纳米技术在畜牧业中的应用(参考书).doc

第二章 纳米技术在畜牧、兽医及水产中的应用纳米技术这一概念最早由美国诺贝尔物理奖获得者R.Feynman提出,他在1959年洛杉矶理工学院的一次物理学年会上, 做了题为底层还有很大空间的著名演讲。在当时他提出的新奇技术并没有引起足够的重视, 直到1982年,美国IBM公司成功研制出了具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜后, 纳米技术才崭露头角,在其后的20多年中这得到了飞速发展。纳米粒子具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应, 使得纳米粒子具有常规粒子所不具备的许多特殊性质, 如低熔点、高比热容、高膨胀系数、高反应活性等。第一节 纳米技术在兽医中的应用纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点。它在兽医领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。纳米技术是一种操纵原子、分子、原子团和分子团让其形成所需物质的技术，从而使人类认识自然和改造自然的能力扩展到分子和原子领域。目前纳米技术尚处于重大突破的阶段，如果能在未来的几十年中获得成功，对动物医学和人类保健的影响将十分深远。1 纳米技术与动物疾病1.1 疾病诊断目前，疾病诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但该方法存在对疾病判断不很准确的问题。而利用纳米技术可通过检测唾液、血液、粪便以及呼出的气体，及时发现机体中的各种致病或带病游离分子，可很好地解决此类问题。如纳米探针，是一种可探测单个活细胞的纳米传感器，当插入活细胞时，可探知导致疾病的早期DNA损伤，还可通过探针修复受损基因。VoDinh等研制出一种纳米探针，直径50nm、外面包银的光纤，传导一束氮镉激光，可用于探知导致肿瘤的早期DNA损伤。1.2 纳米技术与免疫纳米材料以独特的物理、化学、生物学等特性，对增强动物机体的免疫力有着很好的效果。柴家前等(2002)报道，纳米蜂胶颗粒(NPP)使迪卡白鸡血液中T淋巴细胞比率极显著增加；使雏鸡红细胞-C3bR花环率的极显著增加，而使红细胞-lc花环率显著降低，蜂胶的乙醇提取物作为佐剂能促进鸡的体液免疫，提高特异性抗体的滴度。吕文斌等(2003)用聚乙交酯丙酯(PLG)纳米颗粒包裹CPG（以甲基化胞嘧啶鸟嘌呤为基元构成的特定核苷酸序列结构)能显著提高免疫小鼠总免疫球蛋白(IgG)，增加小鼠免疫细胞数量，增强了淋巴细胞增殖及白细胞介素-2的诱生活性。纳米颗粒有其特殊的吸附能力据研究报道,纳米硒在动物肠道内可吸附病原菌从而增强机体的免疫力。它也可用来制造对付癌症的“纳米生物导弹”,能将抗肿瘤超细纳米药物连接在磁性超微粒子上，定向射向癌细胞。并把它们消灭。马洪雨等(2004)将FeO纳米微粒注入到患者的肿瘤内，纳米微粒可升温到4547oC，足以烧死肿瘤细胞，而不伤害周围健康组织。邓君明等定量实验表明在5min内纳米Zn0的浓度值为1时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.80，大肠杆菌的杀菌率99.93。用纳米粒子的疫苗进行免疫接种，会导致粘膜层和胃肠道粘膜表面发生免疫反应。纳米氧化锌具有极强的化学活性能与多种有机物发生氧化反应(包括细菌内的有机物)，从而把大部分细菌、病毒杀死。用纳米离子作为免疫佐剂可提高疫苗对动物的免疫效果。研究发现，用纳米科技生产的携带各种抗原并能准确释放的微芯片，只要一次植入家禽机体内，就可终生对多种传染病产生免疫力。这样不但避免了传统免疫注射所带来的弊端，而且极大提高了免疫的效果。因此纳米技术是增强动物机体免疫力行之有效的途径，可为动物机体的健康提供有力的保障。1.2.1 疫苗用纳米技术包裹或表面结合疫苗的纳米粒子只要一次性植入家禽体内，就可终身对其传染病产生免疫，不但避免因多次免疫接种给机体造成的应激，而且可大大提高免疫效果，彻底改变现行免疫方法的程序。因此，采用纳米技术可以很好地预防和解决像禽流感、禽霍乱等疫病问题。青岛依爱电子设备有限责任公司生产的“纳米材料孵化设备”，将纳米层状银系(锌系)无机抗菌颗粒或粉体，加入到孵化设备的蛋盘、出雏盘、加湿水盘等塑料制品及蛋车、出雏车或喷塑钢板等结构件的涂料中，使它们成为有抗菌能力的械具，在孵化过程中每时每刻发挥抑制细菌和病毒的作用，从而预防种蛋传播的多种传染病。Kossovsky等研究证明，表面修饰的纳米粒子可使蛋白抗原的表面充分暴露，同时使抗原结构更稳定，并能促进淋巴集结的摄取，在体内能引起强烈的、特异的免疫反应。由此可见，纳米粒子作为免疫佐剂可提高疫苗对动物的免疫效果，它将在疫苗的生产中发挥重要的作用。纳米粒子的辅助作用可持久地释放被包裹的抗原，或加强吸收作用和机体免疫系统对被纳米粒子结合抗原的免疫反应,增强疫苗的效果。1.2.2 免疫增强剂免疫增强剂是指单独或同时与抗原使用时能增强机体免疫应答的物质。免疫增强剂的研究涉及免疫学和药理学的内容，是最近几年预防兽医学最活跃的研究领域之一。近来研究发现，将蜂胶制成纳米颗粒，其理化性质和作用发生了惊人变化。用纳米技术可解决蜂胶疫苗生产过程遇到的许多难题。将蜂胶制成纳米颗粒，可以改变蜂胶粘度大，易粘瓶，难以吸收等缺点。纳米蜂胶颗粒能够与抗原结合，形成抗原与蜂胶相联的复合物，从而起到贮存佐剂的作用。Stieneker等发现聚甲基烯酸甲酯(PMMA)纳米粒子对大鼠体内的艾滋病病毒疫苗起辅助作用，抗体滴度提高10100倍，显示出很强的抗体应答和抗感染能力，PMMA很可能成为既有效而又安全的免疫佐剂，与抗原有关的口服用药纳粒子避免了被胃酶、胃酸分解，能直接被淋巴组织吸收。2 纳米动物药品抗生素、抗菌药和抗寄生虫药等药物在动物疫病防治中应用广泛, 不合理的应用, 致使危害动物健康的病源菌对许多抗菌药产生耐药性。同时, 产生耐药性和残留的问题会导致人体对药物的敏感性降低。而用纳米技术研制动物药品可有效地改善这些缺点。孙祖均等(2003)发现, 兽药采用纳米技术后, 药效能够大幅度提高,使用剂量降低,可有效地减少药物残留。药物纳米载体具有高度靶向性、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率等优点，能提高药物疗效和降低毒副作用。2.1 纳米抗生素随着抗菌药与抗寄生虫药在兽医临床和畜牧业生产中的广泛应用，尤其是滥用或不合理应用，致使畜禽的主要病原菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌等已对许多抗菌药产生耐药性，甚至产生多元耐药性。采用纳米技术能有效地解决这些问题。已上市的“正清”消毒剂，由于采用了纳米技术和先进的加工工艺，使药物药效提高了200倍，并且长效、缓释、抗菌谱广，对多种病毒有杀伤和抑制作用。又如，采用纳米技术研制成的康必达注射液，具有广谱、高效、低毒、用量少、吸收快、不产生抗药性、药效时间长等特点，能迅速解除畜禽由病毒、细菌、支原体等混合感染所致的各类高热性疾病。目前开发的纳米抗生素有纳乐福（Nanofin，纳米吉他霉素）、纳年福（Nanonin；纳米硫酸粘杆菌素）、纳新福（Nanosin，纳米硫酸新霉素）。研究表明，被纳米粒子包裹的氨必西林比游离氨必西林的疗效要高20倍。对药物进行纳米粒子包裹后，还可直接通过口服给药，避免某些被包裹药物受到胃酸和分解蛋白酶的作用，提高药物的生物利用度试验表明，与静脉注射相比，纳米粒子的口服生物利用度为36%，比溶解药物的生物利用度高14%。2.2 纳米中兽药 中兽药有用药剂量大、成本高，不如动物西药快速强效的缺点，而中药的药效取决于其所含有的有效活性成分，而这样有效成分主要存在于细胞内和细胞间质当中，植物细胞的细胞壁和动物细胞的细胞膜成为这些有效成分的保护层，传统的加工方法无法破碎掉这些保护层，这样就不能充分发挥中药的药效，造成原料的极大浪费。目前，运用纳米技术，可将中药原料进行纳米级超微破碎，制成粒径小于100nm的中草药制剂。纳米技术 可将药材的细胞壁、细胞膜完全击破，使细胞重要的核酸物质和有效活性成分充分发挥作用，同时能将有效成分的大分子破碎成能直接吸收的小分子颗粒，可有效提高药物的生物利用度,“纳米中兽药”因此而得名。中兽药经纳米处理后具有以下优点：(1)分子结构表面的光、热、力学、磁性、电解及界面特性均发生了奇特的变化。可取得超常的效果。(2)可直接解决中草药的水溶性问题。不必煎熬或提取防止了有效成分的浪费。采用纳米技术后，中药的超微粒子提高了中草药的药性成分，吸收率能迅速达到血药高峰浓度，克服了中药起效慢的缺点。(3)临床上可以减少药用量，缩小容器包装量及减少毒副作用。(4)在临界或高速气流的作用下，解决了中药自燃、自爆的问题。(5)能使中药物质核100破壁，药物有效成分充分释放，达到最大疗效和利用率。植物的花粉(孢子粉)、茎、叶和果都可以进行纳米化粉碎，可开发出具有广阔前景的系列产品。兽药采用纳米技术后，药效能够大幅度提高，使用剂量降低。目前，兽医应用纳米材料生产的有，如已上市的“正清”消毒剂。该消毒剂由于采用纳米技术和先进的加工工艺，药物药效提高了200倍，并且长效、缓释、抗菌谱广，对多种病毒均有杀伤和抑制作用。又如采用纳米技术研制成的康必达注射液，具有广谱、高效、低毒、用量少、吸收快、不产生抗药性、药效时间长等特点,能迅速解除畜禽由病毒、细菌、支原体等混合感染所致的各类高热性疾病。广东中山腾骏动物药业有限公司在美国伊利纳伊州立大学，广东药学院专家的支持下，运用现代纳米技术，结合中国传统的中药和中兽医技术，研究开发的纳米中兽药“福而好”解决了中西药均未能攻克的难关，“福而好”在白石猪场等十多家大型猪场做了大量的大群体临床试验的实验证明，对防治猪呼吸道疾病特别是对控制PMWS（仔猪断奶后多系统衰竭综合征），PRDS（猪呼吸道综合征）、猪喘气病等严重危害养猪业的疫病效果显著，且没有任何药物残留。2.3 纳米抗病毒用树形单体或多聚体聚合物可抑制病毒对宿主细胞的吸附和感染，此项技术被称为纳米陷阱。Choi和Reuter等发现纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前与之结合，使病毒丧失致病的能力。其原理是细胞表面的唾液酸是流感病毒的受体，可与流感病毒血凝素结合，而合成的单体或多聚体聚合物以多个唾液酸组分为侧链，也可跟流感病毒表面的血凝素位点结合。当流感病毒结合到单体或多聚体抑制物表面，就无法再感染宿主细胞了。目前发现多聚体抑制物的作用效果比单体好。2.4 纳米蛋白疫苗 近年来，基因工程的发展非常迅速，用生物技术方法研究开发药物也越来越成为人们关注的热点。其重点是应用DNA重组技术开发可用于临床的多肽、蛋白质、激素、疫苗及单克隆抗体等，这些药物在疾病防治及动物生产过程中起的作用很大。但这些药物中以蛋白质和肽类药物占的比重最大。蛋白质和肽类药物的吸收主要有被动扩散、主动转运及吞噬作用三种途径。蛋白质和肽类药物口服应用时，在胃肠道及体内会遇到许多障碍，这些障碍主要有：（1）胃酸和胃肠道酶的降解作用；（2）胃肠道生物膜的机械屏障；（3）肝脏对药物的首过效应。用纳米粒做为蛋白质和肽类药物的载体，可以改进许多肽类药物的药动力学参数，可有效地促进肽类药物穿透生物屏障，能有效减缓蛋白质和肽类药物的释放，同时提高此类药物的生物利用率。纳米颗粒作为基因载体具有一些显著的优点：纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面积大具有生物亲和性，易于在其表面耦联特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除：让核苷酸缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效的产物浓度，提高转化效率和转化产物的生物利用率；代谢产物少，副作用小，无免疫排斥反应等。已有较好基础并做出实质性成果的药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术。以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。3 纳米技术与兽药残留检测动物性食品中抗生素和违禁药物残留问题，已引起世界各国的高度重视。灵敏、安全、经济的检测手段是当前制约动物性食品中兽药残留检测的瓶颈，采用现代科技最新研究成果之一的纳米材料提高检测方法的灵敏度将是一条大有希望的途径。纳米材料特别是半导体纳米晶体，由于量子尺寸效应，具有激发光谱宽、发射光谱窄、荧光强度高、稳定性好等特点，其生物兼容性和超顺磁性在兽药残留分析中具有很大潜力。3.1 纳米技术与吸附剂在医药与兽药中存在抗生素使用上的药物残留和交叉耐药性，并且动物使用了医药产品之后，产生耐药性和残留，会导致人体对药物的敏感性降低。这些问题可因纳米技术的应用而得到改善。有毒、有害物质(重金属、霉菌毒素、农药)一直是困扰饲料行业的一个难题, 根据这些有毒有害物质的理化特性,利用纳米自组装技术的纳米吸附剂可对它们进行高效、选择性的吸附。3.1.1 重金属纳米吸附剂目前, 已研发出针对重金属铅、镉、砷、汞的吸附剂PBAN、CDAN、ASAN、HGAN, 它们对铅、镉、砷、汞的体外吸附率分别为99%、95%、90%和84%。PBAN对肥育猪的试验结果表明: 饲喂生产用日粮, 肥育猪肌肉、肝脏、肾脏铅含量分别为1.96、3.47、3.60mg/kg,分别是欧盟残留限量标准的19.6、7.0、7.2倍(欧盟残留限量标准规定肌肉、肝脏、肾脏铅含量应分别低于0.1、0.5、0.5mg/kg), 当添加0.5%PBAN, 肥育猪肌肉、肝脏、肾脏铅含量分别为0.06、0.38、0.47mg/kg, 分别是欧盟残留限量标准的60%、76%和94%。3.1.2 霉菌毒素纳米吸附剂黄曲霉常见于发霉的花生仁内, 亦生于谷粒(如玉米、小麦、水稻等)、蒿杆、干草、豆壳及油饼等。黄曲霉可分为不产毒素菌株和产毒素菌株两大类。不产毒素的菌株主要用于生产淀粉酶、蛋白酶和磷酸二酯酶等, 我国很早就有利用它来制酱的记载。产毒素的菌株在其代谢过程中可形成一类叫黄曲霉毒素的代谢产物, 对人畜危害很大。在自然条件下, 黄曲霉毒素主要有黄曲霉毒素B1、B2、G1和G2, 以后又发现这类毒素在动物体内的代谢产物, 如黄曲霉毒素M1、M2、GM1和P1等。黄曲霉毒素的毒性是已知100余种霉菌毒素中毒性最大的毒物之一, 其中尤以黄曲霉毒素B1产量最高、毒性最大、致癌性最强。目前, 研制成功的针对黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2的系列吸附剂AB1AN、AB2AN、AG1AN、AG2AN, 它们对黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2的体外吸附率分别99%、92%、96%、93%。在畜禽中, 鸭对黄曲霉毒素最为敏感。肉鸭试验结果表明: 饲喂生产用日粮, 肉鸭肌肉、肝脏、肾脏中黄曲霉毒素B1含量分别为3.65、4.41、3.20g/kg, 分别是欧盟残留限量标准的1.8、2.2、1.6倍(欧盟标准2g/kg); 饲喂黄曲霉毒素B1严重污染日粮(40g/kg) , 肉鸭肌肉、肝脏、肾脏中黄曲霉毒素B1含量分别为6.53、7.61、5.78g/kg, 分别是欧盟残留限量标准的3.3、3.8、2.9 倍; 在黄曲霉毒素B1 严重污染的日粮中添加0.5%AB1AN, 肉鸭肌肉、肝脏、肾脏中黄曲霉毒素B1含量分别为1.35、1.82、1.26g/kg,分别是欧盟残留限量标准的68%、91%、63%。3.2.3农药残留的吸附剂目前研制成功的选择性吸附有机氯和有机磷农药的吸附剂CPAN、PPAN。 CPAN对-六六六、-六六六、DDT的体外吸附率分别为95%、90%、97%; PPAN对甲胺磷和甲基对硫磷的吸附率分别为84%和78%。CPAN对生长肥育猪的结果表明: 在含0.45mg/kg六六六的日粮中添加CPAN, 使肌肉、肝脏、肾脏、心脏、毛发、脂肪中六六六残留量分别降低了46.85%、25.23%、24.23%、16.1%、23.52%、23.60%; 在含0.85mg/kg。六六六的日粮中添加CPAN, 使上述组织中六六六残留量分别降低了47.8%、23.36%、36.0%、20.2%、34.67%、10.3%。3.2 纳米技术与兽药残留检测方法3.2.1 纳米颗粒标记分析技术酶联免疫吸附试验(ELISA)是兽药残留分析中常用的检测方法，是基于抗原-抗体反应的一种检测技术，将酶分子与抗体分子联接成一个酶标分子，当它与固相免疫吸附中相应抗原相遇时，形成酶-抗原-抗体结合物，加入酶底物，发生酶催化反应，生成有色物质，根据颜色的深浅可以肉眼判断或用酶标仪定量，从而确定待测物浓度或活性。常用的酶有辣根过氧化物酶和碱性磷酸酯酶等，该方法的不足在于酶本身容易失活。放射免疫测定法(RIA)是放射性同位素和免疫化学技术相结合测定痕量残留药物的方法，将放射性同位素与抗原或抗体连结，再利用抗原-抗体反应，通过检测放射性同位素强度来确定目标化合物的存在及其含量。虽然RIA法比ELISA法更灵敏，但由于放射性同位素的使用带来了放射性污染的难题，不但有可能损害操作人员的健康和造成环境污染，而且由于放射性同位素本身放射性衰减，难以获得长期稳定的检测标准。许多纳米材料能够接受激发光而产生荧光，同时又能通过特殊的方式与抗原或抗体相连结，从而使以纳米颗粒作为荧光物质标记抗原或抗体建立非放射性免疫测定方法成为可能。用最简单的方法证实了ELISA可以被改良的潜能。Bawedi MG在将ELISA改良时，用ELISA试剂盒用作其整个免疫反应体系，仅仅将反应的最终示踪物改为链霉亲合素-Eu，而不是链霉亲合素-辣根过氧化物酶。结果表明，曲线测量范围提高约5倍，灵敏度提高1O多倍。目前已商品化的纳米颗粒标记的链霉亲合素。镧系元素Eu标记的链霉亲合素，可以预计采用纳米颗粒作为标记物将会获得更高的灵敏度与稳定性。3.2.2 免疫组织化学利用免疫组织化学方法确定残留兽药在动物体内组织中的分布与定位，是确定检测靶组织、分析残留消除规律、合理确定休药期及科学指导用药的基础和前提。目前，免疫组化中常用的有机荧光染料有异硫氰酸荧光素、四乙基罗丹明和四甲基异硫氰酸罗丹明，与这些有机荧光染料相比，纳米材料具有更为明显的优势，原因在于：纳米颗粒的直径在1nm100nm之间，如此小的体积可以使它们能够充分与细胞或组织结合；通过对纳米颗粒表面修饰上不同亲和性的物质，可以实现对不同部位的定向染色；纳米颗粒在显微镜下的衬度差别大，比普通的染色剂有更高的分辨率；可同时检测多个目标物质。由于普通的有机荧光染料分子能级是不连续的，需要不同的激发源,才能检测到不同的发光信号，而半导体纳米颗粒的大小和组成决定了其特定的发光性能，即可以用单一的激发源得到不同的颜色，从而获得不同物质的光学信号。3.2.3 其他检测方法由于纳米颗粒具有体积小，比表面积大和生物兼容性好等特点，在兽药残留分析中，可用于靶标物质与基质的分离。常用的分离方式有磁性分离和密度梯度分离两种。可以利用纳米颗粒的超顺磁性进行生物分离的内容在前面已经谈到过，除此之外，纳米颗粒与靶标物质特异性结合后密度发生改变，利用这一特点，通过离心技术可以方便地将靶标物质分离出来。纳米材料具有的各种特异性和功能，在兽药残留分析领域必将有重要的理论研究价值和广阔的应用前景，并将使兽药残留分析方法的高灵敏度与低检测限的大大提高。3.3 纳米技术与畜禽饲养环境、产品质量由于纳米粒子具有许多独特的性质，如优异的抗菌性能，通过纳米技术制备的纳米复合材料可以广泛应用于畜禽饲养环境的改善和畜禽产品质量的提高。用纳米TiO2复合塑料制成的蛋盘、出雏盘，用纳米TiO2复合涂料粉刷的蛋车、出雏车、育雏笼等设备，具有自主抗菌的能力，随时能预防种蛋传播的传染病，减少雏鸡的发病率；在畜禽饲养环境的控制中，用纳米抗菌复合涂料粉刷的畜禽舍，不仅有杀菌、除臭的功效，还可以起到隔热保温的作用，这对畜禽舍温度的控制有一定的意义；用纳米光催化技术生产的空气净化器可大大降低空气中有害气体的浓度；用多孔小球组合光催化纳米材料，能用于污水中有机物的降解，可提高水的质量。在饲料加工过程中，常常添加一些着色剂、香味剂等饲料改性剂，如果将它们加工成纳米级微粒子，不仅可以提高使用效果，还可以减少用量；纳米塑料其强度、耐热性与常规玻璃纤维相当，可完全替代畜禽饲养中普通的塑料制品，延长使用寿命；在饲料机械设备中使用纳米润滑剂，能显著降低设备高频噪音、抑制温度上升、减少材料的耗损，并有自修复的能力，有利于饲料的加工；利用纳米粒子特殊的光学性质制备高效的光热光电转换材料，能有效利用太阳能，对畜禽生产中能源的有效利用有积极意义。随着人们生活水平的提高及对健康状况的广泛关注,对畜产品的品质、安全性问题提出质疑，尤其是我国加入WTO后，动物产品的安全性问题已成为是否能出口的首要问题之一。用纳米技术生产的药物，由于其吸收、利用率高而且能起到控释、缓释等作用，因此大大提高了药效，减少了用药量，可解决使用普通药物造成的药物残留问题，从而提高动物产品的质量。用纳米抗菌塑料袋包装禽肉，用纳米超微薄膜包装禽蛋，可延长禽产品的保质期。目前抗生素作为动物饲料添加剂广泛应用于养猪生产上，由于动物西药在应用时会造成猪肉产品中抗菌药物残留、毒副作用大，三致，等缺点且长期使用会产生细菌耐药性，如果人类食用了这些产品则会造成严重危害。纳米技术的应用给目前抗生素在兽医上大量使用产生细菌耐药性、畜产品药物残留影响其品质带来了福音，这些问题可因纳米技术的应用而得到改善，并能使已禁用的抗生素重新得到使用。第二节 纳米技术在畜牧业中的应用 纳米技术就是在O.1100nm的尺度上研究和利用原子、分子的结构、特征及相互作用的高新科学技术。纳米技术给不同领域、不同学科的研究带来新的思路，为学科的交叉发展提供了新的机遇。纳米科技应用于畜牧业生产，将能像在其他行业一样产生新的特异效应。1 纳米技术与遗传育种目前，在动物遗传育种工作中常用转基因技术来改造动物的基因组、改良动物的经济性状、培育新品种。常用的方法是用限制性内切酶将所需的目的基因片段切下，再连接到育种畜禽的DNA上。由于重组基因片段和宿主DNA的连接点通常是随机的，所以每次试验成功的几率都不同。若用纳米技术先将DNA全部分解为单个基因，然后根据需要进行组装，转基因整合成功率几乎可达100。同时，利用纳米技术，只要操纵DNA链上少数几种氨基酸甚至改变几个原子的排列，就可以培养出有新性状品种甚至全新的物种。科学家可以大量克隆这些基因，通过转基因的方法，转入动物体让其进行表达，从而获得具有新的遗传性状的动物，大大加快遗传育种的速度，除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中或使病变DNA发生有益突变，维持机体的健康等。1.1 纳米技术与家禽遗传随着纳米技术的发展，扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现，为研究生物大分子的结构与功能的关系以及如何操纵这些结构提供了新的工具。该研究成果表明人类可以让单个DNA分子链展现其精细结构，并可操纵它实现分子结构改性，形成纳米结构或图形，使人类得以在更小的世界、更深的层次上探索生命的奥秘，如可对基因突变进行快速精确的探测，提高搜索致病基因突变位点的速度和精确度，进行分子级手术，改造基因。用纳米技术先将DNA全部分解为单个基因，然后再根据需要进行组装，通过操纵一个个原子，达到改良动物品种/系的目的，在遗传育种工作中，选育目标往往为产蛋率高、肌肉品质好、生长快、耗料低的健康优质家禽。因此，纳米技术将在家禽遗传育种方面的研究中起重要作用。1.2 纳米技术与猪遗传育种用纳米技术是先将DNA全部分解为单个基因，然后再根据需要进行组装，通过操纵一个个原子，达到改良动物品种（系）的目的。在种猪遗传育种工作中，选育目标往往为瘦肉率高，胴体品质好、生长快、耗料低的健康优质猪，如果通过传统的育种方法来实现，可能需要几年甚至几十年时间。如果利用纳米技术，我们可以很快获得调控这些基因表达的片段。科学家可以大量克隆这些基因，通过转基因的方法，转入动物体让其进行表达。从而获得具有新的遗传性状的动物，大大加快遗传育种的速度。2 纳米技术与饲料由于纳米材料有着独特的物理和化学特性，大分子营养物被纳米化成纳米粒径后，能穿透组织间隙，也可通过机体最小的毛细血管，且分布面极广，更易被畜禽消化和吸收，从而可最大限度地提高饲料原料的生物利用率，提高饲料报酬。纳米饲料用物理方法加工，不引入其他杂质，获得的纳米饲料产品具有保证了原料成分的完整性和全天然性，并使之具有特殊的功能，如提高矿物质吸收，提高酶的活力，提高机体免疫力等。纳米饲料的颗粒极细，易被养殖对象消化吸收，能最大限度发挥其功效，便于储存、运输及使用。纳米饲料被摄食后，与消化酶的接触面积比现在的饲料扩大数万倍，更易消化和吸收，大大降低了料肉和料蛋比，从而降低生产成本。Horence(1998)指出，营养物质的颗粒大小是影响肠道对其吸收的一个关键因素。纳米技术对饲料进行纳米化处理后，可以使原料中那些动物不可缺少而又较难采食的营养成分充分地被吸收，因为大分子营养物被粒化为纳米粒径后，能穿透组织间隙，也可通过机体最小的毛细血管，且分布面较广，从而最大限度地提高饲料原料的生物利用率。纳米技术可使饲料粒径减小，原子数量迅速增加，从而大大增加了暴露在介质中的表面积，提高动物的消化利用率。2.1 纳米技术与饲料作物品质改良开发优质高效的饲料资源始终是发展饲料工业的首要课题。纳米技术将给饲料工业和养殖业带来更多的原料或有特殊用途的作物品种和饲料添加剂。科学工作者利用转基因手段可提高作物蛋白质的数量和质量，提高种子含油量，培育低毒和含有特定养分的饲料作物品种；利用纳米生物学可大大提高饲料作物的产量。“EON纳米绿色农业生长剂”是100高能纳米碳液，不含任何化学成分，用水稀释100倍后浇入植物根部土壤，可改良土壤，促进饲料作物等农副产品的生长，提高植物免疫力，提高作物品质，缩短生长周期，达到增产的效果。“EON纳米绿色农业生长剂”带有电动势，具有高能的特点，在光合作用下，能在土壤中增加氧分，促进植物根系的活性化，从而达到提高植物生命力的效果。植物还可通过根系吸收纳米碳粒，进入植物茎、叶，促进土壤中有益噬碳微生物、小生物大量繁殖，促进土地的生态循环，达到逐渐改善土壤的效果。还可以通过微生物、小生物的繁殖，对碱性、酸性土壤起中和作用。2.2 纳米饲料原料、饲料加工纳米技术可以用于饲料资源的开发和利用，最常用的是超细粉体技术，所谓超细粉体技术是指制备与使用微米级、亚微米级或纳米级粉体及其相关的技术。Florence，Damge，Eldridge等证实营养物质颗粒大小是影响胃肠道对其吸收的一个关键因素。Jim等研究证明，纳米粒子在大鼠胃肠道的吸收有粒径大小的依赖性，50nm和60nm粒径的效果最佳。如果将普通饲料原料进行纳米级粉碎，纳米级饲料原料有很大的比表面积和孔隙率，具备很强的吸附性和很高的活性，有利于原料中有效成分及动物不可缺少而又较难采食的营养成分的充分吸收，尤其对难溶性有效活性成分的利用有重要意义。2.2.1 纳米饲料原料一些常规植物性饲料原料，如麦麸、米糠等，由于纤维素含量高而难以被单胃动物作为营养物质利用，又如棉粕、菜粕等，由于含有抗营养因子而被限制使用，如果这些饲料原料经纳米技术处理，可大大改变其使用现状，纳米技术可将纤维素粉碎成单一葡萄糖和纤维二糖等，这为大量纤维含量高的饲料原料找到了另一条可利用途径，纳米技术也可以使抗营养因子在纳米水平下发生质的变化，消除了抗营养因子的饲料原料能为动物大量利用，这将有利于开发新的饲料资源。对于一些非常规植物性饲料原料，如植物的花粉、叶、果，将其粉碎至纳米级，同样可以开发出具有特殊功能的绿色饲料添加剂。植物花粉或孢子粉具有营养全面丰富的特点，如灵芝孢子粉含有丰富的灵芝多糖、有机锗、多肽、三萜等多种有效活性成分，但是由于植物花粉或孢子有坚硬的外壳，直接作为添加剂饲喂，动物无法直接吸收利用，只有经过超细粉碎、细胞破壁后，才能使有效活性成分充分释放，发挥花粉或孢子粉的营养保健功能。植物的叶、果实，如冬青树叶、茶叶、山楂等，含有大量的氨基酸、维生素、矿物元素及活性成分，有很高的营养保健价值，而且类似资源在我国相当丰富，如果经适当的收集加工，制成纳米饲料添加剂，绝大部分营养物质和活性成分将被动物有效利用。2.1.2 动物性饲料原料在动物性饲料原料中，血粉、羽毛粉由于含有丰富的营养物质而被广泛使用，但是按照传统的方法添加，其利用价值不高。只有将血粉进行超细粉碎，使血粉中的血红蛋白细胞壁破碎，营养成分才能在动物体内充分溶出而被充分吸收利用。同样，将羽毛粉进行纳米处理后，含硫氨基酸等必需氨基酸才被充分释放，有利于提高氨基酸的利用率。另外，甲壳动物壳体的提取物，如甲壳素，经超细粉碎后，才能被充分释放。2.2.2 饲料加工植物的花粉(孢子粉)、茎、叶和果都可以进行纳米化粉碎，开发出具有广阔前景的系列产品。植物花粉, 是植物的雄性生殖细胞, 营养非常全面，在国外被誉为“世界上迄今为止所发现的惟一的完全营养保健产品”及“微型营养宝库”, 对人、动物有非常好的保健作用。如刺槐花粉、松花粉、山楂花粉等。纳米技术将植物花粉或孢子粉进行充分的粉碎及破壁, 使其有效成分得以充分的释放, 由此而制成的饲料才能充分发挥原料的价值, 并可完全被动物吸收利用。采用纳米技术将食品级茶叶废弃物加以利用, 将茶叶进行粉碎, 制成纳米级茶叶粉, 其中的大多数营养物质能够直接被动物所消化吸收利用。据日本报道, 在培育肥猪的过程中, 加喂适量的绿茶粉末, 可使“茶叶猪”肉的核酸含量增加20%, 胆固醇含量降低10%, 味道更加鲜美可口，茶末喂猪还可使猪的抗病性增强、育肥时间缩短(从断奶至出栏约100d)，成本低且无副作用。2.3 矿物元素添加剂（微量元素添加剂）传统微量元素添加剂具有促进动物生长发育、参与动物免疫、改善动物产品质量、提高动物的繁殖性能等作用。在畜禽生产中常用的第一代无机盐产品和第二代有机络合物产品, 以及普遍认可的第三代氨基酸螯合物产品均不同程度存在动物吸收利用效率低、生产效果不稳定等问题。纳米级微量元素添加剂粒径在1100nm范围内, 添加到饲料中除具有常规尺寸下的自身营养促生长作用外, 还能极大程度提高动物对添加剂的吸收利用率。因此, 纳米级微量元素添加剂因生物活性高而引起广泛重视。纳米微量元素可通过直接渗透而进入动物体内，因此其吸收利用率大大高于普通无机微量元素。纳米微量元素添加剂具有以下特点：(1)提高添加剂的生物利用率。一些矿物元素如Ca、Zn、Fe等对机体有着重要的生理生化作用，但由于这些添加剂难溶于水，影响到动物体的吸收和利用。采用纳米技术制备出的微量元素超微粉，与水有更强的亲合力，在水中有更强的化学活性，有利于在体内的消化吸收。采用同样的方法，也可将其他添加物如维生素等制成超微粉，以提高添加品的利用功效。(2)降低添加物的毒副作用。微量元素硒对保持动物健康有重要作用，但是高剂量的硒对动物体有一定的毒副作用。这些研究结果鼓舞着研究人员采用纳米技术将添加物的有效成分合成纳米粒子。这些纳米粒子有可能在作为添加剂服用时，一方面保持其积极作用，另一方面也降低了对机体的毒副作用，对动物体健康大有裨益。研究表明，无机微量元素的利用率在67%左右，而纳米微量元素的利用率可接近100%，如果碳酸钙被粉碎至纳米级，钙的吸收利用率可大大提高。另外，纳米微量元素还具有一些普通微量元素所不具备的功能。2.3.1 纳米硒硒是动物必需微量元素，是动物体内谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心成分，对动物具有重要作用。因此，开发利用低毒高效硒制品备受重视。目前研究较多的是纳米硒。纳米硒是以蛋白质为核、红色元素硒为膜和以蛋白质为分散剂的红色元素硒的纳米粒子, 粒径在80nm以内, 是单质硒。这种纳米硒对热稳定,不转化形成灰或黑色元素硒。2.3.1.1 纳米硒的特点纳米硒的特点：(1)高生物学活性。纳米硒的粒度小，暴露在外的原子多，表面反应活性高。研究表明，纳米硒具有高效的生物功效，在体外清除羟自由基效率为无机硒的5倍，为有机硒的2.5倍。(2)高吸收率。物质在消化道的吸收率在很大程度上取决于其在吸收部位的溶出速度和接触面的大小(郭彤等，2004)，纳米硒暴露在介质中的表面积大，溶解速度快，故吸收利用率高。还有纳米硒的粒度极细，易被动物胃肠道直接吸收并充分利用，能更大限度地发挥其功能。(3)高安全性。纳米硒为国内外有资料报道的安全性最高的硒制剂，对小鼠的毒性为硒标准参照物的1/71/10，是已知的急性毒性最低的硒制剂。在急性毒性方面，无机硒的LD50为15mg/kg，有机硒的LD50为3050mg/kg，纳米硒的LD50则为113mg/kg；在亚慢性毒性方面，饲料中无机硒或有机硒含量在45mg/kg时即可使大鼠体重下降和肝硬化，而纳米硒含量在6mg/kg时也不会发生上述现象(张劲松等，2001)。(4)高稳定性，低成本。纳米硒的颗粒小,便于储备、运输及使用。纳米硒是微量添加剂，更由于它的吸收率、利用率、生物活性都很高决定了它在实际应用中添加量极少。随着纳米技术的研究发展，加工制造工艺日益先进以及批量生产，其制造成本将日益降低。(5)高免疫调节剂。纳米硒能显著刺激生物体的细胞、体液、非特异免疫功能 从而提高机体的防病、抗病能力。试验证明，纳米硒能灵敏提高小鼠的免疫功能。张立德(2002)让海藻多糖硫酸酯与纳米硒结合，可极大地提高了抗病毒的效率。(6)高抗氧化性。纳米硒是由几万个硒化合物形成的一个微小单位，它的抗氧化、清除自由基能力更强，能很好地抑制自由基，保护细胞免受损害。试验表明，纳米硒体外清除羟自由基效率为无机硒的5倍，为有机硒的2.5倍。(7)高保健作用。试验证明，饲喂纳米硒的大鼠体内硒含量高于用其他硒饲喂的含量。硒在人体内同样具有非常重要的作用。(8)纳米硒对环境的污染较少。2.3.1.2 纳米硒的功能纳米硒的功能：(1)纳米硒的营养功能。机体内存在大量不饱和脂肪酸，它们极易受到过氧化作用产生脂质过氧化物。机体对脂质过氧化作用的损伤有两类防御体系：一类是酶促防御体系，它包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)，它们可以有效清除O-、HO、ROOH等活性氧并终止自由基链式反应；另一类是非酶促反应，它包括含硫基化合物、辅酶Q、维生素(VA、VE、VC)、醇类和酚羟基化合物等，纳米硒的抗氧化作用主要是通过GSH-Px酶促反应清除脂质过氧化物。当硒缺乏时，该酶的活性降低，引起脂质自由基和过氧化物的积累、细胞的破坏，导致组织的损伤。(2)纳米硒与VE的协同作用。纳米硒和VE是动物机体内抗氧化的两条防御途径，两者间存在着协同作用。纳米硒在3个方面有节省VE的作用：硒为胰腺的正常功能所必需，胰腺分泌的胰蛋白酶、胰脂肪酶有助于脂肪的消化吸收，因此有助于维生素E的吸收；硒为谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分，谷胱甘肽过氧化物酶通过催化还原型谷胱甘肽，氧化型谷胱甘肽转变的同时，消除过氧化物，使其变成醇和水，因此减少了过氧化物损伤细胞脂质膜上多不饱和脂肪酸的可能性，也就减少了保护脂质膜所需的VE的需要量；有助于血浆中VE的存留，机制尚不清楚。(3)纳米硒可增强机体免疫力。纳米颗粒有特殊的吸附能力，纳米硒在动物肠道内可吸附病原菌从而增强机体的免疫力。硒可作为含硒蛋白的组成成分存在于肾上腺、前列腺、脾脏等组织中，还可作为DNA和RNA合成所必需的特定成分影响免疫器官内组织细胞的分化和器官的生长。对缺硒动物补硒或在免疫器官机能受到抑制时补硒，可促进淋巴细胞的增长和组织器官的发育。纳米硒与细胞膜和吞噬细胞的活性直接相关。许多试验证明，缺硒时吞噬细胞的杀菌功能降低。硒对动物机体的体液免疫有增强作用，硒能使血液中免疫球蛋白水平升高或维持正常，还能增强动物对疫苗或其它抗原产生抗体的能力，要想充分发挥机体免疫系统的功能，必须有一定水平的硒参与。硒除能增强体液免疫功能外，还能增强细胞免疫功能，表现在增强淋巴细胞转化和迟发型T细胞依赖性变态反应。(4)纳米提高动物的繁殖性能。硒蛋白是近年来人们研究较多的一种血浆蛋白，Herman（1977）应用SDS-PAGE从大鼠血浆中分离发现这个蛋白，此后Burk等人用硒同位素标记技术证实这个蛋白质的存在。已有许多证据表明，硒为大鼠、小鼠产生精子所必需，缺硒鼠的睾丸组织对硒蛋白具有很强的亲和力。用缺硒日粮饲喂的母鼠所生的雄鼠，其附睾内精子数量较少，游动性差，缺尾精子多，在缺硒的情况下，大鼠的睾丸可能是主要的靶细胞。精子本身就含有硒蛋白，硒存在于精细胞尾部中段，该处含有线粒体，鼠精细胞由于硒的缺乏而引起线粒体杂乱无章，胞浆含量过多，核心处原生质膜附着疏松、不规则。以后的研究工作证明，环绕在线粒体周围的富含硒代胱氨酸的多肽能起连结作用，在靶细胞生成过程中能使线粒体螺旋稳定(何欣等，1998)。(5)纳米硒对酶的调控。当颗粒变小时，表面张力将会变小而不是常数。因为表面张力是受颗粒内聚力和表面黏附力来决定的。当颗粒变小时，表面的原子或分子与内部原子或分子的比例就会变化，从而使表面能下降。以上都说明当颗粒变小时，尤其在小于10nm时，颗粒已不只是一个惰性体，而是一个能给电子和取电子的物体，或者说是变成了一个化学活性物质。纳米硒颗粒可提高酶的活性，硒是谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-px)的主要成分。GSH-px可防止因自由基产生的脂质过氧物堆积所造成的细胞及亚细胞的损伤，维持细胞膜结构完整与功能正常。故纳米硒能抑制过氧化物反应，清除有害自由基，分解过氧化物和修复分子损伤。硒的满足程度与体组织中GSH-px活性呈正相关。因而，当机体的摄入量达到需要量时，便可起到保护肝脏、心脏，延缓人体衰老的作用。当机体摄入量达到中毒水平时，硒的水平却与GSH-px活性呈负相关。中毒后引起贫血，红细胞、白细胞显著减少，血红蛋白下降，嗜酸性细胞、嗜碱性细胞增加。2.3.1.3 纳米硒的研究研究表明，纳米硒在吸收利用程度上与亚硒酸钠接近，但是纳米硒对超氧负离子和过氧化氢具有明显的清除作用，在小鼠的对比试验中，纳米硒粒子还显示出明显的免疫调节功能，在急性毒性方面，通过灌胃给药测定小鼠半数致死剂量LD50表明，纳米硒的急性毒性比亚硒酸钠低72倍。纳米硒粒子在保持硒的有效功效的同时，也降低硒对人体的损伤。毒性试验表明：纳米硒的安全性远远高于标准参照物。杨陟华等（1999)研究了纳米硒对用D-半乳糖造成的小鼠免疫失衡和氧化损伤的保护作用。结果表明, 纳米硒不但可以降低由于连续注射D-半乳糖引起的体内自由基的升高, 而且可以抑制由于连续注射D-半乳糖引起的小鼠免疫功能的失衡, 从而证实纳米硒具有一定的生物利用率和生物功效。高学云等（2000）研究了纳米硒的急性毒性、生物利用性以及对小鼠Lewis肺癌移植瘤的抗肿瘤功效。结果表明, 纳米硒的急性毒性约为亚硒酸钠的1/7; 纳米硒和亚硒酸钠都能被小鼠很好地利用,都能使血中谷胱甘肽过氧化物酶活性提高; 纳米硒具有良好的抗Lewis 肺癌移植瘤功效。Zhang等（2001)体外研究证实,纳米硒与GSH的反应速率仅仅是Na2SeO3与GSH的反应速率的1/12, 这可能是纳米硒毒性较低的机制之一。张劲松等（2000）等结果表明, 纳米硒能显著降低小鼠全血丙二醛含量和提高小鼠全血谷胱甘肽过氧化酶活性, 显著延长黑腹果蝇生存时间, 说明适当剂量的纳米硒具有延缓衰老的保健作用。高学云等（2000)结果表明,与对照组比, 纳米硒与亚硒酸钠各剂量组的小鼠脏器重量及其指数无明显变化; 纳米硒中, 高剂量组小鼠的细胞免疫功能、体液免疫功能和巨噬细胞吞噬功能明显增强, 而亚硒酸钠各剂量组的上述免疫指标无明显变化, 说明纳米硒对小鼠免疫功能有明显的调节作用。朱茂祥（2000)进行了纳米硒对4-甲基亚硝胺-1-(3-吡啶)-1-丁酮(NNK)诱发昆明小鼠肺癌的防治研究。结果表明: 纳米硒对NNK诱发小鼠肺癌有明显防治作用,并有较好的剂量效应关系, 推其机理可能与硒的免疫调节作用有关。胥保华（2003)在纳米硒添加到肉雏鸡日粮中，结果可明显提高其生长速度和免疫力,而且毒性明显下降, 清除羟自由基的效率也明显提高,因此，纳米硒具有较强的低毒高效优势；同时在对Avian肉鸡的研究，试验结果表明纳米硒组肉鸡生长性能显著高于蛋氨酸硒组和亚硒酸钠组。宋保强等（2004)研究了纳米硒对肉鸡肝脏谷胱甘肽过氧化物酶mRNA表达和酶活的诱导作用。结果表明，纳米硒对肉鸡肝脏GPx-mRNA稳定性具有调控作用,并能提高其酶活,而且其Weinberg剂量效应的最适剂量范围较宽。熊莉等(2004)在断奶仔猪基础日粮中添加纳米硒和亚硒酸钠两种硒源研究纳米硒和亚硒酸钠对仔猪生长、肝脱碘酶活性和血清甲状腺激素的影响。研究表明：硒添加浓度为0.1、0.2、0.3mg/kg时，亚硒酸钠和纳米硒对仔猪生长性能的影响无显著差异；硒添加浓度为0.4、0.5、1.0mg/kg时，纳米硒组仔猪生长性能显著高于亚硒。添加剂于对照组的用88。邓岳松等（2003）结果发现,饲料中硒含量为0.5mg/kg时, 亚硒酸钠、蛋氨酸硒及纳米硒都可有效地促进尼罗罗非鱼生长;而饲料中硒含量为3mg/kg时, 亚硒酸钠和蛋氨酸硒对尼罗罗非鱼生长无促进效果, 而纳米硒可极显著地促进尼罗罗非鱼的生长。但高剂量的硒对鱼类有一定的毒副作用(Richardson, 1984), 但高剂量的纳米硒的毒性却较小(为亚硒酸钠的12.5%、蛋氨酸硒的25%), 其原因可能是纳米硒与生物体内GSH反应率低,进而自由基产生量低。邓岳松和陈权军(2003)以基础饵料作为对照组，研究尼罗罗非鱼饵料中添加不同形式硒源对尼罗罗非鱼生长性能影响时发现，不管硒的形式如何，饲料中低剂量的硒水平(0.1mg/kg)尼罗罗非鱼都有一定的促生长效果，但效果不显著(P0.05)；饲料中中等剂量的硒水平(0.5mg/kg)对尼罗罗非鱼都有显著的促生长效果(P0.05)；饲料中高剂量的硒(2.5mg/kg)对尼罗罗非鱼生长性能的影响，不同的硒源差异较大，高剂量的亚硒酸钠组尼罗罗非鱼的增重与对照组比较无明显差异(P0.05)，高剂量蛋氨酸硒组尼罗罗非鱼增重率虽然比对照组高，但差异也不明显；高剂量的纳米硒对尼罗罗非鱼生长有强烈的促进作用，尼罗罗非鱼增重率达到86.254.2，高于对照组51.924.76。研究结果表明，纳米硒在提高鸡、猪、鱼生长性能，抗氧化能力方面表现出很强的营养生物学作用。纳米硒的最适剂量范围宽于蛋氨酸硒和亚硒酸钠，显示出更高的安全性。综上所述，纳米硒对改善畜禽的健康、促进畜禽的生长、提高饲料转化率等方面具有良好的效果。目前，纳米硒还处在研究和开发阶段，离产业化还有相当大的距离，尚需更多的畜牧工作者致力于这方面的研究。但是，由于纳米硒吸收利用率高，在生产中可起到“少量高效”的作用，排入到环境中硒的量也较低，可减轻环境污染，稳定生态平衡。相信纳米硒必会在饲料领域具有广阔的应用前景。2.3.2 纳米锌纳米氧化锌被认为是面向21世纪比较成