芽孢桿菌在動物腸道內(nèi)的作用機制及其動物生產(chǎn)應(yīng)用

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芽孢桿菌在動物腸道內(nèi)的作用機制及其動物生產(chǎn)應(yīng)用

——摘自《飼料工業(yè)》

　　摘要：芽孢桿菌屬于革蘭氏陽性菌，其主要特征是能夠產(chǎn)生抗逆性的內(nèi)生孢子——芽孢。芽孢能夠抵抗多種不良環(huán)境，因此較易儲存。與乳酸菌、酵母菌等微生態(tài)制劑不同，芽孢作為芽孢桿菌主要的商品形式，在動物腸道內(nèi)的作用方式和機理較為復(fù)雜，目前已成為國內(nèi)外研究的熱點。文章對近幾年芽孢桿菌在動物腸道中的作用機理及其養(yǎng)殖應(yīng)用效果進行綜述，并對其在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用前景進行了展望，以期為更好地開發(fā)和應(yīng)用此類微生態(tài)制劑提供參考。

　　關(guān)鍵詞：芽孢；芽孢桿菌；動物腸道；應(yīng)用；機理

      微生態(tài)制劑又稱為益生素，是在微生態(tài)理論指導(dǎo)下采用有益微生物，經(jīng)培養(yǎng)、發(fā)酵、干燥等工藝制成的生物制劑或活菌制劑，它是養(yǎng)殖業(yè)中抗生素有效的替代品。目前，作為微生態(tài)制劑使用的微生物主要包括乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌3類。其中芽孢桿菌作為微生態(tài)制劑，具有抗逆性好、耐高溫、易儲存等特點，較其它兩者具有較大優(yōu)勢。隨著2006年起歐盟國家對飼料中添加抗生素的全面禁止，微生態(tài)制劑替代抗生素的應(yīng)用逐步受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注；同時芽孢桿菌的生產(chǎn)品種和規(guī)模也日益擴大，研究確定其在動物腸道內(nèi)的作用機理顯得十分必要。

　　1 芽孢桿菌在動物腸道內(nèi)的作用機理

　　芽孢是芽孢桿菌進入動物腸道的主要形式。芽孢能否在動物腸道中萌發(fā)、增殖是影響其飼用效果的主要因素。

　　1.1 芽孢桿菌對腸道不良環(huán)境的抵抗

      動物的腸道內(nèi)存在諸多不良的環(huán)境，如低pH值的胃酸、高濃度的膽鹽、相對厭氧的環(huán)境等，這些環(huán)境不利于微生態(tài)制劑發(fā)揮作用。因此如何有效抵御這些不良環(huán)境的影響，是芽孢桿菌在動物體內(nèi)發(fā)揮作用的前提。在體外試驗中，Hyronimus等（2000）研究了13種芽孢桿菌對腸道模擬液的耐受情況，發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌（B. coagulans）的芽孢能夠抵抗膽鹽濃度為0.3%的模擬腸胃液。相似的研究也表明枯草芽孢桿菌（B. subtilis）的芽孢對腸道酸性環(huán)境的耐受性要明顯好于其營養(yǎng)體（Clavel等，2004）。同時，研究表明芽孢對于胃腸道極端環(huán)境的耐受性，隨著芽孢桿菌種類的不同而各不相同，特別是蠟狀芽孢桿菌（B. cereus）所產(chǎn)芽孢的耐受性相對較差（Duc等，2004）。體內(nèi)研究表明，當大鼠灌喂2×10^8 CFU枯草芽孢后，幾乎所有的芽孢均可抵御胃腸道的不利環(huán)境而在小腸中發(fā)揮作用（Duc等，2003），而采用芽孢桿菌的營養(yǎng)體處理，在小腸中幾乎檢測不到營養(yǎng)體細胞。對于芽孢如何能夠在體內(nèi)抵御各種不良環(huán)境，目前還沒有定論。一種可能的原因是芽孢在經(jīng)過整個動物消化道的過程中，可以耐受胃酸，從而順利到達腸道，在消化液稀釋作用的幫助下，最終在腸道得以順利萌發(fā)（Faille，2004）。

　　1.2 芽孢在動物腸道中的萌發(fā)

      芽孢桿菌以芽孢方式攝入體內(nèi)，必然和普通乳酸菌等益生菌的作用方式有差異。國外從上世紀80年代開始對芽孢在動物腸道內(nèi)的作用方式進行研究。Ozawa等（1981）通過給斷奶仔豬飼喂B. subtilis后，發(fā)現(xiàn)消化道中其數(shù)量不斷增加，在停止飼喂芽孢桿菌后一周，在豬的后腸仍能檢測出10^4~10^5個/g芽孢。Klijn等（1995）以10^5 CFU嗜熱芽孢桿菌（B. stearothermophilus）芽孢喂食小鼠，8 d 后糞便中仍然可持續(xù)檢測到芽孢的存在。如此長的保留時間遠遠高于土壤微生物在腸道中的保留時間，表明芽孢在腸道中存在一定的互作機制。

      另一方面，芽孢在不同試驗動物腸道中的保留特性差異很大。在禽類中的定植時間要顯著高于哺乳動物。如La Ragion等（2003）的研究表明，B. subtilis的芽孢能在肉雞中持續(xù)存在36 d以上。Youngman 等（1984）發(fā)現(xiàn)對動物投加10^8 CFU 芽孢，在攝入3 h后就可以在糞便中檢測到其存在，并發(fā)現(xiàn)糞便中總的芽孢數(shù)量為攝入量的6 倍以上。因此，該試驗結(jié)果可以間接推斷出芽孢在進入動物腸道后，存在一個萌發(fā)過程。隨著研究的不斷深入，已在越來越多種類的芽孢桿菌中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，包括蠟狀芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、凝結(jié)芽孢桿菌等（Jadamus，2001）。目前，最為直接的證據(jù)是采用分子生物學(xué)手段對芽孢的萌發(fā)進行研究。Casula等（2002）將枯草芽孢桿菌的ftsH基因和大腸桿菌的lacZ基因進行融合，由于ftsH基因只在芽孢桿菌的營養(yǎng)體階段表達，因此這個融合基因的mRNA 只在芽孢萌發(fā)時才能夠被檢測。通過這種分子手段，最終發(fā)現(xiàn)芽孢可能最早在空腸內(nèi)就已萌發(fā)。

　　1.3 芽孢桿菌在動物腸道中抑菌作用機理

      添加芽孢桿菌能夠減少腸道中有害微生物的數(shù)量，同時提高腸道益生菌的數(shù)量。Han等（1984）研究發(fā)現(xiàn)，生長豬連續(xù)飼喂5周含有丁酸梭菌的飼料，排出的糞便中腸球菌和腸桿菌的數(shù)量顯著降低，而丁酸梭菌和乳酸桿菌的數(shù)量則顯著增加。關(guān)于芽孢桿菌的抑菌機理，目前主要有生物奪氧、菌群調(diào)整、生物拮抗、提高免疫功能和增強酶活性，防止動物腸道病原菌等多種說法。

     

      芽孢桿菌為需氧菌，在生長過程中需要消耗大量的氧氣，該環(huán)境有利于乳酸菌、雙歧桿菌等厭氧菌的生長，抑制需氧腸桿菌的繁殖，從而減少消化道疾病的發(fā)生。Maruta等（1996）采用飼喂生豬含有10^7 CFU/g B. subtilis的日糧3周后發(fā)現(xiàn)，糞便中的厭氧菌如雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量顯著上升，而需氧菌如腸桿菌的數(shù)量顯著下降，其它病原菌如鏈球菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌的數(shù)量也顯著下降。

      芽孢桿菌還能夠產(chǎn)生某些抑菌物質(zhì)，對一些病原菌起拮抗作用，進而調(diào)整腸道微生態(tài)平衡。Teo等（2005）從雞腸道中分離得到一株B. subtilisPB6，發(fā)現(xiàn)其對產(chǎn)氣莢膜梭菌有明顯的拮抗作用，隨后他們又從PB6的培養(yǎng)物中分離得到大30 小約為960 Da到983 Da不等的拮抗因子，發(fā)現(xiàn)該拮抗因子對艱難梭菌、肺炎鏈球菌、空腸彎曲菌和彎曲菌的生長均有抑制作用。

      芽孢桿菌的攝入能夠刺激動物免疫系統(tǒng)，使淋巴組織處于高度反應(yīng)狀態(tài)。Scharek（2007）飼喂生豬B. subtilis，發(fā)現(xiàn)其可顯著提高CD8+ T淋巴細胞的數(shù)量。Duc（2004）的研究發(fā)現(xiàn)攝入機體內(nèi)的芽孢能夠分散在腸道淋巴組織周圍，推測芽孢桿菌可能的作用部位是腸道內(nèi)的淋巴系統(tǒng)。也有研究發(fā)現(xiàn)芽孢能夠刺激動物機體的B淋巴細胞群，產(chǎn)生IgG、IgA等抗體，進而發(fā)生一系列免疫應(yīng)答反應(yīng)（Guidi-Rontani，1999）。國內(nèi)潘康成等（2005）的研究表明，芽孢的攝入能夠誘導(dǎo)B淋巴細胞和巨噬細胞產(chǎn)生特定的細胞因子。

　　2 芽孢桿菌在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

　　2.1 芽孢桿菌在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

      芽孢桿菌能夠耐受動物胃液，在動物腸道中生長萌發(fā)，且分泌多種酶類，促進動物體消化吸收，同時在腸道內(nèi)競爭性奪氧，形成厭氧環(huán)境，減少有害微生物含量，促進益生菌生長，從而改善動物腸道環(huán)境。國外La Ragione 等（2003）在對禽類喂食一定量的枯草芽孢后發(fā)現(xiàn)，芽孢能夠有效的抑制致病菌大腸桿菌O78:K80 和沙門氏菌，并且促進腸道內(nèi)乳桿菌等益生菌的生長。Wang 等（2009）利用復(fù)合芽孢桿菌制劑（包含枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌）分別以0.05%、0.1%和0.2%添加量添加到基礎(chǔ)日糧中飼喂生長豬35 d后，發(fā)現(xiàn)隨著芽孢添加量的提高，豬的日增重也逐漸提高，試驗組的日均采食量顯著高于對照組，但對料重比、干物質(zhì)和氮消化利用率均沒有顯著影響。添加蠟狀芽孢桿菌能夠提高豬的料肉比，且對預(yù)防豬腸道疾病有較好的幫助（Kyriakis等，1999）。Kritas等（2006）研究了芽孢桿菌制劑對羔羊死亡率和綿羊產(chǎn)奶量的影響，發(fā)現(xiàn)添加芽孢桿菌能夠降低羔羊死亡率。陳家祥等（2010）以地衣芽孢桿菌飼喂麻羽肉雞發(fā)現(xiàn)，添加不同水平的地衣芽孢桿菌和抗生素都有增高肉雞腸絨毛高度、降低隱窩深度和增加腸黏膜厚度的作用。

　　2.2 芽孢桿菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

      芽孢桿菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應(yīng)用要廣于動物養(yǎng)殖，特別是枯草芽孢桿菌對蝦的腸道致病菌有明顯的改良作用。這主要是因為芽孢桿菌可以產(chǎn)生多種酶類，降解水體中的多種有機物，直接利用水體中的硝酸鹽和亞硝酸鹽，從而對水體中的多種病原菌起到拮抗作用，改善養(yǎng)殖水體水質(zhì)（Urdaci和Pinchuk，2004）。Saeed等（2006）通過向水體中潑灑芽孢桿菌制劑，發(fā)現(xiàn)對蝦腸道中的芽孢桿菌數(shù)明顯提高，而其它細菌無明顯變化；腸道中的淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶顯著高于對照組，存活率比對照組顯著提高。Vaseeharan等（2003）研究認為，枯草芽孢桿菌對斑節(jié)對蝦黑鰓病的病原菌哈氏弧菌的生長有抑制作用，長期使用將使對蝦的累積致死率比對照組減少90%。另外芽孢桿菌還能顯著促進養(yǎng)殖動物的消化吸收，提高營養(yǎng)物質(zhì)在腸道內(nèi)的消化利用率。

　　3 研究與應(yīng)用展望

      研究已表明芽孢桿菌可耐受動物腸道的惡劣環(huán)境，萌發(fā)成營養(yǎng)體最終刺激腸道免疫系統(tǒng)發(fā)揮其作用。盡管如此，目前還存在很多問題尚未解決，①在不同的養(yǎng)殖動物中，由于芽孢的萌發(fā)時間和萌發(fā)位置不同，具體的使用劑量有待進一步研究完善(特別是芽孢在瘤胃動物中的作用機制和體內(nèi)試驗很少)；②芽孢桿菌產(chǎn)品質(zhì)量指標、檢測方法等行業(yè)標準尚未建立；③芽孢桿菌如何影響?zhàn)B殖動物消化器官發(fā)育，刺激動物體機體免疫能力；④芽孢與腸道菌群互作效應(yīng)未知等。當前，抗生素濫用、食品安全和環(huán)境保護等問題已經(jīng)成為各國養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展中考慮的重點，因此，芽孢桿菌類微生態(tài)制劑必將具有更廣闊的開發(fā)價值和應(yīng)用前景。