摘 要：经过多年的研究，科学家发现营养物之间会竞争吸收位点，与氨基酸平衡理论相似，各种微量元素之间也存在复杂的互作和拮抗作用。而微量元素的吸收同时与饲料中的协同物质与颉抗物质存在量密切相关。中国饲料中普遍存在的高铜的现象，为了避免高铜带来的氧化应激及可能的亚中毒问题，又不影响其它微量元素铁和锌的吸收，必须添加高铁和高锌，造成了大量无机微量元素的浪费损失，饲料利用率显著下降，同时严重污染环境。在饲料中我们同时添加多种微量元素，只要有一种微量元素过量或不足，微量元素总体利用率就会下降，造成浪费，所以我们强调各种微量元素之间要尽可能平衡地添加，以确保达到最佳利用率。理想微量元素模型是根据大量的试验总结，以较好的试验结果所总结出来的不同种类微量元素之间的比例关系，主要是铁，铜，锰，锌之间的比例及添加量，以确保动物能够以较少而经济的添加量而得到更好的生长，免疫及繁殖效果。本文以铜为例综述了无机微量元素的缺陷及各种有机微量元素的差异，提出了应用理想微量元素模型提高动物生产性能的概念。
关键词：理想微量元素模型；螯合有机微量元素；环境污染；协同作用；颉抗作用。
集约化养殖造成的环境污染是一个全球关注的问题，动物饲料中大量使用的铜、铁、锰，锌等无机微量元素吸收利用率低，经粪便大量排出，常对当地的土壤和水系造成严重污染。在养猪生产中，高铜作为促生长添加剂应用相当普遍，与之呼应的锌、铁，锰等微量元素用量也大大高于需要量及推荐用量，造成不应该的浪费及低效率。人们越来越关注规模化养殖场的技术改进和污染治理，对使用较低用量而高利用率的有机微量元素变的较为迫切。为合理解决改善动物生产效益与减少动物粪便污染之间的矛盾，我们根据近20年来的研究进展提出理想微量元素模型以供养殖业更经济有效地利用微量元素以减少对环境的污染。
1 日粮使用高铜的原因及对人类健康的危害
铜是动物饲料中的必须微量元素，同时也是养殖业污染环境的代表产品，治理铜污染的成本远比饲喂铜产生的效益高，所以饲料产业既需要保障铜的营养需要，又要致力于避免污染。
1.1 铜的营养生理功能
铜是动物机体必需的微量元素之一，参与造血过程，促进铁在小肠的吸收，促进血红蛋白的合成和红细胞的生成；可使无机铁变为有机铁、由三价变为两价。此外铜还是多种酶的组成成分，有促进磷脂合成的功能，保证大脑和脊髓的神经鞘发育正常。机体缺铜时多种酶括性降低，引起共济失调，骨质疏松，被毛褪色，繁殖机能障碍以及心力衰竭等。
1.2 日粮中使用高铜的原因
通常情况下仔猪日粮中铜为6ppm，肥育猪饲料中3ppm就能满足营养需要（NRC1998）。高铜作为促生长剂是1945年由英国人Braude博士提出的，是指在饲料中添加125～250ppm的铜，对仔猪可以产生铜离子的额外添加剂效应。采食高铜日粮也影响母猪的生产性能及生长肥育猪的胴体品质，所以，在畜禽养殖业中高铜被大量使用（刘晓波等，1997）。
高铜独特的促生长作用的原因可能是部分地提高了动物采食量；并且高铜还具有一定的杀菌作用；可以提高血浆铜蓝蛋白、超氧化物歧化酶等酶的活性；也可能提高胃蛋白酶、脂肪酶等的活性；另外，一些错误的宣传如“猪粪黑说明消化好”误导用户，所以，目前我国饲料工业中高铜、高锌等现象很普遍，导致的问题也日趋严重，高铜导致PSE比例在夏季大幅度提高。
1.3 使用高铜对动物及人类健康的危害
高铜可引起动物慢性中毒和某些营养素缺乏，高铜不但可以引起动物铜中毒，还引起动物某些营养素（如维生素A、D、E，核黄素等）缺乏，当饲料中铜含量高达250ppm时，对猪肉品质有显著不良的影响，并对动物内脏食品安全有潜在危害。因此，美国不允许在饲料中使用高铜制剂，欧盟、日本也都各自规定了饲料中铜的最大添加量。中国自2009年开始严格限制高铜的使用阶段及剂量。
1.3.1 高铜降低畜禽产品的安全性，危害人体健康
我国肉类食品中铜限量卫生标准（GB 15199-94）规定，铜含量不超过10ppm。高铜日粮可导致猪肝铜含量增加10～15 倍，人食入含铜高的畜产品后可造成铜在肝、脑及肾等组织中累积，增加机体内自由基的水平，改变脂类代谢，导致动脉粥样硬化并加速细胞的老化和死亡。同时，畜产品的食品安全与卫生也会限制我国畜产品出口，制约我国本来就不发达的畜牧业前进的步伐。
1.3.2 使用高剂量铜为何会使猪粪便发黑
近20年来，饲料及养殖业一直受一种观念引导导致高剂量使用铜制剂，就是“粪便黑说明消化好”，从而导致饲料生产商大剂量添加硫酸铜，使得粪便发黑。笔者曾经在上海见到一家企业添加高达400PPM 铜，原因是希望粪便更黑，结果是不仅猪容易产生PSE 肉，同时严重污染环境。
其实“粪便黑说明消化好”是因为对硫酸铜的代谢途径不甚了解，结果为部分企业利用。事实上根据近期的研究表明，粪便黑通常猪生长性能偏低，而健康的猪通常淡黄色偏暗。
2 养殖业大量使用无机微量元素导致严重环境污染
无机微量元素铜在消化道的吸收率低，断奶仔猪消化率为5%～10%，成年动物一般不高于5%～10%，因此，这些直接来源于配合饲料的成分，大部分通过粪便排出体外，直接污染周围环境的土壤、水源和空气，造成资源的浪费，提高饲养业经营成本的同时也严重污染了环境。高铜的添加量是正常量的20～40倍，由于饲料中铜代谢后90%经粪便排出，铜又为不可降解物质，必然会造成土壤、水源、植被严重污染，阻碍环保型农业的实施。
2.1 高铜对土壤生态的影响
土壤中的含铜量一般在1～20mg/kg（Kloke．1980），当土壤中的含铜量高于此数值时就会对土壤造成影响，土壤微生物是土壤的重要组成部分，当铜含量达lOOppm 时可破坏蛋白质结构，使微生物蛋白变性而死亡，造成土壤板结，土壤肥力下降。
在日本《有关防止农用地土壤污染的法律》中，规定铜为特定的有害物质。据日本土壤肥料学会的报告，土壤中铜的含量应不超过80ppm。日本有报告认为，如果猪粪中铜都留在土壤中，土壤中铜含量将在23年内超过上述限量标准。
2.2 高铜对植物，水生生态的影响
土壤的铜污染又会引起植物生长受阻，影响作物产量和养分含量。铜过量会引起植物中铜含量的增高、植物生长减慢、产量降低，以及影响植物中其他营养元素的含量。过量的铜还可导致地区内植物种群的变化，能适应高铜的植物生存，不能适应的将被淘汰，从而引起某些物种的灭亡。长期施用含高铜的粪便于牧地后，牧草含铜量升高，牛、羊对过量的铜很敏感，容易引起铜中毒。植物性有机物由食草动物来消费，食草动物又为寄生动物、食肉动物、食腐动物以及土壤无脊椎动物和微生物食用，因此，植物的变化无疑将影响到整个食物链。
当水中的铜过量时，某些藻类将受到严重影响，大部分死亡，引起某些低级生物的灭亡，从而导致鱼类的大量死亡，甚至某些敏感鱼类的死亡。此外，粪便中的铜如果大量进入水体，可使水质恶化，导致鱼类中毒，生态环境破坏。
3 使用有机微量元素可以减少养殖业对环境的污染
3.1 有机微量元素的吸收
当无机微量元素被摄入时，矿物元素离子化或解离，带电（+），会附着在它首先遇到的吸引它的化合物，如果遇到另一个亲和力更强的物质，就会更换伙伴，最终化合物的生物利用率影响微量元素的吸收利用效率。并且，很多微量元素之间有互作，元素之间竟争吸收位点。当有机微量元素被摄入时，因为矿物元素与有机配位体提前结合，此结合减少微量元素的反应几率，降低互作效应，运送矿物元素到小肠的吸收部位，确保元素的溶解性。
有机微量元素的吸收率比较难以测定，如果以离体肠段培养来测定有机微量元素的利用效果，一般氨基酸结合的微量元素如甘氨酸系列、蛋氨酸系列均有较高的促进肠绒毛膜生长的功效；但在实际动物生产过程中由于存在大量的抗营养因子及颉抗物的存在导致饲料中无机微量元素多数不能被有效利用而通过粪便排出体外，而螯合强度较低的氨基酸络合微量元素在胃酸环境中近90%被解离，从而出现在饲料中以有机态存在，而到胃肠道环境中多数变为游离的微量元素离子加氨基酸形式存在，从而降低氨基酸络合微量元素利用率。
3.2 有机微量元素的生物利用率
一般而言，有机微量元素比无机微量元素利用率高，但丙酸盐的生物利用率与硫酸盐没有明显的区别，并非所有的有机微量元素利用率都比无机微量元素高，只有真正螯合而且适度螯合的微量元素利用率才会比较理想（Fred，2005）。奥普明是一类由世界著名的电化学专家美国德克萨斯技术大学 Robert Holwerda教授研发成功的以小肽作为配位体的高强度螯合型微量元素，在猪的胃中比较稳定，95%可通过猪胃而到达小肠被有效吸收利用。
图1 不同种微量元素的利用率
3.3 影响微量元素吸收的主要因素
矿物元素之间存在广泛的互作，其自身存在形式及量的失衡均会造成生物利用率的下降。沸石粉，膨润土及其他可能来源于黏土的材料会大量结合微量元素。霉菌毒素尤其是黄曲霉毒素会直接影响与微量元素吸收利用有关的酶的活性，影响微量元素的吸收利用效果。纤维素、植酸盐、草酸盐可以直接跟微量元素结合，降低其利用率。图1显示有机微量元素在一般情况下利用率比硫酸锌略高，但在应激情况下硫酸锌的利用率会下降，而有机微量元素利用率会保持原有水平，所以二者相对利用率有巨大差别，这是高质量的有机微量元素具有抗应激能力的主要原因。
3.4 有机微量元素的分类
有机微量元素的功能取决于有机结合的程度是否能保护微量元素免于不期望的反应。根据美国饲料控制委员会AFFCO 的分类原则，有机微量元素可根据微量元素与有机配位体之间结合键的强弱，分为螯合型、络合型、复合型3种。目前，全世界符合螯合型微量元素要求的较少，奥普明是其中研究较多的一种微量元素，有机配位体将微量元素紧紧控制，使得有机微量元素更稳定；而络合型（如蛋氨酸锌）只有一个结合位点，结合得不够稳定；复合型微量元素（如无机盐）就如同失控脱手的球一样非常活跃，例如将硫酸锌与蛋氨酸简单混合。
3.5 有机微量元素的稳定性取决于螯合强度
德克萨斯技术大学的研究成果显示不同来源的锌产品的螯合强度差别，表明奥普锌的螯合强度比硫酸锌、丙酸锌、蛋氨酸锌高100倍以上，比其他来源的复合氨基酸锌高50倍以上。按照国际标准螯合强度在10以下属于极弱螯合，10～100属于中度螯合，100～1 000属于强度螯合，1 000以上则属于超强螯合。强度螯合是比较理想的螯合，超强螯合则不易吸收，而极弱螯合则在胃肠道中不稳定，容易解离，导致在饲料中呈有机态，而到胃中多数解离成游离金属离子。
螯合强度由金属元素与不同氨基酸结合的化学性质所决定。
3.6 胃肠道中的抗解离能力
在胃肠道中的抗解离能力是判定有机微量元素有效性的重要标准之一。只有当螯合强度超过100 时，有机微量元素才能在胃肠道中少被解离。由图2可见，目前世界上螯合强度领先的奥普锌在仔猪的胃肠道中还有如此多的被解离，可以想象络合型微量元素的命运是绝大多数在到达小肠吸收部位前被解离，导致利用率下降。所以许多氨基酸型的有机微量元素在饲料中是有机的，在胃溶液中90%以上部分被解离，从而变为与无机微量元素相当的结果。
图2 pH值对奥普锌稳定性的影响
3.7 动物试验的效果
大量的研究资料证实螯合型有机微量元素对动物都具有显著提升动物免疫系统的功效。对奶牛，使用期45d后可以降低乳体细胞数达30%～50%，大幅度缩短空怀期，显著提高头期受胎率；对母猪可以减少死胎、木乃伊，显著提高胎产活仔数，后备母猪及经产母猪淘汰率大幅度下降，首次配种受胎率显著提高，种公猪需要量大幅度下降；对仔猪及生长猪，生长速度显著提高，毛色光亮，皮肤红润，饲料转化率显著上升，平均出栏提前一周以上，减少耳尖坏死，咬耳，咬尾症状；对家禽，可以减少啄毛，争斗现象，减少皮肤损伤，减少胸部囊肿，尾脂腺发炎，结痂导致胴体不合格率上升，减少种禽死亡率，提高种蛋孵化率，降低种公禽比例，提高骨骼强度，蛋壳强度及饲料报酬率。各种动物的试验结果见图3-8。
图3 奥普明ZMC对母猪繁殖性能的影响（Mirando MA等，华盛顿州立大学，1993）
图4 奥普明ZMC 对母猪初生仔猪，断奶仔猪数量的影响（2001，爱尔兰农场母猪试验）
图5 奥普明ZMC对仔猪增重的影响（Missouri University，1995）
图6 奥普明ZMC对肉鸡存活率的影响（美国亚特兰大试验结果）
图7 奥普明ZMC对奶牛乳体细胞数的影响（Van Horn等，1994.Vol77，J.Ani.Sci.）
图8 奥普明ZMC缩短奶牛空怀期（Tom，Best，1999）
4 理想微量元素模式
由于不同动物在不同阶段对不同种微量元素有不同的需求，所以每一种类型的有机微量元素由于其利用率不同，在实际生产中不能以NRC 配方原理直接使用，而可以根据在每种动物上的具体使用结果来指导我们在生产上正确使用剂量及比例，否则会造成饲料配方中的不同成分的拮抗作用。为避免饲料配方中的不同微量元素之间的拮抗作用，需要根据研究结果总结不同种类有机微量元素之间的最佳剂量及比例关系，称为理想微量元素模式。比如在母猪后备阶段及怀孕阶段，锌、锰、铜3种有机微量元素的比例按照8:4:2，比较有利于繁殖性能的发挥，而在哺乳阶段需要增加有机铁的使用量，锌、锰、铜、铁4种元素比例则为8:4:2:5 。
中国的有机硒研究及生产均领先于世界发达国家许多年，特别是军事医学科学院研制的蛋白硒（喜来硒，奥格生物提供）将中国有机硒的生产水平大幅度提高。蛋白硒与酵母硒之差别，主要表现在毒性上，大鼠急毒试验显示系硒酸钠、亚硒酸钠、酵母硒、蛋白硒（喜来硒）分别是 3、4、37、112，同时动物实验结果表明喜来硒在提升动物免疫功能速度上也比酵母硒显著快，这说明世界上广泛流行的酵母硒是一种比亚硒酸钠好的硒源，但比归类为蛋白硒的喜来硒比较依然属于毒性较高，效价较低，价格偏高的硒源产品。目前，奥格生物是世界上主要的蛋白硒生产厂家，特别是近期的水溶性蛋白硒的成功开发，标志着有机硒已经从第2代的酵母硒迈入到第3代的蛋白硒阶段，同时标志着蛋白硒可以从利用效率上，价格优势上均显著超越酵母硒。亚硒酸钠作为第1代补硒产品，由于毒性大，混合均匀度差，常常造成中毒，可以考虑全面使用有机态硒取代无机态硒。由于动物生产过程中应激因素多，在成本许可的条件下，可考虑在饲料中推荐使用有机硒，蛋白硒虽然与酵母硒价位接近，但蛋白硒毒性半数致死量比酵母硒低3倍左右，导致利用率及性价比比酵母硒显著改善。
5 低碳农业需要更高效有机微量元素及理想的微量元素模型
我国矿产资源储备本来就相对缺乏，无论从保护生态环境和畜牧业可持续发展的角度出发，还是从饲养成本方面考虑，都应该重视提高饲料中微量元素的利用效率。我国大多数的养殖场没有设立完善的粪便处理及资源再利用系统，不能通过优化畜禽排泄物管理措施来改善矿物元素的污染及浪费，在饲料工业中选用适宜的有机合微微量元素，在提高微量元素利用效率的同时可减少因饲料中大量使用无机微量元素而造成的环境污染。使用有机微量元素更符合低碳农业的要求。
奥格生物近期的研究结果显示利用奥普明螯合型有机微量元素可以显著提高微量元素的利用率，大幅度降低因使用无机微量元素所造成的环境污染，从目前的研究进展可以看出，无机微量元素具有价格低的优势，但同时具有利用效率低，污染排放量大的劣势，而普通的氨基酸络合微量元素虽然归类为有机微量元素，但由于在胃酸环境中高度解离，在饲料中为高有机状态，而在胃中多数解离为无机状态，实际上是一种不成熟或不理想的技术。纵观目前世界上主要的有机微量元素生产与研究，以美国DuCor 公司研发的奥普明小肽螯合微量元素具有在动物胃酸环境下依然稳定及少解离的特点，使得奥普明显著区别于其他类型的有机微量元素，而不同种类的奥普明蛋白盐以理想的比例加以配合使用能够取得更好的效果及生产效益，同时减少排放浪费，更加符合低碳农业的需求。
不同种类动物在不同阶段所需求的理想微量元素模型内容不一样，若能根据动物的生长阶段配合理想的微量元素比例及剂量，将会显著改善动物的生产性能，繁殖性能，对疾病的抵抗力，最终将大幅度降低抗生素使用，减少对环境的污染。
低碳农业呼唤理想微量元素模型，减少排放，节省资源。
（参考文献略）
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