地衣芽孢杆菌的特性及其在生猪养殖中应用的研究进展

杨 鑫， 孙浩轩， 陈 影， 王慧丽， 金渭武， 郭世堂， 朱威宇谭 剑， 安 泰， 卢宗梅， 李 凡， 李 义， 佟 毅*

（1.中粮生物科技股份有限公司，安徽蚌埠 233010；2.中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209；3.生物化工分离提取技术安徽省重点实验室，安徽蚌埠 233010）

生猪健康养殖，养好仔猪是关键。哺乳仔猪断奶应激会造成肠道功能紊乱，免疫力低下，对病原菌敏感，引发腹泻和一系列疾病的发生，甚至造成断奶仔猪死亡。据统计，一般管理情况下，哺乳仔猪死亡率为5%~25%（蔡东东，2017）。促生长类抗生素可有效提高畜禽日增重6%，饲料利用率提升5%（Kritas等，2005）。但是，抗生素的大量使用加剧了致病菌耐药性、抗生素残留、畜禽粪便难以回收利用等问题。因此，“减抗”“替抗”趋势下，绿色、安全、高效的新型饲料添加剂成为当前研究热点。

地衣芽孢杆菌作为兼性厌氧菌，一定条件下可代谢产生抗逆性内生孢子，代谢产生脂肽、磷脂类、多烯类、氨基酸类等多种抑菌物质，并可分泌α-淀粉酶、环糊精葡萄糖基转移酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、葡聚糖酶、纤维素酶、植酸酶、几丁质酶等，有助于降解饲料原料中的抗营养因子（李福彬，2010；董尚志等，2009）。地衣芽孢杆菌于2003年作为新饲料添加剂进入我国饲料添加剂目录；2019年8月8日，欧盟食品安全局动物饲料添加剂和产品研究小组针对地衣芽孢杆菌DSM 32457做出评价，其作为青贮饲料添加剂对目标物种、饲喂动物人员和环境是安全的。地衣芽孢杆菌芽孢可耐受多种不利条件，具有很好的抗逆性，如耐高温、耐辐射、耐受消化酶、耐酸碱、耐胆盐等。因此，在饲料生产、粪便处理和环境污染治理等方面得到了广泛应用，是最具潜力的抗生素替代品之 一（Dumitru等，2019；Upadhaya等，2015）。地衣芽孢杆菌菌剂推荐添加量为1×106~5×106CFU/g，因其有氧状态下快速消耗氧气，生长繁殖过程中会消耗能量，生长繁殖过程中会消耗能量，因此不宜超过108CFU/g或长期使用，否则会出现个别猪腹泻及料肉比增加的问题（郭浩等，2019）。据报道，芽孢杆菌对氯霉素、痢特灵、土霉素、红霉素、金霉素、黄霉素具有高度敏感性；对氟哌酸和杆菌肽锌中等敏感；对抗敌素、喹乙醇敏感性低；对霉敌不敏感（程林春，2003）。Hnederikx（1986）报道，瘘管猪食用含芽孢的饲料后，空肠内容物中芽孢萌发率为50%~70%，粪便中萌发率为85%~90%；地衣芽孢杆菌属于过路菌，不会在畜禽动物肠道内定植（唐喜仁等，2020；Esther等，1998）。本文综述了地衣芽孢杆菌对生猪生长性能、机体免疫、肠道健康的影响和机制，探讨地衣芽孢杆菌在生长养殖中的应用前景。

1 地衣芽孢杆菌的发展简史

吴铁林等（1990）于1986年分离获得一株地衣芽孢杆菌BL20386，其生物毒性低，基本无毒，以其制备的微生态制剂“整肠生”，可用于细菌或真菌引起的急、慢性肠炎、腹泻及胃肠道菌群失调防治。1989年，地衣芽孢杆菌被美国FDA和美国饲料控制官员协会认定为可以直接饲喂且一般认为是安全的微生物物种。2003年我国农业部318号公告将地衣芽孢杆菌列入饲料添加剂目录，作为新饲料添加剂。2010年版《饲料添加剂品种目录》中，地衣芽孢杆菌由新饲料添加剂转变为饲料添加剂，其安全性得到业内认可（田广斌等，2011）。《饲料微生物添加剂 地衣芽孢杆菌》农业行业标准NY/T 461-2007、团体标准T/ZZB 1406-2019相继推出。

2 地衣芽孢杆菌的形态及生物学特性

地衣芽孢杆菌是能够产生内生芽孢的兼性厌氧微生物，为革兰氏阳性细菌。细胞（营养体）形态和排列呈直杆状、单生、成对或短链排列，大小为（0.6~0.8）μm×（1.5~3.5）μm，两端钝圆。细胞内无聚β-羟基丁酸盐（PHB）颗粒芽孢形态，近中生的椭圆状芽孢，孢子囊稍膨大，大小为0.8 μm×1.3 μm，周生鞭毛稀疏，可运动。地衣芽孢杆菌具有多种菌落形态，因菌落呈现地衣状而得名，菌落呈现米白色，在含有铁离子的培养基上呈现红色。

地衣芽孢杆菌生长温度为15~45℃，pH为5.7~8.3，高温制粒过程致死率<10%，耐受0.3%胆盐、人工胃液和人工肠液，高锌（3000 mg/kg）存活率80%以上，高铜（250 ppm）存活率60%以上，对红霉素、环丙氟哌酸、氯霉素、青霉素、庆大霉素、金霉素敏感，对防霉剂（丙酸、丙酸钠）不敏感，对大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌具有抑菌活性（罗鹏，2019；张艳萍，2016；董尚智等，2009）。唐丽娟（2005）研究发现，地衣芽孢杆菌W10代谢产生的抗菌蛋白为不含α-氨基的脯氨酸或羟脯氨酸，不含有赖氨酸和精氨酸的糖蛋白，且对热稳定，121℃处理仍具有活性；pH应用范围为6~12，且pH 6时活性最强，对蛋白酶、紫外线、氯仿等不敏感。兰玲峰（2018）采用谷壳、麸皮、豆粕等原料进行地衣芽孢杆菌固态发酵，活菌数高达1×1011CFU/g；付维来等（2012）通过优化pH、溶氧、碳氮源等，液体培养活菌数高达1.2×1010CFU/mL。因此，地衣芽孢杆菌具有抗逆性强、抑病菌活性高且易培养等优点，是芽孢杆菌中最具有应用潜力的菌种之一。此外，其还具有促进动物生长发育、提高动物免疫力、调节代谢、优化环境等优势。

3 地衣芽孢杆菌在生猪生产中的应用及作用机制

3.1 地衣芽孢杆菌与生猪腹泻 生猪腹泻是生猪养殖过程中经常发生的疾病，通常有病毒活病菌引起的传染性腹泻如猪流行性腹泻病毒引起猪流行性腹泻（PED），以及非传染性的腹泻如暴饮暴食等引起的营养性腹泻和断奶、冷热引起的应激性腹泻等。生猪腹泻尤其是断奶仔猪腹泻是生猪健康养殖中亟待解决的重大难题。

研究发现，地衣芽孢杆菌可通过非核糖体方式合成杆菌肽，分泌几丁质酶、抗菌类蛋白等破坏病原菌细胞壁、细胞膜或与病原菌膜上相关受体结合发挥抑菌性能，对金黄色葡萄球菌、白色念球菌、大肠杆菌、沙门氏菌、产气荚膜梭菌、等致病菌均有强的抑制作用（Lin等，2019；李宁等，2018），从而减少生猪腹泻。戴国俊（2007）研究表明，地衣芽孢杆菌以50 g/t（5×108CFU/kg）添加量添加于断奶仔猪日粮中，可有效降低断奶仔猪腹泻率；有效促进仔猪肠道内有益菌（乳酸杆菌和双歧杆菌）的增殖，抑制有害菌（大肠杆菌和葡萄球菌）的增殖，一定程度上控制了断奶仔猪腹泻的产生和恶化。益生菌LSP 122含有活性孢子的地衣芽孢杆菌可用于控制断奶仔猪的腹泻，Kyriakis等（1999）将该益生菌产品与Toyocerin进行功效对比试验，开展256头断奶仔猪28 d的饲喂试验，结果显示LSP 122对控制断奶仔猪腹泻具有积极的作用效果，并可改善其生长性能；添加量为107CFU/g的高剂量组，平均日增重提高99%，平均日采食量提高27%。地衣芽孢杆菌发酵液产品（BLFP）以5 kg/t的添加量添加于杂交猪日粮中，BLFP可降低病毒效价10倍以上，减少病毒粒子释放，进而降低猪腹泻率，减少PED对养猪行业的影响（Peng等，2019）。益生菌制剂整肠生（BL20386）通过双向-双重效应，即直接拮抗致病菌和间接调整菌群，防治仔猪白痢（骆稽酉等，2001）。

3.2 地衣芽孢杆菌与生猪肠道健康 断奶是仔猪被迫适应营养和环境变化的最为关键的阶段，营养供给方式的转变将显著影响仔猪小肠上皮结构，引起肠道上皮层受损，降低营养物质的消化率，导致出现腹泻和生长迟缓的问题。

地衣芽孢杆菌CH200和枯草芽孢杆菌CH201以芽孢形式添加至饲料中，猪胃中的存活率约为添加量的25%，部分芽孢体在过胃3~12 h中萌发死亡，在肠道内芽孢杆菌将进行繁殖扩增；但地衣芽孢杆菌不能在猪肠道内定植（Leser等，2008）。戴国俊等（2007）研究表明，添加地衣芽孢杆菌可显著促进仔猪肠道内双歧杆菌和乳酸杆菌的增殖，一定程度上减缓了断奶仔猪腹泻的发生和恶化，促进了仔猪生长。董晓丽（2013）于断奶仔猪基础日粮中添加复合菌制剂（地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌），35 d后显著降低了粪便中大肠杆菌的数量。芽孢杆菌通过生物夺氧，配合植物乳杆菌代谢产生乳酸降低肠道内容物pH，抑制致病菌的生长和繁殖。断奶仔猪日粮中添加丁酸梭菌、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌，提高了增益比、1~28 d的平均日增重，降低了腹泻率、回肠细胞凋亡和TNF-α、IL-1β、IL-6含量；提高了肠道微生物菌群芽孢杆菌属丰度（Cao等，2019）。断奶仔猪日粮中添加地衣芽孢杆菌，将推迟短链脂肪酸之间的转变，增加肠道菌群的复杂性，影响肠道菌群的功能，进而维持其肠道健康（Collinder等，2003）。断奶仔猪日粮中添加地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌混合微生物菌剂上调了结肠中E-钙黏蛋白的表达水平、结肠和回肠中促炎因子和TLR-4的表达水平，进而改善肠道生态系统。同时还发现，饲喂芽孢杆菌降低了氨基酸降解微生物的丰度，从而提高肠道中乙酸盐浓度，降低了异丁酸盐和异戊酸盐浓度；提高结肠中精胺浓度，降低粪臭素浓度，同时激活肠道免疫因子信号通路，促进肠上皮细胞修复，维持肠道健康（Wang等，2021）。

3.3 地衣芽孢杆菌与生猪免疫功能 地衣芽孢杆菌通过刺激宿主机体产生抗体和提高嗜菌作用等，增强机体特异性和非特异性免疫反应，促进巨噬细胞的吞噬活性，使动物免疫力增强。通过作用肠道集合淋巴结的抗原结合位点或通过调整动物的微生物群尤其是双歧杆菌菌群起主导，间接地发挥免疫赋活的作用，提高机体的局部或全部防御功能，从而达到防病、抗病，提高增重的作用。亦有研究表明，芽孢杆菌促进动物肠道相关淋巴组织处于高度的“免疫准备状态”，同时使免疫器官发育加快，免疫系统成熟快而早，T、B淋巴细胞数量增多，动物体液和细胞免疫水平均提高（郝志刚等，2011）。

董晓丽（2013）于断奶仔猪基础日粮中添加复合菌制剂（地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌），可有效提高仔猪血清球蛋白的含量，血清免疫球蛋白IgM、IgA含量显著提高，有利于增强断奶仔猪的免疫力。仔猪日粮中添加地衣芽孢杆菌可显著增加抗氧化指标GSH-Px和T-AOC的含量，通过维持机体氧化平衡，清除自由基进而提升仔猪抗氧化性能；降低肝脏合成免疫球蛋白ALT和AST含量，减轻肝脏损伤；改善抗生素降低免疫球蛋白含量的副作用，恢复免疫损伤，提高仔猪免疫力和抗病力（李宁等，2018）。

3.4 地衣芽孢杆菌与生猪生长性能 董晓丽（2013）于35~37日龄断奶仔猪基础日粮中添加2 g复合菌制剂（地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌）饲喂35 d，一定程度上提高了仔猪的平均日增重，改善断奶仔猪饲料利用率。生长猪和育成猪日粮中添加复合芽孢杆菌菌剂（枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌），可有效降低料肉比，平均日增重提高7.6%，死亡率降低5.1%（Davis等，2008）。Alexopoulos等（2004）将BioPlus 2B（枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌）以400 g/t的添加量应用于母猪日粮，提升了母猪的采食量，并减少了母猪哺乳期的体重损失，降低了哺乳期仔猪的死亡率和腹泻率，提高了仔猪体重。将BioPlus 2B以400 g/t添加至断奶仔猪日粮，200~600 g/t添加至育肥猪日粮中，降低了断奶仔猪由于大肠杆菌导致的腹泻，减少了死亡率；中剂量和高剂量添加至育肥猪日粮中，可有效提高平均日增重（中剂量：6.4%，高剂量7.2%）和降低料重比（中剂量：8.8%，高剂量9.2%）；提高育肥猪酮体质量，中高剂量前两级别占比分别达58.33%和58.34%（Alexopoulos等，2004）。断奶仔猪日粮中添加地衣芽孢杆菌和丁酸梭菌可有效提高其生长性能，降低腹泻发生率；血清总抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、IgG、IgA、补体蛋白C3较对照组均有提升；促炎细胞因子白细胞介素6、肿瘤坏死因子-α、γ-干扰素含量较对照组均降低，表明其可作为抗生素/氧化锌的替代品（Zong等，2019）。

3.5 地衣芽孢杆菌与饲料中真菌毒素降解 玉米赤霉烯醇（ZEA）是日粮中最主要的有毒物质，猪为对ZEA最敏感的物种，会导致母猪生殖器官发育异常、流产、排卵数减少；公猪生殖器官“雌性化”、睾丸萎缩、精子数量降低等问题。从土壤中筛选得到一株对ZEA具有降解作用的地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformisCK1），液体培养基中2 ppm ZEN 36 h降解率达95.8%；ZEN污染的玉米粉培养基，36 h降解率达98%（Yi等，2011）。马俊飞（2016）将B.licheniformisCK1应用于日粮中ZEA的降解，降解率为60.8%；通过动物饲喂试验验证经B.licheniformisCK1发酵降解后的饲料，可有效缓解ZEA对仔猪的危害，确保仔猪的正常发育，尤其是生殖器官的发育（Fu等，2018）。呕吐毒素（DON）是谷物类作物中常见的真菌毒素，猪亦是易感动物，会导致猪免疫系统功能受损，肾脏、肝脏等脏器带来病理损伤。郭倩倩采用DON定向降解从土壤中筛选得到一株地衣芽孢杆菌YB9，对1 μg/mL DON 48 h降解率达82.67%，可缓解DON对动物脏器产生的不利影响，维持肠道菌群稳态（郭倩倩，2018）。黄曲霉毒素（AFT）是一类天然存在的致癌物，是毒性极强的剧毒物质，其中B1的毒性最大，主要污染粮油及其制品；猪亦是对AFT最敏感的，会导致猪产生腹泻、呕吐、食欲下降、皮肤溃烂等。殷传振（2015）将地衣芽孢杆菌DY-1、枯草芽孢杆菌KC3.3用于含有AFB1的花生粕发酵，对AFB1的降解率达18%，且混菌发酵降解效率更优。

3.6 地衣芽孢杆菌于猪舍环境控制 监测猪舍环境因素的重要指标包括环境温度、湿度、有害气体（CO2、氨气、一氧化碳、甲烷、一氧化二氮）浓度、噪音、光照等。随着养猪业的规模化、快速化、集约化发展，猪舍环境控制将直接影响猪生产潜力的发挥，影响猪只的生产性能和养猪效益。猪舍内空气质量不佳，损害生猪健康，降低生猪对疾病的抵抗力。GB/T 17824.3-2008《规模猪场环境参数及环境管理》推荐猪舍内空气微生物指标见表1，不同浓度的空气污染物对猪只会带来刺激眼睛、日增重降低、采食欲望降低、呼吸困难、意识模糊等问题（司马博锋，2021）。

表1 猪舍空气卫生指标

赵云焕等（2020）采用地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、乳酸菌等制备的微生态添加剂饲喂保育猪，正常饲养管理的作为对照，结果表明，试验组猪舍内CO2浓度显著降低31.5%，氨气浓度减少11.6%，空气质量提高。肖定福等（2008）于日粮中添加1.2×109CFU/kg的地衣芽孢杆菌，显著降低了断奶仔猪10~30日龄肠道内氨浓度，减少了臭气排放量，改善了猪舍环境。郭丽华（2013）发现，妊娠及哺乳母猪日粮中添加10亿/mL（g）的地衣芽孢杆菌菌剂可降低猪舍氨气浓度约7%，且猪粪pH随着饲喂时间的延长不断降低。杜珍辉等（2005）研究发现，地衣芽孢杆菌10182可将氨态氮作为唯一氮源，在高浓度NH3情况下，氨直接通过脱氢酶将其转化为L-谷氨酸，实现无害化处理与利用。将菌株处理猪粪液，降低了氨氮，提高了生物量，抑制病原菌，为微生物处理畜禽粪便提供了安全可控、效果明显的方法。

4 小结与展望

地衣芽孢杆菌具有诸多生理功能，在改善断奶仔猪腹泻、肠道健康，提高免疫功能、生长性能等方面都有一定作用，同时其耐高温、辐射、酸碱、胆盐等胃肠道环境的特点，决定了地衣芽孢杆菌在生猪养殖过程中具有良好的应用前景，但其对生猪的作用机理很多方面尚未完全明确，未来地衣芽孢杆菌的研究和应用可以从以下几个方面开展：第一，基于生猪生理特点及需求进行高效菌株筛选。以地衣芽孢杆菌的特殊代谢产物（如产酶、产抑菌活性物质、抗逆性、降解毒素等）为筛选目标，筛选更具有特异性、功能性、针对性的菌株。第二，菌剂产品质量及稳定性的研究。优化发酵工艺，靶定关键产物、减少杂菌污染风险、保证产品活菌数水平，同时提升制剂技术水平，改善产品质量，提高产品保质期。第三，菌剂产品配伍技术优化。结合生猪肠道健康及对微生物种类的需求特征，配伍组合不同作用功效的菌剂产品，并综合不同替抗产品（如酸化剂、精油、益生元、酶制剂等）搭配使用，提升替抗产品应对复杂养殖环境、不同生长阶段、不同病源微生物的能力。第四，应用过程安全性评估。不同研究团队得出的功效评价结果不尽相同，因此应用过程中需对不同菌株的不同代谢特征、可能存在的耐药基因转移、宿主免疫及机会感染等进行安全性评估。第五，地衣芽孢杆菌生猪养殖应用的作用机理研究。从不同角度进行更深层次的激励研究，提取关键作用成分，挖掘益生菌关键作用位点，实现精准养殖。