颗粒物(particulate matter,PM)严重危害动物和人的健康,特别是细颗粒物(PM2.5,空气动力学直径≤2.5 μm)。现代化集约化畜牧业的发展进一步加剧颗粒物的污染,并增加了动物和农场工人的健康负担[1]。据报道,畜禽产生的可吸入颗粒物(PM10,空气动力学直径≤10 μm)和PM2.5分别占大气中PM10和PM2.5的8%和4%。集约型家禽饲养系统约占农业颗粒物总排放量的50%[2]。研究报告称,颗粒物暴露与肺部疾病的发生之间存在很强的相关性[3-4];来自欧洲的研究发现,农业工人和居住在农场附近的居民患肺炎[5]、慢性阻塞性肺病[6]和哮喘[7]等呼吸道疾病的风险更高。畜禽舍内高浓度的颗粒物也会降低动物的免疫性能和体重[8-9],增加肉鸡的呼吸道疾病和死亡率[10],从而造成经济损失。然而,迄今为止,缺乏有效的方法来治疗此类疾病。近年来,肠道微生物组因其与呼吸道疾病密切相关而备受关注,称之为肠-肺轴[11]。因此,本文主要综述颗粒物对动物肠-肺轴的影响,并从物理方法、饲料加工和营养调控方法等方面阐述颗粒物对动物健康影响的缓解策略,以期寻找有效的解决颗粒物对动物和人类危害的措施。
1 畜禽舍颗粒物的产生来源及含量
颗粒物不是单一的污染物,而是多种污染物的混合物。美国环境保护局(environmental protection agency,EPA)将颗粒物一词定义为具有不同物理、化学和生物特性的悬浮颗粒的复杂混合物,这些特性决定了其行为以及对环境和健康的影响[12]。颗粒物是由固体微粒或液滴悬浮在气相介质中形成的多项混合物,也称为气溶胶。颗粒物的空气动力学直径一般在0~100 μm,称之为总可悬浮颗粒物(total suspended particulates,TSP);其中,直径在10 μm以下称为PM10,直径在2.5 μm以下称为PM2.5。
由于颗粒物的特性,畜禽舍内颗粒物来源多且复杂,粉碎的饲料颗粒、动物皮屑、粪便颗粒构成了颗粒物的初级结构,这些初级结构会吸附大量的病原微生物和有害气体,形成成分复杂的生物复合体。Ni等[16]研究发现,高层鸡舍和有粪带的蛋鸡舍内颗粒物浓度在0.42~0.76 mg/m3。Shen等[17-18]研究发现,蛋种鸡舍、保育猪舍、育肥猪舍内TSP浓度分别为0.24、0.64和0.78 mg/m3,且蛋种鸡舍、保育猪舍、育肥猪舍中PM2.5分别占TSP的29.17%、32.81%和17.95%,PM10分别占TSP的54.17%、60.94%和43.59%。黄凯等[19]研究发现,母猪舍和保育舍内颗粒物会附着大量的细菌,且母猪舍内细菌数量更高。表1概述了配备机械通风系统的猪舍和禽舍中空气污染物及其浓度范围[20]。
表1 猪舍和禽舍中空气污染物及其浓度范围Table 1 Air pollutants and their concentration range in pig and poultry houses |
| 项目Items | 猪舍Pig house | 禽舍Poultry house |
|---|---|---|
| 总可悬浮颗粒物TSP | 220~8 500 μg/m3 | 0.168~9.610 mg/m3 |
| 可吸入颗粒物PM10 | 110~4 960 μg/m3 | 0~4 290 μg/m3 |
| 细颗粒物PM2.5 | 70~240 μg/m3 | 40~2 530 μg/m3 |
| 总细菌Total bacteria | 1.74×10~2.34×108 CFU/m3 | 1 670~44 840 CFU/m3 |
| 总真菌Total fungi | 8.13~7.59×104 CFU/m3 | 236~4 735 CFU/m3 |
| 总挥发性有机化合物Total VOC | 35~1 000 μg/m3 |
根据与颗粒物相关的危害,我国《畜禽场环境质量标准》(NT/T 388—1999)将鸡舍的TSP和PM10浓度分别限制在不超过8和4 mg/m3。综上可知,畜禽舍中颗粒物的浓度比较高,且有些畜禽舍中颗粒物的浓度甚至超出国家标准。
2 颗粒物对动物呼吸道和肠道的影响
2.1 颗粒物对动物呼吸道的影响
颗粒物诱发动物呼吸道黏膜结构损伤及炎症反应。颗粒物对呼吸道的危害主要与肺部炎症相关。研究发现,从肉鸡舍收集的颗粒物暴露1周能显著降低肉鸡平均日增重,增加肺部炎症因子水平,导致肉鸡明显的肺脏损伤。基于多组学分析,肉鸡肺部的菌群和代谢紊乱,且这二者存在显著的相互作用[21]。另外,体外试验研究也发现,鸡舍中的颗粒物能够显著增加肺泡上皮细胞内活性氧含量以及细胞焦亡相关基因[核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)、白细胞介素-18(interleukin-18,IL-18)、白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)]和坏死相关基因[受体相互作用丝氨酸苏氨酸激酶3(receptor interacting serine threonine kinase 3,RIPK3)]的表达水平[22]。在模式动物小鼠上的研究表明,PM2.5暴露会引起肺部菌群的变化和代谢图谱的变化[23]、支气管上皮细胞外体miRNA表达的变化[24]以及支气管肺泡灌洗液细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞数量的变化,进而导致肺部损伤[25]、肺部菌群紊乱;且这些紊乱与机体代谢异常相关[26],降低肺脏功能并通过磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路,诱导小鼠支气管上皮细胞自噬介导的细胞凋亡[27];通过靶向Notch1下调miRNA-139-5p,并在细支气管上皮细胞中诱导上皮间质转化[28];活化巨噬细胞可上调肺癌血管生成细胞因子的表达而增强肺癌的发生[29]和肺部上皮细胞坏死性凋亡[22]。颗粒物能够破坏肺部组织结构,诱导肺部炎症,进一步扰乱肺部代谢。
颗粒物影响动物呼吸道健康可能与改变呼吸道微生物组成有关。随着微生物分析技术手段的突破,以前被认为是无菌的肺部其实拥有丰富的微生物[34]。在健康状态下,肺部菌群是动态平衡的[35];在疾病情况下,肺部菌群发生变化[36],并可预测肺部疾病[37]。肺纤维化、哮喘、慢性阻塞性肺病和其他慢性呼吸道疾病伴随着与疾病表型相关的肺部菌群的特征性变化[38]。先前发表的研究报告称,大气中的PM2.5会导致人类[39]、小鼠[23]和大鼠[40]的肺部微生物紊乱。在肉鸡上的研究发现,与之前的研究报道一致,颗粒物改变肺部菌群,增加肺部菌群的α多样性;另外,在属水平上,颗粒物暴露组的肺部菌群由比对照组更多的潜在致病菌组成,如幽门螺杆菌、肠杆菌、绿脓杆菌[21]。
以上研究发现,PM2.5诱导的肺脏损伤机制可能更多的是探究肺脏组织的变化情况,但是像现在的喷雾疗法、滴鼻等,只是暂时缓解呼吸系统不适症状,达不到根本的治疗目的。随着肠道菌群的研究深入,越来越多的研究表明肠道菌群在机体的许多病理生理过程中均发挥作用,特别是肠-肺轴的提出,肠道菌群可能通过肠-肺轴影响肺脏损伤的发展。
2.2 颗粒物对动物肠道的影响
颗粒物诱发动物消化道黏膜结构损伤及炎症反应。摄入颗粒物后,小肠通透性增加,并伴有炎症反应。尿液中乳果糖和/或甘露醇排泄的分析显示,与对照组相比,颗粒物增加了渗透性[47]。Mutlu等[48]研究表明,颗粒物引起的上皮屏障降低与上皮紧密连接蛋白的重排有关。进一步研究发现,颗粒物质诱导的屏障破坏与上皮细胞产生的自由基氧有关。这些观察结果表明,颗粒物直接或间接地增加肠道通透性。因此,暴露于空气中的颗粒物可能通过上皮屏障的破坏在导致胃肠道疾病中发挥致病作用。在白细胞介素-10(interleukin-10,IL-10) -/-小鼠中,摄入颗粒物增加了肠道通透性,加剧了结肠炎症[49]。此外,几项研究表明,免疫细胞在体外暴露于颗粒物会导致促炎细胞因子分泌增加,部分原因是氧化应激水平增加和髓样分化因子88(myeloid differentiation protein 88,MyD88)的激活[50-51]。另外,由于微生物产物从肠道无限制地流入系统循环,颗粒物诱导的肠道通透性增加引起肠道炎症和系统炎症增加。
颗粒物影响动物消化道健康可能与改变微生物组成有关。研究发现,颗粒物能够改变小鼠肠道菌群的组成和功能[49]。具体来说,柴油PM2.5[柴油PM2.5是从专门为柴油动力叉车设计的过滤系统中收集的,主要由4种非金属元素和36种多环芳烃(PAHs)组成,其中7种为硝基PAHs同源物,氟烷占多环芳烃的大部分,其次是菲和萘]能够显著改变无特定病原体(specific pathogen free,SPF)小鼠肠道菌群的结构和组成,如在门水平上,降低拟杆菌门的丰度,在属水平上,显著增加大肠杆菌、副杆菌属、阿克曼氏菌和颤螺菌属的丰度[52]。也有研究发现,PM2.5暴露显著增加小鼠小肠、结肠和粪便的α多样性,并且这种变化似乎在粪便中最为明显[53]。另外也有研究表明,PM2.5暴露显著增加大鼠肠道菌群的丰富度和多样性,且在属水平上,普雷沃氏菌属的丰度升高而拟杆菌属的丰度降低,进一步分析发现PM2.5暴露组富含幽门螺杆菌、脱硫弧菌和毛螺菌科_G-2,这些菌分别属于变形菌门和厚壁菌门[54]。但是也有研究发现,PM2.5显著降低小鼠和大鼠粪便中细菌的丰富度(Chao指数)[26,55-56],厚壁菌门的丰度降低而拟杆菌门的丰度增加[26]。研究表明,口服PM10、超细颗粒物(PM0.1,空气动力学直径≤0.1 μm)或环境PM2.5中存在的化学物质足以改变小鼠肠道菌群[57-58]。另外,IL-10-/-小鼠吸入PM10后显示出拟杆菌门、厚壁菌门和疣菌门的丰度发生了显著变化,且微生物丰度的这些变化与短链脂肪酸丁酸盐的含量减少有关[49],而丁酸是结肠细胞和黏膜免疫细胞的必需脂肪酸,丁酸的消耗通常与屏障功能的降低和对黏膜炎症的易感性增加有关[59]。颗粒物诱导的微生物组成变化的机制仍有待研究;然而,综合来看,这些结果表明,颗粒物可以显著改变肠道微生物组成和代谢过程。这些改变不仅会对肠道中的消化过程产生不利影响,还会对肠黏膜的结构和功能产生不利影响。
2.3 颗粒物可能通过肠-肺轴影响呼吸道健康
综上可知,颗粒物诱导肠道菌群紊乱,改变肠道菌群组成;进一步发现颗粒物可以诱导肠道中某些特定菌属(变形菌门)的变化,如显著增加肠道中变形菌门的丰度(如大肠杆菌、普雷沃氏菌属等);另外,颗粒物也可以增加肠道通透性,导致肠道菌群移位或肠源性代谢产物进入系统循环中,进而可能通过肠-肺轴到达肺部,影响肺脏损伤的发展,而这些菌属的变化与肺脏损伤的关系仍需进一步的研究。
近年来,肠道微生物组因其与各种疾病密切相关而备受关注,包括被称为肠-肺轴的呼吸道疾病[60-61]。肠道微生物衍生的代谢产物可以远端减弱屋内颗粒物诱导的过敏性气道反应[62]。调控肠道菌群,如粪便菌群移植、蠕虫治疗、确定的微生物群落和具有抗炎特性的纯化代谢产物,可能用于对抗呼吸道疾病[61]。此外,植物来源的多糖可以被微生物发酵成代谢产物,如短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs),以减少卵清蛋白诱导的过敏性气道炎症反应[63]。对于颗粒物诱导的肺部炎症,吸入暴露和气管内滴注颗粒物都改变了小鼠整个胃肠道和粪便菌群[52-53]。此外,研究发现,红茶能够通过肠-肺轴减轻颗粒物诱导的小鼠肺脏损伤[64],这可能是由于红茶的提取物能够重塑肠道菌群,并且菌群移植进一步证明红茶对肺部的保护作用是由肠道微生物介导的。综上可知,植物提取物可能通过重塑肠道菌群缓解颗粒物诱导的肺脏损伤,这也为我们缓解颗粒物诱导的呼吸道损伤提供一种策略,但是肠道菌群通过肠-肺轴缓解颗粒物诱导的肺脏损伤的具体途径仍需进一步研究。
3 减少畜禽舍内颗粒物的控制策略
3.1 物理方法
3.1.1 安装过滤系统
用于机械通风畜禽饲养场的进气净化措施主要包括供气过滤系统(supply air filtration system,SAFS)和天花板空气过滤系统(ceiling air filtration system,CAFS)。SAFS由过滤器和气流管组成(图1-a)。过滤器安装在侧墙上,通过空气流管将过滤后的空气送入室内。过滤器由挡风玻璃、预过滤器、二级过滤器和绝热冷却装置组成[20]。每个房子都可以配备多个SAFS。CAFS安装在畜禽养殖场的阁楼上,天花板由粗过滤器或亚高效过滤器组成(图1-b)。新鲜空气通过烟囱进气口供应给房子。此外,可以安装蒸发冷却垫来降低进气温度,也可以作为湿式洗涤器来减少夏季进气污染物的数量[66]。
3.1.2 通风
通风不仅具有降低需氧微生物和氨气浓度的作用,还是一种传统的降尘方式,其主要通过增加舍内通风换气以达到除尘的目的。
尽管通风效率与畜舍内微生物气溶胶含量成反比,但寒冷的冬季过度通风会造成温度下降过多,进而影响动物健康和生长性能[70]。
3.1.3 空气电离技术
静电空间电荷系统(electrostatic space charge system,ESCS)被广泛应用于猪舍和鸡舍中用于去除颗粒物。刘滨疆等[74]采用ESCS对仔猪保育舍与笼养蛋鸡舍进行影响评估,结果表明,ESCS能去除70%~94%的粉尘与50%~93%的微生物。而在大型密闭鸡舍中,ESCS能减少肉鸡舍内43%的灰尘[75],且净化效率与ESCS功率密切相关[76],也可以使蛋鸡舍内粉尘的浓度降低35.9%[77]。张开臣等[71]研究发现,ESCS可以去除平养肉鸡舍内97.8%的粉尘和90%的微生物。焦洪超等[78]研究发现,ESCS释放的负离子对粒径大于0.5 μm的粉尘有显著的清除效果。李永明等[79]在保育猪舍内安装ESCS也得到了相似的结果;王树华等[80]在猪舍天花板安装ESCS(3DDF-450型号)发现,其可以降低猪舍内72.59%的TSP浓度;吴新[81]也发现ESCS可以去除猪舍内70%的粉尘。
3.2 饲料加工和营养调控方法
3.2.1 饲料加工控制
3.2.2 绿色添加剂(改善环境空气质量)
4 小 结
畜禽舍内颗粒物严重损害动物和工作人员的呼吸系统,破坏肺部组织结构,诱导肺部炎症损伤,改变肺部菌群组成;并且还会导致肠道菌群紊乱,增加肠道通透性,造成肠道菌群容易移位或肠源性代谢产物通过肠-肺轴影响肺损伤的发展。可以通过安装过滤系统、通风、空气电离等物理方法或通过饲料加工控制和添加绿色添加剂的营养调控方法,降低畜禽舍中颗粒物的危害。未来应重点研究解决颗粒物诱导的肠道菌群的核心菌属变化与呼吸道损伤发展的关系,这有助于我们针对性的研发和选取绿色添加剂替代抗生素来缓解畜禽呼吸道损伤的发展。