凝結芽孢桿菌的生物學功能及其在畜禽生產中的應用

畜牧編輯

　　作者：安濟山 , 胡睿智 , 楊玲 , 賀建華

　　摘要:凝結芽孢桿菌是一種產乳酸的芽孢桿菌，除了具有腸道內乳酸菌和雙歧桿菌的雙重功效之外，還具有芽孢桿菌屬的高抗逆性。諸多研究表明，其作為飼料添加劑，凝結芽孢桿菌具有調節動物腸道功能紊亂、維持腸道微生態平衡、提高機體免疫能力和生產性能等多方面的功效。因此，本文主要綜述了凝結芽孢桿菌的生物學功能、作用機理以及國內外關于凝結芽孢桿菌在畜禽生產中的應用效果，以期為凝結芽孢桿菌在畜禽健康養殖和安全生產中的應用提供有效參考。

　　關鍵詞: 凝結芽孢桿菌    乳酸    高抗逆性    生物學功能    作用機理    畜禽生產

　　凝結芽孢桿菌(Bacilluscoagulans)于20世紀初在酸敗牛奶中被首次發現[1]。經幾十年來的研究，國內外對其益生特性及安全性已取得權威性認可，現已被中國農業部列為可直接飼用于畜禽生產的新型飼料添加劑。相比于胃腸道內固有的重要的乳酸菌和雙歧桿菌，凝結芽孢桿菌不僅兼具二者的雙重功效，同時，還具備芽孢桿菌屬高抗逆性、強黏附性、分泌消化酶、產抑菌物質、易于培養與貯存穩定等獨特優勢[2-3]。

　　諸多研究報道表明，作為新型微生態制劑，凝結芽孢桿菌具有調控動物腸道健康等多種生物學功能，主要體現在調節腸道功能紊亂、維持腸道菌群平衡、改善腸道形態結構、增強機體免疫能力、促進營養物質吸收代謝以及提高生產性能等方面[4-6]，不僅有力地改善了畜禽亞健康與養殖環境污染狀況，而且有效避免了飼喂抗生素所帶來的藥物殘留和耐藥性等問題，即順應了當下畜牧養殖業“限抗”和“禁抗”的趨勢。因此，結合國內外關于凝結芽孢桿菌的研究結果，對凝結芽孢桿菌的生物學功能、作用機理及其在畜禽生產中的應用效果作一綜述，以期為凝結芽孢桿菌在畜禽生產中更合理的應用提供有效參考。

　　1凝結芽孢桿菌的生理特性

　　凝結芽孢桿菌為厚壁菌門芽孢桿菌屬，是兼性厭氧型革蘭氏陽性菌，其活化的營養細胞呈桿狀(長2.5~5.0μm，寬0.6~1.0μm)，且兩端鈍圓，端生芽孢，無鞭毛，具有一定的運動性，菌落形態呈不透明白色且表面突出的圓形形狀[1]。凝結芽孢桿菌為嗜熱同型乳酸發酵菌，最適生長溫度為30~50℃，最適pH為6.6~7.0，主要以淀粉類原料為碳源發酵，無氧無滅菌處理可分解糖類生成高光學純度的L(+)-乳酸[7]。此外，發酵培養基中碳源、氮源和生長因子(主要為生物素和硫胺素)限制其發酵率、產芽孢率及乳酸濃度[8]。

　　凝結芽孢桿菌的特性主要體現在以下幾方面：1)安全性：除了具備益生菌制劑眾多優點之外，經毒理學和抗生素耐藥性試驗證明，其不同于其他芽孢桿菌攜帶腸毒素和嘔吐毒素基因，同時無致誘變和致畸變以及遺傳毒性效應，并對所有抗生素具有一定的敏感性，且不攜帶抗生素耐藥性基因[9-11]。2)抗逆性：其芽孢體狀態具有耐胃酸、耐膽鹽、耐高溫高壓、復活率高等特性，是順利通過胃腸道系統的重要保障，并且具有滿足顆粒飼料加工條件、降低雜菌污染系數和延長貨架期等優勢，且可提高飼料品質[12-13]。3)黏附性：根據置換腸道致病菌試驗表明，其對腸道上皮細胞具有較強的黏附力，是益生作用的重要前提條件[9, 14]。4)抑菌性：其具有較廣的抗菌譜，在代謝繁殖過程中所分泌的L(+)-乳酸與凝固素等抑菌物質共同抑制腸道內多種革蘭氏陽性/陰性致病菌[15-16]，降低動物腸道發病率。5)產水解酶性：其分泌多種消化酶和酶促因子，可降解植物飼料中復雜碳水化合物和消除抗營養因子等[17]。

　　2凝結芽孢桿菌的生物學功能及機理
　　2.1抑制有害菌增殖，維持腸道菌群穩態

　　腸道菌群是激活和維持腸道生理功能的重要因素，菌群失調將直接導致動物機體生理功能性障礙，進而引發各種疾病。凝結芽孢桿菌并非動物體腸道內固有微生物，其以高抗逆性的活性芽孢體順利通過胃酸和消化酶的雙重作用進入腸道“定居”，并迅速消耗腸道中的游離氧，創造可促進厭氧型有益菌如乳酸菌和雙歧桿菌增殖的低氧環境，同時抑制需氧型致病菌和腐敗微生物的生長，減少產氣莢膜梭菌數量[18-19]。王政等[20]報道，飲水中添加高劑量的凝結芽孢桿菌顯著增加了肉雞盲腸食糜中乳酸菌數量，顯著減少了大腸桿菌類致病菌數量。Donskey等[21]研究發現，凝結芽孢桿菌可顯著降低小鼠腸道內耐萬古霉素腸球菌的數量，同時，證明凝結芽孢桿菌具有改善抗生素引起的腸道菌群紊亂和相關疾病的優勢菌株。諸多研究發現，凝結芽孢桿菌不同于傳統乳酸菌或芽孢桿菌，以戊糖、己糖為碳源發酵生成高化學純度與光學純度的L(+)-乳酸[22]，并且有利于人體和動物吸收，能在小腸上皮細胞表面形成一層生物屏障，阻止有害病菌的附著，同時調節腸道環境pH，創造有利于益生菌增殖的酸性環境，對嗜堿性致病菌有拮抗作用[15]。有研究發現，凝結芽孢桿菌可產生抑菌素物質，對腸道內革蘭氏陽性或陰性致病菌有顯著抑制作用[23-24]。此外，在體外腸道模擬試驗中，再次證明凝結芽孢桿菌對腸道李斯特菌、金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌、沙門氏菌和副溶血性弧菌等病原菌有顯著溶解作用，其機理可能是產生的凝固素溶解病原菌細胞膜，導致胞內氨基酸、無機鹽離子等泄露失活[25]。

　　綜上，凝結芽孢桿菌在腸道內通過抑制病原菌黏附、生物奪氧和產生L(+)-乳酸與抑菌素共同拮抗病原菌的異常增殖，促進有益菌群的生長發育，進而改善腸道菌群結構，營造健康腸道環境。

　　2.2改善腸道形態結構，調節腸道吸收代謝

　　腸道形態結構的完整性是保證動物對營養物質消化吸收的重要條件。諸多研究表明，凝結芽孢桿菌可以改善動物腸道的形態結構，進而提高飼料利用率和動物生產性能[26-27]。Wu等[28]報道，飼糧中添加凝結芽孢桿菌可極顯著降低感染產氣莢膜梭菌肉雞腸道損傷評分，并顯著提高腸黏膜完整性、小腸絨毛高度和絨隱比。這與在斷奶仔豬腸道損傷模型上的應用研究結果一致，而且可以顯著增強腸道上皮細胞間緊密連接蛋白閉鎖蛋白(Occludin)、閉合蛋白-1(Claudin-1)和閉鎖小帶蛋白-1(ZO-1)的mRNA表達，從而恢復腸道通透性，防御病原菌感染，減少腹瀉[29-30]，其機理可能與抑制腸道黏膜免疫相關信號通路跨膜Toll樣受體(Toll-likereceptors，TLR)-4和細胞內NOD樣受體(nucleotidebindingoligomerizationdomain-likereceptors,NLR)-2激活核轉錄因子-κB(nuclearfactor-κB，NF-κB)轉錄促炎細胞因子有關[31]。以上研究結果充分證明凝結芽孢桿菌能促進動物腸道形態發育，維持腸黏膜完整性屏障功能。凝結芽孢桿菌同其他芽孢桿菌一樣，在消化道中分泌多種胞外酶，如α-淀粉酶、脂酶、蛋白酶、木聚糖酶和纖維素酶等，有效降解和消除飼糧中難以被消化的植物性碳水化合物、抗營養因子，以乳酸菌的功能提高鈣、磷、維生素D的吸收利用，從而提高飼料轉化率、動物生產(產蛋)性能和降低料重比(料蛋比)[32-34]。此外，凝結芽孢桿菌還能產生多種代謝產物如氨基酸、維生素、短鏈脂肪酸(乙酸、丁酸)和促生長因子等，為動物機體提供營養的同時，協同其他有益菌促進小腸蠕動，減少腸道內胺類有毒物質的堆積，改善腸道代謝環境，調節消化吸收功能[35-36]。此外，凝結芽孢桿菌分泌的β-半乳糖苷酶可以催化乳糖為葡萄糖和半乳糖，緩解人體乳糖不耐受癥狀[37]。綜上所述，凝結芽孢桿菌通過改善腸道形態結構、維持腸道黏膜完整性和分泌多種消化酶與代謝物質共同刺激小腸蠕動，促進營養物質的消化吸收，從而提高動物生產性能。

　　2.3增強抗氧化能力，調節機體免疫功能

　　免疫系統是動物對病原體應答的反應系統，而抗氧化系統是免疫相關細胞功能正常的重要保障，因此，機體免疫功能基于平衡的抗氧化系統而建立。

　　抗氧化酶的活性反映機體抗氧化能力，丙二醛(malondialdehyde，MDA)的含量反映機體脂質過氧化損傷程度。諸多研究報道表明，凝結芽孢桿菌能顯著提高機體血清和肝臟抗氧化酶活性并降低MDA含量，減少自由基對機體細胞的損害，從而抑制由活性氧誘導的氧化應激和疾病[18, 38-39]。在體外抗氧化試驗中發現，凝結芽孢桿菌產生的由4種單糖聚合而成的胞外多糖(exopolysaccharide，EPS)具有較強的清除自由基和降低MDA含量的能力[40]。Yu等[38]研究報道，凝結芽孢桿菌可顯著提高鯽魚血清超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathioneperoxidase，GSH-Px)、過氧化物酶2(peroxiredoxin2，Prx2)活性和谷胱甘肽(glutathione，GSH)含量，降低血清MDA含量，其機理可能與上調核因子E2相關因子2(nuclearfactorE2-relatedfactor2，Nrf2)轉錄有關，進而提高抗氧化酶基因表達。宮秀燕等[41]研究表明，飼糧中添加凝結芽孢桿菌可緩解沙門氏菌感染肉雞氧化應激的趨勢，可極顯著提高肉雞血清總抗氧化能力(totalantioxidantcapacity，T-AOC)和過氧化氫酶(catalase，CAT)、SOD活性，抑制MDA的生成，降低氧化應激損傷，其機理可能與其降低腸道pH、分泌抗菌物質或維生素等有關，以激活劑的功能刺激機體分泌抗氧化酶。

　　據諸多研究報道表明，凝結芽孢桿菌可增強動物腸黏膜屏障功能，促進T、B淋巴細胞增殖分化，刺激輔助性T細胞1(Th1)/輔助性T細胞2(Th2)分泌細胞因子以及增強自然殺傷細胞(naturalkillercell，NK)與吞噬細胞的活力，以提高體液免疫和細胞免疫水平[5, 42-43]。Sudha等[44]在脂多糖誘導小鼠巨噬細胞(RAW264.7)炎癥反應中添加凝結芽孢桿菌，能顯著減少促炎因子的分泌，緩解炎癥反應，其機理是通過抑制NF-κB轉錄和環氧合酶(cyclo-oxygen-ase，COX)-2活性，降低了促炎細胞因子的含量。也有研究表明，在環磷酰胺引起小鼠免疫缺陷和鏈霉素引起腸道失調綜合征模型中，凝結芽孢桿菌顯著改善了腸道形態結構(尤其是恢復上皮細胞通透性)，增加了T淋巴細胞、脾淋巴細胞和巨噬細胞數量，進而提高了腸黏膜屏障與免疫功能[45]。邢冠潤等[46]研究發現，凝結芽孢桿菌可顯著提高產蛋后期蛋雞血清免疫球蛋白A(immunoglobulin，Ig)A、IgG、白細胞介素(interleukin，IL)-2、IL-4、IL-10、腫瘤壞死因子-α(tumornecrosisfactor，TNF-α)及小腸黏膜分泌性免疫球蛋白A(secretoryimmunoglobulinA，sIgA)含量。胸腺、脾臟和法氏囊等免疫器官指數可反映禽類免疫狀況。宮秀燕等[47]報道，凝結芽孢桿菌能緩解產氣莢膜梭菌感染肉雞壞死性腸炎趨勢，并極顯著提高免疫器官指數，促進T、B淋巴細胞的增殖，其機理可能是所分泌的有益物質作為抗原刺激并促進免疫器官的生長發育。Xu等[48]也研究發現，凝結芽孢桿菌不僅可以顯著提高黃羽肉雞胸腺、脾臟和法氏囊等免疫器官指數，而且通過提高十二指腸TLR4、干擾素-α(interferon-α，IFN-α)和黑色素瘤分化相關抗原5(melanomadifferentiation-associatedgene5，MDA5)的mRNA表達，刺激腸道先天免疫功能，增加腸黏膜分泌陽性sIgA數量。此外，凝結芽孢桿菌可以提高水產動物血清溶菌酶(lysozyme，LZY)活性、非特異性免疫指標及對副溶血性弧菌抗病性[18, 49]。綜上，凝結芽孢桿菌可維持腸道黏膜屏障正常功能，增強抗氧化系統，激活機體先天免疫與適應性免疫活力，從而有效抵抗由活性氧和疾病等導致的機體生理功能性障礙。

　　3凝結芽孢桿菌在畜禽生產中的應用
　　3.1在家禽生產中的應用

　　凝結芽孢桿菌在家禽中可作為免疫調節劑使家禽抵御病害，緩解疾病或病菌感染引起的生長抑制和生理功能性障礙[50-51]。Wu等[28]研究發現，飼糧中添加4×1010 CFU/kg凝結芽孢桿菌可有效緩解由產氣莢膜梭菌導致的肉雞壞死性腸炎癥，可顯著改善腸道形態結構，并可顯著提高空腸黏膜sIgA和LZY的mRNA表達以及腸堿性磷酸酶活性。也有研究報道，凝結芽孢桿菌可顯著緩解產氣莢膜梭菌和沙門氏菌感染的肉雞腸道病變趨勢，并顯著提高血清T-AOC和SOD、CAT、GSH-Px活性及免疫器官指數，并顯著降低料重比和致病菌數量[41, 47]，與劉聰等[52]的研究結果相似。李嘉懿等[39]研究發現，在蛋雞飼糧中添加100mg/kg凝結芽孢桿菌可顯著提高血清抗氧化酶活性，并顯著降低血清甘油三酯和肝臟中粗脂肪含量，有效預防產蛋高峰期和后期脂肪肝綜合征。Xu等[48]在肉雞飼糧中添加200mg/kg凝結芽孢桿菌，發現其可顯著提高十二指腸絨隱比和陽性sIgA數量，增強腸道黏膜屏障功能。以上研究充分表明，凝結芽孢桿菌可以提高家禽抗氧化能力，增強腸道免疫功能，對多種致病菌所致的疾病具有顯著的免疫效果。因此，可以推測凝結芽孢桿菌提高家禽免疫能力是通過改善腸黏膜屏障功能，提高機體整體免疫水平，增加腸道受損部位免疫因子表達量，有效抵抗病原性感染及緩解感染后病變趨勢，從而保障家禽健康和生產水平。

　　此外，許多研究表明，凝結芽孢桿菌對肉禽、蛋禽的生產性能具有不同程度的影響[32, 53]。Bami等[54]研究報道，飼糧中添加100mg/kg凝結芽孢桿菌可改善肉雞回腸產乳酸菌群數量，顯著提高體增重、飼料轉化率，顯著降低料重比，并改善胴體以及肉質性狀，降低肝臟、腹部脂肪和肉中硫代巴比妥酸值，這與前人研究結果[55]相似。也有研究表明，凝結芽孢桿菌可有效緩解熱應激引起肉雞料重比的升高，與對照組相比，可顯著降低血清皮質酮、總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇含量[56]，有效防御動脈粥樣硬化，提高生產性能。另有研究表明，凝結芽孢桿菌可顯著提高肉禽小腸絨毛高度、絨隱比，改善盲腸內乳酸菌與大腸桿菌的比例，增強腸道消化酶的活性[48, 57-58]。蛋禽的產蛋性能與料蛋比是評價蛋禽生產性能的重要指標。邢冠潤等[46]報道，在產蛋后期蛋雞基礎飼糧中添加3.33×106 CFU/g凝結芽孢桿菌可顯著提高其腸道消化酶活力，促進免疫器官發育，并顯著提高血清中IgA、IgG、IL-2、IL-4、IL-10、TNF-α和sIgA的mRNA表達或分泌，降低料蛋比、腹瀉率及血清干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)含量；另發現凝結芽孢桿菌通過促進性腺激素釋放和卵巢上繁殖相關受體基因的表達，提高產蛋性能[34]。黃遵錫等[59]的研究與其結果相似，而且發現凝結芽孢桿菌可顯著提高產蛋高峰期蛋雞飼糧中鈣、磷、蛋白質和氨基酸的吸收代謝，從而提高產蛋率、蛋品質。在其他蛋禽品種也得到相似的結果[60-61]。因此，可推測凝結芽孢桿菌主要通過提高家禽先天免疫與適應性免疫，改善腸道形態結構，增強消化酶活性，促進營養物質吸收代謝，從而實現肉禽、蛋禽生產性能的提高。然而，有學者認為凝結芽孢桿菌對蛋禽產蛋性能和蛋品質無顯著影響[62-63]。這可能與試驗動物品種和飼喂階段不同有關，也可能與凝結芽孢桿菌的來源與添加劑量有關，還需進一步研究論證。

　　3.2在家畜生產中的應用

　　諸多研究表明，飼糧添加不同水平凝結芽孢桿菌或含凝結芽孢桿菌復合添加劑具有提高仔豬免疫能力和生產性能的作用[64-65]。Adami等[27]報道，飼糧中添加1.0×1010 CFU/kg凝結芽孢桿菌，與對照組和添加80mg/kg桿菌肽鋅組相比，可顯著提高仔豬平均日增重、飼料轉化率，顯著降低糞便中腸球菌和大腸桿菌數量。Wu等[26]、余魁等[29]在21日齡斷奶仔豬基礎飼糧中分別添加2.0×106、2.0×107 CFU/g凝結芽孢桿菌，相比于對照組，2組均顯著提高腸道抗氧化酶SOD和CAT活性，促進腸道黏膜細胞的增殖與更新以及緊密連接蛋白OccludinmRNA表達水平，降低空腸隱窩深度、二胺氧化酶活性和MDA含量，而2.0×107 CFU/g凝結芽孢桿菌可顯著降低血清膽固醇含量、谷氨酰胺轉肽酶活性且緩解腸道氧化應激損傷。同時，蒲俊寧等[33]在飼糧中添加復合添加劑(3000g/t苯甲酸、400g/t凝結芽孢桿菌和400g/t牛至油)也得到了與其相似的效果，并且顯著上調仔豬空腸黏膜sIgA、營養物質轉運載體鈉-葡萄糖共轉運載體1、寡肽轉運蛋白1、Claudin-1、Occludin、黏液蛋白2等mRNA表達水平，從而維持腸道黏膜屏障完整性，促進營養物質的吸收，有效緩解由大腸桿菌攻毒引起的腹瀉。因此，可推測仔豬生產性能提高的機理可能是凝結芽孢桿菌定植于未發育完全仔豬腸道內，改善腸道形態結構，維持腸道黏膜完整性，調節腸道菌群平衡，促進養分轉運載體與抗氧化酶基因的表達，從而達到提高免疫力和生產性能的效果。

　　4小結

　　綜上所述，凝結芽孢桿菌在畜禽生產中具有改善腸道微生態環境、調節營養物質吸收代謝、提高機體免疫力以及生產性能等功效。然而，現階段仍然存在一些有待進一步解決的問題：1)雖然在畜禽生產應用中取得了較理想的效果，但針對不同動物品種、不同生長階段的最適添加量與添加方式還需進一步的研究總結；2)針對不同來源菌株的特性和作用機制還需進一步探索研究，以便發掘凝結芽孢桿菌與其他綠色添加劑配伍使用的潛在生物學功能，有助于為凝結芽孢桿菌在畜禽生產中的應用提供有效的理論依據，推動當下畜牧行業新時代、新模式的發展。
參考文獻：略
轉自：動物營養學報

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