对虾矿物元素营养需求的研究进展

对虾矿物元素营养需求的研究进展

黄波  程开敏[1]  刘艳妮  郑石轩

湛江粤海饲料有限公司技术中心

集约化养殖成为当今对虾养殖的主流模式，而配合饲料成为制约其持续、快速、健康发展的核心因素之一。对虾饲料营养的研究始于20世纪70年代，Kanazawa等人初步研究日本囊对虾(Marsupenaeus japonicus)的营养需求。自此对虾营养研究领域迅即扩大，如中国明对虾（Fenneropenaeus chinensis）、印度明对虾（Fenneropenaeus indicus）、墨吉明对虾（Fenneropenaeus merguiensis）、长毛明对虾（Fenneropenaeus penicillatus）、斑节对虾（Penaeus monodon）、凡纳对虾（Litopenaeus vannamei）、细角滨对虾（Litopenaeus  stylirostris）、白滨对虾（Litopenaeus setiferus）、加州美对虾（Farfantepenaeus californiensis）、褐美对虾（Farfantepenaeus aztecus）、桃红美对虾（Farfantepenaeus duorarum）等，研究较多的侧重于蛋白质饲料、能量饲料，添加剂饲料尤其是矿物元素添加剂研究的系统性、深度与力度远远不够，主要是因为对虾可以从养殖水体中摄取矿物元素部分满足机体的营养需求，在实际研究中又无法排除实验饲料中固有的矿物元素含量，因而在矿物元素的营养需求研究上存在较大的局限性。

矿物元素作为饲料添加剂中的重要内容，在对虾营养学研究中占有相当份量。它对于维系细胞与组织的结构、酸碱平衡、渗透调节与离子调控、膜电位的调控、激素与酶类生物活性等功能具有重要作用。通常根据体组织矿物元素含量的多少，将矿物元素分为常量元素（钾、钠、氯、钙、磷、镁等）与微量元素（铜、锌、铁、锰、钴、硒等）二大类。下面就对虾矿物元素的营养生理与需求研究进行综述，供有关人士参考。

1、常量元素的生理功能与营养需求

1.1 钠、钾、氯

钠、钾、氯是甲壳动物的主要渗透调节因子，在维系细胞内外的电解液与酸碱平衡中极为重要，尤其在适应不同盐度与离子组成的生境时表现更为明显。在渗透调节中除了氨基酸外，最重要的离子就是血淋巴的Na⁺、Cl^-（Rosas等，2001），Na⁺、Cl^-调控受阻时就会影响其渗透功能（McGraw和Davis，2002）。离子调控主要通过鳃上的Na⁺/K⁺ATP酶（Furriel等，2000）、表皮、触角腺（Lin等，2000）等进行，同时水体酸碱度、温度、盐度、溶解氧甚至对虾的年龄、体长等因素也影响渗透调节（McGraw和Davis，2002；Wang等，2002）。现已发现部分甲壳类动物的神经内分泌、眼柄（Wilder等，1998；Corotto等，1996）、Na⁺/H⁺与Na⁺/NH₄⁺逆向运输系统（Furriel等，2000；Freire等，2003）、Na⁺通道等结构可控制Na⁺的在细胞内外的平衡，甚至与生境中的Na⁺浓度保持一致，但Cl^-浓度却低于生境，原因在于机体选择其他阴离子（如SO₄^2- 、PO₄^3-、CO₃^2-）的电中和调节所致（Wilder等，1998）。淡水虾类对Na⁺、Cl^-具有独立的调节机制及效应器官，血淋巴中的Cl^-浓度的等渗点、等离子点以及离子浓度的降低则反映对低盐度环境有更好的适应性（Freire等，2003）。Na⁺与K⁺可调节Na⁺/K⁺ATP酶，在没有Na⁺时，K⁺可以激活由Na⁺所激活的Na⁺/K⁺ATP酶反应（Furriel等，2001），斑节对虾、细角滨对虾、白滨对虾、罗氏沼虾等都表现了类似的共性。Saoud等（2003）用地下海水养殖凡纳对虾发现，当K⁺添加到相当于4‰海水中的浓度时，就可以将凡纳对虾幼体从不足50%的成活率提高到85%以上，而Na⁺、Cl^-不影响其成活，这在很大程度上表明了K⁺对Na⁺/K⁺ATP酶系统的激活作用与生理意义。同时养殖水体中K⁺/Cl^- 、K⁺/Na⁺的适当比例可提高成活率。淡水虾的Na⁺/K⁺ATP酶仅仅间接参与Cl^-的吸收，其吸收是通过Na⁺、K⁺ 的同向转移形成的，其转移速率与生境中的Na⁺、Cl^-浓度相关，并可以根据生境中浓度进行快速调整（Onken 和Riestenpatt，1998）。

用不添加钾盐的半精制饲料养殖凡纳对虾，对虾生长及组织中的钾量未见下降，但组织中的镁含量却受到影响（Davis 等，1992）。添加0.9%钾（相比1.8%）利于日本囊对虾生长；添加1%的钾（相比不加K⁺与Mg²⁺）相对有利于生长（Kanazawa等，1984），据推测K⁺与Mg²⁺可能存在交互作用（Deshimaru和Yone，1978）。笔者在低盐度水体中养殖凡纳对虾发现，无论商业饲料或半精制饲料都无须额外添加Na⁺，而添加适量的K⁺均对生长有促进作用。不同种类的对虾对Na⁺、K⁺的营养需求量见下表2。鉴于养殖水体与饲料原料中富含大量Na⁺、Cl^-、K⁺，因而商业饲料中无须添加氯化钠，而钾盐添加与否，应视不同种类不同养殖环境而定。

1.2. 钙、磷

对虾甲壳的主要无机成分是碳酸钙，加上少量的镁盐与磷酸盐。甲壳矿化所需的Ca²⁺直接从生境中摄取，组织中的Ca²⁺仅仅储存备用（Vijayan和Diwan，1996）。现已发现部分淡水虾可通过机体的Na⁺/K⁺ATP酶、Ca²⁺-ATP酶以及Na⁺/Ca²⁺反位系统等机制调控Ca²⁺（Wang等，2003）。印度明对虾在不同生理活动期间，Ca²⁺含量在机体各组织中波动性较大，尤其蜕皮后期肝胰腺中钙的含量最高，外骨骼则最低（Vijayan和Diwan，1996）。Wilder等（1998）研究发现，水体盐度增加时，罗氏沼虾血淋巴中的Na⁺ 、K⁺ 、Mg²⁺等离子被运到表皮，以防血淋巴离子浓度过高，Ca²⁺却没有表现出渗透调节的特性，而且表皮中的Ca²⁺可被储存用以保持血淋巴Ca²⁺的稳定，至于血淋巴与表皮中的Ca²⁺是通过怎样的机制来进行交换尚不明了。Ca²⁺可加强甲壳类体内的酚氧化酶原系统转变为酚氧化酶反应的顺利进行（Teresa等，1997）。磷含量较少，在甲壳的矿化中作用稍次于钙（Vijayan和Diwan，1996），作为与外表皮相邻的致密层的主要元素，为诱导与控制碳酸钙的沉积提供密切的空间关系。在蜕皮过程中，肌肉中总磷与无机磷的变化直接与能量变化相关（Wang等，2003）。磷在印度明对虾腹部甲壳的含量较高，而其它部位均较低，不像Ca²⁺、Mg²⁺在甲壳的不同部位含量变化不一（Vijayan和Diwan，1996）。

影响对虾吸收利用钙磷因子很多，刘艳妮等（2006）对此进行过专题论述，诸多饲料内源性因素与外源性因素均可影响其生物利用率。钙量过高，可降低磷的利用率，过量的钙与磷会影响Mg²⁺、Zn²⁺等离子的吸收(Pe?aflorida,1999)，抑制对虾的生长(Davis等，1993)。高磷水平（KH₂PO₄作为磷源）可改变饲料的pH值，增加K⁺以及与其他营养素的交互作用，进而降低日本囊对虾的增重率（Cheng等，1985）。植酸磷广泛存在于谷物类、油料作物中，67%的磷以植酸磷的形式存在，对虾因不分泌植酸酶而不能有效利用。饲料中添加42%以上的黄豆粉会对凡纳对虾的生长以及体内的磷含量产生显著性影响（Lim 和Dominy，1990）。

表1不同种类的对虾对钙磷元素的营养需求

不同种类的对虾对钙、磷以及钙磷比的营养需求有所不同，见表1。钙磷比尽管影响对虾对磷的需求，但主要受饲料钙量的制约，当钙量达到一定程度时，饲料磷含量无论添加多少都不会对对虾生长带来积极作用，同时磷的添加量应以有效磷作为主要依据。Cheng等（2006）认为，低盐度养殖凡纳对虾时，无须在饲料中添加钙盐，但必须添加适量的磷，缺磷通常会影响生长与成活率，半精制饲料中不加钙时，总磷的需求量为0.9%，添加1%钙时，2%总磷才能满足其生长需要。鉴于对虾可从养殖水体中吸收Ca²⁺满足其生理需求，为防止高钙所产生的负面作用，应尽量减少饲料的钙量。凡纳对虾商业饲料中钙含量最好不超过3%（Davis等，1993），而Shiau（1998）推荐商业对虾饲料1%钙时，饲料磷含量为0.5-1%，2%钙时磷含量为1-2%。

1.3.镁

Mg²⁺是细胞内含量极为丰富的阳离子，其中90% Mg²⁺以化合态形式存在，10%的形成游离态。对虾甲壳中存在大量的Mg²⁺，印度明对虾Mg²⁺在甲壳中的的分布规律与Ca²⁺相似（Cheng等，2002）。Mg²⁺可调节甲壳类Na⁺/K⁺ATP酶（Furriel等，2000）与Mg²⁺-ATP酶活性（Wang等，2003），激活Ca²⁺依赖通道活性（Franchet等，1999），同时Mg²⁺对K⁺-磷酸(酯)酶（Furriel等，2001）与酚氧化酶（Sung等，1998；Lee和Shiau，2002）也有影响。在生境变化时Mg²⁺在提高成活率、维持渗透调节等方面具有重要功能（Saoud等，2003）。

镁通常以离子的形式通过主动或被动运输来吸收，还没有证据显示是否以镁复合物或伴随运输的形式来进行，跨膜运输时可能会涉及到Na⁺/Mg²⁺逆向运输系统、离子（如Ca²⁺、Mg²⁺等）通道蛋白等结构。Mg²⁺代谢受触角腺等器官的调控，并保持相对的稳定性，这在凡纳对虾（Cheng等，2002）、斑节对虾（Lin等，2000）以及罗氏沼虾（Freire等，2003）上得到证实。

对虾既可从养殖水体中获得丰富的Mg²⁺，也可从饲料中获得，但饲料中的纤维素、钙磷等成分在一定程度上影响对虾对Mg²⁺的吸收利用。用Mg²⁺添加量为0.025-0.4%的半精制饲料喂养凡纳对虾表明，0.12% Mg²⁺表现出最好的生长性能，0.4% Mg²⁺具有抑制效应，而不加Mg²⁺时，仅仅肝胰腺的Mg²⁺含量下降，增重率并没降低（Davis，1997）。半精制饲料中添加0.3% Mg²⁺时，并未提高日本囊对虾的生长（Deshimaru 和 Yone，1978），而Kanazawa等（1984）则认为添加0.1-0.5% Mg²⁺可提高饲料价值。Cheng等（2005）研究表明，低盐度养殖的凡纳对虾必须从饲料中获取适量的Mg²⁺，0.34% Mg²⁺具有显著的促长作用。鉴于饲料中Mg²⁺利用率较低，尽管许多饲料原料中Mg²⁺含量较高，在盐度变化较大的生境中，商业对虾饲料Mg²⁺的添加应作适当调整。

2、微量元素的营养生理与需求<, /SPAN>

2.1 铜

Cu²⁺是甲壳动物血蓝蛋白的重要组分，对虾体内Cu²⁺的40%存于血蓝蛋白，这对于携氧运输具有重要意义（Depledge等，1986）。在没有Cu²⁺的海水中，中国明对虾受精卵孵化率较低，而且无节幼体的发育滞后（袁有宪等，1995）；水体中Cu²⁺含量过高也会产生毒性（Lorenzon等，2001；Cheng等，2001；Yeh等，2004），抑制其化学感受器的敏感性（Santos等，2000），影响甲壳动物的渗透调节与离子调控能力（Bambang等，1995）。饲料Cu²⁺过量时，会与一些功能基团（如-SH、-OH或-COOH等）发生不可逆的结合而产生毒性效应（Crecelius等，1982），从而对生长及机体的生理生化功能产生连锁效应（Guo和Liao，1992；Bambang等，1995；Marr等，1996；Berntssen等，1999；Santos等，2000）。

尽管对虾可从海水中吸取Cu²⁺（正常海水Cu²⁺含量1.53μg/l），但这并不能满足对虾对Cu²⁺的生理需求，相对脊椎动物而言，甲壳类动物对Cu²⁺的需求要大得多，必须从饲料中适量获取。凡纳对虾缺Cu²⁺时，表现出心脏肿大、生长迟缓、肝胰腺、血淋巴以及甲壳铜含量下降等症状，34mg/kg铜可消除其缺陷症状，添加64-128mg/kg时可抑制其生长与成活率，但未表现出中毒症状，过量则会导致毒性效应（Davis等，1993）。半精制饲料中添加10-30mg/kg铜时，斑节对虾在生长与非特异性免疫反应等方面处于最佳状态，添加160mg/kg铜则会显著性抑制其生长与免疫功能（Lee和Shiau，2002；2003）。高浓度Cu²⁺可诱导消化道分泌金属硫蛋白的合成，而高剂量抗坏血酸会影响金属硫蛋白与Cu²⁺的结合位点，干扰对虾肝胰腺Cu²⁺代谢，降低肌肉与肝胰腺的Fe²⁺与Cu²⁺含量。Kanazawa等（1984）发现，缺Fe²⁺与Cu²⁺时会显著性影响日本囊对虾的生长与成活率，添加30mg/kg铜尽管不能促进日本囊对虾的生长，但基础饲料中不添加Cu²⁺也很难满足其营养需求。中国明对虾（刘发义等，1990；王维娜等，1997）、斑节对虾（Lee和Shiau，2002）以及凡纳对虾（Davis等，1993；郭志勋等，2003）对铜的需求范围为15-53mg/kg。由于实验种类与大小、实验条件、实验饲料以及评判指标等方面的不同导致其需求量有所差异。作者研究发现，低盐度养殖凡纳对虾对铜的需求量与海水养殖条件下的需求量相差不大，不同形式的铜源，如氨基酸螯合铜与无机铜在生物学效价上有所不同。商业饲料原料如鱼粉、磷虾粉、酵母等原料中铜含量较为丰富，但考虑到饲料铜的存在形式及其利用率，商业饲料中应适量添加铜。Akiyama等（1989）推荐商业对虾饲料铜添加量为25mg/kg。

2.2 铁

铁代谢主要发生在肝胰腺与甲壳，在对虾各组织中肝胰腺铁含量最多，它可调节铁的贮存与分泌（Hubers等，1982）。铁是凡纳对虾体内贮存最为丰富的微量元素，其含量可达180 mg/kg（干重），其含量随着生长而逐渐减少（Páez-Osuna 和Ruiz-Fernández，1995）。甲壳动物血蓝蛋白、呼吸色素等指标主要与Cu²⁺相关，对铁的吸收与利用主要限于细胞需求而非合成血红素的特殊需求（Depledge等，1986），因而铁离子对血淋巴指标的影响关注甚少。现已在3种蟹的血淋巴内发现铁传递蛋白（Hubers等，1982；Davis等，1996），暗示甲壳动物的铁离子代谢机制与脊椎动物存在相似性。养殖水体中Fe³⁺含量过高，会影响凡纳对虾的成活率（Saoud等，2003）。饲料铁过量也同样会产生毒性。日本囊对虾饲料不需要添加铁，甚至超过60mg/kg的添加量就会抑制对虾生长（Kanazawa等，1984）。饲料中12mg/kg左右的总铁量就可满足凡纳对虾的生理需要，添加高达80mg/kg铁量并未显著性影响对虾的生长与成活率，肌肉与甲壳内的铁含量未有显著性差异，而肝胰腺中的铁量却与饲料直接相关（Davis等，1992）。

对虾可以通过鳃与肠道粘膜从海水中吸取Fe²⁺用以满足机体的生理需要，但Fe²⁺的吸收受到诸如动物的大小、健康状态、体内组织的铁贮量以及消化道区域的状况等因素制约（Lall，1989）。饲料中富含相当多的内源性铁，但饲料原料中有机态与无机态铁的成分、存在形式与组成比例直接影响对虾对铁的吸收，而且饲料的抗坏血酸、柠檬酸、乳糖、果糖、植酸、纤维素、单宁酸、木质素、果胶、蛋白源以及氨基酸的不同，甚至其他的矿物元素含量都可影响饲料铁的利用率（Yu等，2000）。商业饲料中动物源性铁源（血红素铁）比植物源性铁源（非血红素铁）的利用率较高（Benito和Miller，1998；Andersen等，1998）。鉴于对虾饲料中富含较多的不饱和脂肪酸，商业对虾饲料应限定铁添加量，以免Fe²⁺影响不饱和脂肪酸以及抗坏血酸的稳定性，进而影响饲料的品质（Davis等，1992）。

表2 对虾矿物元素营养需求

2.3锌

甲壳动物可从水体吸取Zn²⁺，调节体内的锌含量，现已发现18种甲壳动物血淋巴的Zn²⁺浓度比海水中的还低（Davis等，1993）。锌在凡纳对虾体内贮存量可达60mg/kg（干重），与体重呈正相关（Páez-Osuna 和Ruiz-Fernández，1995）。凡纳对虾肝胰腺的锌沉积量可作为饲料锌含量的指示剂，过量与不足均可通过肝胰腺的锌沉积量来体现。饲料中没有植酸等抑制剂存在时，仅仅33 mg/kg锌即可满足凡纳对虾的营养需求；1.5%植酸存在时，则对锌的需求量高达200mg/kg（Davis等，1993）。添加高剂量的抗坏血酸，没有显著性影响斑节对虾对Zn²⁺的吸收利用与组织Zn²⁺沉积量（Hsu和Shiau，1999）。饲料锌量不足时，则增加机体对硒的代偿需求（Davis，1997）。梁德海等（1989）以实用饲料原料研究发现，仅仅基础饲料的锌可满足中国明对虾的生长需求。

锌的吸收利用率与锌源以及饲料原料有关，这在其他水生动物（如虹鳟、斑点叉尾?与鲍鱼等）方面有所研究，诸如原料中的磷酸盐^、、植酸与纤维素以及原料的高粘质性等因素均可降低Zn²⁺的生物利用率。作者研究发现，凡纳对虾对氨基酸螯合锌的利用率并不显著性高于硫酸锌。鉴于饲料原料中存在较多的锌抑制剂，对虾商业饲料锌添加量通常为100-150mg/kg（Davis等，1996）。

2.4硒

硒是谷胱苷肽过氧化物酶的重要组分，该酶作为生物性抗氧化剂，可以保护细胞中的不饱和脂类与亚细胞膜免受氧化作用的破坏（Davis，1997）。硒与维生素E还具有互补功能与协同效应。硒源分有机态与无机态二种，有机态硒（如蛋白质硒）具有较高的生物利用率与较强的生物效能，这在高等动物研究中得到证明（Tapiero等，2003）；酵母硒作为另一种有机态硒，目前已在商业饲料中应用。通常饲料硒通常以无机态（亚硒酸钠的预混料）的形式添加

半精制饲料添加硒量达到0.2-0.4mg/kg，凡纳对虾的生长率较好（Davis等，1996）。饲料锌含量丰富时，1μg/kg硒就可满足甲壳动物生长；锌不足时则需5μg/kg硒以弥补其营养缺陷（Davis，1997）。田玉川等（1991）认为中国明对虾的硒需求量高达20mg/kg。这个添加量似乎过高，这可能与该实验饲料进入机体的有效硒量过低所致。较高硒量不仅会减缓生长，而且具有较强的毒性，主要体现在甲基化硒形成后参与氧化还原循环，产生超氧化物与氧化作用，或者形成自由基抑制酶与蛋白质的活性。由于动物性原料中硒的利用率要远比植物性原料高，饲料中鱼粉添加量超过15%时无需添加，而以植物性原料为主的最好添加，FDA推荐水产动物饲料硒的添加量不超过0.1mg/kg。

2.5 锰

Mn²⁺在海水中的含量只有0.01mg/l左右，水体中的Mn²⁺影响凡纳对虾的成活率（Saoud等，2003）。养殖水体可作为对虾营养的锰源，但更多的是从饲料中获得锰。饲料原料如鱼粉、小麦次粉、玉米发酵物以及米糠等都是较好的锰源。凡纳对虾在不同生长时期其生理代谢有所不同，体内锰含量约为7 mg/kg（干重），幼虾时期锰含量相对较高（Páez-Osuna 和Ruiz-Fernández，1995）。关于对虾对饲料锰的营养需求也开展了部分研究，但限于中国明对虾（李荷芳等，1995）、日本囊对虾（Kanazawa等，1984）和凡纳对虾（Davis等，1992）等种类，而且由于实验设计等诸多原因导致实验结论有所欠缺，因而关于对虾对饲料锰的需求研究很不完善。Kanazawa等（1984）认为，中国明对虾饲料不需添加锰，添加30 mg/kg锰会抑制对虾的生长；添加10或100 mg/kg 锰也并未促进日本囊对虾的生长，其增重率不足70%。作者发现，在低盐度养殖条件下，凡纳对虾对锰的需求量与海水养殖条件差不多，过量添加会降低增长率。从生长效果而言，氨基酸螯合锰的生物学效价与硫酸锰相比优势不明显。鉴于高剂量的钙、磷与植酸等成分对锰的吸收存在一定的影响，在添加时应考虑其潜在的影响。

2.6 钴

钴在甲壳动物体内通常以二种形式存在，一是不稳定形态的有机金属螯合物，与几丁质、壳聚糖、维生素B₁₂螯合的钴态具有携氧功能；二是以Co₃O₄的形式广泛存在于甲壳中。海水中适量的钴可促进中国明对虾仔虾的发育（袁有宪等，1995）。现已证实，三疣梭子蟹可从海水中吸收有机金属钴盐，大多以有机金属复合物（几丁质螯合钴态）的形式存在，少量存于维生素B₁₂的钴作为生物活性物质，充当梭子蟹的重要辅助增长因子（Matsuda等，1996）。尽管凡纳对虾体内的Co²⁺含量极低（0.00118 mg/kg钴）（Páez-Osuna 和Ruiz-Fernández，1995），但由于钴在动植物体内含量极少，通常不超过0.3 mg/kg，必须在饲料中适量添加才能满足其生长需要。刘发义等（1991）认为中国明对虾对钴的需求高达50-70 mg/kg，而作者研究表明，凡纳对虾对钴的需求量要低于中国明对虾，且氨基酸螯合钴的生物学效应略优于无机钴。

3、问题与展望

对虾商业饲料盲目添加矿物元素的水平远远超过对虾的实际需求，给养殖环境带来了极大的负面效应，因而如何提高饲料原料的生物利用率是减少养殖污染的重要举措。目前关于矿物元素的生物利用率研究较多集中在鱼类与畜禽上，有关对虾方面的研究亟待深入。饲料原料的内源性因素是制约矿物元素的生物利用率的重要因子，如原料固有的抑制剂如植酸、纤维素、半纤维素、木质素、单宁酸等成分在相当大的程度上降低矿物元素的利用率，尽管运用生物酶、发酵以及膨化等技术手段针对内源性抑制因子作了相当大的尝试，但力度与水平显然不够。外源性因子是影响矿物元素利用另一方面，对虾本身的消化生理特性，诸如消化器官的吸收能力、所处的生长阶段、生理状态以及养殖环境的诸多方面均可影响矿物元素的生物利用率；同时商业对虾饲料的质量，诸如配方成分中关于矿物元素的存在形式与螯合状态、矿物元素的竞争性抑制、饲料的粘滞性能（如粘土或胶体颗粒）等影响矿物元素的利用率。