國內外飼用微生態製劑的研究進展

最早研究和應用畜禽微生態製劑的歷史可以追溯到1947年，蒙哈德（Mollgaard）首先發現使用乳酸桿菌飼餵仔豬可有效的增加仔豬的體重並改善仔豬的身體健康。然而20世紀50、60年代正是抗生素研究、生產和使用的黃金時期，導致微生態製劑研究和開發工作處於低潮，一段時期以來沒有受到足夠的重視，直到80年代中期情況才有了根本性的扭轉。微生態製劑作為一種新興的飼料添加劑，雖然近10年來發展很快，但其使用效果存在著明顯的不穩定和不連續性。這主要由於缺乏對動物正常及病態狀態下腸道微生物菌群結構和特性的研究，對腸道做生物和寄主之間的互相作用方面的研究更少。只有更深入的研究腸道微生物菌群在動物生長發育和保健中所起的作用，才能做到有的放矢，確保新型微生態製劑的高效、安全。1豬、雞腸道微生態學的最新研究進展1．1豬、雞腸道微生物的系統發育和結構組成與所有的脊椎動物一樣，仔豬和仔雞的胚胎處於無菌狀態，分娩時由於仔豬受到母體產道、糞便及環境微生物的影響，在出生後的3～4個小時，腸道內開始檢出大腸桿菌和鏈球菌。兼性厭氧菌作為第一批在仔豬腸道定植的菌株是由於仔豬初生時腸道內環境中高溶解氧。高氧化還原電位等選擇的結果。動物初生24小時之後，大腸桿菌和鏈球菌菌數達到108。48小時仔豬腸道內開始出現可以在微氧環境中生存的乳酸桿菌，72小時專性厭氧菌、擬桿菌開始在腸內定植。然而以上的描述只是一個理論模式，仔豬體內的菌群發育情況因個體差異而有所不同。Muralidhara（1977）的研究報告指出，仔豬出生後4個小時糞便中可以檢測出乳酸桿菌，而8個小時之後才檢測出大腸桿菌。Monghan（1992）發現乳酸桿菌和大腸桿菌最初出現在仔豬糞便中的時間各仔豬明顯不同，從25個小時開始到出生後7天都有發生。Katouli（1995，1997）用分子生物學的方法研究仔豬的腸道菌來源，發現母豬是仔豬前兩周內腸道微生物的主要污染源，然而對大腸桿菌基因型的分析卻證明環境因素同樣起了很大的作用。仔豬從出生到斷奶後腸道菌的組成一直在發生連續的變化，一般認為直到育肥期才趨於平衡。在育肥期豬的腸道內至少發現有30多個屬、100多種細菌。禽類胃腸道的解剖結構和豬有明顯的區別，其腸道菌的組成和結構具有其明顯的特點。然而我們對仔雞初生之後胃腸道中微生物菌群演替過程的了解非常匱乏。Scanlan和Grahan（1990）報道認為，雞嗉囊和砂囊內的上皮細胞表面粘附著大量的乳酸桿菌，而乳酸桿菌的數量影響著大腸桿菌的水平。雞小腸內以兼性厭氧菌如大腸桿菌、乳酸桿菌、鏈球菌和金黃色葡萄球菌為優勢菌群，專性厭氧菌只佔總菌數的9％～39％。到達盲腸後專性厭氧菌變成主要菌群，總量達到1011。雞的大腸很短，腸菌群主要坐落在盲腸。1．2影響豬、雞腸道微生物生態平衡的主要因素任何一個生態群落中種群的結構和數量的組成都是外部環境因素作用的結果。對於腸道微生物菌群而言，寄主的遺傳免疫特性、腸道內pH和氧化還原電位的高低、寄主的食物結構是影響其結構與活性的主要因素。在所有這些環境因素中，首先要回答的最基本問題是，個體之間腸道微生物菌群在發育和組成上的差異是由於個體遺傳結構上的差異所造成的，還是寄主所在環境因素的結果。Florin（2000）通過對同卵孿生子和異卵孿生子腸道中甲烷產生菌存在幾率的比較，以及小鼠在不同飼養環境中甲烷產生菌感染幾率的比較發現，在決定腸道微生物群結構中遺傳因素和環境因素各起50％的作用。這為微生態製劑在畜禽養殖中的應用奠定了理論基礎。說明畜禽腸道微生物的組成、結構、發育過程等是外界因素和動物體本身雙重作用的結果，適當的微生態製劑能夠調整腸道菌達到平衡。毫無疑問，飼料的營養組成和化學結構是影響腸道微生物菌群結構的另一個重要因素。對仔豬而言，斷奶前後日糧組成的巨大變化會引起腸道微生物菌群的混亂。Krause（1994）發現仔豬飼料中添加乳糖可以有效地降低腸道內鏈球菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、黴菌和酵母菌的數量。而澱粉類飼料對上述菌群有刺激生長的作用。這是由於仔豬體內對澱粉類飼料的消化能力較低，而乳酸桿菌對乳糖的發酵比澱粉快，產生大量的乳酸，抑制了其它菌的生長。正是由於飼料的組成直接影響到腸道菌的平衡，一系列寡糖添加劑便應運而生，其中包括寡聚甘露糖、寡聚果糖、寡聚木糖和寡聚半乳糖等。在飼料中添加低於治療劑量的抗生素不可避免地降低了腸道微生物的發酵水平，從而提高了飼料轉化率。但是早在1968年，Smith發現了由於飼料中濫用四環素，抗四環素抗性因子開始出現在腸道病原菌中。雖然1971年英國全面禁止四環素類抗生素在飼料添加劑中的使用，Smith在1975年的追蹤調查中卻發現抗四環素抗性因子在豬腸道大腸桿菌中的含量並沒有明顯下降。Langlois在1983年的進一步實驗中也發現了即使豬停止使用四環素類抗生素達10年之久，抗性因子的含量只下降了50％。由此可見，抗生素對畜禽腸道微生物的污染和人類對自然環境的破壞同樣可怕，需要相當長的修復時間。更可怕的是自然界的破壞極易引起人們的關注，而濫用抗生素對畜禽腸道微生態系統的破壞卻長期被人們所忽視。1．3分子生態學的方法在研究腸道微生態學中的應用在過去的一個世紀中，人們對腸道微生物菌群的了解完全基於常規微生物實驗的手段。隨著近幾年來分子微生態學技術的進步，人們對腸道微生物菌群的結構與特性有了全新的認識。科學家們驚訝地發現腸道中只有佔總數30％的細菌可以通過常規微生物學的實驗方法培養出來，而剩下的70％卻是未知的，只有通過分子生態學的方法測定它們的存在。在這些迄今無法培養的細菌中，有些種類如梭狀芽孢桿菌屬中的Segmented filamentous acteria在動物和人體出生後免疫系統成熟方面起著非常重要的作用。在雞的小腸內也發現了一種巨大細菌，這種細胞和腸粘膜的上皮分泌細胞緊密相粘，表明與其上皮細胞是一種互生的關係。總之，分子微生態學已成為近幾年來腸道微生態學中最活躍的熱點之一，分子微生態學技術的發展最有可能給腸道微生態學帶來革命性的突破。2畜禽微生態製劑的作用原理及最新研究進展微生態製劑包括益生菌、益生元及含有益生菌和益生元的合生素三種類型。微生態製劑作為綠色飼料添加劑現已被廣大消費者所接受。與化學結構簡單、作用機理單一的抗生素相比，微生態製劑的成分要複雜得多。除了活的菌體之外，菌體本身尚包含碳水化合物、蛋白質和核酸等生物大分子，由於這些物質的存在決定了其作用原理的多樣性。一般認為微生態製劑促進畜禽健康的作用機理包括以下幾個方面：幫助寄主腸道菌群儘快達到應有數量，或者維持其生態平衡。飽和腸粘膜的吸附位點，致使病原菌無法在腸粘膜上定植。對於益生元來講，可以競爭性地和病原菌表面的受體結合，從而使病原菌不能與腸壁受體結合。發酵碳水化合物，產生短鏈脂肪酸等代謝產物，降低腸道內pH值，從而抑制腸道內發酵蛋白質的菌群活性，減緩腸內蛋白質的發酵速度。刺激寄生免疫細胞的活性，提高免疫球蛋白的水平。促進維生素等營養物質的吸收利用，同時產生多種消化酶，協同寄主增加對飼料的消化和吸收。目前市場上銷售的畜禽益生菌製劑含有芽胞桿菌、乳酸桿菌、糞鏈球菌、雙歧桿菌、酵母菌等幾大類。光合菌和梭狀芽胞桿菌屬的部分菌株及噬菌蛭弧菌等也常被用做益生菌添加到仔豬和仔雞飼料中。菌株的篩選和活性的測定是益生菌研究中的關鍵問題，決定著微生態製劑的使用效果。現在認為合格的益生菌菌株必須滿足以下幾個方面要求：①正確的來源。由於寄主的遺傳特性和環境影響在決定腸道菌菌群結構和組成方面各起50％的作用，寄主和腸道菌之間存在著相互選擇、相互依賴的關係。母豬體內的菌株毫無疑問更易在仔豬體內定植，所以菌株的來源應當和使用對象一致，只有這樣才能增強益生菌功效的特異性和針對性。②定植和粘附力。益生菌雖然有調節腸道菌平衡和改善內環境的作用，但是停止飼餵益生菌後其作用也會隨著菌體被排除體外而消失。現在認為益生菌在腸壁上的粘附是益生菌定植過程中的一個重要步驟，是大量繁殖變成優勢種群的前提，所以粘附力的強弱是篩選益生菌菌株的重要標準之一。③在酸性和高膽鹽環境中的生存能力。口服是益生菌進入腸道的主要途徑，所以益生菌在進入大腸之前必須經受胃中鹽酸和小腸中高濃度膽鹽的考驗。只有在鹽酸和膽鹽中成活率高的菌株才有可能發揮作用。④特異的生理功能。每一種益生菌具有其特定的生理功能。例如嗜酸乳桿菌GG對寄主的免疫系統有較強的調解作用，而鼠乳桿菌對大腸桿菌有較強的抑制作用。只有對各個菌株的療效和生物特性有深入細緻的研究和了解，才能根據不同情況設計出有促生長作用的微生態製劑。⑤產品中穩定的活菌數。微生態產品中活菌的數量是其發揮作用的根本保證，所以要求菌株在生產和保存過程中保持穩定的活性是對菌株的基本要求。雖然人們現在已經認識到活菌的數量是微生態製劑發揮作用的關鍵，但是在飼料中添加益生菌並不是多多益善。過量的益生菌反而會引起仔豬和仔雞的輕微腹瀉。Apgar(1993)使用不同劑量的雙歧桿菌（5．0×104，67×106，7．5×108cfu／天）餵養仔豬時發現，只有中低劑量的益生菌可以有效的增加仔豬的日增重、日採食量，因而提高飼料轉化率，而高劑量的益生菌反而影響仔豬的生長。益生元添加量的多少同樣影響著實驗動物的生長。Dritz(1995)發現飼料中只有添加0.025％～0．05％的β一葡聚糖才能夠明顯地促進仔豬的生長。如果劑量增加到0.1％，仔豬的日增重和日採食量反而下降。動物免疫系統的複雜程度和動物體重的增長呈反比的關係。現在認為減少腸道中病原菌的數量和降低對免疫系統的刺激會導致動物體內細胞介素的降低。而動物體內細胞介素的水平和動物的生長有關。白細胞介素一1的升高可以引起動物生長速度的下降。所以那些對動物可以產生顯著免疫調節作用的益生菌和益生元在使用上要格外注意，對於添加量、使用次數和使用方法要經過多次嚴格的實驗才可能達到最佳效果。3小結我們必須清楚的認識到並不是所有的益生菌都是絕對安全的。有的益生菌含有的抗藥因子可以通過基因物質的交換轉移到正常的腸道菌群中。現在有人把含有抗藥因子的基因工程菌用做益生菌，其結果將會和濫用抗生素一樣，製造出任何抗生素都無法消滅的超級細菌，給人類造成更大的威脅。綠色飼料添加劑的開發已是大勢所趨，值得指出的是，在研究益生菌的同時，必須下大力氣研究動物腸道菌菌群自身的特點及與寄主和環境之間的關係，才能設計出新一代高效的微生態製劑。
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