微生態(tài)制劑的研究現(xiàn)狀及前景

張連水 張慧霞 孟會賢 張君 李國信 張洪志

摘 要：微生態(tài)制劑是代替抗生素的一個新興的產(chǎn)物，本文主要從微生態(tài)制劑的發(fā)展歷史、作用原理、常用菌株、現(xiàn)存問題以及發(fā)展前景等方面進行了詳細的敘述。

關鍵詞：微生態(tài)制劑；益生菌；種群優(yōu)勢；生物拮抗

微生態(tài)制劑（Probioties）是與“抗生素”相對的一個概念，又名活菌制劑（Bigone）或生菌劑。它的名字是由益生菌的發(fā)展而發(fā)展起來的，其中益生菌這一名詞是由Lilley和Stillwell兩個人提出的[1]，描述的實質(zhì)是一種能刺激生長的物質(zhì)。在1990年舉行的一個學術研討會上，由微生態(tài)協(xié)會正式提出了“微生態(tài)制劑”，同時并進行了重新的定義，也就是現(xiàn)在大家比較公認的關于“微生態(tài)制劑”定義——“根據(jù)微生態(tài)學原理而制成的含有大量有益菌的活菌制劑，有的還含有他們的代謝產(chǎn)物或（和）添加有益的生長促進因子，具有維持動、植物和人體及其內(nèi)、外環(huán)境的微生態(tài)平衡或調(diào)整其微生態(tài)失調(diào)，提高他們健康水平和保護環(huán)境的功能”[2]。

微生態(tài)制劑的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展其實是一個長久的歷史過程，對在研究歷史中比較大的發(fā)現(xiàn)做了一個梳理和總結(jié)，具體的內(nèi)容參照表1。

從表1中可以看出，早期科學家對微生態(tài)制劑研究僅僅停留在理論研究方面，主要的研究方向是菌株之間的關系、菌株與代謝產(chǎn)物之間的關系、菌株和代謝產(chǎn)物與外界環(huán)境之間的關系。中國關于微生態(tài)制劑的研究起步較晚，現(xiàn)在仍然是處在發(fā)展的初期，在使用菌株的種類、菌株的能力、制劑的使用方法等方面都與國外存在一定的差距。

微生態(tài)制劑給社會帶來了巨大的變化，它已經(jīng)廣泛應用于人類疾病治療、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)以及水處理等多個領域，并有良好的效果。其中，因為微生態(tài)制劑既能改善水質(zhì)又能達到生態(tài)防治的效果，成就了它在水質(zhì)改良方面廣闊的前景和市場。于瀟萌[10]預計，到2015年中國微生態(tài)制劑的總消耗量將達到20萬噸，其中水產(chǎn)微生態(tài)制劑的需求量將占到40%以上。

1 微生態(tài)制劑的應用原理

對微生態(tài)制劑應用原理的了解有利于我們更好地、更加充分地利用其特點和優(yōu)勢。國內(nèi)外研究者早就開始從各個角度對微生態(tài)制劑的應用原理進行了研究，結(jié)果表明微生態(tài)制劑的作用效果不止在于生物機體本身，對生物所處環(huán)境也有改善的能力。其應用原理主要包括創(chuàng)建有益的種群優(yōu)勢、對有害菌的拮抗作用、防止有害物質(zhì)產(chǎn)生、增強生物機體免疫力和為生物提供營養(yǎng)物質(zhì)等幾個方面。

1.1 有益的種群優(yōu)勢

一般情況下，生物機體內(nèi)環(huán)境中，也就是微生態(tài)系統(tǒng)中，優(yōu)勢種群對整個微生態(tài)系統(tǒng)起著至關重要的作用。

在動物和人類機體內(nèi)厭氧菌的比例遠遠大于需氧菌和兼性厭氧菌，但是一旦專性厭氧菌數(shù)量減少失去優(yōu)勢地位，就會導致機體內(nèi)生態(tài)平衡失調(diào)[11]。此時，有益的微生態(tài)制劑能夠有效地彌補正常菌體，維持機體內(nèi)生態(tài)平衡，防止疾病的發(fā)生。

在水處理方面同樣存在這樣的機理，當使用的有效菌株遠遠大于原本水質(zhì)中的菌群時，微生態(tài)制劑就占有了主導地位，能夠高效地控制和降低水質(zhì)中的有害物質(zhì)。

1.2 生物拮抗

拮抗又名抗生，周德慶對其定義為，由某種生物所產(chǎn)生的特定代謝產(chǎn)物可抑制他種生物的生長發(fā)育甚至殺死它們的一種相互關系。抗生素是最為典型的，也是與人們的生活關系最為緊密的一種拮抗物質(zhì)。

一般來說，在機體比較脆弱和環(huán)境失去平衡的情況下，容易導致機體內(nèi)疾病的發(fā)生和環(huán)境生態(tài)的崩潰。而有益菌組成的微生態(tài)制劑可以形成天然的屏障，這個防御屏障又可以分為生物屏障和化學屏障。化學屏障是指微生物代謝產(chǎn)生的一些活性物質(zhì)（比如抗生素和酶），而生物屏障是指微生物形成的菌群。微生態(tài)制劑的拮抗作用是通過定植抗力或者分泌拮抗物質(zhì)來抵抗病原菌和有害菌，以種群優(yōu)勢扼制病原菌和有害菌的蔓延[12]。

1.3 防止有害物質(zhì)產(chǎn)生

微生物菌群在代謝過程中會產(chǎn)生一些催化酶，比如超氧化物歧化酶、氨基氧化酶和分解硫化物的酶類等，這些酶類物質(zhì)通過化學作用將有害的有毒的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成無毒無害的物質(zhì)，或者是轉(zhuǎn)化成自身能夠利用和消耗的營養(yǎng)物質(zhì)。

1.4 增強機體免疫

微生物制劑能夠有效地增強機體的免疫力，其作用機理主要表現(xiàn)在三個方面：第一，分泌拮抗物質(zhì)控制病原菌生長；第二，與病原菌爭奪營養(yǎng)或者是附著點來抑制其生長；第三，刺激淋巴組織，可以加大免疫球蛋白濃度以及巨噬細胞的活性，進而增強機體免疫功能，來有效預防和避免疾病的發(fā)生。吞噬細胞的主要作用是捕獲和消化侵入機體內(nèi)的異物，與粒細胞和單核細胞組成一道非特異性防線[13]。吞噬細胞的活性可以作為判定其個體抗病力的一種指標。目前對于其機理的研究主要集中在蛋白質(zhì)的水平上，很少涉及分子水平。提高微生態(tài)制劑能力的手段主要是提高與免疫相關的酶活力[2]。

近幾年，有很多的學者針對微生態(tài)制劑提高動物機體免疫力進行了研究。謝全喜[14]等人用以植物乳桿菌和枯草芽孢桿菌為主的制劑飼喂肉雞，實驗結(jié)果表明復合微生態(tài)制劑能夠有效改善肉雞的脾臟指數(shù)、法氏囊指數(shù)、IgG水平、sIgA含量以及血凝抑制抗體效價水平，綜合提高機體免疫力。郭文婷[15]等人用不同配伍的5種制劑飼喂牙鲆，實驗結(jié)果同樣表明5種制劑均可以顯著提高血細胞的吞噬活性，血清中的抗菌活力以及溶菌活力。Chen S N[16]等人研究了分支桿菌對虹鱒的影響，實驗結(jié)果表明血細胞吞噬百分率有顯著提高，并推測原因可能是細菌的細胞壁成分脂多糖起到了免疫刺激的作用。

1.5 提供營養(yǎng)，促進生長

微生態(tài)制劑可以為動物機體提供很多營養(yǎng)物質(zhì)，比如氨基酸、維生素、促進生長因子等等。除此之外還會在機體內(nèi)產(chǎn)生多種可適用的活性酶，比如淀粉酶、纖維素酶、脂肪酶、蛋白酶等，這些酶類可以促進料餌的消化吸收，進一步促進機體的生長。另外微生態(tài)制劑的菌體本身也可以作為添加劑，為飼養(yǎng)生物補充營養(yǎng)。

劉秀梅[2]將上述微生態(tài)制劑的作用歸納為微生物群與營養(yǎng)關系論，通過悉生動物和無菌動物的對比實驗再次表明，微生物菌群不僅能夠幫助食物的消化吸收，還可以在機體內(nèi)合成維生素、氨基酸等物質(zhì)。

2 水產(chǎn)微生態(tài)制劑的常用菌株

2.1 芽孢桿菌

芽孢桿菌屬中常用來做微生態(tài)制劑的菌株有枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌、假單孢桿菌、蕈狀菌變種等。芽孢桿菌絕大部分是革蘭氏陽性菌，是一類好氧或兼性厭氧的細菌，能產(chǎn)生抗逆性內(nèi)生孢子，具有耐旱、耐熱、抗紫外線等特點。

芽孢桿菌可以迅速降解養(yǎng)殖水體中的各種有機物，包括殘留餌料、水產(chǎn)動物的排泄物、死亡的生物的殘體及池底淤泥中的有機物，除此之外，還能降低水體中的氨氮與亞硝態(tài)氮的含量、增加溶解氧的含量，進而有效地改良水質(zhì)，營造良好的養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境。

陸家昌[17]利用枯草芽孢桿菌進行了水質(zhì)試驗，結(jié)果得出COD、NH3-N、NO2--N的降解率均在60%以上。楊希[18]等人利用蠟狀芽孢桿菌進行了好氧反硝化的研究，實驗結(jié)果同樣得到了良好的效果。

2.2硝化細菌

硝化細菌又可以細分為亞硝化細菌和硝化細菌，屬于好氧自養(yǎng)性微生物。此類微生物的特點就是能夠“自給自足”，也因此繁殖速度比較的緩慢，而且過多的有機物會抑制其生長。除此之外，硝化細菌對環(huán)境的變化特別敏感，極易失去活性[19]。

亞硝化細菌獲得能量的方式是把水中的氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮，它所需要的有機物則來自于水體中的二氧化碳和碳酸根離子；硝化細菌則可以將水中的亞硝酸氮最終氧化成對水體無害的硝酸氮，并從中獲取能量。硝化細菌一般與其他細菌一起制成復合微生態(tài)制劑使用。

孟令博[20]等人設置硝化細菌和水生觀賞植物兩組實驗來處理淡水水族箱水質(zhì)，實驗證明硝化細菌處理效果顯著高于植物的自身凈化能力。吳桂玲[21]、張連水等人制備的復合微生態(tài)制劑中菌加入了硝化細菌，并有良好的效果。

2.3 反硝化細菌

反硝化細菌是指一種可以將硝基氮還原為氣態(tài)氮（N2）的細菌群，大部分反硝化細菌為異養(yǎng)、兼性厭氧細菌，它利用水體中的有機物作為碳源，將硝基氮轉(zhuǎn)化成氮氣。反硝化細菌克服光合細菌對亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化率比較低和芽孢桿菌對氨氮轉(zhuǎn)化率比較低的缺點，它被認為是降低養(yǎng)殖水體中硝基氮和氨氮含量的最有效的微生物，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中有著非常廣泛的應用。

如今，學者們對反硝化細菌的研究熱點集中在自養(yǎng)反硝化細菌和好氧反硝化細菌兩類菌株上。自養(yǎng)反硝化細菌給微生態(tài)制劑處理污水帶來了一個新的視角，它的優(yōu)勢在于：第一，菌株自身利用無機碳源來獲取能力，而CO2等在污水中往往為過量的“廢品”，這樣大大節(jié)省了開支；第二，自養(yǎng)反硝化細菌產(chǎn)生的污泥極少，可以理解為它只“工作”不“生活”。好氧反硝化細菌的優(yōu)勢在于，其生活在不斷充氧的池塘環(huán)境中同樣可以進行脫氮作用，這一特點大大解決了池塘水質(zhì)處理上的一個瓶頸。

2.4 光合細菌

光合細菌是地球上最早的能夠進行光合作用的生物，也是現(xiàn)在世界上應用最為廣泛，使用量最大的一種微生態(tài)制劑菌株。常用在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的光合細菌一般屬于紅螺菌科。

在不同的條件下，光合細菌具有脫氮、固氮、固碳、硫化物、氧化物等多種功能，氮化物、碳化物等在光合作用中為光合細菌提供能源和氫離子。與此同時降解和清除水體中的過量有機物和多種有害物質(zhì)，降低水體富營養(yǎng)化，提高水中的溶解氧含量，從而達到凈化水質(zhì)、改善水產(chǎn)動物的生長環(huán)境的效果。除此之外，光合細菌中含有豐富的蛋白質(zhì)和維生素，具有很高的營養(yǎng)價值，所以用光合細菌作為餌料的添加劑在防范治療魚病、促進魚類生長、提高魚類孵化率等各個方面均有著良好的表現(xiàn)。

付保榮[22]等設置了光合細菌對鯉魚池塘的處理實驗，實驗結(jié)果顯示光合細菌不僅能夠有效地去除水體中的有機物、氨化物，增加溶氧量，穩(wěn)定pH值，而且還能控制藻類的比例，抑制弧菌屬、氣單胞菌屬等致病菌的生長。羅勇勝[23]等人則設置了光合細菌和芽孢桿菌的協(xié)同實驗，結(jié)果表明兩菌均有協(xié)同性，混合菌降解COD的能力比單一菌高出將近20%，光合細菌又將成為復合微生態(tài)制劑中一劑良藥。

3 微生態(tài)制劑存在問題及發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

現(xiàn)在，微生態(tài)制劑領域最為顯著也最為棘手的問題是確定的可用做制劑制作的菌株種類很少，現(xiàn)有的菌種很多也是由國外引進進而反復擴增的，需要大量地開發(fā)新菌種。

微生態(tài)制劑為活菌制劑，在實際應用中首先要面臨的問題就是保存和使用期間發(fā)揮作用的時間。現(xiàn)在所采用的方式大都為真空包裝保存或者是低溫保存，但是當面臨大批量的產(chǎn)品長時間保存的狀況時，現(xiàn)有的保存方式都不能達到理想的效果。微生態(tài)制劑在使用過程中也大都有作用時間短的問題。尋找探索一種既能保存菌株活性又不影響菌株特性發(fā)揮的高效材料是現(xiàn)在學者們研究的熱點。

微生態(tài)制劑在使用過程中面臨的另外一個比較嚴重的問題就是非常容易受到外界環(huán)境的影響，例如，高溫、強酸強堿、抗生素等。抗生素影響的主要原因是現(xiàn)在的部分生產(chǎn)者和大多的使用者同時使用了抗生素和微生態(tài)制劑，或者是使用者在使用過程中間替使用了抗生素和微生態(tài)制劑。

針對于復合微生態(tài)制劑來說，主要的問題是：所應用菌株之間的作用機理不夠明確，混合制劑中菌株的最佳配比無法確定，混合菌株的共有環(huán)境不能夠很好地完善。

除菌劑本身存在問題外，社會監(jiān)管同樣存在問題，現(xiàn)在監(jiān)管部門并沒有系統(tǒng)的、規(guī)范的、統(tǒng)一的質(zhì)量標準。

3.2 發(fā)展趨勢

根據(jù)現(xiàn)在學者們研究的熱點和難點，預計了未來幾十年內(nèi)微生態(tài)制劑的發(fā)展方向及用到的技術。

3.2.1 新菌株 從自然環(huán)境中或者利用其他的方法得到能夠適用于微生態(tài)制劑的未開發(fā)的菌株。

3.2.2 專一制劑 對某一應用中出現(xiàn)的問題研制出針對性的制劑，使得作用效果更加專一，更加有效。

3.2.3 工程菌制劑 結(jié)合分子生物學和基因工程有效地改造現(xiàn)有菌株，或者結(jié)合現(xiàn)有菌株的高效特性，使菌株更好地發(fā)揮有益作用。構(gòu)建易保存、穩(wěn)定性強的優(yōu)良菌株。

3.2.4 高效復合微生態(tài)制劑 單一菌株的效果往往是不具有綜合性的，將多種功能的菌株進行混合培養(yǎng)，找到具有最佳配比關系的復合制劑將具有更加廣闊的適用范圍。

參考文獻：

[1]

Lilley D M，Stillwell R H.Probiotics growth promoting factors produced by microorganisms[J].Science，1965，147：747-748

[2] 劉秀梅，聶俊華，王慶仁.多種微生物復合的微生態(tài)制劑研究進展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2002，10（4）：80-83

[3] Parker R B.Probiotics，the other half of the antibiotics story[J].Animal Nutrition Health，1974，29：4-8

[4] 楊靜利，張莉.微生態(tài)制劑研究進展[J].滄州師范學院學報，2012，28（1）：53-56

[5] Kozasa M.Toyocerin （Bacillus toyoi） as growth promotor for animal feeding[J].Microbiological Alimentary Nutrition，1986，4：121-135

[6] Fuller R.Probiotics in man and animals，a review[J].Journal of Applied Bacteriology，1989，66：365-378

[7] Tannock G W.Modification of the normal microbiota by diet，stress，antimicrobial agent and probiotics [M].New York：International Thomson Publishing，1997，45-56

[8] Moriarty D J W.Control of luminous Vibriospecies in penaeid aquaculture ponds[J].Aquaculture，1998，164：351-358