动物生态营养学在畜牧生产中的应用

摘要：本文论述了生态营养学的概念以及研究内容；阐述畜牧业如何利用生态营养学原理控制营养平衡，以达到控制环境污染，使人-畜-环境和谐发展的目的。

关键词：生态营养学；畜牧

早期的畜牧生产只重视满足人们的食用需要，忽视了环境问题，如营养利用与对环境的污染，药物滥用引起的药残和抗药性，畜产品品质下降等。畜牧生产造成的空气、水和土地污染正在不断的威胁着世界各地的生物包括人类，为了解决这一问题生态营养学孕育而生。本文从奶牛场的角度，阐述奶牛场如何利用生态营养学原理控制营养平衡，以达到控制环境污染，使人-畜-环境和谐发展的目的。

一、 动物生态营养学（Eco-nutrition）

1. 概念

营养学的历史虽然在十七世纪初已有学者开始研究，但视为营养学鼻祖的是法国人Lavoisier，他最先使用冰测热器测量动物体放出的热能。1809年Thaer提出以单位饲料为衡量单位的干草等价。Regnault和Reiset，1849年创制呼吸测量器以测量呼吸作用。Lawes和Gilbert，分析各种畜体成分，证明动物体的油脂可由碳水化合物或其他物质变化而成。德国的Henneberg和 Stohmann在Weende试验站，从事消化试验，进行饲料及畜体的分析，将饲料的成分分为灰分、粗蛋白、醚浸出物、粗纤维和无氮浸出物。从上面可以看出，传统的动物营养学用静态的思维，机械的方法和孤立割裂的方式来研究复杂机体的物质和能量代谢的特性，只重视单纯的物理化学特性，忽略家畜整体功能及其与环境的相互作用。动物营养学在经过200多年的发展后，其研究理论不断深入，手段日趋先进，内容不断丰富，相关产品不断更新，使动物的生产性能和饲料转化率不断提高，同时也派生出了很多其他学科。

生态营养学是研究生物-环境-营养三者相互关系的科学，是生态学与营养学交叉融合的科学。其中生物包括人、动物和植物。即可分为医学生态营养学、动物生态营养学和植物生态营养学。早在1981年美国科学出版社出版了《Effect of Environment on Nutrient Requirement of Domestic Animals》， 比较系统地和创新地论述了环境、营养需要和生产力三者之间的关系，研究改善家畜环境，降低营养物投入获得最优生产力和经济效益， 同时重点论述了环境应激对乳牛、肉牛、绵羊、猪和家禽营养需要的影响，为生态营养学的发展提供了初步的科学依据。1982年美国著名动物营养学家Van Soest出版了一本专著《Nutritional Ecology of the Ruminant》。全面论述了反刍动物一环境一营养需要三者之间的关系，从而为生态营养学建立了初步的理论基础。1995年我国有关专家也提出了“生态营养（Eco—nutrition）”的概念。付月华（1998）认为，生态营养只局限于动物的生态营养和环境保护。刘玉庆（2002）指出，生态营养的概念是在配方营养基础上，应用生态学原理调整动物体内和环境中微生物种类和数量，保持体内微生态平衡和机体健康，激发消化吸收能力，从而广泛高效地利用一切可能的饲料，减少抗生素和化学药物使用，低成本生产优质安全畜产品，减少对环境的污染对人类健康的危害。还有的学者认为动物生态营养是建立在生物技术措施对畜禽整体进行营养调控的一门应用科学（方热军，2002），卢德勋（1990）首先提出计量营养学（Quantitative Nutrition）、绿色营养技术（Green Nutritional Techniqus），指出要应用系统科学的思维原则和研究方法，以计算机为主要研究手段，在精确数量化的基础上进行正确的饲养和营养决策，以实现营养调控，减少营养浪费。邢廷铣（1996）认为动物生态营养学是以生态学和生态经济学理论为基础，应用系统科学的研究方法，把环境-动物-产品作为一个整体，研究动物在生存条件构成的多维环境条件中，对各营养要素的动态需求，在精确量化的基础上，用计算机模拟物质流、能量流和经济流的动态转化、平衡及调控模式，以求用尽可能少的饲料资源，在尽可能短的周期内，生产出尽可能多而优的畜产品，获得尽可能大的经济效益，达到或维持尽可能最佳的生态平衡。该理论强调改善养殖环境，通过精确的量化和模拟，提高系统的整体效率和生态效益，但量化的基础是对消化道微生态的深入研究和调节。

从饲料、营养平衡方面考虑，动物生态营养的概念是：在配方营养的基础上，应用生态学原理，调整动物体内和环境中的微生物种类和数量，保持体内微生态平衡和机体健康，激发消化吸收能力，从而广泛地、高效地利用一切可能的饲料原料（包括中草药、低聚糖、短肽），减少抗生素和化学药物使用，低成本地生产优质健康的畜产品，减免对环境的污染和对人类健康的危害。

从营养与环保的角度，在1997年家畜生态和环境卫生年会上，著名动物营养学家张子仪就打破动物营养框框，指出饲料行业繁荣背后的危机，针对有机砷、高铜等药物使用和环境污染，提出“生态文明”的概念，从国情出发，提出农牧结合、三元种植、农户养殖、绿色食品等宏观对策。杨胜（1997）认为环境的污染约15%是由养猪业粪尿排放造成的，除了加强粪便污水及时处理和利用的治标外，治本之道仍需从抓其源头做起，即开发环保饲料配方，控制臭气对生产环境的污染，改善和控制氮、磷的环境污染，提高饲料消化率，减少养分损失，改善饲料卫生。傅月华（1997）、颜新春（2000）也提出类似的概念，另外强调了非淀粉多糖（NSP）的利用和重金属的污染。李德发（2000）强调使用合成氨基酸降低饲料蛋白质，添加植酸酶降低饲料无机磷，以及使用益生素、酶制剂、微生物蛋白配制低污染日粮技术。除了应用植酸酶、纤维素酶外，环保饲料、低污染日粮仍是在传统动物营养框架内调整，没有深入探讨微生态对营养利用的影响以及微生物技术的充分应用。

2. 研究内容

生态营养一般分两个层次，宏生态与微生态，两者相辅相成。宏生态是指对宏量饲料原料，尤其非常规饲料的利用和常规饲料的节约，以减少资源浪费和对环境的污染；微生态是通过正常菌群及其代谢产物，调理消化道微生态环境，提高饲料消化吸收，改善畜禽健康状况。

2.1 宏生态营养

2.1.1 生态饲料

“天工，人其代之”。为了满足人类对畜产品的需求，人们模拟自然的生态条件，大规模地集约化养殖家畜，并着力选育生产性能高的优良品种。由于饲料占整个养殖成本的大部分，因此对动物营养的研究成为畜牧业的重要课题。研究领域包括：饲料原料的无公害化、可追溯性和饲料安全检测等；抗生素替代物的研究——益生素、功能性寡糖的研究；提高饲料中磷利用率的植酸酶的应用；提高饲料蛋白质利用率降低氮排出的理想蛋白质理论、人工合成氨基酸的应用；此外还有降低粪臭味添加剂沸石、丝兰属植物提取等的应用；中草药添加剂的研究；饲料配方的合理，营养平衡方面的研究。

2.1.2 无公害、绿色和有机3种类型畜牧业

广义而言，绿色和有机畜牧业都是无公害畜牧业，狭义而言无公害畜牧业是指采用无污染、无残留或低污染、低残留的原料，生产对人类健康和环境无危害的畜产品的畜牧业；绿色畜牧业则指遵循可持续发展原则，经专门机构认定，按特定生产方式生产的畜牧业；而有机畜牧业则指畜禽饲养过程中，禁止用化学饲料或含有化肥、农药成分的饲料喂养，畜禽生病时也尽量不使用残留性有毒药品，以免人们食用畜禽肉产品后有害人体健康。无公害、绿色和有机畜牧业间的关系呈阶梯式，无公害畜牧业处于阶梯的最基层，它是一种对生产过程要求最低的畜牧业生产系统，其产品是市场准人制的最基本要求，在实施层面上最为广泛，实施技术难度最低。

无公害、绿色和有机3种类型畜牧业在生产过程和生产条件方面存在较大区别如表1。

表1 无公害、绿色及有机畜牧业区别

项目

Items畜牧业 Animal husbandry

无公害 Non-public hazard绿色 Green有机 Organic

生产环境只对水质及土壤中的部分重金属做出规定A级绿色畜牧业生产要求生产环境的综合污染指数≤1，AA级要求同有机畜牧业有机和AA级绿色畜牧业生产要求生产环境绝对无污染，采用单项指数法，各项数据均不得超过标准

饲料常规饲料及草料 绿色饲料及绿色食品副产品；AA级要求同有机畜牧业有机认证机构认可或允许使用的饲料和草料

添加剂《允许使用的饲料添加剂品种目录》中所列饲料添加剂和允许进口的饲料添加剂品种允许使用的饲料添加剂品种目录》中所列饲料添加剂和允许进口的饲料添加剂品种中的部分原料，AA级要求同有机畜牧业禁止使用各种人工合成饲料添加剂

兽药除A级绿色畜牧业生产允许使用的以外还允许使用其他兽药A级绿色畜牧业生产允许使用的部分抗寄生虫药和抗菌药，AA级要求同有机畜牧业限制使用常规兽药，禁止使用抗生素、抗球虫药和其他生长促进剂以提高畜禽群体生产力

认证机构国家农业部、各省农业主管部门中国绿色食品发展中心国家环境保护总局有机食品发展中心及国外组织与机构在中国设立的认证机构

操作方式 大部分强制性推行推荐执行 推荐执行

无-公害、绿色及有机畜牧业生产构架模式如图1。

图1 无公害、绿色及有机畜牧业生产构架模式

2.1.3 计算机技术

现代计算机技术具备模拟动物生理过程的能力，只是动物营养学生理在很多方面研究得还不深入，很多营养机理还没有完全弄清，随着动物营养研究的深入动物营养学与计算机技术必将结合的更加紧密，将来动物营养学者可以用计算机技术完善地模拟动物的营养需要，建立各种畜禽营养需要计算机模型。1998年的NRC标准已采用了可以帮助配方软件使用者确定特定条件下猪的营养需要量的数学模型。

2.2 微生态营养

微生态营养学是生态营养学的微型层次。瑞典学者Bengmark首先提出来的，是细胞水平和分子水平的生态营养学，这一理论的提出为防治疾病特别是治疗肠道疾病，提供了科学的、有效的理论依据，较准确地阐述了正常微生物群、机体和营养三者的相互关系，是微生态学与营养学的相互渗透和融合。

2.2.1体内微生物菌群的研究

世界著名微生态学家，美国田纳西洲立大学Dwayne C.savage教授，2002年在日本东京召开的“肠内菌世界”国际学术会上指出：“正常微生物群是人体的一个特殊器官”正常微生物群对营养代谢、药物代谢以及物质、能量及信息传递“三流运转”均起到不可替代的重要作用。肠道正常菌群是人体肠道内最大的贮菌库和酶库，其代谢活性与肝酶反应起互补作用。能促进蛋白质的分解和消化吸收。对糖类的代谢，几乎所有的肠内正常菌群都能利用单糖酶解为6一磷酸果糖，再通过糖酵解（embden—meyerhof pathway，EMP）途径酶解为丙酮酸，最终产物是短链脂肪酸（SCFA）。SCFA不仅是肠黏膜的重要能源物质，促进肠黏膜的增生，为肠黏膜提供营养，而且SCFA中的乙酸、乳酸、丙酸、丁酸和少量的丁二酸，以及酵解氨基酸的产物—— 支链脂肪酸（如异丁酸和异戊酸）等，对钠离子和水在结肠的吸收起着重要作用。实验结果表明，适度SCFA对维持肠功能和预防腹泻起着重要作用 。除了上述三种代谢活动外，正常微生物群还参与纤维素、激素及无盐类的代谢和吸收。因此，正常微生物群对机体营养物质的代谢及其吸收，有着极其重要的生理作用，对机体可产生积极的生理效应和生态效应。

2.2.2 肠内营养的研究

肠内营养是指肠道黏膜特异性营养因子的供给和微生态制剂的供给等。特异性营养因子有提供小肠黏膜能源的谷氨酰胺，供结肠黏膜能源物质的短链脂肪酸，以及亚油酸、精氨酸等。微生态制剂的供给对机体既有药理作用，又有营养作用，也可以称之为微生态营养剂。肠内微生态营养是在提供必须营养素（包括纤维素）的同时，还需提供人体的原籍菌群或原籍菌群加益生元，以维持肠黏膜的完整性，促进肠蠕动。因为肠蠕动是肠道菌群对肠生理功能的一种重要表现。实验证明，肠道菌群能刺激肠壁运动神经末梢以调节正常的肠蠕动。补给原籍菌群或微生态制剂能促进肠黏膜的增生，通过对肠内致病菌的抑制，恢复肠内正常菌群，阻止肠道菌群的移位。同时，恢复的正常菌群又能产生供机体所需的维生素、酶类、短链脂肪酸等，而且还能促进机体对其他营养物质的吸收，如双歧杆菌和胚芽乳杆菌等。

2.2.3 微生物制剂的研究

微生物制剂是一类添加于动物饲料中并作用于消化道，能够提高动物健康水平的活菌制剂，可分为乳酸杆菌、芽孢杆菌和酵母菌3类。其作用方式和机制主要有3种学说，一是优势种群说，即通过添加微生物制剂，恢复胃肠道原有的优势种群；二是微生物夺氧说，即孢子态微生物添加剂进入胃肠道后迅速繁殖，消耗肠道中的O2，降低氧分子浓度，恢复肠道中微生物间的微生态平衡；三是膜菌屏障说，即微生物制剂进入肠道后，可竞争性抑制病原体附到肠细胞上，起到屏障作用。活性微生物进入胃肠道后，在代谢过程中产生的乳酸、氨基酸、合成的酶和维生素对维持肠道微生态平衡，促进营养物质的消化与吸收具有很大促进作用。

随着微生态理论在畜牧业界的传播和应用，动物营养学界进行了大量微生态产品的应用研究。以生态学原理为指导，以现代畜牧生态系统为研究对象，突破传统营养学研究方法与框架，应用现代分子生物学、生物化学和生理学的研究方法与手段，在分子水平上开展集约化条件下的畜牧业生产体系中动物生态营养调控技术以及对环境的影响研究。蔡辉益（2000）分析了微生物在维生素合成、氮、糖类、脂类代谢中的作用，综述了活菌制剂、微生物培养物、酸化剂、寡糖、中草药在饲料工业中的应用。

二、小结

动物生态营养学的开创与发展一定会促进畜牧业的合理发展，人-环境-家畜三者间的和谐发展。

作者简介：丁得利 （1980-），男，汉族，黑龙江人，本科，主要从事奶牛肉牛繁殖的研究工作。

李 伟（1981-），男，汉族，黑龙江人，硕士，主要从事饲料营养的研究工作。

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