微量元素及其重金属减排措施

艾丽曼

一、元素的一些概念
（1）根据元素在生物体内的含量不同，可分为常量元素和微量元素两大类。
（2）常量元素：是指占生物体总质量的万分之一（0.01%）以上的元素，
如碳、氢、氧、氮、钙、磷、镁、钠、钾、氯等。
（3）微量元素：是指占生物体总质量的万分之一（0.01%）以下的元素，
如铜、铁、锌、锰、碘、硒、钴、铬、钼、硅、氟、钒等 。
（4）微量元素又分为必需微量元素和非必需微量元素。   

二、必需微量元素的功能与作用

（1）分子生物学的研究揭示，微量元素通过与蛋白质和其他有机基团结合，形成了酶、激素、维生素等生物大分子，发挥着重要的生理生化功能。
（2）微量元素首先构成了体内重要的载体与电子传递系统。铁存在于血红蛋白与肌红蛋白之中，在它们执行载氧与贮氧的过程中，铁扮演了十分重要的角色。
（3）酶是生命的催化剂，迄今体内发现的1000余种酶中，约有50%到70%需要微量元素参与或激活，它们在细胞酶系统中功能相当广泛：从弱离子效应到构成高度特殊的化合物——金属酶与非金属酶。谷胱甘肽过氧化物酶是典型的非金属酶，它具有抑制自由基生成，清除过氧化物、保护细胞膜完整性等作用。该酶分子中含有4个硒原子。锌不仅是碳酸酚酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等（4）几十种酶的必需成分，而且同近百种酶的活性有关。锰作为离子性较强的微量元素则是有效的激活剂，可催化金属活化酶。


微量元素还参与了激素与维生素的合成。众所周知，碘为甲状腺激素的生物合成所必需的；而锌在维持胰岛素的主体结构中亦不可缺少，每个胰岛素分子结合2个锌原子。
(5)维生素B12是胸腺嘧啶核糖核苷酸合成以及最终DNA生物合成与转录所必需的甲基转移的辅酶。该分子中螯合有一个钴原子的环状结构部分，含有它的化合物——类咕琳辅酶是已知最有效的生物催化剂之一，在许多酶中起着不寻常的分子重排作用。
(6)核酸是遗传信息的携带者。微量元素对核酸的物理、化学性质均可产生影响。多种RNA聚合酶中含有锌，而核苷酸还原酶的作用则依赖于铁。
三、几种必需微量元素的作用
1、亚铁的作用
            Fe是动物体内物质氧化供能过程所需多种化含物的组成成分，并与一些酶的活性有关。Fe参与血红蛋白、肌红蛋白的构成，担负体内运输氧和二氧化碳的作用，参与细胞色素氧化酶、过氧化物酶及触酶的合成，并可维持或增强乙酰辅酶A、细胞色素还原酶的活性，以保证体内的三羧酸循环（与能量代谢有关）能够正常进行。缺Fe或Fe的利用不良，上述这些成分的形成和活性即受到严重的影响，从面导致体内氧的运输贮存、二氧化碳的运输及释放、过氧化物的氧化还原过程等发生紊乱。
           Fe还影响动物体内的蛋白质合成和免疫机能。
2、铜的作用
（1）铜是动物机体必需微量元素，参与动物体内蛋白质、脂肪、碳水化合物和维生素等营养物质的代谢，能提高饲料中营养物质的利用率。
（2）铜参与动物体内血红蛋白的合成，预防畜禽贫血——造血功能。
（3）铜是体内许多酶的组成成分 ，参与某些酶的合成，并激活一些酶的活性。
（4） 铜参与机体免疫功能调节，缺铜可引起免疫功能下降 。
3、锌的作用
（1）锌不仅是碳酸酚酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等几十种酶的必需组成成分（参与某些酶的合成），而且同近百种酶的活性有关（激活酶的活性）。
（2）锌具有稳定胰岛素分子活性，保护它不被胰岛素酶所破坏，延长胰岛素作用时间的功能，因而有强化胰岛素酶降低血糖的作用。锌对动物体内碳水化合物、脂肪和能量代谢有重要影响。
（3）影响动物生殖：锌通过影响性腺活动和性激素的分泌对动物的性器官正常发育、性机能的正常发挥等表现出重要的生理意义。
（4）锌影响动物味觉和食欲：作用机制可能是唾液内一种含有两个锌离子的唾液蛋白——味觉素作为介质影响味觉和食欲  。动物缺锌后味觉和食欲均减退，补充锌后可以得到改善。  
4、锰的作用
（1）锰参与机体的造血与凝血过程。
（2）维持骨骼的正常生长和保证骨结构的正常。 锰与粘多糖中硫酸软骨素的合成有关，而硫酸软骨素是软骨及骨组织的重要成分。缺锰之后硫酸软骨素的合成受阻，从而导致软骨生长受损，骨骼发生畸形。
（3）锰作为离子性较强的微量元素则是有效的酶激活剂，可催化金属活化酶。在缺锰的饲稂中补充锰，能减少脂肪沉着和降低其脂肪层厚度。
（4）锰还对中枢神经系统和免疫系统发生作用，能提高机体免疫力。  

5、碘的作用
           碘是动物的必需微量元素之一，是甲状腺素的组成成分，动物缺碘时，会引起甲状腺素肿大、生长繁殖受阻。
6、硒的作用
（1）硒是谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分。谷胱甘肽过氧化酶具有强大的抗氧化功能，可清除自由基，保护不同部位免遭氧化应激损伤，有利于细胞分化、发送信号和炎症前细胞因子产生，保护细胞膜完整性，提高机体免疫力。
（2）硒作为带负电荷的非金属离子，在动物体内与带正电荷的有害金属离子（铅、汞、镉、砷、铬）相结合，形成金属—硒—蛋白质复合物，把有害有毒的金属离子排出体外，从而消解了金属离子的毒性，起到排毒解毒的作用。
（3）硒是动物体内一些参与代谢、繁殖的重要蛋白的组成成分，并对这些蛋白的结构功能起重要作用，如精子被膜蛋白、硒蛋白W、硒蛋白P等，所以硒能改善动物的繁殖性能。

7、钴的作用
钴是动物生长发育所必需的一种微量元素，是维生素B12的重要组成成分，其主要功能是通过维生素B12来参与机体造血和营养物质的消化、代谢过程。
由于瘤胃微生物能够利用钴合成维生素B12，钴对反刍动物营养有重要作用，反刍动物缺钴会引起食欲减退、生长缓慢、贫血、皮毛粗糙、繁殖受阻。
钴与锌、铜、锰有协同作用，特别是钴和锌是姊妹对，相互都有促进作用。
8、铬的作用
（1）铬(3价Cr )是人和动物机体必需的微量元素 之一。3价 Cr 是葡萄糖耐量因子(GTF)的活性组成成分。葡萄糖耐受因子可促进胰岛素的作用，应该说，铬的功能是通过胰岛素来实现的。铬主要是作为胰岛素的增强剂，通过胰岛素来影响糖、蛋白质、脂肪和核酸的代谢，能降低体内脂肪含量，提高瘦肉率。
（2）缺铬容易患糖尿病和动脉粥样硬化症。
（3）人体内铬几乎都是3价的，它很稳定,人体内约含铬6-7mg,它广泛地存在于人体骨骼、肌肉、头发、皮肤、皮下组织、主要器官(肺除外) 和体液之中。人体对无机铬的吸收利用率极低，不到1%；人体对有机铬的利用率可达10～25% 。所以动物饲料一般添加有机铬。
（4）大量的铬污染环境，则危害人体健康 。铬中毒主要是指六价铬。饮用被含铬工业废水污染的水，可致腹部不适及腹泻等中毒症状；铬为皮肤变态反应原，引起过敏性皮炎或湿疹，湿疹的特征多呈小块，钱币状，以亚急表现为主，呈红斑、浸润、渗出、脱屑、病程长，久而不愈；由呼吸进入，对呼吸道有刺激和腐蚀作用，引起鼻炎、咽炎、支气管炎，严重时使鼻中隔糜烂，甚至穿孔。铬还是致癌因子。
四、有机铬的添加
1、有机铬饲料添加剂已经在饲料行业广泛使用，用得最多的有吡啶甲酸铬和蛋氨酸铬两种有机铬。
2、有机铬的作用
（1）提高母猪繁殖性能 ，提高母猪产活仔数 。
（2）改善胴体品质， 降低背膘厚度， 提高瘦肉率 。
（3）提高抗应激能力， 增强机体免疫力 。
（4）提高生长速度， 改善饲料报酬。
3、添加量：每吨配合饲料添加0.2-0.3克(以铬计) 。
五、几种必需微量元素主要功能

元素        酶活        造血        免疫        繁殖        生长        皮肤        毛发
铜Cu        √        √        √        √        √                √
铁Fe        √        √        √         √        √        √        √
锌Zn        √        √        √        √        √        √        √
锰Mn        √                √        √        √               
碘I        √                        √        √               
硒Se        √                √        √        √        √       
钴Co        √        √        √        √        √        √        √
铬Cr        √                        √        √                √









六、微量元素营养的本质

（1）微量元素作为体内代谢酶的辅酶或辅助因子，对营养物质代谢起到重要作用。
（2）矿物元素之间有互作关系（协同作用），应注意它们之间的平衡。
（3）矿物元素之间存在竞争吸收位点（拮抗作用）。
（4）生物利用率的高低决定了矿物元素的差别。

七、什么是重金属？

（1）重金属一般指密度大于4.5g/cm3的金属 。
（2）约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、铁、锌、钴等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉、金、银等并非生命活动所必需，而且所有重金属超过一定浓度都对动物有毒。重金属在人体中累积达到一定程度，会造成慢性中毒。
八、重金属的污染及其危害


（1）从环境污染方面所说的重金属是指:汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属。
（2）对人体毒害最大的有5种:铅、汞、铬、 砷、镉。这些重金属在水中不能被分解，人饮用后毒性放大，与水中的其他毒素结合生成毒性更大的有机物或无机物。  
（3）重金属不能被生物降解，相反却能在食物链的生物放大作用下，成千百倍地富集，最后进入人体。重金属在人和动物体内能和蛋白质及酶等发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可能在人和动物体的某些器官中累积，造成慢性中毒。 

九、重金属污染的共同特点

（1）不发生分解，经消化道吸收后，进入血液与血卟啉结合，随血液分布至各器官组织，对全身各系统和内脏器官产生毒害，动物机体的生物转化不能减弱这些毒性，有的反而转化为毒性更大的化合物，如汞转化为甲基汞。
（2）半衰期长，一旦进入机体，危害时间特长。
（3）抑制酶的活性，引起全身伤害。
（4）大多数有毒重金属在动物体内会蓄积，达到一定量后，呈现毒性反应。
毒性与其化学形态、结构有关。

十、主要有毒重金属的危害
1、铅 Pb
            主要对神经、造血系统和肾脏的危害，损害骨胳造血系统，引起贫血，脑缺氧、脑水肿、出现运动和感觉异常。

2、镉Cd

            可在人和动物体内积累引起急、慢性中毒，急性中毒可使人和动物呕血、腹痛、最后导致死亡，慢性中毒能使肾功能损伤，破坏骨胳，致使骨痛、骨质软化、骨质疏松，瘫痪。镉还会引起贫血，干扰锌、铜、铁的吸收。

3、汞 Hg
            主要危害神经系统，使脑部受损，造成汞中毒脑症，引起四肢麻木，运动失调、视野变窄、听力困难等症状，重者心力衰竭而死亡。中毒较重者可以出现口腔病变、恶心、呕吐、腹痛、腹泻等症状，也可对皮肤粘膜及泌尿、生殖等系统造成损害。在微生物作用下，甲基化后（甲基汞）毒性更大。

4、砷 As

            慢性中毒可引起皮肤病变和神经、消化和心血管系统障碍，有积累性毒性作用，破坏人和动物体细胞的代谢系统。会引起皮毛粗乱无光泽，脱毛脱蹄，拉稀，母畜流产或不孕。

5、铬 Cr

           六价铬及其化合物对于人体的伤害，通常表现在三个方面。一是损害皮肤，导致皮炎、湿疹、咽炎等；二是损害呼吸道系统，引发肺炎、气管炎等疾病，三是损害消化系统，误食甚至长期接触铬酸盐，极易造成胃炎、胃溃疡和肠道溃疡。铬还具有致突变性和潜在致癌性，六价铬具有明显的致癌作用。

十一、减少重金属排放的措施
1、控制微量元素原料特别是无机微量元素原料中重金属的含量

          从源头把关，降低微量元素原料中铅、镉、砷、汞等有毒重金属的含量。

2、使用有机微量元素，减少微量元素的添加量。
（1）用有机微量元素全面替代：由于有机微量元素（氨基酸螯合物）的利用率高，可以减少三分之一到二分之一的用量。
（2）用部分有机微量元素替代：根据实际情况，相应减少微量元素添加量。
（3）在种猪（种公猪、怀孕母猪和哺乳母猪）、乳仔猪、种蛋鸡、幼龄肉禽等阶段，全部或部分使用有机微量元素，提高生产效率。

3、降低微量元素的添加量
（1）利用动物理想微量元素模型科学添加微量元素；
不同饲喂动物，有不同理想微量元素模型；
注意微量元素之间的平衡；
对于动物理想微量元素模型的研究，国内、国外都做得很少，现在只是作为一个概念提出。
（2）考虑饲料原料中微量元素本底含量与利用率，减少外加微量元素的添加量。


原料名称        铜mg/kg        亚铁mg/kg        锌mg/kg        锰mg/kg        硒mg/kg
玉米        3.4        36        21.1        5.8        0.04
小麦        7.9        88        29.7        45.9        0.05
次粉        11.6        140        73.0        94.2        0.07
麦麸        13.8        170        96.5        104.3        0.07
DDGS        5.4        98        52.3        15.2        0.33
豆粕46        24.0        185        46.4        38.2        0.10
豆粕43        24.0        185        46.4        28.0        0.06
膨化大豆        18.1        111        40.7        21.5        0.06
发酵豆粕        24.0        185        46.4        38.2        0.10
玉米蛋白粉55        1.9        230        19.2        5.9        0.02
花生粕48        25.1        368        55.7        38.9        0.06
进口鱼粉65        8.4        337        102.0        11.0        2.70
国产鱼粉62        8.0        80.0        80.0        10.0        1.50
乳清粉        43.1        160        3.0        4.6        0.06



按常用猪料配方计算乳猪料、小猪料、中猪料、大猪料中微量元素本底含量见下表：
         饲料
项目        乳猪料1        乳猪料2        小猪料        中猪料        大猪料
Cu
mg/kg        10.45        8.76        8.32        8.01        7.40
Fe
mg/kg        83.39        81.13        74.04        72.40        69.12
Zn
mg/kg        27.87        30.04        29.59        29.84        30.34
Mn
mg/kg        11.10        14.06        15.38        15.92        17.00
Se
mg/kg        0.13        0.10        0.04        0.04        0.04

（3）合理添加铜、锌，减少添加高铜、高锌产生的铜和锌的排放量。

            微量元素Cu、Zn在动物机体体内利用率很低，主要通过粪便排出体外而污染土壤和饮水 ，最终危害人类的身心健康。因此，对微量元素Cu、Zn的科学使用是末来生猪养殖的方向，也是饲料企业努力的方向。
由于铜和亚铁、锌之间存在拮抗作用，日粮高铜会降低亚铁、锌的利用率，从而诱发铁、锌缺乏症的发生。同时大量未被消化的铜通过粪便排出体外而污染土壤和饮水。


高剂量氧化锌对铜、亚铁的吸收具有拮抗作用，高剂量的锌会造成仔猪对铜、亚铁的吸收利用率降低，导致铜、亚铁缺乏，最终使仔猪出现贫血、被毛粗乱卷曲等现象。同时高剂量的氧化锌的生物利用率较低，大部分随粪便排出而污染环境，高锌日粮已成为水和土壤污染的重要因素。被污染的土地不再具有可耕性，被污染的地下水影响人类的健康。

农业部1224号公告（2009年6月18日）

1、铜在配合饲料中最高限量：
           以铜元素含量计，mg/kg
   仔猪（≤30kg）：200
   生长猪（ 30-60kg）：150
   生长猪（≥60kg）：35
   种猪：35
   家禽（鸡、鸭）：35
   鱼类：25
农业部1224号公告


2、规定只能在断奶后前两周的仔猪日粮中使用高剂量氧化锌，且氧化锌（以锌元素计）的添加量不超过 2250ppm （克/吨），禁止在其它阶段使用高剂量氧化锌。

4）添加酶制剂，提高饲料中微量元素的吸收利用率，减少微量元素的添加量，减少未被吸收的微量元素对环境的排放。

            饲料原料中抗营养因子对微量元素的消化吸收有一定的抑制作用，添加相应的酶制剂，可以改善和提高饲料原料中微量元素的释放效率。

添加植酸酶，适当减少微量元素（锌、铜、亚铁、锰）的添加量

植酸不仅能与植物中的40%～70%的磷结合，而且还与其它金属离子如钙、铜、镁、锌、锰、亚铁等螯合形成难溶化合物，在动物肠道中变得难以吸收。
所有金属元素中，锌最易与植酸结合，尤其在高钙的情况下，钙、锌和植酸磷形成三元复合物，同时影响三种元素的吸收。
植酸酶能促进植酸降解，不仅能增加植物性饲料原料中磷的释放量，同时还能提高日粮中锌（包括铜、亚铁、锰、镁等）的吸收利用率。

添加木聚糖酶，对能量饲料原料（玉米、小麦、大麦、米糠等）中锌、亚铁的释放有较好的效果。
添加β-葡聚糖酶可提高谷物类饲料原料中铜、亚铁、锌的释放，且对棉菜粕中铜、亚铁、锰的利用率有较大的促进作用。
添加复合酶可改善各种饲料原料中微量元素的释放效率。

                                                                 ------------------------------艾丽曼