凝结芽孢杆菌的生物学功能及其在动物生产中的应用

陈明，朱爱萍，黄欣爱，赵建

(江苏农牧科技职业学院， 江苏 泰州 225300)

随着畜牧业规模化生产不断发展，集约化养殖造成动物疫病防治问题突显，其中抗生素的过度使用，以及长期使用抗生素产生的耐药性、药物残留等问题也愈加明显。因而“减抗”、“替抗”产品的开发研究成为当前畜牧养殖中亟需解决的问题，对益生菌研究及合理利用成为畜牧业重要的研究课题，对凝结芽孢杆菌的研究，在益生菌领域已成为近年来国内外学者的研究热点，并被研究者们所关注。凝结芽孢杆菌(Bacilluscoagulans，BC)于1932年被首次发现，通过小鼠试验，证实了它的安全性[1-2]。凝结芽孢杆菌于1992年被美国食品与药物管理局(FDA)和美国饲料控制官员协会列入可用于饲料的安全菌株名单中[3]。我国农业部将凝结芽孢杆菌收录于《饲料添加剂品种目录(2013)》中，其可以应用于猪、肉鸡和水产3类动物中。作为一种新型的饲料添加剂，凝结芽孢杆菌可以在调节动物的肠道健康，维持肠道菌群平衡，改善肠道结构，提高机体免疫力，促进养分吸收，降低环境污染等方面发挥作用[4-6]。根据国内外相关研究成果，综述了凝结芽孢杆菌的生物学功能、在动物生产中的应用，旨在为进一步开发利用凝结芽孢杆菌提供参考。

凝结芽孢杆菌的性状及理化特性有利于其应用在动物生产中。凝结芽孢杆菌又称为芽孢乳酸菌，属于硬(或厚)壁菌门肠道乳酸菌，是兼性厌氧型革兰氏阳性菌。它的大小为0.9×(3.0～5.0) μm，胞体呈杆状，两端钝圆，单个、成对、少数呈短链状，芽孢端生，无鞭毛，可运动，菌落形态呈不透明白色，且表面突出的圆形形状。最适生长温度为37～45 ℃，最适pH值为6.0～7.0[7-8]。凝结芽孢杆菌可利用葡糖糖、木糖等产生L-乳酸，具有乳酸杆菌和双歧杆菌等肠道主要有益菌相似的益生功能。凝结芽孢杆菌芽孢状态对环境具有相当强的抗逆性，对高温、胃酸和胆盐都有一定的耐受能力[9]。凝结芽孢杆菌在高温100 ℃处理10 min，存活率仍可达96%，在干燥的室温条件下，凝结芽孢杆菌以其活菌固体制剂的形式，可以在使凝结芽孢杆菌活菌数不减少的情况下保存3～5年。凝结芽孢杆菌在1%～8% NaCl溶液中可存活4周，pH值1.0时仍可以存活，但抗逆性下降。与双歧杆菌、乳酸菌等其他益生菌相比，凝结芽孢杆菌能耐受胃酸和消化酶的双重作用，并于肠道中定植存在。

1 凝结芽孢杆菌的生物学功能

1.1 促进养分的消化吸收，提高饲料利用率

凝结芽孢杆菌具有庞大的酶系统，可产生蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶以及木聚糖酶等[10]，促进胃肠道饲料的消化，从而提高饲料的利用率。凝结芽孢杆菌在动物消化道内生长、繁殖和定植，直接产生维生素、氨基酸、短链脂肪酸等多种营养物质，加快小肠蠕动的速度，改善肠道消化功能，进而促进机体对饲料中各种营养成分的消化和吸收[11]。凝结芽孢杆菌分泌乳酸不仅能促进部分钙、磷、镁离子的产生，提高动物机体对钙、磷离子的利用率，还能促进铁和维生素D的吸收，促进动物健康生长。许多研究均表明，凝结芽孢杆菌增殖、增生过程能够分泌包括蛋白酶、淀粉酶及多种非淀粉多糖酶[12-15]。邢冠润等[16]研究也显示，添加凝结芽孢杆菌可显著提高产蛋后期蛋鸡小肠黏膜消化酶(淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶)的酶比活力。黄世猛等[17]报道，凝结芽孢杆菌能促进蛋鸡钙， 磷的消化吸收。

1.2 抑制肠道有害微生物生长，保证肠道健康

大量的研究推测凝结芽孢杆菌的抑菌机理，主要观点认为，凝结芽孢杆菌能产芽孢而耐受胃酸和胆汁等不利条件，它以活菌的形式进入肠道后，在小肠内消耗游离氧，降低肠内氧浓度。凝结芽孢杆菌的定植优化了肠道有益厌氧菌(乳酸菌和双歧杆菌)的生长环境，从而调节了肠道微生物菌群的平衡。凝结芽孢杆菌对游离氧的消耗，抑制了需氧的有害菌。此外，凝结芽孢杆菌在代谢过程中分泌了一种抗菌肽，被称为凝结素[18-23]。凝结素穿透细胞膜，不受α-淀粉酶、酯酶和有机溶剂影响，对肠球菌等多种有害菌有抑制效果；同时凝结芽孢杆菌产生的乳酸可降低肠道pH值，抑制有害菌生长。研究表明，凝结芽孢杆菌对沙门氏菌有一定抑制作用[24]。相关试验结果证实，饲喂凝结芽孢杆菌能够显著降低断奶仔猪粪便中的致病大肠杆菌的数量[25-26]。在鸡上的研究证明，凝结芽孢杆菌可维持肉鸡盲肠内环境稳定，促进蛋鸡动物肠道乳酸菌的生长繁殖[27-29]。Kapse等[30]研究也表明，凝结芽孢杆菌可作为营养补充剂，消灭肠道病原体。

1.3 增强机体免疫力,提高抗病能力

凝结芽孢杆菌在肠道上皮黏附、定植，通过占位来阻碍致病菌在胃肠道的繁殖，有效激活单核吞噬细胞的吞噬活性，刺激机体分泌溶菌酶。凝结芽孢杆菌代谢可产生超氧化物歧化酶和短肽链的脂肪酸，降低机体内的自由基，中和胺类物质，降低体内毒素，减少动物肝脏的负担。凝结芽孢杆菌通过促进B淋巴细胞增殖，增强IgA和IgG的分泌能力，提高机体的体液免疫水平；通过提高效应T淋巴细胞数量，增强巨噬细胞的活性，诱导细胞因子IL- 4 、 IL-6、IL-10、TNF-α和IFN-γ的分泌，提高机体的细胞免疫水平[31]。体外试验表明，凝结芽孢杆菌的发酵上清液及细胞壁成分，可通过调节细胞因子、抑制活性氧和增强细胞吞噬作用来提高肠道免疫能力，另外凝结芽孢杆菌能促进消化道黏膜发生免疫反应[32-33]。在肉鸡上添加饲用凝结芽孢杆菌，显著提高了肉鸡的胸腺指数和法氏囊指数，也显著提高了肉鸡脾脏指数[34]。 有研究报道，饲用凝结芽孢杆菌显著提高了肉鸡血清白蛋白含量[35]。Baron等[36]研究证明，凝结芽孢杆菌GBI-30能够提高T细胞数量和肿瘤坏死因子的含量，认为凝结芽孢杆菌可用来防治腺病毒和甲型流感病毒等特定病毒感染。

2 凝结芽孢杆菌在动物生产中的应用

2.1 家禽生产上的应用

2.1.1 蛋禽

凝结芽孢杆菌广泛使用在蛋禽日粮中，影响着蛋禽的生产性能，蛋品质，死淘率和机体的免疫力。赵必迁等[37]研究结果显示，在鸡产蛋高峰的饲粮中添加150 mg/kg的凝结芽孢杆菌后，显著提高了罗曼粉壳蛋鸡的产蛋率，降低了破蛋率，并且有降低料蛋比的趋势。 也有研究报道，在饲料中添加100 mg/kg凝结芽孢杆菌，可显著提高32周龄罗曼蛋鸡蛋壳强度和蛋壳厚度，但对蛋鸡日采食量、蛋质量、产蛋率和料蛋比等影响差异不显著，除此之外，对鸡蛋的蛋壳、蛋黄比例、蛋清比例和哈氏单位影响也不显著[38]。在35周龄新罗曼蛋鸡日粮中，添加含量为0.30×106～1.0×106cfu/g的凝结芽孢杆菌，具有改善蛋鸡生产性能的效果[39]。邢冠润等[16]研究显示，在66周龄“京粉1号”蛋鸡饲粮中，对3个试验组分别添加含量为3.33× 106、1 × 107和3.33× 107cfu/g的凝结芽孢杆菌制剂，各试验组次品蛋率、沙壳蛋率、腹泻率均显著降低；3个试验组血清中IgG、IgA、IL-2、IL-4、IL-10、TNF- α以及小肠黏膜sIgA的含量均有显著提高，同时提出其适宜添加剂量为3.33×106cfu/g。Anwar等[40]报道，饲用益生菌对于强制换羽期间蛋鸡的产蛋率有迅速恢复的效果。

在蛋鸭饲料中添加凝结芽孢杆菌进行了相关试验均证实，凝结芽孢杆菌可以提高日均蛋质量。王向荣等[41]研究发现，在200日龄产蛋率约80%的临武鸭日粮中，添加凝结芽孢杆菌，显著提高了鸭蛋蛋黄颜色，蛋白高度和哈氏单位，添加量以150 mg/kg 较为适宜。梁振华等[42]进行了相似研究，试验结果则显示，蛋鸭日粮中添加100 mg/kg凝结芽孢杆菌后，能提高蛋鸭的产蛋性能，但不影响蛋品质。

2.1.2 肉禽

凝结芽孢杆菌对其生产性能、免疫器官指数、血清生化指标及肠道菌群有影响。对黄羽肉鸡的相关研究显示，凝结芽孢杆菌能显著提高黄羽肉鸡的平均日增重[43-45]。对试验组分别添加0.1%、0.15%、0.2%的凝结芽孢杆菌后，显著提高了肉鸡的全净膛率、腿肌率、胸肌率[43]；肠道沙门氏菌、葡萄球菌则显著降低，试验证实在日粮中添加0.15%的凝结芽孢杆菌制剂效果明显[43]。1～70日龄黄羽肉鸡饲粮添加200 mg/kg 凝结芽孢杆菌效果最佳，全期肉鸡成活率和胸肌率显著提高，料重比显著降低；肉鸡血清中总抗氧化能力、超氧化物歧化酶活性显著提高[44]。曹广君等[45]给试验组分别添加0.1%，0.15%，0.2%凝结芽孢杆菌，发现试验组的日均采食量均显著增加，料重比显著下降。添加了0.15%和0.20%的肉鸡，肌肉pH值显著提高，可有效地减缓肌肉酸解速度，改善肉的品质。

给AA肉鸡饲料添加1.6×107～4×107cfu/g的饲用凝结芽孢杆菌，结果添加试验组与不含抗生素的对照组相比，添加4×107cfu/g饲用凝结芽孢杆菌，显著降低了约9.20%的料重比，但平均日增重未显著提高[46]。试验证实，凝结芽孢杆菌使肉仔鸡空肠中乳酸杆菌数量增加，大肠杆菌等有害菌数量减少，调节了肠道菌群的平衡[47]。

赵娜等[48]在AV500肉鸡日粮中添加300 mg /kg凝结芽孢杆菌后发现，1～21日龄、22～42日龄肉鸡死淘率显著降低；21和42日龄肉鸡血清中的丙氨酸氨基转移酶、碱性磷酸酶活性及总蛋白、球蛋白含量显著提高，肉鸡盲肠、回肠食糜中凝结芽孢杆菌数量显著升高，大肠杆菌数量显著降低。 在白羽肉鸡饲料中分别添加凝结芽胞杆菌BCO1，可显著降低料重比，死淘率下降，胸腺指数、法氏囊指数显著提高，肠道中的大肠埃希菌数量下降[49]。 试验证实，凝结芽孢杆菌可以促进肉鸡的生长，增加肉鸡日增重，提高饲料报酬，降低病死率[50]。

曾丽莉等[51]研究了凝结芽孢杆菌对樱桃谷肉鸭的影响，结果显示，在樱桃谷肉鸭配合饲料中添加200～300 mg /kg的凝结芽孢杆菌，可提高其日增重，降低料重比，提高血清中碱性磷酸酶活性和总蛋白含量，同时提高十二指肠内容物消化酶活性，增加盲肠乳酸杆菌含量和降低大肠杆菌含量，改善肠道微生态环境。

2.2 猪生产上的应用

随着我国养猪业“减抗、替抗”的步伐的加快，研发与推广替代抗生素等的饲料添加剂，以保障猪群的健康，尤其是幼龄仔猪的健康，已成为养猪业的紧要问题[52-54]。凝结芽孢杆菌应用于猪饲粮中能促进肠道中消化酶的分泌，改善机体新陈代谢，调节断奶仔猪的肠道菌群，提高断奶仔猪日增重，降低断奶仔猪的腹泻率。另外，凝结芽孢杆菌反硝化、降解氨、氮的数据显示，其可以有力的改善断奶仔猪保育舍环境，降低畜禽养殖粪尿污染[52]。

凝结芽孢杆菌可以提高断奶仔猪日增重，降低腹泻率的作用[53]。试验证实，凝结芽孢杆菌是很好的“减抗”和“替抗”的产品[54-55]。余冬友等[53]研究在含有组合抗生素的仔猪饲料中额外添加凝结芽孢杆菌对断奶仔猪生产性能的影响，结果显示，未显著提高仔猪的末体重、平均日增重，但是，在断奶仔猪日粮组合使用多种常规饲用抗生素的基础上，额外添加饲用凝结芽孢杆菌2×107cfu/g，具有进一步减少仔猪腹泻、提高生长速度的作用。而在日粮中添加2.5×106cfu/g凝结芽孢杆菌，不仅保障了生长猪的生长速度，能够完全替代饲用金霉素，不会产生耐药性。王乙茹等[54]进行杜×长×大(DLY)生长猪试验，对照组添加杆菌肽锌40 g/t，试验1、2、3组分别添加饲用凝结芽孢杆菌 2×106cfu/g、饲用枯草芽孢杆菌 2 × 106cfu/g、凝结芽孢杆菌2 × 106cfu/g+枯草芽孢杆菌2 × 106cfu/g，试验结果显示，试验1组显著提高了平均日增重、饲料增重比指标，同时与使用杆菌肽锌相比，单一添加饲用凝结芽孢杆菌2 × 106cfu/g的生长猪生长性能最佳。

日粮中添加凝结芽孢杆菌可以促进断奶仔猪肠道黏膜细胞的增殖与更新，改善了肠道黏膜形态和小肠内菌群结构[56]。余魁等[55]在试验中分别添加凝结芽孢杆菌2.0×106和2.0×107cfu/g，均显著提高了断奶仔猪空肠和回肠的绒毛高度/隐窝深度的比值、回肠总蛋白(TP)的含量和RNA/DNA的比值。添加2.0×106cfu/g的凝结芽孢杆菌，显著升高了回肠及结肠肠球菌、双歧杆菌数量，添加2.0×107cfu/g显著升高回肠肠球菌及结肠肠球菌及双歧杆菌数量[56]。杜洛克×长白×大白断奶仔猪饲料中分别添加凝结芽孢杆菌制剂2.0×106cfu/g和2.0×107cfu/g，显著提高了仔猪回肠内容物中乳酸菌的数量，显著降低了梭菌的数量，可以有效改善断奶仔猪的肠道菌群，降低仔猪的腹泻率[55]。将凝结芽孢杆菌添加在乳猪日粮中，使菌种定植于肠道中，显著抑制了大肠杆菌的生长[57]。

此外，饲料中添加凝结芽孢杆菌制剂有利于改善养殖场环境。，饲粮中添加了0.15%凝结芽孢杆菌制剂50亿cfu/g，添加试验组粪样的氨气含量显著降低7.20%，猪舍氨气含量降低9.34%[26]。

2.3 草食动物生产上的应用

在国内，凝结芽孢杆菌也应用在草食动物生产上。据报道，添加凝结芽孢杆菌有提高黔北麻羊断奶羔羊养分消化率，降低羔羊断奶腹泻率，促进羔羊增重的作用[58]。在35日龄新西兰肉兔饲料中分别添加250 mg/kg和300 mg/kg凝结芽孢杆菌，显著提高了日增重和料重比；肠道各段pH值和盲肠中大肠杆菌和总耗氧菌数量显著降低，乳酸杆菌、双歧杆菌及总厌氧菌数量显著增加；十二指肠中淀粉酶、胰蛋白酶以及盲肠中纤维素酶的活性显著提高[60]。

2.4 水生动物生产上的应用

水产养殖规模的逐步扩大，引发了养殖环境的恶化、水产疾病频发，为解决这些问题，人们大量使用消毒剂和抗生素，从而形成了恶性循环。微生态制剂具有安全性高、无残留的特性，有望成为治理水产养殖环境的利器。在水产养殖中，凝结芽孢杆菌一方面具有促生长、改善肠道菌群和免疫调节等功能；另一方面具有改善水质，抑制病原微生物的生长繁殖，创造优良水生生态环境的作用。

在奥尼罗非鱼基础日粮中分别添加凝结芽孢杆菌1.0×1011、3.0×1011和6.0×1011cfu/kg，均显著提高了奥尼罗非鱼胃、肝胰脏和肠道蛋白酶活性[61]。这与袁丰华等[62]研究尖嘴鲈鱼的结果的一致。在异育银鲫饲料中添加0.3%的凝结芽孢杆菌菌粉(含菌量为5.0 × 108cfu/kg)，能够显著提高鱼体增重率、特定增长率，并能够显著降低饵料系数，提高了异育银卿幼鱼机体免疫力[63]。用添加不同浓度凝结芽孢杆菌NJ1701饲喂凡纳滨对虾，各添加组对虾的成活率均在90%以上，显著提高了凡纳滨对虾的体重、特定生长率、饲料效率和表观消化率，有效促进了凡纳滨对虾的生长，提高其血清非特异性免疫水平和对副溶血弧菌的抗病力[59，64]。

Rengpipa等[65]试验也证实，凝结芽孢杆菌制剂可以促进虾的增重率。

3 小结

凝结芽孢杆菌是一种天然的生物活性制剂，通过在动物肠道内共生生长，抑制有害微生物的生长繁殖来调整维持胃肠道内的微生态平衡，达到预防疾病和促进生长的目的。并能解决使用抗生素带来的诸多问题，现今凝结芽孢杆菌的广泛使用已经成为一种趋势。今后，专家学者应从多方面对它的使用进行考虑完善。针对不同品种和不同生长阶段的动物，确定合适的添加量；进行凝结芽孢杆菌与其他益生素及“替抗”产品(天然植物提取物、寡糖、酶制剂)复配制剂的研究。随着研究者更深层次的研究，相信在不久的将来，凝结芽孢杆菌制剂会成为替代抗生素使用的饲料添加剂之一。