益生菌制剂的调控机制及其在动物养殖生产中的应用
联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)将益生菌定义为“活性微生物,当其数量足够时,将会有益于宿主健康”(Hill等,2014),其以一种或多种适当剂量随动物饲料进入机体肠道后,可调节宿主胃肠道内有益菌群的微生态平衡,同时可提高机体生长性能和健康水平(李春慧等,2013;Eitahed等,2011);改善微生物生态系统养分合成及其生物可利用性,减少肠道感染的发生率,并在腹泻的情况下恢复肠道菌群活性(Khalid等,2011)。与使用抗生素治疗和预防感染性疾病相反,益生菌制剂的使用可增强动物的非特异性免疫力,提高畜禽对饲料的利用率,还能改善养殖生产环境,达到生态防治的目的(Sarangi等,2016)。目前,益生菌制剂被美国食品和药物管理局归类为GRA成分,养殖生产实践也表明,其不仅能够有效提高小型和大型反刍动物,猪、兔和家禽等的生产潜力(Kumar等,2016),还适用于大规模的工业生产,并且在畜牧业养殖生产的实际运用中也获得了极佳的效益(姚淑红,2016)。本文就目前所应用益生菌制剂的种类、在养殖生产中的作用及其调控机制作以综述,以为益生菌在养殖生产中的合理应用提供一些参考。
1益生菌制剂的种类及其特点
益生菌的菌种主要有3类:乳酸菌类、芽孢杆菌类以及酵母菌类。此外,霉菌也可纳入益生菌的范畴。
乳酸菌类主要应用的有嗜酸乳杆菌、粪链球菌和双岐乳杆菌等(张德显等,2009)。乳酸菌能够抑制胃肠道内致病菌的生长繁殖并阻碍其代谢,维持肠道内微生态平衡,同时降低内毒素和血清中胆固醇的含量,促进机体消化,调节机体免疫功能,降低肠道的氧化应激损伤(李维等,2016)。
芽孢杆菌类常用的有芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌等。芽孢杆菌可以分泌蛋白酶、淀粉酶等,促进饲料消化吸收,同时产生抗菌物质,抑制有害菌的生长(任永军等,2014),并且芽孢杆菌大多为好氧益生菌,因此能消耗机体肠道中的游离氧,产生大量有机酸,降低肠道内pH,为益生菌生长创造有利条件(蔡中梅,2016)。此外,芽孢杆菌抵抗力强,耐热性强(Kosin等,2010),在饲料加工和运输过程中不易失活(Cutting,2011)。
酵母菌类主要有酿酒酵母、啤酒酵母、假丝酵母和石油酵母等。酵母菌营养丰富,富含维生素、一些必需的矿物质以及饲粮纤维资源,其细胞壁中还含有葡聚糖和甘露糖等多糖(耿春银等,2015),而葡聚糖可以增强巨噬细胞活性,促进免疫器官发育,增强机体免疫功能,并且酵母菌还能改善反刍动物瘤胃菌群结构和瘤胃环境,促进机体的消化吸收(金鑫,2016)。此外,酵母菌制剂中含有植酸酶,通过利用植物中的有机磷而减少粪便中有机磷的排放,改善养殖环境(李春慧,2014)。
霉菌常用的菌株有黑曲霉和米曲霉等,多用于饲料发酵方面(王建超,2016)。霉菌可以产生多种酶制剂和有机酸,还能有效代谢环境中的葡萄糖、核糖、甘露糖、半乳糖等单糖,提高饲料中糖类的利用率(殷娴,2017)。
2益生菌制剂在养殖生产中的作用
2.1 提高生产性能
益生菌制剂提高动物生产性能的作用效果见表1。研究表明, 益生菌制剂能够提高家禽和家畜的蛋、奶和肉类产量 (Kataria等, 2005) 。在反刍动物中, 益生菌制剂能促进瘤胃生长发育并丰富瘤胃中益生菌的多样性, 增强微生物发酵作用, 从而提高反刍动物的生产性能 (邱权等, 2016) 。Raval等 (2013) 对哺乳期奶牛的研究显示, 对照组和添加益生菌制剂组90 d的平均全脂产奶量分别为 (770.33±51.60) kg/头和 (819.71±47.99) kg/头, 累积脂肪产量分别为 (35.39±2.27) kg和 (43.07±2.20) kg, 结果表明, 在哺乳期奶牛饲料中添加益生菌制剂提高了脂肪含量和产奶量, 从而增强了奶牛的生产性能。在肉羊的饲养中添加益生菌制剂后进行试验, 结果显示, 在基础饲粮中添加500 mg/kg和1000 mg/kg的益生菌制剂均能显著提高肉羊的生长性能、营养物质消化率和肉品质 (杨华等, 2015) 。
在家禽生产中, 益生菌在家禽肠道中能产生家禽所需要的维生素和短链脂肪酸 (主要包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸和异己酸) , 参与家禽的生长代谢, 并且提高消化酶活性, 促进机体对营养物质的吸收, 从而提高生产性能 (陈晓帅等, 2017) 。Podolian等 (2016) 对肉鸡的研究表明, 益生菌制剂的使用使肉鸡体重增加了14.4%, 平均日增重提高了14.7%, 存活率提高了4%。李天杰 (2016) 研究显示, 在蛋鸡的日粮中添加益生菌有助于提高蛋鸡的产蛋率和蛋品质。
益生菌制剂可以降低猪肠道中的pH, 产生多种消化酶、B族维生素、氨基酸、有机酸和促生长因子等多种生物活性物质, 这些物质会参与猪机体的新陈代谢, 提高猪的生产性能 (张曼, 2017) 。Yulevich等 (2017) 研究表明, 在仔猪日粮中添加益生菌制剂后其体重和日增重分别提高13.2%~18.7%和19.4%~39.2%。罗佳捷等 (2014) 对生长育肥猪的研究结果表明, 益生菌制剂不仅能改善生长育肥猪的生产性能, 还能有效替代抗生素。
在水产养殖动物中, 益生菌制剂能分泌活性物质并补充营养物质, 如酶类、氨基酸和维生素等, 这些物质可作为饲料的补充, 满足动物营养需要 (高权新等, 2013) 。吴定心 (2016) 的研究结果显示, 日粮中添加枯草芽孢杆菌能显著促进对虾生长, 并在一定程度上提高对虾的产量。
2.2 提高饲料转化率
益生菌制剂产生的淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等能降解植物性碳水化合物和饲料中的复杂物质, 使碳水化合物更好地被肠道吸收利用, 提高饲料转化率 (靳涌涛等, 2008) 。Sadr saniya等 (2015) 对雌性水牛的研究发现, 补充了益生菌制剂的雌性水牛的平均日增重 (545.14 g/d) 显著高于饲料中未添加益生菌制剂的对照组 (482.43 g/d) , 干物质和粗蛋白质的消化率也有显著提高, 从而大大改善了饲料转化率。该结果与Kumar等 (2010) 对雄性水牛牛犊的研究结果相同。Hung等 (2012) 研究表明, 凝结芽孢杆菌ATCC 7050显著增加了乳酸杆菌的数量并提高了肉鸡的饲料转化率。
2.3 改善养殖环境
益生菌制剂能显著提高全氮含量, 降低氨氮含量, 从而减少氨氮向氨气的转化量, 消除恶臭味, 改善养殖环境 (付晓政, 2014) 。在饲料中添加复合枯草芽孢杆菌制剂, 一方面可以抑制肠道中产生臭味细菌大肠杆菌的繁殖;另一方面制剂中的细菌素可以抑制腐败菌的生长, 从而达到除臭除氨作用 (王君, 2007) 。丁文骏等 (2015) 研究表明, 巨大芽孢杆菌可降低脲酶和尿酸酶的活性, 从而缓解尿酸和尿素氮的降解, 降低鸡舍内氨气的浓度, 但过量的巨大芽孢杆菌也会使肠道菌群紊乱, 影响其除臭效果。Higgins等 (2008) 对肉鸡的研究结果显示, 乳酸杆菌能有效减少新生肉鸡中的肠炎沙门氏菌, 减少蛋白质转化成氨或胺, 从而净化空气中的臭味。张楠 (2013) 在鲤鱼的饲料中添加益生菌制剂后发现, 枯草芽孢杆菌组和短芽孢杆菌组中浮游植物生物密度较对照组分别提高33.6%和48.7%, 表明益生菌制剂能有效降低水中化学需氧量和氨氮浓度, 改善水体透明度, 提高水中浮游植物生物密度。
2.4 防治疾病
益生菌细胞壁上的表面大分子会抑制或阻断致病菌与受体结合, 非致病菌竞争性地占据黏附位点并争夺营养物质从而抑制致病菌的入侵与繁殖, 不仅如此, 益生菌还能通过分泌大量的脂肪酸、过氧化氢、细菌素或多肽等物质抑制病菌的生长 (张英春等, 2012) , 从而防治疾病。苏云 (2012) 的试验结果表明, 日粮中添加乳酸菌和枯草芽孢杆菌均能显著降低断奶仔猪的腹泻指数、腹泻猪头数和腹泻率。Lojanica等 (2010) 研究发现, 益生菌制剂能显著降低仔猪的死亡率。在对凡纳滨对虾的研究中, 刘泓宇等 (2014) 发现在饲料中添加益生菌可以提高对虾的成活率并增强抗病能力。王红琳等 (2017) 对肉鸡的研究表明, 益生菌制剂大大提高了攻毒保护率 (40%) , 从而提高了肉鸡的抗病力。
3益生菌制剂的作用机制
益生菌制剂主要通过补充或激活消化道内的有益菌并抑制有害菌的定植生长, 从而调节并改善机体代谢, 并且通过激活机体免疫系统 (体液免疫和细胞免疫) 以及改善养殖环境等来对动物产生作用。
3.1 营养调控机制
益生菌制剂能够产生各种营养物质, 例如, 乳酸菌可以产生乳酸、乙酸、多种维生素和促生长因子, 为动物提供营养, 增强抗病能力;酵母菌能产生具有助消化及促生长作用的维生素、蛋白质和未知生长因子 (任科润等, 2012) 。此外, 益生菌制剂还能分泌各种酶类, 像蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶等消化酶可以补充机体内酶的不足, 从而分解饲料中较为复杂的碳水化合物、蛋白质、脂肪等营养物质, 促进机体吸收, 提高动物生产性能和饲料利用率 (周晓辉等, 2016) 。Seyama等 (2016) 研究结果表明, 使用乳酸菌可增加泌乳牛肠道菌群的多样性, 有助于提高生产力并预防人畜共患病。
3.2 生物夺氧理论
动物机体最初处于无菌状态, 之后被需氧菌、兼性厌氧菌以及需氧菌先后定植。动物肠道中的致病菌多属需氧菌或兼性厌氧菌, 而需氧菌及兼性厌氧菌在体内定植后, 迅速消耗大量氧气, 使局部氧浓度降低, 形成厌氧环境, 抑制需氧菌及兼性厌氧菌的生长, 促使厌氧菌大量繁殖并在整个微生态系统中占据首要地位, 最终使肠道菌群达到平衡状态, 从而预防疾病, 维持动物机体健康。
3.3 生物屏障理论
动物肠道中正常菌群构成强大的生物防御屏障,益生菌进入肠道后可促进有益菌的生长繁殖,同时与致病菌争夺营养物质,抑制致病菌的定植,发挥生物屏障作用。益生菌还可以抢占致病菌黏附位点,形成一层生物保护膜,抑制致病菌与肠黏膜的接触, 促使其随粪便排出体外 (张英春等, 2012) 。此外,益生菌代谢产生的细菌素、乳酸、丙酸、H2O2以及其他活性物质等共同构成化学屏障,降低消化道内pH, 抑制有害菌的发生(肖宏德,2013)。
3.4 免疫调控机制
动物肠道是吸收营养物质的主要场所, 而肠黏膜是抵御病原微生物入侵的屏障, 益生菌制剂中的有益菌可以抢占致病菌在肠黏膜上的结合位点, 降低致病菌的危害 (Han等, 2004) 。益生菌的细胞壁含有免疫多糖类物质, 可以通过增加免疫球蛋白的生成, 刺激机体产生干扰素, 增强巨噬细胞、B淋巴细胞等的活性, 增强机体的体液免疫和细胞免疫能力, 改善机体的免疫水平 (田木, 2015) (图1) 。而抗生素则会使动物机体产生抗病依赖性, 削弱机体本身的免疫能力。Gu等 (2014) 对猪肠道的研究表明, 枯草芽孢杆菌可通过促进紧密连接蛋白的表达, 增强猪肠道上皮屏障功能。
3.5 环境调控机制
益生菌制剂可通过提高日粮中粗蛋白质和干物质的消化率以及改善机体肠道优势菌群, 减少氨气的产生, 从而改善环境质量, 有利于动物健康 (付晓政, 2014) 。在水产养殖中, 益生菌可消耗利用水中的有机物、氨氮, 并利用硫化氢通过反硝化作用去除水中的亚硝酸氮, 从而改善水体环境 (李海兵等, 2008) 。Nimrat等 (2012) 在对虾的饲养中加入复合芽孢杆菌后发现, 复合芽孢杆菌的使用显著降低了水体pH、氨和亚硝酸盐浓度, 有效改善了对虾的生长环境。施加益生菌对蛋鸡鸡舍空气环境影响的研究结果显示, 饲喂益生菌极显著降低了粪便中氨气的释放量, 从而改善了鸡舍的空气质量 (李万军等, 2012) 。
4益生菌制剂在养殖生产应用中存在的问题
尽管益生菌制剂在各类动物的养殖生产中发挥了很大在作用, 但在实际生产应用中仍然存在一些问题:
(1) 缺少益生菌制剂产品的用量、选择和检测等的统一标准, 菌种的选择和检测具有很大的随意性, 因此无法真正发挥出益生菌制剂的效果 (苏云, 2012) 。
(2) 菌种质量不稳定, 益生菌制剂菌种的活性是其发挥功效的基础, 只有拥有足够活菌数的益生菌制剂才能调节肠道菌群的生长繁殖 (Brittany等, 2012) , 而菌种在生产加工、运输、保存、使用过程中容易失活, 影响其功效的发挥。
(3) 益生菌制剂与其他饲料添加剂联合应用有可能产生拮抗作用, 大大影响益生菌制剂的效果。
(4) 虽然现有的益生菌临床试验没有证明其增加风险性的证据, 但目前益生菌安全性的问题有待进一步研究 (Doron等, 2015) 。
(5) 益生菌制剂的机制大多是推测的, 例如, 一些研究表明益生菌的拮抗活性, 但大部分没有提供关于如何对抗细菌病原体的有力证据 (Lazado等, 2014) 。
5益生菌制剂的应用前景和发展趋势
近年来, 益生菌制剂作为饲料添加剂在养殖生产中发挥着积极作用, 发展前景非常广阔。进一步加强研究肠道微生物的结构和活性, 肠道微生物之间的功能相互作用以及微生物和宿主细胞之间的关系, 以确定未来益生菌制剂发展的基本方向 (Uyeno等, 2015) ;综合肠道微生物的最佳作用条件, 从环境温度、配合饲料组成、畜禽生长阶段和健康状况等方面进行研究, 生产针对性强的专用益生菌制剂 (易中华, 2012) 。益生菌制剂的环境友好, 以及其良好的社会效益和经济效益, 对其进行深入研发必将有益于养殖业的可持续发展。
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