微生态制剂在畜禽生产中的研究和应用进展

黄增颖,邓赣奇,梁耀文,张辉华,刘 燊

(佛山科学技术学院 生命科学与工程学院,广东 佛山 528000)

在畜牧生产中,抗生素添加剂的长期大量使用,造成动物的抗病性降低、致病菌耐药性增强,动物产品中出现药物残留、危害食品安全等问题,严重制约了畜禽养殖业的发展。寻求一种可替代抗生素的饲料添加剂成为研究的热点。目前,抗生素代替品有抗菌肽、微生态制剂、酶制剂、酸化剂、有机金属微量元素、代谢调节剂、大蒜素、中草药添加剂、寡聚糖和卵黄抗体等。微生态制剂是公认为最有潜力代替抗生素的新型饲料添加剂之一。其因安全无毒副作用、效果好、使用方便、无药物残留、很少产生耐药性等特点而得到大力推广。本文对动物微生态制剂的定义、作用机制以及其在畜禽中的应用作一综述,以期为微生态制剂在畜禽养殖中的研究提供参考。

1 动物微生态制剂

动物微生态制剂,也称活菌制剂或生菌剂,运用微生态学原理,利用益生菌对宿主无毒无害、促生长、提高免疫力等原理,把有益菌及代谢产物经过特殊加工工艺加工而成的制剂,如益生菌。微生态制剂运用于畜禽中,起到补充肠道有益菌,维持肠道微生物平衡、提高饲料利用率和机体免疫力等作用,进而促进动物健康生长[1]。

微生态制剂通常分类有3种:(1)按所用的益生菌的种类分为乳酸菌类制剂、酵母菌类制剂、芽孢杆菌类制剂、光合细菌类制剂和复合类微生态制剂。乳酸菌微生态制剂是一种分解糖类产乳酸的厌氧或者兼性厌氧性的革兰氏阴性菌,其在维持肠道微生态平衡起到重要作用。芽孢杆菌微生态制剂是一种能产生多种有效的酶促效应(如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等)的好氧制剂,可提高饲料消化率和增强营养物质吸收。酵母类微生态制剂是一种富含蛋白质、核酸、维生素和多种酶的兼性厌氧制剂,它的主要作用是提高机体免疫力、增加饲料适口性、促进消化吸收和提高磷的利用率等。光合微生态制剂能提供蛋白质、B族维生素、辅酶Q和抗活性病毒因子等多种生物活性物质及类胡萝卜素、番茄红素等天然色素的一种自养微生态制剂,其分泌的蛋白含多种必需氨基酸多于酵母微生态制剂。复合微生态制剂是前四者按一定比例配合而成的复合产品。在实际生产中,使用复合微生态制剂比较多。(2)按用途来分为微生态饲料添加剂、微生态调节剂和微生态治疗剂。微生态饲料添加剂,一般不直接投喂给动物,通过拌料或者饮水的方式投喂,主要有乳杆菌、蜡样芽孢杆菌等,其作用促进畜禽生长发育、增强机体免疫力、降低毒物残留;微生态调节剂是在微生态学理论指导下生产的一类能够调节肠道微生态失衡,保持微生态平衡稳定,提高宿主(人,动植物)健康水平或增进健康状态的生物制品。微生态治疗剂主要是通过调节动物体内的微生态平衡来达到治疗疾病的目的,侧重点是利用微生态平衡治疗肠道疾病。(3)按其主要物质分为益生元、益生菌、合生素。益生元是一种能维持肠道菌群生态平衡和促进益生菌代谢、增殖的有机物质。益生菌是一类寄居于宿主,对宿主有益的微生物,它能在宿主的肠道生殖系统存活,改善宿主的微生态平衡、发挥有益作用,对宿主动物产生良好的健康作用。动物肠道的益生菌有乳酸菌、酵母菌、双歧杆菌、放射菌、脆弱拟杆菌、巨型球菌等。

2 动物微生态制剂的作用机制

2.1 优势种群理论

正常的动物肠道微生态是处于平衡状态。有益菌∶有害菌以99∶1的绝对优势在动物消化吸收和生长、免疫中起到重要作用[2]。在肠道微生态的调节中,有益菌不仅可以促进肠道有益菌的生长,还可以抑制肠道致病菌及其代谢有害物质[3]。一旦有益菌失去优势种群,原微生态平衡则受到破坏,出现了微生态优势种群的更替,动物机体则产生腹泻、营养不良等一系列症状。微生态制剂的应用则是通过调节微生态有益菌与有害菌的种类、数量等来恢复原来的微生态平衡,达到治疗的目的,从而促进动物健康生长发育[4]。Singh等[5]研究在冰淇淋里添加益生菌使用,同样可以减少变形链球菌的数量,但乳酸菌的数量不影响。益生菌优势种群理论在肠道微生态平衡与肠道健康中起到重要作用。

2.2 生物夺氧及拮抗理论

在肠道里,肠道微生物附植在动物肠道细胞的表面,形成一个天然的免疫保护屏障,防止外来的菌种的入侵[6],起到营养竞争、生存空间竞争等拮抗作用。当外界菌种的入侵时,机体的微生态平衡的生物夺氧则是通过肠道有益微生物,例如芽孢杆菌,消耗肠道内的氧气,以达到一个无氧环境来提供厌氧性或兼性厌氧性的菌类生长,从而维护了肠道微生态平衡。芽孢杆菌形成的无氧环境促进了乳酸菌的生长,大量产生乳酸,降低肠道环境pH,抑制了有害菌的生长,同时消除体内自由基,以达到治疗和促生长目的。微生态制剂的应用则是通过形成天然的保护屏障来维护肠道微生态平衡,达到提高免疫力、治疗疾病以及促生长作用目的[7]。

2.3 产生抗菌物质,增强动物机体免疫力

研究表明,乳酸杆菌、芽孢杆菌等促进免疫器官的发育、提高抗体IgG、sIgA以及血凝抑制抗体效价水平、综合提高动物机体免疫力[8]。有益菌进入机体肠道后,产生乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸,降低肠道环境pH,抑制其他有害菌种的生长[9],除此外,还会产生抑菌物质如嗜酸菌素、乳糖菌素、过氧化氢、杆菌肽、乳酸链球菌肽、细菌素[10]等,抑制有害菌落的生长,调节肠道环境微生物平衡。另一方面,微生态制剂作为一种非特异性免疫因子,通过非特异性免疫刺激免疫系统的增强免疫活动,对增强细胞免疫和体液免疫起到一定的促进作用,从而增强动物机体免疫力。动物机体摄入的乳酸菌,可以增强单核吞噬细胞、多形核白细胞和自然杀伤细胞的活力,刺激活性氧、溶菌酶和单核因子的分泌,诱导肿瘤坏死因子、白介素-6等致炎因子产生,刺激机体的非特异性免疫[11]。

平衡的肠道微生态环境有助于免疫器官的形成,失衡的微生态导致免疫器官的形成受阻,机体免疫力下降。在司国利等[11]研究表明,乳酸菌起到缓解肠道氧化应激,维护肠道氧化系统和抗氧化系统的平衡,防止组织损伤。由此可见,肠道微生物作为机体免疫的第一道防线,在增强机体免疫功能中起到了至关重要的作用。

2.4 改善动物营养代谢,提高畜禽生产性能

有益菌进入机体后分泌的乳酸、丁酸等能够加强肠道的蠕动,对消化起到促进的作用,同时激活肠道酸性蛋白酶活性,提高机体的消化能力。另一方面,有益菌分泌各种消化酶,例如,芽孢杆菌产生的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等可降解饲料中各种抗营养因子,从而提高饲料利用率,促进机体对营养物质的吸收,提高机体的生产性能。研究表明,肠道有益菌能合成B族维生素及维生素K,并促进钙、磷、铁等微量元素及维生素D的吸收[12]。由此可见,益生菌有利于消化器官的发育成熟,促进营养物质的吸收,从而提高饲料报酬率。

2.5 减少有害气体、有毒物质的排放

畜禽舍主要的有害有毒物质有氨氮、二氧化硫、硫化碳等。微生态制剂可利用自身的分解能力分解这些有毒有害气体。例如,微生态制剂可以合成氨基氧化酶和分化硫化氢的酶类转化过多的氮硫,同时,菌类还会把机体内的无机磷转化为有机磷,增强机体多磷的吸收,减少有害物质的排放。研究表明,微生态制剂在改进畜禽舍环境,减少有害气体如氨气、硫化氢等的排放起到明显的效果[13-14]。在实际生产中,采用微生态制剂处理病死的畜禽尸体成有机肥、净化畜禽粪便水体,也是一种符合环保标准的措施。微生态除臭是未来畜禽的除臭的一种安全的、改善畜禽舍环境的节能环保方法。

3 微生态制剂在畜禽业中的应用

3.1 微生态制剂在猪方面的应用

Canibe等[15]研究发现,断奶仔猪日粮添加乳酸菌制剂,乳酸菌通过定植在肠道的方式抑制其他菌的定植,防止病原菌的入侵。葛文霞等[16]的复合微生态制剂对仔猪的影响研究表明,杜长大三元杂交断奶仔猪中添加1%的复合微生态制剂,平均日增重显著提高,料肉比降低12.35%,发病率降低39.53%,腹泻率降低75.34%。李小成等[17]添加1%的复合微生态制剂在仔猪饲料中,仔猪的末重提高7.19%,日增重提高了15.74%,料肉比降低了13.45%,腹泻率和死亡率分别降低了2.09%和3.12%。宁豫昌等[18]添加8%的微生态制剂到基础饲粮中,提高仔猪的T淋巴细胞和B淋巴细胞数量,促进仔猪免疫系统和免疫细胞的发育成熟,从而达到提高动物机体免疫力目的。在生长育肥猪方面,张双等[19]的研究表明,添加微生态制剂的育肥猪的末重、平均采食量均有所提高,料肉比和死亡率明显降低,肠道有害菌明显减少,免疫系统血清IgA和IgG含量显著高于对照组。在母猪方面,于宝君等[20]研究表明,添加微生态制剂组的母猪的泌乳量和质量都有不同程度的提高,泌乳力提高2.54%,初乳中IgG含量提高18.55%,乳蛋白、乳脂、非脂乳固形物分别提高25.43%、24.84%、19.76%,母猪分娩滞产率降低14.6%,仔猪的平均日增重和成活率也分别提高9.15%和3.87%。Böhmer等[21]添加微生态制剂到母猪饲料中,母猪的采食量和平均体重均有所增加,仔猪的大小和活力都有所提高。

上述研究表明,微生态制剂在猪的生长、发育、繁殖过程中起到促进动物生长发育、提高动物机体免疫力和减少动物死亡率等作用。

3.2 微生态制剂在家禽方面的应用

大量的研究证实,微生态制剂提高家禽抗病能力和免疫力,提高饲料利用率,提高动物生产性能。Higgins等[22]在鸡饲料加微生态制剂可抵抗沙门氏菌的感染。肠道菌群和肉鸡生长、健康密切相关,肠道菌群的改变可直接影响肉鸡的消化吸收、免疫水平等[23]。De Los等[24]研究表明,益生菌提高了肉鸡的饲料利用效率,提高肉鸡生产性能。郗宏波等[25]的研究表明,添加0.2%的微生态制剂的试验组肉鸡的平均日增重、末重、免疫性能、总抗氧化能力等均有所提高。据研究证实,微生态制剂还有效控制家禽疾病的发病率[26],减少肠道病害菌的生长。王莹莹等[27]的研究表明,添加0.05%复合添加剂能显著提高产蛋率、产蛋重和蛋的品质。由此可见,微生态制剂在家禽养殖中也起到重要作用。但现阶段,微生态制剂在鸡方面的研究较为普遍,水禽方面的研究较少。

3.3 微生态制剂在反刍动物方面的应用

瘤胃是反刍动物的主要消化场所,胃里有细菌和原虫(单胞菌、瘤胃球菌、甲烷杆菌、拟杆菌、纤毛虫等)对食糜进行发酵,进而提高了反刍动物的消化能力,并且微生物所合成的氨基酸、蛋白质维生素等营养物质使反刍动物的营养更丰富。微生态制剂的添加,有利于反刍动物瘤胃微生物的微生态平衡,抑制有害微生物的繁殖,促进免疫功能的完善。据有关研究表明,刚出生不久的牛犊的瘤胃微生物的存在比较少,主要是靠母乳进行微生物的定植。添加酵母菌微生态制剂,牛瘤胃内的纤维分解相关酶的活性提高,提高瘤胃纤维的利用[28]。Finck等[29]试验表明,每天饲喂5 g酵母菌使牛多采食0.55 kg日粮。Marden等[30]研究表明,饲粮中添加酵母菌可预防牛的胃酸中毒,有效减少牛致病情况。Beecher等[31]的研究表明,乳酸菌可调控机体IL-1和IL-8的分泌,进而刺激奶牛免疫应答,减少乳房炎的发生。另外,周传社等[32]研究表明,在羊饲粮中添加酵母菌可调节瘤胃发酵,增加瘤蛋白含量。

3.4 微生态制剂在水产动物方面的应用

水质因素决定水产养殖的成功。微生态制剂的添加对水质的改良显得极其重要,尤其是对水质的要求非常高的虾养殖。姜松等[33]研究表明,添加芽孢杆菌和乳酸杆菌制剂都显著提高了南美白对虾的生长性能和抗逆能力,并且添加乳酸菌制剂的效果更明显。李卓佳等[34]研究表明,运用芽孢杆菌为主的复合微生态添加剂对池塘的底质的改良起到良好的效果。王新叶等[35]研究表明,定期施用富含硝化细菌、亚硝化细菌、芽孢杆菌等可稳定池塘透明度、水色和pH。田海军等[36]的“零耗氧活性菌”研究表明,添加微生态制剂的虾料可明显提高鱼虾的采食量和日增重、减少鱼虾的发病率、增加其存活率。水质的好坏决定了水产养殖的成败。

4 存在的问题及展望

4.1 微生态制剂存在的问题

现阶段的微生态制剂存在以下问题:①微生态制剂在运输、使用、保存过程中易失活;②微生态制剂的研究作用机制落后于应用,其作用原理不够明确,最佳配比无法确定,且可能存在风险问题,需要大量的试验证明;③确定可以做微生态制剂为菌种种类少;④受外界因素影响比较明显,例如高温、强酸强碱、抗生素等;⑤微生态制剂存在的安全问题受到非议;⑥缺少一个完整的质量标准、作用机理、安全性风险的体系。

4.2 微生态制剂的发展趋势及展望

“饲料无抗化”是全世界畜禽发展趋势。在“后抗生素”的应用时代,微生态制剂作为继抗生素之后的一类少产生抗药性、促生长、提高免疫力、维护动物机体平衡健康等一类新型饲料添加剂[37],在未来的应用前景方面非常广阔。但基于现在的研究水平的局限性,还不能完成替代抗生素。抗生素在畜禽养殖中的作用还是毋庸置疑的。现阶段处于“减抗”、“限抗”和“替抗”阶段。我国在2020年饲料端全面禁抗,养殖端“减抗”、“限抗”的目标加速了微生态制剂的研发及应用。现阶段,主要提倡减少和替代抗生素使用。抗生素的全面代替是一个漫长的过程。在减抗、替抗的阶段,探索复合微生态制剂与其他能代替抗生素的制剂的联合使用显得特别重要是微生态制剂全面代替抗生素演变的过渡。据研究表明,益生菌与甘露寡糖的联合使用后,治疗仔猪腹泻的效果优于抗生素[38]。功能性氨基酸、黄芪多糖、益生菌的联合实用显著促进仔猪的肠道发育和提高仔猪分泌型免疫球蛋白A(sIgA)的分泌量,减少肠道大肠杆菌病害菌的数量,增加乳酸杆菌的定植[39]。益生菌发酵中草药、有机酸与益生菌的联合使用、运用生物技术定向改造和发酵饲料等都是微生态制剂的热门发展方向。现阶段,微生态制剂以益生菌为主,有液剂、发酵冻干制剂、粉剂、片剂、胶囊、软膏制剂、气雾剂等。使用的方法也各异,可食用、饮水、喷洒等,发展前景非常相当可观。

总之,随着时代的推广和应用,微生态制剂更偏向复合型微生态添加剂、微生态与基因工程的定向改造、微生态制剂与其他的添加剂的联合使用等方面发展。其在未来畜禽养殖、医疗卫生等领域可广泛应用。