摘 要:纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。由于纳米材料理化性质的奇特性,将在物理、化学、生物学、材料学、医学等众多领域具有巨大的发展潜力。动物科学作为生物学的一个分支,也必将受到纳米技术的巨大影响。纳米技术使基因工程变得更加可控,人们可根据自己的需要制造多种多样的生物“产品”,农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革。本文就纳米粒子的基本特性,纳米技术在遗传育种、动物营养、药物开发、防疫诊断、畜禽产品质量和畜牧环境污染等与动物科学相关领域中的应用进行阐述。
关键词:纳米技术;动物科学;畜牧业
1959年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼(R. Feynman)在加州理工学院做的题为《There is plenty of room at the bottom》的演讲中预言:“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(nanometer)量级(1～100 nm)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,导致纳米体系的光、热、电、磁等物理性质出现许多新奇特性。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、分子或更宏规的粉末、块体相比,纳米粒子展现出许多特有的性质。纳米粒子研究领域成为人们尚未充分认识和开拓的中间领域。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。
一、纳米粒子的基本特性
1. 小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶体纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的“小尺寸效应”。小尺寸效应在动物科学中表现最突出的是其化学性质。随着纳米粒子尺寸的减小,比表面积明显增大,化学活性也明显增强。纳米金属粒子与催化剂的制备有密切的关系,近年来对它的化学活性研究引起人们极大的关注,对于动物营养中矿物元素和兽药的开发具有很好的启示。
2. 表面效应
当粒子直径接近原子直径时,绝大部分的原子都集中在粒子的表面。表面原子周围欠缺其它原子而处于不饱和状态,极不稳定,会发生瞬间迁移,不断地转移变换位置。当这些表面原子遇到其他原子时,就会很快与之结合并趋于稳定。由于纳米粒子尺寸小、表面原子数多、表面原子配位数不足和表面能高,因而具有很高的化学活性。像这种因纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大引起物理性质巨大变化的现象,称为纳米材料的“表面效应”。球型颗粒的表面积与直径平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积与直径成反比,即随着颗粒直径变小,比表面积会显著增大。例如,粒径为10nm时,比表面积为90m2/g。粒径为5nm时,比表面积为180m2/g,粒径下降到2nm,比表面积猛增到450m2/g。
3. 量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米(纳米的百万分之一)能级附近的电子能级由准连续变为离
散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能源变宽现象均称为“量子尺寸效应”。宏观物体包含无限个原子,宏观物体的能级间距几乎为零,而纳米微粒包含的原子数有限,其能级间距可发生分裂。这时,若能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚态能,就会导致纳米微粒磁、光、声、电特性以及超导电性与宏观物体的显著不同。
4. 宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。
任何物质一旦进入纳米尺寸,就会具有上述四大特性。结构非常特殊的纳米微粒所表现出的神奇物理化学变化,具有卓越的光、电、热、力、紫外线、波、放射、吸收等特殊功能。
二、纳米技术在动物科学中的应用
所谓纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究和工业化以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的一门综合性技术体系。迄今为止,还未见纳米技术在动物科学中应用的报道。但纳米技术作为一项新兴技术将在动物科学中发挥积极的作用,为动物科学的发展提供新的机遇。
1. 纳米技术在遗传育种领域中的应用
(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,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。加上体细胞克隆技术能使优良种畜迅速扩群,在短时间内培育出新品种。对于动物遗传资源保护的意义更加深远,对濒危物种挽救也是必不可少的。目前,转基因的方法主要有4类:①融合法,包括细胞融合、微细胞介导融合等;②化学法,包括DNA–磷酸钙沉淀法、DEAE–葡聚糖法、染色体介导法等;③物理法,包括显微注射法、电脉冲法、细胞冻存法等;④病毒感染法,包括重组DNA病毒感染、重组RNA病毒感染等。显微注射法等传统的转基因技术具有随机性和不可预见性,外源基因的拷贝数和整合位点都是随机的,还可能出现嵌合体,其整合率极低,得到的转基因动物数量少。据报道,某医疗公司从1989～1997年用显微注射技术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的三个字母“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。
(2) 饲料作物品质改良
① 质量上 开发优质高效的饲料资源始终是发展畜牧生产的首要问题。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:提高作物蛋白质的数量和质量;提高种子含油量;培育低毒饲料;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%。纳米生物学应用人工分子剪裁以及进行分子基因变得更加可控,人们可根据自己的需要,制造各种生物“产品”,传统的农、林、牧、副、渔业也可能会因此发生深刻的变革。
② 数量上 目前,我国饲料蛋白资源严重缺乏,同样,利用纳米生物学可大大提高饲料作物的产量。某公司研制开发了一种“绿好龙EON纳米绿色农业生长剂”。“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。将纳米碳液用水稀释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,提高作物品位,缩短生长周期,达到增产的效果。“EON纳米绿色农业生长剂”是将纳米技术应用于农业生产,由于它带有电动势,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. 纳米技术在动物营养上的作用
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,因而具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。
Florence(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。Eldridge,Damg
e,Jani也证实了这一结论。Jani研究了三种不同大小的聚苯乙烯微粒(50nm、500nm、1um)在淋巴集结、肠系膜、肝、脾中的吸收程度及分布速度。试验表明:给小鼠口服药物后6h内,50nm粒子在淋巴集结中被发现并有最大程度的吸收,比500nm和1μm粒子吸收得快;500nm微粒给药18h后在肝、脾中发现;而1μm粒子给药18h后才在肝上、24h后在脾上发现有很少的分布,而且仅有少量吸收。这就证明了微粒尺寸的大小对胃肠道的吸收有很大的影响,而且影响其体内分布。研究表明:粒径小于5μm的微粒可通过肺,粒径小于300nm的微粒可进入血液循环,小于100nm能进入骨髓。因此,纳米微粒系统更易通过胃肠粘膜,使其透皮吸收的生物利用率得以提高。Desai在小鼠中的研究试验表明:100nm粒子比其它大粒子的吸收率高10～250倍。分析其原因可能是由于纳米微粒具有小尺寸效应和表面效应。当粒径减小时,表面原子数迅速增加,从而可增大暴露在介质中的表面积,提高动物对其的吸收利用率。因此对饲料原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动物吸收,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,从而可最大限度地提高饲料原料的生物利用率。
据徐建堂报道,山东某处经销的纳米器械“强的纳米863生物助长器”是最新高科技产品,可广泛用于多种家畜、家禽及特养动物。其使用方法有:①将“强的纳米863”插入饲料袋内,静置24h,即可饲喂;②处理饮水:将“强的纳米863”放入盛水容器的底部,注入清水,静置24h,直接饮用,或拌饲料喂用;③制造除臭水:将“强的纳米863”投入清水中浸泡24h,清水即成为除臭水,供圈舍除臭使用。据报道,“强的纳米863”可使蛋鸡产蛋率提高9.2%～30%;肉仔鸡从出雏开始应用,抗病力增强,成活率可达100%,增重提高15.01%;以色列隐性白公鸡日增重比对照组提高27.88%,成活率提高2.00%,料肉比降低18.77%,经济效益提高157.82%;肉鸽免疫力明显提高,每只增重100g～150g;种鸽由每三天生一个蛋缩短为每两天生一个蛋,而且蛋重稍有增加,受精率提高,由原来孵两个蛋只出一只幼鸽提高到每个蛋都出鸽;仔猪日增重比对照组多113g,提高17.30%,料重比减少0.21,降低7.78%,饲料成本减少0.28元,降低7.56%,试验仔猪喜吃好睡,被毛有光泽,皮肤红润,粪便臭气减轻;肥育猪比对照组日增重高9.2%,料重比降低2.97%,由于试验猪毛色好看,价格比对照组高出0.20元/kg;草鱼平均每尾重量提高0.4kg;池塘养虾可清洁池水,减少发病率,提高成活率;圈舍除臭用经纳米材料制成的除臭水喷洒养殖动物圈舍,可消除粪便恶臭,改善舍内空气质量;上海水产大学用“强的纳米863”养鱼对水质影响的研究,6个月不换水试验组水化学指标NH4+–N、NO2––N、NO3––N、COD(化学需氧量)依次是0.58、0.13、0.89、8.95,均低于常规换水对照组的1.58、0.28、2.33、19.22,并且试验组的pH值7.20高于对照组pH值5.60。试验结果表明,强的纳米863可改善水质,更有利于水产生长。
总之,将饲料原料制成纳米级原料,可以提高畜禽胃肠吸收能力、吸收速度和吸收率。采用纳米技术可使料肉比大为降低,大大提高经济效益。
3. 纳米技术在药物开发上的应用
(1) 兽药
近年来,基因工程的发展非常迅速,用生物技术的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。用纳米粒作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,可有效减缓蛋白质和肽类药物的释放,同时可提高此类药物的生物利用率,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,提高药物疗效和降低毒副作用。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。由于纳米技术的出现,已禁用的一些抗生素可能得到重新应用。目前,医药与兽药中有使用上的交叉耐药性矛盾。畜禽使用了医药产品之后,产生耐药性和残留,导致人体对药物的敏感性降低,这些问题也可能由于纳米技术的应用而得到解决。例如,纳米氧化锌是面向21世纪的新产品,用于预防畜禽下痢、促进生长、补充微量元素锌,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:纳米氧化锌的浓度为1%时,在5min内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;还可利用纳米氧化锌的强渗透性,避开胃肠吸收时体液环境与药物反应引起不良反应或造成吸收不稳定,提高吸收率。同时,研究表明,矿物中药制成纳米粉末后,药效大幅度提高,并也具有高吸收率、剂量小的特点。因此,如果将药物进行纳米化处理后,由于纳米药物的吸收利用率很高,可以减少药物的使用量,从而减少畜产品的药物残留。不久前,我国已成功地研制出纳米级的新一代抗菌药物。这种粉末状的纳米颗粒直径只有25nm,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物有强烈的抑制和杀灭作用,还具有广谱、亲水、环保等多种性能,并因使用天然矿物质而不会产生耐药性。
(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。
① 矿物质类 硒是维持机体正常生命活动所必需的微量元素,在体内以多种生物活性形式参与机体多种生理功能的调节,其中一个重要功能就是增强机体的免疫力。微量元素添加剂的添加形式第一代是无机,第二代是有机,第三代是氨基酸螯合物,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,而且直接渗透,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,与其它形态的硒相比,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15 mg/kg,有机硒为30～40 mg/kg,纳米硒则为113 mg/kg。在亚慢毒性方面,饲料中无机硒或有机硒的含量在4～5 mg/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6 mg/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。在生物功效方面,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。
② 免疫佐剂类 蜂胶作为天然的生物活性物质,已广泛地应用于医药、农业和畜牧兽医等方面。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(Nanometer propolis pellets,NPP)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。NPP能增强红细胞膜上C3b活性,而红细胞的免疫粘附功能是通过C3b受体实现的,并发现血液C3b受体总数的95%以上都在红细胞上。C3b对B细胞特别是记忆B细胞的分化有重要的调节功能,在体外培养中,用抗C3b抗体可刺激B细胞产生免疫球蛋白。实验发现,红细胞–C3b受体与淋巴细胞ANAE活性显著相关,从另一个侧面证明红细胞免疫与T细胞功能存在明显的协同作用。由此得出红细胞膜C3b受体的数量及活性的大小明显地影响着机体免疫功能的高低。因此,NPP通过增强红细胞膜上C3b受体活性,从而增强了机体的免疫功能。Stieneker等发现聚甲基烯酸甲酯(PMMA)纳米粒子对大鼠体内的爱滋病病毒疫苗起辅助作用,抗体滴度提高10～100倍,显示出很强的抗体应答和抗感染能力,PMMA很可能成为有效而又安全的免疫佐剂。与抗原有关的口服用药纳米粒子避免了被胃酶、胃酸分解,可直接被肠淋巴组织吸收。Kossovsky等研究证明,表面修饰的纳米粒子能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,在兔体内能引起强烈的、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,它必将在畜禽疫苗的生产中发挥重要的作用。
4. 纳米技术在防疫诊断上的应用
禽流感是鸡的急性毒性传染病,以前称欧洲鸡瘟或真性鸡瘟。1995年证实其病原属于A型流感病毒,之后又从各种鸟类中分离到多株A型流感病毒。1981年,第一次禽流感国际会议上废除“欧洲鸡瘟”这一名称而改称禽流感。禽流感传染快、危害大,病禽症状表现多样,有的呈无症状的隐性感染,有的呈致死率低的呼吸道感染,有的呈致死率很高的急性出血性感染。禽流感病自1997年在香港爆发并引起人感染该病后,已被人们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,就可终身对各种传染病免疫。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,彻底改变现行免疫方法的程序。因此,采用纳米技术可以很好地解决一直困扰我们的禽流感问题。
同时,纳米技术在其它防疫方面也取得了一些进展。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,从而可预防种蛋传播的多种传染病。
5. 纳米技术在保证畜禽产品质量上的应用
用纳米技术生产的药物,由于大幅度提高药效,所以减少了用药量,可解决畜禽产品药物的残留问题,提高了畜禽产品的质量。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。张中太等(2000)报道,用添加有0.1%～0.5%的纳米TiO2制成的透明塑料包装材料来包装食品,既可以防止紫外线对食品的破坏作用,还可使食品保持新鲜。
6. 纳米技术在防止畜禽环境污染上的应用
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动物科学中应用前景的展望。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,纳米材料是人类科技发展的又一里程碑。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。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。