自1928年人们发现铜是日粮组成所必需的成分以后, 直到1950年关于铜在动物营养中的重要作用才逐渐被查明, 因此, 微量元素铜营养的研究也逐渐被重视。反刍动物铜营养的研究主要以牛羊为主, 近年来随着奶牛业的飞速发展, 奶牛微量元素铜的研究进入了一个新时期。目前, 在我国畜牧业内部战略性结构调整中, 奶牛被突出列为加快发展的重大项目[1]。这意味着今后我国食品市场对牛奶的需求量将与日俱增, 有着广阔的发展前景。
1 奶牛微量元素研究的意义
已知微量元素和体内的酶、激素、维生素及其它生物活性物质的作用有密切联系, 且在机体生命活动中起着非常重要的作用。因此, 在家畜的营养物质里必须包含这些物质, 尤其是奶牛, 当其缺乏或过剩时, 能够引起一系列代谢紊乱、生长发育受阻、生殖机能障碍、生产性能和产品质量下降、对疾病的抵抗力降低, 甚至发生严重的群发病而造成畜禽大批死亡。动物微量元素的来源, 主要是饲料和饮水。饲料和饮水与其土壤的微量元素关系极为密切, 原发性微量元素缺乏症常呈地方性流行。随着规模化养殖业的发展, 畜禽的饲养方式、饲料来源都有了很大的变化。因而深入研究各种微量元素的生物学特性, 根据畜禽的品种、年龄和生产性能的需要及时而合理地供给各种微量元素, 不仅可以预防微量元素缺乏病, 而且对提高畜禽的生产性能和产品质量都是很重要的。为使我国奶牛业增产、增效, 并力争在短期内, 从生产总体水平上赶上世界奶牛生产先进水平, 除了党和政府在政策上给予正确引导和扶持外, 最重要的是要依靠奶牛现代高新技术的推广和应用, 以提高生产效率, 降低生产成本, 改善产品质量。
2 铜的生物学效应
2.1 生长效应
铜缺乏可引起骨质中的胶原纤维合成受阻, 骨骼发育受影响, 骨质疏松, 长骨易碎。此外, 铜还与动物血管的正常发育和正常功能、被毛生长和品质、中枢神经系统、繁殖机能有关, 铜缺乏时生长发育停滞、神经紊乱、共济运动失调、四肢软弱无力;奶牛缺铜会发生腹泻、营养性贫血、被毛粗糙、褪色, 全身被毛变成灰色;缺铜过多会引起严重下痢, 体重下降快, 生长停滞, 四肢骨端肿大 (上部严重) , 骨骼脆弱, 经常导致胁骨、股骨和肱骨复合性骨折, 关节僵硬, 可导致老牛的“对侧步”, 发情率低或延迟, 繁殖性能下降, 难产;犊牛缺铜出生时, 便为先天性佝偻病;心脏衰弱而造成疾病或突然死亡等[2]。正常动物机体内含铜2～3 mg/kg, 绝大部分分布在肌肉和骨骼内, 肌肉组织约占总量的一半。高铜的促生长机制:多数研究者认为铜有抑菌作用, 减少微生物对饲料的消耗和降低发病率;高铜使空肠变薄、十二指肠绒毛变短、减缓肠等组织更新速度从而降低了他们维持的能量需要量, 相应地增加了用于生产的能量;高铜的促生长长期作用可能与采食量的提高有关;高铜能增加消化道酶如胃蛋白酶活性, 也可提高仔猪脂肪的利用率, 刺激仔猪的生长, 高铜还可以调整肠道的微生态环境, 增加血液中的促有丝分裂因子, 从而产生促生长效应;高铜还可能促进动物的生长激素的分泌从而促进体蛋白的合成, 最终提高生产性能。
2.2 铜的营养生理功能
铜的营养生理功能主要有:①参与机体代谢, 这些酶包括细胞色素氧化酶、尿酸氧化酶、氨基酸氧化酶、酪氨酸酶、铜蓝蛋白酶等。铜是酪氨酸酶辅基, 缺铜酪氨酸酶活力低下, 使酪氨酸转化为黑色素的过程受阻, 造成皮肤和毛色减退, 毛质下降, ATP生成减少影响磷脂和髓磷脂合成, 造成神经系统脱髓鞘、脑细胞代谢障碍, 表现为运动失调等神经症状。②维持铁的正常代谢, 有利于血红蛋白的合成和红细胞的成熟。铜是铜蓝蛋白的辅基, 血浆铜蓝蛋白与组织转化铁蛋白有关, 缺铜使红细胞脆性增强, 存活时间变短而形成贫血。③铜参与骨骼的合成。铜是胺氧化酶和赖氨酸氧化酶的辅基, 铜缺乏时, 此酶活性下降, 骨胶原溶解度增加, 肽键间的交叉连接受损, 破坏骨胶原的稳定性, 降低骨骼强度。
3 高产奶牛对铜的需要
3.1 奶牛对铜的需要量
奶牛对铜的需要量为10～20 mg/kg, 但日粮中铜和钼有拮抗作用, 在生产中, 饲料中添加铜要考虑铜和钼的比例, 一般应掌握在4～5∶1之间, 若小于3～1∶1时, 铜的含量仅为6 mg/kg, 牛则会表现出铜缺乏症[3]。在应激的条件下, 铜的用量为40～90 mg/kg。动物正常生理活动所需铜量很低, 如猪、禽所需量每千克日粮中仅5～8 mg。Beck (1962) 曾指出, 当饲料中钼含量为0.14 mg/kg时, 铜供给量小于3 mg/kg, 即可使青年牛患铜缺乏症, 通过对犊牛铜的需要量研究, 认为给犊牛饲料中添加9 mg/kg铜可以防止犊牛产生缺铜性病理损伤, 但不能维持铜的正平衡。添加15 mg/kg铜, 不能维持牛乳中正常铜浓度, 而且血浆铜蓝蛋白浓度下降, 并可产生腹泻。Suttle (1978) 估计犊牛按每千克体重3.4 μg喂给铜, 可维持体重不增不减;按每千克体重0.47 mg供给, 则体重增加。当日粮中铜含量为2 mg/kg和7 mg/kg时, 则需供给7 mg/kg和15 mg/kg的铜。
3.2 奶牛对铜的耐受量
奶牛对铜的耐受量通常为100 mg/kg。Wisst和Baur (1986) 报道, 给犊牛饲喂含铜300 mg/kg饲料后, 出现溶血性黄疸、肝坏死性病变及口渴、痴呆、死亡。由此可见, 成年牛对铜的耐受性高于犊牛。尽管牛对铜有较强的耐受力, 但也应防止过量。我国饲料调查表明, 除玉米平均含铜量为1.6 mg/kg (87%干物质基础) , 其他均能满足动物需要。饼粕类为19～40 mg/kg, 动物性饲料、草粉、叶粉类、豆类15 mg/kg (豌豆6.4 mg/kg) , 谷物及副产品为5～14 mg/kg。但由于饲料中的许多因素以及动物的生理状况, 影响动物对铜的需要量和铜的吸收利用。因此, 在许多情况下需补充铜, 尤以玉米为主的生长家畜日粮和放牧家畜常需补充铜。植酸盐、抗坏血酸、过量的钙、磷、铁、锌、镉、硫、钼均影响铜的吸收, 尤其是钼、硫、铜三者的拮抗作用在反刍动物最为明显, 在瘤胃微生物作用下, 日粮中的硫、钼形成硫化物和硫代钼酸盐, 在消化道, 前者易与铜形成硫化铜, 后者则与铜生成极难溶的复合物硫酸钼铜, 降低铜的吸收和机体利用。因此, 在钼、硫含量高时, 即使铜不缺乏, 也会出现缺铜症。
3.3 奶牛对铜的中毒量
一般犊牛对铜摄入较为敏感, 饲喂犊牛含100 μg/g铜的代乳料情况下, 可引起中毒致死。临床上, 每日饲喂犊牛3.5 mg/kg铜就能引起慢性中毒。成年牛饲料中铜的最大安全剂量为80 μg/g, 也有人认为可达100 μg/g。饲料中铜过多, 引起的中毒多为慢性蓄积性中毒。当肝脏中蓄积到临界水平时, 大量铜转入血液, 使红细胞溶解, 发生血红蛋白尿和黄疸, 并使组织坏死, 甚至导致死亡。另一方面, 钼、硫含量很低时, 即使铜含量不太高, 也会发生铜中毒。反刍动物中, 绵羊对铜最为敏感, 用50 mg的铜一次性皮下注射, 在1～3 d内即可中毒死亡。母鸡体内不易蓄积铜, 猪对铜也有较高的耐受性。一般认为, 每千克日粮中铜安全含量的上限:鸡为300 mg, 猪为250 mg。猪的中毒剂量为500 mg/kg日粮, 但与日粮中其他元素含量有关。如果铁、锌不足, 长期使用250 mg/kg的含铜饲料, 也有发生中毒的可能, 故在使用高剂量铜时, 必须增加日粮中铁、锌的添加量[4]。据研究, 每千克日粮含130 mg的锌、150 mg的铁即可抵消250 mg铜中毒的危险。饲喂高铜日粮中超过20 mg左右, 就可能对其有不良影响。铜的补充物多为硫酸铜、氧化铜、碳酸铜等。
4 高铜的危害
随着乳业生产的不断发展, 奶牛养殖片面追求生产效益, 多种饲料添加剂被应用到生产实际中, 目前被大家关注的微量元素铜也被添加, 因而奶牛铜缺乏的现象被基本遏制, 而高铜日粮则普遍存在, 因此形成了一系列的危害。
4.1 降低奶牛生产性能及乳品品质
在生产中, 若不分生长阶段长期给奶牛补饲微量元素铜则可造成铜在肝脏内蓄积, 引起慢性中毒。主要中毒症状为奶牛食欲和采食量下降、腹泻、腹痛, 严重者脱水、休克, 甚至死亡[5]。因此, 铜中毒可使奶牛产奶量下降, 造成饲料的浪费, 使生产成本上升, 养殖效益降低。同时, 乳品品质也因高铜而受到影响, 进一步威胁到人类健康。
4.2 资源浪费
铜无论是作为具有广泛应用性的材料, 还是作为对人类自身健康有很大影响的微量元素, 铜是人类生存必不可少的。铜已经成为世界上消费量仅次于钢和铝的第三大金属, 也是我国国民经济建设和人民不可缺少的重要金属材料。我国是世界上有色金属较为丰富的国家之一, 许多有色金属资源具有相对优势, 但铜的基本状况却不容乐观。截至2004年, 世界上生产的铜有10%出口到中国, 按照目前的生产情况, 我国的铜矿资源静态保有年限不足10 a[6]。我国的饲料行业需要在饲料中添加铜来弥补一些植物原料中含铜低的不足, 又由于不合理的添加方式及经肠道吸收后不能回收利用的特点, 对于我国铜资源是一种浪费。
4.3 影响生态环境
日粮中添加高剂量铜, 造成资源浪费, 生产性能及乳品品质降低的同时, 也引起了环境污染。据报道, 在某奶牛场周边取样化验, 经多年排放, 牛场周围土壤的铜含量已达到危害植物生长的水平, 该样品铜含量升高的主要原因就是因为该牛场奶牛高铜粪直接排放到周围环境中而对生态环境造成的破坏。铜是植物生长发育的必需微量元素之一, 但土壤中过多的铜会影响植物根系的代谢功能, 造成植物生理中毒, 引起农作物减产, 导致农产品品质下降。同时, 土壤受到重金属污染时, 土壤微生物数量和种群结构都发生改变, 微生物参与的土壤生物化学反应也会受到影响。
5 奶牛微量元素研究展望
随着奶牛产业的蓬勃发展, 奶牛营养素的摄入越来越被大家关注, 因此, 作为动物生命活动不可缺少的营养素之一的微量元素当然也成为研究的焦点。我国的奶牛微量元素饲料添加剂研究方面已取得较大进展, 但对微量元素相互作用机理的研究仍需进一步展开, 在微量元素的补充形式上, 除改进现有的产品生产工艺外, 可考虑长效微量元素添加剂和具有吸附微量元素作用的酵母菌的开发。所开发产品应用于实际生产方面尚有不足, 主要的原因是由于奶牛养殖业的管理人员对微量元素添加剂的认识不足和微量元素本身添加方式的缺陷所造成的。今后应进一步了解和掌握微量元素的相互作用及相对生物利用率, 确定奶牛在不同生产阶段对不同微量元素的来源及需要量, 在研制适合我国资源、经济有效的微量矿物元素添加剂等方面还有待加强。
参考文献
[1]梁学武.现代奶牛生产[M].北京:中国农业出版社, 2002.
[2]王宗元, 曹光辛, 胡在朝, 等, 动物矿物质营养代谢与疾病[M].上海:上海科学技术出版社.1995.
[3]Jason M, Perry, Yunde Zhao, et al.Cu2+and Zn2+inhibitnitric-oxides ynthase through an inter action with there-ductase domain[J].The Journal of Biological Chemistry, 2000, 275 (19) :14070-14076.
[4]Arzul G, Maguer J F.Influence of pig farming on the copper content of estuarines edimentsin Brittany[J].Marine Pol-lution Bulletin, 1990 (21) :431-434.
[5]黄有德, 刘宗平.动物中毒与营养代谢病学[M].兰州:甘肃科学技术出版社, 2001.
[6]张政军, 罗绪刚.浅析高铜使用中的几个误区与解决方法[J]·中国动物保健.2005 (12) :43～44.