有机铜在动物生产中的研究进展

鲁 陈，胡 贺，杜方超，刘发庭，邵 云，局文静

（南京福润德动物药业有限公司，南京 210000）

铜是动物必需的微量元素，自从Braude等1945年发现铜对猪有促生长作用以来，一系列的试验证明饲喂高出需要量的高铜日粮，可促进猪的生长，较为经济有效的饲喂量是110～250 mg·kg-1[1-3]。目前高铜的来源主要是无机硫酸铜，因为其价格便宜。但是猪对其吸收率低，导致粪尿铜排泄多，对环境污染严重。基于此，国家农业部2009年对饲粮中铜含量进行了限量规定，限定铜的最高添加量断奶仔猪铜为200 mg·kg-1，生长肥育猪为150 mg·kg-1，尽量降低残留和对环境的污染。与此同时，低残留的有机铜饲料添加剂先后被开发出来，如碱式氯化铜、氨基酸螯合铜、壳聚糖铜铜和酵母铜等，但是这些有机铜源生产成本高[4-7]。因此，研发既高效又经济的饲用有机铜添加剂，对促进绿色饲料添加剂的发展具有重要的现实意义。研究发现，微生物能富集转化无机铜为微生物有机铜，且具有比表面积大、吸附容量大、操作简单和成本低等优点，因此，微生物有机铜如酵母铜，受到人们的青睐，不过，这类高铜菌的筛选主要是利用传统的饲用微生物作为资源进行驯化，通过长时间铜诱导培养来获得高铜菌，这种获得性遗传的遗传稳定性差，易退化，富铜能力也会随之下降。为此，本研究综述富铜土壤中能将无机铜转化为微生物有机铜的高效菌株，为养猪生产中高效廉价的新型有机铜添加剂的使用提供借鉴。

1 微生物铜

1.1 微生物铜的概念

微生物富集吸收无机铜元素，通过微生物的生长代谢转化无机铜为微生物铜，其是由对人或动物有利的益生菌发酵生产得到的制剂，其活性成分主要为微生物菌体。其饲喂效果主要表现促进机体的消化吸收，降低铜的排放、提升机体免疫能力及增进动物生长性能等[8]。

1.2 饲料铜添加剂的发展状况以及存在的问题

铜元素是猪生长所必需的微量元素之一，是一种维持猪生长发育和生命活动的必需营养物质，是猪的健康和高效生产不可或缺的必需微量元素。为促进猪的生长发育，改善肉品质，提高猪对饲料的利用率，自20世纪90年代以来，铜元素被广泛运用在养猪生产中。铜通过刺激促生长激素及相关因子（如胰岛素样生长因子-1）的合成与分泌，促进体蛋白质合成，促进猪的生长。在日粮中添加高铜，通过血-脑屏障在脑中积累，使脑铜含量增加，增加猪垂体生长激素mRNA（GH mRNA）浓度，增加血清中生长激素（GH）浓度，进而促进体内蛋白质沉积和骨骼生长[9]。硫酸铜100～300 mg·kg-1日粮饲喂仔猪，结果发现，随着铜浓度增加组仔猪平均日增重（ADG）、料重比（F/G）、饲料摄入量和GH、胰岛素（INS）、类胰岛素一号增长因子（IGF-Ⅰ）、胰岛素样生长因子结合蛋白-3（IGFBP-3）显著增加（P＜0.01）；铜含量250 mg·kg-1时，仔猪ADG显著增加（P＜0.01），从而促进断奶仔猪的生长发育[5]。饲喂高铜日粮可增加猪的采食量，使平均日采食量提高9.91%，粗脂肪的表观消化率提高10.01%，增加血清超氧化物歧化酶（SOD）活性，提高淀粉酶的活性，提高猪免疫力[10]。使仔猪ADG提高23.24%，F/G 12.78%；提高Ca和P消化率[11]。给20～100 kg育肥猪饲喂高铜，ADG提高3.3%、料肉比降低1.5%，使背膘厚降低4.7%,眼肌面积提高17.0%[12]。妊娠期和哺乳期母猪饲喂高铜日粮也可使仔猪出生重提高8%，断奶重提高5%[13]。然而在猪采食高铜过后，只有＜10%的铜被吸收利用并在机体中沉积，其余都随着粪便排出体外，这些排出的铜又是不可降解的物质，并且还会对土壤和水体造成严重污染[14-18]。这样，饲喂高铜饲粮不仅会对铜造成大量浪费，而且还会对地球上原有的生物链造成严重的破坏[19]。在农田中施放含高铜的猪粪有机肥会导致植物体内铜浓度的增加，不仅会导致农作物生长变慢、产量降低，还能影响农作物对其他营养元素吸收利用。植物在整个自然界的食物链中位于第一级营养水平，因此会通过食物链传递对整个自然界都会产生影响。当长期在牧草地中大量施用含有高铜的有机粪时，牧草中铜含量达到15～20 mg·kg-1时，绵羊采食过后就可能造成中毒，食物链源头发生的变化在生物链的传递中具有生态放大作用[20]。猪粪有机肥中铜含量的增加会对植物生长产生不良影响，试验发现，随着有机肥中铜含量的增加，玉米叶片净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、光合色素含量显著降低（P＜0.05）；玉米叶片可溶性蛋白质含量、游离氨基酸总量显著降低（P＜0.05），玉米的生长性能和营养成分含量降低[21-22]。在养猪生产中使用微量元素铜不仅要考虑其带来的经济效益，同时还要考虑其可能会给环境带来的污染[5]。

2 微量元素铜对动物机体影响

动物机体内铜主要分布于肝脏、肾脏、脑、心脏以及毛发中，其中肝脏不仅是铜重要的贮存库，同时也是铜代谢的重要器官。铜在动物体内主要以与白蛋白结合的形式存在，在血浆中结合成血浆铜蓝蛋白，红细胞中结合成红细胞铜蓝蛋白，剩下的铜可以与蛋白质结合后形成肝脏铜蛋白、心肌铜蛋白等。铜对畜禽健康的影响见附表。

附表 铜对畜禽健康的影响

3 铜在机体内的消化吸收

动物消化道各段都能吸收铜，但最主要的吸收部位是胃、小肠和十二指肠。铜在被小肠上皮细胞吸收后，通过门静脉转运到肝脏，然后被肝细胞吸收并合成铜蓝蛋白，而多余的未吸收的部分则排入胆汁，分泌后进入十二指肠。小肠上皮细胞对铜的吸收和转运是动物完成铜生物利用的最关键的步骤，在转运的过程中，铜的形态会产生变化。仔畜对日粮中铜的吸收率为15%～30%，成年动物为5%～10%[23]。当饲粮中添加的铜浓度低时，铜主要通过易化扩散的方式被吸收利用；当饲粮中铜浓度高时，可通过简单扩散被吸收利用。在对铜络合物的形态研究中发现，羧基、羟基、巯基等多种基团都能与铜发生络合反应，具体的发生络合反应的方式不仅与该基团在配体中的分布有关，还与配体的空间位阻、环境中的pH以及配体的浓度等因素有关[24]。采用铜离子选择电极法测定pH 2～6时铜的电势变化，结果发现当pH为2时，大部分铜都以离子态的形式存在，当pH升至3时，铜会与酒石酸、苹果酸和柠檬酸产生络合反应，pH 3.5时，与天冬氨酸会发生络合；pH 4.1时与乳清蛋白也会发生反应；随着pH上升，铜的电势会迅速下降[25]。由此可推测铜在胃中主要以离子态存在，在肠道中主要以络合物存在。

有机铜与无机铜（硫酸铜）在细胞中的透过率及细胞本身对铜的吸收率中也存在区别。利用细胞制成铜的吸收模型，通过分别对硫酸铜、赖氨酸螯合铜、谷氨酸螯合铜等不同形态铜的细胞透过试验，发现螯合铜的细胞透过率远高于硫酸铜。目前关于有机络合铜和无机铜的生物利用率的差异存在两种假说。一种是竞争吸收假说，认为络（螯）合态微量元素的配体可对其中心的金属离子形成一种保护，防止微量元素在到达吸收位点之前就被抗营养因子结合或者形成不溶性的物质；另一种则是完整吸收假说,认为氨基酸络（螯）合矿物质是直接以肽或氨基酸的吸收机制被完整吸收。

4 不同类型铜添加剂在猪生产中的研究进展

4.1 饲料铜类型对猪生产性能的影响

目前饲料添加的无机铜主要为硫酸铜、纳米铜等，有机铜主要有蛋白螯合铜、氨基酸螯合铜、碱式氯化铜、壳聚糖铜、螺旋藻铜和酵母铜等。大量试验表明，将有机铜替代无机铜饲喂动物发现其对动物的生长没有影响，且能降低粪便中铜的排放量，并能提高铜的生物利用率[26-27]。

铜添加剂的颗粒大小对猪生长也存在影响，日粮中添加纳米铜50 mg·kg-1饲喂猪与硫酸铜饲喂猪相比，纳米铜能改善猪的生产性能，提高铜的利用率，降低粪铜含量。

铜添加剂的类型对仔猪生长也存在影响，饲料中添加羟基氯化铜（150 mg·kg-1）能较硫酸铜显著提高猪的ADG和末重，降低仔猪腹泻率[28]。Guo等用0～160 mg·kg-1蛋白铜和碱式氯化铜（TBCC）饲喂仔猪发现，添加蛋白铜40或80 mg·kg-1能显著增加猪的ADG，添加蛋白铜80 mg·kg-1与添加TBCC 160 mg·kg-1相比，粪铜排放量降低50%，且对猪的生产性能和健康无不良影响[4]。氨基酸螯合铜对仔猪的生长也具有积极作用，如在饲料中添加硫酸铜160 mg·kg-1和N-氨甲酰谷氨酸螯铜，N-氨甲酰谷氨酸螯铜能够促进仔猪增长，提高F/G和降低粪铜排放量；蛋氨酸铜可提高仔猪ADG和饲料的利用率，提高F/G；甘氨酸铜增加仔猪ADFI、降低料肉比[29-31]。小肽螯合铜饲喂仔猪，也能显著增加仔猪的ADG，降低粪铜排放[32]。壳聚糖铜100 mg·kg-1、硫酸铜100 mg·kg-1、壳聚糖铜100 mg·kg-1+硫酸铜饲料和无铜日粮饲喂仔猪，饲喂壳聚糖铜仔猪ADG高、腹泻发病低；十二指肠、空肠和回肠绒毛高度和绒毛高度与隐窝深度比均高于其他组；回肠上皮细胞凋亡显著减少；抗氧化酶活性显著高于其他组[5]。用富铜螺旋藻代替硫酸铜饲喂仔猪，结果也发现富铜螺旋藻能使低密度脂蛋白胆固醇降低17.05%（P＜0.05），总胆固醇下降9.43%（P＜0.05）[33]。

不同铜添加剂类型对生长肥育猪的影响不同。饲喂硫酸铜75 mg·kg-1和TBCC 150 mg·kg-1，结果发现整个试验期饲喂硫酸铜和TBCC都能提高平均日采食量（ADFI）、降低了G/F；随着铜添加量的添加，ADG、末重、ADFI和瘦肉率也显著增加[34]。对饲喂硫酸铜4、160 mg·kg-1和蛋氨酸螯合铜20～160 mg·kg-1，发现饲喂蛋氨酸螯合铜80 mg·kg-1能显著增加猪的ADG和饲料转化率；与硫酸铜160 mg·kg-1组相比，猪的末重增加1.8 kg，胴体重增加2.3 kg[35]。小肽螯合铜代替硫酸铜饲喂肥育猪，对生产性能和健康状况无不良影响，且能显著降低粪铜的排放量[36]。从以上研究来看，各种形式的高铜都对猪的生长具有显著影响，提高猪的生长性能，但有机铜的生物利用度要高于无机铜，不仅有效降低了猪粪中的铜含量，还可以节约矿物资源，降低环境污染。

4.2 饲料铜类型对猪免疫性能的影响

铜在维持猪免疫功能中起重要作用，其不足或过量摄入会损害猪的免疫细胞数量和功能[37]。试验发现铜的促生长作与它的抗菌作用有关，而高铜的促生长作用也与其抗菌作用有关[38-39]。断奶是仔猪生长的一个重要阶段，断奶后3～4 d是仔猪腹泻的潜伏期，1周后可达到高峰，可能是通过食物状态、营养成分、生理状态或环境条件的改变，而引起肠道菌群的变化，使得消化道内菌群失调，肠道内pH升高，病原菌大量繁殖，从而导致仔猪下痢[40]。铜在胃肠道内可发挥着类抗生素的作用，如载铜氨基多糖纳米微粒可显著降低盲肠中总需氧菌、总厌氧菌、沙门氏菌和大肠杆菌等有害菌的数量，而显著增加乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌的数量；壳聚糖铜能显著降低肠道内大肠杆菌和沙门氏菌数量，促进乳酸杆菌的增殖[41]。缺铜可降低白细胞介素2水平和T细胞增殖[42]。

对断奶仔猪饲喂不同剂量的载铜纳米壳聚糖（CNP-Cu），结果发现仔猪血清中免疫球蛋白存在不同程度的提高；与对照组（硫酸铜：10 mg·kg-1）相比，饲喂CNP-Cu的能显著提高仔猪血清补体C3水平（P＜0.05）；饲喂100 mg·kg-1剂量猪血清溶菌酶含量最高，提高28.70%（P＜0.05）[43]。饲喂柠檬酸铜20 mg·kg-1可使仔猪的腹泻发生率降低71.57%，血清溶菌酶浓度升高170.73%（P＜0.05）[44]。蛋白质螯合铜按30%或100%替代硫酸铜饲喂生长肥育发现，蛋白质螯合铜能提高猪免疫器官指数；完全替代硫酸铜饲喂能显著提高淋巴细胞计数、血红蛋白、红细胞压积、红细胞平均血红蛋白含量以及红细胞平均血红蛋白浓度等血常规指标（P＜0.05），且完全替代，血红蛋白浓度显著高于30%替代（P＜0.05）；完全替代显著提高了十二指肠、空肠的淋巴细胞数量，且十二指肠淋巴细胞数量高于30%替代（P＜0.05）[45]。

4.3 饲料铜类型对猪抗氧化性能的影响

铜是血浆铜蓝蛋白和铜锌超氧化物岐化酶的组成成分，其参与机体的抗氧化反应，能有效清除体内的超氧离子和自由基[46]。

研究发现，小肽螯合铜代替无机硫酸铜饲喂肥育猪，可显著降低蛋白质羰基浓度显著降低（P＜0.05）；降低碱性磷酸酶（AKP）活性（P=0.05）；显著降低血清中谷丙转氨酶（ALT）活性（P＜0.05）[36]。饲料中添加CNP-Cu能改善断奶仔猪抗氧化能力，通过显著提高血清谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性和血清总抗氧化能力（T-AOC）来提高仔猪的抗氧化能力[47]。对仔猪饲喂柠檬酸铜30、60、120和240 mg·kg-1发现，随着铜浓度增加，显著降低血清中血清丙二醛（MDA）浓度（P＜0.05）和谷胱甘肽过氧化物酶的活性（P＜0.01）；增加血清铜锌超氧化物歧化酶（SOD，P＜0.01）；降低肝组织中MDA的浓度（P＜0.01）；增加血清高密度脂蛋白的浓度（P＜0.01）[48]。日粮中添加CuSO4100%、蛋白螯合铜30%和蛋白螯合铜100%饲喂猪，结果表明，蛋白螯合铜让猪脾脏中SOD的活性分别提高14.80%和17.40%（P＜0.05），且能显著降低脾脏MDA的含量（P＜0.05），饲喂蛋白螯合铜100%还可降低猪肝脏MDA含量（P＜0.05）[49]。

5 微生物铜

随着国家环境保护力度的不断加大，低残留的有机铜饲料添加剂先后被开发出来，如羟基氯化铜、氨基酸螯合铜、壳聚糖铜铜等，这些有机铜具有水溶性强、易消化吸收等优点[5,23,50]。但是这些有机铜源生产成本高[51]。因此，研发既高效又经济的饲用有机铜添加剂，对促进绿色饲料添加剂的发展具有重要的现实意义。

研究发现，微生物能富集转化无机铜为微生物有机铜，且具有比表面积大、吸附容量大、操作简单和成本低等优点[7]。自然环境中微生物种类多且繁殖速度快，并且能够在各类污染物存在的不良环境中适应并生长，对土壤中的重金属具有较强的生物转化和生物吸附作用[52]。细菌、真菌都有耐铜作用，且大多存在于铜矿废弃地等高铜污染的土壤中，具有分布广泛、种类繁多、表面积大、带电、繁殖快速和代谢旺盛等特点，在生长过程中会不断向体外分泌小分子有机酸、无机酸和代谢中间产物，并可以通过对重金属的吸附富集、氧化还原、成矿沉淀和协同植物吸收等作用来完成对铜吸附代谢去除[53-55]。

通过细菌的吸附动力学研究发现不动杆菌USTB-F对铜具有较强的吸附和富集能力，且吸附的铜离子84.97%分布在细胞质内，对铜的最高耐受浓度可达560 mg·L-1[56]。在高酸性废水中，铜浓度10 mg·L-1，硫酸还原菌对铜的去除达99.9%[57]。克雷伯氏杆菌在强酸条件对铜也具有较强的去除能力，铜浓度100 mg·L-1，pH 3时，去除率达到59.7%，通过吸附模型发现，吸附的铜离子有92.3%分布在细胞壁上，其余7.7%分布在细胞质内[58]。黑曲霉对铜也具有很强的吸附能力，Cu浓度为200 mg·L-1时，黑曲霉TLSF2对Cu的吸附量最大，达17.76 mg·g-1。利用红外光谱检测发现，细胞壁富集铜的主要部位，主要通过羧基、氨基和羟基来吸附[59]。

目前微生物富铜大多用于环境的净化研究，而做为饲料的微生物铜主要研究为酵母铜[60]。利用酵母菌对铜富集得到酵母铜，除其本身富集有高含量的铜元素外可提供酵母铜外，酵母菌本身还可提供大量的菌体蛋白、多肽、小肽、氨基酸、丰富的B族维生素、消化酶以及其他生物活性物质。其细胞壁还含有甘露寡糖，对动物的健康也具有重要作用。对酿酒酵母的富铜研究发现，在铜浓度1.5 mg·mL-1的YPD培养基中培养48h，菌体中铜含量可达11.74 mg·g-1[61]。此外，酵母铜具有良好的稳定性，与日粮中其他组分配伍性好、吸收率高、排泄率低并对对环境污染小。试验发现，与硫酸铜相比，酵母铜能显著提高肉鸡肝脏、胰脏和肾脏铜浓度，说明酵母铜具有较高的利用率。日粮中添加50 mg·kg-1酵母铜，在提高仔猪的生长性能和抗氧化酶活性方面与添加250 mg·kg-1硫酸铜作用效果相似，都能显著增加血清中CuZn-SOD和铜兰蛋白的活性[62]。酵母铜还能提高肝脏铁和锌的浓度，能有效促进铁和锌的利用率[63]。

6 展望

目前饲料中的微生物铜主要为酵母铜，酵母铜的筛选主要是利用传统的饲用微生物作为资源进行驯化，通过长时间铜诱导培养来获得高铜菌，这种获得性遗传的遗传稳定性差，易退化，富铜能力也会随之下降。因此，应对饲用微生物富集铜继续进行研究，以期为提供高效廉价、稳定、含铜高的微生物铜提供生产提供理论依据。