肠道作为动物机体与外环境进行物质交换的主要场所,是机体消化与吸收养分的重要器官,肠道的结构也是保护机体不受外来病原体侵袭的有效屏障。抗生素在抑制肠道病原菌、促进动物生长发育等方面发挥了重要作用,然而养殖生产中抗生素的滥用,导致耐药菌株不断增加及动物产品药物残留等问题日益严重。当前,我国已全面禁止在动物饲粮中添加除中药类外的促生长类药物饲料添加剂。如何降低病原体等诱导的肠道屏障损伤,维护肠黏膜屏障功能,改善动物生产性能是养殖业健康高效发展面临的重要课题。凹凸棒石又称坡缕石,是一种层链状结构的富镁铝硅酸盐黏土,具有比表面积大、催化性好和吸附性强等特性[1⇓-3]。在动物生产中,凹凸棒石可用作吸附剂吸附重金属、霉菌毒素、细菌及细菌毒素等病原体[3⇓-5],维护动物肠道黏膜屏障功能[6-7]。此外,凹凸棒石的无机、有机改性处理均可提高其生物学活性,改性凹凸棒石具有良好的抗菌性能[5,8]。研究发现,饲粮添加凹凸棒石能够增强肠黏膜免疫与抗氧化功能、调节肠道微生物平衡、改善肠道黏膜形态、促进动物生长发育,以及提高生产性能[9⇓⇓-12];同时凹凸棒石能够有效缓解病原体诱导的动物肠道屏障功能损伤[5,13]。由此可见,凹凸棒石是一种良好的动物肠道健康调节剂。本文综述了凹凸棒石对动物肠道黏膜屏障功能的调控作用、可能机制及其在畜牧生产中的应用研究进展,以期为动物肠道健康营养调控以及凹凸棒石在畜禽生产中的合理应用提供参考。
1 凹凸棒石对动物肠道屏障功能的调控作用及机制
1.1 对肠道微生物屏障的调控作用
肠道微生物菌群是一个庞大、复杂的生态系统,能通过形成“菌膜屏障”、促进肠上皮细胞增殖分化以及激活肠黏膜免疫等方式构成保护屏障[14]。凹凸棒石不仅可以调节动物肠道菌群结构,还能提高肠道微生物多样性。Chen等[15]报道,饲粮添加0.5%、1%凹凸棒石显著降低了肉鸡回肠内容物沙门氏菌数量,且一定程度上降低了大肠杆菌数量,提高了乳酸杆菌数量。类似地报道,饲粮添加0.4%、0.8%凹凸棒石显著降低了肉鸡盲肠沙门氏菌数量,一定程度上降低了大肠杆菌数量[9]。Yu等[16]研究表明,凹凸棒石负载纳米氧化锌能够优化断奶仔猪肠道菌群结构,显著降低肠道梭菌属相对丰度,在一定程度上提高乳酸杆菌属相对丰度。韩凤禄等[17]研究发现,饲粮添加0.2%凹凸棒石显著降低了凡纳滨对虾肠道微生物Simpson指数(该值越低,说明微生物多样性越高),提高了表征覆盖度指数;同时,饲粮添加0.2%凹凸棒石显著提高了肠道拟杆菌门、厚壁菌门和乳杆菌属相对丰度,显著降低了变形菌门和肠球菌属相对丰度,以上结果说明凹凸棒石可以增加凡纳滨对虾肠道有益菌属丰度,提高微生物多样性。Jin等[18]研究指出,饲粮添加1%凹凸棒石显著提高了肉鸡回肠微生物Chao1指数、系统发育多样性指数和观察物种指数,降低了盲肠厚壁菌门相对丰度,提高了另枝菌属相对丰度,且降低了盲肠耐药基因的表达,说明凹凸棒石可以提高肉鸡盲肠微生物多样性,调节肠道菌群结构以及减少耐药基因产生。此外,陈跃平[13]研究表明,凹凸棒石能够有效缓解脂多糖诱导的肉鸡盲肠菌群结构失衡,饲粮添加1%凹凸棒石显著减少了脂多糖应激导致的肉鸡盲肠大肠杆菌数量增加,提高了乳酸杆菌数量。凹凸棒石对肠道菌群结构的调节作用与其能够吸附(或)抑制致病菌密切相关。同时,肠道致病菌的增殖受到抑制,间接为有益菌的生长繁殖创造了有利条件。
1.2 对肠道化学屏障的调控作用
肠道杯状细胞分泌的黏液包含三叶因子、黏蛋白及抵抗素样分子β等,它们能黏附病原体,参与肠道化学屏障的构建。李伟等[9]研究指出,饲粮添加0.4%、0.8%凹凸棒石显著增加了肉鸡空肠和回肠杯状细胞数量,饲粮添加0.4%凹凸棒石显著提高了空肠三叶因子2 mRNA表达水平,饲粮添加0.8%凹凸棒石显著上调了回肠黏蛋白2 mRNA表达水平。Chen等[15]报道,在肉鸡饲粮中添加0.5%、1%凹凸棒石显著提高了其回肠杯状细胞密度(每100 μm绒毛高度杯状细胞数),饲粮添加1%凹凸棒石显著提高了空肠杯状细胞密度和回肠黏蛋白2 mRNA表达水平,饲粮添加0.5%凹凸棒石显著提高了回肠黏膜三叶因子2 mRNA表达水平。简谊龙等[19]研究表明,随着饲粮改性凹凸棒石添加剂量(0.025%、0.05%、0.1%)的增加,蛋鸡回肠黏蛋白2 mRNA表达水平呈线性和二次曲线提高。以上研究表明,凹凸棒石能通过增加肠道杯状细胞数量、促进肠黏膜三叶因子2和黏蛋白2基因表达,来实现对动物肠道化学屏障功能的调控作用。凹凸棒石调控肠道化学屏障的可能机制如下:有效吸附肠腔内致病菌、霉菌毒素及脂多糖等病原体,进而降低其诱导的肠道损伤,维护肠道屏障功能完整性,可为肠道干细胞的分化创造有利条件,增加杯状细胞的数量;而肠道杯状细胞能够分泌三叶因子和黏蛋白,杯状细胞数量的增加可促进更多黏蛋白和三叶因子的合成与分泌。
1.3 对肠道物理屏障的调控作用
肠道黏膜上皮细胞及相邻细胞间的紧密连接结构构成动物肠道物理屏障,是肠道发挥屏障功能的基础性结构。李伟等[9]研究发现,与对照组相比,添加0.8%凹凸棒石组肉鸡空肠和回肠绒毛高度显著提高,添加0.4%、0.8%凹凸棒石组空肠和回肠绒毛高度/隐窝深度(V/C)值显著提高,说明凹凸棒石可以改善肉鸡肠道形态。Qiao等[20]研究表明,饲粮添加2%天然凹凸棒石显著提高了蛋鸡十二指肠绒毛高度,对隐窝深度无显著影响。Zha等[21]报道,饲粮添加0.05%和0.1%以凹凸棒石为载体的抗菌剂(palygorskite-based antibacterial agent,PAA)显著提高了42日龄肉鸡空肠V/C值,饲粮添加0.1% PAA显著降低了空肠隐窝深度,饲粮添加0.2% PAA显著提高了回肠V/C值。此外,凹凸棒石对脂多糖诱发的肉鸡肠道损伤具有缓解作用,与脂多糖应激组相比,添加1%凹凸棒石组肉鸡空肠V/C值显著提高,回肠闭锁小带蛋白-1(ZO-1)mRNA表达水平显著上调,空肠和回肠闭合蛋白-2 mRNA表达水平均有一定提高[13]。李伟等[9]和Chen等[15]研究表明,饲粮添加0.8%、1%凹凸棒石显著提高了肉鸡回肠黏膜ZO-1 mRNA表达水平。类似地报道,随着饲粮凹凸棒石添加水平(0.5%、1%、2%)的提高,肉鸭空肠黏膜闭锁蛋白mRNA表达量呈二次曲线上调,回肠黏膜ZO-1 mRNA表达水平呈线性提高[22]。简谊龙等[19]研究发现,饲粮添加0.05%、0.1%改性凹凸棒石显著提高了蛋鸡回肠绒毛高度和V/C值以及空肠闭锁蛋白mRNA表达水平,饲粮添加0.1%改性凹凸棒石显著提高了空肠V/C值和回肠ZO-1 mRNA表达水平。
正常情况下,动物血液中脂多糖、D-乳酸含量及二胺氧化酶活性均处于较低水平,但当肠道黏膜屏障受损时,它们将大量释放于血液中,因此其可用来评估动物肠黏膜屏障功能的完整性。李伟等[9]研究指出,饲粮添加0.8%凹凸棒石显著降低了肉鸡血清二胺氧化酶活性。Zha等[21]报道,饲粮添加0.1%、0.2% PAA显著降低了肉鸡血清脂多糖和D-乳酸含量。Wang等[22]研究表明,随着饲粮凹凸棒石添加水平(0.5%、1%、2%)的提高,肉鸭血清脂多糖含量和二胺氧化酶活性呈线性降低。类似地报道,随着饲粮改性凹凸棒石添加量(0.025%、0.05%、0.1%)的增加,蛋鸡血清脂多糖含量及二胺氧化酶活性呈线性和二次曲线降低[19]。此外,饲粮添加1%凹凸棒石显著下调了脂多糖应激肉鸡血清D-乳酸含量和二胺氧化酶活性[13],说明凹凸棒石能够有效缓解脂多糖诱导的肉鸡肠黏膜屏障损伤。综上所述,凹凸棒石能够通过改善肠道黏膜形态、提高肠上皮细胞紧密连接蛋白表达和降低肠道通透性,来发挥对动物肠道物理屏障功能的调控作用。凹凸棒石调控肠道物理屏障功能的可能原因是其通过吸附肠腔内细菌毒素、霉菌毒素及致病菌等病原体,减少其对肠道黏膜形态的损害以及对肠上皮细胞间紧密连接结构的破坏。
1.4 对肠道免疫屏障的调控作用
肠道负责机体约70%的免疫防御,是动物机体最大的免疫器官。肠道免疫系统主要包括肠道相关淋巴组织及弥散性淋巴组织,前者包括固有层淋巴细胞和上皮内淋巴细胞,后者作为肠道免疫的主要功能部位。浆母细胞分泌的分泌型免疫球蛋白A(sIgA)是黏膜免疫应答的主要效应分子,它能阻止病原体在肠黏膜上黏附进而保护肠道黏膜[23]。李伟等[9]研究表明,饲粮添加0.8%凹凸棒石显著提高了肉鸡回肠黏膜免疫球蛋白M(IgM)和sIgA含量,有提高空肠黏膜IgM含量的趋势。Chen等[15]也报道,饲粮添加1%凹凸棒石能够显著提高肉鸡回肠黏膜sIgA和IgM含量,有提高空肠IgM含量及回肠免疫球蛋白G(IgG)含量的趋势。Su等[24]研究发现,随着饲粮改性凹凸棒石添加水平(0.025%、0.05%、0.1%、0.2%)的提高,肉鸡空肠黏膜免疫球蛋白A、IgG和IgM含量呈线性提高。此外,简谊龙等[19]研究表明,随着饲粮改性凹凸棒石添加量(0.025%、0.05%、0.1%)的提高,蛋鸡空肠和回肠黏膜sIgA、IgM和IgG含量呈线性提高。类似地报道,随着饲粮凹凸棒石添加水平(0.5%、1%、2%)的提高,肉鸭空肠黏膜IgG、IgM和sIgA含量呈线性提高[22]。以上研究说明,凹凸棒石能够提高动物肠道免疫球蛋白水平,增强肠黏膜免疫功能。
细胞因子是动物免疫防御的主要效应分子之一。凹凸棒石可通过调控细胞内炎症信号通路,调节肠道细胞因子平衡,降低肠道炎症反应。Chen等[15]报道,饲粮添加1%凹凸棒石显著降低了肉仔鸡回肠Toll样受体4(TLR4)和干扰素-γ(IFN-γ)mRNA表达水平,有降低回肠白细胞介素-1β(IL-1β)mRNA表达水平的趋势;饲粮添加0.5%凹凸棒石显著降低了肉仔鸡回肠IFN-γ mRNA表达水平,说明凹凸棒石可能通过干预TLR4信号通路,抑制促炎因子合成与释放,减少肠道炎症发生。陈跃平[13]探究凹凸棒石对脂多糖应激肉鸡肠道的保护作用,结果发现,与脂多糖应激组相比,饲粮添加1%凹凸棒石组肉鸡回肠IFN-γ mRNA表达水平显著下调,回肠TLR4和IL-1β mRNA表达水平均有一定降低,说明凹凸棒石在一定程度上缓解了脂多糖诱导的肉鸡肠炎。Zha等[21]报道,饲粮添加0.1%、0.2% PAA显著降低了肉鸡空肠和回肠黏膜促炎因子IFN-γ和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)含量。此外,López-Pacheco等[25]研究表明,凹凸棒石能够显著降低小鼠肠道内TNF-α和IFN-γ mRNA表达水平,有效缓解12-O-十四烷酰佛波醋酸酯-13(TPA)诱导的小鼠肠道炎症。凹凸棒石抑制肠道炎症的可能机制如下:致病菌及脂多糖等病原体能够与TLR4特异性结合,诱导TLR4活化,进而激活TLR4信号通路,诱发下游促炎因子过量表达,引发肠道炎症,而凹凸棒石能在肠道内有效吸附致病菌及脂多糖等,降低其与TLR4配位,抑制TLR4信号通路的激活,减少促炎因子合成与释放,进而缓解肠道炎症。鉴于目前有关凹凸棒石抑制肠道炎症分子机制的研究仅限于基因水平,其是否通过调控TLR4等炎症信号通路而发挥抑炎作用还有待开展细胞试验在基因和蛋白水平进行验证。
2 凹凸棒石在畜禽生产中的应用
2.1 家禽
目前,关于凹凸棒石在肉鸡生产中的应用研究相对较多。Zhang等[26]研究表明,随着饲粮凹凸棒石添加水平(0.5%、1%、1.5%、2%)的提高,试验全期(1~42日龄)肉鸡平均日采食量(ADFI)、平均日增重(ADG)呈线性和二次曲线提高,其中添加1%凹凸棒石组肉鸡ADG和ADFI分别较对照组提高了12.52%和12.38%。Chen等[15]报道,饲粮添加1%凹凸棒石使肉仔鸡(1~21日龄)ADG提高了3.34%,ADFI提高了6.58%,料重比(F/G)降低了2.94%。李伟等[9]研究发现,凹凸棒石能够改善肉仔鸡(1~21日龄)的生长性能,饲粮添加0.8%凹凸棒石使肉仔鸡ADG和ADFI分别提高了3.67%和6.85%。此外,王世祺等[27]研究指出,随着饲粮棒晶束解离凹凸棒石添加水平(0.125%、0.25%、0.5%、1%)的提高,肉鸡1~21日龄F/G呈线性降低,其中,添加0.5%棒晶束解离凹凸棒石组肉鸡1~21日龄F/G较对照组显著下降了5.52%。以上研究表明,饲粮添加0.25%~2%凹凸棒石能够促进肉鸡生长发育,提高饲料报酬。
王坤等[28]报道,饲粮添加凹凸棒石可有效缓解热处理豆粕对肉鸡造成的氧化损害,改善肉鸡生长性能,与热处理豆粕组相比,添加1%凹凸棒石组肉鸡前期(1~21日龄)ADG提高了6.62%,F/G降低了7.24%;肉鸡全期(1~42日龄)ADG提高了3.51%,F/G降低了2.91%。Akbar等[29]研究表明,凹凸棒石能有效缓解黄曲霉毒素B1对肉鸡生长性能造成的负面影响,饲粮添加1%凹凸棒石显著提高了黄曲霉毒素B1攻毒肉鸡ADG和ADFI,降低了F/G。Chen等[30]研究指出,在玉米赤霉烯酮污染饲粮中添加凹凸棒石可以改善肉鸡的生长性能,与玉米赤霉烯酮攻毒组相比,添加0.1%凹凸棒石组肉鸡前期(1~21日龄)ADG提高了9.38%,肉鸡全期(1~42日龄)ADG提高了9.01%。以上研究表明,饲粮添加0.1%~1%凹凸棒石能够改善应激状态下肉鸡的生长性能,有利于提高机体抗应激能力。
此外,凹凸棒石能够在一定程度上改善蛋鸡和肉鸭的生产性能。简谊龙等[19]研究发现,随着饲粮改性凹凸棒石添加量(0.025%、0.05%、0.1%)的增加,海兰褐蛋鸡1~30日龄ADFI呈线性提高,其中添加0.1%改性凹凸棒石组蛋鸡ADFI较对照组提高了2.54%。Qiao等[20]研究指出,与对照组相比,添加2%天然凹凸棒石组和2%热改性凹凸棒组蛋鸡产蛋率和日产蛋重均有一定提高,料蛋比均有降低。Chalvatzi等[31]报道,饲粮添加1%凹凸棒石使蛋鸡产蛋率显著提高了2.58%,料蛋比降低了4.61%。Wang等[22]研究表明,随着饲粮凹凸棒石添加量(0.5%、1%、2%)的增加,肉鸭(1~14日龄)ADG呈二次曲线增加,ADFI呈线性和二次曲线提高。以上研究说明,添加0.1%~2%凹凸棒石可以促进蛋鸡和肉鸭采食,提高其产蛋率或体增重,提高饲料转化率。
2.2 猪
目前,关于凹凸棒石在猪生产中的应用研究相对较少,主要探究了凹凸棒石对断奶仔猪的影响。凹凸棒石能够缓解仔猪断奶应激,降低腹泻率,改善其生长性能。Tang等[11]在断奶仔猪饲粮中添加不同水平(0.18%、0.24%、0.3%)的凹凸棒石,探究其对仔猪生长性能的影响,结果表明,与对照组相比,添加0.18%凹凸棒石组仔猪ADG显著提高了18.67%,F/G降低了10.40%,腹泻率降低了74.37%。Lv等[32]研究表明,饲粮添加0.2%凹凸棒石使断奶仔猪ADG和ADFI分别显著提高了21.04%和7.40%,F/G和腹泻指数分别显著降低了11.23%和60.78%。Kanoulas等[33]报道,与对照组相比,添加0.7%黏土(75%凹凸棒石和25%膨润土)组试验全期断奶仔猪ADG显著提高了3.40%,F/G显著降低了3.86%,同时,仔猪粪便的黏稠度得到改善。此外,刘洋[34]研究发现,饲粮添加载锌凹凸棒石对断奶仔猪生长性能没有显著影响,但其预防仔猪腹泻的效果优于氧化锌,提示载锌凹凸棒石可作为断奶仔猪饲粮中的锌源。以上研究表明,凹凸棒石能够提高断奶仔猪ADFI,促进其生长发育,预防腹泻,提高饲料报酬,饲粮添加0.18%凹凸棒石即能显著改善断奶仔猪生长性能。
综上可知,饲粮添加一定水平的凹凸棒石可以提高畜禽生产性能,且对应激状态下动物具有保护作用,能够改善其生产性能。因凹凸棒石类型与纯度、试验动物种类和动物生理状态以及试验条件等不同,前人研究中饲粮凹凸棒石的添加量存在较大差异(0.025%~2%)。实际生产中需综合考虑添加目的(如保健、脱毒或抗菌)、产品性质与价格、动物种类及养殖条件等合理使用凹凸棒石产品,以获得良好应用效果。凹凸棒石提高动物生产性能的可能原因如下:1)在肠道内有效吸附霉菌毒素、致病菌及脂多糖等,降低病原体等对动物肠道造成的损害,降低肠道炎症反应,维护肠黏膜形态结构及肠道屏障功能的完整性[15,35-36];2)缓解病原体等诱导的氧化损害及免疫应激,改善动物抗氧化及免疫性能,提高机体健康水平[24,37-38];3)改善小肠黏膜形态结构,促进肠道消化酶分泌,进而提高动物对饲粮养分的利用率[11,13,39]。
3 小结与展望
综上所述,饲粮添加凹凸棒石能够通过改善小肠黏膜形态,促进肠道紧密连接蛋白、黏蛋白和三叶因子表达,调节肠道菌群结构,提高肠道免疫球蛋白水平以及降低促炎因子表达,来实现对动物肠道屏障功能的调控作用。同时,凹凸棒石对病原体应激下的动物肠道屏障功能具有保护作用。但目前凹凸棒石在动物生产中的应用研究仅限于少数几种动物,同时其调节动物肠道功能的分子机制尚未阐明。另外,已证实改性凹凸棒石对动物肠道屏障功能的调控作用及饲用效果更佳。为推动凹凸棒石在动物饲粮中广泛应用,下列问题值得关注与探讨:1)持续探索改性方法,例如以凹凸棒石为载体,利用植物提取物、益生菌、微量元素和抗菌肽等,研制凹凸棒石基新型功能性添加剂,验证其饲用效果,并得出其在动物饲料配方中的应用方案;2)优化凹凸棒石的改性及加工工艺,生产质优、价廉的产品;3)研究凹凸棒石对应激状态下动物的保护作用及其机制;4)探究凹凸棒石在不同动物饲粮中的安全添加剂量以及饲用过程中可能出现的问题;5)借助现代分子生物学方法、人工智能技术等深入研究凹凸棒石改善动物肠道健康的分子机制。随着凹凸棒石改性研究的推进及其调节动物肠道功能和生产性能研究的深入,凹凸棒石及相关产品有望在全球养殖业健康高效发展中起到一定的促进作用。
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