奶牛围产前期钙的稳态和负DCAD日粮的应用

李 岩，付 瑶，陈 勇，魏 政

（1农业农村部人力资源开发中心/中国农学会，北京 100125；2北京市畜牧总站，北京 100107；3北京市顺义区农业农村局，北京 101399）

0 引言

奶牛围产前期指的是奶牛分娩前21天到分娩的这一段时间，在这段时间里奶牛会处于一个面对多重应激的状态，包括分娩应激、产奶应激、日粮变换造成的营养应激等，是奶牛生产前后的重要过度阶段，也是营养代谢相关疾病的高风险阶段[1]。在奶牛围产期间，几乎所有代谢问题都围绕着能量蛋白负平衡和低血钙产生，如图1所示。日粮阴阳离子差（dietary cation-anion difference,DCAD）是指日粮中每千克或每百克干物质所含的主要阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）毫摩尔数与主要阴离子（Cl-、S2-、PO43-）毫摩尔数之差[2]。高DCAD值日粮会造成奶牛的低血钙症，其肌张力下降的表现会导致乳房炎、产褥热和干物质采食量（dry matter intake,DMI）下降等生产问题[3]，进而引起机体的能量蛋白负平衡，带来酮病[4]、脂肪肝、瘤胃酸中毒等代谢问题，严重影响奶牛的身体健康和生产性能[5]。因此，负DCAD日粮，即阴离子日粮作为一种有益的探索在国外牛场获得大规模推广应用。

图1 奶牛围产期间营养和代谢之间的关系

1 围产前期钙的稳态

1.1 低血钙症

临床低钙血症，也叫产褥热或产后瘫，临床表现是由于骨骼肌收缩无力导致的无法站立。其主要机理是神经和肌肉连接处缺乏钙的传递，影响了递质乙酰胆碱的释放，同时也产生了膜电位的改变，进而改变细胞膜通透性导致细胞兴奋性降低[6]。许多研究表明，奶牛在产犊前后血钙浓度在2.0 mmol/L以下时奶牛就会发生亚临床低血钙，值得注意的是，亚临床低血钙并不一定表现出症状，但在产后1～4天内，亚临床低血钙和胎衣不下[7]、真胃变位[8]、子宫炎[9]等疾病之间有很密切的关系。血钙浓度和奶牛的泌乳天数和胎次也有很大关系，所以很难给出一个适用于所有奶牛的临床或亚临床低血钙的血钙阈值浓度，比如2.0 mmol/L，科学界对此也没有定论。

Venjakob的研究[10]将亚临床低血钙定义为血钙浓度小于2.0 mmol/L，共统计了来自115个牛群的1380头母牛，其中亚临床低血钙的患病率为40.7%，出现临床低血钙症状为7.2%。结果表明，不同胎次和低血钙患病率差异很大，从头胎到四胎，亚临床低血钙患病率分别从5.7%增加到60.4%，临床低血钙从0%增加到16.1%，也就表明了不存在能够判定低血钙的单一阈值。尤其在考虑到后续影响的风险（产奶量，首配时间，怀孕时间）之后，对于不同的胎次、不同泌乳天数条件下应该有不同的钙阈值[11]。

1.2 钙的稳态

长期以来，普遍接受的理论是动物体内钙的稳态是来自血钙受体和甲状旁腺素（hyperparathyroidism,PTH）的简单反馈，Horst[12]对此有过详细描述，如图2。低血钙能够刺激PTH分泌，PTH能够活化破骨细胞促进动物对钙的重吸收；PTH还能引起肾脏维生素D的羟基化形成1,25-（OH）2D3，从而提高肠道内钙的主动转运，增加钙在肠道的吸收。而当动物体内处于碱性时，会诱导PTH受体发生构象改变，使得PTH无法与其受体紧密结合，以致钙的重吸收过程受阻。而日粮中的阳离子，尤其是K+含量过高会导致血液呈碱性。这也是为什么围产期期奶牛日粮要控制K+处于一个比较低的水平的原因，也是使用阴离子日粮预防低血钙的出发点之一，因为负DCAD日粮能够使奶牛体内呈酸性。

图2 日粮中钙的吸收机制

而根据近几年的研究发现，钙的稳态似乎更为复杂，不仅涉及上文提到的PTH和1,25-（OH）2D3的上调和下调反馈，而且还涉及肠道、肾脏和骨骼的维生素D受体（Vitamin D Receptor,VDR），尤其是关于饲喂负DCAD日粮后，这些受体的变化。正如上文描述，饲喂负DCAD日粮能够促进钙的重吸收，起到预防低钙血症的作用。如图3所示，当前研究关于负DCAD日粮对血钙稳态的影响与之前Horst提出的模型[13]有一些差异和补充。奶牛饲喂一定水平负DCAD日粮后，体内会达到代谢性酸的状态，在这种状态下，会激活肾脏中PTH受体的活性并增加其敏感性[14-15]，并且有研究认为，负DCAD日粮会使肾脏、骨骼和肠道中活化的VDR数量更高，VDR是通过1,25-（OH）2D3活化的，因此可以说PTH受体的激活也能促进VDR的功能[16]。肾脏中PTH受体的激活使PTH上调CYP27B1基因，进而导致1α羟化酶的活性激活，产生活化的维生素D[17]。活化的维生素D随后可以在不同组织中和VDR结合，从而增加肠道钙的吸收，增加肾脏对钙的重吸收和增加钙从骨骼中的释放[18]。

图3 负DCAD和动物体内钙稳态的联系

2 奶牛动物机体钙的来源

2.1 胃肠道吸收

对奶牛来说，钙的主要来源有2个，第一个是通过胃肠道吸收。VDR和维生素D在胃肠道钙的主动转运中起到了重要作用。Goff[18]提出了胃肠道钙吸收的2条路径，即被动转运和主动跨膜转运：当细胞膜边界处的钙浓度超过6 mM时，细胞会启动被动转运从而被吸收；钙的主动转运受1,25-（OH）2D3调节，当其进入肠上皮细胞并与VDR结合，会引发钙离子通道（TRPV6）打开和钙结合蛋白（CaBP）的产生，从而通过细胞主动转运钙。同时，1,25-（OH）2D3也能增加钙-ATP泵（PMCa）的活性，PMCa的主要功能就是将钙排出细胞质，如图4。

图4 钙在小肠中的吸收

钙也能够在瘤胃上皮被吸收的，但大多都是被动转运。主动转运一般只发生在高钙日粮（大于120 g/d）或者口服大量钙的前提下，非高钙日粮中，钙的吸收一般倾向于在肠道中通过主动转运吸收。

2.2 骨钙的释放

奶牛的第二主要钙来源是骨骼组织中的钙的释放与重吸收，该途径可能是产犊后最快的钙获取途径。VDR和维生素D在骨骼中钙的动员中起着重要作用。循环中的1,25-（OH）2D3与VDR相互作用，并刺激选择性基因激活，产生一种叫破骨细胞分化因子的物质RANKL[19]，它和其受体（RANK）的结合引发了成骨细胞向破骨细胞的分化[20]，如图5。因此破骨细胞的活性主要依赖于RANKL。RANK能直接上调组织蛋白酶K的表达，组织蛋白酶K是一种胶原蛋白酶，它能够破坏骨骼的蛋白质基质，使包括钙在内的无机物质自由地进入血液[21]。

图5 RANK信号调节

3 负DCAD日粮的应用情况

3.1 饲喂阴离子日粮的优势

Lean[22-23]对干奶期间饲喂负DCAD日粮的31个试验进行了荟萃分析[23-24]，发现对于干奶牛来说，饲喂负DCAD日粮，平均DMI下降0.288 kg/d，但是对于同一处理组奶牛，产后阶段平均DMI增加0.627 kg/d[25]；对头胎牛来说，产前饲喂负DCAD日粮，产奶量平均下降1.28 kg/d；对于经产母牛，产奶量平均增加0.783 kg/d。在奶牛机体代谢方面，发现饲喂负DCAD日粮的牛的尿液pH值明显降低：DCAD差异在240 meq/kg时，pH差异为-1.226个单位；产前血钙浓度没有显著变化，但是产前饲喂负DCAD日粮的母牛产后血钙浓度显著高于对照组，并且产后一段时间内持续保持高于对照水平；产前饲喂阴离子盐日粮母牛的产后瘫和胎衣不下的发病率显著低于对照组，子宫炎发病率显著降低，临床低血钙下降32%[26]。

Lean研究表明[27]，在日粮钙含量低于1.5%时，随着日粮钙含量的增加，低血钙患病风险随之增加，但是随着钙含量的继续升高，低血钙的风险会下降。目前关于围产期日粮钙水平的讨论都集中在低钙日粮和高钙日粮之间[28]，因为钙在低或高的区间内会促进钙吸收机制的正向效应。

3.2 负DCAD日粮和尿液pH之间的关系

Santos[29]研究列出了尿液pH和日粮DCAD值的关系，发现当日粮DCAD值为0时，尿液会在pH 7左右，当DCAD达到-100 meq/kg时，尿液会下降至pH 6.5左右。也就意味着想要得到一个预期的酸化效果，日粮DCAD值应该在-100～-150 meq/kg之间比较合适。目前，通过尿液pH来检测负DCAD日粮饲喂效果已经成为很多牧场的管理手段之一，但是要注意的是奶牛的尿液pH本身就会存在一定范围的波动，而且测定时间不同也会造成尿液pH的不准确，应该注意采样和测定的统一。

同样的，还有许多试验[30]给出了DCAD值和尿液pH之间的关系公式[31]，牧场可以根据日粮DCAD水平来预测尿液pH，再和实际检测结果进行比对来判定负DCAD日粮饲喂的实际效果，或者根据结果制定更为合适的日粮DCAD值。

4 总结

根据上文的概念描述和一些试验的总结，结合牧场实际生产情况，得出了应用负DCAD日粮的一些建议：应设定合理的日粮DCAD水平，建议-100～-150 meq/kg，如果过低可能会引发酸中毒。对应的尿液应该在pH 5.5～6.5的范围之内[32]，需要定期测定尿液pH以评价负DCAD日粮消化情况，并且保证测定时间和采样的统一；关于负DCAD日粮中钙的水平目前并没有完全的定论和推荐值，一些试验也表明在低钙和高钙之间并没有显著区别，不过目前普遍都是使用负DCAD日粮和高钙水平相结合，尤其应该注意的是如果DCAD水平非常低（低于-120 meq/kg），日粮中钙的含量应该要保持一个相对较高的水平（1.5%左右）；饲喂负DCAD日粮时，应该同时配合大约在0.4%左右的高镁含量[33]，因为镁参与了PTH分泌以及活化维生素D合成的过程；保持日粮低磷水平（0.25%），使用Cl-作为主要阴离子来调控DCAD；为了保证奶牛能够采食所有需要的负DCAD日粮，应该设定一个合理的DMI，同时补充充足的维生素D。