芽孢桿菌在動物腸道內的作用機制及其動物生產應用

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芽孢桿菌在動物腸道內的作用機制及其動物生產應用

——摘自《飼料工業》

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

　　關鍵詞：芽孢；芽孢桿菌；動物腸道；應用；機理

      微生態制劑又稱為益生素，是在微生態理論指導下采用有益微生物，經培養、發酵、干燥等工藝制成的生物制劑或活菌制劑，它是養殖業中抗生素有效的替代品。目前，作為微生態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，微生態制劑替代抗生素的應用逐步受到國內外學者的關注；同時芽孢桿菌的生產品種和規模也日益擴大，研究確定其在動物腸道內的作用機理顯得十分必要。

　　1 芽孢桿菌在動物腸道內的作用機理

　　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、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境的抵抗

      動物的腸道內存在諸多不良的環境，如低pH值的胃酸、高濃度的膽鹽、相對厭氧的環境等，這些環境不利于微生態制劑發揮作用。因此如何有效抵御這些不良環境的影響，是芽孢桿菌在動物體內發揮作用的前提。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，發現凝結芽孢桿菌（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境的耐受性要明顯好于其營養體（Clavel等，2004）。同時，研究表明芽孢對于胃腸道極端環境的耐受性，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）所產芽孢的耐受性相對較差（Duc等，2004）。體內研究表明，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境而在小腸中發揮作用（Duc等，2003），而采用芽孢桿菌的營養體處理，在小腸中幾乎檢測不到營養體細胞。對于芽孢如何能夠在體內抵御各種不良環境，目前還沒有定論。一種可能的原因是芽孢在經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（Faille，2004）。

　　1.2 芽孢在動物腸道中的萌發

      芽孢桿菌以芽孢方式攝入體內，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，發現消化道中其數量不斷增加，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存在36 d以上。Youngman 等（1984）發現對動物投加10^8 CFU 芽孢，在攝入3 h后就可以在糞便中檢測到其存在，并發現糞便中總的芽孢數量為攝入量的6 倍以上。因此，該試驗結果可以間接推斷出芽孢在進入動物腸道后，存在一個萌發過程。隨著研究的不斷深入，已在越來越多種類的芽孢桿菌中發現了這種現象，包括蠟狀芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌等（Jadamus，2001）。目前，最為直接的證據是采用分子生物學手段對芽孢的萌發進行研究。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體階段表達，因此這個融合基因的mRNA 只在芽孢萌發時才能夠被檢測。通過這種分子手段，最終發現芽孢可能最早在空腸內就已萌發。

　　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量，同時提高腸道益生菌的數量。Han等（1984）研究發現，生長豬連續飼喂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量顯著降低，而丁酸梭菌和乳酸桿菌的數量則顯著增加。關于芽孢桿菌的抑菌機理，目前主要有生物奪氧、菌群調整、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周后發現，糞便中的厭氧菌如雙歧桿菌和乳酸桿菌數量顯著上升，而需氧菌如腸桿菌的數量顯著下降，其它病原菌如鏈球菌和產氣莢膜梭菌的數量也顯著下降。

      芽孢桿菌還能夠產生某些抑菌物質，對一些病原菌起拮抗作用，進而調整腸道微生態平衡。Teo等（2005）從雞腸道中分離得到一株B. subtilisPB6，發現其對產氣莢膜梭菌有明顯的拮抗作用，隨后他們又從PB6的培養物中分離得到大30 小約為960 Da到983 Da不等的拮抗因子，發現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，使淋巴組織處于高度反應狀態。Scharek（2007）飼喂生豬B. subtilis，發現其可顯著提高CD8+ T淋巴細胞的數量。Duc（2004）的研究發現攝入機體內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的淋巴系統。也有研究發現芽孢能夠刺激動物機體的B淋巴細胞群，產生IgG、IgA等抗體，進而發生一系列免疫應答反應（Guidi-Rontani，1999）。國內潘康成等（2005）的研究表明，芽孢的攝入能夠誘導B淋巴細胞和巨噬細胞產生特定的細胞因子。

　　2 芽孢桿菌在養殖業中的應用

　　2.1 芽孢桿菌在畜牧養殖業中的應用

      芽孢桿菌能夠耐受動物胃液，在動物腸道中生長萌發，且分泌多種酶類，促進動物體消化吸收，同時在腸道內競爭性奪氧，形成厭氧環境，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境。國外La Ragione 等（2003）在對禽類喂食一定量的枯草芽孢后發現，芽孢能夠有效的抑制致病菌大腸桿菌O78:K80 和沙門氏菌，并且促進腸道內乳桿菌等益生菌的生長。Wang 等（2009）利用復合芽孢桿菌制劑（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%添加量添加到基礎日糧中飼喂生長豬35 d后，發現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奶量的影響，發現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現，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 芽孢桿菌在水產養殖業中的應用

      芽孢桿菌在水產養殖上的應用要廣于動物養殖，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，改善養殖水體水質（Urdaci和Pinchuk，2004）。Saeed等（2006）通過向水體中潑灑芽孢桿菌制劑，發現對蝦腸道中的芽孢桿菌數明顯提高，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殖動物的消化吸收，提高營養物質在腸道內的消化利用率。

　　3 研究與應用展望

      研究已表明芽孢桿菌可耐受動物腸道的惡劣環境，萌發成營養體最終刺激腸道免疫系統發揮其作用。盡管如此，目前還存在很多問題尚未解決，①在不同的養殖動物中，由于芽孢的萌發時間和萌發位置不同，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試驗很少)；②芽孢桿菌產品質量指標、檢測方法等行業標準尚未建立；③芽孢桿菌如何影響養殖動物消化器官發育，刺激動物體機體免疫能力；④芽孢與腸道菌群互作效應未知等。當前，抗生素濫用、食品安全和環境保護等問題已經成為各國養殖業發展中考慮的重點，因此，芽孢桿菌類微生態制劑必將具有更廣闊的開發價值和應用前景。