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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)度增殖的屏障，通過(guò)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(lèi)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(lái)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(wú)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(guò)程就是這一個(gè)改變的時(shí)期，這個(gè)過(guò)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(lái)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(lái)顯而易見(jiàn)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(wèn)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(lái)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(lái)說(shuō)更為重要。細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出各種機(jī)制來(lái)消除細(xì)胞內(nèi)Zn2+過(guò)量富集所產(chǎn)生的有害作用。一般來(lái)講，腸桿菌等革蘭氏陰性菌依賴(lài)于質(zhì)子-陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，而乳酸菌等革蘭氏陽(yáng)性菌則利用P型腺苷三磷酸水解酶來(lái)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(guò)50 %的總氧化鋅能以無(wú)機(jī)Zn2+的形式存在于斷奶仔豬胃中。因而，可以說(shuō)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(jiàn)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(lèi)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(wú)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(wú)機(jī)Zn2+。

腸道菌群組成會(huì)在仔豬斷奶4周后逐漸趨向“正常”，但是可觀察到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(méi)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(lèi)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(lài)于梭菌。最后，腸桿菌是腸道內(nèi)的正常棲生菌。與梭菌類(lèi)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(lèi)、磺胺類(lèi)和喹諾酮類(lèi)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(lèi)、磺胺類(lèi)、喹諾酮類(lèi)的耐藥基因發(fā)現(xiàn)，在使用鋅1周后，抗生素耐藥性開(kāi)始逐漸增強(qiáng)。

7 有效利用氧化鋅

總體來(lái)說(shuō)，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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lèi)號(hào)：S816.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1001-0769(2016)04-0088-03