益生菌对家禽肠道微生态的调控及其应用

2017-08-24 22:03:23      点击:

导读

抗生素在养殖业中的不合理应用,不仅危害动物健康,也带来诸多弊端,如耐药性、药物残留和食品安全等问题。益生菌是一类具有生物活性和对宿主健康有益的微生物,并因其无污染、无毒及无不良反应、抗菌保健和促生长等特点,成为继抗生素之后的新型添加剂。在家禽生产中,应用益生菌能对家禽肠道微生态健康发挥多种作用,其中最直接的是优化肠道菌群,改善肠道微生态环境。由于家禽生长尤其是早期生长易受环境和营养应激等因素的影响,家禽肠道微生态平衡很容易受到破坏,导致家禽免疫机能降低,造成肠道菌群失衡进而降低其生产性能,引发各种疾病,甚至导致死亡。研究在益生菌对家禽肠道微生态调控机制及其在家禽生产中的应用方面进行综述,旨在进一步认识益生菌的应用前景。

1家禽肠道菌群的组成与分布

刚出壳的雏鸡肠道处于近乎无菌的状态,通过空气、饮用水和饲料等途径从外界环境中带入细菌。菌群最先定植于雏鸡盲肠,主要是粪链球菌和肠杆菌类。赵春苗和夏素银等研究表明,鸡嗉囊中优势菌群主要是乳酸杆菌; 肌胃以乳酸菌、肠球菌、乳糖阴性肠杆菌和大肠杆菌等为主;空肠和直肠中优势菌群是乳酸杆菌、双歧杆菌及拟杆菌,其次是消化球菌和弯曲杆菌; 回肠内以兼性和微嗜氧性细菌为主,优势菌群主要是乳酸杆菌;盲肠以梭菌属等专性厌氧菌为主。

家禽肠道中的微生物菌群受多种因素的影响,包括日粮组成、养殖环境、饲养密度、饲喂方式、家禽年龄及病原体的影响。研究表明,日粮中添加营养调控因子,益生菌、植物提取物和功能性氨基酸等,有利于动物肠道建立正常的肠道菌群。研制益生菌与益生元联合运用的微生态制剂,抑制腐败菌,防止肠道内有害物质的产生,将是今后微生态制剂的一个发展趋势。

2家禽肠道微生态平衡的重要性

肠道不仅是机体营养物质消化吸收的主要场所,也是机体抵御外界病原微生物及其有害代谢产物的先天性屏障。肠道屏障从肠腔基底侧依次由微生物屏障、化学屏障、物理屏障及免疫屏障组成( 见图1) ,不同的屏障具有不同的生物学功能和分子调节机制。

健康动物肠道存在大量细菌,构成动物肠道的微生态系统,正常的肠道功能是动物机体健康的保证,是提高家禽生长性能的关键,家禽肠道屏障受到损伤,会导致动物健康受到不同程度的影响。益生菌可通过定植颉颃、优势种群作用、产生抑菌代谢产物及促进机体免疫等方式抑制肠道内病原菌的生长与黏附,建立自身的主导地位,从而维持肠道内微生态平衡。

3益生菌对家禽肠道微生态调控机制

益生菌可通过调节宿主肠道内微生物组成发挥益生作用。益生菌通常能与肠黏膜上皮细胞结合,占据致病菌肠黏膜上皮细胞结合位点,对致病菌起屏障作用,同时能竞争性发酵肠道内容物,并产生有益于肠道黏膜保护的代谢物质,如短链脂肪酸和共轭亚油酸等。

3. 1 加强肠黏膜屏障

肠道菌群和肠黏膜共同构成一道保护屏障,抵御外界病原微生物入侵。益生菌作为一种生物活性物质,可与肠黏膜紧密结合构成肠道的微生物屏障,抑制致病菌的过度生长,维持肠道的微生态平衡,对肠道黏膜有保护和修复作用。体外和体内试验表明,双歧杆菌保护肠道微生物屏障的作用体现在,酵解过程中产生的乳酸和乙酸可降低环境的pH 及Eh( 氧化还原电位) ,同时发生营养竞争和占位,促进某些矿物质( 钙和铁) 的吸收、调节肠道内环境及黏附定植等; 抑制致病菌或条件性致病菌的生长,维持肠道固有菌群,从而保护肠道微生物屏障。

一些益生菌能预防和修复由环境或营养应激引起的黏膜损伤,防止从外界进入体内的病原体引起上皮细胞支架和紧密连接蛋白的破裂,促进肠上皮细胞的增殖分化,加强黏膜屏障功能。此外,一些益生菌及其代谢产物还可增加单层细胞由病原体诱导的经上皮的耐受性和黏蛋白基因的表达,促进上皮细胞分泌黏液,使其在黏膜和微生物间形成保护层,防止栖生菌易位,从而保护肠道微生物屏障。

3.2 竞争性抑制家禽肠道病原菌的黏附

人和动物肠道内栖息着大约1013~1014 个微生物,构成一个复杂的微生态系统,各种肠道微生物在肠道中所黏附定植的时间和空间都不一样,在肠黏膜的特定部位有特定的细菌黏附,细菌在该部位黏附后会定植下来并不断繁殖,直到形成稳定的菌群。这些微生物可发挥占位定植的作用,竞争定植位点以阻止病原菌与肠道黏膜受体结合产生黏附。

3.2.1 定植黏附作用

定植黏附能力通常被认为是病原菌的一种重要的毒性特征。致病菌与宿主细胞的黏附作用是其定植并产生临床症状的重要前提条件,是病原菌产生致病作用的重要步骤。因此,益生菌可与致病菌竞争黏膜上皮细胞结合位点,竞争性地排斥肠道内源性及外源性潜在病原体的定植黏附,对有害菌起屏障作用。嗜酸乳杆菌产生的细菌素lactacinB 可通过干扰细菌细胞膜通透性来杀死细菌,抑制病原菌在肠道内的生长繁殖,植物乳杆菌BMCM12分泌的胞外蛋白质能有效减少肠道病原菌黏附数量。

Burgain 等研究表明,高黏附性致病菌容易与肠黏膜表面的宿主细胞紧密结合,并在黏附位点进行繁殖,释放一些酶和毒素。由于益生菌的黏附能力比致病菌高,可占据致病菌与黏膜上皮细胞结合位点,留给致病菌的黏附位点相应减少,抑制致病菌的黏附,对有害菌起屏障作用。

3. 2. 2 产生抑制病原菌的代谢产物

益生菌能够产生抑制病原菌的代谢产物,主要表现为产酸,肠道内链球菌和乳酸杆菌等有益菌可产生一些酸性代谢产物( 乙酸、丙酸和乳酸等有机酸) 能够降低局部pH,可抑制大多数不耐酸腐败菌和致病菌的生长繁殖; 产生细菌素,细菌素是一类选择性作用于细菌靶细胞的抗菌物质,对病原菌有抑制作用; 乳酸乳球菌产生的Nisin 细菌素、唾液乳杆菌产生的ABP 118( 一种细菌素) 和肠球菌产生的细菌素等,都能够起到抑菌或杀菌作用; 产生二氧化碳和过氧化氢( H2O2) ,嗜酸乳杆菌和乳酸乳杆菌等在动物体内可产生过氧化氢,过氧化氢能激活动物肠道中的过氧化物酶-硫氰酸盐反应系统,使乳酸过氧化物酶与过氧化氢结合,再将硫氰酸盐氧化成氧化性中间产物,抑制致病菌的生长和繁殖; 产生诱导酶,双歧杆菌和某些乳杆菌产生胞外糖苷酶,可降解肠黏上皮细胞的复杂多糖,由于这些糖是致病菌和细菌毒素的潜在受体,通过酶的作用,阻止致病菌对肠上皮细胞的侵袭。此外,一些益生菌( 乳酸菌) 本身还具有抑制病原体复制的作用。

3. 3 对家禽肠道的营养作用

益生菌属于正常肠道菌群,当其稳定黏附于肠道后便开始繁殖,可利用本身所特有的某些酶类( 半乳糖苷酶等) 补充宿主在消化酶上的不足,帮助分解上消化道中未被充分水解的营养物质,有利于宿主进一步吸收利用。

研究表明,某些益生菌( 双歧杆菌和某些乳杆菌) 本身具有很强的蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性,可降解饲料中的某些抗营养因子,提高饲料转化率,并产生各种营养物质( 维生素、氨基酸和促生长因子等) ,参与机体代谢活动,促进动物生长;芽孢杆菌具有很强的蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性,可降解饲料中的某些抗营养因子,提高饲料转化率。

益生菌( 乳杆菌属、双歧杆菌属和芽孢杆菌等)能够降低肠道致病菌而提高有益菌的水平,进而提高养分利用率,发挥其营养作用( 见表1) 。

3.4 调控家禽免疫能力

益生菌可通过肠道上皮细胞对机体的特异性免疫和非特异性免疫进行调节,通过调节肠道菌群、稳定肠道屏障和调节细胞因子等方式治疗肠道疾病。乳酸菌可增强外周血T 淋巴细胞和B 淋巴细胞的活性,增强机体的细胞免疫和体液免疫功能。

3.4.1 益生菌制剂中具有免疫调节作用的活性成分

革兰阴性菌细胞壁含有细菌肽聚糖( PG) 、细菌脂多糖( LPS) 和多糖( PS) ,革兰阳性菌还含有脂磷壁酸( LTA) ,这些大分子成分是细菌对宿主发挥生理功能的主要物质基础; 包括细菌对宿主细胞的黏附定植、免疫诱导和防御肿瘤发生等。

3.4.2 益生菌制剂的免疫调节作用

益生菌不仅具有增进局部黏膜组织生长发育、促进细胞增殖和分化的功能,还可增强雏鸡消化道和呼吸道局部黏膜的体液免疫和对ND 疫苗的免疫应答效应,同时,益生菌和ND 疫苗接种均可促进白细胞介素-7( IL-7) mRNA 表达,增强机体对ND强毒攻击的抵抗力,二者联合使用效果明显优于单独使用; 益生菌协同ND 疫苗组雏鸡呼吸道和消化道局部体液免疫球蛋白A( IgA) 、免疫球蛋白G( IgG) 和免疫球蛋白M( IgM) 相对含量分别在免疫后14 d 显著高于对照组和ND 疫苗单独免疫组雏鸡( P<0.05) 。可见,益生菌能够提高ND 疫苗的局部黏膜体液免疫应答; 雏鸡饲喂益生菌后,其外周血液的细胞和体液免疫功能明显提高。

4益生菌在畜牧业中的应用

益生菌作为一种绿色饲料添加剂,被广泛应用于动物生产中,特别是对于消化道较短的家禽,其具有特殊的生理作用。益生菌可直接饲喂,也可制成微生态制剂,与其他植物性添加剂联用( 黄芪多糖和辣椒素等) ; 将益生菌制成活菌片,活菌片中益生菌能黏附于肠黏膜,并能明显抑制致病菌黏附,可提高肠道微生态的稳定性; 微胶囊技术也是用来保护益生菌的重要手段,可将双歧杆菌制备成微胶囊,提高双歧杆菌在不良环境中的存活率并实现双歧杆菌在肠道释放,以提高双歧杆菌在肠道内的利用率。

益生菌能使家禽在早期就表现出优良的生产性能,调节家禽肠道的微生物平衡,提高饲料消化率,降低环境污染; 同时,增强家禽对内部环境和外部环境不良刺激的抵抗能力。

4.1 益生菌在肉鸡饲养中的应用

益生菌可存活于宿主肠道内,改善肠道菌群数量和结构,减少有害菌的黏附、侵染和定植,促进有益菌生长,增强肠道防御功能,进而提高肉鸡的生产性能。益生菌可提高肉鸡生产性能,增强机体免疫功能,促进蛋白质在体内的沉积; 益生菌能提高肉鸡的生产性能、十二指肠和空肠相关酶的酶活和盲肠VFA 含量,改善肠道微生物菌群数量和结构,且前期效果大于后期。单一的益生菌可提高肉鸡生产性能,复合微生态制剂及其佐剂的添加可在一定程度上提高肉鸡生产性能,增强肉鸡免疫功能。

4.2 益生菌在蛋鸡饲养中的应用

益生菌可提高蛋鸡产蛋率和日产蛋量,降低料蛋比,提高蛋品质和蛋鸡的抗病力。在蛋鸡日粮中添加复合益生菌能改善肠道菌群平衡、修复肠黏膜及上调紧密连接蛋白的表达,多层次增强肠道屏障功能,从而显著降低蛋鸡血清中内毒素和白细胞介素-1( IL-1) 等核心因子含量,有效缓解蛋鸡热应激症状,提高其生长性能和鸡蛋品质。与单一菌种相比,乳酸杆菌—枯草芽孢杆菌复合益生菌制剂对蛋鸡生产效果优于乳酸杆菌益生菌制剂和枯草芽孢杆菌益生菌制剂。

4.3 益生菌在水禽饲养中的应用

将益生菌应用于水禽饲养中,可提高动物水禽生产性能,并可部分代替抗生素,提高畜产品的安全性。益生菌对肉鸭胴体和肌肉品质均无不良影响( P>0.05) ,益生菌添加组鸭肌肉中的氨基酸总量、必需氨基酸和鲜味氨基酸含量高于对照组,可增加鸭肉的鲜味; 相对于添加抗生素,饲料中添加丁酸梭菌及粪肠球菌能提高樱桃谷鸭生长性能及屠宰性状。

抗生素及不同水平益生菌制剂均可显著提高雏鹅日增质量( P<0.05) ,降低料肉比,提高营养物质利用率,其中2g/kg 益生菌添加组效果最好;在仔鹅饲料中添加单一及复合益生菌制剂能显著提高其生长性能,改善1 ~ 14 日龄耗料增重比,促进机体免疫器官发育及提高血清免疫球蛋白IgG水平。

4.4 饲料行业中所使用的益生菌种及分类

1989 年美国食品药物管理局( FDA) 和美国饲料公定协会( AAFCO) 公布44 种“可直接饲喂且通常认为是安全的微生物”,包括乳酸菌28 种、芽孢杆菌5 种、拟杆菌4 种、曲霉2 种、酵母菌2 种、丙酸杆菌2 种及乳球菌1 种。

2013 年我国农业部公布可直接饲喂动物的饲料级微生物添加剂菌种主要有乳酸杆菌、双歧杆菌、枯草芽孢杆菌、屎肠球菌及酿酒酵母等。

4.5 益生菌制剂的安全性

目前益生菌在畜牧生产中应用的研究主要集中于益生菌的功能性研究,即益生菌所具有的益生作用及其机制; 益生菌的免疫性能,即益生菌可作为免疫增强剂,以提高动物免疫力。益生菌虽有诸多益处,但将其作为饲料添加剂不得不关注其安全性。不同菌种、不同动物不同生理阶段及健康状况对益生菌的利用效果有较大差别,菌种对抗生素的抗性、稳定性和耐酸性等,加工运输过程中对其活性的影响,尤其是益生菌对动物营养调控方面的作用机制及其效果的研究,这些因素都会限制其在畜牧业中的应用。

但总体而言益生菌对畜牧生产是有益的,因此,我们应加强益生菌的使用科学性研究。评判益生菌的安全性时,需将因素列范围: 病原性、侵染性和代谢活力等因素,制定科学统一的产品质量评价标准,完善对菌种系统的安全性评价程序及检测程序,对其风险进行详细的评估,为畜牧业生产提供理论依据,进一步保证益生菌在畜牧业中的安全使用。

5小结

随着我国养殖业的迅速发展,人们对绿色、安全和环保意识的不断增强,微生态制剂的应用前景会更加广阔,在明确不同动物肠道菌群功能、不同生理时期宿主肠道有益菌的组成和演替规律等基础上,应加强复合菌制剂的探寻,筛选出专一和高效的菌株及试剂; 进一步从分子水平的基础上加强益生菌、抗菌肽、抗生素和中草药制剂等的协同作用与作用机制的研究。为益生菌的进一步开发利用提供理论支持,将益生菌与益生元应用于畜牧生产中,促进动物的生长,减少环境污染,提高养殖经济效益。

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