鋅和銅在生豬養殖中的作用及對環境的影響：從飼料到糞污排放到土壤

◆作者：李蘭 譯

◆文章來源：INRAE動物生產期刊（INRAE:Institut national de recherche pour l’agriculture，l’alimentation et l’environnement，法國國立農業食品環境研究所）。原文鏈接：https://doi.org/10.20870/productions-animales.2022.35.2.7073

每年，法國的農業和食品工業會產生3億噸有機排放物，其中有2600萬噸糞便和80萬噸廄肥來自生豬養殖(Loyon，2017)。這些排放物有很多的營養和能量。然而它們也會對當地和全球的空氣、水或者土壤造成污染，對環境、動物和人類產生危害（“同一健康”概念）。因此，我們的挑戰在于更好地利用廢液中所含的資源（營養物質和能量），以減少其對環境的影響。并在循環生物經濟的框架內將它們的農業、能源和經濟潛力最大化。

由于鋅和銅的較低的吸收率，以及其對健康和生長性能的作用，往往在日糧中會超過動物需求量添加。使用有機排放物時會根據氮磷的含量來推算需要施用的廄肥數量，然而其中鋅和銅的含量可能比植物需要量高出4-10倍（Jondreville等，2002；Revy，2003）。由于直接撒播是利用廢水的主要方式，因此鋅銅等元素會過量被灑播并積聚在土壤中（Coppenet等，1993；L'Herroux等，1997；Jensen等，2018）。這增加了土壤微生物中毒的風險（McGrath等，1995），也增加了對植物的風險（McGrath，1981；Jondreville等，2002；Revy，2003）。此外，在仔豬階段使用藥理學劑量的氧化鋅會增加細菌對抗生素的耐藥性（Jensen等，2018），這也使得減少藥理學劑量氧化鋅的使用成了一個重要議題。

為了減少對環境、動物和人類健康的各種風險，歐盟法規對動物飼料中鋅和銅的限量越來 越嚴格（EU-2016/1095；EU-2018/1039）。歐盟同時也存在撒播這些礦物質的有關規定，以及關于肥料和有機土壤改良劑中鋅和銅含量的規范或者標準。另外，正在開發的各種有機肥處理技術（堆肥、好氧、厭氧消化等）可能導致這些元素的含量增加，尤其是與干物質相關的濃度（Hsu和Lo，2001；Legros等，2017）。有必要需要了解鋅和銅的流向，以便于對其管理。

本文會對鋅、銅的流向及其發展變化，從飼料-動物-糞便-土壤進行描述。第一部分回顧了豬料中鋅和銅的使用以及豬的需求。第二部分描述了污水中這些元素的排放及其在各種豬污水的管理方式。最后，討論了生豬養殖中產生含有鋅和銅的廢水糞便回田對環境的影響。鑒于有關母豬的可用數據數量有限，本摘要主要關注仔豬和育肥豬。

1 豬料中的鋅和銅

鋅和銅被認為是豬營養中的必要礦物元素。其在飼料原料中的生物可利用量不足以滿足生理需要（Manner，2008）。因此在飼料中會額外添加甚至超劑量添加以滿足營養學作用或營養學以外的作用，如促生長或者腸道健康。然而動物對其吸收利用率很低，大部分通過糞便排出。因此，減少在飼料中鋅銅的添加量，是減少鋅銅在糞便、污水中的排放量以及減少對環境的潛在影響的主要手段。與此同時不能影響動物的生長性能或健康。為此，必須更好地了解它們的功能和它們在體內的代謝，這會影響它們的生物利用度，從而影響它們的吸收和排泄。

1.1 鋅和銅對豬的作用

1.1.1 體內含量

鋅大量存在于豬體內，100kg活體重的動物，其含量大約為1.5～2.5g，主要存在于豬的肌肉組織（占60%）和骨骼（占30%）中。骨骼是主要的儲存器官，也就是說當鋅供應過量或缺乏時，能儲存或動員鋅。頭發（200mg/kg干 物 質）和 肝 臟（150mg/kg干物質）中的鋅濃度最高。與大多數哺乳動物一樣，豬的血漿中鋅含量約為1mg/L，相當于全身鋅的0.1%含量（Swinkels等，1994）。

豬體內銅含量較低，100kg活體重的動物，其含量大約為200mg。銅主要存在于骨骼（40%～46%）、肌肉（23%～26%）和肝臟中（8%～10%）(Cromwell，1997)。當銅超過需求時主要儲存在肝臟中。屠宰后測定肝臟銅含量可以作為反應動物體內銅含量及飼料銅含量的指標。在生產中，Hodges和Fraser(1983)觀察到不同來源和年齡的豬肝臟樣本中銅含量存在巨大差異。9%的情況下，他們觀察到肝臟內銅低于12mg/kg干物質時，表明有缺銅的風險。但對于大部分動物來說，其肝臟的銅含量超過20mg/kg干物質，這表明銅被超營養劑量添加。肝臟銅含量不僅僅取決于飼料銅含量，也與銅源的生物學利用率有關（Roméo等，2018）。

1.1.2 生理和催化功能

鋅是近200種轉錄因子的結構和功能完整性的基礎。鋅是300多種金屬酶的輔助因子，大多數的代謝途徑依賴于與鋅有關的一種或多種蛋白質（Suttle，2010）。它是DNA和RNA合成酶和轉運酶及許多消化酶的組成成分（National Research Council，2012）。

銅是參與許多生物功能的必需元素，例如細胞呼吸、防止氧化應激和鐵的運輸（Suttle，2010），因為其存在于大量的酶、輔因子和蛋白質中（Espinosa和Stein，2021年）。

鋅和銅在防止氧化應激方面發揮作用，這是因為它們作為蛋白質和酶的輔助因子，可防止氧化應激（超氧化物歧化酶、銅藍蛋白氧化亞鐵酶）。缺鋅會增加內皮細胞對氧化應激的敏感性。鋅是金屬硫蛋白的激活劑，后者會參與細胞解毒，對鋅和銅有很強的親和力，此外，金屬硫蛋白還表現出抗氧化特性（Suttle，2010）。

在藥理學劑量下，鋅和銅可以對豬起到促生長作用。這可能與改善動物的消化吸收率和增加食欲有關（Suttle，2010)，以及與減少如腹瀉等消化道問題有關（Bikker等，2016），還有與其抑菌、改善腸道微生物群落和腸道完整性有關系（Villagómez-Estrada等，2020a）。

1.2 豬的需求

動物對某種元素的需求對應于為使其有機體完成其所有生理功能而需提供的數量（Revy，2003；Schlegel，2010)。這個量會因不同的相應標準的定義而有所不同。動物生理需求的滿足取決于日糧中微量元素的生物學利用率（National Research Council，2012）。定義需求量時還需要考慮提供的形式。在生產中，需要了解動物對鋅銅需求隨著其年齡的變化，以便隨時調整日糧，從而降低提供不足時對生產性能的影響，或者過量時對環境的影響。

1.2.1 對仔豬和生長豬需求量的評估

有兩種評估礦物質需求的方法，一種是經驗法，一種是階乘法（Schlegel，2010）。前者是對于金屬元素最常見的方法。這包括通過試驗測試逐漸增加日糧中鋅和銅含量的影響，以評估動物的不同現場和生理參數的反應。然后通常使用線性模型來描述響應，并可以在拐點處預測動物的需求（Kirchgessner，1993)。

必須觀察動物對鋅或銅的功能之一的特定和代表性反應，以確定作為需求特征的標準（Schlegel，2010)。對于 鋅，通常采用的最具代表性的標準是其在骨骼或血漿中的濃度；對于銅，這個標準是其在肝臟中的濃度（Jongbloed，2010)。

斷奶后仔豬的鋅含量如圖1所示，數據是基于各種參考文獻。因此根據攝入量，我們可以定義①缺乏區（紅色區），其中攝入量不足以維持足夠的血漿水平；②由于建立了不同的穩態機制（儲存、排泄等），血漿水平保持恒定的穩態區（綠色區）；③過量區域（藍色區），其中血漿濃度隨著食物攝入而增加，體內穩態平衡機制可能已飽和。紅色和綠色區域之間的拐點可以定義營養需求，而綠色和藍色區域之間的拐點表明出現與采食量下降相關的過量風險。

圖1 斷奶后仔豬血漿鋅濃度隨飼料中鋅含量的變化（根據Hahn和Baker，1993；Hill等，2001；Revy，2003）

2012年NRC根據動物的生長階段或生理階段對豬的鋅需求量給出不同的參考。斷奶仔豬的鋅需求量約為80mg/kg。NRC（2012）給出育肥豬基礎日糧中平均需求量約為50 mg/kg干物質飼料。這個需求可能會根據鋅來源生物利用度的不同而有所不同：日糧的性質、鈣和植酸鹽含量以及植酸酶的添加等（Revy，2003；Spears和Hansen，2008）。

仔豬對銅的嚴格的需求約為5～6 mg/kg干物質飼料，并且對于更高級的生理階段也不超過該值（NRC，2012）。然而，這個需要量并未考慮在動物的某些關鍵階段（如斷奶時或繁殖母豬）高銅對生長性能或消化健康的有益影響。對銅的需求可能會根據鋅的生物利用度的不同而變化，例如在食物中添加更多的鋅。

1.2.2 缺乏效應

缺鋅的主要癥狀，一開始是缺乏食欲、出現腹瀉和生長遲緩。厭食是最早觀察到的跡象，接著出現缺鋅的仔豬股骨大小和堅固性的降低（Suttle，2010)。出現腹瀉是由于腸細胞更新減少（Revy，2003）。此外，可以觀察到血漿或血清中鋅水平以及堿性磷酸酶和白蛋白水平降低（Suttle，2010；NRC，2012)。然而，動物通過調節各種腸道鋅轉運蛋白來應對鋅缺乏癥，但這不足以彌補缺鋅仔豬血漿和血清中鋅濃度的過早下降（Suttle，2010)。缺鋅最突出的癥狀和最后出現的癥狀是稱為角化不全的皮 膚 過 度 角 化（Suttle，2010；NRC，2012)。

很少觀察到豬缺乏銅的情況，可能出現在斷奶仔豬飼喂大約100mg/kg干物質的Fe、130mg/kg干物質的鋅和2 mg/kg干物質的銅時會發生缺銅（Jondreville等，2002）。缺銅的明顯跡象是貧血、四肢彎曲、自發性骨折、心臟和血管問題以及脫色（NRC，2012）。然而，最近的結果（Dalto等，2021）表明，在以藥理劑量（2500～3000 mg/kg干物質）攝入鋅的情況下，存在銅缺乏的風險，從而證實了Hill等（2001）觀察到的血漿銅減少等（見1.3.4）。

1.2.3 過量效應

鋅對于大部分哺乳動物毒性較小。然而，日糧中過量的鋅會導致其吸收利用率降低，與金屬硫蛋白結合后，其在骨骼和腸細胞中的儲存增加，因此會增加鋅在組織和內源性分泌的更新。在藥理學劑量下，過量的鋅會導致采食量降低，因此生長速度也會降低（Hahn和Baker，1983）。這會導致銅和鐵代謝的改變，如果飼喂過量鋅較長一段時間，則有缺銅和缺鐵的風險（Dalto等，2021）。此外，動物對過量鋅的敏感性還取決于飼料中的鈣、鐵、銅和鎘的水平（Revy，2003）。

豬的銅中毒案例比較少見（Jondreville等，2002）。然而，長期飼喂超過250 mg/kg干物質的銅會導致中毒，觀察到的跡象是血紅蛋白水平降低和黃疸（NRC，2012）。這會導致肝臟中鐵的儲存減少，從而導致貧血，這是由于銅對鐵吸收的負面作用，鐵的吸收受到限制。豬對高劑量銅的耐受性取決于飼料中鋅的供應以及鋅和銅與金屬硫蛋白的相互作用（Jondreville等，2002）。

最后，飼料鋅銅的含量能否滿足豬對其的需求以及這些元素潛在的毒性作用，取決于它們的含量，也取決于其生物利用率（Hahn和Baker，1983；Suttle，2010）。吸收率和效率會影響動物對它們的總需求量。

1.3 飼料中的鋅和銅

1.3.1 法規

2003年以來，歐盟修改了關于豬飼料中鋅和銅的最高限量（見圖2）。

圖2 歐盟關于生長豬料中鋅和銅最高限量的法規的變化

從2022年1月28日起，歐洲將禁止在獸藥處方中使用氧化鋅。這些法規旨在減少糞便中鋅的排泄（Revy，2003）及其在土壤中的蓄積，并降低動物和人類抗生素耐藥性風險，而高鋅會增加這種現象的風險（Ciesinski等，2018）。

1.3.2原料中的組成和含量

豬的日糧主要由谷物（主要是玉米和小麥，還有大麥、黑小麥等）、餅粕（主要是大豆，還有油菜籽和向日葵）、油料和蛋白質作物（豌豆……）、谷物副產品（麩皮、粗糧、谷物……）和維生素礦物質組成（額外添加）。

谷物和蛋白原料平均含20～30 mg/kg干物質的鋅，谷物副產品的鋅含量較高（70～90 mg/kg干物質，見圖3）。油籽和餅粕類含30～90 mg/kg干物質的鋅。谷物、其副產品、油籽和油餅含5～15mg/kg干物質的銅。

圖3 豬料中鋅和銅的含量（根據INRA-AFZ，2004的數據庫）

1.3.3 不同形式的補充劑

為滿足動物需要，豬飼料中需要額外添加鋅，因為僅從原料中攝入是不夠的。此外，還必須考慮到日糧中不同成分導致的日糧鋅生物利用率的變化（Revy，2003)。

與鋅不同，理論上飼料中不額外添加銅是可以滿足生長豬對銅的需求（約6 mg/kg）。然而在實踐中，通常會在飼料中額外添加銅，以考慮到總需求量估計的不精確性，并抵消日糧中某些元素的拮抗作用，影響銅的生物利用率，從而影響對銅的需求。豬料中的額外加銅是作為安全邊際的作用（Jondreville等，2002）。

作為添加劑添加的鋅和銅可以來自不同的來源。比較生物利用率的研究中通常用硫酸鹽（ZnSO4和CuSO4）作為參考來源。然而這些硫酸鹽溶解速度太快，這意味著它們也更容易與日糧的其他元素結合，特別是許多原料中所含的植酸鹽，從而降低其生物利用率（Revy，2003）。銅和鋅還存在其他補充來源（氧化物、氯化物、螯合物），其物理化學特性和生物利用率差異很大。在實踐中，ZnO和CuSO4是最常用的動物飼料來源（Revy，2003）。（譯者注：氧化鋅在歐洲是最常用的鋅源，在中國和歐洲有所區別，因本文是以歐洲為背景，特此解釋）

1.3.4 飼料中銅和鋅的生物利用率和變異因素

存在兩種實驗方法來測量礦物質的生物利用率。第一個方法是測量在低于動物需求的劑量下，不同生理指標對逐漸增加礦物質攝入量的反應。第二個方法是在攝入量遠高于需求的劑量下，測量這些生理指標，并測量元素在血液或不同組織（如骨骼或肝臟）中的積累（Spears和Hansen，2008）。這兩種方法，均以硫酸鹽形式的礦物質為參考（CuSO4/ZnSO4），其吸收利用率定義為100%。然后通過計算不同試驗下的響應斜率來計算生物利用率。一般來說，微量元素的生物利用率受微量元素的來源、動物生理狀態或其礦物質狀態等因素的影響，以及與日糧、促進劑或拮抗劑等其他元素相互作用的影響（O′Dell，1989；Manner，2008）。不同類型的相互作用是由于在腸道中形成不可吸收的復合物、陽離子之間競爭非特異性二價陽離子的轉運或非特異性金屬對蛋白質的誘導（Suttle，2010）。可以用這些影響其吸收的因素以及影響其溶解度的不同物理化學性質，來解釋不同來源的鋅和銅生物利用率的巨大差異。

植酸鹽與鋅形成不可吸收的復合物，從而降低鋅的生物利用率（Suttle，2010）。植酸鹽水解后能釋放出鋅，但單胃動物不會自然產生植酸酶，或者數量非常有限。因此，在日糧中添加微生物植酸酶可以提高鋅的利用率Revy等（2004）揭示了700個單位的植酸酶可以取代32～43 mg硫酸鹽形式的Zn。同樣，Bikker等(2012）估算500單位的植酸酶可以替代27 mg硫酸鹽形式的鋅。根據Schlegel和Jondreville（2011）進行的薈萃分析，只有食物中天然存在的Zn會受到植酸鹽和植酸酶的影響，而不是以礦物質或有機補充劑的形式添加到日糧中的鋅。在日糧中添加鈣后，植酸鹽的這種拮抗作用會增強（Suttle，2010)。植酸鹽-鈣-鋅復合物在消化道中形成（Revy，2003)。植酸鹽對鋅的拮抗作用在幼畜中更為重要，因為其日糧中鈣含量往往超過了它們的需要（Suttle，2010)。

銅受日糧中植酸鹽和鈣的影響較小，因為它對游離氨基酸具有更高的親和力，與游離氨基酸形成螯合物，從而使銅保持其溶解度（Jondreville等，2002）。然而，可溶性銅源也可在消化道中與植酸鹽相互作用并形成鋅-鈣-銅-植酸鹽或銅-鈣-植酸鹽絡合物（Oberleas，1973），影響植酸酶的作用。

鋅對銅有拮抗作用，即會抑制其吸收。這種作用是由于鋅對金屬硫蛋白合成的誘導作用，金屬硫蛋白與銅有很強的親和力，會阻止其轉移到腸上皮（Revy，2003）。