乳酸菌在畜禽替抗養(yǎng)殖中的研究進展

曹樹威,余昌花,王國利,羅鮮青,黃麗霞,李芳芳,李美珍,唐承明*

(1廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所，南寧 530001 2 廣西壯族自治區(qū)畜禽品種改良站,南寧 530001)

2020年7月1日，我國開始全面禁用飼用抗生素。從長期來看，抗生素的禁用是畜、禽、水產養(yǎng)殖業(yè)邁向綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要里程碑；但隨著禁抗令的實施，短期內可能會出現(xiàn)諸多的行業(yè)問題，如生豬養(yǎng)殖過程中的仔豬死亡、腸炎、痢疾和腹瀉等疾病率的提高就體現(xiàn)出了養(yǎng)殖業(yè)對抗生素的依賴效應；因此，加快新型抗生素替代劑的研發(fā)應用，縮短替抗的過渡時間是當前畜禽養(yǎng)殖領域中迫切需要解決的問題。

益生菌、抗菌肽、植物提取物、酸化劑、寡糖、酶制劑、噬菌體是當前生產中用作抗生素替代的常見物質[1]。其中，乳酸菌作為一種常見的人、畜食用益生菌，是一類可發(fā)酵蔗糖、葡萄糖及其它形式的多種碳水化合物，產生乳酸、乙酸等有機酸的革蘭氏陽性球菌、桿菌，在食品、輕工業(yè)、醫(yī)藥、飼料中均有廣泛的運用；乳酸菌產生的有機酸化劑、細菌素、肽類、酶類等高活性物質均可抑制病原菌生長[2]，其活菌體還可作為腸道益生菌，繁殖、定植腸道，占位、拮抗病原菌，同病原菌競爭營養(yǎng)物質，抑制畜禽腸道內沙門氏桿菌、李斯特氏桿菌、葡萄球菌等病原體的惡性競爭，從而有效地減少腐敗衰退的產物，并調節(jié)微生態(tài)平衡，刺激腸道蠕動，提高機體消化吸收能力，可針對畜禽機體的毒性反應、應激反應、免疫應答等作出有效的反饋免疫力，提高機體的免疫力[3]。乳酸菌相對于抗菌肽、植物提取物、酶制劑、噬菌體等抗生素替代物，具有生產工藝成熟、生產周期短、成本低、安全性更好等優(yōu)點，且應用形式靈活。如既可直接添加水劑飼喂，亦可發(fā)酵飼料后飼喂，其發(fā)酵料中的有機酸可以替代抗生素抑制雜菌導致的飼料腐敗，芳香濃郁，增加飼料的適口性；特定種屬的乳酸菌在發(fā)酵飼料的過程中可降解霉菌毒素，降低畜禽中毒的風險，間接減少了化學藥品的使用。因此，乳酸菌在未來的畜禽養(yǎng)殖業(yè)中，極具替抗?jié)摿Α?/p>

1 生產常用乳酸菌的分類

目前，常用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的乳酸菌主要源自乳桿菌屬、腸球菌屬、片球菌屬等3大屬類[4](表1)，表中的6種生產常用乳酸菌均具有產生有機酸化劑、抗菌素類活性物質的功能，可抑制病原菌生長，且能夠維持機體微生態(tài)平衡，提高機體免疫力，均具備極大的替抗?jié)摿?。糞腸球菌、嗜酸乳桿菌、乳酸片球菌等乳酸菌作為同型乳酸發(fā)酵菌株，直接將糖類物質發(fā)酵為乳酸且不產氣，不僅可以作為益生菌劑直接添加飼喂，還宜于發(fā)酵乳酸飼料、營養(yǎng)液，產生活性乳酸菌、菌體蛋白、小肽、細菌素等可強化機體免疫系統(tǒng)的物質，抑制飼料腐敗，減少疾病發(fā)生，間接促進養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展，發(fā)揮更廣泛的益生性能。植物乳桿菌、干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌作為兼性異型發(fā)酵菌株，在不考慮發(fā)酵產氣的情況下，還可發(fā)酵產生乙酸等抑制致病菌生長的酸化劑；特別值得一提的是，乙酸在酸化的發(fā)酵飼料中，能高效抑制有氧腐敗，減少飼料變質引起的生物安全事故。

表1 生產常用乳酸菌的分類

2 乳酸菌益生功能機制

2.1 形成益生屏障，調節(jié)微生態(tài)平衡

2.1.1 定植腸道形成生理屏障 畜禽的腸道中存在大量微生物，根據(jù)分布微生物對機體產生的健康效應，可將這些微生物分為：共生性微生物及致病性微生物，前者通過合成蛋白質、維生素、消化吸收等活動對畜禽的機體產生有益的影響；后者可打破畜禽微生物數(shù)量平衡時引起發(fā)病。

乳酸菌作為腸道益生微生物，進入宿主的腸道后，可快速黏附定植在其黏膜上皮細胞相關的復合糖受體上，同有害菌群競爭附著位點，干擾和抑制致病菌黏附腸道上皮細胞[5]，促進了腸黏膜生長、發(fā)育，增加腸道消化吸收面積，形成生理屏障，誘導黏附素的分泌，阻止腸細胞的凋亡，充分發(fā)揮腸道屏障功能，進而改善腸道健康的機制。乳酸菌對腸黏膜的占位優(yōu)勢主要依賴于乳酸菌細胞表面的一些細胞表面蛋白，其中已有研究深入闡述了黏膜結合蛋白、引物酶sortase 依賴蛋白、S層蛋白及胞外間質包含的調節(jié)性表面蛋白等細胞外蛋白黏附腸道的機理[6]。表面蛋白slpA由嗜酸乳桿菌 NCFM(L．acidophilusNCFM)胞內的slpA 基因控制合成，研究發(fā)現(xiàn)將NCFM(L．acidophilusNCFM)的slpA 基因敲除后，直接抑制了此菌與細胞外面C 型凝聚素受體(CLR)(DC-SIGN，Ⅱ型跨膜蛋白)的黏附，表明slpA 基因控制的slpA表面蛋白是與黏附相關的受體，同時還發(fā)現(xiàn)slpA 基因誘導宿主免疫反應，刺激機體產生白細胞介素、TNF-α類提高免疫力的物質。另有研究發(fā)現(xiàn)，GroEL作為約氏乳酸桿菌胞外的一種熱應激蛋白，具有促進活菌體與腸道黏膜黏附的功能[7]。

2.1.2 調節(jié)微生態(tài)平衡，提高腸道免疫性能 乳酸菌等益生菌能夠改善腸道環(huán)境，防止有害菌產生腸毒素、甲烷、毒性胺等有害物質，最終保障了畜禽生長性能的發(fā)揮，對于微生態(tài)平衡的保持具有重要意義[8]。

研究表明，在對肉仔雞的飼料中采用乳酸菌后，會讓血液中氨的含量顯著降低。乳酸菌在腸道內定植，黏附到動物消化道的黏膜，改善胃腸道中的微生物環(huán)境，調節(jié)微生態(tài)平衡；乳酸菌與宿主保持穩(wěn)定的共生關系，作為優(yōu)勢菌群，形成益生微生態(tài)環(huán)境，抑制腸道內腐敗菌的生長，減少腐敗物質的生成，合成的活性物質能夠刺激腸道，促進腸道蠕動，加快將腐敗物質及毒素類排出機體，減少病原菌對宿主的侵害，增加細胞間的通透性，提高營養(yǎng)吸收率。另外，乳酸菌分泌的某些肽類活性物質，促進其它有益菌的生長，整體上改善腸道微生物菌群的結構，進而維持了腸道微生物菌群平衡。

腸道里乳酸菌的分布數(shù)量和種類常作為畜禽機體健康度評測的參考標志之一，其中乳酸菌和大腸桿菌的定量比被廣泛認可為評價動物消化道微生態(tài)平衡的重要指標，當乳酸菌的數(shù)量高于大腸桿菌的數(shù)量時，方可實現(xiàn)有益菌對腸道致病微生物的抑制。腸道微生態(tài)平衡對于促進機體維持腸道健康和生產性能具有顯著意義。因此，在養(yǎng)殖生產中，乳酸菌被用作益生微生態(tài)制劑添加至畜禽日糧中，補充畜禽腸道乳酸菌數(shù)量，通過人為干預的方式調節(jié)腸道的微生態(tài)平衡，預防畜禽腸炎、腹瀉、痢疾等疾病。謝俊華[9]研究添加植物乳桿菌NCU116對腸道健康的影響，發(fā)現(xiàn)添加植物乳桿菌后對腸道菌群的結構組成造成影響，且直接提高了腸道代謝和免疫功能。禽類飼喂植物乳桿菌腸衣膠囊后，腸道中梭菌屬、腸桿菌科的數(shù)量均顯著減少。

2.2 提高免疫調節(jié)機能 研究表明，乳酸菌對機體的免疫誘導主要是通過“受體+配體”的模式進行的。本文前面闡述的6類生產常用的乳酸菌都是革蘭氏陽性菌，細胞表面均含有脂磷壁酸(LTA)、肽聚糖(PG)，PG，LTA均是CD 細胞表面受體(TLR)的配體，通過與受體結合，刺激機體產生免疫因子，如 TNF-α 和白細胞介素 1(IL-1)。研究發(fā)現(xiàn)，約氏乳酸桿菌、植物乳酸桿菌的 PG 與 TLR2 受體結合后，可刺激巨噬細胞成熟，誘導細胞因子的產生，發(fā)揮免疫調節(jié)效應[10]。干酪乳酸桿菌 YIT9029(L.caseiYIT9029)的 LTA 和TLR2 結合后，激活了 NF-κB 的信號，誘導小鼠巨噬細胞分泌 TNF-α[11]。在對肉雞飼喂羅伊乳桿菌、短乳桿菌后，發(fā)現(xiàn)肉雞腸絨毛黏膜 TNF-α、IL-1 和 IL-2等的表達量顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌 NCIMB8826 可以促進T 細胞的增殖，提高了免疫細胞活性[12]。

2.3 乳酸菌體的直接抗菌機制

2.3.1 競爭抑制 乳酸菌利用自身的占位優(yōu)勢，定植腸粘膜后，與其它菌競爭營養(yǎng)物質及黏附位點，快速繁殖，成為優(yōu)勢菌群，利用生物奪氧機制輔助機體形成腸道厭氧環(huán)境，同時可以發(fā)酵產酸，快速降低腸道內的pH值，形成一個不利病原微生物生長的厭氧、酸性環(huán)境，利用生理競爭優(yōu)勢抑制梭菌、痢疾桿菌、傷寒桿菌、副傷寒桿菌、彎曲桿菌等腸道腐敗菌、致病菌的定植、生長。乳酸菌發(fā)酵產生的酸類物質可以刺激腸道蠕動，輔助機體排出病原菌及致病菌產生的毒素。

2.3.2 產生抑菌物質 腸道內乳酸菌可以直接產生抑菌物質抑制致病微生物的生長，乳酸菌產生的抑菌物質主要可以分為酸類、肽類、生物素類及過氧化氫等四類。酸類主要包括乳酸、乙酸、丙酸，肽類物質包括各種具有抗菌活性的抗菌肽類，生物素類則以細菌素為主。

酸類物質主要通過形成酸性環(huán)境，拮抗致病微生物的生長。研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳酸桿菌 GG(LactobacillusrhamnosusGG)在腸道內發(fā)酵產生的乳酸，對鼠傷寒沙門氏菌有很強的抑菌活性，乳桿菌屬的嗜酸乳酸桿菌、干酪乳桿菌、短乳桿菌都能夠產生非解離乳酸，對大腸桿菌的生長產生較強的抑制作用，另有研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌分泌的乳酸可以通過螯合金屬離子改變革蘭氏陽性菌的細胞膜通透性發(fā)揮殺菌作用，加氏乳酸桿菌分泌的乳酸可以瓦解金黃色葡萄球菌細胞膜，裂解細胞，消滅其活菌。抗菌肽類物質和細菌素可以直接起到殺滅病原菌的作用。過氧化氫也可以對病原菌起到抑制作用，研究發(fā)現(xiàn)，過氧化氫可以激活機體內的過氧化氫酶-硫氰酸系統(tǒng)，對過氧化氫酶陽性菌、革蘭氏陰性菌都可以起到較強的拮抗作用。

2.4 提供可提高消化率的酶類 酶作為生物體內的一類高效生物催化劑，可以催化各類生物化學反應，保證生物體新陳代謝的正常進行。因此，機體內酶的含量及類型直接影響著生長健康和生產性能。乳酸菌在畜禽機體內大量定植形成優(yōu)勢菌群后，可產生纖維素酶、蛋白酶和脂肪酶等消化酶，輔助機體降解纖維素、淀粉、粗蛋白、脂肪等不易或不能被機體直接吸收利用的大分子糖類、蛋白類，釋放出單糖、二糖、短鏈脂肪酸、小分子肽類及氨基酸等易被機體吸收利用的物質，提高飼料利用率，增加機體對營養(yǎng)物質的吸收能力，提高營養(yǎng)物質的代謝速率，增強機體的新陳代謝及免疫性能，維持機體健康。

2.5 合成營養(yǎng)因子 乳酸菌通過次級代謝不僅能合成乳酸、乙酸等益生因子，還可以產生一些促生長因子、氨基酸，促進機體對蛋白質、單糖、鈣、鐵、磷的吸收利用；另外，乳酸菌還可以合成機體生長發(fā)育所需的維生素B、維生素 K 等多類維生素，增強其免疫能力。李俊芳等研究發(fā)現(xiàn)，所研究的16株乳酸菌中，8株乳酸菌能夠產生維生素B12，有3株菌維生素B12的產量顯著高于其它菌株[13]。

3 乳酸菌在畜禽生產中的應用

3.1 應用現(xiàn)狀

3.1.1 生產中的應用形式及方向 我國動物養(yǎng)殖生產業(yè)內，微生態(tài)制劑通常被應用為添加劑。目前乳酸菌在生產中是被主要運用的替抗添加劑之一，應用形式以單一菌劑為主，亦有少數(shù)的菌劑產品以“乳酸菌+芽孢桿菌+酵母菌+生物酶”的形式投入市場使用。乳酸菌劑作為抗生素替代品，目前在畜禽養(yǎng)殖中主要被用以提高畜禽機體健康、提高飼料轉化率進而提高生產性能、降解機體及養(yǎng)殖環(huán)境中有害物質、降解飼料中的霉菌毒素、緩解應激反應等方向，使用形式主要為直接添加和飼料發(fā)酵[14]。

3.1.2 國內使用現(xiàn)狀 目前，乳酸菌作為飼料添加劑或直接作為水劑飼喂，主要在國內豬、雞、牛、羊等畜禽養(yǎng)殖領域及水產養(yǎng)殖領域被推廣利用。雖然乳酸菌劑正逐漸被更多的養(yǎng)殖企業(yè)關注、接納，但菌劑的成本、質量、應用技術普及度仍然是制約菌劑全面推廣的主要因素。

乳酸菌劑作為飼料發(fā)酵劑的應用在國內表現(xiàn)出一定的地域性。北方地區(qū)氣候干燥，適宜曬制耐保藏的干草飼料，因此對青貯類飼料發(fā)酵依賴性小，但南方多地區(qū)的濕熱氣候不宜曬制干草，常利用乳酸菌劑發(fā)酵青飼料，達到保藏飼料營養(yǎng)的目的。在我國南方地區(qū)，乳酸菌劑被廣泛用于將象草、玉米秸稈、甘蔗尾葉、木薯渣等物質發(fā)酵為芳香可口，營養(yǎng)含量豐富的青貯飼料。添加復合乳酸菌劑的青貯飼料發(fā)酵成功率極高，周期短，大大提高飼料生產效率，且發(fā)酵料富含多樣性的乳酸菌活體及乳酸菌發(fā)酵過程中產生的各類益生元。飼料經乳酸菌發(fā)酵后，酸度高，抗菌次級代謝產物含量豐富，不易腐敗，可保藏數(shù)月至一年。乳酸菌劑作為替抗劑，一方面通過利用發(fā)酵酸化料可長久保藏的優(yōu)點，解決了南方地區(qū)冬季青飼草缺乏的問題，同時將玉米秸稈、甘蔗尾葉、木薯渣等農業(yè)副產物變廢為寶，轉變?yōu)樾笄莸娘暳?；另一方面，某些長期堅持飼喂含乳酸菌發(fā)酵料的養(yǎng)殖企業(yè)的畜禽健康度提高，發(fā)病率、應激率顯著降低，豬、雞、牛、羊體表光澤鮮亮，養(yǎng)殖環(huán)境中臭味顯著下降，蠅蟲滋生問題不攻自破，形成了“動物機體健康+環(huán)境健康”雙改善的良性循環(huán)。

3.2 應用效果

3.2.1 預防畜禽疾病 乳酸菌作為一種綠色、安全的替抗添加劑，長期飼喂畜禽可以起到預防疾病的作用，但不會導致機體產生耐藥性，腸道菌群失調的問題。利用乳酸菌添加反芻動物日糧，可以提高其抗應激能力及抗病能力。姚國強等研究發(fā)現(xiàn)，可以利用乳酸菌預防奶牛隱形乳房炎[15]。Genis 等利用乳酸菌注射奶牛陰道，相對對照，實驗組牛的子宮炎發(fā)生率降至58%。殷溪莎等用乳酸菌飼喂犢牛后，犢牛腹瀉率顯著降低，抗氧化能力卻顯著提高[16]。在水產養(yǎng)殖中，弧菌及氣單胞菌導致的腸炎是頻發(fā)疾病，提前利用乳酸菌劑則能預防水產動物腸炎，降低發(fā)病率。

3.2.2 替代抗生素治療畜禽疾病 應對病原微生物導致的畜禽疾病，抗生素的治療效果好，但抗生素濫用導致的系列效應不可小覷，利用乳酸菌治療畜禽疾病在消除疾病的同時可以規(guī)避抗生素帶來的負面影響。石水琴發(fā)現(xiàn)發(fā)酵乳桿菌(Lactobacillusfermentum)不僅具有良好的腸道環(huán)境耐受性，還能夠對雞白痢沙門氏菌(Salmonellapullorum)進行顯著抑制[17]。另有研究發(fā)現(xiàn)，片球菌素A 對大多數(shù)革蘭氏陽性乳酸菌和食源性病原菌具備殺傷作用[18]。王秋菊等用雞源乳酸菌飼喂肉雛雞后，雞盲腸里大腸桿菌移位被顯著抑制，大腸桿菌的數(shù)量、繁殖速度也大大降低[19]。焦麗英等用復合乳酸菌制劑飼喂奶牛后，乳房炎患牛的乳體細胞數(shù)從883.0萬個/mL下降至191.2萬個/mL,降幅達到78.3%，表明乳酸菌在牛乳房炎防治領域替代抗生素具有重要潛力[20]。Suo等研究發(fā)現(xiàn)，飼喂植物乳桿菌 ZJ316 對仔豬腸道內大腸桿菌和沙門菌增殖有明顯抑制作用[21]。魯陳等報道乳酸菌可以通過分解腸道內腐敗物，調節(jié)腸道平衡等功能顯著降低犢牛的腹瀉率[22]。利用乳酸菌飼喂被大腸桿菌感染的仔豬進行治療，可以顯著降低仔豬的腹瀉率，修復腸道損傷[23]。

3.2.3 提高畜禽生產性能 抗生素的作用是消滅致病菌，同時會導致益生菌被殺滅，且對動物生產性能的提高并無直接的依據(jù)。乳酸菌對畜禽機體的益生作用則是全面的，可以在不對機體造成傷害的前提下，補充益生菌，提高機體免疫力，保持機體健康。益生菌可以合成酶類，維生素類物質，輔助提高機體對營養(yǎng)的消化、吸收，提高畜禽生產性能。朱風華等添加15%乳酸菌發(fā)酵料至蛋雞飼料進行飼喂后，蛋雞的產蛋率、蛋白哈氏單位提高顯著，料蛋比卻降低[24]。趙飛燕等利用復合乳酸菌劑添加奶牛日糧，不僅顯著提高了牛奶產量，還顯著增加了牛奶中免疫球蛋白G(IgG)、溶菌酶(LYS)、乳鐵蛋白(LTF)和乳過氧化物酶(LP)的含量[25]。J．L．Ellis 等用乳酸菌劑長期添加日糧飼喂荷斯坦奶?？梢蕴岣吣膛５拇x能和牛奶產量[26]。Etleva 等用糞腸球菌、植物乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌等3種乳酸菌復合成的菌劑飼喂斷奶的仔豬，發(fā)現(xiàn)仔豬日增重、末重等指標均顯著提高[27]。余祖華等用植物乳桿菌進行羅曼粉蛋雞養(yǎng)殖，實驗組產蛋率、蛋黃顏色、蛋白高度等均顯著提高[28]。

3.2.4 降解有害物質，優(yōu)化環(huán)境 在畜禽養(yǎng)殖過程中，其對飼料消化不完全的情況普遍存在，導致排泄物中殘留較多的含氮有機質，這些物質被腐敗菌發(fā)酵后產生H2S、NH3等惡臭物質排放至空氣中污染養(yǎng)殖環(huán)境，也對周邊環(huán)境產生影響。乳酸菌在腸道中形成優(yōu)勢菌群后，為宿主提供多種類型的酶類，分解有機大分子，可以提高飼料消化率，且能抑制腐敗菌生長，從初始階段就抑制了污染源的產生，然后在排出的含乳酸菌群的糞便里含氮有機質含量減少，繼續(xù)被乳酸菌發(fā)酵分解，抑制環(huán)境中的腐敗菌發(fā)酵，大大減少H2S、NH3等臭源物質的產生，減少蚊蠅類害蟲的滋生，改善畜禽養(yǎng)殖環(huán)境[29]。馬曉婷等用乳酸菌在京紅蛋雞的產蛋后期添加飼喂，發(fā)現(xiàn)相比對照組，試驗組蛋雞的糞便含水率、糞中NH3和H2S的濃度均極顯著降低[30]。

在水產養(yǎng)殖業(yè)中，乳酸菌形成水體優(yōu)勢菌群后，通過直接的化學作用及間接的促進其它微生物的反硝化作用分解水里的亞硝酸鹽，達到凈化水質的目的；另外，長期使用乳酸菌的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中臭味顯著降低，NH3和H2S的含量顯著降低。

4 結語和展望

隨著國家飼料禁抗令的實施，尋找新型環(huán)保的抗生素替代品已是勢在必行。乳酸菌微生態(tài)制劑研究應用雖已取得顯著的進展，但仍存在一些問題值得深思、探索。一是需對乳酸菌深入機理研究，挖掘更多的功能基因，刪除潛在的致病基因；二是考慮乳酸菌資源的地域性因素。篩選適應地方氣候的、性能穩(wěn)定的菌株資源，建立地方特色乳酸菌資源庫，服務本地生產，規(guī)避外來菌劑水土不服的缺點，因地制宜，就地取材；三是市售的菌劑產品質量良莠不齊，且菌劑使用缺乏相關的行業(yè)規(guī)范，影響生產推廣；四是對菌株的產權保護尚缺乏有力的措施，易引起爭端。筆者認為，隨著生物科技的發(fā)展，通過將一段特定的核酸標簽序列穩(wěn)定整合至菌株基因組中作為記號，或可避免菌株產權問題及質量參差不齊的問題。五是乳酸菌長期使用過程中是否會變異為致病菌株。

當前，我們應尋找微生物學、分子生物學、畜牧營養(yǎng)學、細胞生物學等多學科的交叉點，充分結合基因組學、轉錄組學、蛋白組學等科技手段，挖掘乳酸菌潛在的功能，規(guī)避潛在的風險，對乳酸菌進行科學合理的運用，最大程度發(fā)揮乳酸菌在畜禽生產中的作用。