纳米氧化锌在畜牧生产中的研究进展

吴 胜，彭 艳

（上海美农生物科技股份有限公司，上海 201807）

锌是一种重要的微量元素，是国际生物化学与分子生物学联盟（IUBMB）规定的六类酶中唯一的金属，具有广泛的生物活性，其不能在体内储存，需要定期通过饮食摄入来满足生理需要，在生物系统中鉴定的200多种锌酶中起催化、合成和调节作用[1]。在DNA和RNA等大分子的聚合组织、蛋白质合成、细胞分裂和生物膜的稳定性等方面发挥着重要的作用[2]。从生理学上讲，锌对于生长发育、性成熟和生殖、暗视觉适应、嗅觉和味觉活动、胰岛素的储存和释放、减轻疼痛、抗氧化应激以及各种宿主免疫防御等都是至关重要的[3]。

纳米氧化锌是指粒径为1~100 nm的氧化锌纳米粒子，随着粒径变小，其理化特性从根本上发生改变，生物学活性更高，作为饲料添加剂比普通氧化锌具有更多的优点[4-5]。在动物日粮中少量添加，可以达到比高剂量普通氧化锌更好的抗腹泻促生长效果，同时避免高剂量氧化锌对环境的污染和资源的浪费[6]。因此，本文就纳米氧化锌的特性、在动物体内的吸收方式以及在动物健康上的主要作用和机制进行综述，旨在为纳米氧化锌在动物生产中的应用提供参考。

1 纳米氧化锌的特性

1.1 生物学活性高

纳米氧化锌的粒径较小，具有比普通氧化锌更高的比表面积和更多表面原子数，这些表面的Zn和O原子未按照比例排列，导致部分氧或者锌空缺，表面的空缺易于捕获和束缚电子形成O2-，从而导致表面生成质子空穴h+，h+易与其他原子结合，具有不饱和性和极强生物学活性[7]。极小的粒度也赋予纳米氧化锌在组织内被动扩散的能力，减少对配体、载体和能量的需要，能够透过组织间隙迅速吸收到达机体各个部位[8]。极细的纳米氧化锌能够增加和肠道绒毛接触的面积，增加氧化锌和肠绒毛的作用位点，更容易被动物吸收利用。马恒东等应用翻转肠囊法研究仔猪小肠对纳米氧化锌、饲料级ZnSO4和ZnO的吸收率，结果表明，纳米氧化锌的吸收速率较另外两种氧化锌高出1倍以上[9]。

1.2 杀菌效果好

纳米氧化锌具有广泛的抗菌活性，除了粒径大小对抗菌活性有显著的影响外，纳米氧化锌的浓度及作用时间对抗菌活性也存在一定的影响。目前主流的几种观点：纳米氧化锌通过极大的比表面积和在细胞内产生活性氧（ROS）来发挥抑菌作用[10]。纳米氧化锌具有光催化性，在可见光和紫外光的照射下可产生光学毒性，杀死细菌[11]。曲敏利等研究发现，纳米氧化锌的抑菌半径是普通氧化锌的2倍以上，同时在可见光的条件下，纳米氧化锌抑菌效果更好[12]。

1.3 安全性高

纳米氧化锌在动物饲料中因添加量少、不产生抗药性而避免了高剂量普通氧化锌对环境的污染和抗生素的耐药性问题。其极大的比表面积能够更好地在动物肠道内发挥氧化锌的药理作用，同时能够吸附饲料中的霉菌毒素，减少这些毒素和病原菌对肠上皮黏膜的吸附。纳米氧化锌还能够利用自身极强的化学活性，吸收紫外光进行光催化降解氨和废水中的有机物，改善动物舍内环境[13]。

2 纳米氧化锌在动物体内的吸收方式

纳米氧化锌经口进入胃肠道后，首先在胃内酸性环境下被分解成Zn2+，胃酸pH的大小、纳米氧化锌粒径的大小和浓度是影响纳米氧化锌解离率的重要因素[14]。Bian等研究发现，纳米氧化锌在不同pH的盐酸溶液中的溶解度不同，当盐酸溶液的pH为1、3、6时，100 mg·L-1的纳米氧化锌溶解率分别为92%、40%、10%，同时15 nm的氧化锌颗粒溶解率较15和240 nm氧化锌纳米颗粒更高[15]。Yan等将纳米氧化锌和普通氧化锌溶解在pH为1.5的模拟胃液中，当两种氧化锌浓度＜5 mg·mL-1时，纳米氧化锌（98.2%）和普通氧化锌（97.8%）大量溶解在上清液中；当两种氧化锌浓度增至5~8 mg·mL-1时，模拟胃液中的Zn2+含量较少，4 h内含量几乎恒定，两种氧化锌在胃中的溶解率随着氧化锌浓度的增加而逐渐减小[14]。

进入肠道内的纳米氧化锌一部分是已被胃酸分解成的Zn2+，另一部分以纳米粒子的形式进入小肠。进入小肠内的Zn2+在动物机体内的吸收和转运与SLC39（ZIPs）和 SLC30（ZnTs）蛋白家族有关[16-17]。其中的ZIPs负责从胞外或者胞内小泡转运Zn2+到细胞质中。当胞内的锌含量升高后，ZnTs负责转运Zn2+至胞外，或者使细胞质中的Zn2+转运至细胞器中。而锌的储存和释放受金属硫蛋白家族（MTs）的重要影响，富半胱氨酸肠蛋白（CRIP）可与Zn2+结合，促进锌吸收，MTs可抑制CRIP和Zn2+结合[18]。杨鹏飞等通过给小鼠灌胃的形式研究纳米氧化锌在胃肠道内的吸收特点，单次灌胃4 h后，十二指肠中与Zn2+吸收相关基因仅ZIP5上调，与Zn2+转出相关基因ZnT2和ZnT4表达上调[19]。而MT1和MT4储存和释放相关蛋白基因上调，表明十二指肠并没有吸收过量的Zn2+，而是通过内吞和转胞吞作用吸收纳米粒子，吸收胞外的纳米氧化锌进入胞内再分解出Zn2+供机体利用[20]。试验结果表明，纳米氧化锌主要在十二指肠和空肠中以纳米颗粒和Zn2+的形式被吸收[19]。

3 纳米氧化锌对动物的主要作用和机制

同传统锌源一样，纳米氧化锌在动物健康上发挥着重要的作用，纳米氧化锌对动物健康的影响见附表[21-31]。

附表 纳米氧化锌对动物健康的影响

3.1 提高动物生长性能

纳米氧化锌可作为生长促进剂加入动物饲料中，可提高动物生长性能，改善饲料利用率，提升畜禽养殖的经济效益[21,23]。研究表明，在仔猪日粮中添加纳米氧化锌0、600 mg·kg-1和普通氧化锌2 000 mg·kg-1，纳米氧化锌和普通氧化锌组可显著降低仔猪的腹泻率，日增重分别提高11和14 g[22]。Mishra等观察到纳米氧化锌可以显著提高肉鸡血清葡萄糖和碱性磷酸酶（ALP）水平，降低丙氨酸转氨酶（ALT）的含量，促进肉鸡的生长[23]。纳米氧化锌通过为动物机体提供Zn，促进机体激素和酶的合成，加速蛋白质合成及伤口的愈合，产生能量，刺激小肠绒毛生长，降低腹泻率，提高动物的生长性能[24-25]。

3.2 抑菌作用

大量研究报道，金属氧化锌纳米颗粒具有抗菌活性，通过局部杀死细菌或减缓细菌的生长达到抑菌的目的，且对周围组织无毒[32]。纳米氧化锌对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有抑菌作用，并且对抗高温和高压的孢子也同样有效[33]。进入肠道内的Zn2+代谢平衡对细菌的存活至关重要，这些Zn2+可与细菌表面存在的蛋白质巯基基团（-SH）反应[34]。蛋白基团通过细胞壁突出来运输营养物质，Zn2+能够使这些蛋白失活并进入菌体内部，破坏电子传递系统的酶，进而降低膜的通透性并最终诱导细菌死亡[35]。有研究发现，纳米粒子的尺寸大小与抗菌活性呈反比，纳米氧化锌粒径越小，抗菌活性越好[36]。纳米氧化锌拥有极大的比表面积，更易与细菌膜发生相互作用，破坏菌体细胞壁，引起纳米粒子的细胞内化，改变菌体的形态和释放菌体内容物，并且诱导细菌体内氧化应激基因的表达[37]。除了上述两种抑菌机制以外，纳米氧化锌粒子能够在菌体细胞内产生ROS也被认为是1种重要的抑菌机制，诱导产生的ROS能引起一系列的生化反应，其中的羟基自由基和超氧化物离子立即与菌膜相互作用，导致脂膜多不饱和磷脂组分的过氧化，进而影响细胞内钙通量、线粒体去极化和质膜泄漏，最终诱导细菌死亡[38-39]。Barreto等在仔猪日粮中加入粒径为17 nm的纳米氧化锌，对仔猪肠道内的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有良好的抑菌活性[40]。

3.3 提高动物免疫性能

在人类和动物的多次试验中都发现，缺锌将减弱机体的免疫反应和抗病能力，补充锌能够提高动物细胞和体液免疫应答机能，促进初乳和血清中免疫球蛋白水平的增加[41]。研究表明，小鼠灌胃纳米氧化锌后，小肠组织中的sIgA的表达显著上调，影响黏膜固有层sIgA的合成和分泌，提高机体免疫力；促炎性因子IL-1β、IFN-γ和抗炎性因子IL-10含量升高，有效阻止病原微生物的入侵，降低小鼠肠道炎症反应[19,29,42-43]。纳米氧化锌处理组的SOD1、SOD2和CAT均上调，SOD1主要编码铜、锌超氧化物歧化酶，主要分布在细胞中，保护细胞抵御自由基的损伤作用；SOD2可编码锰超氧化物歧化酶，广泛存在线粒体中，清除线粒体产生的活性氧，通过提高SOD和CAT的表达，提高肠道组织的抗氧化能力，进而提高动物的免疫应答能力[44]。Sahoo等在肉鸡日粮中添加纳米氧化锌0.06 mg·kg-1体重，与传统基础日粮中添加有机和无机锌15 mg·kg-1相比，显著改善肉鸡的健康状况（低血胆固醇、高ALT）和免疫力[45]。

3.4 提高动物繁殖性能

在动物繁殖性能方面，锌是维持下丘脑-垂体-性腺轴发挥正常功能的重要微量元素。性腺功能减退是人类观察到锌缺乏症的一个突出特征[46]。研究发现，在锌缺乏的大鼠和公猪中发现了附属性腺延迟生长、发育和睾丸萎缩的现象[47]。已知人和动物前列腺液、精浆、精子和前列腺组织中的锌含量在所有生物体液和体组织中含量最高，公牛精液中锌的含量是血浆中锌含量的10~15倍[27,48]。锌被描述为前列腺功能的标志物，主要参与精子分化的后期和射精过程。锌主要分布在精子尾部的外部致密纤维中，外部致密纤维是精子鞭毛的主要结构，能够提高能量转换并改善鞭毛的搏动，同时保护鞭毛免受剪切力的影响，在附睾精子成熟过程中促使精子运动[49]。在外部致密纤维中，锌通过形成锌-硫醇盐复合物与胱氨酸的巯基（-SH）结合，并保护外部致密纤维免于过早氧化。Princewill等研究发现，给受试的公牛补充额外的锌源可以提高精子体积、精子浓度、活精子比例和运动能力。张春香等研究结果显示，纳米锌50 mg·kg-1可显著提高精浆抗氧化能力，改善精液的品质[50]。

3.5 镇痛作用

纳米氧化锌被用作CNS神经元组织的再生支架，可以耐受和传导电荷，已被证明可以促进神经元的生长，在生物学和医学界被广泛关注[30]。另有研究报道，锌作为动物体内最普遍的微量元素能够在外源给药时影响疼痛感，具有过渡性抗伤害感受作用[51]。一项临床研究表明，低剂量血浆锌浓度与舌痛有关，补充锌可以降低这种神经性疼痛[52]。给大鼠腹腔注射ZnCl2还可抑制热痛觉过敏或神经性疼痛[53]。在突触中，锌作用于许多通道和受体，并且是N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）谷氨酸受体的非竞争性抑制剂，其可以减弱谷氨酸影响受体的能力。NMDA受体是疼痛过程中的主要受体之一，且许多研究表明其竞争性或非竞争性抑制剂可减轻疼痛感[54]。纳米氧化锌可通过阻断NMDA受体，达到镇痛作用；锌通过增加γ-氨基丁酸（GABA）作为抑制性神经递质来减少谷氨酸的释放，从而减轻疼痛感[55]。Kesmati等用成年Wistar大鼠作为动物模型，研究纳米氧化锌补充剂在阿片类药物系统活性存在和不存在的情况下对急性疼痛的作用，结果显示，纳米氧化锌5、10、20 mg·kg-1能够改善吗啡的抗伤害作用，起到镇痛作用[56]。

3.6 高剂量毒性

高剂量纳米氧化锌的潜在危害尚无详尽报道，相关的毒理学研究发现，肝脏、脾脏、心脏、胰脏和骨骼是口腔暴露纳米氧化锌的靶器官[57]。在组织病理学检查中，纳米氧化锌具有剂量和时间依赖的细胞毒性，其机制包括氧化应激、脂质过氧化、细胞膜损伤和氧化DNA损伤等，氧化锌纳米颗粒对细胞的毒性（特别容易积聚在肝脏组织细胞中）是通过自由基的产生，进而诱导机体产生氧化损伤、激发炎症和细胞死亡[57]。Najafzadeh等报道，绵羊在连续饲喂纳米氧化锌20 mg·kg-1体重25 d后，出现了轻微的肝细胞水肿和变形，以及严重的肾脏损伤（多间质肾炎），其中的毒性机制可能是纳米氧化锌的尺寸效应，容易在胃液中迅速被分解成金属离子，并进入肝脏和肾脏进行代谢和排泄，迅速在肝脏和肾脏组织内积累，长期高浓度的纳米粒子会对肝脏和肾脏组织造成损害[58]。

4 小结与展望

综上所述，纳米颗粒的表面效应和极大比表面积赋予了纳米氧化锌生物学活性高、杀菌效果强、安全性好的特点，在动物胃肠道内能够更好与胃肠壁接触并发挥作用。在日粮中添加少量纳米氧化锌能够降低动物腹泻率，提高生长性能；减少病原微生物数量；改善机体体液和细胞免疫应答水平，提高动物的免疫机能；增加生殖细胞的活性，提高动物繁殖性能；同时具有镇痛的效果。纳米氧化锌是高剂量普通氧化锌等传统锌源在畜禽饲粮中一种很好的替代选择。然而，纳米技术在矿物营养领域尚处于起步阶段，纳米矿物的吸收位点、吸收方式、作用机理、胃肠道内的分布方式等尚未完全清晰；同时，纳米氧化锌提供更好的生产性能和经济效益的最佳配氮水平也是未来需要研究的重点。