氨氣影響動物健康和生產性能的機理

崔 嘉，楊新宇，李 楠，陳寶江,2*

(1.河北農業大學動物科學技術學院，保定 071000；2.河北省牛羊胚胎技術創新中心，保定 071000)

氨氣(NH3)是一種劇毒的環境污染物，被美國環境保護署(environmental protection agency, EPA)確認為環境應激源[1]。在不同國家和地區，工作人員8小時工作日和生活環境中氨的接觸限值不同，例如法國接觸限值為7 mg·m-3[2]，歐盟為18 mg·m-3[3]。在集約化大型畜禽舍中，空氣中氨氣的濃度范圍為1.4～60.9 mg ·m-3[4]。大氣中的氨有助于微粒形成并降低空氣能見度，影響人類健康和壽命[5]。Beker等[6]研究表明，長時間暴露于低至15.2 mg ·m-3的氨水平下，會對家禽健康產生負面影響。Reeb-Whitaker等[7]和郭艷等[8]研究表明，環境中高濃度的氨會增加器官和組織中的氨濃度，導致代謝紊亂、組織和器官受損，引發組織病變，降低動物的生長和生產性能。Zhang等[9]和 Yi等[10]研究還表明，高濃度的氨氣會誘導基因和蛋白質表達的改變，這些基因和蛋白質與脂質代謝、細胞凋亡、細胞結構和生長、免疫反應及氧化應激有關。

1 氨氣對呼吸系統的影響

氨氣是一種常見空氣污染物，是霾(PM2.5)的組成部分。Brautbar等[11]和George等[12]認為，氨氣對人或動物的危害往往首先表現在呼吸道，尤其是上呼吸道區域，如鼻腔，它是氨氣進入人和動物體內的第一途徑。Beker等[6]和Zhang等[13]研究表明，高濃度氨氣對雞鼻腔和眼睛的損傷最顯著。Jones等[14]研究發現，長期暴露于28 mg·m-3的氨氣環境下，會影響豬的嗅覺靈敏度，并導致不可逆的干擾。除鼻腔外，隨暴露時間的增加，氨氣還會進一步危害氣管、支氣管、肺等下呼吸道組織。Wang等[15]和Perkins等[16]研究發現，氨氣破壞氣管黏膜纖毛和肺泡，導致支氣管和氣管水腫，上皮壞死，并在肺泡腔中發現由纖維蛋白、血液和大量炎性細胞組成的滲出液，表明接觸氨氣會損傷氣管結構的完整性，損害免疫功能，并伴有更高的呼吸道氣管炎風險。Phillips等[17]對支氣管肺泡灌洗抽樣分析表明，氨氣通過增加巨噬細胞活性和中性粒細胞百分率誘導肺部炎癥。

氨氣主要通過以下3個途徑影響呼吸系統：1)呼吸紊亂在氨氣引起的呼吸毒性中起中心作用，造成嚴重的繼發性影響，甚至可能導致死亡。氨氣溶于水會轉化為氫氧化銨，吸附于呼吸道黏液，增加黏液的pH，影響黏液在纖毛上的黏度和功能，腐蝕纖毛并使氣管無法正常啟動免疫反應[18-21]。暴露后氣管纖毛排列紊亂[22]，將捕獲的細菌引向氣囊和肺部并最終引起感染[13,22-24]。同時，呼吸道的形態和結構將發生一系列變化，包括平滑肌增生、肺纖維化、基底層增厚以及細胞組成改變，并伴有炎性細胞浸潤，引起周圍組織損傷甚至壞死[18]。Kim和Patterson[24]研究還表明，氨氣脅迫會增加S100A家族的表達水平，S100A與EGFR結合會導致仔豬呼吸道黏液含量增加，阻塞呼吸道。2)氨氣對動物最直接的損害是氣管炎癥反應，炎癥損傷是氣管氨氣毒性損傷的標志[22]。Wang等[25]研究發現，氨氣能促進嗜中性粒細胞分泌各種促炎因子(IL-1β和IL-6)和炎性小體(NLRP3、ASC和Caspase1)。Braissant等[26]和Royes等[27]研究表明，吸入體內的氨氣以銨根離子的形式存在，會導致機體氧化應激。Shi等[28]和Singleton等[29]在氣管中觀察到細胞色素P450同工酶(CYP)和抗氧化酶mRNA表達上調和下調，CYP450酶系統中的CYP1C1，CYP2A1，CYP2C8和CYP17A1，FOXP3和HSP都在NH3的刺激下增加。CYP1B則促進ROS產生，加速Treg/Th1的失衡，并激活Th2和Th17的免疫反應，導致氣管損傷發炎[28，30]。當雞氣管組織中的下游炎癥基因暴露于NH3時，NF-κB被激活，炎癥反應損傷加劇。3)高濃度的氨會影響有害細菌的定殖率，從而導致呼吸系統損害甚至肺炎。鼻腔微生物的構成可以反映整個呼吸道的菌群結構[31-32]。高濃度氨會影響有害細菌的定殖率，使有害細菌占主導地位。鼻腔菌群失衡會導致呼吸道黏膜免疫功能紊亂[15,33-34]。Lanaspa等[34]研究表明，豬舍中的氨氣對豬鼻腔微生物群有直接影響，并與呼吸系統疾病密切相關。Hamilton等[35]研究發現，仔豬暴露于15.2 mg ·m-3氨氣下，會引起萎縮性鼻炎，并使鼻腔中巴斯德芽孢桿菌顯著增加。Maliselo和Nkonde[36]研究表明，高濃度氨引起的呼吸道黏膜損傷，增加了禽類對細菌性呼吸道感染的敏感性，尤其是大腸桿菌。莫拉氏菌和鏈球菌是肺炎患者肺組織中常見的致病菌[37]。Wang等[15]和Gutbier等[38]發現，莫拉菌和鏈球菌在暴露于19 mg ·m-3氨氣的豬的鼻腔中顯著增加，并且鼻腔中的莫拉菌能在呼吸過程中進入肺泡，從而引起肺部炎癥并導致豬阻塞性肺炎。

2 氨氣對神經系統的影響

2.1 干擾大腦組織的能量代謝

氨可導致線粒體通透性轉換孔(mPTP)開放程度加大，使其通透性增加，線粒體基質腫脹，氧化磷酸化不完全及 ATP 合成阻斷[46-47],還會抑制三羧酸(TCA)循環中α-酮戊二酸脫氫酶和丙酮酸脫氫酶的活性[48]。Lindell和Jacobs[21]研究表明，進入大腦的NH3可通過攝入α-酮戊二酸、NADH和ATP來減少大腦組織中能量物質的產生，從而使大腦處于抑制狀態。氨對腦組織中神經元、小膠質細胞和星形膠質細胞都具有很強的破壞作用[49]，星形膠質細胞是氨毒性的主要靶標[46]。Jayakumar等[50]、Rangroo Thrane等[51]和Rama等[52]研究表明，高血氨對星形膠質細胞的神經毒性作用導致氧化代謝途徑的改變，隨后，糖酵解增加、腦乳酸水平升高、ATP生成減少。氨通過激活氨基酸的谷氨酸受體(N-甲基-達斯巴酸(NMDA))經腦能量代謝途徑影響脊椎動物的中樞神經系統。這些受體負責控制突觸可塑性和記憶功能。這些受體的激活導致神經元立即去極化和中樞神經系統內的細胞死亡。

2.2 引起大腦中神經遞質的變化

NH3在谷氨酸合成酶催化下與谷氨酸(Glu)向谷氨酰胺轉化是NH3在在腦組織的主要解毒途徑，大腦將氨轉化為谷氨酰胺的能力有限，高血氨導致大腦氨和谷氨酰胺升高，大腦功能異常，包括腦積水增多、離子運輸和神經遞質功能異常[53]。Ott等[54]研究發現，高血氨可導致大腦興奮性神經遞質(谷氨酸)過度減少，抑制性神經遞質(谷氨酰胺)增多，引起中樞神經系統障礙，神經精神癥狀的嚴重程度與腦內氨解毒劑谷氨酰胺濃度呈正相關。Rama Rao和Norenberg[55]研究也表明，氨的毒性作用與谷氨酰胺的產生直接相關。NH3與谷氨酸生成的過多谷氨酰胺[56]，在線粒體內降解回谷氨酸和氨，導致線粒體通透性轉變，內部線粒體膜電位降低，從而干擾線粒體功能，ATP合成失敗并產生額外的自由基[56-57]。

2.3 影響pH和電解質平衡

NH3和NH4+可以通過質膜的傳播機制傳播，并直接影響pH，這可能會影響神經細胞的功能。氨中毒時所引起的各種腦功能、代謝及結構改變有可能通過細胞內鈣穩態失調機制實現[56]。氨會損害星形膠質細胞的鈣信號傳導而導致其功能異常，并且NH4+與K+具有相似的水合離子半徑，會與K+競爭轉運蛋白通道，直接影響膜電位，破壞K+動態平衡[58-61]。胞外氨和鉀的快速增加引起γ-氨基丁酸(GABA)平衡電位的去極化轉化，從而導致機體神經元抑制還原[60]。

3 氨氣對繁殖性能的影響

氨在生殖活動中起著極其重要的作用。環境中高濃度的氨氣會導致吸收到動物體內的氨增加，進而損害動物的生殖功能[62-64]。高濃度NH3會降低雞只的產蛋量、繁殖性能和繁殖率, 且隨著氨氣濃度的升高，影響越顯著[65]。前期研究表明，氨氣濃度范圍為23.4-200 mg ·m-3時，蛋雞的產蛋率顯著下降[66-68]。李振[69]也發現，蛋雞產蛋性能隨氨氣濃度的升高而驟降。氨氣環境下所產雞蛋蛋白高度較低，蛋白pH和蛋白稠度較高，蛋形更大[70]。高濃度的氨氣還會對胚胎發育造成危害[62]，且顯著降低大小鼠的產仔量、仔鼠的初生重、仔鼠的離乳率及胎次間隔[71]。高水平的氨對發育中的胚胎/胎兒有毒，這是由于：1)氨使谷氨酸脫離谷胱甘肽的合成而產生谷氨酰胺并造成氧化應激，從而降低卵巢中孕酮的產生和釋放；2)氨與質子結合形成銨離子，從而增加細胞內pH；3)氨從尿素循環中吸取α-酮戊二酸形成谷氨酸，破壞其循環并降低了ATP的產生；4)氨導致的谷氨酰胺增加抑制了內皮細胞從精氨酸產生NO，從而減少了血流量(包括子宮胎盤血流量)和營養物質的輸送，導致子宮分泌減弱以及缺氧。這些變化導致胚胎/胎兒存活、生長和發育受阻。

同時，NH3是可以與空氣顆粒物結合的空氣污染物[72]。許多研究表明，其可能對精子活力和雄性生育能力產生不利影響[73-79]。Pentik?inen等[80]研究表明，NH3可通過破壞精子發生，降低精子濃度20%～40%和使生育率降低20%～30%。另有研究表明，NH3可以降低公豬的精子活力[63,81-84]。高水平的氨對精子的運動有毒性，這是由于：1)血漿尿素氮和血氨水平升高會增加生殖道的pH，并降低精子的運動性和存活率[85]；2)NH3會破壞睪丸中與內分泌有關的蛋白質，從而損害細胞膜完整性，擾亂能量平衡，抑制細胞生長，破壞氧化還原系統。

4 氨氣對生長性能的影響

許多研究表明，高濃度氨直接危害家禽的呼吸道和免疫功能[86-87]，影響家禽的健康和生長性能[88-91]，導致多種疾病[22,92]。Yahav[89]和Sa等[93]將雞舍氨濃度從0增加到75 mg·kg-1，結果顯示，ADFI和ADG數值呈線性下降。Tao等[94]發現，暴露于氨氣中，可使鴨體重和脾重量降低，并且隨氨氣濃度升高，損害加大。Miles等[90]研究表明，暴露于38 mg ·m-3和57 mg ·m-3氨濃度下的肉雞42日 齡體重分別比0 mg ·m-3下的肉雞降低6%和9%，并且57 mg ·m-3氨濃度下雞的死亡率要高于0 mg ·m-3。其原因在于以下幾個方面。

4.1 影響采食和活動

高濃度氨氣會強烈刺激畜禽眼部和鼻腔的黏膜[8]，引起動物眼睛紅腫流淚，導致視力障礙，呼吸困難，影響其覓食和攝食，并隨著NH3濃度的增加，攝取食物的頻率和時間減少[95]，行走和站立的時間增加[96]，頻繁的活動會增加維持能量的需求并減輕重量[97-98]。而且高濃度的氨影響腦神經中樞的pH[60]，對呼吸活動產生明顯抑制作用，減少能量需求，減少飼料攝入，影響生長和生產。

4.2 影響機體健康

前期試驗表明，高濃度氨氣可導致肺、肝、胸腺及卵巢等組織損傷[94,99]。氨暴露可通過激活細胞色素P450酶(CYP)誘導氧化應激[100-102]，產生大量ROS，例如H2O2、OH-、O22-[103-104]，導致抗氧化系統失調[105-107]，引起炎癥[105]。抑制與抗氧化劑相關基因(GPx和GST4)的表達并增加雞胸腺中炎癥相關基因(IL-1β，IL-6，IL-8和iNOS)的mRNA表達[99]，導致不可逆的細胞損傷。氨氣還會導致細胞凋亡，凋亡與疾病的發生直接相關[108]。Shah等[109]試驗表明，暴露于氨氣會顯著增加肉仔雞法氏囊凋亡細胞，并且凋亡相關基因(如Caspase3，Caspase9，Bcl-2和Bax)的mRNA和蛋白質表達顯著改變。

4.3 影響腸道消化功能

腸道也是空氣污染的目標器官，Dybdahl等[110]研究表明，暴露于柴油機排氣顆粒會導致結腸黏膜中的DNA鏈斷裂，凋亡和蛋白質氧化。高濃度氨會導致肝疾病，影響腸道免疫力和組織形態[9]。Zheng等[111]和Wang等[15]研究表明，NH3可破壞刷狀緣的完整性，減少空腸的內表面積，導致空腸組織中微絨毛的異常缺乏和粘性聚集，并引起空腸組織中SLC(SLC7A9，SLC51A，SLC10A2，SLC26A3和SLC6A19)的異常表達。此外，Tao等[94]研究發現，氨會導致盲腸菌群在屬水平發生變化，且隨濃度和暴露時間的增加變化增大。腸道功能和內部異常環境必將影響營養物質的利用，從而降低生產性能[112]。

4.4 影響正常代謝

前期研究表明，暴露在高濃度的氨氣環境中可改變肉雞的體脂分布[113]，影響脂肪合成與分解關鍵酶活性及其相關基因與蛋白質表達，影響脂肪代謝相關通路[114-115]，從而調控機體脂代謝[116]。姜慶林等[117]試驗表明，鴨 PARα信號途徑在氨氣應激狀態下抑制機體脂代謝。Wang等[15]研究表明，隨著氨濃度的增加，豬的脂肪和氨基酸代謝活動加強，但能量和碳水化合物代謝降低，這可能說明，在暴露于低水平氨氣的豬中，脂肪和氨基酸比碳水化合物更優先利用。另外，環境氨氣濃度過高必然導致機體血氨濃度異常，間接影響腦神經細胞和肌肉細胞的正常代謝，導致畜禽氨氣中毒，使生物組織器官對氨的解毒活動加強。黏膜細胞更新，消耗大量由腸細胞供應的氨基酸，且能量需求遠高于正常水平，導致原本用于生長的能量被利用，生長性能受到影響。

5 小 結

氨氣是畜禽舍氣體污染的主要來源，對畜禽的生產和生殖性能均有負面影響。但其機理研究尚不全面，且單面性強，需更深層次更系統的研究。今后，研究方向應圍繞氨氣對呼吸、神經、生殖系統及生產特性等方面的影響綜合展開，并從分子機理方面探索其作用關鍵點。