益生凝结芽孢杆菌在肉禽养殖中的应用及作用机理研究进展_微生物试验报告与运用_微生物知识

益生凝结芽孢杆菌在肉禽养殖中的应用及作用机理研究进展

2020-10-31 10:07:18 点击：

摘要：凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）作为一种新型饲用益生菌，能够促进肠道健康和营养吸收、增强机体免疫力和维持肠道菌群平衡，从而提高动物生产性能。肉禽养殖是我国畜牧业重要的组成部分，如何促进肉禽养殖业的健康可持续发展、提高生产效益和无抗绿色养殖已成为下研究的热点之一。本文就凝结芽孢杆菌的生物学特性、益生作用机理及其在肉禽生产中的应用以及目前存在的问题做一综述，为进一步开发凝结芽孢杆菌在肉禽养殖中的应用提供参考。

禽肉作为优质、廉价的蛋白质来源，在居民食品消费结构中的比例正逐步提高，但肉禽养殖过程会受到应激刺激、抵抗力下降、肠道功能紊乱、药物残留等影响，导致养殖成本不断攀升、疫病防控形式严峻和食品质量安全得不到保障，如何能够提高肉禽生产性能和养殖效益已成为当下研究的热点。凝结芽孢杆菌首次由Hammer等进行分离和描述，通过对其逐步的研究和认识，最终将其统一命名为一个新的菌种——凝结芽孢杆菌。凝结芽孢杆菌具有调节肠道菌群平衡、促进肠道健康与营养物质的吸收、提升机体免疫力等作用。凝结芽孢杆菌已获得美国、欧盟两大食品、药品安全机构的认可，多个国家将其应用于药品、食品和饲料添加剂等行业，我国于2004年逐渐批准凝结芽孢杆菌在饲料添加剂和其他行业使用。凝结芽孢杆菌既可以像乳酸菌属类益生菌一样产酸，又能像芽孢杆菌形成芽孢，具有耐高温高压和易贮藏等优点，是近年来研究的热门益生菌种之一。然而，饲用凝结芽孢杆菌至今未在肉禽养殖中规模化应用。本文将针对凝结芽孢杆菌的生物学特性、益生作用机理及其在肉禽养殖生产中的应用等进行综述，为其进一步应用于肉禽领域提供相关参考。

1 凝结芽孢杆菌的生物学特性

凝结芽孢杆菌是一种兼性厌氧菌，可形成芽孢，革兰氏染色为阳性，类属芽孢杆菌属。菌体表面无鞭毛，呈杆状，如头发丝状，长2.5~5.0μm，宽0.6~1.0μm；芽孢端生，如“榔头”状；喜中性偏酸pH，最适温度为37.0~45.0℃。凝结芽孢杆菌具有同乳酸菌一样的产酸能力；其具有耐酸、耐热、耐盐、容易培养和保存的特点，也是其最明确的优势；可经受高温处理1h，活菌数仅下降一个数量级的抗逆性，也可经受饲料制粒的温度；将其置于pH>2.42的酸性溶液中处理1年，其活菌数仍高达105；其可在1%~8%NaCl溶液中存活数周。在动物饲粮中添加凝结芽孢杆菌，芽孢化的菌体形态能够顺利通过制粒、动物胃液环境，在进入十二指肠后，芽孢萌发形成营养体，随后进入小肠，开始迅速生长繁殖，并发挥生物学功能。

2 凝结芽孢杆菌在肉禽应用中的益生机理

学者们普遍认为益生菌并不是一种单一物质发挥作用，而是一个多种物质协同作用和肠道其他益生菌共同完成的综合方式。

2.1 凝结芽孢杆菌可促进肉禽的肠道健康和对营养物质的消化吸收

2.1.1 凝结芽孢杆菌对肉禽血液生化指标的影响

血液生化指标与机体的营养吸收、代谢和疾病密切相关，一定程度上可反映肉禽的健康状况。肉禽饲粮中添加凝结芽孢杆菌能够显著提高血清总蛋白（TP）和白蛋白（Alb）含量，使白羽肉鸡、黄羽肉鸡、北京公油鸡和肉鸭血清TP显著提高3.83%~54.44%，Alb含量显著提高4.45%~9.68%，同时能够使黄羽肉鸡和北京母油鸡的血清尿素氮（UN）显著降低16.36%和23.11%。血清TP和Alb升高，UN含量降低，表征机体内蛋白质和肽类物质得到很好的利用。在饲粮中添加凝结芽孢杆菌也能够使肉鸡血清葡萄糖含量显著提高15.36%，反映出肉禽对饲料中碳水化合物的消化与吸收水平的提高。另外，夏涛等研究发现在肉鸡饲粮中添加凝结芽孢杆菌也能够显著提高血清甘油三酯（TRIG）和高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）含量，表征饲料中脂质营养物质的良好消化与吸收。然而，Huang等研究表明添加凝结芽孢杆菌对肉鸡血清指标的影响差异不显著，这可能与选用的凝结芽孢杆菌的菌株特性有关。综上，在饲粮中添加凝结芽孢杆菌能提高肉禽血清TP、Alb、葡萄糖、TRIG和HDL-C含量，降低血清UN含量，从而增强了肉禽肠道对碳水化合物、脂质营养物质和蛋白类物质的消化和吸收，改善肉禽的生长性能。

2.1.2 凝结芽孢杆菌对肉禽内源酶分泌的影响

饲粮中含有许多复杂的碳水化合物，这些化合物必须经过机体内的代谢途径和酶促反应才能进行降解，从而更容易被肠道消化吸收，提高饲料利用率。已有报道表明，肉禽饲粮中添加一定量的凝结芽孢杆菌能使肉鸡和肉鸭血清碱性磷酸酶活性显著提高6.1%~55.39%；血清丙氨酸氨基转移酶活性显著提高45.83%~51.64%。碱性磷酸酶是小肠消化吸收功能发生变化的标志酶之一，参与多种生理生化反应，而丙氨酸氨基转移酶活性可反映肝细胞代谢营养物质的活跃程度。另外，添加凝结芽孢杆菌能够显著提高肉禽肠道胰蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等消化酶的活性。凝结芽孢杆菌可以产生40多种动物内源性酶，提高肉禽肠道内源酶活性。这些肠道消化酶活性的增加，促进了机体进一步分解饲粮中复杂的营养物质，有利于提高肉禽对饲料相应营养物质的消化与吸收，从而提高日增重和降低耗料增重比等生产性能。

2.1.3 对肉禽血清抗氧化能力的影响

机体内过氧化产物的积累会引起脂质、蛋白质和核酸氧化损伤，而机体抗氧化能力的提高，也是肉禽肠道健康的一个重要表现。抗氧化能力的指标包括总抗氧化能力（T-AOC）、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）活性和丙二醛（MDA）含量。在肉禽饲粮中添加凝结芽孢杆菌能够使T-AOC显著提高12.07%~46.80%，SOD活性显著提高9.86%~27.91%，CAT活性显著提高39.71%~40.74%，GSH-PX活性显著提高6.53%~27.41%，MDA含量显著降低20.66%~37.24%。同时，也能够缓解因肠炎沙门氏茵感染、热应激和敌草快（双吡啶除草剂）攻毒所造成的肉鸡氧化应激。综上，凝结芽孢杆菌通过提高肉禽血清抗氧化酶类活性使机体的T-AOC显著提高，同时使脂质过氧化产物MAD含量显著降低。此外，凝结芽孢杆菌本身也可以产生具有显著抗氧化活性的胞外多糖，能有效保护机体免受氧化应激损伤，这也是其可提高肉禽生产性能的一个重要原因。

2.1.4 凝结芽孢杆菌对肉禽肠道形态和其他指标的影响

完整的肠道形态不仅是肠道健康、营养物质消化和吸收的必备条件，同时也是抵御外源有害物质入侵的结构保障。绒毛高度、绒窝深度及两者比值是衡量小肠消化吸收功能的主要指标。肉禽饲粮中添加凝结芽孢杆菌一方面能够缓解由于病原菌感染所导致的肠道病变计分的升高，试验组肠道病变计分降低了20.63%~35.43%。另一方面，可显著提高白羽肉鸡、黄羽肉鸡和肉鸭的绒毛高度与隐窝深度比值（11.08%~50.41%）和肠绒毛高度（12.72%~31.87%）。也有报道表明，凝结芽孢杆菌可以恢复由敌草快（双吡啶除草剂）引起的空肠形态结构。综上，日粮中添加凝结芽孢杆菌能够改善肉禽肠道的形态和健康，促进小肠绒毛的发育，使小肠绒毛变粗、变长或排列更加紧密，从而降低绒窝深度，使整个肠道绒毛高度与隐窝深度比值增大。这种小肠形态恰恰能够更好地吸收营养物质，促进肉禽生长发育，进而提高日增重和降低耗料增重比。

2.2 凝结芽孢杆菌可提高肉禽机体免疫力和抗病能力

有报道显示，凝结芽孢杆菌的发酵上清液和细胞壁中某些成分具有抑制活性氧、调节细胞因子和增强细胞吞噬能力的作用，能够在机体肠道构成一道生物保护屏障，促进消化道黏膜发生免疫反应，从而提高肠道免疫能力。此外，通过促进B淋巴细胞的增殖和免疫球蛋白的分泌提高体液免疫的水平和提高效应T淋巴细胞中肿瘤坏死因子的含量防治一些特定病毒的感染。另外，凝结芽孢杆菌也可以通过增加吞噬细胞的活性，刺激机体分泌溶菌酶，提高胸腺、脾脏和胃肠等器官对病原微生物的抵抗能力和机体免疫能力。凝结芽孢杆菌对肉禽免疫器官指数的影响见表1。在肉禽饲粮中添加凝结芽孢杆菌能够显著提高胸腺指数（7.34%~46.67%）、脾脏指数（9.38%~107.14%）、法氏囊指数（6.37%~32.84%）和肠道指数（16.68%）。但赵娜和张营营等的试验结果表明凝结芽孢杆菌的添加降低了肉鸡法氏囊和肠道指数，这可能与试验组肉鸡肠道致病菌的菌群结构有关，凝结芽孢杆菌可以抑制肠道致病菌，从而减少法氏囊和肠道中免疫应答反应，导致法氏囊和肠道指数减小，具体原因仍有待进一步验证。另外，也有报道显示，添加凝结芽孢杆菌可以显著提高肉鸡血清球蛋白的含量，促进致炎因子和抑炎因子的平衡。Wu等也发现凝结芽孢杆菌对肉鸡的免疫功能有促进效果。由此可知，饲粮中添加凝结芽孢杆菌通过提高肉鸡、肉鸭免疫器官指数，促进肠黏膜免疫因子的表达，或者是血清免疫细胞的增殖来提高肉禽的免疫能力，降低肉鸡、肉鸭患病率、腹泻率和死淘率，从而达到提高生产性能的目的。

2.3 饲用凝结芽孢杆菌可改善肉禽肠道菌群结构

动物肠道内菌群结构是一个复杂的“大家庭”，当肠道内有害菌“过量”并打破平衡状态时，动物就会发病。凝结芽孢杆菌主要通过3种方式维持肉禽肠道菌群平衡：首先，凝结芽孢杆菌作为一种兼性厌氧菌，进入动物体内生长繁殖时会消耗游离的氧，从而降低肠道内氧化还原电势，肠道有益菌大部分是厌氧型，这种环境下促进了有益菌的增殖而抑制有害菌的生长。其次，凝结芽孢杆菌可以利用多种糖类进行同型乳酸发酵，产生大量L-乳酸，降低动物肠道pH，有效地抑制嗜碱性乃至中性致病菌的生长。最后，该菌株在生长繁殖过程中，会产生抑菌物质凝固素和Lactoporin。凝固素是一种大小为4612 Da小肽类物质，其结构已经被解析出来，与片球菌素极为相似，具有较强的抑菌效果，可对链球菌、金黄色葡萄球菌等致病菌有拮抗作用。Lactoporin作为一种阴离子抗菌物质，可以使细胞内外质子形成动力势差，导致病原微生物胞内蛋白质、核酸及肽多糖的代谢减弱，因而能对致病菌起到有效的抑制作用。凝结芽孢杆菌对肉禽肠道菌群结构的影响见表2。在肉禽饲粮中添加凝结芽孢杆菌，一方面，能够显著提高肠道乳酸菌数量（2~6.92倍）、双歧杆菌数量（2~5倍）和总厌氧菌数量（4.47倍）；另一方面，能显著降低肠道大肠杆菌数量（2.5~12.59倍）、肠道和肝脏产气荚膜梭菌数量（4~50倍），肠道沙门氏菌和葡萄球菌数量也有显著降低。赵娜等采用更加精确的实时荧光定量PCR法测定分析了盲肠和回肠食糜中的凝结芽孢杆菌和大肠杆菌的数量，结果显示与对照组相比，21和42日龄肉鸡盲肠、回肠凝结芽孢杆菌数量显著提高，大肠杆菌数量也显著降低接近3~4个数量级。说明凝结芽孢杆菌在肉鸡肠道内定植，通过竞争排斥作用减少大肠杆菌在肠道中的数量成为优势菌群，稳定发挥益生作用。但试验所测定的菌群数量偏高、差异更大，可能与试验过程中使用更加灵敏的实时荧光定量PCR的方法有关，结果有待进一步证实。在肉鸭饲粮中添加凝结芽孢杆菌也可显著提高乳酸杆菌数量和降低大肠杆菌数量。综上，在肉禽饲粮中添加凝结芽孢杆菌可以改善肠道菌群平衡，抑制肠道有害菌大肠杆菌、产气荚膜梭菌、沙门氏菌和葡萄球菌的生长，促进有益菌乳酸菌、双歧杆菌和总厌氧菌的增殖，以达到增加有益菌，减少有害菌的目的，从而促进肉禽肠道健康，提高肉禽生产性能和降低腹泻率、死淘率。

3 饲用凝结芽孢杆菌在肉禽养殖中的应用现状

3.1 饲用凝结芽孢杆菌对肉禽生产性能的影响

3.1.1 饲用凝结芽孢杆菌对肉鸡生长性能的影响

凝结芽孢杆菌在肉鸡中的应用效果见表3。与基础饲粮相比，3.0×105~4.0×107CFU/g凝结芽孢杆菌组白羽肉鸡的平均日采食量显著提高4.09%~8.43%，平均日增重显著提高5.84%~9.49%；耗料增重比显著降低4.00%~10.48%，死淘率显著降低52.42%~61.70%。2.0×105~1.5×107CFU/g凝结芽孢杆菌组黄羽肉鸡的平均日采食量显著提高4.55%~5.12%，平均日增重显著提高3.76%~10.46%；耗料增重比显著降低3.49%~5.59%，死淘率显著降低50.00%~78.17%。此外，基础饲粮中添加凝结芽孢杆菌对科宝肉鸡、油鸡和罗氏鸡的生长性能也有积极影响，如显著提高了平均日增重，显著降低了耗料增重比和死淘率。由此可见，在不同品系的肉鸡（白羽、黄羽、三黄鸡、科宝、油鸡、罗氏）饲粮中添加凝结芽孢杆菌均能显著改善肉鸡生长性能，提高饲料利用率和经济效益。但在相同肉鸡品种中应用凝结芽孢杆菌时，也存在一定差异，这可能与添加凝结芽孢杆菌剂量和菌种特性有关。

作为一种新型饲用益生菌，凝结芽孢杆菌在替代抗生素方面也有杰出贡献。有报道显示，与抗生素组相比，在基础饲粮中添加凝结芽孢杆菌，替代杆菌肽锌和维吉尼霉素，肉鸡生长性能无明显差异。同时，饲粮中含有抗生素也不会影响凝结芽孢杆菌的使用效果，甚至可以明显降低肉鸡的腹泻率，这可能与凝结芽孢杆菌具有良好抗逆性有关。另外，肉鸡在养殖过程中会遇到应激和有害菌感染等风险和挑战。有研究表明，饲粮中添加凝结芽孢杆菌可对热应激肉鸡的耗料增重改善具有积极作用，提高了感染产气荚膜梭菌和沙门氏菌后肉鸡的生长性能，主要体现在显著提高肉鸡平均日增重、降低耗料增重比和死淘率等方面。由此可见，在肉鸡饲粮中添加凝结芽孢杆菌不仅能够显著改善生长性能，在替抗方案中、有抗日粮、热应激和有害菌感染环境下也均有明显积极作用，随着科研人员的努力，今后其应用将会更加广泛。然而，不同品种、不同菌株和饲粮配方之间存在的固有差异，特别是添加量（105~107CFU/g）上的不确定性会导致其在应用上的差异，上述研究结果表明添加量约为2.0×106CFU/g最为合适。值得注意的是，饲料中凝结芽孢杆菌的添加量并不是越多越好，添加过量的凝结芽孢杆菌会导致肠道营养物质的消耗。

3.1.2 饲用凝结芽孢杆菌对肉鸭生长性能的影响

凝结芽孢杆菌在肉鸭中的应用效果见表4。与空白对照组相比，1.0×105~4.5×105CFU/g凝结芽孢杆菌组肉鸭的平均日增重显著提高3.78%~6.26%，耗料增重比显著降低2.50%~6.37%，腹泻率显著降低22.56%。凝结芽孢杆菌试验组肉鸭的生长性能与抗生素杆菌肽锌组无差异，因此，凝结芽孢杆菌可以替代抗生素的使用。龚萍等研究结果表明，在肉鸭饲粮中添加1.0×105CFU/g凝结芽孢杆菌比粪肠球菌更适合，可提高肉鸭的成活率和采食量，这可能与凝结芽孢杆菌比粪肠球菌具有更好的抗逆性有关。综上，在肉鸭养殖中，添加凝结芽孢杆菌也能很好地促进肉鸭的生长性能，主要表现在提高日增重、降低耗料增重比和腹泻率。与肉鸡饲粮添加量相比，凝结芽孢杆菌在肉鸭中的添加量更少，相差接近10倍左右，这可能与饲粮配方不同有关。

3.2 饲用凝结芽孢杆菌对肉禽屠宰性能和肉品质的影响

屠宰率和肉品质也是肉禽良好生产性能的重要指标，一般肉禽屠宰率和全净膛率分别要达到80%和60%以上。孙焕林等研究表明，饲粮中添加7.5×106CFU/g凝结芽孢杆菌可以使肉鸡的全净膛率、腿肌率和胸肌率分别显著提高0.14%、1.06%和1.05%。曹广军等研究表明，饲粮中添加1.5×107CFU/g凝结芽孢杆菌可以显著提高黄羽肉鸡的屠宰率和半净膛率。林丽花等研究发现，添加2.0×105CFU/g凝结芽孢杆菌可以使1~70日龄黄鸡胸肌率显著提高3.97%，其他屠宰性也能均略有提高，但差异不显著。在肉品质方面，孙焕林等的试验结果显示，凝结芽孢杆菌可以提高肉鸡胸肌脂肪含量和熟肉率。曹广军等的研究结果显示，添加2.0×105CFU/g凝结芽孢杆菌能够显著提高右胸肌pH。Zhou等研究表明，添加2.0×106CFU/g凝结芽孢杆菌也能改善肉鸡肉品质，但胸肌pH略有降低，与曹广军等的结果不一致，这可能与饲粮成分、添加量有关。总体来说，饲粮中添加凝结芽孢杆菌会对肉禽屠宰性能和肉品质某一方面起到积极影响，但也与添加量、肉禽品种、日龄、饲养条件和管理措施有直接关系，目前在这一方面的研究还比较薄弱，仍需要进一步的试验证实。

4 小结和展望

综上所述，凝结芽孢杆菌在肉禽养殖中的效果是毋容置疑的。在肉禽养殖过程中，添加凝结芽孢杆菌能够提高肉禽生产性能、促进肠道健康和营养物质吸收、提高肉禽免疫能力和调节肠道菌群平衡。相对国外而言，我国对凝结芽孢杆菌的研究和应用依然处于滞后阶段，综合目前的研究，仍存在以下问题有待进一步解决：①凝结芽孢杆菌作为一种微生态产品，其本身产品性能差异就比较大，首先要保障凝结芽孢杆菌产品质量的可靠性、安全性和有效性，包括菌株特性的研究、总菌数和芽孢化率的保障、杂菌率的控制等。应从发酵工艺入手，解决目前国内单一液体发酵的方式，可使用固体发酵以及混合发酵。此外，在发酵培养基、参数、工艺优化等方面也有待深入研究。②凝结芽孢杆菌在饲粮中的最适添加量比较宽泛（1.0×105~4.0×107CFU/g），差异近乎400倍，不利于凝结芽孢杆菌在实际应用中的推广。针对此类问题应当根据不同肉禽品系、不同时期、菌株特点和其他因素进行系统全面的研究，做到“精准定位”，以便为实际应用提供更加详细的依据。③复合添加剂的推广势在必行，凝结芽孢杆菌和其他益生菌、酶制剂、益生元、酸化剂以及天然植物提取物等添加剂的协同作用的研究和报道还很少，其协同效果及作用机理，值得深入研究与探讨。总之，随着人们对凝结芽孢杆菌的进一步深入研究，饲用凝结芽孢杆菌在肉禽养殖业中的开发和应用将更加科学合理。

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