王宏浩,趙素娟,石虎,侯翼飛,邢國(guó)勝,牛志勇
(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050000;2.河北科星藥業(yè)有限公司,河北石家莊 050000;3.河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心,河北石家莊 050000;4.河北省動(dòng)物微生態(tài)制劑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,河北石家莊 050000;5.河北省獸用液體制劑創(chuàng)新中心,河北石家莊 050200)
青霉素在1929年被發(fā)現(xiàn)后開(kāi)始大規(guī)模投入使用,幫人們解決了諸多問(wèn)題。但青霉素卻如同一把雙刃劍,具有雙面性,適量使用,可以起到促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)性能、提高飼料轉(zhuǎn)化率、提高機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收等重要作用,然而青霉素不合理的使用以及濫用現(xiàn)象層出不窮,導(dǎo)致養(yǎng)殖食用動(dòng)物機(jī)體藥物殘留超標(biāo)、細(xì)菌易產(chǎn)生耐藥性、容易引發(fā)二次感染,更有甚者導(dǎo)致“超耐藥菌”的產(chǎn)生,人們對(duì)以動(dòng)物為源頭的食品安全問(wèn)題造成了極大的恐慌。故而,找尋安全、高效、應(yīng)用成本相對(duì)較低的抗生素替代品一直都是我國(guó)畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
枯草芽孢桿菌是中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部允許使用的新型綠色的益生菌型飼料添加劑,具有綠色無(wú)毒、零殘留、安全性好等特點(diǎn)。在食品加工、畜牧飼料、水產(chǎn)養(yǎng)殖及醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用,且代謝產(chǎn)物對(duì)促進(jìn)微生態(tài)飼料工業(yè)發(fā)展具有重要的意義。本文針對(duì)近年枯草芽孢桿菌的生理特性、主要的生理生化功能及其在養(yǎng)殖動(dòng)物中的應(yīng)用情況展開(kāi)了一系列的綜合闡述,目的是為現(xiàn)代企業(yè)、科研院所、高等院校等關(guān)于枯草芽孢桿菌特性研究的科技工作者提供有益的參考和依據(jù)。
枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)是一種在畜牧業(yè)中常見(jiàn)且多用的新型綠色益生菌種,在眾多的芽孢桿菌中被認(rèn)為是目前世界上應(yīng)用最廣泛的益生菌之一。枯草芽孢桿菌是好氧兼性厭氧,隸屬于芽孢桿菌屬的革蘭氏陽(yáng)性菌,常以孢子形式存在,是目前研究者熱衷并重點(diǎn)研究的益生菌種之一。其細(xì)胞形態(tài)為桿狀,單個(gè)菌體在(0.8~1.0)微米×(1.5~3.0)微米之間,可產(chǎn)生夾膜,菌體周生鞭毛,能運(yùn)動(dòng);菌體分布廣泛、繁殖迅速、在極其惡劣的環(huán)境下可自生生成抗逆性孢子,一般處于菌體中間部位;呈圓形或橢圓狀,成型的菌落表面多為粗糙不光滑,周生且不透明,菌落顏色一般呈現(xiàn)淡黃色或白色??莶菅挎邨U菌在人類(lèi)及動(dòng)物體內(nèi)均無(wú)任何抗生素的耐藥性和毒害作用,且不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染等任何問(wèn)題。另外,其自身可分泌出多種抗菌肽、蛋白質(zhì)、抗生素、糖及酶類(lèi)等不同的活性物質(zhì),其分泌的抗菌物質(zhì)具有極其廣泛的抑菌譜。
大量研究表明,枯草芽孢桿菌可作為一種非特異性免疫因子顯著提升動(dòng)物機(jī)體免疫力,其作用機(jī)制主要如下:一方面通過(guò)巨噬菌體或動(dòng)物細(xì)胞壁的成分直接刺激宿主細(xì)胞,從而在一定程度上間接激活巨噬細(xì)胞達(dá)到不斷增強(qiáng)對(duì)動(dòng)物機(jī)體自身免疫力的作用。另一方面通過(guò)刺激淋巴組織引起局部體液免疫反應(yīng),提高腸上皮細(xì)胞的免疫功能等發(fā)揮其輔助作用。
在動(dòng)物日糧中直接添加枯草芽孢桿菌,免疫系統(tǒng)被其激活,T、B淋巴細(xì)胞、黏膜表面的SIgA抗體及血液中免疫球蛋白抗體的含量均有顯著增加,同時(shí)有效增強(qiáng)畜禽機(jī)體的免疫功能,促進(jìn)動(dòng)物健康發(fā)育,保證動(dòng)物健康成長(zhǎng)。在肉雞日糧中添加不同量的枯草芽孢桿菌,經(jīng)過(guò)對(duì)肉雞飼喂試驗(yàn)后其研究結(jié)果表明,0.06%的添加量可有效改善肉雞十二指腸的腸道形態(tài),0.09%的添加量對(duì)肉雞空腸的腸道形態(tài)改善效果為最佳,這表明飼糧添加枯草芽孢桿菌能夠通過(guò)改善雞的腸道黏膜結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)肉雞的機(jī)體免疫力。飼喂不同添加量的枯草芽孢桿菌對(duì)肉雞的生長(zhǎng)產(chǎn)生不同影響,2.5×106CFU·g-1為保證幼齡肉雞最佳生長(zhǎng)性能的枯草芽孢桿菌添加量。
枯草芽孢桿菌作為飼料上重點(diǎn)使用的益生菌添加劑在動(dòng)物腸道內(nèi)定植并起到一定優(yōu)勢(shì)作用一般具有如下兩種形式:其作為好氧菌在進(jìn)入動(dòng)物腸道內(nèi)后可以消耗大量氧氣,將好氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醐h(huán)境,從而有效地抑制腸道內(nèi)好氧型致病菌,同時(shí)彌補(bǔ)動(dòng)物腸道內(nèi)有益微生物不足的現(xiàn)象,使消化道的不平衡得以改善。然而當(dāng)其處于厭氧環(huán)境時(shí),部分厭氧型枯草芽孢桿菌在其生長(zhǎng)代謝中會(huì)產(chǎn)生很多揮發(fā)性脂肪酸,使腸道pH降低,同時(shí)阻礙病菌的生長(zhǎng)。與此同時(shí),其內(nèi)生孢子還可產(chǎn)生多種對(duì)致病菌有明顯拮抗作用的抑菌物質(zhì),進(jìn)而維持腸道微生態(tài)平衡。飼喂枯草芽孢桿菌可以促進(jìn)腸道有益菌群生長(zhǎng),有效改善肥育豬的生長(zhǎng)性能和胴體品質(zhì)。在飼糧中添加1×106CFU/克枯草芽孢桿菌WEI-62可調(diào)節(jié)仔豬腸道內(nèi)容物的菌群結(jié)構(gòu),改善耗料增重比。在乳鼠生長(zhǎng)前期飼糧中添加枯草芽孢桿菌,試驗(yàn)研究證明其可使小腸杯狀細(xì)胞數(shù)量以及小腸中MUC2的mRNA相對(duì)表達(dá)量和MUC2含量均有顯著增加。同時(shí)促進(jìn)腸道屏障功能的成熟,激活乳鼠的Wnt信號(hào)通路,降低腸道致病菌產(chǎn)氣莢膜梭菌的相對(duì)豐度,增加腸道益生菌雙歧桿菌屬的相對(duì)豐度??莶菅挎邨U菌作為飼料添加劑對(duì)羅非魚(yú)進(jìn)行飼養(yǎng),試驗(yàn)結(jié)果表明,枯草芽孢桿菌可以阻遏其腸道菌群的變化,使菌群多樣性達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定,降低腸道優(yōu)勢(shì)菌群希瓦氏菌腸道富集現(xiàn)象,另外,可顯著延緩冰鮮魚(yú)體的腐敗進(jìn)程。
氧化應(yīng)激通常是以導(dǎo)致正常機(jī)體功能以外的副作用形式發(fā)生的,由于機(jī)體內(nèi)各種蛋白質(zhì)的中性氧化與其他抗氧化劑的反應(yīng)相互作用從而發(fā)生高度失衡,導(dǎo)致長(zhǎng)期進(jìn)行中性氧化,致使蛋白質(zhì)氧化酶分泌數(shù)量增多,中性氧化中間體和產(chǎn)物也隨之大量產(chǎn)生。在動(dòng)物飼料中使用芽孢桿菌可使其在機(jī)體中產(chǎn)生具有清除自由基功能的多糖,還可以直接或間接誘導(dǎo)T-SOD或CAT等酶的合成,加速清除MDA等過(guò)氧化物,抑制氧化應(yīng)激的產(chǎn)生,提高動(dòng)物抗氧化能力,有益于動(dòng)物的健康。在肉雞的基礎(chǔ)日糧中以0.75克/千克的添加量加入枯草芽孢桿菌,其活菌數(shù)在108CFU/克時(shí),可以顯著提高肉雞的抗氧化功能,氧化應(yīng)激的反應(yīng)大大減少。熊永潔等研究表明,當(dāng)枯草芽孢桿菌以300毫克/千克飼料添加劑加入發(fā)生熱應(yīng)激后雞的日糧中,結(jié)果其睪丸的抗氧化能力與未使用菌劑之前的對(duì)照相比得到了明顯地提升,大大提高了雞的種用價(jià)值。
大量研究表明枯草芽孢桿菌在腸道中有多種代謝途徑,其自身可以分泌多種具有較高活性的酶類(lèi)。其次,也可分泌一些可以有效降解非淀粉多糖及其他復(fù)雜碳水化合物的酶類(lèi),如:麥芽糖酶、β-葡萄糖酶、植酸酶和糖化酶等其本身不能合成的酶類(lèi),將腸道內(nèi)源酶不足的缺點(diǎn)加以補(bǔ)充,促使腸道高效蠕動(dòng),從而使各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠高效快速的在小腸內(nèi)消化吸收。其次枯草芽孢桿菌通過(guò)在腸道代謝中參與小分子類(lèi)物質(zhì)的合成,如:多肽、氨基酸和促生長(zhǎng)因子等,從而有效促進(jìn)機(jī)體對(duì)纖維素、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)及微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的正常消化和吸收。并最終成功實(shí)現(xiàn)如何提高動(dòng)物飼料營(yíng)養(yǎng)綜合利用率這一研究目的。在9~24周齡育肥豬飼糧中添加飼用枯草芽孢桿菌(3×108CFU/千克)100~200毫克/千克可有效改善飼料利用率,提高育肥豬的生長(zhǎng)性能,促進(jìn)其機(jī)體內(nèi)養(yǎng)分消化。
枯草芽孢桿菌作為微生物飼料添加劑在家禽畜牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常普遍,尤其是在肉雞生產(chǎn)上尤為突出??莶菅挎邨U菌作為益生飼料添加劑加入肉仔雞的基礎(chǔ)日糧中能夠高度提升其十二指腸和空腸絨毛的活性,從而更加高效快速地促使小腸對(duì)食物消化和吸收,與此同時(shí)盲腸中乳酸桿菌數(shù)量也大大增加,更好地促進(jìn)肉仔雞的正常生長(zhǎng)發(fā)育。在肉雞基礎(chǔ)飼料中添加0.1%枯草芽孢桿菌不僅能夠降低料肉比,肉雞體重增高,還可以顯著提高養(yǎng)分利用率。另外,枯草芽孢桿菌在家禽日糧中長(zhǎng)期添加能增強(qiáng)家禽產(chǎn)品質(zhì)量,增加家禽產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益。飼糧中添加0.02%枯草芽孢桿菌可使肉雞的胸肌量顯著提高。肉雞基礎(chǔ)日糧中添加枯草芽孢桿菌菌劑在一定程度上能夠降低黃曲霉毒素B1對(duì)其生產(chǎn)性能的影響且顯著改善其對(duì)多種酶類(lèi)活性的影響,使以上指標(biāo)均恢復(fù)到正常水平。此外,通過(guò)黃曲霉毒素B1導(dǎo)致的肝臟重量變化及其在肝臟和糞便中的殘留量顯著降低。同時(shí)使其對(duì)血清蛋白含量造成的不利的影響恢復(fù)到正常水平。在AA雞的飼糧中以不同添加量的方式添加枯草芽孢桿菌,可使血清NDV-Ab的含量顯著提高,同時(shí)IgG和LZM的含量均高于未添加的對(duì)照組。
有研究表明,反芻動(dòng)物的胃腸道內(nèi)共同生存多種微生物,其中的枯草芽孢桿菌可以改善反芻動(dòng)物胃腸道生物區(qū)系、提高生產(chǎn)性能、增強(qiáng)免疫力及肉乳品質(zhì)。日糧中加入抑菌性很強(qiáng)的枯草芽孢桿菌制劑,可使瘤胃中常見(jiàn)的腹瀉致病菌彎曲桿菌的數(shù)量大量減少,從而降低奶牛腹瀉的發(fā)病率,枯草芽孢桿菌對(duì)于患有急性腹瀉的小型母畜崽和生產(chǎn)奶牛有明顯的預(yù)防和處理作用,也可以使感染葡萄球菌的數(shù)量減少,降低動(dòng)物疾病的治療難度。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),體外瘤胃液的培養(yǎng)試驗(yàn)中在奶牛日糧中添加枯草芽孢桿菌,通過(guò)氨態(tài)氮濃度明顯增加可發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物蛋白和揮發(fā)性脂肪酸的含量也有明顯提高。同時(shí)奶牛的產(chǎn)奶率及乳脂率均有明顯升高。此外,通過(guò)在奶牛新鮮的日糧中增加精料和青飼料的采食量,可以使飼料成本得到大幅度的降低。還發(fā)現(xiàn)在飼糧中添加一些富含枯草芽孢桿菌的復(fù)合微生態(tài)飼料添加劑,可以有效調(diào)節(jié)初生畜崽腸道菌群的同時(shí)又能夠降低犢牛因腹瀉病而導(dǎo)致的較高死亡率。
枯草芽孢桿菌作為一種益生菌,已被廣泛地用作各種飼料添加劑,能夠有效地提高各種水產(chǎn)動(dòng)物的繁殖性能及其免疫系統(tǒng)。有研究表明,通過(guò)在飼料中添加枯草芽孢桿菌可增加草魚(yú)的增重率,提高草魚(yú)的抗氧化和自身的免疫功能。在青魚(yú)飼料雜糧中分別添加2×106、2×107、2×108、和5×108CFU/克的枯草芽孢桿菌,結(jié)果顯示,魚(yú)體末重有顯著增高,同時(shí)飼料質(zhì)量系數(shù)比重大大降低,且青魚(yú)腸道內(nèi)的淀粉分解酶等一些酶類(lèi)活性均明顯得到改善。另外,枯草芽孢桿菌還能調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池的水質(zhì),能夠快速分解養(yǎng)殖水體中各種營(yíng)養(yǎng)有機(jī)質(zhì)的活性細(xì)胞內(nèi)分解酶,使得養(yǎng)殖水體的豐富營(yíng)養(yǎng)化。同時(shí)還可減少水中由于亞硝酸鹽、氨氮和其他發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)需要量和氧含量,對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)具有良好的抗氧促進(jìn)作用。綜上,0.10%~0.20%的枯草芽孢桿菌添加量可顯著降低餌料系數(shù),增強(qiáng)魚(yú)體對(duì)血糖和脂肪的利用和轉(zhuǎn)化能力。
由于枯草芽孢桿菌具有一些其特有的生理功能,因此在動(dòng)物生產(chǎn)應(yīng)用的領(lǐng)域中被廣泛使用。有報(bào)導(dǎo)顯示在新西蘭大白兔的日糧中添加106CFU/克的枯草芽孢桿菌可有助于提高其機(jī)體免疫應(yīng)答、免疫球蛋白含量、免疫器官指數(shù)以及盲腸微生物菌群的多樣性,促進(jìn)腸道健康。早期斷奶仔豬飼喂枯草芽抱桿菌對(duì)其生長(zhǎng)性能具有顯著的改善效果,以及對(duì)其主要消化器官的發(fā)育具有明顯的優(yōu)勢(shì),如腸道、肝臟等。對(duì)哺乳期母豬的飼料中添加一定量的B.subtilis B6液體菌劑可使仔豬平均窩重提高28.8%,平均斷奶窩重提高18%,顯著提高母豬及仔豬免疫力。在保育豬的基礎(chǔ)日糧中添加一定量的枯草芽孢桿菌DSM32315菌劑效果顯示,斷奶仔豬機(jī)體的氮的利用率與糖類(lèi)脂類(lèi)代謝有關(guān)的血漿生化參數(shù)均有顯著改善,有效治療機(jī)體腹瀉。在7~28日齡湖羊幼崽的代乳粉中添加枯草芽孢桿菌對(duì)其胃腸道生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)顯著影響,但可提高小腸屏障功能并減少上皮細(xì)胞凋亡,有利于保持小腸結(jié)構(gòu)和功能完整。用添加了枯草芽孢桿菌的飼料連續(xù)飼喂斷奶湖羊28天后,可以改善湖羊免疫力和消化功能,提高其生長(zhǎng)性能和耐受抗氧化能力。此外,還可利用枯草芽孢桿菌對(duì)動(dòng)物糞便進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)羧甲基纖維素酶和蛋白酶,實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)中的生物垃圾廢棄物綠色利用。
枯草芽孢桿菌作為市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的飼用益生菌之一,具有耐酸堿、耐擠壓、耐高溫等益生特點(diǎn),同時(shí)具有促營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收,提高生產(chǎn)性能、飼料報(bào)酬和免疫力等生理作用。
枯草芽孢桿菌根據(jù)其獨(dú)特的安全性,因其在我國(guó)畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的巨大發(fā)展?jié)摿颓熬爸械玫搅撕芎玫闹匾暫屠茫徽J(rèn)為是世界上替代抗生素最佳菌種之一。目前枯草芽孢桿菌在豬、禽和反芻動(dòng)物牛上的應(yīng)用研究較多,但枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等多種益生菌一起應(yīng)用到養(yǎng)殖動(dòng)物的研究還比較少,因此對(duì)復(fù)合微生制劑在豬、禽和反芻動(dòng)物上的應(yīng)用還需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。另外,對(duì)于枯草芽孢桿菌的研究大多是針對(duì)其自身特性,因此菌種益生特性?xún)?yōu)化后的使用效果以及與其他飼料或微生物制劑的聯(lián)合使用效果研究,將會(huì)是我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)中綠色飼料進(jìn)一步探索的方向與重點(diǎn)。