氧化鋅對(duì)腸道微生物的影響

郝 澍，張 弦 譯自 AllAboutFeed Vol.23(2015)，№3：6～8賈良梁 校 何 閃 制圖表

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氧化鋅對(duì)腸道微生物的影響

郝 澍，張 弦 譯自 AllAboutFeed Vol.23(2015)，№3：6～8
賈良梁 校 何 閃 制圖表

在肉雞生產(chǎn)過程中，有望在保證對(duì)飼料的生長(zhǎng)性能不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響的前提下，通過優(yōu)化飼料中甘氨酸的當(dāng)量水平和其他會(huì)影響甘氨酸和絲氨酸反應(yīng)的因素來進(jìn)一步減少飼料中粗蛋白的含量。

氧化鋅可以用于應(yīng)對(duì)斷奶時(shí)由于腸道微生物變化而導(dǎo)致的幼畜腹瀉。加之抗生素耐藥性和多重耐藥性大腸桿菌菌株的形成，氧化鋅的作用值得我們?nèi)ミM(jìn)一步研究。

分子生物學(xué)研究已經(jīng)表明，豬的腸道微生物由數(shù)十個(gè)包含上百種細(xì)菌的菌群組成，而每種細(xì)菌又可以分成更多的菌株。作為一個(gè)整體，這些菌群的代謝潛能以及功能具有巨大的多樣性，它們的總數(shù)至少超過宿主動(dòng)物體細(xì)胞總數(shù)的10倍。一般認(rèn)為腸道菌群除了其他功能外，與免疫系統(tǒng)的成熟有關(guān)，它作為抵抗病原菌過度增殖的屏障，通過利用后腸發(fā)酵的細(xì)菌代謝產(chǎn)物幫助動(dòng)物儲(chǔ)存能量。

腸道系統(tǒng)有多個(gè)截然不同區(qū)段，這些區(qū)段棲居著不同的菌群。如哺乳仔豬胃中棲居著大量乳酸菌。尤其是乳酸桿菌，已知它們構(gòu)成了防御病原體的屏障。乳酸桿菌也是豬小腸中的優(yōu)勢(shì)菌。它們與腸道上皮進(jìn)行密切的相互作用，從而促進(jìn)機(jī)體免疫系統(tǒng)成熟。盡管乳酸桿菌在小腸中占據(jù)主導(dǎo)地位，但是腸桿菌(該類群最為人熟知的成員是大腸桿菌)和乳酸發(fā)酵菌(韋榮球菌屬及其他乳酸發(fā)酵菌屬)等其他菌群也在該區(qū)段生長(zhǎng)良好。乳酸桿菌的優(yōu)勢(shì)地位止于后腸，未消化的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和來自宿主的分泌物(脫落的上皮細(xì)胞、黏蛋白、內(nèi)源性蛋白)則被多種多樣的嚴(yán)格厭氧菌發(fā)酵，它們發(fā)酵多種底物的潛力近乎無窮大。

1 斷奶時(shí)的腸道細(xì)菌

腸道菌群一旦建立將能夠快速適應(yīng)環(huán)境的變化，如日糧改變。成年動(dòng)物腸道內(nèi)已有的菌群不易發(fā)生改變，而幼齡動(dòng)物還處于建立穩(wěn)定的腸道菌群的時(shí)期，因此易于改變。斷奶過程就是這一個(gè)改變的時(shí)期，這個(gè)過程的重要性不僅針對(duì)仔豬而言的。哺乳仔豬的腸道菌群本來很容易適應(yīng)以乳汁和宿主內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(黏蛋白、上皮細(xì)胞等)等形式存在的發(fā)酵底物。突然變換成固態(tài)日糧以及腸道生理功能發(fā)生的急劇變化，促使能引發(fā)混亂狀態(tài)的菌落進(jìn)行重新分布。條件性致病菌借機(jī)大量增殖。腸道致病菌通常會(huì)在菌落不平衡的情況下增殖，可能會(huì)造成底物利用率降低，抑制其他細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)，或者宿主上皮組織的形態(tài)學(xué)改變或免疫反應(yīng)，從而使腸道易受病原體入侵。帶來顯而易見的后果是斷奶仔豬腹瀉，作為動(dòng)物抵抗腸道機(jī)能障礙的一種對(duì)策。

2 日糧氧化鋅的抗菌作用

為了解決這一問題，很多國(guó)家在豬日糧中添加高劑量的氧化鋅(高達(dá)3 000 mg/kg飼料)從而有效地控制仔豬斷奶后的腹瀉。氧化鋅中起到抗菌作用的是游離Zn2+，它可以擴(kuò)散到細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，并作為一種基團(tuán)。盡管細(xì)菌需要微量的鋅作為輔助因子來維持自身的代謝，但Zn2+(或者其他重金屬離子)的毒性對(duì)它們來說更為重要。細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出各種機(jī)制來消除細(xì)胞內(nèi)Zn2+過量富集所產(chǎn)生的有害作用。一般來講，腸桿菌等革蘭氏陰性菌依賴于質(zhì)子-陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，而乳酸菌等革蘭氏陽性菌則利用P型腺苷三磷酸水解酶來轉(zhuǎn)運(yùn)Zn2+。

氧化鋅在生理pH條件下高度不溶，但是在酸性條件下(如豬胃中)則會(huì)產(chǎn)生Zn2+。事實(shí)上，超過50 %的總氧化鋅能以無機(jī)Zn2+的形式存在于斷奶仔豬胃中。因而，可以說胃是毒性Zn2+控制胃腸道有害微生物的起始點(diǎn)。

然而，氧化鋅晶體的表面效應(yīng)在抗菌功能上可能還發(fā)揮一定的作用，因此氧化鋅的分子結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)要考慮的重要因素。事實(shí)上，鍍氧化鋅的醫(yī)療器械已使用很久。對(duì)原材料的不同處理也會(huì)造成氧化鋅的物理狀態(tài)不同：所謂的“威爾茲”煅燒工藝可產(chǎn)生氧化鋅含量約40 %(食用級(jí)別)的產(chǎn)物和大量其他重金屬元素(如鈣)；而經(jīng)硫化氫處理，氧化鋅有效含量高達(dá)90 %，同時(shí)大大降低了其他礦物元素的污染。

3 不同濃度的氧化鋅

日糧中高濃度的氧化鋅會(huì)顯著影響腸道微生物。深度測(cè)序研究發(fā)現(xiàn)，高鋅日糧對(duì)眾多菌群組成會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)。最顯著的反應(yīng)可見于斷奶后1周～2周。而且，相比于低鋅日糧，腸道微生物菌群組成變化最為巨大的是在胃和小腸中，而在后腸中的變化并不明顯。

最值得關(guān)注的推論是：優(yōu)勢(shì)乳酸桿菌種類的持續(xù)減少，結(jié)果導(dǎo)致乳酸菌的組成轉(zhuǎn)向異型發(fā)酵菌種(Weissella、Leuonostoc、Steptococci)，梭狀芽孢桿菌數(shù)量的猛增以及腸桿菌多樣性提高。就該課題進(jìn)行的一些研究觀察到，在使用大劑量氧化鋅2周后，作為腸桿菌一員的大腸桿菌并未受到明顯抑制。抑制腸道菌的主要作用局限在仔豬斷奶后的第1周。事實(shí)上，更為深入的研究表明，仔豬在斷奶后的第3天和第4天就可以觀察到大腸桿菌數(shù)量的明顯減少，減少程度取決于采食量的大小。

菌群變化通常與無機(jī)Zn2+的含量最為相關(guān)，而與蛋白結(jié)合鋅相關(guān)性不大，和整體鋅含量完全不相關(guān)。因而，實(shí)際起抗菌作用的很有可能是無機(jī)Zn2+。

腸道菌群組成會(huì)在仔豬斷奶4周后逐漸趨向“正?！保强捎^察到Zn2+對(duì)代謝產(chǎn)物的持續(xù)作用。如延長(zhǎng)氧化鋅的使用至斷奶后3周～4周，會(huì)減少腸道末端短鏈脂肪酸的產(chǎn)生。這可能是氧化鋅的不良反應(yīng)，因?yàn)樨i會(huì)將這些代謝產(chǎn)物用作能量?jī)?chǔ)備。

4 增加鋅的濃度

細(xì)菌適應(yīng)高濃度鋅的能力在使用氧化鋅的第1周就已經(jīng)可以觀察到了。利用腸道內(nèi)容物進(jìn)行的試驗(yàn)表明，與飼喂低鋅日糧的豬相比，飼喂高鋅日糧的豬腸道細(xì)菌能更快地適應(yīng)高鋅培養(yǎng)基。最值得注意的是，腸道菌是最為全能的(如：在上述處理中適應(yīng)力最強(qiáng))。而該現(xiàn)象僅在仔豬斷奶后2周內(nèi)可以觀察到(圖1)。

由于斷奶仔豬腹瀉通常是由致病性大腸桿菌所引起的，因而人們普遍認(rèn)為鋅的直接效應(yīng)之一是減少這些致病性大腸桿菌的數(shù)量。然而，不同研究小組圍繞飼喂高鋅日糧2周后腸道內(nèi)重要菌群組成進(jìn)行的研究一致發(fā)現(xiàn)乳酸菌數(shù)量減少而梭菌數(shù)量增多。對(duì)腸桿菌科細(xì)菌的觀察沒有發(fā)現(xiàn)有變化，但菌群多樣性提高除外。僅在剛斷奶時(shí)，高鋅對(duì)大腸桿菌有抑制效應(yīng)。

圖2 豬生產(chǎn)者想看到的仔豬狀況

5 有益的、有害的以及可怕的細(xì)菌

如果“有益”乳酸菌減少了，“有害”梭菌增加了，以及“可怕的”腸桿菌未發(fā)生變化，那我們?cè)趺茨軌蚪忉寯嗄毯笞胸i腹瀉的減少？

我們必須對(duì)這些細(xì)菌進(jìn)行區(qū)分。的確，一般認(rèn)為乳酸菌屬于有益菌群，但它們?cè)谀c道內(nèi)并非是唯一的；同時(shí)，梭菌并非全部是有害菌，只有微小的一部分梭菌是致病的。梭菌是一類多樣性極為豐富的細(xì)菌，事實(shí)上，后腸的發(fā)酵主要依賴于梭菌。最后，腸桿菌是腸道內(nèi)的正常棲生菌。與梭菌類似，該細(xì)菌家族中有少量害群之馬敗壞了整個(gè)菌群的名譽(yù)。

那么，腸桿菌的益處是什么？腸桿菌可以調(diào)節(jié)其周邊的有害病原菌，如可以導(dǎo)致斷奶仔豬腹瀉的病菌。這些病原菌菌株同其他非致病性腸桿菌一起寄生在同一小生境中，發(fā)酵同樣的底物，且需要同樣的促生長(zhǎng)因子。腸道內(nèi)腸桿菌多樣性的提高，使其對(duì)“新鮮底物”的競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)，從而降低病原菌的定植潛能。但這也有其不利之處。

6 警告

伴隨著氧化鋅在斷奶仔豬中的應(yīng)用，抗生素耐藥性提高。最近的報(bào)道表明，在豬上，腸道內(nèi)的腸桿菌對(duì)四環(huán)素類、磺胺類和喹諾酮類抗生素的耐藥性均增強(qiáng)，同時(shí)鼻腔內(nèi)金黃色葡萄球菌對(duì)二甲氧苯青霉素的耐藥性也增強(qiáng)。此外，高鋅日糧會(huì)導(dǎo)致多重耐藥性大腸桿菌菌株的形成。

該效應(yīng)的分子機(jī)理可以解釋為協(xié)同耐藥，其被定義為兩種或多種編碼耐藥性的遺傳成分在遺傳上相似性極大。目前已知其與金黃色化膿葡萄球菌對(duì)鋅與四環(huán)素的抗性以及對(duì)鋅和二甲氧苯青霉素有關(guān)。就腸桿菌而言，這些遺傳成分位于能夠輕易擴(kuò)散的質(zhì)粒上。Zn2+可以造成環(huán)境應(yīng)激，加速質(zhì)粒在細(xì)菌間的轉(zhuǎn)移，作為防止細(xì)菌滅絕的防御反應(yīng)。因此，正常的大腸桿菌菌株可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟退幮跃?。這種環(huán)境應(yīng)激維持的時(shí)間越長(zhǎng)，形成耐藥菌株的可能就越大。事實(shí)上，進(jìn)一步觀測(cè)腸桿菌對(duì)四環(huán)素類、磺胺類、喹諾酮類的耐藥基因發(fā)現(xiàn)，在使用鋅1周后，抗生素耐藥性開始逐漸增強(qiáng)。

7 有效利用氧化鋅

總體來說，氧化鋅效果最佳的階段似乎是在斷奶后一周內(nèi)(圖2)。但這種針對(duì)所有細(xì)菌的抑制帶來的負(fù)面危害是：正常菌群在豬腸道內(nèi)的定植速度低于致病菌，其中包括會(huì)造成仔豬腹瀉的大腸桿菌。隨后，對(duì)致病性大腸桿菌的影響更多地來自腸桿菌高度多樣性造成的更為激烈的競(jìng)爭(zhēng)作用。

8 限制使用

隨著動(dòng)物生長(zhǎng)，氧化鋅的抗菌活性逐漸消失。乳酸桿菌持續(xù)減少以及后腸發(fā)酵功能的減弱可能分別會(huì)對(duì)動(dòng)物今后抵抗細(xì)菌感染能力的恢復(fù)造成不利影響和損失可以從發(fā)酵中獲得的能量。鋅的使用和抗生素耐藥性產(chǎn)生之間的關(guān)系應(yīng)該受到密切的監(jiān)測(cè)。在過去的1 000年中，一些作者建議，氧化鋅的應(yīng)用應(yīng)該限制在斷奶后兩周內(nèi)。顯然過去十多年對(duì)該課題的研究結(jié)果與此一致。

原題名：Effects of zinc oxide on intestinal microbiota (英文)

原作者：Wilfried Vahjen博士和Jürgen Zentek教授

中圖分類號(hào)：S816.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1001-0769(2016)04-0088-03