益生菌对反刍动物生产及降低甲烷排放的研究进展

高 尕, 石红梅,2, 刘汉丽, 才让闹日,2, 徐 海,2,丁考仁青,2*, 马桂琳, 李鹏霞,2, 万玛吉

(1.甘南藏族自治州畜牧工作站，甘肃 合作 747000；2.甘南综合实验站，甘肃 合作 747000)

长期以来，反刍动物养殖过程中采用抗生素生长促进剂，通过限制致病性感染间接提高反刍动物生产力[1]。然而，饲料端抗生素对动物健康和环境产生的负面影响(畜产品中药物残留以及耐药病原菌等)，对消费者健康造成严重影响[2]，我国于2020年禁止在家畜饮食和疾病预防中使用非治疗用抗生素作为生长促进剂。因此，寻找新型饲料添加剂来替代此类抗生素已经成为防止畜禽疾病发生，提高动物生产能力的重要研究方向。瘤胃微生物群落在宿主的能量摄入、运输、转化和储存效率中发挥着重要作用。饲粮发酵效率取决于栖息在瘤胃中的微生物群结构。大量研究证明，饲粮组成、饲养方式和饲料添加剂等显著影响反刍动物瘤胃微生物群的组成和功能[3-4]。因此，当前畜牧业养殖中益生菌作为新型饲料添加剂以替代饲用抗生素[5]。益生菌能够抑制致病菌增殖，提高反刍动物干物质采食量和饲料转化效率，进而提高营养利用效率和生产性能，减少甲烷的产生降低能量损失，同时能够刺激和激活免疫细胞，促进反刍动物的生长性能和健康。

1 反刍动物瘤胃微生物的组成

反刍动物瘤胃中存在大量微生物，这些微生物在动物健康和生长发育等方面发挥着重要作用。瘤胃是目前已知最高效的天然纤维素降解系统之一，其内部具有数目庞大、结构复杂的微生物群落。瘤胃微生物主要包括细菌、古菌、真菌以及原虫，其中细菌数量最多约为1010～1011个/g[6]，细菌在植物纤维降解中发挥着积极的作用，与饲料降解相关的细菌占微生物种群总数的近50%～75%[7]。真菌数量约为103～106个/g[8]，厌氧真菌降解饲料颗粒中的木质纤维素成分。厌氧真菌不仅能分泌降解天然木质纤维素的酶，而且可组装成具有高效催化活性的多酶复合体[9]。瘤胃甲烷菌为109个/g，产甲烷古菌在瘤胃生态系统中发挥着特殊的作用，主要通过氢营养型(约占75%)和甲基营养型途径(约占20%)产生甲烷[10]。纤毛虫原生动物的种群数量分别为104～106个/g[11]，瘤胃中原生动物通过与其他瘤胃微生物群落相互作用影响CH4和其他瘤胃发酵终产物的数量[12]。

2 益生菌

联合国粮农组织和世界卫生组织将益生菌定义为：给予一定数量的、能够对宿主健康产生有益作用的活的微生物[13]。益生菌选择性地刺激肠道微生物菌群(特别是内源性益生菌)的生长与活性，来维护肠道微生物平衡，防止肠道病原体在肠道定植，增加宿主消化能力，降低胃肠道pH值，并对宿主健康产生影响。益生菌主要分为酵母菌和细菌两大类。

2.1 酵母菌

酵母(Saccharomycescerevisiae)是反刍动物饲料添加中最常见的益生菌之一，其在稳定瘤胃内环境以及充分发挥微生物菌群(特别是纤维分解菌)功能方面具有重要作用[14]。酵母能够为反刍动物提供有机酸和维生素，以刺激乳酸菌(Lacticacidbacteria，LAB)的生长[5]，通过维持瘤胃pH稳定，增加纤维素分解菌的数量来改善瘤胃代谢，并通过消耗瘤胃中的氧为厌氧菌提供有利生存环境[15]。

2.2 细 菌

研究发现，细菌益生菌可提高反刍动物干物质采食量、饲料转化效率、日增重以及产奶量和乳脂含量[16]。细菌益生菌可通过分泌细菌素刺激免疫系统，阻断病原菌的生长，调节胃肠道微生物平衡[5]。细菌益生菌主要包括芽孢杆菌(Bacillus)，双歧杆菌(Bififidobacterium)、肠球菌(Enterococcus)、反刍月形单胞菌(Selenomonasruminantium)、乳酸杆菌(Lactobacillus)、费氏丙酸杆菌(Propionibacteriumfreudenreichii)、埃氏巨球型菌(Megasphaeraelsdenii)和布氏普雷沃氏菌(Prevotellabryantii)等[17]。其中反刍月形单胞菌，埃氏巨型球菌和费氏丙酸杆菌等属于瘤胃中的可直接饲喂微生物(direct feeding microorganism，DFM)，这类细菌对瘤胃微生物群落有更强的适应能力[18]。目前，牛胃肠道中已被鉴定的主要细菌占整个群落的90%[19]，其中的少数群体具有作为DFM的潜力[20]。例如，瘤胃中白瘤胃球菌(Ruminococcusalbicans)和黄瘤胃球菌(Ruminococcusflavanum)可提高瘤胃纤维消化能力[9]。复合乳酸菌显著降低了牛瘤胃pH值，提高牛血液中胆固醇、白蛋白和尿素氮含量以及干物质采食量[21]。

3 益生菌改善反刍动物生产性能

3.1 益生菌对牛的发酵性能的影响

瘤胃发酵主要依赖于其微生物之间以及微生物与宿主之间的相互作用。pH是瘤胃发酵的重要指标，维持瘤胃pH稳定能够降低瘤胃酸中毒的风险。酵母(主要是酿酒酵母)是常用于奶牛的益生菌，而产乳酸细菌(肠球菌、乳酸杆菌)则多用于成年反刍动物，能够维持乳酸水平的稳定，同时可以降低瘤胃酸中毒的风险，酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)为瘤胃微生物提供生长所需的有机酸、寡糖、维生素B和氨基酸[22]，并通过影响瘤胃发酵，提高反刍动物的生产性能及饲料效率[23]。埃氏巨型球菌(Megasphaeraelsdenii)或丙酸杆菌属(Propionibacteriumspecies)能够利用乳酸，作为DFM以避免瘤胃乳酸的积累[24]。活性干酵母菌株通过刺激纤毛虫原生动物迅速吞噬淀粉，从而有效地与分解淀粉的产乳酸菌竞争，进而维持瘤胃pH稳定[25]。Desnoyers等[26]通过定量Meta分析证明添加酵母能够显著增加瘤胃pH值及VFA含量。饲料中添加活酵母能对动物的平均日增重和采食量的影响存在差异[27-28]，可能是由于反刍动物瘤胃中原始微生物组成的差异，微生物具有不同的pH耐受性，例如，纤维溶解细菌通常比糖化细菌对pH值更加敏感[29]。

3.2 提高采食量和营养物质消化率

Chaucheyras-Durand等[30]研究表明饲料添加益生菌(酵母SC I-1077)减少了泌乳奶牛的采食间隔，有助于维持瘤胃pH稳定并刺激饲料采食量和养分消化率，从而增加瘤胃纤维降解率。Bach等人[31]观察到，在日粮中添加活酵母，显著增加奶牛的采食频率。此外，Bitcourt[32]研究发现，饲粮中添加活酵母的奶牛DMI采食量和中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)消化率分别比对照组提高了3.2%和10%，而干物质消化率(dry matter digestibility，DMD)和有机物消化率(organic matter，OMD)分别提高了2.7%和2.3%。Gaafar等[33]在饲粮中添加面包酵母，水牛的干物质(dry matter，DM)和有机物(organic matter，OM)消化率分别提高了2.7%和3.2%，粗蛋白质(crude protein，CP)和粗纤维(crude fiber，CF)分别提高了2.8%和4.9%。成年反刍动物的益生菌主要用于改善瘤胃微生物对木质纤维素降解消化。这些益生菌对多种营养物质的消化过程都有积极的影响，特别是纤维素水解和微生物蛋白的合成。活酵母提高了24%的青贮饲料消化率[34]。添加酵母的饲料引起奶牛瘤胃中乳酸利用菌(如Megasphaera和Selenomonas)以及纤维溶解菌(Fibrobacter和Ruminococcus)的相对丰度增加，表明酵母能够有效改善瘤胃纤维素溶解活性[35]。此外，Guedes等[34]研究发现添加活酵母后，奶牛对玉米青贮饲料的瘤胃纤维降解青贮饲料的消化率提高了24%。活酵母能够通过增加纤维分解细菌和真菌在植物表面的定植，提高纤维在奶牛瘤胃中的降解率[36]。MIR等则发现添加活酵母对犊牛瘤胃中DM或NDF降解没有显著影响[37]，因此,酵母菌并不是在任何条件下都有益于宿主营养物质消化，仍需要对益生菌与瘤胃微生物互作机制进行研究。

3.3 提高饲料转化率和生长性能

有报道称，益生菌具有提高饲料利用效率、促进消化酶的分泌以及瘤胃的发育，减少氨及甲烷等有害气体的产生等功能[38]。De Ondarza等人[39]研究表明，14种不同类型的活酵母提高奶牛约3%的饲料转化率。此外，1.1×108cfu/kg的詹氏丙酸杆菌(Propionibacteriumjensenii702)分别增加犊牛的8.2 kg断奶重和16.4 kg总重[40]。另一项研究发现添加酵母培养物的饲料导致荷斯坦犊牛的平均日增重、断奶前、断奶重分别提高13.5%，11.03%以及20.94%[41]。同样，Mudgal和Baghel[42]发现水牛犊牛采食添加嗜酸乳杆菌的饲粮，体重增加了31.4%。Mosoni等人[43]研究发现，添加活酵母的饲粮会使牛瘤胃中的琥珀酸纤维杆菌(Fibrobactersuccinogenes)和黄色瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)的数量分别增加了45%和85%。酵母菌可能是通过影响瘤胃微生物相对丰度以及其活性，从而增加瘤胃纤维降解效率。大量研究表明，在饲料中添加益生菌提高了反刍动物的饲料消化率以及生产性能[44-45]。虽然过去的研究结果表明饲料中添加益生菌有助于反刍动物瘤胃发酵，但仍然没有确凿的证据表明在任何条件下都是有益的[27]。益生菌在瘤胃中的作用机制尚不明晰，仍需要对其机理进行进一步研究。

3.4 增加产奶量

饲料中添加益生菌能够改善动物的健康状况，提高反刍动物的产奶性能[46]。采食添加酵母饲料的荷斯坦奶牛与对照组相比，产奶量增加了1.1 kg/d(提高约8%)[47]，乳脂(每天53 g/头)和乳蛋白(每天41.7 g/头)显著高于对照组(每天47 g/头和每天38.7 g/头)。另一项研究表明，每1饲料中添加0.25 g的活酵母，奶牛的日平均产奶量增加4.1%[48]。Ayad等[49]报道添加酵母益生菌使奶牛在前6周产奶量提高了23%，泌乳高峰平均延长1周。饲粮中添加酵母对奶牛泌乳的改善程度可能取决于其所处的泌乳阶段，根据Majdoubm-Mathlouthi等[50]的研究，在泌乳早期饲喂酵母能够显著提高奶牛泌乳时间和产奶量。每头牛饲粮中添加酵母(1×1010cfu/d)的荷斯坦奶牛与对照组相比，牛奶产量增加3%，牛奶中乳蛋白和乳糖分别提高3.3%和4%，但乳脂含量与对照组无显著差异[32]。因此，酵母益生菌会引起奶牛产奶性能的差异可能是受到饲粮类型、酵母种类和添加剂量以及试验动物的生理和营养状态等因素的影响。

3.5 益生菌减少反刍动物产甲烷

饲粮中添加酵母能够减少瘤胃发酵过程中甲烷(CH4)气体的形生成[51]。研究表明，酵母降低肉牛瘤胃中的CH4产量，而对挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)没有显著影响[52]。大量研究证明利用DFM或益生菌调控瘤胃生态系统，是降低瘤胃甲烷产量的有效途径之一。DFM可以通过抑制产甲烷菌或甲烷营养细菌和二氧化碳营养细菌等方式影响甲烷生成。酵母菌通过刺激产乙酸菌与产甲烷菌竞争H2，从而减少CH4的形成[23]。Kim等[53]研究表明，直接添加乙酸菌也可降低反刍动物CH4产量。在瘤胃体外发酵系统中添加6×106cfu的活酵母处理组CH4产量降低17.2%[54]。瘤胃中乙酸酯的生成途径是一种公认的H2利用机制，它与甲烷生成同时存在于瘤胃中，这种机制不仅可以减少CH4的产量，而且其产物乙酸酯可作为动物的能量来源。瘤胃中的H2是产CH4的关键前体，丙酸的代谢途径会利用瘤胃中的H2[55]。瘤胃中琥珀酸途径是生产丙酸的主要途径，其中苹果酸、富马酸和琥珀酸作为中间产物形成[56]。在这一途径中，富马酸还原菌(如琥珀酸沃林氏菌，Wolinellasuccinogenes)、产琥珀酸菌(如琥珀酸纤维杆菌，Fibrobactersuccinogenes)和琥珀酸利用菌(如反刍硒单胞菌，Selenomonasruminantium)等细菌的混合也参与其中。Mamuad等[57]报道富马酸还原菌改变瘤胃微生物群落，促进瘤胃发酵，降低体外CH4产量。在体外实验中，随着瘤胃VFAs总量的增加，添加产富马酸还原酶肠球菌(EnterococcusfaeciumSROD)也降低了CH4的生成[58]。瘤胃中硫酸盐还原途径与甲烷生成途径同样存在竞争关系，但硫酸盐的最终产物是有毒的硫化氢(H2S)[59]。只有当硫酸盐作为饲料添加剂添加时，硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria，SRB)才能促进硫酸盐的还原，降低甲烷的生成。SRB在厌氧环境中，与产甲烷菌竞争H2、甲酸和乙酸。例如，使用Fusobacteriumsp.作为益生菌，在体外实验条件下，高水平硫酸盐饲粮降低了CH4产量，在72 h时CH4产量从2.66 mmol/g DM降低到1.64 mmol/g DM，终产物H2S在瘤胃中没有积累[60]，而在硫酸匮乏的环境中，硫酸盐还原菌成为氢气的生产者[61]。结果表明硫酸盐还原菌(SRB)与产甲烷菌竞争关系很大程度上取决于瘤胃中硫酸盐含量。因此，益生元与益生菌混合使用时，需控制两者之间的配比。

4 展 望

益生菌在畜牧生产和人类健康等方面发挥着重要作用。目前大量研究表明，益生菌通过影响牛胃肠道微生物区系，增加瘤胃环境的稳定性、抑制胃肠道致病菌的生长、调节免疫细胞、改善纤维降解和发酵，但对瘤胃微生物群落的动态和功能的影响还需要更详细的研究。肠道菌群的结构和活性，肠道菌群之间的功能相互作用，以及微生物与宿主细胞之间的关系，是研究益生菌的基础。通过多组学技术对反刍动物瘤胃进行全面的研究，评估益生菌在改善反刍动物生产性能的可持续性，对提高反刍动物生产性能以及益生菌潜在能力的挖掘具有重要意义。