飼用芽孢桿菌在動物腸道內的作用機理及其應用研究進展

■張 干 宦海琳 閆俊書 徐小明 周巖民 周維仁*

（1.江蘇省農業科學院畜牧研究所，江蘇南京210014；2.南京農業大學動物科技學院，江蘇南京210095）

20 世紀50 年代，抗生素的發現解決了畜牧業生產力偏低、動物抗逆性弱等問題，對推動畜牧業的高速發展做出了巨大貢獻。隨著抗生素的使用和畜牧業的發展，藥物殘留、環境破壞、人畜爭糧等問題日益嚴重。自2006年歐盟等國家禁止在動物飼料中添加抗生素后，我國也開始了抗生素替代技術和提高生產效益方法的探索。微生態制劑是指在現代生物工程、發酵工程和細胞工程理論指導下，經特殊工藝制成的活菌制劑，可通過取代或調節胃腸道菌群平衡來解決畜禽養殖中所產生的生長緩慢、疾病多發、生產效益低等問題，并不會產生相應的副作用，被稱為抗生素的有效替代品。微生物發酵飼料是一種新型的飼料資源，是指在人工控制條件下，以植物性農副產品為主要原料，通過微生物的新陳代謝和菌體繁殖，將飼料中難以被消化利用的大分子物質和抗營養因子分解轉化，產生利于動物采食和利用的富含益生菌及其代謝產物的飼料。發酵飼料具有適口性好、易消化吸收、營養價值高、富含益生菌等特點，可有效替代普通飼料，解決環境破壞、人畜爭糧等問題。芽孢桿菌作為農業部允許添加的益生菌之一，具有耐高溫、耐酸堿、易培養、耐貯藏、加工損失少的特點[1]，使得其在微生態制劑和發酵飼料上得到了廣泛的應用。

1 芽孢桿菌

芽孢桿菌屬(Bacillus)是一類產芽孢的革蘭氏陽性細菌，廣泛分布于土壤、空氣、水、植物體和動物腸道中[2]。芽孢桿菌屬的主要特征：細胞桿狀或球狀，(0.3～2.2) μm×(1.2～7.0) μm，多數運動，側生鞭毛，形成耐熱的內生孢子。菌落主要特征：不透明、褶皺、乳白色或褐色、產色素、肉湯培養有菌膜生長，pH 值為5.5～8.5，嚴格好氧或兼性厭氧；有機化能營養，可利用多種底物進行嚴格呼吸代謝、嚴格發酵代謝或呼吸和發酵兼具的代謝[3]。此外，芽孢桿菌的生理學特性很廣，包括：①產酶；②產生抗菌物質；③硝化作用；④反硝化作用；⑤固氮；⑥沉淀鐵離子；⑦還原硒和鎂離子等。目前研究和應用最廣的主要以枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌等飼用芽孢桿菌為主。

2 飼用芽孢桿菌在動物腸道內作用機理

2.1 維護和調節腸上皮層屏障功能

腸上皮層主要由腸上皮細胞和連接復合物構成。研究表明，病原菌會導致腸道通透性改變，誘導腸上皮細胞產生大量的IL-8，導致組織發生劇烈的炎癥反應，最終引起細胞凋亡與組織損傷[4]；IFN-γ、TNF-α等炎性介質能夠引起緊密連接結構發生重排，導致腸上皮屏障損傷，出現功能紊亂[5]。

芽孢桿菌進入腸道后，可通過新陳代謝產生多種營養物質和活性因子，促進腸道上皮細胞的發育和修復，抑制細胞凋亡，并且可有效防止病原菌對腸道的侵害，提高腸道的抗氧化能力和抗炎能力。張甜甜等[6]發現，枯草芽孢桿菌肽聚糖可有效保護由β-conglycinin誘導引起的鯉腸上皮細胞氧化損傷，提高腸上皮細胞抗氧化能力；高濃度肽聚糖能夠抑制致炎因子分泌，促進抗炎細胞因子的基因表達，提高腸上皮細胞的抗炎能力。當病原菌、炎性介質等引其腸道IL-6、TNF-α等致炎因子表達量增加時，芽孢桿菌可抑制其分泌，減少炎性因子的基因數及其表達量；提高IL-10、TGF-β等抗炎因子、防御素等抗菌因子、CCL28及其受體CCR10 等趨化因子mRNA 的表達量。研究表明，腸產毒性大腸桿菌會導致豬腸道上皮細胞中IL-6、IL-8、TNF-α和IL-1α的mRNA表達量顯著增加，解淀粉芽孢桿菌處理后其炎性基因數量及表達量顯著降低[7]。Yang 等[8]發現，口服芽孢桿菌混合物能夠提高豬小腸中TLR4、NOD2、iNOS、IL-8、IL-22、趨化因子CCL28及其受體CCR10的mRNA的表達量。此外，芽孢桿菌能夠促進MUC2分泌細胞發育及分泌，調節黏膜屏障滲透性，提高屏障信號通路中相應酶的分泌量及活性，提高ZO-1、OCLN、JAM2 等緊密蛋白基因表達量，可有效防止病原菌和炎性物質對腸道屏障的侵害，保護緊密連接結構的完整。Kong 等[9]用嗜水氣單胞菌攻毒草魚后發現，草魚出現腸黏膜屏障和炎癥反應，飼喂枯草芽孢桿菌可防止Na+、K+-ATP 酶和Ca2+、Mg2+-ATP 酶活性的降低，緩解滲透性增加和炎癥。與攻毒組相比，枯草芽孢桿菌保護了腸絨毛和緊密連接結構的完整性，抑制了嗜水氣單胞菌誘導的ZO-1、OCLN 表達量的下調；及TJ 蛋白claudin b、TNF-α、IL-8、IL-1β和MyD88mRNA水平的上調。

芽孢桿菌能夠通過對腸道上皮細胞和緊密連接結構的維護和調節，從而提高畜禽機體對于病原菌的抗逆性，防治炎癥介質引起的炎癥反應，維持和修復腸上皮層屏障功能的正常運作。

2.2 促進腸道免疫系統的發育及其免疫應答

腸道是畜禽與外界環境最先接觸的部位之一，也是體內最大的免疫器官。當病原體進入胃腸道后，會經M細胞、樹突細胞等抗原呈遞細胞送至黏膜固有層和腺體中，T細胞和B細胞產生應答后，引起漿細胞增殖分化，產生大量相應抗體，清除病原菌[10]。

芽孢桿菌進入腸道相關淋巴組織以及黏膜免疫系統，經巨噬細胞識別產生相應活化信號后，可誘導和調節T細胞的分化及免疫應答，促使B細胞分化產生漿細胞，提高免疫球蛋白的分泌，促進機體的抗炎作用。Mou 等[11]報道指出，枯草芽孢桿菌可將樹突狀細胞遷移至MLN 并誘導免疫應答，提高仔豬糞便中特異性sIgA、IgG 含量和血清中中和抗體含量。并且芽孢桿菌可促進T細胞、B細胞、腹膜細胞等免疫細胞的發育和修復，調節其分泌產生免疫球蛋白和抗炎因子[12]。此外，芽孢桿菌能夠分泌多種功能蛋白，可有效促進腸道內淋巴細胞的發育和分化，調節其免疫應答。Novak 等[13]研究表明，芽孢桿菌能夠促進T 細胞亞群的發育，提高CD8-CD25+細胞、CD8-CD45RO+細胞、CD8-TCR1+細胞、分泌L-選擇蛋白的單核細胞和粒細胞的比例。Lee 等[14]報道指出，枯草芽孢桿菌衍生的聚-γ-谷氨酸能夠刺激樹突細胞產生IL12，導致CD4+T 細胞向Th1 表型分化，并誘導其產生IFNγ、TNFα、IL12等，增強其對腫瘤細胞系的細胞毒性。

芽孢桿菌能夠有效地促進腸道免疫防御系統的發育和完善，調節其免疫應答類型，加速免疫應答反應，從而提高機體對于疾病的抗逆性和免疫能力。

2.3 調節腸道微生物區系平衡

畜禽腸道中棲息著大量微生物，這些微生物在與宿主長期共同進化過程中形成了穩定的共生關系。腸道微生物在刺激免疫系統發育、抑制病原菌繁殖、調節腸道內分泌功能及神經信號、合成維生素等過程中發揮重要作用[15]，被認為是腸道黏膜屏障的重要組成部分[16]。

調節腸道菌群是芽孢桿菌最直接的作用機制，其能夠與病原菌競爭黏附位點和代謝底物，并可通過分泌乳酸和短鏈脂肪酸，來降低腸道pH值，改變腸腔微環境，從而抑制致病菌生長繁殖，調節腸道微生物區系平衡。同時，芽孢桿菌能夠誘導抗菌肽、細胞因子、炎性因子及趨化因子的產生與釋放，激活吞噬細胞清除病原體，防止其對腸道菌群的侵害，從而維護腸道菌群的平衡。此外，芽孢桿菌在生長繁殖過程中能夠分泌多種消化酶、抗菌物質、營養物質等。這些物質除了能夠有效促進畜禽腸道的發育和消化吸收，改善其腸道形態，提高生長性能外，還可有效地殺滅腸道內的病原微生物，促進有益菌群的附著和生長，維持腸道健康和菌群區系平衡。研究表明，玉米赤霉烯酮會引起小鼠腸道菌群結構發生紊亂，乳酸桿菌等有益菌群減少，大腸桿菌等有害菌群增多，而蠟狀芽孢桿菌可有效改善應激引起的腸道菌群的失衡，增加乳桿菌的豐度，維持小鼠腸道菌群的健康[17]。Al-Fataftah等[18]研究報道指出，熱應激會顯著降低肉雞腸道活菌數、乳桿菌和雙歧桿菌的吸收上皮細胞面積；膳食添加枯草芽孢桿菌可有效逆轉應激所產生的影響，降低梭菌和大腸桿菌的活菌數。

芽孢桿菌進入腸道后能夠通過生物奪氧、競爭性抑制、分泌抗菌物質等多種方式抑制病原微生物的生長繁殖，促進有益菌群的附植和繁殖，從而調節腸道菌群的區系平衡，促進機體對于營養物質的消化吸收，提高生長性能。

3 飼用芽孢桿菌的應用

3.1 飼用芽孢桿菌在微生態制劑上的應用

3.1.1 促進生長，改善生產性能

芽孢桿菌能夠分泌多種酶類，包括蛋白酶、纖維素酶、果膠酶等，這些酶類能將飼料中無法吸收的抗營養物質分解成小分子物質，提高飼料的利用率，促進畜禽的消化吸收；芽孢桿菌還能夠合成多種營養物質，如：B 族維生素、氨基酸等，這些營養物質能夠加速畜禽的生長，改善其生產性能。同時，芽孢桿菌能夠有效促進腸道及其形態的發育，提高腸道對于營養物質的消化吸收。此外，芽孢桿菌制劑替代抗生素后，可有效提高畜產品的品質和安全。Reis 等[19]報道中指出，日料添加枯草芽孢桿菌能夠有效促進肉雞對干物質、粗蛋白的消化吸收，提高飼料效率，改善畜禽生長性能。Balasubramanian 等[20]研究表明，日料添加復合芽孢桿菌制劑能夠提高生長育肥豬的平均日增重、飼料效率和干物質消化率，改善豬肉品質。Sikandar 等[21]發現，枯草芽孢桿菌能夠顯著提高肉雞平均體重和飼料轉化率；與對照組相比，十二指腸和回腸的絨毛高度、十二指腸和空腸的絨隱比顯著提高。

3.1.2 防治疾病，提高免疫能力

芽孢桿菌在腸道生長繁殖過程中可通過競爭性抑制作用阻止有害微生物在腸黏膜上的附植與繁殖，防止致病菌在腸道黏膜上皮細胞間的移位，抑制病原微生物的生長。同時，芽孢桿菌能夠促進腸道免疫系統的發育，調節相應的免疫應答類型，促進抗體、免疫蛋白、活化因子等免疫物質的分泌。并且，芽孢桿菌可對腸道黏膜屏障功能進行調節，可有效提高機體的抗逆性和免疫能力，減少腸道疾病的發生。此外，枯草芽孢桿菌能夠分泌多種抗菌物質和營養物質，能夠有效促進有益菌群的繁殖，抑制病原微生物的生長，保護腸道健康。Zhang 等[22]研究表明，地衣芽孢桿菌飼喂三角魴后，其血清中替代補體活性及總血清蛋白和球蛋白含量顯著增加；此外，實驗組中過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶以及血漿和肝臟中超氧化物歧化酶活性顯著高于對照組，而丙二醛含量則相反。Yang等[23]在斷奶仔豬日糧中添加枯草芽孢桿菌后發現，枯草芽孢桿菌能夠通過上調腸道IL-22表達緩解大腸桿菌誘導的小腸炎，提高ZO-1表達水平改善腸上皮屏障完整性，提高斷奶仔豬的抗逆性和免疫能力。

3.1.3 凈化養殖環境

芽孢桿菌能夠提高畜禽對于氮、磷的利用率，減少養殖過程中廢物的產生；其生物同化作用可有效清除畜禽養殖舍內糞便所產生的惡臭味道。此外，芽孢桿菌及其代謝產物能夠抑制病原菌和蚊蟲的生長繁殖，在圈舍內或發酵床墊料中添加芽孢桿菌能夠有效防止疾病的發生，改善畜禽養殖環境。有報道指出運用枯草芽孢桿菌制作微生物礦物質制劑能夠有效去除空氣中氨和硫化氫的含量，2 d后可分別減少94%和60%[24]。畜禽養殖過程中會產生糞便、廢渣、廢水等污染物，通過桿菌處理后，可使其轉化為優質肥料、新型墊料等。Xue等[25]發現，枯草芽孢桿菌能夠通過固體發酵過程將食物垃圾和長石轉化為鉀生物肥料，并且鉀的溶解率可達41.53%。董書閣等[26]發現，畜禽糞便和作物秸稈能夠制備發酵床墊料，制成的發酵床墊料中富含酵母菌、黑曲霉、枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、乳酸菌等益生菌，用于豬養殖后，可促進豬的生長，降低豬的發病率。

3.2 飼用芽孢桿菌在發酵飼料上的應用

3.2.1 芽孢桿菌發酵飼料的效果

畜禽飼料含有許多脲酶、棉酚等抗營養物質，芽孢桿菌能夠分泌多種酶類，通過發酵可有效去除這些物質，提高飼料的消化吸收率和營養價值。芽孢桿菌發酵的飼料具有良好的適口性和營養價值，含有大量的有益活菌及其代謝產物，能夠有效的促進畜禽的生長發育，提高其生產性能。此外，飼料通過發酵后能夠產生大量的有機酸，可降低消化道內pH值，促進礦物質元素鈣、磷、鐵以及維生素D的吸收與利用。Sun等[27]發現，利用地衣芽孢桿菌對玉米秸稈進行有效降解，發酵后，纖維素、半纖維素和木質素的降解率可達35.42%、17.47%和20.19%。Ali 等[28]發現，使用枯草芽孢桿菌發酵大豆，能夠顯著提高其TPC、總氨基酸、DPPH、ABTS自由基清除活性和棕櫚酸、硬脂酸、亞麻酸含量；發酵后的大豆，鈣、鐵、鈉和鋅含量分別從1 481.38、41.38、32.82、48.01 mg/kg 提高到1 667.32、317.00、310.07、73.18 mg/kg。

3.2.2 在家禽養殖中的應用效果

芽孢桿菌發酵飼料飼喂家禽可有效提高其生長性能和生產性能，改善家禽的體成分組成和腸道菌群區系平衡，提高其抗氧化能力和免疫能力。Ashayerizadeh 等[29]研究表明，芽孢桿菌發酵菜籽粕飼喂肉仔雞能夠提高其增重率和飼料轉化率，降低其血清甘油三酯、極低密度脂蛋白和膽固醇濃度；此外，發酵菜籽粕降低了肉雞腿肌中膽固醇和丙二醛濃度、總飽和脂肪酸含量，提高了其總不飽和脂肪酸含量；與對照組相比，乳腺和大腿肌肉的總超氧化物歧化酶活性和總抗氧化能力顯著提高。Chen等[30]研究表明，蘭德斯鵝飼喂枯草芽孢桿菌和酵母菌發酵飼料后，其腿肌相對重量、采食量和肝臟比顯著提高，腸道內乳酸桿菌和大腸桿菌含量較對照組顯著提高；此外，其血液膽固醇水平、心臟和肝臟丙二醛含量顯著降低，谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性明顯升高。廉俊紅[31]發現，枯草芽孢桿菌、酵母菌等復合益生菌發酵飼料后，飼喂雪峰烏骨雞，其平均日采食量、粗蛋白和粗脂肪表觀消化率顯著提高，剪切力、蒸煮損失、滴水損失等指標降低，肌肉干物質和粗蛋白含量顯著增加，表明烏骨雞的肉品質得到顯著改善。

3.2.3 在家畜養殖中的應用效果

芽孢桿菌發酵飼料飼喂家畜后，可顯著提高其對營養物質的表觀消化率，促進其腸道的消化吸收，改善生長性能，提高家畜的肉品質和乳品質，維持腸道菌群平衡，增強其抗逆性、抗氧化能力和免疫能力。胡新旭等[32]研究表明，飼喂斷奶仔豬枯草芽孢桿菌、乳酸桿菌等菌種發酵的飼料后，其腹瀉率顯著降低；仔豬腸道內乳酸菌數量顯著提高，大腸桿菌數量明顯降低；與對照組相比，仔豬血清堿性磷酸酶活性和葡萄糖、總蛋白、免疫球蛋白G含量顯著提高，血清尿素氮含量顯著降低；此外，粗蛋白和粗纖維表觀消化率顯著高于對照組。彭忠利等[33]研究表明，用枯草芽孢桿菌、酵母菌和乳酸菌發酵的飼料飼喂山羊后，其日增重顯著提高；粗蛋白、粗纖維、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維的表觀消化率顯著提高；此外，血清尿素氮含量和發病率顯著低于對照組。吳小燕等[34]報道指出，枯草芽孢桿菌、乳酸菌等發酵的飼料能夠提高奶牛的全期產奶量、乳成分含量、乳密度、乳蛋白、乳脂肪和乳糖含量顯著高于對照組，干物質、粗蛋白質和酸性洗滌纖維的表觀消化率顯著提高。Zhe等[35]研究表明，利用芽孢桿菌和腸膜明串珠菌制作發酵飼料飼喂奶牛后，飼糧各養分的表觀消化率顯著提高，其產奶量、乳蛋白質百分比、乳脂率和乳糖DM百分比顯著高于對照組。

3.2.4 在水產養殖中的應用效果

芽孢桿菌發酵飼料可提高水產動物對飼料的利用率，改善生長性能和體成分，提高機體的抗氧化能力和免疫能力。Jiang 等[36]研究表明，用枯草芽孢桿菌、乳桿菌等混合菌發酵豆渣飼喂大口黑鱸后，可顯著提高其末均重、特定生長率、蛋白質效率比，降低其肝體指數、內臟比和肝臟脂質含量；并且，顯著提高血漿中的總蛋白質含量、過氧化氫酶活性、超氧化物歧化酶和堿性磷酸酶活性，降低其丙氨酸氨基轉移酶和天冬氨酸轉氨酶含量；此外，血漿中甘油三酯、總膽固醇、葡萄糖和丙二醛含量顯著降低。Hassaan 等[37]利用枯草芽孢桿菌發酵向日葵粉后發現，其粗蛋白、脂質含量、必需氨基酸含量增加，纖維含量、綠原酸、咖啡酸、植酸和皂苷含量下降；喂養尼羅羅非魚后，其血清中丙氨酸氨基轉移酶和天冬氨酸氨基轉移酶活性、磷、鈣、膽固醇、甘油三酯和高密度脂蛋白含量顯著降低。Rahimnejad 等[38]用發酵豆粕替代魚粉飼喂日本海鱸后發現，未發酵豆粕會顯著降低海鱸的生長速率、蛋白質消化率、干物質消化率，導致其血清總抗氧化能力降低，丙二醛濃度增加；芽孢桿菌發酵豆粕替代魚粉，不會影響海鱸的生長性能，還可提高其血清中溶菌酶和補體C3活性，并降低TNF-α和IL-1β促炎基因的表達，提高抗炎TGF-β基因的表達；即芽孢桿菌發酵豆粕有利地影響了日本鱸魚的飼料利用率，抗氧化能力和先天免疫力。

4 小結

芽孢桿菌在動物養殖中的作用機理越來越清晰，其作用效果也逐步得到了確證。其微生物制劑和發酵飼料在畜禽養殖中也得到了廣泛的應用，作為抗生素和普通飼料的替代品在提升家畜及水生動物生產性能和養殖效益，促進家畜及水生動物健康可持續發展具有深遠意義，能夠有效的解決食品安全、藥物殘留、環境破壞、人畜爭糧等問題。