枯草芽孢杆菌的生理功能及其在动物生产中的应用

2020-05-12田科雄

湖南饲料 2020年2期

班博戴维田科雄

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南畜禽安全生产协同创新中心，长沙410128）

饲料添加剂是一类在饲料生产、加工、使用过程中，添加少量或微量但作用显著的物质。抗生素作为一种广泛使用的饲料添加剂在过去几十年里为畜牧养殖行业取得了相当可观的经济效益。但是抗生素的不规范使用所带来的负面影响也随之而来，耐药性、超级细菌和食品安全等问题时有报道。在当下限抗、禁抗的大环境下，寻找真正绿色的抗生素替代品势在必行。芽孢杆菌作为一种无毒、无残留、无耐药性并且可通过营养调控维持肠道健康、改善肠道功能等方面对动物产生一系列的益生作用的饲料添加剂，是一种理想的抗生素替代品。在众多芽孢杆菌中枯草芽孢杆菌是目前应用最广泛的菌之一，早在1989年美国食品药物管理局(FDA) 与美国饲料管理会(AAFCO) 就发布枯草芽孢杆菌可直接投喂动物，我国农业部也在2008 年公布允许枯草芽孢杆菌作为饲料微生物类添加剂。枯草芽孢杆菌具有提高饲料转化率、增大饲料营养价值、增强动物机体免疫力、抵抗疾病、改善动物肠道健康等作用，因此，本文对枯草芽孢杆菌的生物学特性、生理功能以及在动物生产上的应用研究进展进行综述，以期对枯草芽孢杆菌的进一步研究和探索提供一定的参考。

1 枯草芽孢杆菌的生物学特征

枯草芽孢杆菌最早由Ehvenberg 发现并命名为Vibrio Subtilis，随着细菌分类系统的建立枯草芽抱杆菌被重新命名为Bacillus Subtilis。枯草芽孢杆菌是一种好氧型、内生孢子的革兰氏阳性菌，是芽孢杆菌科的典型代表。其细胞呈直杆状，大小为(0.8-1.2) μm× (1.5-4.0) μm，无荚膜，周生鞭毛，能运动，内生椭圆形孢子，菌体具有很强的分泌能力且自身没有致病性，在土壤、腐败植物、水中广泛存在且易于分离培养。枯草芽抱杆菌最适生长温度约为37℃，其菌落呈现透明或稍有黄色但稍显粗糙。枯草芽抱杆菌能耐酸碱、耐高温、耐高压具有极强的抗逆能力，在90℃的高温条件下放置10min 仍具有80%的存活率，在pH 值为3 的酸性环境下也有90%以上的存活率，在高温高压的制粒工艺中也只有5%的损耗，此外还能够耐受几种抗生素。在生长环境发生极端改变时枯草芽抱杆菌会停止生长并生出抗逆性更强的孢子，当环境适宜时孢子可快速复活生长繁殖。

2 枯草芽孢杆菌的生理功能

枯草芽孢杆菌一方面通过生物夺氧营造缺氧环境促进厌氧有益菌的生长繁殖和竞争性抑制有害菌生存，另一方面通过产生抗菌类物质拮抗病原菌来改善肠道菌群调节微生态平衡。在生物夺氧、竞争性抑制有害菌方面，当处于休眠状态的枯草芽孢杆菌或其孢子进入到动物肠道后，快速活化增殖，这一过程中消耗大量氧气，使肠道内处于缺氧状态，抑制需氧有害菌的生长、繁殖，促进厌氧菌如双歧杆菌、乳酸菌等有益菌的增殖，同时产生大量酸性物质降低肠道pH，进一步抑制有害菌的生长。此外枯草芽孢杆菌和肠道内被促进增殖的有益菌与肠道内有害菌之间在生存空间、定植部位、营养物质等方面的竞争，也很大程度上抑制了有害菌的生长、繁殖。在产生抗菌类物质拮抗病原菌方面，枯草芽孢杆菌对大肠杆菌、沙门氏菌、产气荚膜梭菌等致病菌具有明显的拮抗作用。枯草芽孢杆菌能够产生氨基糖类、磷脂类、肽类和脂肽类等多种能够抑制细菌、真菌等病原体生长的抗菌物质，这些抗菌物质可以对病原菌的细胞壁、细胞膜、核酸和蛋白质等直接起作用或者通过干扰病原菌的生物合成系统来行使抗菌功能。

枯草芽孢杆菌作为好氧菌，进入肠道后快速繁殖的同时大量消耗氧气，使肠道变为厌氧环境。厌氧菌在厌氧环境下生长繁殖产生乳酸，以及枯草芽孢杆菌在肠道中产生乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸，使肠道酸化pH 降低。绒毛高度与隐窝深度是决定肠道黏膜形态的关键指标，二者也反应了肠道功能。绒毛长短决定对养分的吸收能力，隐窝深浅反映细胞的生成率与分泌能力。枯草芽孢杆菌对肠道微生态的调节促进了绒毛的再生以及对有害菌的抑制作用减少了致病菌和毒素对绒毛的损伤。张名爱等、 Min YN 等学者均已证实枯草芽孢杆菌具有提高肠道绒毛高度、降低隐窝深度有效改善动物肠道粘膜形态的功能。

机体抗氧化能力的强弱，即各种抗氧化酶含量与活性的高低，其决定了新陈代谢过程中产生的自由基在机体内的积累程度。当机体内自由基浓度太高时，机体将会受到损害，主要包括3 个方面：损坏细胞膜、蛋白酶失活、损伤基因。枯草芽孢杆菌能够增强机体抗氧化酶的活性，提高抗氧化能力，减少自由基对机体的损伤。有研究表明，枯草芽孢杆菌可通过调控核转录因子E2相关因子2 (Nrf2) /抗氧化反应元件(ARE) 信号通路，上调其下游二相抗氧化酶基因 mRNA 的表达，提高体内抗氧化酶活性，进而发挥抗氧化作用。

枯草芽孢杆菌具有促进畜禽免疫器官的生长发育及增强机体的非特异性和特异性免疫功能。当枯草芽孢杆菌进入畜禽体内，一方面其本身作为非特异性免疫因子，通过菌体或细胞壁成分刺激宿主细胞，从而激活巨噬细胞增强机体免疫。另一方面枯草芽孢杆菌可发挥免疫佐剂作用，其被肠道内具有抗原识别部位的淋巴组织识别，从而活化肠粘膜内的相关淋巴组织，使SIgA 抗体分泌增强，提高免疫识别能力，并诱导T、 B 淋巴细胞和巨噬细胞产生细胞因子，通过淋巴细胞再循环而增强机体免疫功能。 Selvam R 等证实，枯草芽抱杆菌分泌的表面活性剂能抑制炎症反应的关键酶-磷脂酶A2，进而减少肠道炎症反应。

3 在动物生产上的应用

在动物生产上提高饲料报酬，是提高经济效益的有效方法。枯草芽孢杆菌能分泌多种高活性的消化酶、氨基酸、以及促生长因子，提高动物消化系统对营养物质的消化和吸收，进而促进动物的生长。有研究表明，枯草芽孢杆菌Kpg 能够显著降低麸皮中的纤维素含量，同时显著提高发酵麸皮中的真蛋白含量。姜军坡等在育肥猪饲粮中添加0.1%的枯草芽孢杆菌Z-27 菌剂(含菌量为1.0×1010cfu/g)，与对照组相比试验组平均日增体质量提高了9.84%，料重比降低了7.05%；粪便中蛋白酶、 α-淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶的平均活力分别提高了67.74%、 51.19%、 75.33%、64.41%；粪便中残留的粗蛋白、粗纤维、粗脂肪和淀粉等营养成分含量分别下降了39.10%、29.56%、 26.03%和33.46%。此外枯草芽抱杆菌能有效降低粪便中产生的氨气、吲哚等有害气体浓度，进而减轻粪便臭味，改善畜舍环境。

枯草芽孢杆菌具有改善肠道健康促进消化器官发育的作用，可有效缓解断奶仔猪因胃肠道发育不完全容易引发的腹泻、饲料转化率低下等问题。周映华等在断奶仔猪饲粮中添加0.05%的枯草芽孢杆菌(含菌量≧1010cfu/g)，试验结果表明，与对照组相比日增重提高23.8%，饲料转化率提高5.48%，腹泻率降低，此外粪便中乳酸菌和双歧杆菌显著增加，大肠杆菌显著降低。潘宝海等研究表明，枯草芽孢杆菌可明显改善饲料转化率及降低仔猪腹泻率。程志斌等研究发现，饲粮添加枯草芽抱杆菌有利于早期断奶仔猪肠道、肝脏等主要消化器官的发育，对改善仔猪生长性能有良好效果。闻爱友等、 HU Y L 等也证实了，断奶仔猪日粮中添加枯草芽孢杆菌制剂可明显改善其生产性能。

韩丽等研究表明，母猪饲粮中添加枯草芽孢杆菌不仅可以改善母猪肠道健康和营养状况还可提高子代的初生窝重、初生个体均重、断奶窝重、断奶窝个体均重和平均日增重，以及调控哺乳仔猪脂代谢和氮代谢相关血浆生化参数，减少肠道中大肠杆菌数量，增加肠道内容物生物胺和乙酸含量，从而改善哺乳仔猪的肠道健康和生长发育。

枯草芽孢杆菌在家禽生产上的应用十分广泛，其中在肉鸡生产上的应用尤为突出。崔宇等在AA+肉鸡饲粮中添加500 mg/kg 枯草芽孢杆菌，与对照组相比，试验组鸡末体重和平均日增质量分别提高7.11%和7.44%，均有显著差异，且半净膛率和全净膛率分别显著提高1.83%和3.38%，料肉比有降低趋势，平均每只鸡增收0.71 元。许运岑等LI Y 等均证实了枯草芽孢杆菌可提高肉鸡生产性。姜旭东在白羽肉鸡饲粮中分别添加0.2%、 0.4%、 0.6%的枯草芽孢杆菌制剂(含量≥1.5 亿cfu/g)，试验结果表明，与对照组相比，各周腹泻次数及腹泻频率均有所降低，平均腹泻频率分别降低了6.89%、 18.70%、26.59%。枯草芽孢杆菌可通过提高消化酶活性、改善肠道健康、增强免疫功能等方面减少肉鸡腹泻提高其生产性能。刘涛研究表明，枯草芽抱杆菌可提高肉鸡肠道消化酶活力。王佰魁等、杨曦等、徐丽娜等均发现枯草芽孢杆菌具有增强肉鸡机体免疫功能的作用。此外还有报道称枯草芽孢杆菌可以有效减少或者替代抗生素的作用。

枯草芽孢杆菌不仅可以提高蛋鸡生产性能、改善蛋品质，此外还具有除臭除氨的作用。崔闯飞等、 GUO J R 等研究均表明，饲粮中添加枯草芽孢杆菌可以改善蛋鸡生产性能，提高蛋壳品质，降低破软蛋率。在蛋品质方面Xu 等、李晓丽等研究指出，在饲粮中添加一定量的枯草芽孢杆菌可以增加蛋壳厚度、蛋黄颜色以及哈氏单位。丁文骏等通过在蛋鸡饲粮中添加0.01%的枯草芽孢杆菌发现，枯草芽孢杆菌可以极显著提高蛋鸡总产蛋重和平均蛋重，显著提高了产蛋数与产蛋率，有效提高生产性能，此外枯草芽孢杆菌组极显著降低了排泄物中的脲酶活性，显著降低了氨态氮含量，并有降低尿酸含量及尿酸酶活性的趋势，表现出一定的除臭除氨的能力。

枯草芽孢杆菌在水禽生产上的应用集中在肉鸭方面，近年来也有在肉鹅方面的报道。杨兴旺在肉鸭饲粮中添加枯草芽孢杆菌B-5 菌剂，结果表明，与对照组相比提高了对营养物质的消化吸收，其中料肉比降低了7.41%，平均日增重提高了7.85%，在肠道菌群方面，试验组肠道中双歧杆菌和乳酸杆菌分别较对照组增加了6.78%和9.78%，大肠杆菌降低了15.55%，增加了肉鸭的机体抵抗力和免疫力，减少疾病发生。叶枝林在樱桃谷肉鸭饲粮中添加300 mg/kg 含有枯草芽孢杆菌的微生态制剂，结果表明，与对照组相比肉鸭平均体重提高2.37%，料重比降低2.62%。胡振华等研究发现，饲粮中添加枯草芽孢杆菌可改善肠道形态，增加肠道内有益菌的数量以及刺激免疫器官的发育，促进肉鸭生长。在肉鹅方面枯草芽孢杆菌同样是通过促进肠道发育、优化肠道微生物菌群结构、提高对饲粮中粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维利用率来改善其生长性能。

枯草芽孢杆菌可以在反刍动物瘤胃中存活，提高有机物消化率、微生物蛋白产量以及挥发性脂肪酸浓度。李象鼎和赵仓安研究表明，在陕南白山羊育肥阶段精料补充料中添加0.1%枯草芽孢杆菌制剂(有效活菌数≥200 亿/克)，经75 天育肥，对照组相比平均增重、平均日增重分别提高了18.02%、 18.24%，精料饲料料肉比降低了15.12%，每只羊多盈利29 元。苏勇华等研究表明，枯草芽孢杆菌能提高多浪羊的平均日增质量，提高干物质、粗蛋白、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观消化率。高堂亮等在肉牛日粮中添加5×1010cfu 含有枯草芽孢杆菌的复合菌剂，与对照组相比平均日增重、平均日采食量显著提高，料重比显著降低。刘俊阳等在饲粮中添加含有枯草芽孢杆菌的复合微生态制剂发现，可以有效改善犊牛肠道菌群并且降低犊牛的腹泻率。

枯草芽孢杆菌一方面能将腐败植物的残渣、动物的排泄物、残存饲料等分解为小分子有机酸和氨基酸，减少氨气吲哚的产生，净化水质，改善水产养殖环境；另一方面，枯草芽孢杆菌通过增强动物机体免疫力、提高肠道消化酶活性，进而提高生长性能。吕子君等在海南长臀鮠饲粮中添加不同剂量的枯草芽孢杆菌，其中0.9%和1.2%添加量组的终末体重、增重率和特定生长率分别比对照组显著提高了21.97%和23.14%、36.62%和39.24%、 20.92%和22.88%，饵料系数显著下降23.91%和26.81%。程远等研究表明，饲料中添加0.12%、 0.18%的枯草芽孢杆菌能够显著提高吉富罗非鱼幼鱼的免疫力和抗氧化功能。沈斌乾等在青鱼饲粮中分别添加2×106、 2×107、2×108和5×108cfu/g 的枯草芽孢杆菌，结果发现，与对照组相比青鱼鱼体末重和增重显著提高，饲料系数显著降低，且肠淀粉酶、蛋白酶活性均显著提高。

枯草芽孢杆菌因其独特的生理功能，被应用于越来越多的动物生产领域。裴跃明等在断奶赖兔饲粮中添加0.50%和0.75%的枯草芽孢杆菌制剂(含菌量6.15 亿cfu/g)，结果表明，与对照组相比末质量分别提高7.36%和5.08%，，平均日增质量分别提高13.45%和9.36%，料重比分别下降11.80%和8.43%，腹泻率分别降低55.14%和54.59%，均差异显著。郑雪等在断奶仔鹿饲粮中添加0.01%、 0.05%、 0.10%的枯草芽孢杆菌制剂(含菌量≧2.0×109cfu/g)，结果表明，与对照组相比仔鹿平均日增重显著提高，料重比和腹泻率显著降低。郭梦娇研究表明，饲喂106cfu/g 的枯草芽孢杆菌可提高新西兰大白兔生长性能、免疫球蛋白含量、免疫器官指数以及盲肠微生物菌群的多样性，促进肠道健康。