饲用微生态制剂的研究进展及应用

蔡文涛, 覃景芳, 覃磊, 王佳凝, 马思仪

(湖北大学生命科学学院, 药物高通量筛选技术国家地方联合工程研究中心, 省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室, 中药生物技术省重点实验室, 湖北 武汉 430062)

0 引言

抗生素的发现具有划时代意义,被誉为“人类最伟大的发明之一”,其使用彻底扭转了人类在细菌性疾病面前束手无策的被动局面。20世纪50年代,人们发现抗生素对畜禽有促进生长和防病作用,可应用于畜禽养殖业。然而随着畜禽养殖业中抗生素的长期使用,病原微生物的耐药性、机体内的正常菌群平衡失调和药物残留等一系列问题暴露出来,直接威胁到动物和人类的健康。瑞典在1986年率先提出禁止在饲料中使用抗生素,欧盟也于2006年全面禁止在动物饲料中添加抗菌促生长剂。自2012年以来,我国在畜禽养殖业开始实施“限抗令”。为了加强对抗生素及化学药品的管控,我国农业农村部制定了《全国兽用抗菌药使用减量化行动方案(2021—2025年)》,且国家发展改革委等部门于2021年底在《“十四五”全国清洁生产推行方案》方案中指出要高效、科学地使用农药、化肥和饲料添加剂,进一步推行全国清洁生产,有力维护畜牧业生产安全、动物源性食品安全、公共卫生安全和生物安全,切实加强兽用抗菌药综合治理,有效遏制动物源细菌耐药、整治兽药残留超标等问题。鉴于此,抗生素替代品的研究紧迫且重要。

微生态制剂是指根据微生态学理论制成的含有益菌或其代谢产物或添加有益菌生长促进因子,能发挥维持宿主微生态平衡、提高机体免疫功能等作用的活菌制剂,是一种绿色、安全、有效的替抗制剂。微生态制剂以其无毒副作用、无耐药性、无残留、成本低、效果显著、不污染环境等特点,逐渐得到广大养殖界同仁的认可[1]。

1 饲用微生态制剂的发展历程

饲用微生态制剂是指可维持动物消化道菌群平衡、提高动物免疫力、选择性促进动物正常菌群生长的物质制剂的总称[2]。作为一种新型可代替抗生素的饲料添加剂,在畜牧养殖方面发挥了重要作用。目前,国际上大致将微生态制剂分成3大类别,即益生菌、益生元(低聚糖)和合生元制剂。此外,微生物的代谢产物也可对机体发挥各种有益作用,短链脂肪酸、吲哚类、维生素、多酚等可对肠道屏障起保护作用[3]。

人类对于活菌的使用已有几千年历史,各种谷物、豆类和乳类发酵食品无一不是微生态制剂的雏形。1908年,俄国微生物学家Metchnikoff最先提出了细菌培养物可用于治疗疾病,并提出乳杆菌具有抑制大肠杆菌的作用。微生态制剂最早出现在日本,20世纪50年代日本就有了成分为粪链球菌的“表飞鸣”和“乳酶生”;1989年,美国公布了双歧杆菌、芽孢杆菌、乳杆菌等10属42种微生物直接饲喂动物是安全的。20世纪80年代中期,世界各国开始对饲用抗生素的使用加以限制,同时大力发展对可代替抗生素的饲料添加剂的研究,使微生态制剂再次受到关注。20世纪80年代,我国才开始对微生态制剂的研究。据中国饲料工业协会统计2017—2021年,我国饲用微生态制剂总产量由10.7万吨增长至25.7万吨,由此可见市场需求量巨大。

2 饲用微生态制剂的分类

按饲用微生态制剂的组成情况可分为单一微生态制剂与复合微生态制剂,部分微生态制剂见表1。

表1 单一和复合类型饲用微生态制剂

2.1 单一饲用微生态制剂

2.1.1 益生菌

益生菌又称为益生素或活菌制剂,目前临床使用最广泛的微生态制剂是由有益活性微生物组成的细菌制品。畜禽用的益生菌菌种可分为三大类:乳酸菌类、芽孢杆菌类和真菌类。乳酸菌类中最主要和最常见的是乳杆菌属和双歧杆菌属,其中乳酸菌属于机体肠道中原有益生菌。畜禽生产常见的芽孢杆菌类包含有地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等,其生物夺氧功能可促进厌氧有益菌的生长,并可抑制好氧有害菌。真菌类主要研究酵母菌属,如酿酒酵母、假丝酵母、毕赤酵母等研究都比较多[12]。

饲用益生菌的功能体现在:1)调节胃肠道微生态平衡、纠正菌群功能紊乱。这一作用的发挥与益生菌和致病菌竞争黏附位点和有机底物进而抑制或阻断病原菌的黏附和定植相关[13]。同时,益生菌还能与致病菌争夺肠腔内养分和氧气,抑制其生长繁殖,促进有益菌增殖[14]。益生菌的次级代谢产物,如分泌蛋白、吲哚、胞外囊泡、短链脂肪酸和细菌素,也通过与某些受体相互作用或直接促进杯状细胞分泌粘液,增加肠道上皮屏障抗菌肽的分泌来保护肠道上皮屏障[15]。2)通过细菌产生外源酶促进对饲料消化吸收[16]。3)提高动物免疫力,并起保健作用。这一作用的发挥与增强T淋巴细胞和B淋巴细胞的增殖、激活Toll样受体(toll-like receptor,TLR)信号通路增强单层肠上皮细胞(intestinal-epithelial cells,IEC)的免疫功能等相关[17]。

2.1.2 益生元

益生元是指一类在机体内不被消化、可发酵与食用的有益碳水化合物,被宿主微生物选择性地利用以使其健康的基质[18],包括有多功能低聚糖类、多糖类、肽类、多元醇等。常用的益生元主要为低聚糖类,包括低聚果糖、大豆低聚糖、菊多糖(菊粉)等[19]。有研究表明,益生元拥有促进有益菌定植而抑制有害菌的生长、调节肠道菌群、提高免疫力、润肠通便、促吸收的功效[19]。

2.1.3 合生元

合生元又称为合生素,其概念是Gibson在1995年首次提出,指益生菌和益生元组合制剂。将益生菌和益生元联合应用,可同时发挥生理功能并协调作用,共同对抗疾病,维护机体的微生态平衡。合生元的应用和研究在我国尚未普遍,其与抗生素等药物相比成本更低,而其效果却等同于或优于抗生素。吕存等研究表明,合生元可增加猪肠道内有益菌的相对丰度,提高其代谢产物——短链脂肪酸的含量,进而发挥益生作用,有效促进保育猪增重量的提高[20]。

2.2 复合饲用微生态制剂

目前市场上使用的饲用微生态制剂多为复合型微生态制剂。复合微生态制剂是由两种或以上益生菌、或由益生菌或/和其代谢物与中药、酶制剂等混合,经发酵制成的一种活菌制剂。它涵盖了各单一成分具有的功效,并能发挥成分间协同增效作用[21]。白培钿等研究表明饲喂添加0.2%的由益生菌与中性蛋白酶、纤维素酶合成的复合微生态制剂可一定程度提高断奶仔猪增重量,降低腹泻率,提高免疫力及改善盲肠微生物群落结构[22]。谢映红等[23]研究表明采用中草药微生态复方制剂拌料饲喂南美白对虾,可有效提高其生长性能、促进非特异性免疫,保护肝胰腺。张煜等[24]研究表明使用枯草芽孢杆菌,乳酸菌和酿酒酵母与复合酶制剂处理的玉米-豆粕型菌酶协同发酵饲料后,断奶仔猪的平均日增重和采食量均明显提高,生产性能提高。

3 饲用微生态制剂的作用

3.1 调节肠道微生态平衡

微生态制剂能有效调节胃肠道微生物菌群结构,促进有益菌的增殖,抑制有害菌的生长。有益菌可有序定植于黏膜、皮肤等表面或细胞间形成生物膜样结构,从而抑制致病菌。益生菌通过粘附肠道细胞阻止致病菌粘附,抑制其生长和毒力基因表达,并与致病菌争夺宿主体内的营养物质和空间[25],促进肠道微生态平衡。Zhang等[26]研究表明益生菌(枯草芽孢杆菌BS1和植物乳杆菌LP1)通过调节鳜肠道菌群影响生长性能和肠道健康,可用于水产养殖。

3.2 促进生长性能,提高产品的产量和质量

微生态制剂中一些益生菌可在动物肠道内分泌各种消化酶,合成供机体利用的维生素B、维生素K等,并增强机体对Ca、P、Mg等微量元素的吸收,进而提高饲料转化率、促进机体生长性能[27]。何骥远等研究表明由枯草芽孢杆菌、乳酸菌、木聚糖酶和中性蛋白酶混合制备获得的微生态制剂可促进蛋鸡血清免疫球蛋白合成,提高蛋鸡免疫力;促进蛋鸡对钙、磷等的吸收,提高蛋壳硬度;促进色素消化吸收,并合成类胡萝卜素,加深蛋黄颜色[28]。

3.3 调节免疫功能,预防疾病

微生态制剂可激发机体免疫反应,增强细胞因子表达和抗体水平,促进干扰素的产生,提高免疫细胞活性繁殖,进而调节动物机体免疫机能[29]。陈相如研究表明微生态制剂对断奶羔羊的免疫功能有明显的促进效果,减少其感染球虫的风险[30]。谢大识[29]、白培钿等[22]研究结果显示,饲粮中添加不同浓度复合微生态制剂均能提高仔猪血清免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)G、IgM和IgA的含量,改善仔猪免疫功能;同时复合微生态制剂添加组血清高密度脂蛋白(high-density lipoprotein,HDL)含量显著高于抗生素组,表明复合微生态制剂能改善仔猪血液脂质代谢。

此外,已有研究表明部分益生菌可以通过协调动物体内免疫反应等多种机制辅助机体对抗病毒侵染[31]。宋翔等[32]研究表明植物乳杆菌BLCC2-0125可通过增强鸡的黏膜免疫、细胞免疫及体液免疫功能,发挥对低致病性禽流感病毒H9N2感染的显著预防作用;两歧双歧杆菌被证实具有调节体液和细胞免疫的作用,可调节辅助型T细胞(t helper cell,Th)1和Th2免疫应答来抵抗流感病毒的感染[33]。

3.4 防治腹泻

影响肠道菌群是微生态制剂发挥作用的主要机制。益生菌竞争性阻断病原微生物黏附畜禽肠道,抑制致病菌定植肠道中,并降低消化道内氧气浓度, 抑制需氧致病菌和兼性厌氧致病菌生长,维持肠道微生态稳态[34]。活菌制剂在代谢过程中产生多种消化酶、氨基酸和脂溶性维生素等生物活性物质,可以有效增强消化系统功能,减少肠道内致病菌数,从而降低猪群消化道疾病的发病率[35]。高占霞等[36]研究表明微生态制剂对降低仔猪腹泻发生率,生产中还可与蒙脱石等收敛药物治疗仔猪的细菌性腹泻。Wan等[37]研究表明特定微生态复合制剂对治疗大肠杆菌引起的腹泻有效,可减少猪腹泻的短期复发,且治愈率与抗生素无差异。

3.5 净化畜禽生长环境

畜禽对饲料消化吸收不良时,排泄物中含有许多含氮有机物,经腐败菌分解易产生H2S、NH3等恶臭物质,污染畜禽生长环境[38]。一方面,益生菌可抑制肠道内腐败菌,减少有害物质氨、生物胺、吲哚等产生。另一方面益生菌可分泌相应酶类分解引发恶臭的物质,如芽孢杆菌可分泌氨基氧化酶和分解硫化氢的酶类[39]。王新颜等研究表明在保育仔猪日粮中添加益生菌可防止肠道中腐败菌生长,减少畜舍氨气浓度,改善环境[40]。席磊等研究发现在断奶仔猪日粮中添加枯草芽孢杆菌和乳酸菌复合菌剂能显著降低仔猪粪便中NH3的排放量[41]。

4 饲用微生态制剂的应用

4.1 在畜禽生产中的应用

饲用微生态制剂按使用对象的不同可分为家禽类微生态制剂、猪用微生态制剂、反刍类微生态制剂和水产类微生态制剂等(见表2)。

表2 部分不同类别的饲用微生态制剂

4.1.1 家禽

近年来饲用微生态制剂在家禽养殖上的应用越来越广泛,在影响肠道健康、生产性能、提高肉蛋品质、提高免疫力、改善舍内环境等方面能够发挥重要作用[27]。在家禽饲料中添加微生态制剂,很好地促进了家禽的生长,提升抗病力及存活率,提高产品质量与产量。在三穗鸭3～15周龄生长阶段,饲料中添加0.15%的复合微生态制剂,前期可稳定提高鸭增重量[28]。在肉鸡饲料中添加中药-益生菌复合微生态制剂,可提高肉鸡生长性能,调节血清指标,促进免疫功能,增强肠道屏障功能,调节肠道菌群[53]。在饮食中添加枯草芽孢杆菌的单一菌种或含有枯草芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌和酿酒酵母的复合菌种,均能对鸟的产蛋性能和蛋质量产生积极影响,尤其是蛋壳和蛋白质量[54]。

4.1.2 猪

微生态制剂在养猪生产中的开发与应用符合我国当前安全、环保的绿色养殖理念,被广泛应用于猪生产的各个阶段:母猪群、仔猪群和生长育肥猪群,且针对不同阶段有不同配方制剂。何维敏等[55]将0.3%发酵中药微生态制剂和0.15 g/kg枯草芽孢杆菌TL加入到断奶仔猪的饲料中,在平均日采食量、平均日增重量等方面分别较对照组提升15.28%、18.70%,腹泻率较对照组显著降低了87.20%、89.63%。赵鑫等[56]研究表明按1.0%的量在仔猪基础日粮中添加复合微生态制剂(乳酸菌+枯草芽孢杆菌),可使仔猪盲肠与结肠中大肠杆菌的量明显减少,乳杆菌的量显著增加,有助于仔猪肠道健康,提高生产性能。杜淑清等[57]研究表明在育肥猪日粮中添加由枯草芽孢杆菌、粪球肠菌、啤酒酵母等制成的微生态制剂可显著提升猪生长性能,同时提高猪血清中IgG和IgM水平,增强其机体免疫力。

4.1.3 反刍动物

微生态制剂饲喂反刍动物主要有两种形式:一是直接饲养微生物,二是青贮微生物添加剂,即青贮接种菌[58]。给牛、羊等反刍动物饲喂微生态制剂能影响瘤胃微生物区系,增加瘤胃细菌数,提高菌体蛋白合成,改善菌体氨基酸的组成从而提高生产性能。巴音巴特等研究表明微生态制剂对奶牛瘤胃酸中毒有明显治疗效果,且对中毒奶牛的生长性能和泌乳性能均有影响[59]。使用酵母菌、乳酸菌与芽孢杆菌复合菌构成的粉剂饲养成年奶牛,较对照组产奶量提高7.26%,奶比重增加0.048%[58]。一般而言,在反刍动物中使用微生态制剂,动物年龄越小,使用效果越优[60]。

4.1.4 水产动物

微生态制剂在水产养殖业中主要作为饲料添加剂和水质改良剂使用,发挥改善微生态系统平衡、提高养殖水生动物的应激抗病能力、调控机体代谢和提供营养物质等重要作用。刘志国等[61]研究表明在池塘养殖河蟹的饲料中添加微生态制剂可保证河蟹肠道有益菌群的平衡,对河蟹的免疫防御与正常代谢功能具有积极意义;同时,通过河蟹排泄,微生态制剂释放到养殖水体中,可降低水体含氮量,达到净化水质的效果。通过喷涂技术在饲料中添加双菌种益生菌饲喂草鱼能提高草鱼的生长性能、消化酶活性和抗氧化能力,并发挥调节机体的代谢宿主肠道微生物群的功能[7]。

4.2 对畜禽疾病的防治

4.2.1 抗流感病毒

禽流感(avian Influenza,AI)是由禽流感病毒(avian Influenza virus,AIV)引起的一种禽类高发病率、高死亡率的重大传染病。Kawahara Tomohiro等[62]的研究表明,在鼻腔接种流感病毒的小鼠中,连续17 d口服长链双歧杆菌MM-2显著改善了临床症状,降低小鼠死亡率,抑制下呼吸道炎症,并降低病毒滴度、减少细胞死亡,降低支气管肺泡灌洗液中肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α、白细胞介素(interleukin,IL)-6等促炎细胞因子的表达。Lu等[63]研究表明小鼠接受黏膜乳杆菌1025、短双歧杆菌CCFM1026能有效降低流感病毒载量,并增加抗病毒蛋白含量。Liu等[64]研究表明小鼠口服植物乳杆菌和发酵乳杆菌增强抗病毒蛋白Oasia的表达,可显著缓解流感引起的呼吸道感染综合征,发挥抗流感病毒作用。

4.2.2 抗猪流行性腹泻病毒

猪流行性腹泻是一种主要发生于仔猪和育肥猪的急性肠道传染病,其病原体是猪流行性腹泻病毒(porcine epidemic diarrhoea virus, PEDV)。该疾病可发生于任何年龄的猪,年龄越小,症状越重,死亡率高。王大会[65]研究表明,唾液乳杆菌(Lactobacillussaliarius)对感染PEDV-WN病毒的仔猪具有保护作用,抑制病毒在仔猪体内的复制,缓解感染引起的肠道病理损伤,提高仔猪存活率;同时能调节仔猪血清中IL-12、IL-8、IL-4、干扰素(interferon,IFN)-α等4种细胞因子和MHC(major histocompatibility complex)-II分子的表达量,从而刺激机体免疫,发挥抗病毒作用。郑常龙[66]将PEDV与乳酸菌共培养,病毒半数组织培养感染量(median tissue culture infective dose,TCID50)相比对照组明显降低,表明乳酸菌能明显抑制PEDV病毒毒力;乳酸菌及其代谢产物还能一定程度上阻止PEDV病毒在体外与Vero细胞进行吸附。

4.2.3 抗鸭甲型肝炎病毒

鸭甲型肝炎病毒(duck hepatitis A virus,DHAV)是鸭病毒性肝炎的主要病原体,给养鸭业造成了巨大经济损失。Song等[67]研究构建了重组乳酸乳球菌NZ3900-VP1,口服乳酸乳球菌NZ3900-VP1疫苗可显著诱导小鼠和雏鸭体内DHAV-3特异性抗VP1 IgG抗体、黏膜分泌性免疫球蛋白A(immunoglobulin A,sIgA)及IL-2、IFN-γ、IL-10和IL-4等细胞因子的分泌,值得注意的是乳酸乳球菌NZ3900-VP1免疫的雏鸭在面临DHAV-3自然侵染时得到了有效保护,表明重组乳酸乳球菌可作为预防雏鸭DHAV-3感染的有效疫苗。

4.2.4 防治畜禽致病性大肠杆菌感染

仔猪黄白痢是仔猪黄痢和白痢的简称,二者都是由致病性大肠杆菌引起新生仔猪的一种急性感染,若不及时治疗容易导致其死亡,损失严重。李成君等[68]研究表明微生态制剂对于仔猪黄白痢的治愈率高于恩诺沙星、止痢金针和痢菌净三种药物。Liang等[69]研究表明中药益生菌复合微生态制剂可能对大肠杆菌感染的肉鸡产生协同保护作用,并通过调节IL-2、IL-10和TLR-4等基因信使RNA(messenger RNA,mRNA)水平的表达来治疗鸡致病性大肠杆菌感染。

5 总结与展望

在当前畜禽养殖业饲料禁抗的背景下,饲用微生态制剂因其具有绿色、安全、高效的特点,逐步发展成为具有较广应用前景的替抗产品。饲用微生态制剂一方面具有调节畜禽肠道微生态平衡、促进生长性能、提高免疫力、预防腹泻、预防畜禽病毒感染等作用,另一方面还有净化畜禽的生长环境、减少污染的功效.该制剂不仅有助于畜禽生产,而且还发挥了防病抗病的作用。

基于现代化饲料添加剂的绿色高质量发展的需要,饲用微生态制剂不再只拘泥于单一微生态制剂,与植物精油、酶制剂、中药(植物)、多糖等联合发酵的复合微生态制剂能发挥各组分协同增效的作用,具有广泛的应用前景,如何合理、科学组方值得深入研究。

然而目前饲用微生态制剂主要使用乳酸菌类、酵母菌类、芽孢杆菌类和曲霉菌类等益生菌[70],可选择的益生菌种类仍过于局限,有待挖掘性能更优良的新型菌株。而且饲用微生态制剂的作用机制研究尚不透彻。针对以上问题,可考虑利用微生物工程技术、基因工程、进化工程[71]等技术定向改造有益菌株,开发生产高效能的益生菌。也可采用高通量测序技术、分子生物学、无菌动物模型[72]等技术,深入到细胞、分子水平进行机制探索,为制剂的研发和应用奠定基础。

当前饲用微生态制剂产品标准体系不健全,市场混杂,难以保证产品的质量和效果,建议制定统一的产品标准,并加强市场监督管理、维护市场秩序,加强制剂的推广和应用,以便更好发挥饲用微生态制剂在养殖业中的应用。