氧化锌对肠道微生物的影响

郝 澍，张 弦 译自 AllAboutFeed Vol.23(2015)，№3：6～8贾良梁 校 何 闪 制图表



氧化锌对肠道微生物的影响

郝 澍，张 弦 译自 AllAboutFeed Vol.23(2015)，№3：6～8
贾良梁 校 何 闪 制图表

在肉鸡生产过程中，有望在保证对饲料的生长性能不会产生负面影响的前提下，通过优化饲料中甘氨酸的当量水平和其他会影响甘氨酸和丝氨酸反应的因素来进一步减少饲料中粗蛋白的含量。

氧化锌可以用于应对断奶时由于肠道微生物变化而导致的幼畜腹泻。加之抗生素耐药性和多重耐药性大肠杆菌菌株的形成，氧化锌的作用值得我们去进一步研究。

分子生物学研究已经表明，猪的肠道微生物由数十个包含上百种细菌的菌群组成，而每种细菌又可以分成更多的菌株。作为一个整体，这些菌群的代谢潜能以及功能具有巨大的多样性，它们的总数至少超过宿主动物体细胞总数的10倍。一般认为肠道菌群除了其他功能外，与免疫系统的成熟有关，它作为抵抗病原菌过度增殖的屏障，通过利用后肠发酵的细菌代谢产物帮助动物储存能量。

肠道系统有多个截然不同区段，这些区段栖居着不同的菌群。如哺乳仔猪胃中栖居着大量乳酸菌。尤其是乳酸杆菌，已知它们构成了防御病原体的屏障。乳酸杆菌也是猪小肠中的优势菌。它们与肠道上皮进行密切的相互作用，从而促进机体免疫系统成熟。尽管乳酸杆菌在小肠中占据主导地位，但是肠杆菌(该类群最为人熟知的成员是大肠杆菌)和乳酸发酵菌(韦荣球菌属及其他乳酸发酵菌属)等其他菌群也在该区段生长良好。乳酸杆菌的优势地位止于后肠，未消化的营养物质和来自宿主的分泌物(脱落的上皮细胞、黏蛋白、内源性蛋白)则被多种多样的严格厌氧菌发酵，它们发酵多种底物的潜力近乎无穷大。

1 断奶时的肠道细菌

肠道菌群一旦建立将能够快速适应环境的变化，如日粮改变。成年动物肠道内已有的菌群不易发生改变，而幼龄动物还处于建立稳定的肠道菌群的时期，因此易于改变。断奶过程就是这一个改变的时期，这个过程的重要性不仅针对仔猪而言的。哺乳仔猪的肠道菌群本来很容易适应以乳汁和宿主内源性营养物质(黏蛋白、上皮细胞等)等形式存在的发酵底物。突然变换成固态日粮以及肠道生理功能发生的急剧变化，促使能引发混乱状态的菌落进行重新分布。条件性致病菌借机大量增殖。肠道致病菌通常会在菌落不平衡的情况下增殖，可能会造成底物利用率降低，抑制其他细菌的竞争，或者宿主上皮组织的形态学改变或免疫反应，从而使肠道易受病原体入侵。带来显而易见的后果是断奶仔猪腹泻，作为动物抵抗肠道机能障碍的一种对策。

2 日粮氧化锌的抗菌作用

为了解决这一问题，很多国家在猪日粮中添加高剂量的氧化锌(高达3 000 mg/kg饲料)从而有效地控制仔猪断奶后的腹泻。氧化锌中起到抗菌作用的是游离Zn2+，它可以扩散到细菌细胞内，并作为一种基团。尽管细菌需要微量的锌作为辅助因子来维持自身的代谢，但Zn2+(或者其他重金属离子)的毒性对它们来说更为重要。细菌已经进化出各种机制来消除细胞内Zn2+过量富集所产生的有害作用。一般来讲，肠杆菌等革兰氏阴性菌依赖于质子-阳离子转运机制，而乳酸菌等革兰氏阳性菌则利用P型腺苷三磷酸水解酶来转运Zn2+。

氧化锌在生理pH条件下高度不溶，但是在酸性条件下(如猪胃中)则会产生Zn2+。事实上，超过50 %的总氧化锌能以无机Zn2+的形式存在于断奶仔猪胃中。因而，可以说胃是毒性Zn2+控制胃肠道有害微生物的起始点。

然而，氧化锌晶体的表面效应在抗菌功能上可能还发挥一定的作用，因此氧化锌的分子结构是一项要考虑的重要因素。事实上，镀氧化锌的医疗器械已使用很久。对原材料的不同处理也会造成氧化锌的物理状态不同：所谓的“威尔兹”煅烧工艺可产生氧化锌含量约40 %(食用级别)的产物和大量其他重金属元素(如钙)；而经硫化氢处理，氧化锌有效含量高达90 %，同时大大降低了其他矿物元素的污染。

3 不同浓度的氧化锌

日粮中高浓度的氧化锌会显著影响肠道微生物。深度测序研究发现，高锌日粮对众多菌群组成会产生不同的反应。最显著的反应可见于断奶后1周～2周。而且，相比于低锌日粮，肠道微生物菌群组成变化最为巨大的是在胃和小肠中，而在后肠中的变化并不明显。

最值得关注的推论是：优势乳酸杆菌种类的持续减少，结果导致乳酸菌的组成转向异型发酵菌种(Weissella、Leuonostoc、Steptococci)，梭状芽孢杆菌数量的猛增以及肠杆菌多样性提高。就该课题进行的一些研究观察到，在使用大剂量氧化锌2周后，作为肠杆菌一员的大肠杆菌并未受到明显抑制。抑制肠道菌的主要作用局限在仔猪断奶后的第1周。事实上，更为深入的研究表明，仔猪在断奶后的第3天和第4天就可以观察到大肠杆菌数量的明显减少，减少程度取决于采食量的大小。

菌群变化通常与无机Zn2+的含量最为相关，而与蛋白结合锌相关性不大，和整体锌含量完全不相关。因而，实际起抗菌作用的很有可能是无机Zn2+。

肠道菌群组成会在仔猪断奶4周后逐渐趋向“正常”，但是可观察到Zn2+对代谢产物的持续作用。如延长氧化锌的使用至断奶后3周～4周，会减少肠道末端短链脂肪酸的产生。这可能是氧化锌的不良反应，因为猪会将这些代谢产物用作能量储备。

4 增加锌的浓度

细菌适应高浓度锌的能力在使用氧化锌的第1周就已经可以观察到了。利用肠道内容物进行的试验表明，与饲喂低锌日粮的猪相比，饲喂高锌日粮的猪肠道细菌能更快地适应高锌培养基。最值得注意的是，肠道菌是最为全能的(如：在上述处理中适应力最强)。而该现象仅在仔猪断奶后2周内可以观察到(图1)。

由于断奶仔猪腹泻通常是由致病性大肠杆菌所引起的，因而人们普遍认为锌的直接效应之一是减少这些致病性大肠杆菌的数量。然而，不同研究小组围绕饲喂高锌日粮2周后肠道内重要菌群组成进行的研究一致发现乳酸菌数量减少而梭菌数量增多。对肠杆菌科细菌的观察没有发现有变化，但菌群多样性提高除外。仅在刚断奶时，高锌对大肠杆菌有抑制效应。

图2 猪生产者想看到的仔猪状况

5 有益的、有害的以及可怕的细菌

如果“有益”乳酸菌减少了，“有害”梭菌增加了，以及“可怕的”肠杆菌未发生变化，那我们怎么能够解释断奶后仔猪腹泻的减少？

我们必须对这些细菌进行区分。的确，一般认为乳酸菌属于有益菌群，但它们在肠道内并非是唯一的；同时，梭菌并非全部是有害菌，只有微小的一部分梭菌是致病的。梭菌是一类多样性极为丰富的细菌，事实上，后肠的发酵主要依赖于梭菌。最后，肠杆菌是肠道内的正常栖生菌。与梭菌类似，该细菌家族中有少量害群之马败坏了整个菌群的名誉。

那么，肠杆菌的益处是什么？肠杆菌可以调节其周边的有害病原菌，如可以导致断奶仔猪腹泻的病菌。这些病原菌菌株同其他非致病性肠杆菌一起寄生在同一小生境中，发酵同样的底物，且需要同样的促生长因子。肠道内肠杆菌多样性的提高，使其对“新鲜底物”的竞争力增强，从而降低病原菌的定植潜能。但这也有其不利之处。

6 警告

伴随着氧化锌在断奶仔猪中的应用，抗生素耐药性提高。最近的报道表明，在猪上，肠道内的肠杆菌对四环素类、磺胺类和喹诺酮类抗生素的耐药性均增强，同时鼻腔内金黄色葡萄球菌对二甲氧苯青霉素的耐药性也增强。此外，高锌日粮会导致多重耐药性大肠杆菌菌株的形成。

该效应的分子机理可以解释为协同耐药，其被定义为两种或多种编码耐药性的遗传成分在遗传上相似性极大。目前已知其与金黄色化脓葡萄球菌对锌与四环素的抗性以及对锌和二甲氧苯青霉素有关。就肠杆菌而言，这些遗传成分位于能够轻易扩散的质粒上。Zn2+可以造成环境应激，加速质粒在细菌间的转移，作为防止细菌灭绝的防御反应。因此，正常的大肠杆菌菌株可能会转变为耐药性菌株。这种环境应激维持的时间越长，形成耐药菌株的可能就越大。事实上，进一步观测肠杆菌对四环素类、磺胺类、喹诺酮类的耐药基因发现，在使用锌1周后，抗生素耐药性开始逐渐增强。

7 有效利用氧化锌

总体来说，氧化锌效果最佳的阶段似乎是在断奶后一周内(图2)。但这种针对所有细菌的抑制带来的负面危害是：正常菌群在猪肠道内的定植速度低于致病菌，其中包括会造成仔猪腹泻的大肠杆菌。随后，对致病性大肠杆菌的影响更多地来自肠杆菌高度多样性造成的更为激烈的竞争作用。

8 限制使用

随着动物生长，氧化锌的抗菌活性逐渐消失。乳酸杆菌持续减少以及后肠发酵功能的减弱可能分别会对动物今后抵抗细菌感染能力的恢复造成不利影响和损失可以从发酵中获得的能量。锌的使用和抗生素耐药性产生之间的关系应该受到密切的监测。在过去的1 000年中，一些作者建议，氧化锌的应用应该限制在断奶后两周内。显然过去十多年对该课题的研究结果与此一致。

原题名：Effects of zinc oxide on intestinal microbiota (英文)

原作者：Wilfried Vahjen博士和Jürgen Zentek教授

中图分类号：S816.72

文献标识码：C

文章编号：1001-0769(2016)04-0088-03