纳米技术在畜牧业中的应用展望

    1958年，诺贝尔物理学奖获得者查德?费曼曾预言：“我不怀疑，如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量可能的特性。”研究证实，当微小粒子进入纳米（nanomter）量级（l～100nm）时，其本身具有量子尺寸效应。小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应，导致纳米体系出现许多新奇特性。纳米体系的庞大比表面，使键态严重失配，出现许多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，导致纳米体系的化学性质特异性变化。与更微观的原子、分子或更宏观的粉末、块体相比，纳米粒子展现出许多特有的性质。20世纪90年代，纳米科学一跃成为席卷全球的研究热点，纳米科学给物理、化学、材料学、生物学、医学等学科的研究带来了新的机遇，为交叉学科的发展提供了新的思路。所谓纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究和工业化的一门综合性技术体系。目前，在畜牧业中有关纳米技术的报道还很少，但是纳米技术作为一项新兴技术必将给畜牧业带来新的起点。
    
    
    1遗传育种
    
    1．1动物品种改良
    
    多年来，随着生物技术的不断发展，转基因技术得到巨大的发展。转基因技术可改造动物的基因组，能使家畜、家禽的经济性状改良更为有效，如使其生长速度加快、瘦肉率提高、肉质改善、饲料利用率提高和抗病力加强等；也能使优良种畜迅速扩群，在短时间内培育出新品种。但与纳米技术相比，在培育新品种方面后者优势更明显。据报道，某医疗公司从1989～1997年用显微注射技术（转基因技术一种）生产转基因动物，平均51．4个动物才得到一个转基因后代。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，转基因整合率成功率几乎可达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。目前，中科院上海原子核研究所、上海交通大学胡钧、李民乾两位研究员领衔的课题组与德国莎莱大学科学家合作，应用原子力显微镜等纳米显微术，对单个DNA进行纳米级“分离手术”：先将纠缠一团的DNA分子链完整地拉直，并交叉铺叠成网格状两维网络，再利用原子间的相互作用，对分子链进行切割、弯曲、修剪，终于“写”出每个字母长仅300nm、宽200nm的3个字母“DNA”，展现了人类在生物大分子纳米成像与操纵方面的巨大进步。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。
    
    1．2饲料作物品质改良
    
    开发优质高效的饲料资源始终是发展畜牧生产的首要课题。植物育种尤其是基因标志和转移技术的发展与应用将给饲料工业和养殖业带来更多的高产优产或有特殊用途的作物品种和饲料添加剂。营养学家利用转基因作物的操作目标主要包括：①提高作物蛋白质的数量和质量；②提高种子含油量；③培育低毒饲料；④培育含有特定养分的饲料作物品种。现在的遗传育种方法是用限制性内切酶将所需的基因片段切下，再连接到育种饲料作物的DNA上。由于基因片段和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。同样，采用纳米技术将DNA先分解为单个基因，再根据需要组装，其成功率可达100％。
    
    2饲料开发
    
    一般来说，利用超细粉碎等高科技手段将饲料原料颗粒粉碎到纳米水平的超细产品，称为超细保健产品。它具有较大的比表面积和孔隙率，因而居有很强的吸附性和很高的活性。这样的饲料被摄食后，与消化酶的接触面积比现在的饲料大数万倍，更易被消化和吸收，大大降低了料肉比和料蛋比，降低生产成本。同时饲料中的抗营养因子在纳米水平下将发生质的变化，必将要求重新测定饲料成分和营养标准，重新计算饲料配方，从而带来一场饲料生产革命。
    
    2．1饲料原料
    
    2．1．1植物性饲料原料植物的花粉（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，营养十分全面。在国外被誉为“世界上迄今为止所发现的唯一的完全营养保健产品”及“微型营养宝库”，对人体、动物有非常好的保健作用。如刺槐花粉、松花粉、山楂花粉等。同样，植物的孢子粉也集中了植物的全部精华，如灵芝孢子粉含有丰富的灵芝多糖、有机锗、多肽、三萜及甾醇类等多种功效成分，能增强细胞的免疫水平，从而提高动物自身的免疫能力。但无论植物的花粉还是孢子粉，其单体都具有坚硬的外壳，直接食用则因无法吸收而排泄，影响了这类原料的开发和利用。引入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。
    
    植物的叶如茶叶含有大量的蛋白质、氨基酸和维生素等有机物以及多达几十种动物所需的无机矿物质元素。然而传统的开水冲泡方法不能将茶叶的营养成分全部提取出来供人体吸收，一些难溶性或不溶性的成分，诸如维生素A、K、E及绝大部分蛋白质、碳水化合物、部分矿物质等仍留存于茶渣中。如果采用纳米技术将食品级茶叶废弃物加于利用，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100天），成本低且无副作用。
    
    2．1．2粮食副产品类如麦麸、米糠、豆饼等，经研究发现其营养价值比较高，但由于纤维素、抗营养因子等因素的影响，不能为动物大量利用。如加工成纳米级产品，其社会效益和经济效益可观。
    
    纳米技术还可将纤维素粉碎成单一葡萄糖和纤维二糖等，使地球上丰富的有机物成为人、畜可以利用的营养物质和化工原料。
    
    2．2微量元素添加剂
    
    微量元素添加剂的添加形式第一代是无机，第二代是有机，第三代是氨基酸螫合物，第四代微量元素将会是纳米微量元素。无机微量元素的利用率较低，在30％左右，而纳米微量元素的利用率几乎可以达到100％。这一点是可以肯定的，纳米微量元素可以不通过离子交换，直接渗透，从而大大提高了吸收的速度和利用率。例如，硒是动物必需微量元素，是谷胱甘肽氧化物酶等酶的活性中心成分。硒的一个显著特征是，它的营养剂量与毒性剂量之间范围较窄。因此，开发利用低毒高效硒制品，备受世界各国的重视。与无机硒相比，有机硒的吸收利用价值较高，急性毒性较小，被认为是较好的硒制品，有机硒已逐步取代无机硒而得到普遍应用。但有机硒的低毒高效特征并不比无机硒具有非常强的优势，甚至两者的亚慢性毒性剂量是非常接近的。研究结果表明，与其它形态硒相比，纳米硒具有较强的低毒高效优势。纳米硒对小鼠免疫系统的保护研究已经取得了较理想的结果。在急性毒性（LD50）方面，无机硒为15mg／kg，有机硒为30～40mg／kg，纳米硒则为113mg／kg。在亚慢毒性方面，饲料中无机硒或有机硒的含量在4～5mg／kg时，即可导致大鼠体重下降和肝硬化；如果是纳米硒，硒含量在6mg／kg时，也不发生上述现象。由此说明纳米硒与有机硒或无机硒相比，毒性明显下降。
    
    2．3兽药
    
    兽药采用纳米技术后，药效能够大幅度提高，从而大大降低了使用剂量，可以在不换药的前提下解决药物残留问题。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。例如，纳米氧化锌是面向21世纪的新产品，是饲料行业中优秀的氧化锌产品，具备一般氧化锌无法比拟的性能。因为纳米氧化锌有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内的有机物），从而把大部分病菌和病毒杀死。有关的定量试验表明，在5分钟内纳米氧化锌的浓度为1％时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98．86％，大肠杆菌的杀菌率为99．93％。研究表明，饲料中添加纳米氧化锌，比一般氧化锌药效大幅度提高，并具有高吸收率、剂量小的特点。
    
    3防疫诊断
    
    一段时间里，人们无论是打开电视机，还是翻开报纸，似乎所有的媒体都在或多或少地提到这两个名词--“口蹄疫”、“禽流感”，一时间闹得沸沸扬扬。口蹄疫是一种人畜共患的传染病。禽流感病自1997年在香港爆发并引起人感染死亡后，已被列为严重危害养鸡业和影响人类健康的烈性疾病。针对禽流感、口蹄疫等危害特别严重的畜禽传染病，国家“863”计划投入大量资金重点研制安全性好的单价或多价新型基因工程疫苗。用纳米技术所制的携带各种疫苗并能精确释放的微芯片，只要一次性植入动物体内，就可预防各种传染病的发生。这样不但避免现行多次免疫接种造成的应激给生产带来的损失，而且可以大大提高免疫效果，彻底改变现行免疫程序。因此，采用纳米技术可以很好地解决一直困绕我们的禽流感、口蹄疫问题。
    
    4畜禽产品质量
    
    用纳米技术生产的药物，由于大大地提高药效，减少了用药量，所以可解决畜禽产品药物的残留问题，提高畜禽产品的质量。用纳米超微薄膜包装禽蛋，用抗菌纳米塑料袋包装畜禽肉，可大大延长产品保质期。该项技术已在一些地方得到应用。
    
    5环境保护
    
    由于纳米技术的应用大大提高了饲料的消化利用率，减少了粪便的排出量，减少了氮、磷的排出量，从而减少了粪便中的氮、磷以及有毒有害元素对土壤、水、空气等的污染。随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临。纳米技术在未来的绿色革命中将大显身手，给环境保护带来突破性变化。
    
    以上是笔者对纳米技术在畜牧业中应用前景的展示。就目前而言，我国的纳米科技还处在研究和开发阶段，离整体产业化还有相当大的距离。正如中科院副院长、我国纳米研究首席科学家白春礼院士所说：“尽管纳米技术已经走入百姓的生活，但是纳米科技要象信息技术一样产生广泛而又深刻的影响，那将是二、三十年以后的事情。”总之，纳米材料是人类史的又一里程碑。由于纳米技术的出现，在今后30年中，人类文明所经历的变化将会比刚刚过去的整个20世纪还要多得多。纳米技术可使传统畜牧业产品“旧貌换新颜”，把纳米材料添加到传统畜牧业产品中，可改进或获得一系列的功能，这种改进并不见得昂贵，但却使产品更具市场竞争力。利用纳米技术将制造出各种各样具有“特异功能”的新材料，将会引起畜牧行业的重大变革，纳米技术将引领21世纪畜牧革命。