富氢水在断奶仔猪生产中的研究与应用

杨靖宇 ，郭金彪 ，朱晓萍 ，赵云翔 ，2

（1.佛山科学技术学院生命科学与工程学院，广东 佛山 528000；2.广西扬翔股份有限公司， 广西 贵港 537100）

仔猪早期断奶技术是现在生猪养殖场在普遍使用的断奶技术。仔猪早期断奶对于生猪养殖的意义重大，可以提高母猪的繁殖力、缩短生产周期提高生产效率，还可以加快仔猪的生长发育速度、提高成活率，大大提高生猪养殖经济效益。仔猪的早期断奶优势固然很多，但同时又对仔猪的早期的生长发育有很大的影响。由于早期断奶仔猪还处于生长发育阶段，消化器官发育还未完全，免疫功能不成熟。仔猪的营养来源发生改变，会使仔猪发生强烈应激导致仔猪的采食量、营养物质消化吸收能力的下降，免疫力降低，导致一系列的肠道黏膜损伤，肠道屏障的破坏，活性氧含量的增加，诱发炎症等，形成仔猪的断奶应激综合征，从而影响早期断奶仔猪的生长发育迟缓，造成饲料的浪费和经济效益的降低。

1 氢的特性

氢是自然界最小、最轻、分布最广泛的元素，分子形式为H2，是水的重要组成成分。氢气是一种无色、无味、无臭、无毒害并且具有还原性的小分子气体，同时也是生物体中含量最为丰富的元素之一。氢具有高穿透性、高选择性的还原作用，氢可以快速扩散到机体的任何部位，能够穿与细胞内的活性氧（ROS）发生还原反应，这是富氢水能够发挥广泛生物学效应的基础。用通气法制作的饱和富氢水pH无明显变化。在2007 年日本科学家Ohsawa 发现氢可以通过选择性抗氧化作用治疗脑缺血再灌注损伤以来，氢在多种动物疾病模型中证明具有良好的治疗效果。

现如今已经有相当多氢气治疗的报道，其作用机制得到广泛研究。一是氢气能选择性地抑制羟基自由基（·OH ）和过氧亚硝酸阴离子自由基（ONOO—），能够缓解由缺血再灌注造成的肝脏、心脏、肠道等器官的氧化应激损伤，从而达到保护细胞的作用。

二是氢具有温和还原性，不影响机体内正常的氧化还原反应。而且对活性氧相关的细胞信号传导没有影响，进而不会像一些强还原性抗氧化剂那样使机体内部正常生理过程受影响，不会对正常机体生理功能产生副作用。

三是氢还能通过抑制Caspase-3活性起到抗凋亡作用，以及向下调节促炎细胞因子抑制组织损伤。目前认为氢气与NO、CO 和H2S 类似，是一种在机体内的气体信号分子。

2 机体内氢的来源

研宄表明，人体和其他的高等动物机体自身并不含有催化产生氢气的酶类，因此机体新陈代谢过程中一般并不会产生氢气。但人和其他的高等动物体内的肠道菌群，主要为大肠微生物，可通过发酵未被肠道吸收的多糖，而产生副产物氢气；在氢化酶作用下，细菌可氧化丙酮酸、甲酸或还原性的二核苷酸而产生氢气，即机体内源性氢气。正常生理条件下，人体内的微生物可产生最高15 L 氢气，而产氢量最高的菌属包括梭菌属、厌氧球菌属和肠杆菌科的部分菌属。研究认为肠道内产生的氢气，或经细菌的作用转化为硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）和乙酸（CH3COO—）或通过肠道排出体外，或被结肠黏膜吸收进入机体循环 然后通过呼吸或者皮肤排出。

3 氢的应用途径

目前，氢气应用的方法也在逐渐丰富，包括吸入氢气、饮用富氢水、静脉注射含氢溶液、食用易使肠道产氢菌发酵的物质以及含氢透析液透析等。曾有报道中指出与吸入氢气的方式相比，饮用富氢水能够更便捷、安全地将分子氢运输到动物体内，但是氢气分子在水中的溶解量极低气不易溶解在水中，室温下100%饱和氢水中仅含有1.6 PPM 的氢气，从而极大限制了富氢水中的氢含量和富氢水使用。通过食用易使肠道产氢菌发酵的物质（乳果糖、低聚果糖等）在目前来看是一种较为安全并便捷的方法，但产氢的效率，产氢量是否能够起到与富氢水相等作用等问题还未探明，同时也是富氢水研究的重要方向之一。

4 富氢水在早期断奶仔猪生产中研究应用

4.1 富氢水对断奶仔猪的生长性能影响

仔猪断奶后，饲粮从液体过渡到固体会导致仔猪饲料摄入量和日增重的减少，腹泻发病率增加。因此，断奶后的仔猪总是出现腹泻或粪便疏松的情况。在腹泻率异常情况下，微生物生态系统的破坏被认为是各种疾病的主要产生因素，如腹泻和炎症性肠病。郑卫江等在给断奶仔猪饲喂富氢水发现，0 ～14 d 可以使断奶仔猪的平均日增重（ADG）和平均日采食量（ADFI）显著提高。并且在对断奶仔猪进行粪便评分时也发现饲喂富氢水的仔猪中被镰刀菌毒素所污染概率明显降低。这说明富氢水作为应对仔猪断奶初期生长性能迟缓的一种非药物疗法能够起到积极的作用。

4.2 富氢水对断奶仔猪的肠道微生物的影响

研究发现随着仔猪的早期断奶，饲粮成分的改变能够显著影响肠道菌群的结构。这种肠道菌群的变化常常会引发腹泻，继而引起仔猪生长迟缓，严重时会导致仔猪死亡。计徐等研究表明，富氢水对断奶仔猪肠道微生物菌群的失衡、肠道微生物数目减少、短链脂肪酸（SCFAs）水平下降具有保护作用。机体的肠道菌群非常重要的代谢物之一就是氢气，大部分的肠道微生物都可以产生氢气。这可能就是氢气能够影响肠道菌群稳定性的重要原因，肠道内的产氢菌主要包括厚壁菌门和少量的拟杆菌门。Zheng等研究发现，仔猪饲喂被镰刀菌污染的饲粮会导致大肠杆菌、双歧杆菌、产甲烷古菌和硫酸盐还原菌的丰度显著降低，用富氢水对仔猪进行灌胃处理，使得产甲烷古菌（Methane bacteria）和硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria）的丰度得到了明显的提升 。张小晓等将健康小鼠置于高氧环境下，引起小鼠的肠道菌群失调，每天用0.8 mmol/L的富氢水灌胃（0.1 mL/10g）2次， 使其肠道中双歧杆菌属（Bifi dobacterium）、小鼠嗜胆菌属（Bilophila）、分节丝状菌（Segmented fi lamentous bacteria）、嗜黏蛋白阿克曼菌属（Akkermansia muciniphila）等有益菌群的丰度增加，说明在富氢水的治疗下可以促进肠道内有益菌的增长，对维持肠道菌群的稳定，促进肠道健康有重要意义。张国文等将大鼠吊尾处理，富氢水处理后总肠道菌群和乳杆菌（lactobacillus）基本保持不变，而条件致病菌肠球菌（Enterococcus）则受到明显的抑制作用，说明长期饮用富氢水可以维持肠道菌群的稳定，对外界环境导致的微生物环境紊乱有一定的恢复作用。还有研究发现富氢水治疗的小鼠与正常饮水的小鼠相比其肠道中棍状厌氧菌属（Anaerrouncus）、肠单胞菌（Intestinimonas）、颤螺菌属（Oscillibacter）、Akkermansia muciniphila和梭菌属（Clostridium sp.ID5）、瘤胃球菌（Ruminococcus）等有益菌的丰度增加，说明富氢水可能对小鼠肠道菌群有显著影响。Song 等研究发现，使用富氢水处理可缓解由右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的慢性溃疡性结肠炎小鼠的肠道菌群失调，抑制粪肠球菌（Enterococcus faecalis）、产气荚膜梭菌（Clostridium erfringens）、 脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）的过度生长。但目前将富氢水应用到断奶仔猪的研究报道较少。从上述的研究发现富氢水在维持肠道微生物平衡稳定起到的积极作用，其对肠道菌种的影响见表1。

表1 富氢水对肠道菌种的影响

4.3 富氢水对断奶仔猪肠道损伤的影响

早期断奶的仔猪引起的肠道问题，首先就是仔猪肠道损伤。表现为肠道组织形态学改变、肠道黏膜上皮屏障、免疫屏障、生物屏障的损伤。早期断奶仔猪肠道屏障功能受损，表现为黏膜萎缩、形态结构改变、肠上皮屏障通透性增加、消化吸收功能降低、免疫抑制及肠道微生物菌群失衡等，受损的肠道屏障无法阻挡有害细菌，毒素和病原微生物等导致肠道功能的进一步损伤，造成腹泻、疾病以及生长性能的下降。计徐等用饲喂被镰刀菌素污染的饲粮的断奶仔猪为试验对象，使用富氢水进行治疗，发现治疗组可显著减缓由镰刀菌污染饲粮造成的不利影响，如十二指肠、回肠和空肠绒毛高度显著升高；空肠的Bcl-2 和Caspase-3 基因mRNA表达水平显著降低；减少血清D-乳酸水平、二胺氧化酶（DAO）活力和血清内毒素（LPS）含量，维持肠道屏障功能。Sheng 等人在坏死性小肠结肠炎的大鼠模型中使用富氢盐水进行治疗，发现富氢盐水可以通过降低氧化应激，抑制促炎介质的基因表达和保护肠黏膜的完整性，可以缓解或加快恢复肠道损伤的作用。还有研究表明H2能够表现出对溃疡性结肠炎造成的肠道损伤，肠上皮细胞和隐窝结构的保护作用。综上所述氢水可以对肠道损伤有明显的保护作用。

4.4 富氢水对断奶仔猪抗氧化能力的影响

仔猪早期断奶出现的诸多问题中，氧化应激会造成仔猪断奶后前两周生长缓慢和腹泻问题的出现，是影响仔猪断奶后生长发育的重要原因之一。Cao 等研究证实，早期仔猪断奶会抑制仔猪血清中的抗氧化酶活性，丙二醇和氧自由基含量增加，降低消化酶活性等等可能会导致肠功能的丧失。而富氢水是公认的活性氧（ROS）中和剂，庄苗等研究发现经过富氢水处理会上调SIRT1、Nrf2、HO-1 的表达，提高超氧化物歧化酶（SOD）活性，降低丙二醛（MDA）含量，由此减轻小鼠高氧肠损伤。郑蒙娜等用2 型糖尿病（T2DM）大鼠模型用富氢水治疗发现富氢水干预可以抑制小鼠的氧化应激，对成纤维细胞的保护作用，从而加快T2DM 创面的痊愈。Ji 等报道，富氢水可减轻因禾谷镰刀菌属霉变玉米所引起断奶仔猪氧化应激，提高卵巢组织抗氧化酶活性，缓和卵巢机能障碍。Lee等研究氢分子对小鼠缺血再灌注损伤影响时发现，给小鼠饲喂富氢水可以缓解小鼠的缺血再灌注损伤并且诱导了抗氧化作用。Sim 等发现富氢水可以减少健康成人的炎症反应，NF-κB 信号转导的转录网络显著下调。Kajiya 等使用小鼠刀豆蛋白A 诱导的急性肝炎模型证实肠道微生物产生的氢气可以缓解由刀豆蛋白A引起的肝脏炎症反应。Qian等发现氢气降低了慢性移植抗宿主病（cGVHD）小鼠中血红素氧合酶1（HO-1）和醌含量，富受体氧化还原酶1（NQO1）的表达水平，中和了氧自由基，说明了氢在清除自由基提高抗氧化能力的积极作用。有研究发现，富氢水对采食镰刀菌污染玉米的仔猪血清氧化标记物总羰基（Tocal carbonyl） 和8- 羟基脱氧鸟苷（8-OH-dG）的水平能够显著降低。并且抗氧化基因CAT，Bcl-2 和Mn-SOD mRNA 表达水平明显上调，同时明显下调凋亡基因Caspase-3 和Bax 表达水平。由此可见，富氢水能够提高机体的抗氧化能力，在多种疾病模型中都能够表现出显著的抗氧化能效，作为一种新型健康无毒无害的抗氧化剂通过消除氧自由基，提高抗氧化基因的表达水平，降低血清氧化标记物水平和凋亡基因的表达，以达到缓解断奶仔猪断奶初期的氧化应激和氧化损伤，保证仔猪的健康生长。

5 展望

综上所述，氢作为世界上分布最广泛的分子随着大量研究证实其在各种疾病模型中有重要作用，近年来不断引起世人的关注。其中氢能够选择性清除机体内生理活性高的活性氧，而不影响对具有信号作用的活性氧，不会对原有的正常功能造成损伤。同时氢分子的穿透性极强，动物摄入后可以在细胞内快速扩散，比其他的抗氧剂更有效的发挥作用。潜水医学的长期研究表明氢并没有毒害作用，这使得氢的应用场景会更加广泛。富氢水在维持肠道菌群稳定方面及缓解修复肠道损伤方面的研究，结果显示其适用于早期断奶仔猪出现的腹泻，氧化应激和生长性能下降的特征。虽然有研究证实了富氢水在断奶仔猪生长中的作用，但现在关于仔猪断奶的实验研究较少，富氢水是否能够在规模化生猪养殖场早期仔猪断奶生长中起到缓解断奶应激提高经济效益的作用，还需要进一步的实验研究。同时氢作为一种抗氧化剂，其应用应该是广泛的，除了富氢水仔猪的断奶应激的研究外，在养猪业中还有很多需要去探究的领域。比如，夏季高温导致公猪热应激，使睾丸细胞发生氧化损伤，生成较多的活性氧，可能损害睾丸细胞功能，导致其生产能力下降或丧失。富氢水的抗氧化功能是否能在公猪生产中起到缓解热应激改善精液品质的作用；产后母猪出现的产道炎症和子宫炎症，富氢水抗炎症功能是否可以有助于母猪的产后恢复，都还有待进一步研究。随着更多的学者不断深入富氢水的研究，笔者认为富氢水在生猪养殖业应用中能够取得进一步的进展。