 微量礦物元素離子吸收機制探究

微量元素進入消化系統(tǒng)后被胃腸道上皮細胞吸收，進入血液后才能供組織細胞利用，進入胃腸道的微量元素主要被小腸吸收，部分可以被胃和其他腸段吸收。

1.1 Cu的吸收代謝機制

Cu在動物機體中承擔著合成血紅蛋白和激活機體正常代謝及發(fā)育所需多種相關酶的合成。Cu2+的吸收大都發(fā)生在小腸，當Cu2+穿過腸腔進入門靜脈循環(huán)系統(tǒng)，隨血液運輸至肝臟，肝臟是分配機體Cu2+利用與代謝的重要樞紐，一部分Cu2+在肝臟中會被動員至外周組織，另一部分則會被分泌到膽汁中排泄至體外[7]。在腸道粘膜細胞外側存在Reductase蛋白，可將Cu2+還原為Cu+，小腸黏膜上皮細胞中的特異性銅轉移蛋白(copper transport protein 1，Ctr1)對Cu+有高親和力，將Cu+轉運至小腸上皮細胞內，Cu+會與銅依賴性酶結合或通過Cu+轉運P型蛋白ATPase ATP7A從細胞膜外側轉運在血液中[8]。Cu通過門靜脈轉運至肝臟，再通過體循環(huán)和未知蛋白轉運至外周組織，過量的銅會通過膽汁排出體外。

研究表明，在豬腸道上皮細胞模型中，添加30 μmol/L和120 μmol/L銅蛋白螯合物可以顯著提高超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)蛋白表達水平，相反30 μmol/L和、120 μmol/L硫酸銅處理會使細胞內丙二醛含量顯著升高，并顯著下調ATP7A基因表達量，在120 μmol/L甘氨酸螯合銅處理下ASCT2基因表達顯著上調，表示氨基酸轉運增多[9]。

1.2 Fe的吸收代謝機制

Fe元素對于動物機體各類細胞及蛋白質合成都有重要意義，其中包括氧轉移蛋白、血紅蛋白及參與電子轉移的氧化還原酶[10]。以上物質均為動物機體生長發(fā)育代謝所必需的，缺Fe會導致動物機體發(fā)生缺鐵性貧血，相反，機體內游離的Fe元素過多會導致機體發(fā)生疾病，例如肝損傷、肝硬化、纖維化及 腸道炎癥[11]。

在解剖學上，F(xiàn)e主要在十二指腸絨毛的上半部分腸上皮細胞中吸收[12]。飼料中的Fe主要以不易溶解的Fe3+的形式存在，在轉運前通過Fe還原蛋白細胞色素氧化酶(duodenal cytochrome b，DCYTB)還原為溶解度更高的Fe2+形式，還原后的Fe2+主要通過二價金屬離子轉運體(divalent metal-ion transporter-1,DMT1)轉運至細胞內，當機體內Fe元素充足時，多余的Fe元素會通過鐵轉運蛋白(ferroportin-1，F(xiàn)PN1)排出細胞外[13-15]。排出后的Fe2+會被鐵調素(hepcidin，HEPC)氧化為Fe3+，F(xiàn)PN1與膜鐵轉運輔助蛋白(recombinant，hephaestin，HEPH)參與這一過程，共同調節(jié)鐵元素的排出[16-17]。Shawki等[18]研究發(fā)現(xiàn)，通過將小鼠腸道中二價金屬離子轉運體(divalent metal-ion transporter-1，DMT1)轉運蛋白表達基因靜默后研究其對機體Fe運輸?shù)闹匾?，通過這一試驗發(fā)現(xiàn)，敲除DMT1轉運蛋白的小鼠表現(xiàn)出嚴重的小細胞低色素性貧血、心臟以及脾臟腫大，血鐵及組織非血紅素鐵儲存減少，而二價錳、鋅等離子并未減少，這揭示了DMT1可能是機體內轉運Fe元素的主要轉運蛋白。同樣，也有試驗證明，飼料中的Fe主要以不易溶解的Fe3+的形式存在，在轉運前通過Fe還原蛋白細胞色素氧化酶(duodenal cytochrome b，DCYTB)還原為溶解度更高的Fe2+形式，還原后的Fe2+主要通過二價金屬離子轉運體(divalent metal-ion transporter-1，DMT1)轉運至細胞內，這也印證了DMT1對Fe2+運輸?shù)闹匾?。當機體內Fe元素充足時，多余的Fe元素會通過鐵轉運蛋白(ferroportin-1，F(xiàn)PN1)排出細胞外[13-15]。排出后的Fe2+會被鐵調素(hepcidin，HEPC)氧化為Fe3+，F(xiàn)PN1與膜鐵轉運輔助蛋白(recombinant，hephaestin，HEPH)參與這一過程，共同調節(jié)鐵元素的排出[16-17]。

哺乳動物對于過量Fe元素的排泄并未有清晰的生理機制，機體中Fe元素的排出可通過黏膜細胞的脫落和失血等方式排出，動物機體全身的鐵穩(wěn)態(tài)主要通過調節(jié)小腸對鐵元素的轉運實現(xiàn)[19]。目前所知動物機體唯一排泄鐵的轉運蛋白是鐵轉運蛋白(ferroportin，F(xiàn)PN)，發(fā)揮作用時受肝素的調節(jié)，在維持機體鐵平衡中起關鍵作用，當畜禽機體FPN基因表達異常時，會導致機體鐵積累過量，從而造成機體損傷[20-21]。

1.3 Mn的吸收代謝機制

Mn元素對于動物生長有重要作用，在細胞生長、神經(jīng)發(fā)育、免疫及抗氧化等過程中起關鍵作用[22]。Mn元素在動物飲食中存在形式主要是Mn2+，Mn2+在小腸中的吸收轉運機制尚未完全清晰。目前已知Mn2+轉運蛋白主要有ZIP8(SLC39A8)、ZIP14(SLC39A14)和ZNT10(SLC30A10)，動物機體Mn穩(wěn)態(tài)主要依靠腸、肝中存在的以上3種轉運體[22]。ZIP家族轉運體蛋白控制金屬離子從細胞外液轉轉入細胞的細胞質，ZNT家族轉運蛋白則控制金屬離子從細胞內轉運至細胞外，這兩類轉運體蛋白廣泛存在于動物機體的腸道和肝臟中[23]。前人的研究表明，ZIP8基因編碼的蛋白質能夠轉運Zn2+、Fe2+、Mn2+等多種二價陽離子[24-26]。試驗人員將小鼠ZIP8基因敲除，小鼠肝、腦、腎、心等多臟器中錳含量顯著降低，并在相關細胞培養(yǎng)試驗中，ZIP8-I-KO小鼠細胞組織的鐵和鋅水平與對照組相比并無差異，這揭示了ZIP8的主要功能是調節(jié)錳的吸收代謝[27]。ZIP14轉運蛋白可以轉運包括鋅、鐵和錳在內的多種金屬離子進入細胞。ZIP14基因在肝臟中表達最高，在控制全身錳穩(wěn)態(tài)中起到關鍵作用，有研究者證明，缺乏ZIP14基因，會阻礙肝臟對錳的吸收以及通過膽管排泄這一過程，進而導致錳在血液及肝外組織中積累，造成機體高錳[28-29]。ZNT10是動物機體中重要的Mn排泄轉運蛋白，研究人員發(fā)現(xiàn)，缺乏ZNT10轉運蛋白的斑馬魚體內錳含量顯著增加，而機體鐵和鋅的水平與對照組相比無顯著差異[30]。也有試驗發(fā)現(xiàn)，ZNT10敲除小鼠的肝臟、大腦和血液中錳含量顯著升高，同樣，其體內鐵和鋅含量與對照組相比，并無顯著差異，這揭示了ZNT10轉運蛋白在錳的排泄過程中起到關鍵作用，其為錳排泄的主要通道[31]。還有研究表明，小腸黏膜細胞表面的DMT1蛋白也參與Mn2+的轉運，但這一轉運方式并不是Mn元素主要轉運途徑[32]。

1.4 Zn的吸收代謝機制

Zn元素是動植物生長必須的微量元素，在動物體內含量在過度金屬中僅次于Fe。Zn與真核細胞中超10%的蛋白質結合[33]。Zn缺乏會導致動物機體生長、免疫及大腦功能受損。過量的Zn可能對細胞有毒害作用，其作用機制可能是Zn與金屬蛋白結合，從而抑制蛋白功能。對于動物機體健康而言，Zn穩(wěn)態(tài)主要是通過調節(jié)胃腸道對Zn的吸收及排泄來實現(xiàn)[34]。

Zn以二價陽離子形式存在時，在細胞膜轉運過程中不需要歷經(jīng)氧化還原反應，其轉運方式與Cu2+、Fe2+相似，鋅離子轉運蛋白在鋅的轉運與調控中起關鍵作用，Zn的吸收與排泄依靠兩類鋅轉運蛋白，鋅轉運蛋白SLC30A(ZnT)和Zrt-[35]。在目前所發(fā)現(xiàn)的鋅轉運蛋白中，SLC39A(ZIP4)對腸道鋅轉運貢獻最大，當ZIP4基因突變時，會導致機體缺乏鋅元素，從而發(fā)生腸病性肢端皮炎，表現(xiàn)為毛發(fā)脫落和腹瀉[33]。將小鼠中ZIP4相關基因敲除后會導致小鼠死亡，飼喂高鋅日糧則會延長小鼠壽命，這一現(xiàn)象說明ZIP4在正常飲食下承擔了機體大部分Zn的吸收與轉運工作，同時也證明，除ZIP4還有可以轉運鋅離子的轉運途徑[36]。通常情況下，ZIP家族轉運蛋白負責金屬從細胞外液或細胞內囊泡轉運至細胞的細胞質，然而，ZnT蛋白負責的是將金屬從細胞質中轉運至細胞外液[37]。

腸上皮細胞吸收的鋅有可能是通過ZnT1轉運至門靜脈，進入血液循環(huán)系統(tǒng)。在果蠅中ZnT1直系同源物體ZnT1定位于腸上皮細胞基底外側膜，這證明ZnT1在鋅輸出中起關鍵作用[38]。ZnT1將鋅轉運至門靜脈后，鋅與白蛋白和α2-巨球蛋白結合從而轉運至外周組織，可通過胞吐等方式脫落排除[39]。

研究發(fā)現(xiàn)，不管飼糧中添加蛋氨酸鋅還是硫酸鋅都會增加蛋雞小腸、肝臟、十二指腸和空腸中鋅元素含量，這表明無論添加何種來源的鋅元素都會增加機體吸收。其中肝臟鋅元素含量最高、十二指腸鋅元素含量最低，這可能是不同器官對鋅的轉運不同導致[40]。

綜上，動物機體無機微量元素Fe、Cu、Mn和Zn的主要吸收部位在腸道，通過腸道黏膜上的各種轉運蛋白以及離子通道吸收轉運，部分金屬離子轉運蛋白見表1。

表1 部分金屬離子轉運蛋白存在部位及主要轉運的離子

2 單胃動物機體有機微量礦物元素吸收途徑

有機微量元素多以復合物形式存在，金屬氨基酸絡合物、蛋白螯合鹽、有機酸與酵母培養(yǎng)物為主流產品。各種產品其金屬離子都通過離子鍵等方式與載體結合，其結合強度與載體種類及結合方式有顯著相關性。

有研究指出，氨基酸螯合微量元素在小腸轉運過程中，可完整轉運至小腸上皮細胞內，并非利用小腸金屬離子轉運通道。金屬微量元素被螯合物包裹在中心，其金屬螯合物可以以整體形式通過氨基酸轉運機制或胞吞轉運至細胞內[41]。

利用有機銅替代無機銅在豬的應用中表現(xiàn)出更高的利用率和更低的排泄量，提高了豬的生長性能[42]。同時，有學者研究[43]也得出了類似的結果，甘氨酸銅在育肥豬中可以促進機體對銅的吸收，并且可以改善腸道微生物群，減少銅的排泄。有研究表明，有機金屬復合物，如蛋白鹽可以附著在腸肽轉運蛋白(peptide transporter，PepT1)上，PepT1是一種二肽與三肽轉運體，PepT1轉運體沒有過度特異性，除二肽與三肽外還可以轉運其它分子，但是現(xiàn)有研究還沒有證實PepT1轉運體是使有機銅吸收率變高的原因[44]。

也有研究表明，蛋氨酸螯合鋅可通過氨基酸轉運體轉運等其它吸收途徑吸收和轉運。在蛋雞飼糧中補充蛋氨酸螯合鋅與硫酸鋅，結果顯示，蛋氨酸螯合鋅可以改善腸道健康，提高機體鋅的利用率，減少鋅排放對環(huán)境的污染[45]。當用有機微量礦物元素替代無機微量礦物元素可以改善肉雞肌肉品質，包括減少滴水損失，改善肉色等[46]。但在另一試驗中，添加不同來源的錳對肉雞小腸氨基酸和小肽的轉運蛋白mRNA表達量沒有影響，但其DMT1和FPN1相關基因表達量卻顯著上升，機體吸收猛可能是提高肉雞十二指腸DMT1表達的原因[47]。Yu等[48]對肉雞飼喂不同鋅源的飼料發(fā)現(xiàn)，有機鋅的吸收率要遠高于無機鋅，并且有機鋅螯合越緊密其吸收率就越高，這揭示了有機鋅其金屬離子與配體螯合越緊密其被整體轉運至細胞內的可能性就越高。同樣，在飼喂不同來源鋅時肉雞也表現(xiàn)出了相同的結果[49]。在用有機微量元素與無機微量元素對比喂養(yǎng)蛋雞試驗中，有機微量元素在一定濃度下表現(xiàn)出對蛋雞的生產性能有顯著提高作用[50]。還有研究表明，利用蛋氨酸螯合有機微量元素復合包替代無機微量元素飼喂肉鴨，按照推薦量的50%添加有機微量元素復合包不影響其生長性能、屠宰性能及免疫性能，并且可以減少糞便中微量元素排泄[51-52]。

3 小結

綜上所述，目前關于畜禽機體無機微量元素吸收機制的研究較為清晰，但有機微量元素的研究較少，吸收途徑可能存在2種：其一是，進入畜禽腸道后分解為金屬離子，并通過離子通道吸收。其二是通過相應配體的吸收通道被小腸直接吸收。有機微量元素在體內的吸收途徑更為廣泛，其吸收速率要高于單一吸收通道的無機微量元素，這也可能是有機微量元素在畜禽中利用率較高的原因之一。目前對于有機微量元素在畜禽機體中吸收機制的研究尚且存在以下幾點問題：1)有機微量元素在畜禽機體內吸收機制尚不完全清晰，還需加強研究；2)有機微量元素在畜禽生產中的添加劑量尚未制定統(tǒng)一標準，需要探究在不同動物中合理的添加量；3)有機微量元素替代無機微量元素對環(huán)境污染的改善作用目前還未完全清晰，有待相關研究。