饲用益生芽孢杆菌的应用及其作用机理的研究进展
郭小华 , 赵志丹
(中南民族大学生命科学学院 , 武汉 430070)
摘要:芽孢杆菌作为微生态制剂的一种重要来源细菌 ,在维护动物肠道健康、促进微生态平衡方面起着重要的作用 ,相对于其他益生菌而言 ,芽孢杆菌使用上具有更大的应用优势 ,成为目前研究的热点。芽孢杆菌的芽孢能够在体内迅速萌发增殖 ,从而起到促进免疫、抗菌防病、改善肠道菌群及相关的代谢酶活性等生理作用。作者根据国内外研究的最新成果 ,综述了饲用益生芽孢杆菌基础和应用研究的最新进展 ,对益生芽孢杆菌的应用推广提供理论参考。
关键词:芽孢杆菌;益生菌;应用;机理;综述
抗生素添加剂在饲料中的应用已经有 50 多年的历史 ,但是治疗和预防用的抗生素滥用带来的残留和富集问题已经引发为一种公害 ,其安全问题也越来越引起人们的普遍关注。针对饲用抗生素存在的问题 ,科学探索其有效的解决办法成为微生物学和饲料科学界研究的热点。在若干抗生素替代品中 ,益生菌被认为是最有潜力的一种。目前 ,益生菌已经广泛应用于人类身体保健、动物营养与饲料等 ,通过人体摄入或动物采食 ,益生菌能够进入肠道并有效保持胃肠道的微生态平衡 ,同时 ,他们还具有促进消化、提高免疫力及分泌产生一些维生素类物质供肠道吸收等。更重要的是 ,益生菌的推广和应用更多的是从抗生素替代的角度出发 ,有效地提高动物的生产性能和饲料转化效率(陈代文等 ,2006) 。虽然早在 1989 年 Fuller 就对益生菌进行了系统性的理论阐述 ,但只是在近十年来才发展成为研究的一个热点。这主要归因于抗生素在动物生产中的大量使用引发了一系列的公共安全性问题。因此,加强对益生菌的基础与应用研究,提高其在动物生产领域中应用的数量与质量,对于生产出无公害、无污染的畜禽产品,保持生态畜牧的可持续发展具有重要意义。
目前对益生菌尚没有严格的分类标准 ,从菌株来源来看 ,一种主要是来自于动物肠道的固有菌群 ,以乳酸菌为代表(如 L actobaci l l us) ,另一种则是来自于非肠道固有菌群的微生物 ,如 S accharom ycesboul ar dii 、E. coli 及产芽孢细菌 ( B aci l l us) 。这两类微生物各自具有不同的生物学特性 ,在生产应用上也是各有侧重。其中 ,与常用的益生菌不同 ,益生芽孢杆菌是肠道的外来菌群 ,以芽孢的形式添加到饲料中 ,因此 ,益生芽孢杆菌的应用特点亦有很大的不同。作者就益生芽孢杆菌的发展应用现状及其作用机理的研究进展作一系统阐述。
1 益生芽孢杆菌的应用优势
相对于乳酸菌和酵母菌而言 ,益生芽孢杆菌具有其独特的应用优势 ,主要体现在以下 4 个方面。①应用的安全性。一些芽孢杆菌已经被“公认安全( GRA S) ”,在食品和饲料中可以放心使用。而且科学家对人用和饲料用的芽孢杆菌的安全性做了专门研究 ,亦未发现常用的益生芽孢杆菌存在潜在安全危害性( Hong 等 ,2005 ; Sorokulova 等 ,2008) 。而且 ,芽孢杆菌代谢产生的多种酶 ,如淀粉酶、蛋白酶在食品及饲料中广泛应用 ,目前尚未发现有任何副作用。因此 ,芽孢杆菌作为微生态制剂对动物生长无毒无害 ,生产出的动物性食品同样也是安全的 ,这是饲用芽孢杆菌在饲料中广泛应用的前提条件。②芽孢杆菌具有广谱的抗菌活性。益生芽孢杆菌最可能的作用机理之一就是它的抗菌活性( Hong等 ,2005) ,芽孢杆菌在生长代谢过程中能够产生一些细菌素类的物质 ,对一些病原微生物具有很好的抑制作用 ,如 B . subti lis3 被用来治疗幽门螺杆菌引起的胃溃疡 ( Pinchuk 等 , 2001 ) , B . s ubti lisMA139 能显著抑制大肠杆菌 K88 和鼠伤寒沙门氏菌的增殖( Guo 等 ,2006) 。因此 ,芽孢杆菌对于饲料贮存中防止细菌或霉菌污染 ,动物饲养过程中避免革兰氏阴性病原菌如 E. coli K88+ 和 S al monel l a 等细菌对肠道感染有一定的预防作用。③代谢快 ,稳定性高。相对于其他类型益生菌 ,芽孢杆菌一般对营养要求简单 ,代谢速度快 ,而且易于分离、培养和保存 ,对于工业化生产的要求不高。
此外 ,芽孢杆菌本身能产生对热、紫外线、电离辐射和某些化学药品有很强抗性的芽孢 ,可以忍受不良环境 ,如可以在 p H 为 2～3 的地方生存 ,也可以在温度高达80 ℃甚至以上的环境中生长。因此 ,芽孢杆菌作为益生菌易于保存 ,使用方便 ,活性成分高 ,从而大大提升了芽孢杆菌的推广和应用价值。④分子加工易操作性。现在 ,芽孢杆菌的分子生物学研究已很深入 ,关于其生理和遗传特性的研究仅次于大肠杆菌 ,现有的分子生物学工具和知识在控制和使用芽孢杆菌上显示出很大的优势。利用分子生物学的手段可以研发高产性能的菌种 ,提高微生态制剂的饲喂效果 ,如把蛋白酶、木聚糖酶的基因转移到芽孢杆菌中进行表达等 ,可以更大程度上发挥芽孢杆菌益生素的作用效果(Qiao 等 ,2009) 。
2 益生芽孢杆菌的应用效果
2. 1 在家禽中的应用 芽孢杆菌对蛋鸡而言 ,可提高产蛋率、日产蛋量 ,延长产蛋高峰期 ,降低料蛋比。李丽红等(2005) 在芽孢杆菌复合微生态制剂对蛋鸡生产性能的影响试验研究中表明 ,芽孢杆菌复合微生态制剂的合理使用可以有效地改善蛋鸡的生产性能 ,尤其显著提高入舍鸡产蛋率和日产蛋重。季相武等(2004) 研究几种不同的微生态制剂对蛋鸡产蛋后期生产性能的影响 ,结果表明 ,芽孢杆菌可明显提高蛋鸡后期的生产性能 ,甚至出现第二产蛋高峰 ,提高总产蛋量 ,延长产蛋期。芽孢杆菌可以显著提高家禽的抵抗力 , Cavaz 2zoni 等(1998) 用含 106 ～107CFU/ g 的凝结芽孢杆菌的饲料饲喂肉仔鸡 ,结果发现 ,芽孢杆菌具与弗吉利亚霉素同样的促生长和预防疾病的作用 ,并且添加芽孢杆菌与负对照相比仔鸡生产性能得到了显著提高( P < 0. 05) 。枯草芽孢杆菌可以提高火鸡的日增重( P < 0. 05) 和采食量( P < 0. 01) ,但是这种效果具有阶段性的特点(Jirap hocakul 等 ,1990) 。芽孢杆菌可刺激消化酶分泌 ,促进消化。张晓梅等(1999) 使用含地衣芽孢杆菌的微生态制剂 ,结果发现 ,在鸡 30 日龄时血清与肠道淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶均高于对照组 ,表现为饲料利用率显著提高。
2. 2 在猪生产中的应用
对猪的试验研究结果表明 ,芽孢杆菌对于仔猪的作用效果最好 ,对较大的生长肥育猪效果要差 ,这可能是因为日龄大的猪消化道微生物区系比较健全 ,添加益生菌的作用效果无法体现。表 1 总结了芽孢杆菌在猪日粮中的应用效果 ,表明芽孢杆菌可以提高猪的生产性能 ,尤其对仔猪的作用效果最为明显。此外 ,芽孢杆菌还可以提高繁殖母猪的生产性能( Alexopoulo s 等 ,2004) 。妊娠后期的母猪采食添加腊状芽孢杆菌的饲料后 ,母猪乳汁中脂肪的含量与对照组相比提高了 0. 48 % ,母猪体重下降幅度也明显降低( P < 0. 05) ;仔猪的死亡率和腹泻率显著降低( P < 0. 05) 。
2. 3 在反刍动物中的应用
反刍动物的消化道更加复杂 ,但益生芽孢杆菌仍具有改善肠道菌群 ,提高对病原菌的抵抗力的效果。梁晋琼等(2007) 研究了枯草芽孢杆菌活菌制剂对腹泻奶牛和犊牛治疗效果及羔羊腹泻的治疗和预防效果 ,结果发现 ,芽孢杆菌具有治疗和预防动物细菌性肠道疾病和促进生长作用 ,无抗药性、无药物残留 ,治疗效果明显好于同类作用的抗生素和其它杀菌剂。J enny 等(1991) 研究结果表明 ,添加枯草芽孢杆菌( B io Pl us 2B ) 能提高牛犊断奶后一个月内的饲料转化效率。
2. 4 在水产养殖中的应用 大量的试验结果表明 ,
添加芽孢杆菌对水产动物的养殖十分有利。Vasee 2haran 等(2003) 报道 B . subti lis B T23 对引起河虾黑鳃病的哈氏弧菌(V i v rio harvey i) 有抑制作用 ,使河虾的死亡率降低了 90 % ;对虾养殖中芽孢杆菌发挥了类似的效果(Moriarty ,1998) ;地衣芽孢杆菌能显著改善白虾的肠道菌群和增强免疫力 ( Li 等 ,2007) 。此外 ,芽孢杆菌( B aci l l us s p . ) 能够快速降解、转化有机物 ,可以有效调节水质 ,改善水产动物的饲养环境(李卓佳等 ,2006) 。
3 生芽孢杆菌的作用机理
3. 1 免疫调节
益生菌一个很重要的作用机制就是能够刺激机体的免疫系统或进行免疫调节。芽孢经口服摄入后有部分芽孢能够进入到肠系膜淋巴结的淋巴组织中 ,能促进抗芽孢的 Ig G 和分泌型的IgA ( sIgA) 显著升高。芽孢杆菌能促进动物肠道相关淋巴组织处于高度的“免疫准备状态”,同时使免疫器官发育加快 ,免疫系统成熟快而早 , T 、B 淋巴细胞数量增多 , 提高动物体液和细胞免疫水平( Hong 等 ,2005) 。Inoo ka 等(1986) 研究结果表明 ,以 107CFU/ g 剂量的枯草芽孢杆菌饲喂雏鸡时 ,显著提高了脾脏中 T 、B 淋巴细胞数量 ,但是对脾脏中巨噬细胞的活性没有影响。Ko saka 等(1998) 用 B .subti lis A102 的芽孢饲喂小鼠 ,1 d 后发现血清中干扰素水平增加了 5 倍 ,同时也显著增加了小鼠自然杀伤细胞(nat ural killer cells) 和巨噬细胞活性。芽孢杆菌的芽孢免疫刺激活性可能与菌体的细胞壁成分有关。Himanen 等(1993) 研究枯草芽孢杆菌的脂磷壁酸和肽聚糖 —磷壁酸复合物的生物活性证明两者均具有免疫佐剂活性作用 , 在 Ko saka 等(1998) 的研究证实 ,B . subti lis A102 的死细胞和活细胞菌体对小鼠的免疫刺激活性效果一致。
3. 2 对病原菌的颉颃活性
芽孢杆菌现已大量用作药物、保健食品、饲料添加剂 ,国内外的普遍观点认为 ,益生芽孢杆菌在胃肠道代谢产生一些肽类等的抗菌物质来抑制病原菌被认为是其发挥“益生”效果的一条重要机制( Hong 等 ,2005) 。这些物质既包括细菌素类的物质 ,如 Subtilin 和 Coagulin ,也有一些抗生素类的物质 ,如 Surfactin 、It urins A 和Ba 2cilysin 等。如在医药中 , B aci ll us s ubti lis3 被用来治疗幽门螺杆菌引起的胃溃疡( Pinchuk 等 ,2001) ;益生芽孢杆菌产品 B io Pl us 2B 对家禽和猪的生长及健康具有良好的促进作用( Kurtoglu 等 ,2004) ;Toyocerin 能很好的控制断奶仔猪的腹泻 ( Kyri 2akis 等 , 1999) ; 芽孢杆菌类添加剂如 Bio start及Liqualife 用于提高水产动物(尤其是虾类) 对病原菌的抵御能力( Hill 等 ,2009) 。
因此 ,益生芽孢杆菌在食品、医药及动物营养上的推广和应用很大程度上都是基于芽孢杆菌自身的抗菌活性 ,然而 ,结合最新的文献报道 ,益生芽孢杆菌的抗菌活性都是基于体外检测的结果。益生芽孢杆菌要在体内呈现益生的功能 ,芽孢都有一个萌芽、增殖代谢的过程( Hong 等 ,2005) 。一般而言 ,芽孢杆菌是一种好氧细菌 ,在氧气充足的条件下芽孢杆菌才代谢旺盛 ,而动物的胃肠道却是一种厌氧或微好氧的环境 ,虽然有报道认为 ,芽孢杆菌仍然能够在胃肠道中生长 ( Nakano 等 , 1998 ; 邝哲师等 ,2005 ;Cart man 等 ,2008) ,但对于芽孢杆菌的芽孢如何在动物体内发挥抗菌作用目前还没有正式的研究报道。虽然很多试验结果表明 ,在动物日粮中添加芽孢可以明显增加胃肠道中乳酸杆菌的数量( Endo等 ,1999 ; Fukushima 等 ,2007) ,并明显降低大肠菌群的数量 ( La Ragione 等 , 2001 ; Guo 等 , 2006 ;Fukushima 等 ,2007) ,并且芽孢杆菌对于控制仔猪因肠毒性大肠杆菌引起的腹泻具有明显预防效果( Zani 等 ,1998 ; Kyriakis 等 ,1999) ;同时 ,芽孢杆菌对减少沙门氏菌在家禽肠道的定植具有显著抑制作用(Vila 等 ,2009) 。但是 ,这些结果都是芽孢杆菌可能的抗菌活性引起的表观现象 ,芽孢如何在体内发挥抗菌效果 ,如何调节肠道生态平衡的作用机理尚需要进一步有针对性的研究。
3. 3 其它作用机制
芽孢杆菌具有抑制其它外来病原微生物在胃肠道内的定植或增殖的作用 ,这种作用称为“竞争排斥”(competitive exclusion , CE) ,这种竞争排斥包括与病原菌竞争胃肠道上皮黏膜的附着位点;分泌抗菌物质抑制外来病原菌;代谢产生发酵产物(如一些挥发性脂肪酸) ;与有害菌竞争营养物质;刺激宿主的免疫功能等。通常用芽孢杆菌“竞争排斥”机制来解释在家禽中应用的作用效果(La Ragione 等 ,2001) 。
此外 ,芽孢杆菌体外都具有较强的蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的活性 ,有报道芽孢杆菌产生的一些消化酶类能够促进动物对营养物质的吸收 ,提高饲料的转化效率。J adamus 等(2001) 研究结果表明 ,芽孢杆菌可以显著提高仔猪空肠中脂肪酶的活性 ,降低空肠食糜中细菌产生的牛磺胆酸解聚酶的活性( P < 0. 05) ,从而促进了脂肪的消化吸收。然而,Kornegay 等(1996) 的研究结果表明 ,枯草芽孢杆菌对生长育肥猪的干物质、中性洗涤纤维、粗灰分和氮的消化率没有显著影响( P > 0. 05) ,这种差异可能是与采用的芽孢杆菌及猪龄有关。
4 小结与展望
在国内外的诸多报道 ,饲用益生芽孢杆菌的发展日益强劲。在维持消化道菌落平衡 ,对于提高机体免疫力、促进消化、提高饲料利用率和繁殖能力及净化环境等诸方面体现出较强效果。而且 ,其无残留、无毒副作用、无抗药性、不污染的特点 ,更是抗生素难以比拟的 ,是绿色料添加剂的一个方向。虽然市场上益生芽孢杆菌制剂的成品大量出现 ,但对益生芽孢杆菌的作用机理、与宿主的作用关系的了解十分有限。芽孢杆菌的芽孢如何在动物肠道内萌发并增殖发挥生理学效果 ,进而阐明其微生态学及对宿主的免疫促进机理的一些基本规律 ,可以为益生芽孢杆菌的应用提供理论依据。而且在实际应用方面 ,芽孢杆菌的作用效果还与使用剂量、动物的日龄、种类、饲养状态等因素密切相关 ,只有这些科学基础理论问题和实际应用技术得到全面的解决 ,才能真正有助于饲用芽孢杆菌的推广 ,为全面替代抗生素、提高畜禽产品品质开辟新的途径。
参 考 文 献
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