凝结芽孢杆菌的生物学功能及其在畜禽生产中的应用

畜牧编辑

　　作者：安济山 , 胡睿智 , 杨玲 , 贺建华

　　摘要:凝结芽孢杆菌是一种产乳酸的芽孢杆菌，除了具有肠道内乳酸菌和双歧杆菌的双重功效之外，还具有芽孢杆菌属的高抗逆性。诸多研究表明，其作为饲料添加剂，凝结芽孢杆菌具有调节动物肠道功能紊乱、维持肠道微生态平衡、提高机体免疫能力和生产性能等多方面的功效。因此，本文主要综述了凝结芽孢杆菌的生物学功能、作用机理以及国内外关于凝结芽孢杆菌在畜禽生产中的应用效果，以期为凝结芽孢杆菌在畜禽健康养殖和安全生产中的应用提供有效参考。

　　关键词: 凝结芽孢杆菌    乳酸    高抗逆性    生物学功能    作用机理    畜禽生产

　　凝结芽孢杆菌(Bacilluscoagulans)于20世纪初在酸败牛奶中被首次发现[1]。经几十年来的研究，国内外对其益生特性及安全性已取得权威性认可，现已被中国农业部列为可直接饲用于畜禽生产的新型饲料添加剂。相比于胃肠道内固有的重要的乳酸菌和双歧杆菌，凝结芽孢杆菌不仅兼具二者的双重功效，同时，还具备芽孢杆菌属高抗逆性、强黏附性、分泌消化酶、产抑菌物质、易于培养与贮存稳定等独特优势[2-3]。

　　诸多研究报道表明，作为新型微生态制剂，凝结芽孢杆菌具有调控动物肠道健康等多种生物学功能，主要体现在调节肠道功能紊乱、维持肠道菌群平衡、改善肠道形态结构、增强机体免疫能力、促进营养物质吸收代谢以及提高生产性能等方面[4-6]，不仅有力地改善了畜禽亚健康与养殖环境污染状况，而且有效避免了饲喂抗生素所带来的药物残留和耐药性等问题，即顺应了当下畜牧养殖业“限抗”和“禁抗”的趋势。因此，结合国内外关于凝结芽孢杆菌的研究结果，对凝结芽孢杆菌的生物学功能、作用机理及其在畜禽生产中的应用效果作一综述，以期为凝结芽孢杆菌在畜禽生产中更合理的应用提供有效参考。

　　1凝结芽孢杆菌的生理特性

　　凝结芽孢杆菌为厚壁菌门芽孢杆菌属，是兼性厌氧型革兰氏阳性菌，其活化的营养细胞呈杆状(长2.5~5.0μm，宽0.6~1.0μm)，且两端钝圆，端生芽孢，无鞭毛，具有一定的运动性，菌落形态呈不透明白色且表面突出的圆形形状[1]。凝结芽孢杆菌为嗜热同型乳酸发酵菌，最适生长温度为30~50℃，最适pH为6.6~7.0，主要以淀粉类原料为碳源发酵，无氧无灭菌处理可分解糖类生成高光学纯度的L(+)-乳酸[7]。此外，发酵培养基中碳源、氮源和生长因子(主要为生物素和硫胺素)限制其发酵率、产芽孢率及乳酸浓度[8]。

　　凝结芽孢杆菌的特性主要体现在以下几方面：1)安全性：除了具备益生菌制剂众多优点之外，经毒理学和抗生素耐药性试验证明，其不同于其他芽孢杆菌携带肠毒素和呕吐毒素基因，同时无致诱变和致畸变以及遗传毒性效应，并对所有抗生素具有一定的敏感性，且不携带抗生素耐药性基因[9-11]。2)抗逆性：其芽孢体状态具有耐胃酸、耐胆盐、耐高温高压、复活率高等特性，是顺利通过胃肠道系统的重要保障，并且具有满足颗粒饲料加工条件、降低杂菌污染系数和延长货架期等优势，且可提高饲料品质[12-13]。3)黏附性：根据置换肠道致病菌试验表明，其对肠道上皮细胞具有较强的黏附力，是益生作用的重要前提条件[9, 14]。4)抑菌性：其具有较广的抗菌谱，在代谢繁殖过程中所分泌的L(+)-乳酸与凝固素等抑菌物质共同抑制肠道内多种革兰氏阳性/阴性致病菌[15-16]，降低动物肠道发病率。5)产水解酶性：其分泌多种消化酶和酶促因子，可降解植物饲料中复杂碳水化合物和消除抗营养因子等[17]。

　　2凝结芽孢杆菌的生物学功能及机理
　　2.1抑制有害菌增殖，维持肠道菌群稳态

　　肠道菌群是激活和维持肠道生理功能的重要因素，菌群失调将直接导致动物机体生理功能性障碍，进而引发各种疾病。凝结芽孢杆菌并非动物体肠道内固有微生物，其以高抗逆性的活性芽孢体顺利通过胃酸和消化酶的双重作用进入肠道“定居”，并迅速消耗肠道中的游离氧，创造可促进厌氧型有益菌如乳酸菌和双歧杆菌增殖的低氧环境，同时抑制需氧型致病菌和腐败微生物的生长，减少产气荚膜梭菌数量[18-19]。王政等[20]报道，饮水中添加高剂量的凝结芽孢杆菌显著增加了肉鸡盲肠食糜中乳酸菌数量，显著减少了大肠杆菌类致病菌数量。Donskey等[21]研究发现，凝结芽孢杆菌可显著降低小鼠肠道内耐万古霉素肠球菌的数量，同时，证明凝结芽孢杆菌具有改善抗生素引起的肠道菌群紊乱和相关疾病的优势菌株。诸多研究发现，凝结芽孢杆菌不同于传统乳酸菌或芽孢杆菌，以戊糖、己糖为碳源发酵生成高化学纯度与光学纯度的L(+)-乳酸[22]，并且有利于人体和动物吸收，能在小肠上皮细胞表面形成一层生物屏障，阻止有害病菌的附着，同时调节肠道环境pH，创造有利于益生菌增殖的酸性环境，对嗜碱性致病菌有拮抗作用[15]。有研究发现，凝结芽孢杆菌可产生抑菌素物质，对肠道内革兰氏阳性或阴性致病菌有显著抑制作用[23-24]。此外，在体外肠道模拟试验中，再次证明凝结芽孢杆菌对肠道李斯特菌、金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌、沙门氏菌和副溶血性弧菌等病原菌有显著溶解作用，其机理可能是产生的凝固素溶解病原菌细胞膜，导致胞内氨基酸、无机盐离子等泄露失活[25]。

　　综上，凝结芽孢杆菌在肠道内通过抑制病原菌黏附、生物夺氧和产生L(+)-乳酸与抑菌素共同拮抗病原菌的异常增殖，促进有益菌群的生长发育，进而改善肠道菌群结构，营造健康肠道环境。

　　2.2改善肠道形态结构，调节肠道吸收代谢

　　肠道形态结构的完整性是保证动物对营养物质消化吸收的重要条件。诸多研究表明，凝结芽孢杆菌可以改善动物肠道的形态结构，进而提高饲料利用率和动物生产性能[26-27]。Wu等[28]报道，饲粮中添加凝结芽孢杆菌可极显著降低感染产气荚膜梭菌肉鸡肠道损伤评分，并显著提高肠黏膜完整性、小肠绒毛高度和绒隐比。这与在断奶仔猪肠道损伤模型上的应用研究结果一致，而且可以显著增强肠道上皮细胞间紧密连接蛋白闭锁蛋白(Occludin)、闭合蛋白-1(Claudin-1)和闭锁小带蛋白-1(ZO-1)的mRNA表达，从而恢复肠道通透性，防御病原菌感染，减少腹泻[29-30]，其机理可能与抑制肠道黏膜免疫相关信号通路跨膜Toll样受体(Toll-likereceptors，TLR)-4和细胞内NOD样受体(nucleotidebindingoligomerizationdomain-likereceptors,NLR)-2激活核转录因子-κB(nuclearfactor-κB，NF-κB)转录促炎细胞因子有关[31]。以上研究结果充分证明凝结芽孢杆菌能促进动物肠道形态发育，维持肠黏膜完整性屏障功能。凝结芽孢杆菌同其他芽孢杆菌一样，在消化道中分泌多种胞外酶，如α-淀粉酶、脂酶、蛋白酶、木聚糖酶和纤维素酶等，有效降解和消除饲粮中难以被消化的植物性碳水化合物、抗营养因子，以乳酸菌的功能提高钙、磷、维生素D的吸收利用，从而提高饲料转化率、动物生产(产蛋)性能和降低料重比(料蛋比)[32-34]。此外，凝结芽孢杆菌还能产生多种代谢产物如氨基酸、维生素、短链脂肪酸(乙酸、丁酸)和促生长因子等，为动物机体提供营养的同时，协同其他有益菌促进小肠蠕动，减少肠道内胺类有毒物质的堆积，改善肠道代谢环境，调节消化吸收功能[35-36]。此外，凝结芽孢杆菌分泌的β-半乳糖苷酶可以催化乳糖为葡萄糖和半乳糖，缓解人体乳糖不耐受症状[37]。综上所述，凝结芽孢杆菌通过改善肠道形态结构、维持肠道黏膜完整性和分泌多种消化酶与代谢物质共同刺激小肠蠕动，促进营养物质的消化吸收，从而提高动物生产性能。

　　2.3增强抗氧化能力，调节机体免疫功能

　　免疫系统是动物对病原体应答的反应系统，而抗氧化系统是免疫相关细胞功能正常的重要保障，因此，机体免疫功能基于平衡的抗氧化系统而建立。

　　抗氧化酶的活性反映机体抗氧化能力，丙二醛(malondialdehyde，MDA)的含量反映机体脂质过氧化损伤程度。诸多研究报道表明，凝结芽孢杆菌能显著提高机体血清和肝脏抗氧化酶活性并降低MDA含量，减少自由基对机体细胞的损害，从而抑制由活性氧诱导的氧化应激和疾病[18, 38-39]。在体外抗氧化试验中发现，凝结芽孢杆菌产生的由4种单糖聚合而成的胞外多糖(exopolysaccharide，EPS)具有较强的清除自由基和降低MDA含量的能力[40]。Yu等[38]研究报道，凝结芽孢杆菌可显著提高鲫鱼血清超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxidase，GSH-Px)、过氧化物酶2(peroxiredoxin2，Prx2)活性和谷胱甘肽(glutathione，GSH)含量，降低血清MDA含量，其机理可能与上调核因子E2相关因子2(nuclearfactorE2-relatedfactor2，Nrf2)转录有关，进而提高抗氧化酶基因表达。宫秀燕等[41]研究表明，饲粮中添加凝结芽孢杆菌可缓解沙门氏菌感染肉鸡氧化应激的趋势，可极显著提高肉鸡血清总抗氧化能力(totalantioxidantcapacity，T-AOC)和过氧化氢酶(catalase，CAT)、SOD活性，抑制MDA的生成，降低氧化应激损伤，其机理可能与其降低肠道pH、分泌抗菌物质或维生素等有关，以激活剂的功能刺激机体分泌抗氧化酶。

　　据诸多研究报道表明，凝结芽孢杆菌可增强动物肠黏膜屏障功能，促进T、B淋巴细胞增殖分化，刺激辅助性T细胞1(Th1)/辅助性T细胞2(Th2)分泌细胞因子以及增强自然杀伤细胞(naturalkillercell，NK)与吞噬细胞的活力，以提高体液免疫和细胞免疫水平[5, 42-43]。Sudha等[44]在脂多糖诱导小鼠巨噬细胞(RAW264.7)炎症反应中添加凝结芽孢杆菌，能显著减少促炎因子的分泌，缓解炎症反应，其机理是通过抑制NF-κB转录和环氧合酶(cyclo-oxygen-ase，COX)-2活性，降低了促炎细胞因子的含量。也有研究表明，在环磷酰胺引起小鼠免疫缺陷和链霉素引起肠道失调综合征模型中，凝结芽孢杆菌显著改善了肠道形态结构(尤其是恢复上皮细胞通透性)，增加了T淋巴细胞、脾淋巴细胞和巨噬细胞数量，进而提高了肠黏膜屏障与免疫功能[45]。邢冠润等[46]研究发现，凝结芽孢杆菌可显著提高产蛋后期蛋鸡血清免疫球蛋白A(immunoglobulin，Ig)A、IgG、白细胞介素(interleukin，IL)-2、IL-4、IL-10、肿瘤坏死因子-α(tumornecrosisfactor，TNF-α)及小肠黏膜分泌性免疫球蛋白A(secretoryimmunoglobulinA，sIgA)含量。胸腺、脾脏和法氏囊等免疫器官指数可反映禽类免疫状况。宫秀燕等[47]报道，凝结芽孢杆菌能缓解产气荚膜梭菌感染肉鸡坏死性肠炎趋势，并极显著提高免疫器官指数，促进T、B淋巴细胞的增殖，其机理可能是所分泌的有益物质作为抗原刺激并促进免疫器官的生长发育。Xu等[48]也研究发现，凝结芽孢杆菌不仅可以显著提高黄羽肉鸡胸腺、脾脏和法氏囊等免疫器官指数，而且通过提高十二指肠TLR4、干扰素-α(interferon-α，IFN-α)和黑色素瘤分化相关抗原5(melanomadifferentiation-associatedgene5，MDA5)的mRNA表达，刺激肠道先天免疫功能，增加肠黏膜分泌阳性sIgA数量。此外，凝结芽孢杆菌可以提高水产动物血清溶菌酶(lysozyme，LZY)活性、非特异性免疫指标及对副溶血性弧菌抗病性[18, 49]。综上，凝结芽孢杆菌可维持肠道黏膜屏障正常功能，增强抗氧化系统，激活机体先天免疫与适应性免疫活力，从而有效抵抗由活性氧和疾病等导致的机体生理功能性障碍。

　　3凝结芽孢杆菌在畜禽生产中的应用
　　3.1在家禽生产中的应用

　　凝结芽孢杆菌在家禽中可作为免疫调节剂使家禽抵御病害，缓解疾病或病菌感染引起的生长抑制和生理功能性障碍[50-51]。Wu等[28]研究发现，饲粮中添加4×1010 CFU/kg凝结芽孢杆菌可有效缓解由产气荚膜梭菌导致的肉鸡坏死性肠炎症，可显著改善肠道形态结构，并可显著提高空肠黏膜sIgA和LZY的mRNA表达以及肠碱性磷酸酶活性。也有研究报道，凝结芽孢杆菌可显著缓解产气荚膜梭菌和沙门氏菌感染的肉鸡肠道病变趋势，并显著提高血清T-AOC和SOD、CAT、GSH-Px活性及免疫器官指数，并显著降低料重比和致病菌数量[41, 47]，与刘聪等[52]的研究结果相似。李嘉懿等[39]研究发现，在蛋鸡饲粮中添加100mg/kg凝结芽孢杆菌可显著提高血清抗氧化酶活性，并显著降低血清甘油三酯和肝脏中粗脂肪含量，有效预防产蛋高峰期和后期脂肪肝综合征。Xu等[48]在肉鸡饲粮中添加200mg/kg凝结芽孢杆菌，发现其可显著提高十二指肠绒隐比和阳性sIgA数量，增强肠道黏膜屏障功能。以上研究充分表明，凝结芽孢杆菌可以提高家禽抗氧化能力，增强肠道免疫功能，对多种致病菌所致的疾病具有显著的免疫效果。因此，可以推测凝结芽孢杆菌提高家禽免疫能力是通过改善肠黏膜屏障功能，提高机体整体免疫水平，增加肠道受损部位免疫因子表达量，有效抵抗病原性感染及缓解感染后病变趋势，从而保障家禽健康和生产水平。

　　此外，许多研究表明，凝结芽孢杆菌对肉禽、蛋禽的生产性能具有不同程度的影响[32, 53]。Bami等[54]研究报道，饲粮中添加100mg/kg凝结芽孢杆菌可改善肉鸡回肠产乳酸菌群数量，显著提高体增重、饲料转化率，显著降低料重比，并改善胴体以及肉质性状，降低肝脏、腹部脂肪和肉中硫代巴比妥酸值，这与前人研究结果[55]相似。也有研究表明，凝结芽孢杆菌可有效缓解热应激引起肉鸡料重比的升高，与对照组相比，可显著降低血清皮质酮、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇含量[56]，有效防御动脉粥样硬化，提高生产性能。另有研究表明，凝结芽孢杆菌可显著提高肉禽小肠绒毛高度、绒隐比，改善盲肠内乳酸菌与大肠杆菌的比例，增强肠道消化酶的活性[48, 57-58]。蛋禽的产蛋性能与料蛋比是评价蛋禽生产性能的重要指标。邢冠润等[46]报道，在产蛋后期蛋鸡基础饲粮中添加3.33×106 CFU/g凝结芽孢杆菌可显著提高其肠道消化酶活力，促进免疫器官发育，并显著提高血清中IgA、IgG、IL-2、IL-4、IL-10、TNF-α和sIgA的mRNA表达或分泌，降低料蛋比、腹泻率及血清干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)含量；另发现凝结芽孢杆菌通过促进性腺激素释放和卵巢上繁殖相关受体基因的表达，提高产蛋性能[34]。黄遵锡等[59]的研究与其结果相似，而且发现凝结芽孢杆菌可显著提高产蛋高峰期蛋鸡饲粮中钙、磷、蛋白质和氨基酸的吸收代谢，从而提高产蛋率、蛋品质。在其他蛋禽品种也得到相似的结果[60-61]。因此，可推测凝结芽孢杆菌主要通过提高家禽先天免疫与适应性免疫，改善肠道形态结构，增强消化酶活性，促进营养物质吸收代谢，从而实现肉禽、蛋禽生产性能的提高。然而，有学者认为凝结芽孢杆菌对蛋禽产蛋性能和蛋品质无显著影响[62-63]。这可能与试验动物品种和饲喂阶段不同有关，也可能与凝结芽孢杆菌的来源与添加剂量有关，还需进一步研究论证。

　　3.2在家畜生产中的应用

　　诸多研究表明，饲粮添加不同水平凝结芽孢杆菌或含凝结芽孢杆菌复合添加剂具有提高仔猪免疫能力和生产性能的作用[64-65]。Adami等[27]报道，饲粮中添加1.0×1010 CFU/kg凝结芽孢杆菌，与对照组和添加80mg/kg杆菌肽锌组相比，可显著提高仔猪平均日增重、饲料转化率，显著降低粪便中肠球菌和大肠杆菌数量。Wu等[26]、余魁等[29]在21日龄断奶仔猪基础饲粮中分别添加2.0×106、2.0×107 CFU/g凝结芽孢杆菌，相比于对照组，2组均显著提高肠道抗氧化酶SOD和CAT活性，促进肠道黏膜细胞的增殖与更新以及紧密连接蛋白OccludinmRNA表达水平，降低空肠隐窝深度、二胺氧化酶活性和MDA含量，而2.0×107 CFU/g凝结芽孢杆菌可显著降低血清胆固醇含量、谷氨酰胺转肽酶活性且缓解肠道氧化应激损伤。同时，蒲俊宁等[33]在饲粮中添加复合添加剂(3000g/t苯甲酸、400g/t凝结芽孢杆菌和400g/t牛至油)也得到了与其相似的效果，并且显著上调仔猪空肠黏膜sIgA、营养物质转运载体钠-葡萄糖共转运载体1、寡肽转运蛋白1、Claudin-1、Occludin、黏液蛋白2等mRNA表达水平，从而维持肠道黏膜屏障完整性，促进营养物质的吸收，有效缓解由大肠杆菌攻毒引起的腹泻。因此，可推测仔猪生产性能提高的机理可能是凝结芽孢杆菌定植于未发育完全仔猪肠道内，改善肠道形态结构，维持肠道黏膜完整性，调节肠道菌群平衡，促进养分转运载体与抗氧化酶基因的表达，从而达到提高免疫力和生产性能的效果。

　　4小结

　　综上所述，凝结芽孢杆菌在畜禽生产中具有改善肠道微生态环境、调节营养物质吸收代谢、提高机体免疫力以及生产性能等功效。然而，现阶段仍然存在一些有待进一步解决的问题：1)虽然在畜禽生产应用中取得了较理想的效果，但针对不同动物品种、不同生长阶段的最适添加量与添加方式还需进一步的研究总结；2)针对不同来源菌株的特性和作用机制还需进一步探索研究，以便发掘凝结芽孢杆菌与其他绿色添加剂配伍使用的潜在生物学功能，有助于为凝结芽孢杆菌在畜禽生产中的应用提供有效的理论依据，推动当下畜牧行业新时代、新模式的发展。
参考文献：略
转自：动物营养学报

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