2. 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 北京 100193
2. Institute of Animal Sciences of CAAS, Beijing 100193, China
镉是环境和食品中常见的污染物[1]。大量研究表明,饲料原料、配合饲粮及鸡蛋中镉污染严重,且饲粮途径是鸡蛋镉污染的主要来源[2-3],因此,科研工作者在这方面做了大量的研究。Olgun等[4]研究发现,5 mg/kg饲粮镉[氧化镉(CdCl2)]暴露12周后蛋鸡产蛋率和蛋品质降低,镉对蛋鸡产生了一定毒性作用。但Leach等[5]研究发现,3 mg/kg饲粮镉[硫酸镉(CdSO4)]暴露12周后提高了蛋鸡生产性能。Olgun等[4]研究发现,与对照组相比,45 mg/kg饲粮镉(CdCl2)暴露12周后,蛋鸡产蛋率降为18.81%,镉对蛋鸡毒性作用大。而陈大伟等[6]研究发现,50 mg/L饮水途径镉(CdCl2)暴露8周后蛋鸡产蛋率降低为76.00%;Olgun[7]研究发现,40 mg/kg饲粮镉(CdCl2)暴露10周后鹌鹑产蛋率降低为66.77%,镉对蛋鸡、鹌鹑毒性作用较小。孙涛等[8]研究发现,饲粮中5、10 mg/kg镉(CdCl2)并未降低蛋鸡的蛋品质,未对蛋鸡产生较大毒性作用;而Yang等[9]研究发现,饲粮中210 mg/kg的镉(CdCl2)对蛋鸡毒性大,但该剂量已接近镉的半数致死量218.44 mg/kg[10],该研究中镉的添加量以及对蛋鸡产生的毒性作用已严重脱离生产实际。不同形式、不同暴露量的镉对家禽的生产性能、蛋品质、抗氧化指标、血液生化指标、组织病理改变的影响研究结果不尽相同。因此,本试验综合以上学者的研究结果及本课题组前期的研究结果[11-12],结合生产实际,以产蛋高峰期蛋鸡为研究对象,通过饲粮途径添加0、10、30、50、70 mg/kg镉(CdCl2),研究饲粮中镉对蛋鸡的生产性能、蛋品质、抗氧化指标、血浆生化指标和组织病理学改变的影响,旨在系统探究饲粮中镉的不同暴露量对蛋鸡的毒性效应,为蛋鸡安全生产提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 主要试验设备实验室超纯水系统(MILLIPORE,Millipore公司,美国);蛋品质分析仪(EMT-5200,TOUHOKURHYTHM公司,日本);酶标仪(SPECTRA MAX 190,Molecular Devices公司,美国);全自动生化分析仪(Automatic Analyzer 7020,AHIMADZU公司,日本);万分之一电子天平(CP-224s,Sartorius公司,德国);数码三目摄像显微镜(BA400Digital,麦克奥迪实业集团有限公司)。
1.1.2 主要试验试剂氯化镉(CdCl2·2.5H2O,AR);生化、抗氧化指标测定试剂盒(南京建成生物工程研究所);超纯水(18.2MΩ·cm);苏木素染液(北京百灵威科技有限公司)。
1.2 试验设计及饲粮试验选择40周龄产蛋高峰期的健康粉壳罗曼蛋鸡150只,随机分为5组,每组3个重复,每个重复10只鸡。对照组饲喂玉米-豆粕型基础饲粮,其组成及营养水平见表 1。试验组饲喂在基础饲粮中分别添加10、30、50、70 mg/kg镉(CdCl2·2.5H2O)的试验饲粮。各组饲粮中镉含量的实测值分别为(0.29±0.00)、(8.72±0.98)、(27.69±1.35)、(46.87±1.70)、(66.52±2.81) mg/kg(蛋鸡饮水镉实测值为0.06 μg/L)。试验前期对蛋鸡预饲1周,预试期各组饲喂基础饲粮,并对各组的蛋鸡产蛋率进行调整,确保正式试验开始时各组间产蛋率无显著差异(P>0.05),试验期8周。
试验在四川农业大学动物营养研究所试验场进行。采用3层全阶梯笼养,自然光照与人工照明相结合,保证每天16 h光照,舍内温度控制在25 ℃左右,鸡舍内采用机械通风和自然通风进行通风和换气,试验全期自由饮水,每天喂食2次(09:00、13:00)。定期打扫圈舍卫生,按常规方法进行消毒及免疫。
1.4 测定指标与方法 1.4.1 生产性能记录每天产蛋数、产蛋重、破壳蛋数、不合格蛋数,每周统计采食量,并计算1~4周、5~8周和整个试验期不合格蛋率、平均日采食量、料蛋比、产蛋率、平均日产蛋重。
1.4.2 蛋品质试验期间,每周末每组每个重复采集3枚外形完好的鸡蛋(9枚/组),用于测定蛋白高度、哈夫单位、蛋壳厚度、蛋壳强度、蛋黄色度等,蛋品质当日测定(16:00采集,19:00测定)。以上指标均采用蛋品质分析仪测定。
1.4.3 抗氧化指标试验第8周末,从每个重复中随机选取3只鸡(每组9只,共45只),禁食12 h后采用肝素钠抗凝管翅静脉采血,3 000 r/min离心10 min后吸出上清血浆,装入1.5 mL EP管中,-20 ℃保存。采血后断头法处死,取其肝脏、肾脏、卵巢、输卵管,-20 ℃保存。
血浆、肝脏、肾脏、卵巢、输卵管中谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)、总超氧化物歧化酶(T-SOD)活性及还原型谷胱甘肽(GSH)、丙二醛(MDA)含量均采用试剂盒,使用酶标仪测定,具体步骤按试剂盒说明书进行。
1.4.4 血浆生化指标试验第8周末,从每个重复中随机选取3只鸡(每组9只,共45只),禁食12 h后采用肝素钠抗凝管翅静脉采血,分离血浆,-20 ℃保存。
血浆中甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、葡萄糖(GLU)、总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、尿素氮(UREA)含量及谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)活性均采用试剂盒,使用生化分析仪测定,具体步骤按试剂盒说明书进行。
1.4.5 组织病理学观察试验第8周末,每个重复取肝脏、肾脏、输卵管组织3个样本,每组9个样本。样品用中性2.5%磷酸盐缓冲液(PBS)固定。将固定的标本经水洗、透明、浸蜡、包埋等处理后,制成5 μm的切片,伊红-苏木精(HE)染色,在光学显微镜下观察组织病理性改变并计分,计分标准采用4级法,分别为轻微(0分)、轻度(1分)、中度(2分)、重度(3分),并计算各组织每组中病理损伤程度平均分(平均分计算方法为:各组织每组中不同病理损伤程度得分乘以相应蛋鸡数量,累加后除以蛋鸡总数)[13]。
1.5 数据统计先将数据录入Excel 2013进行初步整理,再采用SAS 9.4软件的two-way ANOVA程序对生产性能、蛋品质数据进行以镉添加量、处理时间为主效应以及二者互作的分析[14],采用one-way ANOVA程序对其他数据进行单因素方差分析,组间采用Duncan氏法进行多重比较,对抗氧化指标和血浆生化指标的数据进行回归分析。结果用平均值和均值标准误(SEM)表示,以P < 0.05表示差异显著。
2 结果 2.1 饲粮中镉对蛋鸡生产性能的影响生产性能结果见表 2。试验全期,与对照组相比,10 mg/kg组平均日采食量增加(P>0.05),而30~70 mg/kg组平均日采食量随镉添加量的增加而降低,呈剂量效应关系,70 mg/kg组显著降低了19.23%(P < 0.05);随处理时间的增加,蛋鸡平均日采食量显著下降(P < 0.05),有时间效应关系,试验后期(5~8周)较试验前期(1~4周)下降了7.59%(P < 0.05)。试验全期,10、30 mg/kg组间产蛋率无显著差异(P>0.05),与对照组相比,50、70 mg/kg组产蛋率显著下降(P < 0.05),70 mg/kg组降低了25.47%。随处理时间的增加,产蛋率有下降趋势,呈剂量-时间的显著交互效应关系(P < 0.05),试验后期(5~8周)低于试验前期(1~4周),但差异不显著(P>0.05)。试验全期,与对照组相比,10、30 mg/kg组间平均日产蛋重无显著差异(P>0.05),50、70 mg/kg组显著下降(P < 0.05);随处理时间的增加,平均日产蛋重显著下降(P < 0.05),有剂量-时间的显著效应关系(P < 0.05)。各组间不合格蛋率、料蛋比差异不显著(P>0.05),但随镉添加量的增加,料蛋比有上升趋势(P>0.05)。
蛋品质结果见表 3。各组间蛋壳厚度、蛋壳重、哈夫单位、蛋黄重、蛋黄比重差异不显著(P>0.05)。试验后期(5~8周)蛋壳厚度和哈夫单位显著低于试验前期(1~4周)(P < 0.05),且哈夫单位有时间效应关系。试验全期,与对照组相比,10 mg/kg组蛋壳强度和蛋白高度有上升趋势,但差异不显著(P>0.05),30~70 mg/kg组的蛋壳强度显著低于10 mg/kg组(P < 0.05),而蛋白高度随镉添加量的增加有降低趋势,但差异不显著(P>0.05)。10、30 mg/kg组蛋黄色度变化不显著(P>0.05),50、70 mg/kg组显著低于对照组(P < 0.05),有剂量效应关系,试验后期(5~8周)蛋黄色度显著低于试验前期(1~4周)(P < 0.05),有时间效应关系。
抗氧化指标结果见表 4。蛋鸡血浆GSH-Px、GST活性和MDA含量随镉添加量的增加呈二次曲线变化(P < 0.05)。30、50、70 mg/kg组血浆GSH-Px活性显著高于对照组(P < 0.05),血浆MDA含量随镉添加量的增加而显著增加(P < 0.05),70 mg/kg组血浆GST活性显著高于对照组(P < 0.05)。
肝脏中GSH-Px活性呈二次曲线变化,10 mg/kg组高于对照组,30、50 mg/kg组低于对照组,但差异不显著(P>0.05);肝脏MDA含量呈二次曲线变化,镉添加组肝脏MDA含量显著高于对照组(P < 0.05);肝脏GSH含量和T-SOD活性呈线性降低,与对照组相比,10~50 mg/kg组肝脏GSH含量、T-SOD活性差异不显著(P>0.05),70 mg/kg组显著低于对照组(P < 0.05)。
肾脏中MDA含量呈二次曲线变化,30 mg/kg组显著高于对照组(P < 0.05);肾脏GSH含量和T-SOD活性呈线性降低,与对照组相比,50、70 mg/kg组肝脏GSH含量显著降低(P < 0.05),10、30、70 mg/kg组肝脏T-SOD活性显著降低(P < 0.05)。
与对照组相比,输卵管10 mg/kg组GSH-Px、T-SOD活性显著升高,30、70 mg/kg组显著下降(P < 0.05);输卵管GSH和MDA含量呈线性变化趋势,70 mg/kg组输卵管GSH含量显著低于对照组(P < 0.05),各组输卵管MDA含量较对照组分别显著升高了44.44%、66.67%、51.85%、107.41%(P < 0.05)。
卵巢的GSH含量和T-SOD活性呈线性降低,MDA含量呈线性升高,与对照组相比,镉添加组卵巢GSH含量显著降低(P < 0.05),50、70 mg/kg组卵巢T-SOD活性显著降低(P < 0.05),10 mg/kg组卵巢MDA含量显著降低(P < 0.05),但30、50、70 mg/kg组卵巢MDA含量显著升高(P < 0.05),GSH-Px活性未检出。
2.4 饲粮中镉对蛋鸡血浆生化指标的影响血浆生化结果见表 5。血浆TG含量呈二次曲线变化,10 mg/kg组显著高于对照组(P < 0.05),其他组随镉添加量的增加而降低,50、70 mg/kg组显著低于10 mg/kg组(P < 0.05)。血浆HDL-C含量呈线性升高,70 mg/kg组显著高于其他组(P < 0.05)。各组间血浆LDL-C、GLU、TC含量差异不显著(P>0.05),但血浆TC含量随着镉添加量的增加而上升,相应增加了46.33%、68.95%、128.81%、203.39%。各组间血浆TP含量和ALT活性差异不显著(P>0.05),10 mg/kg组血浆ALT活性高于对照组,30~70 mg/kg组随镉添加量的增加而降低。血浆ALB含量随着镉添加量的增加呈线性降低(P<0.05)。50、70 mg/kg组血浆AST活性显著高于其他组(P < 0.05)。各组间血浆UREA含量差异不显著(P>0.05)。
组织病理评分见表 6。50、70 mg/kg组肝脏评分显著高于对照组(P < 0.05),50、70 mg/kg组的肾脏和输卵管评分显著高于其他组(P < 0.05)。组织病理性变化程度见图 1。与对照组相比,蛋鸡肝脏、肾脏、输卵管外观形态均有一定的病理性变化。10、30 mg/kg组的肝脏、肾脏病变但程度较低,50 mg/kg组病变程度加深。70 mg/kg组肝脏病理中肝小叶分界不明显,肝窦淤血,肝细胞呈片状或局灶性坏死,可见部分坏死细胞有细胞浸润(图 1-A3),70 mg/kg组肾脏病理中肾小囊结构基本消失,部分肾小管上皮细胞严重水肿、脱落,间质内可见较多的炎细胞浸润,部分肾小管的形态结构消失,病变程度最严重(图 1-B3)。50 mg/kg组的输卵管固有层管状腺结构不清晰且局灶性坏死数量增加,上皮细胞空泡变性、坏死(图 1-C2);70 mg/kg组腺管上皮空泡化,纤毛上皮脱落,固有层局灶性坏死数量增加(图 1-C3),病理改变加重。
本试验中蛋鸡平均日采食量随处理时间的增加显著降低,10 mg/kg组高于对照组,从30 mg/kg组开始才随镉添加量的升高而降低。Olgun[7]和孙涛等[8]研究发现,5 mg/kg饲粮镉可降低蛋用鹌鹑和蛋鸡的采食量。本试验结果与Olgun[7]、孙涛等[8]的研究结果不一致的原因可能是镉添加量低于10 mg/kg时,蛋鸡体内镉的蓄积量少,对机体反而有一定的促进作用;随着饲粮中镉添加量的增加以及饲喂时间的延长,蛋鸡体内镉的蓄积量超过了机体的耐受范围,损害了蛋鸡生理机能,从而增强了其对蛋鸡采食量和产蛋量的抑制作用。本试验中蛋鸡的料蛋比随镉添加量的增加有上升趋势,与Czarnecki等[15]、Olgun等[4, 7]研究结果一致。
本试验研究发现,产蛋率随镉添加量增加而降低,10 mg/kg组开始有降低的趋势,10~50 mg/kg组间差异不显著,50 mg/kg组降低幅度开始增大,70 mg/kg组与对照组相比才显著降低,产蛋率仍有71.65%,降低幅度与Olgun等[4, 7]、陈大伟等[6]、孙涛等[8]研究结果不一致,其原因可能与镉的添加方式、动物种类或动物年龄的不同有关,具体原因还有待进一步研究。本试验中,镉添加组的不合格蛋率高于对照组可能是由于镉与钙竞争直接抑制细胞对钙的主动转运并损害蛋鸡肾功能,导致l,25(OH)2D3合成下降而间接影响钙的吸收[16],造成蛋壳偏薄和易碎。同时镉进入蛋鸡体内后转运到生殖系统内,损害其机能,增加了不合格蛋率,但具体机制还有待研究。另外,平均日产蛋重同时受镉添加量和处理时间影响,可能与平均日采食量、产蛋率的降低及不合格蛋率的升高有关。
3.2 饲粮中镉对蛋鸡蛋品质的影响本试验中蛋壳强度、蛋白高度有先增加(10 mg/kg组)后降低的趋势,与Olgun等[4, 7]、Leach等[5]、陈大伟等[6]、孙涛等[8]、Korénekova等[17]的研究结果不一致,饲粮镉对蛋鸡哈夫单位影响不显著,但哈夫单位在试验后期下降,与陈大伟等[6]、孙涛等[8]的研究结果也不一致,这可能是低添加量镉提高了蛋鸡的机能反应,而随着镉添加量的增加,二价镉离子(Cd2+)干扰其他二价离子如Ca2+、Cu2+等的代谢,导致蛋壳形成过程中所需要的二价离子不能被有效的吸收利用,导致蛋壳强度降低[18-19]。随镉添加量的增加和处理时间的延长,蛋鸡体内镉的蓄积量增加,镉的毒性作用增加,从而导致蛋白高度和哈夫单位下降,使鸡蛋贮藏时间变短。本研究中,10 mg/kg镉可能对蛋品质有提升作用。而50、70 mg/kg组蛋黄的色度随饲喂时间的增加而降低,可能是随着镉添加量的增加,蛋鸡体内脂质过氧化程度加深,使其对类胡萝卜素吸收率下降,因此蛋黄中色素沉积减少[6]。哈夫单位和蛋黄颜色的下降都可能与镉暴露引起的氧化应激有关。
3.3 饲粮中镉对蛋鸡血浆、肝脏、肾脏、卵巢、输卵管抗氧化指标的影响动物体内镉的毒性形式分为急性镉中毒和慢性镉中毒,且其毒性机制与氧化损伤密不可分[20-22]。在现有报道中,镉对部分酶的影响结果不尽相同。本试验中,与对照组相比,血浆、肝脏、输卵管MDA含量均随镉添加量的增加而增加,与Yang等[9]、Berzina等[23]、代腊等[24]、孙涛等[25]、Li等[26]、Dawei等[27]研究结果一致;肝脏、肾脏、卵巢的GSH含量、T-SOD活性随镉添加量的增加而降低,与Yang等[9]、Li等[26]、Dawei等[27]研究结果一致,表明镉添加量越高对机体的氧化损伤越严重。输卵管GSH-Px、T-SOD活性在10 mg/kg组升高后降低,卵巢MDA含量在10 mg/kg组降低后升高,血浆中各指标均升高,与代腊等[24]、孙涛等[25]研究结果不一致,可能是镉进入蛋鸡体内后引起机体产生机制性保护,促使血液中GSH-Px、GST、T-SOD活性不断提高,含量过高的镉通过血液运送至各组织器官时,其通过与活性中心的结合使酶活降低,诱导机体发生脂质过氧化反应。10 mg/kg镉可能对输卵管有一定的代偿刺激作用,促进性地升高机体内GSH-Px、T-SOD活性,当镉含量超过其所能承受的代偿阈值时这些酶的活性受到抑制,并引起输卵管产生氧化应激反应,输卵管是影响蛋清质量的直接器官,输卵管的氧化应激会造成蛋白品质下降,本试验中蛋白高度的变化和抗氧化指标变化趋势一致,说明高添加量的镉对输卵管造成了严重的氧化损伤。由于代偿刺激作用,10 mg/kg镉使卵巢MDA含量下降,随镉添加量的增加,脂质过氧化程度不断增加,卵巢是影响蛋黄的直接器官,卵巢的氧化应激会导致蛋黄品质下降,本试验中蛋黄色度的变化和抗氧化指标的变化趋势一致,说明高添加量镉对卵巢造成了严重的氧化损伤。
3.4 饲粮中镉对蛋鸡血浆生化指标的影响本试验中,血浆TC含量随镉添加量的增加而升高,TC是反映机体脂质代谢水平的重要指标,血液中镉含量过高可引起TC含量升高[28]。肝脏是合成TC的主要器官,表明随着镉添加量的增加,肝脏脂质代谢水平逐渐降低。本试验中,血浆TG在10 mg/kg组时显著升高,而后随镉添加量的增加而降低,表明10 mg/kg的镉可补偿性促进肝脏的TG合成能力,随着镉添加量的增加,其合成能力降低。本试验中,血浆ALB含量随镉添加量的增加而降低,血浆AST活性先降低后增高,而ALB几乎全由肝脏合成,肝脏机能受损后会导致蛋白合成能力下降,可能造成ALB合成不足,健康机体的血清中AST活性较低,当肝脏受到损伤时,干细胞中的AST便释放到血液中[29],由此表明本试验中蛋鸡肝功能受到了损伤。总体结果表明,饲粮中的镉对肝脏产生了毒性效应,50、70 mg/kg毒性效应显著,与本试验研究中肝脏抗氧化指标的变化一致。
3.5 饲粮中镉对蛋鸡肝脏、肾脏和输卵管病理变化的影响本试验中各组织病理评分变化显著,10、30 mg/kg组与对照组相比对蛋鸡组织病理影响不显著,与Vodela等[16]、Skoczyńska等[30]研究结果一致。50 mg/kg组的肾脏组织病理损伤程度与黄纯波[31]的25 mg/kg组的病变程度一致,可能是试验动物不同导致的。本试验中,饲粮中添加镉均使肝脏、肾脏、输卵管组织发生病理性改变,50 mg/kg组病变开始加重。总体病理结果与本试验中血浆生化指标、抗氧化指标结果一致,表明50 mg/kg以上添加量的镉损害机体功能,70 mg/kg以上添加量的镉严重损害机体功能。
4 结论在本试验条件下,饲粮中10 mg/kg镉对提高蛋鸡采食量、蛋壳和蛋白品质,减轻输卵管氧化应激方面有促进作用,但可引起肝脏、肾脏、输卵管发生一定程度病理改变,引起肝脏氧化应激和血液生化指标的改变。而饲粮中30、50、70 mg/kg镉降低了蛋鸡采食量、产蛋率和蛋品质,引起了蛋鸡血浆生化指标的变化,使蛋鸡产生了氧化应激反应,导致肝脏、肾脏和输卵管病理性改变。
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