科研 ▏饲用芽孢杆菌的生物学功能及其在饲料中的应用

摘 要：本文论述了饲用芽孢杆菌的分类、生物学功能及在畜禽养殖中的应用，还讨论了影响其功效的因素及未来发展趋势等，为今后进一步研究饲用微生物制剂在畜禽饲料和养殖业上的应用提供了参考。

关键词：芽孢杆菌；生物学；应用

饲料级微生物添加剂是近年来发展起来的一类新型饲料添加剂，在提高饲料利用率，改善生产性能，调节肠道微生态平衡，增强免疫力等方面具有显著的促进作用。目前在饲料及动物生产上使用较多的微生物有乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌及光合细菌，其中芽孢杆菌具有抗逆性强、耐高温高压、耐酸碱胆盐、易贮存等独特的生物特性，从动物生产和饲料工业角度评价，芽孢杆菌比其它微生物添加剂具有更大的优势，能更好地满足现代饲料工业生产的要求。本文就饲用芽孢杆菌的生物学功能及其在饲料中的应用作一简述。

1.饲用芽孢杆菌种类

菌种安全性问题一直是研究、生产和应用益生菌中最关注的问题。1989年，美国食品药物管理局（FDA）与饲料协会发布的可直接投喂动物的安全菌株有43种，其中芽孢杆菌包括枯草芽孢菌（B.subtilis）、凝结芽孢杆菌（B.coagulans）、缓慢芽孢杆菌（B.lentus）、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)、短小芽孢杆菌（B.pumilus）等5种。我国农业部公布的《饲料添加剂品种目录》中微生物添加剂有33种，其中芽孢杆菌仅6种：枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、缓慢芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌和侧孢芽孢杆菌（B. laterosporus）。随着国内外相关研究的深入，饲用芽孢杆菌家族成员不断壮大，涌现出了生物学功能更加突出的新菌种，如纳豆芽孢杆菌（B.natto）、芽孢乳杆菌（Lactobacillus sporogens）、环状芽孢杆菌（B.circulans）、巨大芽孢杆菌（B.megeterium）、坚强芽孢杆菌（B.firmus）、东洋芽孢杆菌（B.toyoi）和丁酸梭菌（Clostridium butyricum）等，进一步丰富和健全了饲料级微生物添加剂体系，强化了微生物制剂在饲料添加剂及饲料领域的地位，为饲料行业的健康发展和突破提供了新思路和技术保障。

2.饲用芽孢杆菌生物学功能

2.1 分泌胞外酶及生理活性物质，促进营养物质的消化吸收

芽孢杆菌能够分泌大量的胞外酶，参与饲料的降解、消化，提高饲料利用率。刘学剑等（2005）报道，芽孢杆菌可以分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等消化酶及功能酶，具有降解宿主难消化吸收的营养物（如果胶、木聚糖、葡聚糖、纤维素等）的能力。芽孢杆菌还能产生大量的B族维生素和维生素C，为养殖动物提供维生素营养。柏建玲等（2003）研究地衣芽孢杆菌产酶能力时发现，地衣芽孢杆菌能产生蛋白酶、淀粉酶及植酸酶。Jadamus等（2001）等研究表明，蜡样芽孢杆菌可以显著提高仔猪空肠中脂肪酶的活性，降低空肠食糜中细菌产生的牛磺胆酸解聚酶活性。温俊等（2008）将枯草芽孢杆菌添加到牙鲆饲料中，显著提高牙鲆肠道蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活力，改善饵料系数。付天玺等（2008）报道投喂凝结芽孢杆菌对奥尼罗非鱼胃蛋白酶活性提高了30.59%(P＜0.05)，消化吸收率提高了10.68% (P＜0.05)，蛋白质表观消化率提高了4.71% (P＜0.05)，饵料系数降低9.2% (P＜0.05)，增重率提高10.76% (P＜0.05)。

2.2 调节动物消化道的微生态平衡

动物初生时消化道内通常是无菌的。出生后3h在胃和小肠中、12h在大肠中可检测出入侵的细菌。按需氧菌、兼性厌氧菌、厌氧菌的演替顺序，最终形成以乳酸杆菌、双歧杆菌等厌氧菌为优势的正常肠道微生态菌群。芽孢杆菌为需氧菌，进入体内后，消耗大量的游离氧，降低氧化还原电势，有利于厌氧微生物的生长，保持肠道微生态系统平衡。芽孢杆菌在其生长繁殖过程中可产生乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸，这些物质可降低动物肠道的pH值，抑制肠内病原菌的生长，为肠道益生菌的生长创造有利条件。芽孢杆菌还能产生抗菌物质如杆菌肽、枯草菌素等，对病原微生物直接抑制与杀灭。宋会仪等（2006）报道，丁酸梭菌最显著的生物特性是能与双歧杆菌、乳酸菌、粪杆菌等肠道有益菌共生，并促进肠道内有益菌群增殖和发育。全艳玲（2002）用地衣芽孢杆菌与双歧杆菌、乳酸菌、大肠杆菌混合培养时发现，地衣芽孢杆菌对大肠杆菌有抑制作用，而对双歧杆菌、乳酸菌有促进和共生作用。Urdaci等（2004）报道凝结芽孢杆菌在生长稳定期能产生抑菌物质对金黄色葡萄球菌、链球菌、艰难梭菌等有很好的抑制作用。宋增福等（2006）研究表明，当丁酸梭菌、鳗弧菌共同孵育黏附上皮细胞时，丁酸梭菌能显著抑制鳗弧菌黏附细胞，黏附率降低了7．03%(P<0．05)。

2.3 增强动物机体免疫力与抗病力

增强动物免疫功能是微生物添加剂作用与功效之一。关于芽孢菌促进动物机体免疫功能的作用机理，一些研究者认为是与菌体细胞结构和代谢产物以及微生物菌群的调整有关。近年来研究表明，芽孢杆菌能促进动物肠道相关淋巴组织处于高度的“免疫准备状态”，同时促使免疫器官发育加快，免疫系统成熟提前，T、B淋巴细胞数量增多，动物体液和细胞免疫水平提高。部分芽孢杆菌，如凝结芽孢杆菌、芽孢乳杆菌等还具有促进消化道粘膜免疫的发生。潘康成（1996）研究认为地衣芽孢杆菌的免疫促进作用的机理是由于口服芽孢杆菌后，作用于肠道集合淋巴结的抗原结合位点或通过调整动物的微生物群（双歧杆菌群为主导）间接地发挥免疫赋活的作用，提高机体的局部或全身防御功能，从而达到防病、抗病，提高增重的作用。季奎文等（2005）应用试验表明，凝结芽孢杆菌具有提高动物腹腔巨噬细胞的吞噬能力，增强动物NK细胞活性，使动物免疫器官发育增快。周国勤等（2006）研究表明，每日投喂纳豆芽孢杆菌及其发酵产物，可促进受试鱼类血液NBT阳性细胞数量和血清溶菌酶活力显著上升，增强鱼类非特异性免疫功能。

3.饲用芽孢杆菌在饲料工业中应用效果

3.1 芽孢杆菌在养猪生产中的应用

在饲料日粮中加入益生芽孢杆菌可提高动物生长速度、改善饲料利用率、减少疾病发生、改善产品品质、提高动物免疫力。王保正等（2007）在哺乳仔猪教槽料中添加0.2%丁酸梭菌，可显著增强猪的抗病力与免疫力，提高饲料转化率和增重率，降低料重比，促进猪的健康生长。吴建忠（2007）在凝结芽孢杆菌制剂取代抗生素对仔猪生产性能的影响试验中发现，基础日粮中添加500mg/kg凝结芽孢杆菌的试验组仔猪日增长较抗生素组提高9.78%(P<0.05)，料肉比降低0.14(P<0.05)，腹泻率降低2.81%，成活率提高3.1%。

3.2 芽孢杆菌在家禽生产中的应用

大量研究表明， 益生芽孢杆菌可以减少肠道疾病的发生，降低饲料系数，提高肉仔禽增重和蛋禽产蛋率。聂实践等（1999）用蜡样芽孢杆菌DN423喂养1-128日龄的蛋鸡，投喂量为饲料的0.1%，存活率可以达到97% ，未发生沙门氏菌病，降低腹泻率90%以上。邓菊云(2008)的试验表明，黄羽肉鸡日粮中添加芽孢杆菌微生物制剂能够提高鸡的平均日增重和蛋白质、氨基酸的表观消化率，显著降低料肉比。杜云平等（2010）在研究日粮中添加丁酸梭菌对种鸡生产性能的影响中发现，饲喂丁酸梭菌后，种鸡平均料蛋比下降明显，降幅为6.48%，而对照组的料蛋比反而有所升高，差异极显著。张富等（2005）采用芽孢杆菌制剂饲喂雏鸡，结果表明益生芽孢杆菌能显著促进雏鸡生长发育。

3.3 芽孢杆菌在水产饲料中的应用

芽孢杆菌添加到水产饲料中，能促进鱼虾生长、提高饲料转化率、调节肠道微生态平衡、增强机体免疫力，降低死亡率和减少氮磷的排放，降低污染等。许国焕等（2008）在基础日料中添加枯草芽孢杆菌与凝结芽孢杆菌，奥尼罗非鱼增重率分别显著提高12.27%和8.56%，饵料系数分别显著降低10.92%和8.18%，饲料表观消化率分别显著提高10.54%和10.07%，蛋白质表观消化率分别显著提高4.18%和3.63%。於叶兵等（2007）在斑节对虾饲料中添加不同剂量芽孢杆菌，可显著提高饲料干物质、粗蛋白、氨基酸及磷的表观消化率。沈锦玉(2006)在饲料中添加枯草芽孢杆菌B115，可显著提高鱼虾肠道消化酶活性，同时能增加肠道中有益菌群（如乳杆菌和双歧杆菌），对气单胞菌、肠杆菌和肠球菌的量则没有影响。Kumar(2007)研究表明，1.5×107芽孢杆菌能显著提高鲤鱼的巨噬细胞吞噬能力和抗嗜水气单胞菌的能力，促进非特异性免疫力的提高。Saka等（1995）给虹鳟口服适量丁酸梭菌，显著增强其对弧菌病的抵抗力。

4.饲用芽孢杆菌功效的影响因素

4.1 菌种和活菌数

不同菌种的生理生化特性、代谢产物有很大的差异，故其应用效果差异很大。甚至同种菌的不同菌株生理特性也有一定的差异，使其应用效果也不尽相同。要发挥一定功效，饲用芽孢杆菌还需具备一定量的需求，一般认为每克配合饲料中的活菌数不应低于106CFU。

4.2 动物个体体况

动物个体的生理状况和生理阶段也是影响作用效果的重要因素，所以要根据最佳效应期原则使用。研究发现处于应激、疾病（尤其是胃肠道疾病）状态下或抗生素治疗后的动物，添加芽孢杆菌能起到良好的效果。幼龄动物体内酶系、肠道微生态都还不健全，所以在幼龄动物饲料中使用芽孢杆菌效果通常优于成年动物。

4.3 饲料组分

高营养水平的饲料使用效果不如低营养水平的使用效果明显。因为高营养水平的饲料很容易满足养殖动物的营养需求，益生菌的补充增效功能不能有效发挥。

目前饲料中添加一定量的抗生素是一个常态。过去的观点认为，益生素不能与抗生素混合使用，现在的观点认为二者可以在一定程度上联合使用。饲用芽孢杆菌在动物采食后需要2-3个小时萌发后才会对环境包括抗生素药物敏感，而饲料中添加的那些吸收性能好的抗生素经过2-3小时后95%以上都可被肠道吸收，所以这些抗生素对芽孢杆菌不会有太大威胁；有些抗生素如硫酸新霉素、硫酸粘杆菌素虽然在肠道中不被吸收，但主要作用于革兰氏阴性菌，属于革兰氏阳性菌的芽孢杆菌对他们极不敏感，所以芽孢杆菌在饲料添加抗生素的情况下使用仍能发挥功效。

4.4 造粒加工工艺

益生菌在饲料工业中应用受限最主要的问题在于必须克服制粒过程中的高温高压。芽孢杆菌，如枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、丁酸梭菌均能产生抗逆性能高的芽孢，可耐高温、高压、酸碱、胆盐等不利环境。笔者通过试验证明芽孢杆菌经80℃、30min和90℃、10min热处理后几乎没影响；90℃处理20min后，99%存活；100℃处理5min后，45%存活。一般颗粒饲料制粒过程中的温度为70-90℃，所以芽孢杆菌受到的影响较小。

4.5 黏附性与肠道停留时间

黏附性是衡量肠道益生菌的一个重要标准。芽孢杆菌为过路菌，不能黏附于肠道上皮细胞，在肠道短暂停留，随粪便排出体外，所以芽孢杆菌一般认为通过促进消化吸收和生物耗氧发挥生理功能，在生物拮抗方面功能有限。但凝结芽孢杆菌和丁酸梭菌兼具乳酸菌的大部分生理功能，能高度黏附于肠道上皮细胞，促进肠道粘膜免疫的发生，较常规芽孢杆菌具有更优越的肠道益生菌功能。

肠道停留时间也是影响益生菌功效的一个关键因素，因为芽孢杆菌进入消化道后都需要一个萌发的过程，时间在数小时不等。如果芽孢杆菌停留时间过短，芽孢尚未萌发，生理活性物质尚未释放，就排除体外，其益生功能将大打折扣。笔者通过试验证明，枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌与丁酸梭菌复合制剂在猪肠道中可定植7-15天，在鱼类肠道可维持2-7天左右，较一般的单一芽孢杆菌制剂具有更长的停留时间，能保证代谢活性产物的分泌及益生功能的有效发挥。

5.饲用芽孢杆菌未来的发展趋势

通过对美国食品药物管理局与我国农业部发布的可用作饲料添加剂的微生物品种目录的对比分析可以看出，我国的饲用微生物添加剂远远落后于国际同行业。目前我国的益生菌产业尚处于开发阶段，研究重点还集中在菌种和工艺的实验室筛选上，如何加快饲用芽孢杆菌产业化应用步伐是未来一定时期内工作的重心。

从益生芽孢杆菌的生理功能来讲，它在动物饲料中的应用空间应该更大。但是芽孢杆菌作为饲料添加剂的具体作用机理以及应用技术（包括使用阶段，使用剂量等）等一系列问题，至今尚未有统一认识。这就给我们提供了诸多课题：1）加强新菌种研究，筛选出繁殖力强、性能稳定、协同作用强和安全无副作用的菌种供生产应用；2）加强芽孢杆菌与其他益生素及酸化剂、低聚糖、酶制制等绿色饲料添加剂之间组合使用技术以及对不同动物不同生理阶段的适宜添加量的研究；3）微生态基因工程菌的研究，对芽孢杆菌进行必要的遗传工程改造，设计出功能更全面，功效更突出的新菌株，包括特殊营养功能菌株，高耐性菌株，强粘附力菌株等，强化芽孢杆菌与肠道菌群的互作效应；4）健全动物微生物制剂管理法规及国家标准建设，鼓励和加快新饲料级微生物添加剂的研发与申报等。

作者：新华扬技术服务部 凌华云、唐明红、王启军