畜禽養(yǎng)殖抗生素替代物研究進展

劉天旭,楊曉潔,徐 建,陳金城,馮坤嫻,王 燕

(華南農(nóng)業(yè)大學 動物科學學院，廣東 廣州 510642)

抗生素(antibiotics)是指經(jīng)過微生物培養(yǎng)或者化學合成得到的能夠特異性殺滅微生物的物質(zhì)[1]?？股卦陴B(yǎng)殖業(yè)中主要應用于兩個方面：一是治療畜禽疾病，降低養(yǎng)殖動物的患病率和死亡率；二是加快畜禽生長，增加飼料利用率[2]。但抗生素在動物體內(nèi)殘留會引起各種副作用，如抗生素耐藥菌向人體轉(zhuǎn)移、生殖障礙，甚至致癌性[3]。因此探索安全、綠色、新型和高效的抗生素替代物顯得尤為重要。

1 畜禽養(yǎng)殖抗生素的使用現(xiàn)狀

1.1 國外養(yǎng)殖業(yè)抗生素的使用現(xiàn)狀

隨著畜禽集約化養(yǎng)殖，抗生素的使用量在逐年增加。而抗生素的使用情況卻并不樂觀。在對埃塞俄比亞中小農(nóng)畜牧業(yè)中使用抗生素的知識、態(tài)度和做法的研究中發(fā)現(xiàn)，約18.5%的畜牧家庭將人用抗生素用于獸醫(yī)用途，約72.3%的牧民沒有堅持完整的療程，而是服用抗生素，還有大約80%和70%的答復者傾向于分別給與高于或低于建議使用的抗生素劑量[4]。

畜禽業(yè)抗生素的大量使用已產(chǎn)生了嚴重的食品安全、動物源細菌耐藥性問題，很多國家致力于減少抗生素使用量：2006年，歐盟各國決定在飼料中禁止添加黃霉素、鹽霉素鈉、卑霉素和莫能霉素鈉等抗生素，并開始全面禁抗；2011年，印度國際疾病控制中心設定了家禽生產(chǎn)中抗生素使用量標準，禁止20多種抗生素用于畜禽養(yǎng)殖，明確規(guī)定四環(huán)素、土霉素、甲氧芐氨嘧啶和奧索利酸等抗生素不可超量使用[5]；2017年，美國禁止在動物中使用抗生素[6]；2018年，巴西農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、食品供應部(MAPA)和國防部 (SDA) 聯(lián)合發(fā)布聲明禁止飼喂(促生長)抗生素[7]。

1.2 我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)中抗生素的使用現(xiàn)狀

中國是世界人口最多的國家，也是截止2010年全球最大的抗生素使用國家(動物生產(chǎn))[8]。據(jù)美國華盛頓特區(qū)非營利組織-動態(tài)疾病、經(jīng)濟和政策研究中心(CDDEP)2018年繪制的抗生素耐藥性地圖和多國過去十多年抗生素的使用趨勢報告預測，中國畜牧領域的抗生素消費可能在2030年翻一番[9]。

為確?？股氐囊?guī)范使用，我國完善了法律法規(guī)體系，以保障畜禽產(chǎn)品安全。2001年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布《飼料藥物添加劑使用規(guī)范》；2015年農(nóng)業(yè)部規(guī)定禁止在食用動物中使用洛美沙星等4種藥物[10]；2018年的中國飼料發(fā)展論壇上提出：除植物提取物類仍可在飼料中使用外，藥物飼料添加劑將在2020年被納入藥物管理，禁止在飼料中使用；2020年2月，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部第194號公告表示：自2020年1月1日起，退出除中藥外的所有促生長類藥物飼料添加劑品種，獸藥生產(chǎn)企業(yè)停止生產(chǎn)；自2020年7月1日起，飼料生產(chǎn)企業(yè)停止生產(chǎn)含有促生長類藥物飼料添加劑(中藥類除外)的商品飼料。

2 常見的畜禽抗生素替代物種類

2.1 抗菌肽

抗菌肽(AMPs)是生物體內(nèi)產(chǎn)生的有活性的小分子多肽，廣泛存在于生物體內(nèi)，是生物天然免疫系統(tǒng)中的重要組成部分[11]。AMPs對各種細菌、真菌和病毒甚至癌細胞都有廣譜活性，還有潛在的免疫調(diào)節(jié)特性[12]。

2.1.1 哺乳動物抗菌肽 哺乳動物抗菌肽主要來源于中性粒細胞和上皮細胞，分為cathelicidins和defensins兩大類[13]。豬抗菌肽(PABP)能夠改善畜禽生長性能，增加腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力。在雄性肉雞的飼料中添加PABP，飼養(yǎng)42 d后測定生長性能，發(fā)現(xiàn)其平均日增重(ADG)、分泌的IgA、杯狀細胞數(shù)量均高于對照組[14]。

2.1.2 昆蟲類抗菌肽 昆蟲在受到外界不良刺激后，其免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的一種小分子肽類物質(zhì)稱為昆蟲類抗菌肽。

2.1.3 植物源抗菌肽 植物源抗菌肽一般是由20～60個氨基酸殘基構(gòu)成的多肽，所帶電荷主要為正電荷，微量植物源抗菌肽可以有效應對病原體侵害[15]。

2.1.4 人工合成的抗菌肽 通過改造天然抗菌肽的氨基酸序列，或者重組兩段天然抗菌肽的技術(shù)獲得的抗菌效果更好的抗菌肽稱為人工抗菌肽[16]。

2.2 酶制劑

酶制劑(enzyme preparation)是用現(xiàn)代生物工程技術(shù)生產(chǎn)出的一類生物化學產(chǎn)品，其催化效果是無機催化劑的10萬～1億倍，具有高效性和高度專一性，目前常用的酶制劑有溶菌酶制劑、復合酶制劑和植酸酶制劑。

2.2.1 溶菌酶 溶菌酶在腸道菌群與宿主免疫系統(tǒng)的相互作用中起著重要的作用。在飼料中添加溶菌酶的仔豬，有著更高的平均斷奶體重和空腸絨毛高度[17]。

2.2.2 復合酶 復合酶可以有效防治胃腸炎，消化不良等胃腸道疾病，促進畜禽健康發(fā)育。Papadopoulos等[18]研究表明，在畜禽飼糧中添加0.5 g/kg的復合非淀粉多糖酶可以顯著降低試驗后期的料肉比(FCR)。

2.2.3 植酸酶 植酸酶屬于磷酸單酯水解酶，可以水解植酸鹽。Kim等[19]在豬和雞的飼料中添加了以植酸酶和碳水化合物酶為主的酶制劑，發(fā)現(xiàn)顯著提高了實驗對象的生長性能和蛋白質(zhì)消化率。

2.3 微生態(tài)制劑

微生態(tài)制劑(microbial ecological agents)包含益生菌、益生元、合生元，是由人工分離的正常菌群，通過特殊的加工工藝制成的制劑，具有安全、有效、無耐藥性、無污染的優(yōu)越性[20]。

2.3.1 單一菌種發(fā)酵制劑 可分為乳酸菌類制劑、芽孢桿菌類制劑、真菌類制劑和酵母菌類制劑等。

2.3.2 復合菌種發(fā)酵制劑 由兩種或兩種以上菌株構(gòu)成的復合菌種，添加到飼料中可以很好地促進動物生長發(fā)育、提高免疫力。在母雞飼料中添加0.5%的雙歧桿菌+ 25%的干酪乳桿菌可以替代抗生素生長促進劑(AGPs)，減少最低采食量(FI)和FCR，增加母雞日產(chǎn)量、雞蛋重量[21]。與飼喂抗生素相比，飼喂益生菌能使肉雞腸道菌群成熟速度更快，誘發(fā)的免疫應答水平更高，具有較大的經(jīng)濟價值，作為抗生素的替代品在家禽養(yǎng)殖中具有較大的潛力[22]。在肉雞飼料中添加益生菌還能能夠降低FCR，改善ADG，可以作為金霉素的替代品[23]。

2.4 植物提取物

根據(jù)中國天然植物飼料添加劑通則(GB/T19424-2003)中對植物提取物(plant extracts)添加劑的定義，植物提取物是以一種或多種天然植物的全株或部分為原料，經(jīng)過物理提取或生物發(fā)酵的方法進行加工，具有營養(yǎng)、促生長、提高飼料利用率和改善動物產(chǎn)品品質(zhì)等功效的飼料添加劑[24]，按照活性成分可分為生物堿類、植物揮發(fā)油類、黃酮類、單寧類等[25]。

2.4.1 生物堿 生物堿是一類復雜的含氮有機化合物，呈堿性，具有特殊的生物活性[26]。Hong等[27]試驗表明，博落回血根堿在畜禽養(yǎng)殖中可以替代黃霉素。

2.4.2 植物揮發(fā)油 植物揮發(fā)油又稱植物精油，是具有揮發(fā)性和香氣的油狀液體，可作為飼料添加劑改善飼料品質(zhì)、提高生產(chǎn)性能[28]。

2.4.3 黃酮類 黃酮類是存在于自然界的，具有2-苯基色原酮結(jié)構(gòu)的化合物，對抗氧化、抑制病原菌有著良好效果[28]。研究表明，大豆異黃酮可以改善乳成分，促進仔豬生長[29]。

2.4.4 單寧 又稱為鞣質(zhì)，是分子量較高的多元酚類化合物，分為水解單寧和縮合單寧。單寧的存在十分廣泛，幾乎存在于每個植物部位中[28]，具有抗哺乳動物腸道寄生蟲的作用，可以治療彎曲桿菌所造成的腹瀉，代替多種抗生素使用[30]。

植物提取物可以單獨使用，在仔豬飼料中添加連翹提取物，可以增加仔豬ADG、降低腹瀉率[31]；三葉蓬甲醇提取物對大腸桿菌、伯克霍爾德菌、嗜血桿菌等六種動物病原菌均有抗菌活性，檳榔子水提取物可以降低畜禽體內(nèi)大腸桿菌的含量[32]。飼喂小鼠從木耳中提取的木耳多糖(CPO)可以增加小鼠的免疫器官指數(shù)、吞噬指數(shù)和免疫球蛋白含量，刺激脾淋巴細胞的增殖，表明CPO是C蛋白中重要的免疫調(diào)節(jié)成分，可以作為免疫調(diào)節(jié)劑開發(fā)使用[33]。植物提取物在實際及生產(chǎn)中大多是復合使用的，王珍珊等[34]試驗發(fā)現(xiàn)，在育肥豬飼糧中分別添加4%、8%的紫蘇和苜蓿復合植物提取物后，結(jié)果與不添加相比，末重分別提高了4.53%、3.67%，ADG分別提高了23.81%、19.04，F(xiàn)CR分別降低了10.01%、8.93%[35]。

2.5 酸化劑

2.5.1 無機酸 無機酸化劑一般包括H2SO4、H3PO4及HCl，其酸性較強且生產(chǎn)普遍，所以易于推廣使用，與無機酸與有機酸相比，具備更好的酸化性和低價優(yōu)勢[36]。

2.5.2 有機酸 有機酸的代表有蘋果酸、乳酸、檸檬酸、甲酸等及其鹽類[37]，有機酸類風味良好，在進入動物體內(nèi)后，能夠以被動擴散的方式被吸收進入腸道上皮細胞，短鏈的有機酸分子通過檸檬酸循環(huán)產(chǎn)生ATP，為機體提供能量[38]。有機酸可以用來解決抗生素耐藥性的問題，研究表明，在飼料中添加甲酸、乙酸和丙酸的雛雞，體內(nèi)磺胺甲惡唑和環(huán)丙沙星耐藥大腸桿菌的數(shù)量下降，而使用氟喹諾酮類抗生素的雛雞，盲腸中對環(huán)丙沙星、鏈霉素、磺胺甲惡唑、四環(huán)素耐藥的大腸桿菌數(shù)量卻有所增加[39]。另外，有機酸可以作為抗生素替代物用于沙門氏菌的防治：在研究精油和有機酸對腸炎沙門氏菌病雞的影響實驗中，發(fā)現(xiàn)添加胸腺嘧啶-苯甲酸組與添加肉桂醛-己酸組的雛雞，肝臟、脾臟、盲腸中的細菌計數(shù)均減少，且腺嘧啶-苯甲酸組低于肉桂醛-己酸組，說明有機酸具有抑菌效果，可代替抗生素抑制畜禽體內(nèi)的沙門氏菌[40]。

2.5.3 復合酸化劑 是將特定的單一酸化劑按照一定的比例混合得到的酸化劑，使用效果較單一酸化劑好，可以節(jié)省成本，減少對設備、動物的刺激[41]。AminRoofchaei等[42]發(fā)現(xiàn)，糖酶補充植酸酶和酸化劑能夠顯著增加35日齡大鼠的腸絨毛長度。在哺乳母豬飼料中添加3 g/kg的酸化劑復方制劑，可以降低哺乳母豬的子宮炎發(fā)生率，降低母豬59.17%的便秘發(fā)生率[44]。

2.6 功能性寡糖

2.6.1 果寡糖(FOS) 又稱為寡果糖、低聚寡糖、蔗果三糖族低聚糖等，是在蔗糖分子的β-1,2糖苷鍵的基礎上聚合幾個D-果糖形成的[45]。宋宏立等[46]試驗表明，飼料添加FOS可以顯著提高血清中總蛋白及高密度脂蛋白的含量，顯著降低尿素氮和低密度脂蛋白膽固醇含量。

2.6.2 木寡糖(XOS) 又稱為低聚木糖，由幾個木糖單元以β-1,4糖苷鍵結(jié)合形成[47]。XOS在水果、蔬菜、竹根中天然存在，但含量稀少。余程等[48]發(fā)現(xiàn)，XOS對改善斷奶仔豬腸道菌群完整性和減輕腸道損傷有著有益作用。

2.6.3 甘露寡糖(MOS) MOS是由幾個甘露糖分子或甘露糖與葡萄糖通過糖苷鍵形成的寡聚糖[47]。COSBY等[49]表明，在肉雞的飼糧中添加酵母細胞壁層MOS能夠使肉雞的體重增加1.61%，死亡率降低10.5%，飼料利用率提高5.41%。

2.6.4 低聚異麥芽糖(IMOS) 又稱為α-寡葡萄糖、分支低聚糖、異麥芽寡糖等，是指其包含的葡萄糖分子間以α-1,6糖苷鍵聚合的低聚糖的總稱，廣泛存在于小麥、大麥、玉米、馬鈴薯和木薯等植物中。陳玉龍等[50]研究表明，用添加IMOS的飼料飼喂母豬可以降低發(fā)情間隔，減少惡癖產(chǎn)生，提高免疫力，營養(yǎng)吸收效率以及哺乳能力。

3 畜禽抗生素替代物的作用機制

3.1 改善畜禽胃腸道健康的機制

抗生素替代物改善畜禽胃腸道健康的機制可以分為四個方面。第一個方面是抑制病原菌在腸道中的黏附，大多數(shù)的AMPs具有陽離子特性，這類AMPs帶正電荷的殘基可以與細菌細胞膜上的負電荷相互吸引，從而抑制細菌在畜禽腸道上黏附[51]。功能性寡糖對致病菌有較強的吸附力，能夠通過范德華力和氫鍵能與多種霉菌毒素形成多糖-毒素復合物，從而有效阻止毒素吸附于畜禽腸道[52]。第二個方面是殺死腸道中的病原菌，許多抗生素替代物都有殺死病原菌的作用。植物提取物能夠通過對細菌細胞膜、細胞壁產(chǎn)生影響而達到抑菌作用，NING等[53]研究發(fā)現(xiàn)，苯乳酸可以破壞單增李斯特氏菌和大腸桿菌的細胞結(jié)構(gòu)，導致細菌細胞質(zhì)的流出從而殺死細菌；從肉豆蔻堿中分離得到的羽扇豆素對腸球菌表現(xiàn)出有效的抗菌活性，它能夠?qū)δc球菌的細菌大小、形狀以及超微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響(圖1)。通過解除細菌對細胞形狀的控制導致細胞的伸長(圖1B,E)。這些影響是由一系列的作用機制引起的，例如抑制葉酸、DNA、RNA、蛋白質(zhì)的合成，以及水解或抑制肽聚糖的合成[54]。酸化劑也有良好的殺菌作用，可以通過擴散到細菌細胞中的方式，降低細菌內(nèi)的pH，抑制細菌的DNA、RNA和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的代謝活動，破壞細菌細胞膜的完整性，從而殺死細菌[55]。P5短鏈AMPs對G+和G-均有抗菌活性，能夠通過增加細胞的通透性來殺死細菌[56]。秀麗隱桿線蟲重組抗菌因子(ABF-1)可以快速抑制細菌生長，在傷寒鏈球菌中，ABF-1通過與膜成分結(jié)合，阻斷膜通道，改變細胞膜的通透性，在細菌中產(chǎn)生滲透力。使細菌中產(chǎn)生自由基，破壞DNA、蛋白質(zhì)和細胞膜，使細菌死亡[57]。第三個方面是抑制畜禽腸道中病菌的生長繁殖，益生菌產(chǎn)生的分泌物能夠抑制腸道中病菌的生長繁殖，Abdel等[58]通過試驗發(fā)現(xiàn)，糞腸球菌產(chǎn)生的細菌素能夠起到抑制金葡萄細菌的作用，這種細菌素可以使金葡萄細菌質(zhì)壁分離，進而使金葡萄細菌細胞膜破裂而死亡。通過靜電吸附原理獲得的具有靶向作用的抗菌劑能夠抑制病菌的生長繁殖，研究人員通過電荷控制獲得陽性ZnO/PAL，所得的坡縷子堿型抗菌劑對試驗菌有一定的靶向作用和吸附能力，可作為抗生素替代物用于動物育種[59]。圖2為坡縷子堿類抗菌劑的形態(tài)，圖3為坡縷子堿類抗菌劑與細菌電荷效應的示意圖。第四個方面是改善消化器官的重量和形態(tài)，酶制劑可以使畜禽腸道變薄、十二指腸腸絨毛長度增加、小腸的相對重量下降等，以促進營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。消化器官的相對重量下降可以減少畜禽用于維持機能和內(nèi)部器官生長的能量消耗，使更多的能量用于生產(chǎn)[60]。

圖1 細菌在添加0.5 mg/mL(B,C)和2 mg/mL(D,E)的羽扇豆素中孵化4 h后，與未經(jīng)過處理的細菌比較(A)[54]箭頭表示細長的細胞，具有分裂缺陷的不規(guī)則的細胞，細胞質(zhì)中類中質(zhì)體結(jié)構(gòu)分布不均，細菌細胞壁脫落、死亡細胞、溶解細胞和碎片F(xiàn)ig.1 Transmission electron micrographs of enterococcal cellsafter treatment with lupinifolin. The bacteria were grown withaddition of 0.5 mg/mL (MIC) (B, C) and 2 mg/mL (4MIC)lupinifolin (D, E) after 4hr incubation, compared withuntreated control (A)Arrows indicate elongated cells, irregularly sized and shapedcells with division defects, uneven distribution andnonhomogeneous appearance of mesosomes-like structuresin the cytoplasm, detachment of the bacterial cell walls,ghost cells, lysis cells, and debris，respectively

圖2 坡縷子堿類抗菌劑[59]Fig. 2 Palygorskite-based antibacterial agent

圖3 坡縷子堿類抗菌劑與細菌電荷效應示意圖[59]Fig. 3 Schematic illustration of charge effect betweenpalygorskite-based antibacterial agent and bacteria

3.2 增強動物免疫功能的機制

許多抗生素替代物進入到畜禽體內(nèi)都能增強免疫功能，促進畜禽生長，提高生產(chǎn)性能。它們的作用機制比較復雜，可概括為激活免疫系統(tǒng)和促進免疫調(diào)節(jié)因子的表達兩方面[61]。功能性寡糖可以增強畜禽的非特異性免疫和特異性免疫作用。研究表明，讓仔豬口服MOS能夠增強仔豬小腸內(nèi)白細胞的吞噬能力，促進淋巴細胞釋放細胞素，使蛋白質(zhì)、巨噬細胞、體液等移向被感染的部位，吞噬并殺死病原菌；在仔豬飼糧中添加FOS、MOS或者IMOS均能顯著提高仔豬血液中的白細胞介素質(zhì)量濃度及腸粘膜與血清中IgA、IgM和IgG的含量，并能促進免疫器官的生長發(fā)育[52]。植物提取物也能增強畜禽的免疫功能，在雛雞的基礎日糧中添加牛至油制劑，雛雞血清中的IgA、IgM 、IgG的含量均顯著提高[62]。

3.3 促進營養(yǎng)物質(zhì)吸收的機制

抗生素替代物能夠促進畜禽體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)吸收，提高畜禽生產(chǎn)性能，替代抗生素促進畜禽生長、降低FCR[61]。微生態(tài)制劑進入畜禽體內(nèi)，在其生長繁殖的過程中所產(chǎn)生的酶、維生素等可以促進畜禽對蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，乳酸可以促進畜禽對維生素D的吸收[63]。在畜禽日糧中添加酸化劑之后，飼糧中的某些礦物質(zhì)元素易與酸化劑中的離子形成易被吸收的鹽類，同時增強了維生素A和維生素D的穩(wěn)定性，使它們能夠被機體最大限度的吸收利用[64]。酶制劑能夠破壞植物細胞壁，提高飼料利用率。

3.4 提高機體抗氧化能力機制

畜禽機體在新陳代謝的過程中會不斷產(chǎn)生自由基，過量的自由基對畜禽產(chǎn)生氧化損傷，造成畜禽生產(chǎn)性能下降，產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題。植物提取物中的酚類物質(zhì)可以通過提高畜禽抗氧化的能力來清除對畜禽機體有害的自由基，促進畜禽生長，提高生產(chǎn)性能[66]。機體中，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)能夠催化過氧化物還原成過氧化氫和氧、過氧化物酶催化過氧化氫轉(zhuǎn)化成氧和水。植物提取物中的酚類化合物能夠通過增加SOD、過氧化物酶的產(chǎn)量，促進過氧化物分解，提高畜禽抗氧化的能力[66]。

4 展 望

隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴大和養(yǎng)殖觀念的轉(zhuǎn)變，抗生素替代物已成為時代的新寵，生產(chǎn)安全、綠色的畜禽產(chǎn)品離不開抗生素替代物的作用，因此尋找合適的飼用抗生素替代物具有深遠的意義和廣闊的前景。目前，雖然抗生素替代物應用較為廣泛，AMPs、微生態(tài)制劑、植物精油等在實際生產(chǎn)中的運用起到了良好的效果，但是生產(chǎn)成本、效果以及注意事項，還需要進一步跟進。另外，由于抗生素替代物的種類繁多，組成成分不同等特點，今后對于抗生素替代物的研究更應該集中于抗生素替代物的作用機理、生產(chǎn)工藝標準和最佳使用量等方面。