芽孢杆菌的作用机理及其在断奶仔猪日粮中的应用研究

张秀文 齐遵利 刘艳琴
随着生物技术的发展，益生素在生活和生产中的作用越来越重要。从应用范围讲，在药品、食品、饲料、饮料、肥料、生物、纺织以及环境处理等方面无处不用，而且都具有良好的经济效益。1999年，我国农业部公布了可以直接饲喂动物的12种饲料级微生物添加剂菌种：干酪乳杆菌、植物乳杆菌、嗜酸性乳杆菌、粪链球菌、乳链球菌、枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、乳酸片球菌、啤酒酵母、产朊假丝酵母、沼泽红假单胞菌、曲霉。目前，国内外市场上的益生素主要以芽孢杆菌、乳酸菌及酵母菌为主。生产上益生素的使用形式有两种：一种为单一菌属组成的单一型制剂；另一种为多种不同菌属组成的复合菌制剂。
乳酸杆菌和链球菌对维持肠道微生物菌群的平衡具有重要作用，早期人们主要使用乳酸杆菌和链球菌属作为调节和维持肠道平衡的益生素。然而这些微生物较不稳定，不能耐受饲料加工，也不宜长期存放。而芽孢杆菌属以孢子形式存在，芽孢的耐受性较强，可以耐受饲料加工、储藏和胃的酸性环境，可以在肠道萌发成为具有新陈代谢作用的营养细胞。因而针对芽孢杆菌的研究逐渐增多。
1 芽孢杆菌的概况
芽孢杆菌属于芽孢杆菌科、芽孢杆菌属，模式种为枯草芽孢杆菌，是可形成内生孢子——芽孢的革兰氏阳性杆菌，需氧或兼性需氧，具有鞭毛。芽孢杆菌广泛分布于土壤、空气、水和动物肠道中,其稳定性强,芽孢一旦形成,便能耐受各种不利条件,如干热（150 ℃干热1 h仍有芽孢存活）、湿热、紫外线、强酸、强碱、有机溶剂、极度干燥、真空干燥、氧化剂的氧化作用等。在一定条件下，芽孢能够长时间保存，可以保证益生菌制品的有效期。
所有菌属中芽孢杆菌是最理想的微生物添加剂。大量试验证明，芽孢杆菌添加剂具有类似于泰乐菌素的效果，可明显改善机体内菌群组成和具有促生长的功效，并且芽孢杆菌在颗粒料、粉料的加工过程中以及酸性环境中具有较高稳定性，在肠道内环境中能发挥作用而增殖，符合微生物添加剂的条件。
芽孢杆菌在肠道酸性环境中具有高度的稳定性，能分泌较强活性的蛋白酶及淀粉酶，促进饲料营养物质的消化。芽孢杆菌可以减少粪和消化道中的大肠埃希氏菌数量。目前使用的菌株有枯草芽孢杆菌(Bacillussbtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)、东洋芽孢杆菌(Bacillustoyoi)等。
2 芽孢杆菌的作用机理
2.1 拮抗病原微生物，维持和调节微生态平衡
有研究表明，动物肠道内寄居的微生物主要为厌氧菌。通常情况下，肠道内有益菌和致病菌保持一定比例，当条件发生改变时，这种平衡失调，致病菌大量繁殖，从而导致动物体患病。当需氧型益生菌进入消化道后，生长繁殖消耗肠道内的大量氧气，通过“生物夺氧”使需氧型致病菌数量大幅度下降，因而起到防止动物患病的作用。田允波等（1999）指出，一般情况下，猪、鸡肠道内优势种群为厌氧菌，占99%以上，而需氧菌和兼性厌氧菌只占1%。以益生菌形式添加好氧菌特别是芽孢杆菌能特异性地增殖某些好氧菌，它们在繁殖过程中消耗肠道内的氧气，造成局部厌氧环境，促进有益厌氧菌的生长，同时抑制需氧和兼性厌氧病原菌的生长，从而把失调菌群恢复到正常状态。
研究还发现，益生菌能够有秩序地定植于粘膜、皮肤等表面或细胞之间形成生物屏障，这些屏障可以阻止病原微生物的定植，起着占位、争夺营养、互利共生或拮抗作用，形成保护屏障，阻止病原菌的侵入，从而对致病菌的定植产生抑制作用。淳泽等（1994）通过体外生物试验表明，芽孢杆菌对致病性猪大肠杆菌、猪霍乱沙门氏菌、鸡大肠杆菌、鸡白痢沙门氏菌有拮抗作用。
2.2 产生有益代谢产物
益生素在动物消化道内可产生水解酶、发酵酶和呼吸酶等多种消化酶，有利于降解饲料中蛋白质、脂肪和复杂的碳水化合物，促进动物的消化吸收，从而提高饲料转化率。Sogarrd（1990）报道，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌具有较强的蛋白酶、淀粉酶活性，同时还能降解木聚糖、地衣聚糖、果胶、羧甲基纤维素、多聚半乳糖醛酸以及其它一些复杂的植物性碳水化合物。邝哲师等（2005）报道，在断奶仔猪基础日粮中添加0.1%芽孢杆菌制剂饲养2周后，添加芽孢杆菌制剂的试验组比对照组胃蛋白酶活性提高58.68%，胰淀粉酶活性提高24.05%,回肠内蛋白酶和淀粉酶活性分别提高61.0%和20.30%,差异均显著（P<0.05）。
芽孢杆菌在肠道内生长繁殖过程中，能产生乳酸或蛋白多肽类拮抗物质，一方面可降低肠道pH值，抑制有害微生物繁殖；另一方面，有助于动物（特别是幼小动物）对营养物质的消化，尤其是对蛋白质的消化吸收。
2.3 增强动物免疫能力
仔猪肠道感染时，肠道的正常微生物调动肠壁固有层的免疫细胞通过免疫反应形成机体的第二道防线。肠道细菌和其它抗原进入机体的主要通道是通过M细胞的传递，Ｍ细胞将抗原传递给抗原递呈细胞（位于肠上皮细胞内的巨噬细胞和Ｂ细胞），抗原递呈细胞将抗原递呈给邻近的Ｔ细胞，引起反应性Ｔ细胞的增殖。Ｔ细胞被激活的同时，Ｂ细胞也被激活，通过外周游离肠道固有层，开始分泌特异性的抗体。分泌型IgA由固有层的B细胞分泌到肠腔，将病原菌包裹起来，防止其粘附和促进肠道将病原菌排出体外。在仔猪出生后的第１周主要依靠母乳的抗体和非免疫因子来保护。
益生素可以成为非特异性免疫调节因子，通过细菌本身或细胞壁成分刺激动物的免疫细胞，使其激活，增强吞噬细胞的吞噬能力和B淋巴细胞产生抗体的能力，刺激动物产生干扰素，从而增强抗病能力。芽孢杆菌能促进肠道相关淋巴组织的免疫功能，使之处于高度反应的“准备状态”，同时使免疫器官的发育增快，免疫系统的成熟度快而早，T、B淋巴细胞的数量增多，使动物的体液和细胞免疫水平提高，增强机体抗病能力。Fuller(1989)指出，直接饲喂活的微生物可刺激动物免疫器官发育，提高动物抗体水平或巨噬细胞活性，增强机体免疫功能。
潘康成等（1996）研究认为，地衣芽孢杆菌的免疫促进作用是机体经口服芽孢杆菌后，在肠道淋巴组织集合的抗原结合位点上直接作为免疫佐剂，或者通过调整宿主体内的微生物群，尤其是双歧杆菌群起主导，间接地发挥免疫佐剂的作用，提高机体局部或全身防御功能。
3 芽孢杆菌在断奶仔猪日粮中的应用
益生素制剂应用于动物生产上已有几十年历史。人们最早研究和使用益生素的历史可以追溯到1947年，Mollgaard首次使用乳酸杆菌饲喂仔猪，结果显示，乳酸杆菌可有效增加仔猪体重和提高健康状况。我国益生素的应用研究开始于20世纪80年代，何明清教授用由大肠杆菌SY-30菌株制成的制剂防治仔猪腹泻。总体来说，在饲料日粮中加入益生素可提高动物生长速度、改善饲料利用率、减少疾病、改善产品品质、提高动物免疫力。
林小伟等（1994）用芽孢杆菌复合菌剂饲喂哺乳仔猪发现，芽孢杆菌有助于仔猪建立正常的微生物菌群，排除或控制潜在的病原体，促进仔猪消化功能和免疫功能的加强与完善，从而促进生长，提高饲料利用率，但对仔猪抗病力无明显的增强作用。陈旭东等（2003）研究发现，蜡样芽孢杆菌能产生细菌素并可以拮抗致病菌；用0.2%的芽孢杆菌饲喂35日龄仔猪，日增重显著提高（P<0.01），料重比和腹泻率显著降低(P<0.05)。霍军等（2004）通过在生长肥育猪饲料中添加凝结芽孢杆菌制剂与抗生素对比研究表明，饲料中添加100 mg/kg凝结芽孢杆菌制剂可显著提高平均日增重，降低饲料成本和沙门氏菌阳性率,饲养效果与添加100 mg/kg抗生素没有显著差异。
但也有一些其它报道表明，芽孢杆菌没有明显作用。虞泽鹏（2002）试验研究表明，在断奶仔猪日粮中添加0.4％益生素对仔猪体重无显著影响，日增重和料重比无明显改善，但有降低仔猪腹泻、改善胃肠功能的趋势。
4 影响芽孢杆菌制剂使用效果的因素
在饲料中添加芽孢杆菌等益生素制剂的目的是提高畜禽生产性能，增加畜产品产出量，降低饲养成本，提高产品品质，主要表现在提高仔猪成活率、降低死亡率、减少下痢、提高采食量和日增重、提高饲料转化率、减少发病率、改善环境质量等方面。但也正如其它饲料添加剂（如抗生素、饲用酶制剂、酸化剂）一样，芽孢杆菌制剂的使用效果也受到诸多因素的影响。
4.1 使用时段
当仔猪微生物菌群状况良好时，益生素对肠道变化和生产性能的影响可能较小，有试验结果表明，在出生前期、食物改变、应激时使用微生态制剂会取得理想效果。乔宏宇等（1994）在研究复合活菌制剂对仔猪生产性能影响的研究中发现，动物处于应激期是使用复合活菌制剂发挥作用最好的前提条件。一般在动物出生、断奶、转群3个关键时期，在仔猪日粮中添加微生态制剂效果较好。断奶仔猪从吃奶到采食植物性饲料的改变过程中，常会发生严重的消化问题，此时适时地添加益生素对防止腹泻、提高日增重能起到理想的效果。
4.2 添加量
为了保证有益菌能够发挥作用，适宜的添加量是重要的。添加量不足不能达到预期效果，但添加过量反而会使增重和饲料转化率变差，造成饲料成本上升。因为微生物本身的繁殖也需要消耗能量，过多的微生物会同动物本身微生物争夺营养物质。
4.3 日粮营养水平
日粮蛋白质和限制性氨基酸的平衡程度影响着益生素的使用效果，在低蛋白质或氨基酸不平衡的日粮中添加更为有效。Newman(1988)报道，在低蛋白质且未添加赖氨酸的日粮中添加益生素，生长猪的平均日增重和饲料效率分别提高14％和7％，但在蛋白质和赖氨酸都满足的平衡日粮中添加，上述两项指标反而不如对照组。
4.4 抗生素
各种抗生素对各类益生素的抑制作用不一，若是益生素与有强烈抑制作用的抗生素同时使用，可能会影响其效果。因此，在使用前需了解各种抗生素与所用益生素之间的关系。有时两者同时使用也会产生协同作用，现在大多数研究认为两者可以在一定程度上联合使用，即先用抗生素处理肠道，杀灭有害微生物，再添加益生素补充肠道有益微生物的数量。
4.5 环境卫生
若供试畜禽饲养环境卫生条件极差致使动物肠道中栖居有高浓度的微生物，有益菌不能轻易竞争取代这些微生物，则作用效果可能较差或需加大提高有益菌的添加量。卫生状况好的动物使用效果会好些。但在卫生条件差的动物肠道中，一旦有益菌竞争定居并繁殖，其效果会更显著。
5 芽孢杆菌的应用前景
为了保证食品卫生安全，发展绿色畜牧业，将会禁止使用抗生素作为饲料添加剂，抗生素替代物的研究应用已是必然趋势。因此必需开发无毒副作用、无残留、无耐药性、不污染环境的抗生素添加剂替代用品，由于芽孢杆菌制剂全面具备这些性能，而且在使用过程中具有很高的稳定性，可在饲料中直接添加，方便实用。因此越来越受到专家学者和生产经营者的重视，应用前景十分广阔。