国内外饲用微生态制剂的研究进展

最早研究和应用畜禽微生态制剂的历史可以追溯到1947年，蒙哈德（Mollgaard）首先发现使用乳酸杆菌饲喂仔猪可有效的增加仔猪的体重并改善仔猪的身体健康。然而20世纪50、60年代正是抗生素研究、生产和使用的黄金时期，导致微生态制剂研究和开发工作处于低潮，一段时期以来没有受到足够的重视，直到80年代中期情况才有了根本性的扭转。微生态制剂作为一种新兴的饲料添加剂，虽然近10年来发展很快，但其使用效果存在着明显的不稳定和不连续性。这主要由于缺乏对动物正常及病态状态下肠道微生物菌群结构和特性的研究，对肠道做生物和寄主之间的互相作用方面的研究更少。只有更深入的研究肠道微生物菌群在动物生长发育和保健中所起的作用，才能做到有的放矢，确保新型微生态制剂的高效、安全。1猪、鸡肠道微生态学的最新研究进展1．1猪、鸡肠道微生物的系统发育和结构组成与所有的脊椎动物一样，仔猪和仔鸡的胚胎处于无菌状态，分娩时由于仔猪受到母体产道、粪便及环境微生物的影响，在出生后的3～4个小时，肠道内开始检出大肠杆菌和链球菌。兼性厌氧菌作为第一批在仔猪肠道定植的菌株是由于仔猪初生时肠道内环境中高溶解氧。高氧化还原电位等选择的结果。动物初生24小时之后，大肠杆菌和链球菌菌数达到108。48小时仔猪肠道内开始出现可以在微氧环境中生存的乳酸杆菌，72小时专性厌氧菌、拟杆菌开始在肠内定植。然而以上的描述只是一个理论模式，仔猪体内的菌群发育情况因个体差异而有所不同。Muralidhara（1977）的研究报告指出，仔猪出生后4个小时粪便中可以检测出乳酸杆菌，而8个小时之后才检测出大肠杆菌。Monghan（1992）发现乳酸杆菌和大肠杆菌最初出现在仔猪粪便中的时间各仔猪明显不同，从25个小时开始到出生后7天都有发生。Katouli（1995，1997）用分子生物学的方法研究仔猪的肠道菌来源，发现母猪是仔猪前两周内肠道微生物的主要污染源，然而对大肠杆菌基因型的分析却证明环境因素同样起了很大的作用。仔猪从出生到断奶后肠道菌的组成一直在发生连续的变化，一般认为直到育肥期才趋于平衡。在育肥期猪的肠道内至少发现有30多个属、100多种细菌。禽类胃肠道的解剖结构和猪有明显的区别，其肠道菌的组成和结构具有其明显的特点。然而我们对仔鸡初生之后胃肠道中微生物菌群演替过程的了解非常匮乏。Scanlan和Grahan（1990）报道认为，鸡嗉囊和砂囊内的上皮细胞表面粘附着大量的乳酸杆菌，而乳酸杆菌的数量影响着大肠杆菌的水平。鸡小肠内以兼性厌氧菌如大肠杆菌、乳酸杆菌、链球菌和金黄色葡萄球菌为优势菌群，专性厌氧菌只占总菌数的9％～39％。到达盲肠后专性厌氧菌变成主要菌群，总量达到1011。鸡的大肠很短，肠道菌群主要坐落在盲肠。1．2影响猪、鸡肠道微生物生态平衡的主要因素任何一个生态群落中种群的结构和数量的组成都是外部环境因素作用的结果。对于肠道微生物菌群而言，寄主的遗传免疫特性、肠道内pH和氧化还原电位的高低、寄主的食物结构是影响其结构与活性的主要因素。在所有这些环境因素中，首先要回答的最基本问题是，个体之间肠道微生物菌群在发育和组成上的差异是由于个体遗传结构上的差异所造成的，还是寄主所在环境因素的结果。Florin（2000）通过对同卵孪生子和异卵孪生子肠道中甲烷产生菌存在几率的比较，以及小鼠在不同饲养环境中甲烷产生菌感染几率的比较发现，在决定肠道微生物群结构中遗传因素和环境因素各起50％的作用。这为微生态制剂在畜禽养殖中的应用奠定了理论基础。说明畜禽肠道微生物的组成、结构、发育过程等是外界因素和动物体本身双重作用的结果，适当的微生态制剂能够调整肠道菌达到平衡。毫无疑问，饲料的营养组成和化学结构是影响肠道微生物菌群结构的另一个重要因素。对仔猪而言，断奶前后日粮组成的巨大变化会引起肠道微生物菌群的混乱。Krause（1994）发现仔猪饲料中添加乳糖可以有效地降低肠道内链球菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、霉菌和酵母菌的数量。而淀粉类饲料对上述菌群有刺激生长的作用。这是由于仔猪体内对淀粉类饲料的消化能力较低，而乳酸杆菌对乳糖的发酵比淀粉快，产生大量的乳酸，抑制了其它菌的生长。正是由于饲料的组成直接影响到肠道菌的平衡，一系列寡糖添加剂便应运而生，其中包括寡聚甘露糖、寡聚果糖、寡聚木糖和寡聚半乳糖等。在饲料中添加低于治疗剂量的抗生素不可避免地降低了肠道微生物的发酵水平，从而提高了饲料转化率。但是早在1968年，Smith发现了由于饲料中滥用四环素，抗四环素抗性因子开始出现在肠道病原菌中。虽然1971年英国全面禁止四环素类抗生素在饲料添加剂中的使用，Smith在1975年的追踪调查中却发现抗四环素抗性因子在猪肠道大肠杆菌中的含量并没有明显下降。Langlois在1983年的进一步实验中也发现了即使猪停止使用四环素类抗生素达10年之久，抗性因子的含量只下降了50％。由此可见，抗生素对畜禽肠道微生物的污染和人类对自然环境的破坏同样可怕，需要相当长的修复时间。更可怕的是自然界的破坏极易引起人们的关注，而滥用抗生素对畜禽肠道微生态系统的破坏却长期被人们所忽视。1．3分子生态学的方法在研究肠道微生态学中的应用在过去的一个世纪中，人们对肠道微生物菌群的了解完全基于常规微生物实验的手段。随着近几年来分子微生态学技术的进步，人们对肠道微生物菌群的结构与特性有了全新的认识。科学家们惊讶地发现肠道中只有占总数30％的细菌可以通过常规微生物学的实验方法培养出来，而剩下的70％却是未知的，只有通过分子生态学的方法测定它们的存在。在这些迄今无法培养的细菌中，有些种类如梭状芽孢杆菌属中的Segmented filamentous acteria在动物和人体出生后免疫系统成熟方面起着非常重要的作用。在鸡的小肠内也发现了一种巨大细菌，这种细胞和肠粘膜的上皮分泌细胞紧密相粘，表明与其上皮细胞是一种互生的关系。总之，分子微生态学已成为近几年来肠道微生态学中最活跃的热点之一，分子微生态学技术的发展最有可能给肠道微生态学带来革命性的突破。2畜禽微生态制剂的作用原理及最新研究进展微生态制剂包括益生菌、益生元及含有益生菌和益生元的合生素三种类型。微生态制剂作为绿色饲料添加剂现已被广大消费者所接受。与化学结构简单、作用机理单一的抗生素相比，微生态制剂的成分要复杂得多。除了活的菌体之外，菌体本身尚包含碳水化合物、蛋白质和核酸等生物大分子，由于这些物质的存在决定了其作用原理的多样性。一般认为微生态制剂促进畜禽健康的作用机理包括以下几个方面：帮助寄主肠道菌群尽快达到应有数量，或者维持其生态平衡。饱和肠粘膜的吸附位点，致使病原菌无法在肠粘膜上定植。对于益生元来讲，可以竞争性地和病原菌表面的受体结合，从而使病原菌不能与肠壁受体结合。发酵碳水化合物，产生短链脂肪酸等代谢产物，降低肠道内pH值，从而抑制肠道内发酵蛋白质的菌群活性，减缓肠内蛋白质的发酵速度。刺激寄生免疫细胞的活性，提高免疫球蛋白的水平。促进维生素等营养物质的吸收利用，同时产生多种消化酶，协同寄主增加对饲料的消化和吸收。目前市场上销售的畜禽益生菌制剂含有芽胞杆菌、乳酸杆菌、粪链球菌、双歧杆菌、酵母菌等几大类。光合菌和梭状芽胞杆菌属的部分菌株及噬菌蛭弧菌等也常被用做益生菌添加到仔猪和仔鸡饲料中。菌株的筛选和活性的测定是益生菌研究中的关键问题，决定着微生态制剂的使用效果。现在认为合格的益生菌菌株必须满足以下几个方面要求：①正确的来源。由于寄主的遗传特性和环境影响在决定肠道菌菌群结构和组成方面各起50％的作用，寄主和肠道菌之间存在着相互选择、相互依赖的关系。母猪体内的菌株毫无疑问更易在仔猪体内定植，所以菌株的来源应当和使用对象一致，只有这样才能增强益生菌功效的特异性和针对性。②定植和粘附力。益生菌虽然有调节肠道菌平衡和改善内环境的作用，但是停止饲喂益生菌后其作用也会随着菌体被排除体外而消失。现在认为益生菌在肠壁上的粘附是益生菌定植过程中的一个重要步骤，是大量繁殖变成优势种群的前提，所以粘附力的强弱是筛选益生菌菌株的重要标准之一。③在酸性和高胆盐环境中的生存能力。口服是益生菌进入肠道的主要途径，所以益生菌在进入大肠之前必须经受胃中盐酸和小肠中高浓度胆盐的考验。只有在盐酸和胆盐中成活率高的菌株才有可能发挥作用。④特异的生理功能。每一种益生菌具有其特定的生理功能。例如嗜酸乳杆菌GG对寄主的免疫系统有较强的调解作用，而鼠乳杆菌对大肠杆菌有较强的抑制作用。只有对各个菌株的疗效和生物特性有深入细致的研究和了解，才能根据不同情况设计出有促生长作用的微生态制剂。⑤产品中稳定的活菌数。微生态产品中活菌的数量是其发挥作用的根本保证，所以要求菌株在生产和保存过程中保持稳定的活性是对菌株的基本要求。虽然人们现在已经认识到活菌的数量是微生态制剂发挥作用的关键，但是在饲料中添加益生菌并不是多多益善。过量的益生菌反而会引起仔猪和仔鸡的轻微腹泻。Apgar(1993)使用不同剂量的双歧杆菌（5．0×104，67×106，7．5×108cfu／天）喂养仔猪时发现，只有中低剂量的益生菌可以有效的增加仔猪的日增重、日采食量，因而提高饲料转化率，而高剂量的益生菌反而影响仔猪的生长。益生元添加量的多少同样影响着实验动物的生长。Dritz(1995)发现饲料中只有添加0.025％～0．05％的β一葡聚糖才能够明显地促进仔猪的生长。如果剂量增加到0.1％，仔猪的日增重和日采食量反而下降。动物免疫系统的复杂程度和动物体重的增长呈反比的关系。现在认为减少肠道中病原菌的数量和降低对免疫系统的刺激会导致动物体内细胞介素的降低。而动物体内细胞介素的水平和动物的生长有关。白细胞介素一1的升高可以引起动物生长速度的下降。所以那些对动物可以产生显著免疫调节作用的益生菌和益生元在使用上要格外注意，对于添加量、使用次数和使用方法要经过多次严格的实验才可能达到最佳效果。3小结我们必须清楚的认识到并不是所有的益生菌都是绝对安全的。有的益生菌含有的抗药因子可以通过基因物质的交换转移到正常的肠道菌群中。现在有人把含有抗药因子的基因工程菌用做益生菌，其结果将会和滥用抗生素一样，制造出任何抗生素都无法消灭的超级细菌，给人类造成更大的威胁。绿色饲料添加剂的开发已是大势所趋，值得指出的是，在研究益生菌的同时，必须下大力气研究动物肠道菌菌群自身的特点及与寄主和环境之间的关系，才能设计出新一代高效的微生态制剂。