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乳酸菌等微生物添加剂的作用机理及其在猪日粮应用
[浏览次数:961 次] [更新时间:2017-11-7]

乳酸菌等微生物添加剂的作用机理

及其在猪日粮应用

 

冯定远   

(华南农业大学动物科学学院,广州 510642)

 

微生物添加剂(Microbial  Supplements)是指直接饲喂给动物的微生物,由活的天然微生物如乳酸杆菌、链球菌、酵母菌等组成,曾经被称为“益生素”,也有人称为“活菌制剂”、“微生态制剂”、或“生菌剂”。NRC(1998)称这类添加剂为“微生物添加剂”。这些添加剂被认为可以改善宿主动物肠道内的微生物平衡。微生物添加剂是在六、七十年代人们发现在动物饲养业中使用抗生素的种种敝端之后逐渐发展起来的。由于抗生素作为饲料添加剂的广泛应用,导致动物胃肠道正常菌群失调,产生耐药性和药物残留等副作用,给动物和作为动物产品消费者的人类的健康都有带来了危害。于是人们关注和寻找能够克服上述弊端的抗生素替代物,微生物添加剂就是其中一种重要的替物。

 

一、    猪消化道微生物群落

初生仔猪的胃肠道是无菌的,但不久以后就有数种微生物道内,经过各种微生物的生长和增殖,逐渐形成一个微生物群落。仔猪出生后3小时以内即可以检测出肠道的小型微生物群落(Maxwell  和Stewart  1995)。仔猪在出生后24小时以内,空肠、回肠、盲肠和直肠就定植了双岐杆菌、大肠杆菌、乳酸杆菌、肠球菌、类杆菌、小梭菌、优杆菌和酵母菌等,到8-22日龄达到高峰并逐渐形成一个定型的菌群,以后随日龄增长各菌群菌数略下降。仔猪消化道微生物的主要来源是母体的粪便微生物。Fewins等(1959)发现猪肠道的嗜酸乳酸杆菌(Lactobacillus  acidophilus)和发酵乳酸杆菌(Lactobacillus  fermentum)是主要的乳酸杆菌,乳酸杆菌在正常情况下是优势菌群。而在病态情况下,特别是消化道疾病时(如下痢)则以大肠杆菌成为优势菌群。肠道内的天然菌群至少有400多种不同类型的细菌,胃、十二指肠、回肠、盲肠和直肠都有乳酸杆菌和大肠杆菌,但芽孢杆菌和肠球菌则不出现于胃和十二指肠。

大多数单胃动物的肠道微生物群落是相似的,例如猪的消化道微生物区系和数量类似于人的情况,消化道前段主要是耐氧的格兰氏阳性细菌,后段是厌氧菌,成年猪消化道各部位的微生物,乳酸杆菌为优势菌。构成健康动物肠内菌丛的菌种中,既有与宿主经历长期进化,获得高度适应、驯化,有利于宿主健康作用的有益菌,以有当宿主不健康或抵抗力减弱时大量增殖,具有致病倾向的有害菌。

仔猪断奶前以乳酸杆菌、双岐杆菌等为优势菌群,两月龄后不同年龄猪则以乳酸杆菌为优势菌群。断奶过程,不仅动物本身必须迅速调节并适应日粮的变化,肠道里的微生物也必须迅速调整并适应日粮底物的不同,这一过程往往由于仔猪下痢而死亡率很高(Jonsson 和Conway 1992)。这个时候,仔猪小肠发现大量的溶血性大肠杆菌和轮状病毒。仔猪断奶时胃肠道PH上升,使乳酸杆菌数量减少,大肠杆菌数量增加,微生物区系平衡受到破坏。同时,胃肠道内产酸的乳酸杆菌数量减少,又进一步导致消化道内环境PH的升高。仔猪断奶3天内胃肠道内的乳酸杆菌数量最少,并于断奶后第七天升高至最高点。同时,大肠杆菌在第3天及第7天时数量最多。这种现象也反映出断奶1周内容易下痢的原因。断奶后由原来的动物性营养改变为植物性原料为主的日粮时,仔猪肠道内挥发性脂肪酸的浓度降低,同时伴随着乳酸杆菌群减少和出血性大肠杆菌比例升高的现象。

   有关猪,尤其是仔猪消化道微生物群菌及其生态特点在Maxwell 和Stewart(1995)的综述中有详细的讨论。为了进一步说明微生物菌群的平衡对猪健康的重要性,表1列出了在健康和发病两种情况下,两种主要细菌数的对比。

      表1   健康猪和发病猪消化道中两类细菌对数的对比

菌种类

状态

小肠不同部位

大肠

1

3

5

7

乳酸杆菌

健康

7.9

8.0

8.0

8.3

9.0

发病

8.1

8.4

8.6

7.4

8.8

大肠杆菌

健康

3.6

4.8

7.3

8.3

9.0

发病

7.3

8.5

9.4

9.5

9.6

 

二、微生物添加剂作用机制

微生物添加剂的作用与消化道的微生态平衡有关。Alexander定义微生态概念时指出:一个生态系统由栖息地和小生境所构成,栖息地是指该系统的物理空间,小生境则描述某一生物在该区域中生存的方式。消化道微生物可分为固定菌群(autochthonous或 indigenous)和过路菌群(allochthonous或 transient),前者是指在消化道中占有特定区域的微生物,后者是指那些不能在健康动物消化道内长时间滋生的微生物,除非固定菌群的某一组分空出一个能被过路菌群所占据的特定区域。Savage(1977)将胃肠道生态系统划分为日粮宿主生理和微生物三个方面,并认为在生态系统中,这三者之间保持一种平衡关系,任一方面的失调都有会引起系统其它方面的变化。Freter(1983)将微生物在肠道内的生态位分为四种:上皮细胞表面、覆盖于绒毛上的粘液、腺窝中的粘液和肠腔内容物。

 影响细菌在肠道内殖居和继续存在的因素有:胃酸、胆盐、蠕动、消化酶免疫反应、内源的微生物及其产生的抗菌物质等。对微生物区系组成的研究主要针对数量大的微生物如乳酸杆菌,乳酸杆菌的主要菌株或种类是可以改变的。在政常情况下,各种菌群作为一个整体存在,彼此之间相互依存,相互制约,一方面起着各种营养生理学的作用,同时还担负着抑制病菌增殖,预防感染的任务。但当动物受到断奶、饲料改变、转群运输或疾病等应激作用时,会引起肠道微生物菌群的变化。当这些应激超过一定的生理范围时,引起消化道菌群失调,进而表现出病理状态,或者影响营养利用,生产性能下降。而使用微生物添加剂则可以调节消化道微生物平衡。

1、维持消化道菌群正常化。在微生态系统中,优势菌群对整个菌群起决定作用,一旦失去优势种群,则该微生态平衡失调。使用微生物添加剂则通过补充某一特定微生物,维持有益细菌菌群的优势地位,保持菌群的正常。饲料中添加微生物添加剂是通过以下四种方式维持有益细菌的优势的:①直接充实有益的优势菌群,并使之在肠道内定植;②与有害菌竞争养分或竞争附着部位;③消耗消化道内的氧气,造成不利有害菌的环境(一般的有害菌是需氧菌);④产生不利有害菌的产物,例如产生乳酸、过氧化氢、溶菌酶和抗菌物质等。

2、调节营养物质的消化吸收。有益微生物可产生各种消化酶。例如酵母菌和芽孢杆菌能产生脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶。直接消化饲料营养成分,有些微生物还能产生分解复杂碳水化合物的酶或植酸酶,改善消化道食糜的物理特性或消除日粮中的抗营养因子,直接提高饲料的转化率,促进动物的生长和生产。

3、产生非特异性免疫调节因子。Fuller(1989)指出,微生物添加剂可提高动物体内抗体水平或提高巨噬细胞的活性,增强机体免疫功能。乳酸杆菌以某种免疫调节因子的形式起作用,刺激肠道某种局部型免疫反应。

4、有益微生物可产生B族维生素和维生素K。有益细菌可产生B族维生素例如生物素等。从而加强动物体的营养代谢。但这些维生素有多少可以被吸收仍是疑问。在传统非漏缝地板式猪生产中,这些微生物产生的维生素是猪维生素来源的一种补充。

5、防止产生有害产物。肠内大肠杆菌活动增强,导致蛋白质转化为氨和胺,两者都具有刺激性和毒性。饲喂微生物添加剂可使肠道、粪便及门静脉血液中的氨量降低,阻止肠道内细菌产生胺及中和肠内毒素等。

 以上包括了多种益生作用,很可能是以一种机制为主,多种机制同时配合发挥作用的。

 

三、微生物添加剂产品类型

美国FDA及饲料公定协会(1989)列出了42种可以直接饲喂且认为是安全的微生物品种,但作为饲用微生物添加剂的主要有乳酸菌属、粪链球菌、芽孢杆菌、仙人山属菌等。在欧洲仅法国上市销售的微生物品种不少于50个。我国正式批准生产使用的菌株,主要有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、乳酸球菌、蜡样芽孢杆菌、粪链球菌、双岐杆菌和酵母菌等。

  直接饲喂微生物添加剂作为一种有效的调控动物消化道微生态环境的重要手段,越来越受重视,产品开发和应用也日益广泛。一般把这类添加剂产品定义为:有助于稳定宿主固定菌群,对宿主能产生有益影响的活菌制剂(Fuller 1992)。这种微生物能保护宿主免遭病原体的入侵,同时有助于正常有益菌发挥功能和促进有益菌株的生长。Stewart 等(1993),Maxwell  Stewart(1995)都有详细的讨论。目前作饲料添加剂已使用的微生物菌种有:发酵乳酸杆菌、嗜酸乳酸杆菌、再生乳酸杆菌、酵母乳酸杆菌、粪肠球菌、粪素肠球菌、地衣芽胞杆菌、枯草芽胞杆菌、变形透明菌、分枝双岐杆菌、假双岐杆菌、耐热双岐杆菌、丁酸梭状芽胞杆菌等。以上这些菌种中研究最多的是嗜酸乳酸杆菌和粪素肠球菌。用于微生物添加剂生产的菌种必须具有一定的条件:细菌必须是非致病性的和无毒的,最好是革兰氏阳性菌;应能在肠道环境中成活并进行代谢,能抵抗低PH和有机酸,并有较高的生长率和较强的抑菌能力,应对宿主动物有利,并可长期保持稳定和成活。菌种的筛选的基本要求:①高安全性,必须证实无致病、无致畸、无耐药性、无药物残留等;②、必须在加工处理后仍有高存活率;③、可避免防霉剂、抗氧化剂等的影响;④在上皮细胞定植能力强,不与原菌产生杂交种;⑤活菌数要求含量高。

   微生物添加剂的分类有不同方法。根据产品用途及作用机制分为微生物生长促进剂和微生物生态治疗剂;根据产品的组成分为单一微生物添加剂和复合微生物添加剂;而实际应用使用最多的分类方法是按照菌种类型来分,主要有如下三种:

1、乳酸菌制剂。此类微生物添加剂应用最早、最广泛,种类也繁多。乳酸菌是能够分解糖类以产生乳酸为主要代谢产物的无芽孢的革兰氏阳性菌,厌氧或兼性厌氧条件生长,在PH3.0-4.5酸性条件下仍能够生存。它包括乳酸杆菌属、链球菌属、明串珠菌属和 球菌属。目前主要用于添加剂生产的有嗜酸乳酸杆菌、双岐杆菌和粪链球菌等。这类产品的微生物的主要特点:①是多种动物消化道主要的共生菌,能形成正常菌群;②在微需氧或厌氧条件下产生乳酸;③有较强耐酸性;④不耐热,65-75℃下死亡;⑤产生一种特殊的抗生素——酸菌素,能有效抑制大肠杆菌、沙门氏菌的生长。

2、芽孢杆菌制剂。属于需氧芽孢杆菌中的不致病菌,是以内孢子的形式零星存在于动物肠道的微生物群落中。主要用于饲料添加剂的包括地衣杆菌、枯草杆菌、蜡样芽孢杆菌和东洋杆菌等,多制成休眠状态的活菌制剂,或与乳酸菌混合使用。这类制剂的主要特点:①耐性好,可以耐高温(100℃)耐酸、耐盐及制粒过程中耐挤压等,具有很好的稳定性;②产生消化酶,具有蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶的活性。

3、真菌及活酵母类制剂。作为饲料添加剂的真菌主要是丝状菌,属于真菌纲中的子囊菌纲。主要使用的是米曲霉及酿造酵母培养物,它们是包括真菌及其培养物的制剂,多用于反刍动物饲料中。主要特点:①是需氧菌,在多糖偏酸环境中;②体内富含蛋白质和多种B族维生素;③不耐热,60-70℃1小时即死亡。

   微生物添加剂作为一种生物活性的生物制剂,一个重要的质量指标是存放时间(货架寿命),影响存放时间的因素很多,主要包括菌种类别、水分、PH、温度、氧气等。PH小于4时,大多数微生物迅速死亡,最适PH为6-7;储存温度超过30℃时,微生物存活率大幅度下降,一般在25℃以下存放。

 

四、    微生物添加剂在猪日粮中应用

有关饲用微生物添加剂产品在猪日粮中使用效果的报道不少,但结果多不一致,总的来说是具有一定的提高增重、改善饲料转化率、促进机体免疫功能、防止仔猪下痢和降低死亡率等效果。这些产品在实际生产中,一般在强应激的情况下可提高猪的生长性能(Pollmann 1986,Stavric和Kornegay 1995),但在实验站所做的多数控制了条件的试验中,微生物添加剂的使用未能表现出稳定的有益效果(NRC 1998)。Van Belle等(1990)对这些产品进行了综述。饲用微生物添加剂的使用可以使畜禽日增重平均提高11%(2-30%)饲料转化率平均提高8%(3-26%);发病率平均降低54%(23-90%);死亡率平均降低17%(7-37%)。使用效果不一的原因很多,Fuller(1989)指出,这与饲喂抗生素的使用有关。

影响微生物添加剂使用效果的因素主要有:①微生物添加剂的菌种类型或主要菌种的不同,不同菌种的针对性不同,乳酸菌型主要应用于调节消化道微生态平衡,抑制病原细菌,防止畜禽的病原,从而提高动物生产性能。而芽孢杆菌型主要应用于提高饲料营养的消化利用,从而提高动物生产性能,因此,必须有选择地使用这类产品,尤其必须考虑动物的生理和病理状态及日粮的特性。②有效活菌的数量。微生物添加剂应用的基础是微生态平衡,必须有足够数量的活菌才能达到优势菌群建立的目的或明显补充消化酶及其它生物活性成分。而实际产品中有许多并未到应有标准。所以显示不出效果。③添加剂使用过程中,饲料中含有的矿物盐、预混料与不饱各脂肪酸对活菌有抗菌素微生物特性。④饲料加工中的各种因素,尤其是高温调质和制粒时对微生物(主要是乳酸菌类)的破坏作用。⑤饲料中同时使用抗生素,直接抑制了有益的活菌剂的活性。⑥动物因素。主要是动物的年龄和生理状态。一般地,幼龄的仔猪由于本身消化道微生物菌群的建立未完全成熟,补充共生的有益微生物可以加速这种生态平衡的建立,并能防止有害细菌的影响。⑦环境因素等。环境卫生条件差的情况下,使用微生物添加剂应该更好。在应激的情况下,例如,动物断奶、转群、疾病、气候变化、高温持续等应激因素存在时,使用这类产品更明显,这也是为什么在条件控制较好的试验场效果不太明显的原因之一。在实际生产中,最值得注意的问题也许是同时使用抗生素的问题,很显然,抗生素对微生物添加剂的效果有限制作用,但是,许多生产者往往两者同时使用,一方面是利用抗生素的促生长作用,另方面是某些严重的疫病(主要是消化道疾病)出现时,必须依重于抗生素。由于我国对许多抗生素还未禁止使用或已禁止使用,但市场上仍有流通,使生产者应用时仍很混乱。一般认为,正常情况下可直接使用微生物添加剂,而不宜与抗生素同时使用,但出现严重的消化道疾病时,可使用允许的抗生素并停用微生物添加剂,当动物康复后,可继续使用微生物添加剂而停止用抗生素。

   微生物添加剂应用的前提是,肠道微生物平衡转为有利于大肠杆菌(应激或患病时),或是不存在乳酸杆菌时(刚出生或用抗生素治疗后)。这种情况下,将足够的产酸菌引进肠道,被扰乱了的肠道微生态就可能恢复正常。Pollmann(1986)分析统计了断奶仔猪使用微生物添加剂的效果(表2)。但Mcleese等(1992)在断奶仔猪使用这类产品并没有效果。

表2  断奶仔猪使用微生物添加剂的效果

培养物

研究数

猪头数

生产性能指标

比对照组高%

乳酸杆菌发酵产物

4

960

增重

+8.4

饲料/增重

+4.8

乳酸杆菌合剂

7

1052

增重

+2.5

饲料/增重

+6.8

纯乳酸杆菌

2

227

增重

+8.6

 

如果猪明显地处于非应激状态,并且肠道内微生物群落已建立很好,这种情况下使用这类产品就无明显效果(表3)。

表3   生长猪使用微生物添加剂的效果

培养物

研究数

猪数

生产性能指标

比对照组高%

乳酸杆菌合剂

5

568

增重

+0.7

饲料/增重

+1.6

粪链球菌

3

825

增生

-1.8

饲料/增重

-0.7

Jesse(1990)研究了微生物添加剂与抗生素单独或联合使用的情况,试验猪体重23kg,抗生素从开始喂至28天,乳酸杆菌培养物喂至第42天(表4)。

表4   微生物添加剂与抗生素单独或联合使用对猪日增重的影响

抗生素

乳酸杆菌添加剂

饲喂天数

28

42

98

0.626

0.617

0.726

不加

0.531

0.554

0.686

新霉素

0.640

0.604

0.735

新霉素

不加

0.676

0.654

0.781

新土霉素

0.640

0.608

0.686

新土霉素

不加

0.690

0.676

0.758

CSP250

0.676

0.649

0.758

CSP250

不加

0.699

0.676

0.749

可以看出,单独饲喂抗生素日增重最高,单独饲喂微生物添加剂也可以提高猪的生长。但两者同时使用则不能提高增重,反而有所降低。这可能是猪在已具备了抗病屏障后,微生物添加剂失去了益生作用,反而对猪的生长是一种负担,这是否与消耗更多营养,与宿主动物竞争营养有关值得考虑。

   有一种微生物添加剂粪链球菌(Streptococcus  faecalis)是可以耐抗生素的,它可以改变饲喂含有抗生素日粮的断奶仔猪消化道的微生物菌群(Ozawa 等1983),它可以使双岐杆菌、链球菌和乳酸杆菌的群落更稳定,所以,筛选一些不受抗生素影响的有益细菌菌株,也许是解决目前两者同时使用的一种措施。

 

冯定远

华南农业大学动物科学学院院长;动物营养与饲料科学教授、博士生导师;广东省“千百十工程”省级学术带头人;中国动物营养学分会常务理事;饲料安全与饲料生物技术专业委员会主任;中国饲料工业协会常务理事;中国饲料经济专业委员会副理事长;动物营养学国家重点实验室学术委员;农业部全国饲料评审委员会委员;广东省饲料工业协会副会长。在酶制剂、微生态制剂、中链脂肪和有机微量元素等的应用有一定的研究。

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