動物微生態制劑的研究進展與應用前景
飼料中抗生素濫用問題日益突出，造成養殖動物的抗病性降低、致病菌耐藥性增強、產品中藥物殘留、危害食品安全等問題嚴重制約了養殖業的發展。當前西方發達國家對使用抗生素的限制越來越嚴，對我國出口動物產品的藥物殘留限制提出了更嚴格的要求，特別是動物源性食品中抗生素殘留的檢出，已成為世界肉類貿易中重要的技術指標和技術壁壘之一。 因此，開發應用無藥殘的新型飼料添加劑已迫在眉睫。
微生態制劑的開發與利用恰恰解決了上述問題。微生態制劑(Microecological Preparation)又叫益生素、生菌劑、促生素、利生素、活菌制劑，是在微生物理論指導下，對宿主有益的活性微生物及其代謝產物和促生長物質的制劑。微生態制劑是利用微生物之間的相互拮抗、共生和互生的關系，以及這些微生物所具有的產酸，降解蛋白質，分解糖和脂肪，降解 NH3和H2S等功能而發揮其抑制病原微生物，分解飼料中蛋白質為多肽或氨基酸，降解水中殘留的氨氮和亞硝酸鹽等。它是一種天然的生物活性制劑，無毒副作用、無耐藥性、無藥物殘留，通過促進腸道內有益微生物的生長，抑制有害微生物的生長繁殖，來調整維持胃腸道內的微生態平衡，達到預防疾病和促進生長的目的。同時，這些微生物還可產生促生長因子、多種消化酶和維生素，進而促進營養物質的消化、吸收及動物的生長繁殖。此外，這些微生物還能產生免疫調節因子和干擾素等免疫活性物質，刺激腸道局部免疫器官的生長發育，增強機體免疫力，從而防止各種疾病的發生，是一類新型綠色環保藥物，有望替代抗生素。
最早研究和應用畜禽微生態制劑的歷史可以追溯到1947年，蒙哈德首先發現使用乳酸桿菌飼喂仔豬可有效的增加仔豬的體重并改善仔豬的身體健康。20世紀70年代，美國率先使用微生態制劑，使用效果非常明顯，顯現出抗生素無法比擬的優點。80年代，微生態制劑開始在世界范圍內普及，并逐漸被世人所認可。特別是近十年來，微生態制劑的發展尤其迅速。美國FDA規定：允許用作益生素的微生物有42種。我國農業部(2003) 公布的的可直接飼喂動物的飼料級微生物添加劑菌種有枯草芽孢桿菌、干酪乳桿菌、乳酸乳桿菌、蠟樣芽孢桿菌、乳酸球菌和酵母菌等15種。
理想的微生態制劑的菌株應具有以下幾個特征：
① 對宿主無害，不與病原微生物雜交;
② 對膽汁及強酸具有強耐受性;
③ 發酵過程產生抑制菌物質及乳酸等代謝產物;
④ 在體內易增殖;
⑤ 加工處理后仍有高存活率;
⑥ 即使混合在飼料中室溫下也能存活很久等。
1動物微生態制劑的分類
廣義地說，微生態制劑包括動物微生態制劑和植物微生態制劑。動物微生態制劑既包括正常微生物成員，尤其是優勢種群的活菌制劑，還包括一些能促進正常微生物群生長繁殖的物質所制備的制劑，其能產生一定的生物效應或生長態效應，如益生元。
動物微生態制劑分類方法較多，但常用的分類有以下幾種方式：
1.1 根據微生態制劑使用的菌種類型，主要分為單一菌類和復合微生態制劑兩大類，其中單一菌類微生態制劑又包括以下四種類型：
1.1.1 乳酸菌類微生態制劑
主要有嗜酸乳桿菌、雙歧乳桿菌和糞鏈球菌等，是一種可分解糖類產生乳酸的革蘭氏陽性菌，厭氧或兼性厭氧生長。乳酸菌在維持消化道的正常微生物群系的穩定性方面起著決定性的作用，缺點是大部分乳酸菌的耐熱能力比較差，易導致產品質量不穩定，進而影響飼喂效果。據報道，乳酸菌不耐高溫，經 80℃ 處理 5min，將損失 70%～80%;但耐酸，在 pH 3.0～4.5 時仍可生長，對胃中的酸性環境有一定耐受性。在動物體內通過生物拮抗降低pH，阻止和抑制致病菌的侵入和定植;降解氨、吲哚及糞臭素等有害物質，維持腸道中正常的生態平衡;活菌體和其代謝產物中含有較高的超氧化物歧化酶(SOD)，能消除氧自由基的不利作用，增強體液免疫和細胞免疫。研究發現，乳酸菌在魚體腸道定植，可抵抗革蘭氏陰性致病菌，增強抗感染能力，增加腸黏膜的免疫調節活性，促進生長。乳酸菌可用于哺乳和斷乳期動物的飼料中。
1.1.2 芽孢桿菌類微生態制劑
主要有地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、東洋芽孢桿菌等，是一類好氧菌。在一定條件下產生芽孢，由于芽孢的特殊結構使芽孢桿菌對干燥、高溫高壓、氧化、強酸強堿、擠壓等不良環境的抵抗力很強，產品穩定性高，并且具有很強的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性，在腸道發芽生長具有多種有效的酶促效應。
1.1.3 酵母類微生態制劑
主要有啤酒酵母、產朊假絲酵母、釀酒酵母、紅色酵母等，酵母細胞富含蛋白質、核酸、維生素和多種酶，具有增強動物免疫力，增加飼料適口性，促進動物對飼料的消化吸收能力等功能，可提高動物對磷的利用率，可以用來發酵生產飼用單細胞蛋白。
1.1.4 光合細菌類微生態制劑
是一類有光合作用能力的異養微生物，主要利用小分子有機物合成自身生長繁殖所需要的各種養分，富含蛋白質、B族維生素、輔酶Q、抗活性病毒因子等多種生物活性物質及類胡蘿卜素、番茄紅素等天然色素。光合細菌菌體蛋白中多種必需氨基酸的含量高于酵母菌。光合細菌在改善水體環境，促進水產動物生長，改善色澤等方面有良好的作用。
1.1.5 復合微生態制劑
相比較前四種由單一菌種組成的微生態制劑，復合微生態制劑是由多種菌按照一定比例復合配制而成，能適應多種條件和宿主，具有防病治病、促生長、提高飼料轉化率等多種功能。
1.2 按動物微生態制劑的用途分類，主要分為以下三類：
1.2.1 微生態治療劑
主要由乳酸菌、雙歧桿菌等種、屬菌株組成，具有很強地調整消化道內環境和微生物區系平衡的作用，主要用于預防和治療消化機能紊亂和消化道感染。
1.2.2 微生態促生長劑
主要由真菌、酵母、芽孢桿菌等具有很強消化能力的種、屬菌株組成，在消化道中能產生多種消化酶、豐富的B族維生素、維生素K、未知生長因子和菌體蛋白等，可起到輔助消化、促進生長的作用。
1.2.3 微生態多功能劑
由多種、屬菌株配合而成，具有一定整腸保健、防治疾病作用，又有較好的輔助消化、促進生長等作用。
1.3 根據微生態制劑的物質組成，可分為益生素、益生元及合生元。
1.3.1 益生素
是指改善宿主微生態平衡而發揮有益作用，達到提高宿主健康水平和健康狀態的活菌制劑及其代謝產物。益生素在動物腸道內通過自身生長繁殖抑制有害細菌的生長，增強非特異性免疫功能，達到防治疾病、促進生長和提高飼料報酬的目的。
1.3.2 益生元又叫化學益生素
是一種不能被宿主消化吸收，也不能被腸道有害菌利用，只能被有益微生物選擇性吸收利用或能促進有益菌的活性(或繁殖)的一類化學物質。它能選擇性促進腸內有益菌群的活性或生長繁殖，起到增進宿主健康和促進生長的作用。
1.3.3 合生元
是益生菌和益生元按一定比例結合的生物制劑，能同時發揮二者的共同作用。合生元結構合理，效果更加優越，成為微生態制劑開發的主要方向。
2動物微生態制劑的作用機理
微生態制劑進入腸道后會與其中的正常菌群相互作用，產生共生、棲生、競爭或吞噬等復雜關系，因此，作用機理相當復雜。
目前認為其作用機理主要有以下幾點：
2.1 優勢種群作用
正常微生物與動物和環境之間所構成的微生態系統中，優勢種群對整個微生物群起決定作用，一旦失去了優勢種群，則原微生態平衡失調，原有優勢種群發生更替。正常情況下，動物腸道內需氧菌及兼性厭氧菌只占1%，優勢種群為厭氧菌占99% 以上， 其中主要是擬桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌、消化桿菌、優桿菌等。如該優勢種群發生更替，上述專性厭氧菌顯著減少，而需氧菌和兼性厭氧菌顯著增加，此時使用微生態制劑，有利于厭氧菌的生長，抑制需氧菌和兼性厭氧菌的繁殖，恢復微生態平衡，擬桿菌、雙歧桿菌等優勢種群逐漸增加至恢復正常，而需氧菌和兼性厭氧菌等逐漸降低至保持原有狀態，達到防治疾病的目的。
2.2 生物奪氧作用
動物腸道內的有益菌為厭氧菌，若氧氣含量升高，則引起需氧菌和兼性厭氧菌的大量繁殖，不利于維持微生態平衡。大量研究表明，一些需氧菌微生物制劑，特別是芽孢桿菌能消耗腸道內的氧氣，造成厭氧環境，有助于厭氧微生物的生長，從而使失調的菌群平衡調整恢復到正常狀態，達到治病促生長之目的。
2.3 生物拮抗作用
有益微生物在體內對病原微生物有生物拮抗作用，可競爭性抑制病原微生物粘附到腸粘膜上皮細胞上，同病原微生物爭奪有限的營養物質和生態位點，并將其驅除定植地點，從而不利于病原微生物的生長繁殖。
2.4 增強機體的免疫功能
研究表明，乳酸桿菌以某種免疫調節因子的形式起作用，刺激腸道某種局部型免疫反應，提高機體抗體水平或巨噬細胞的活性，增強機體免疫功能;芽孢桿菌能促進腸道相關淋巴組織，使之處于高度反應的“準備狀態”，同時使免疫器官的發育增快，免疫系統的成熟度快而早，T、B淋巴細胞的數量增多使動物的體液和細胞免疫水平提高，增強機體抗病能力。益生菌能夠刺激動物產生干擾素，提高免疫球蛋白濃度和巨噬細胞活性，增強機體體液和細胞免疫功能，防止疾病的發生。
2.5 產生有益代謝產物及抗菌物質
有益微生物尤其是乳酸菌進入腸道后產生乳酸，芽孢桿菌進入動物腸道能夠產生乙酸、丙酸和丁酸等揮發性脂肪酸，降低腸道pH值，抑制致病菌的生長，激活酸性蛋白酶活性。對新生畜禽有益的某些乳酸桿菌、鏈球菌、芽孢桿菌等，在代謝過程中可產生一些抗菌物質如嗜酸菌素、乳糖菌素、桿菌肽、伊短菌素等，可抑制病原菌在腸道內生長繁殖。
2.6 合成酶類及營養物質
有益微生物在體內可產生各種消化酶，從而提高飼料轉化率。芽孢桿菌具有很強的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性，可降解飼料中的某些抗營養因子，提高飼料轉化率可達8% 以上;促進生長有益微生物在腸道內生長繁殖，產生各種營養物質如維生素、氨基酸、未知促生長因子等，參與機體的新陳代謝，促進動物生長。
2.7 防止產生有害物質，改善機體環境
當機體內微生態平衡失調時，大腸桿菌比例增高，分解蛋白質產生氨、胺、細菌毒素等有毒物質，微生態制劑可顯著降低大腸桿菌、沙門氏菌數量，抑制病原菌，從而恢復微生態平衡。某些有益微生物如芽孢桿菌，在腸道內可產生氨基氧化酶及分解硫化物的酶類，從而降低血液及糞便中氨、吲哚等有害氣體濃度，改善機體內的環境。
3微生態制劑在養殖業中的應用
3.1 在雞方面的應用
對雞使用微生態制劑后，可以提高雞的生產性能、飼料轉化率，改善禽舍環境，減少環境污染，提高免疫力，降低死亡率。呂景旭等(1998)用益生素(含蠟樣芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌)飼喂肉仔雞，在0～3周齡，試驗組日增重比對照組高4.9%; 在4～7周齡日增重比對照組高2.58%。井岡等(2003)在商品蛋雞中添加微生態制劑，結果試驗組蛋雞產蛋比對照組提高了5.35%，料蛋比提高了9.52%，平均蛋重提高了2.95%，死淘率降低了68.18% 。羅世明等(1989)從正常雛雞群中分離到了3株雛雞乳桿菌，用它和酵母菌混合制成菌劑，可以顯著地提高日增重和飼料轉化率，并對白痢的防治效果明顯。
3.2 在豬方面的應用
在豬的日糧或飲水中添加微生態制劑可以提高日增重、飼料轉化率，促進生長發育，防治仔豬下痢和提高仔豬成活率，提高養殖效益。朱萬寶等(1994)將主要含蠟狀芽孢桿菌、糞鏈球菌等4種的復合益生菌劑加入斷奶仔豬飼料，結果表明用復合益生菌劑的試驗組可減少飼料消耗，提高增重及減少藥物開支，每頭豬直接增加經濟效益5.96元。 李強等(2003)在斷奶仔豬日糧中添加0.5%的微生態制劑，與對照組相比，日增重提高了11.4%，腹瀉率降低了15%。楊林等(2003) 研究表明，微生態制劑能不同程度地提高仔豬的平均日增重，顯著降低仔豬的腹瀉率(P<0.05)。
3.3 在反芻動物方面的應用
微生態制劑能夠改善反芻動物瘤胃發酵環境，提高飼料的消化和利用效率，提高反芻動物生產性能。王世榮等(2003)用由酵母菌、乳酸菌和芽孢桿菌復合菌組成的粉劑飼喂奶牛，試驗組比對照組產奶量增加7.26%。岳壽松等(2003)在黑白花奶牛試驗組日糧中添加50g微生態制劑，試驗組比同期對照組產奶量增加7.26%。那日蘇等(2004)用酵母培養物對放牧補飼綿羊做對比試驗，結果使日增重提高11.1%。
3.4 在水產養殖方面的應用
微生態制劑不僅可以抑制水產病原微生物的生長和繁殖，提高養殖對象的抗病力，而且能利用水環境中過多的有機物合成菌體物質，從而降低環境中氨氮、亞硝酸氮、硫化氫等有害有毒物質的含量，增加溶氧的含量，凈化水產動物生存環境。劉淇等(2003)用活菌生物凈水劑進行的南美白對蝦飼養試驗結果表明：該微生態制劑產品顯著提高對蝦成活率，試驗組平均成活率為87.3%，而對照組為80.5% 。劉克琳等(2000)用有益芽孢桿菌投喂鯉魚，試驗結果表明對鯉魚免疫器官的發育有一定的促進作用。張慶等(1999)每隔25天向羅非魚養殖水體中添加以芽孢桿菌為主的微生物復合菌劑，此制劑能有效降低氨氮與亞硝酸鹽的含量，維持和營造良好的水質條件，促進羅非魚的生長。
4動物微生態制劑存在的問題
微生態制劑應用廣泛，兼有養生和保護功能，能起到“已病輔治、未病防病、無病保健”的重要作用。目前，對微生態制劑的開發和研究，國外已進入高潮，并且形成強大的產業，每年的收入相當可觀。而我國的微生態制劑發展相對緩慢，較國外有很大差距。導致如此情況有以下幾個原因：
① 我國微生態制劑起步較晚，許多微生態制劑尚處在開發和試驗當中，沒有投入到批量生產和實際應用當中去，所以市場上成熟的產品種類較少。
② 目前已確定在我國適宜作微生態制劑的菌種種類太少，尚需開發新的菌種，或利用現有分子生物學等方法改良現有菌種，使之具有新的特性。
③ 關于微生態制劑作用機制的研究進展緩慢，對于各種畜禽腸道正常菌群的組成和相互關系研究不夠清楚，這都將減緩微生態制劑的開發和應用。
④ 微生態制劑的制作和加工工藝手段落后單一，對微生態制劑生產的后處理階段手段匱乏，很難保證微生態制劑在與飼料混合過程中不被其他有害菌污染，無法保證微生態制劑的安全穩定性，其活性也易受外界環境因素的影響。
⑤ 飼料中添加的抗生素對微生態飼料添加劑的殺滅和抑制作用。
⑥ 缺少配套的應用推廣措施，因為微生態制劑的使用有很嚴格的要求，使用不當會導致微生態制劑的效果減弱或消失。沒有專業的售后服務和咨詢措施相配套，給微生態制劑在我國的推廣帶來很大的困難。
而且法律因素也對微生態制劑的發展有很大影響。如果國家嚴格限制在飼料中添加抗生素，將大大加強人們對微生態制劑的研發力度，加快我國微生態制劑產業的發展速度。就目前國際大環境的影響來看，要想保證我國肉、蛋及奶產品的出口，勢必要改善藥物殘留過高的現狀，禁止飼料中添加抗生素勢在必行。
5微生態制劑使用注意事項
5.1 菌種的選擇
動物消化道微生物具有多樣性和特異性，不同動物種類對菌種的要求也不同。同一菌株用于不同的動物，往往產生的效果差異較大。使用時一定要了解菌種的性能和作用，選用合適的菌種，適于單胃動物的益生素所用菌株一般為乳酸菌、芽孢桿菌、酵母等，而適于反芻動物的是酵母菌。
5.2 應用時間與對象
應用時間要早，新生畜禽使用更佳，另外長時間連續飼喂效果更理想。 當動物處于健康、生產性能良好時，添加芽孢桿菌并不能進一步提高動物的生產性能，而只是起到一定的保健作用，而當機體處于疾病，尤其是發生胃腸道疾病時，添加芽孢桿菌能起到較好的治療作用，并改善動物的生產性能。動物的年齡、性別、種類也影響芽孢桿菌的作用效果。
5.3 劑量與濃度
有效的活菌數是影響作用效果的關鍵因素之一。產品中必須含有相當數量的活菌數才能達到效果，但添加過量有時會適得其反，造成飼料成本上升。瑞典規定乳酸菌制劑活菌數要達到 2×1011個/g。德國學者認為仔豬飼料中加入微生態制劑其含菌量應達到0.2～0.5×107個/g飼料，育肥豬飼料中加入每克含106個芽孢桿菌而乳桿菌數量不少于107個/g。我國在正式批準生產的制劑中，對含菌數量和用量也有規定，芽孢桿菌含量≥5×108個/g。
5.4 注意保存條件和保存時間
微生態產品隨著保存時間的延長，活菌數量不斷減少，其速度因菌種和保存條件而異。厭氧菌暴露在空氣中很容易死亡，因此有的產品對其進行了包被處理，或者采用真空包裝，所以在打開包裝后應在規定的時間內用完。
5.5 與抗生素和抗球蟲藥物等的配伍
由于益生菌制劑是活菌，抗生素和化學合成的抗菌劑對其有殺滅作用，因此一般都禁止與之敏感的抗生素如磺胺類或化學類藥物同時使用。另外有報道動物在用抗生素治療疾病后，用益生菌制劑快速恢復胃腸道功能效果很明顯。
6微生態制劑的發展趨勢及應用前景
目前對動物微生態制劑的作用機理了解得還不十分清楚，大多數研究還停留在使用效果水平上，基礎理論方面的研究還遠遠不夠。動物微生態學應與動物營養學和預防醫學密切結合，利用生物技術手段開發出高生產性能的菌種，來提高微生態制劑的飼喂效果，推動行業發展。
今后開發研究微生態制劑的發展趨勢是：
① 從國外開發和使用效果來看，將芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌及光合菌等多種菌復合配制，配制形成復合菌制劑是微生態制劑發展的一種趨勢。復合酶制劑一般都有協同作用，較單一菌株的作用效果要更好。
② 將微生態制劑與分子生物學相結合，利用基因工程技術定向改造有益菌株，將目的基因(蛋氨酸基因、賴氨酸基因、植酸酶基因、蛋白酶基因、淀粉酶基因及抗原基因等)轉到芽孢桿菌中，進行高效表達，使其具有耐酸、耐熱及在動物體內可長期生存等特性;針對某種動物某個階段，研究專用微生態制劑，以保證其使用效果;
③ 將微生態領域與藥學相結合，獲得具有多重耐藥的新菌株，同時這種耐藥性不會通過細菌質粒傳播到正常的腸道菌群中。
④ 工業與生物技術相結合，尋找高效率、高立體選擇性及條件溫和的寡糖合成方法，探索新型糖端基離去基、新的寡糖合成策略及新型保護基的應用。
⑤ 加強益生菌、益生元、抗生素、酶制劑的協同作用與作用機理的研究;通過基因工程手段獲得基因工程益生菌，生產出能永久性定居在腸道的益生菌和多功能性微生態制劑。
⑥ 深入研究微生態制劑對畜禽免疫功能的影響及其作用機制。
⑦ 走將動植物微生態制劑相結合的途徑。比如依靠微生態制劑的噴灑，在鹽堿地上種植牧草類先鋒植物，微生態制劑可提高牧草的耐鹽性和牧草品質，在此基礎上放牧，形成微生物、動物、植物及自然環境間相輔相承的和諧生態圈。
隨著分子生物學的發展，基因工程、微囊工藝、緩釋技術等新技術的應用，微生態制劑在畜牧水產養殖業中將會有更加廣闊的應用前景。
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