益生菌對(duì)反芻動(dòng)物生產(chǎn)及降低甲烷排放的研究進(jìn)展

高 尕, 石紅梅,2, 劉漢麗, 才讓鬧日,2, 徐 海,2,丁考仁青,2*, 馬桂琳, 李鵬霞,2, 萬(wàn)瑪吉

(1.甘南藏族自治州畜牧工作站，甘肅 合作 747000；2.甘南綜合實(shí)驗(yàn)站，甘肅 合作 747000)

長(zhǎng)期以來(lái)，反芻動(dòng)物養(yǎng)殖過(guò)程中采用抗生素生長(zhǎng)促進(jìn)劑，通過(guò)限制致病性感染間接提高反芻動(dòng)物生產(chǎn)力[1]。然而，飼料端抗生素對(duì)動(dòng)物健康和環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響(畜產(chǎn)品中藥物殘留以及耐藥病原菌等)，對(duì)消費(fèi)者健康造成嚴(yán)重影響[2]，我國(guó)于2020年禁止在家畜飲食和疾病預(yù)防中使用非治療用抗生素作為生長(zhǎng)促進(jìn)劑。因此，尋找新型飼料添加劑來(lái)替代此類抗生素已經(jīng)成為防止畜禽疾病發(fā)生，提高動(dòng)物生產(chǎn)能力的重要研究方向。瘤胃微生物群落在宿主的能量攝入、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存效率中發(fā)揮著重要作用。飼糧發(fā)酵效率取決于棲息在瘤胃中的微生物群結(jié)構(gòu)。大量研究證明，飼糧組成、飼養(yǎng)方式和飼料添加劑等顯著影響反芻動(dòng)物瘤胃微生物群的組成和功能[3-4]。因此，當(dāng)前畜牧業(yè)養(yǎng)殖中益生菌作為新型飼料添加劑以替代飼用抗生素[5]。益生菌能夠抑制致病菌增殖，提高反芻動(dòng)物干物質(zhì)采食量和飼料轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而提高營(yíng)養(yǎng)利用效率和生產(chǎn)性能，減少甲烷的產(chǎn)生降低能量損失，同時(shí)能夠刺激和激活免疫細(xì)胞，促進(jìn)反芻動(dòng)物的生長(zhǎng)性能和健康。

1 反芻動(dòng)物瘤胃微生物的組成

反芻動(dòng)物瘤胃中存在大量微生物，這些微生物在動(dòng)物健康和生長(zhǎng)發(fā)育等方面發(fā)揮著重要作用。瘤胃是目前已知最高效的天然纖維素降解系統(tǒng)之一，其內(nèi)部具有數(shù)目龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微生物群落。瘤胃微生物主要包括細(xì)菌、古菌、真菌以及原蟲(chóng)，其中細(xì)菌數(shù)量最多約為1010～1011個(gè)/g[6]，細(xì)菌在植物纖維降解中發(fā)揮著積極的作用，與飼料降解相關(guān)的細(xì)菌占微生物種群總數(shù)的近50%～75%[7]。真菌數(shù)量約為103～106個(gè)/g[8]，厭氧真菌降解飼料顆粒中的木質(zhì)纖維素成分。厭氧真菌不僅能分泌降解天然木質(zhì)纖維素的酶，而且可組裝成具有高效催化活性的多酶復(fù)合體[9]。瘤胃甲烷菌為109個(gè)/g，產(chǎn)甲烷古菌在瘤胃生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著特殊的作用，主要通過(guò)氫營(yíng)養(yǎng)型(約占75%)和甲基營(yíng)養(yǎng)型途徑(約占20%)產(chǎn)生甲烷[10]。纖毛蟲(chóng)原生動(dòng)物的種群數(shù)量分別為104～106個(gè)/g[11]，瘤胃中原生動(dòng)物通過(guò)與其他瘤胃微生物群落相互作用影響CH4和其他瘤胃發(fā)酵終產(chǎn)物的數(shù)量[12]。

2 益生菌

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織將益生菌定義為：給予一定數(shù)量的、能夠?qū)λ拗鹘】诞a(chǎn)生有益作用的活的微生物[13]。益生菌選擇性地刺激腸道微生物菌群(特別是內(nèi)源性益生菌)的生長(zhǎng)與活性，來(lái)維護(hù)腸道微生物平衡，防止腸道病原體在腸道定植，增加宿主消化能力，降低胃腸道pH值，并對(duì)宿主健康產(chǎn)生影響。益生菌主要分為酵母菌和細(xì)菌兩大類。

2.1 酵母菌

酵母(Saccharomycescerevisiae)是反芻動(dòng)物飼料添加中最常見(jiàn)的益生菌之一，其在穩(wěn)定瘤胃內(nèi)環(huán)境以及充分發(fā)揮微生物菌群(特別是纖維分解菌)功能方面具有重要作用[14]。酵母能夠?yàn)榉雌c動(dòng)物提供有機(jī)酸和維生素，以刺激乳酸菌(Lacticacidbacteria，LAB)的生長(zhǎng)[5]，通過(guò)維持瘤胃pH穩(wěn)定，增加纖維素分解菌的數(shù)量來(lái)改善瘤胃代謝，并通過(guò)消耗瘤胃中的氧為厭氧菌提供有利生存環(huán)境[15]。

2.2 細(xì) 菌

研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌益生菌可提高反芻動(dòng)物干物質(zhì)采食量、飼料轉(zhuǎn)化效率、日增重以及產(chǎn)奶量和乳脂含量[16]。細(xì)菌益生菌可通過(guò)分泌細(xì)菌素刺激免疫系統(tǒng)，阻斷病原菌的生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)胃腸道微生物平衡[5]。細(xì)菌益生菌主要包括芽孢桿菌(Bacillus)，雙歧桿菌(Bififidobacterium)、腸球菌(Enterococcus)、反芻月形單胞菌(Selenomonasruminantium)、乳酸桿菌(Lactobacillus)、費(fèi)氏丙酸桿菌(Propionibacteriumfreudenreichii)、埃氏巨球型菌(Megasphaeraelsdenii)和布氏普雷沃氏菌(Prevotellabryantii)等[17]。其中反芻月形單胞菌，埃氏巨型球菌和費(fèi)氏丙酸桿菌等屬于瘤胃中的可直接飼喂微生物(direct feeding microorganism，DFM)，這類細(xì)菌對(duì)瘤胃微生物群落有更強(qiáng)的適應(yīng)能力[18]。目前，牛胃腸道中已被鑒定的主要細(xì)菌占整個(gè)群落的90%[19]，其中的少數(shù)群體具有作為DFM的潛力[20]。例如，瘤胃中白瘤胃球菌(Ruminococcusalbicans)和黃瘤胃球菌(Ruminococcusflavanum)可提高瘤胃纖維消化能力[9]。復(fù)合乳酸菌顯著降低了牛瘤胃pH值，提高牛血液中膽固醇、白蛋白和尿素氮含量以及干物質(zhì)采食量[21]。

3 益生菌改善反芻動(dòng)物生產(chǎn)性能

3.1 益生菌對(duì)牛的發(fā)酵性能的影響

瘤胃發(fā)酵主要依賴于其微生物之間以及微生物與宿主之間的相互作用。pH是瘤胃發(fā)酵的重要指標(biāo)，維持瘤胃pH穩(wěn)定能夠降低瘤胃酸中毒的風(fēng)險(xiǎn)。酵母(主要是釀酒酵母)是常用于奶牛的益生菌，而產(chǎn)乳酸細(xì)菌(腸球菌、乳酸桿菌)則多用于成年反芻動(dòng)物，能夠維持乳酸水平的穩(wěn)定，同時(shí)可以降低瘤胃酸中毒的風(fēng)險(xiǎn)，釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)為瘤胃微生物提供生長(zhǎng)所需的有機(jī)酸、寡糖、維生素B和氨基酸[22]，并通過(guò)影響瘤胃發(fā)酵，提高反芻動(dòng)物的生產(chǎn)性能及飼料效率[23]。埃氏巨型球菌(Megasphaeraelsdenii)或丙酸桿菌屬(Propionibacteriumspecies)能夠利用乳酸，作為DFM以避免瘤胃乳酸的積累[24]。活性干酵母菌株通過(guò)刺激纖毛蟲(chóng)原生動(dòng)物迅速吞噬淀粉，從而有效地與分解淀粉的產(chǎn)乳酸菌競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而維持瘤胃pH穩(wěn)定[25]。Desnoyers等[26]通過(guò)定量Meta分析證明添加酵母能夠顯著增加瘤胃pH值及VFA含量。飼料中添加活酵母能對(duì)動(dòng)物的平均日增重和采食量的影響存在差異[27-28]，可能是由于反芻動(dòng)物瘤胃中原始微生物組成的差異，微生物具有不同的pH耐受性，例如，纖維溶解細(xì)菌通常比糖化細(xì)菌對(duì)pH值更加敏感[29]。

3.2 提高采食量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率

Chaucheyras-Durand等[30]研究表明飼料添加益生菌(酵母SC I-1077)減少了泌乳奶牛的采食間隔，有助于維持瘤胃pH穩(wěn)定并刺激飼料采食量和養(yǎng)分消化率，從而增加瘤胃纖維降解率。Bach等人[31]觀察到，在日糧中添加活酵母，顯著增加奶牛的采食頻率。此外，Bitcourt[32]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加活酵母的奶牛DMI采食量和中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)消化率分別比對(duì)照組提高了3.2%和10%，而干物質(zhì)消化率(dry matter digestibility，DMD)和有機(jī)物消化率(organic matter，OMD)分別提高了2.7%和2.3%。Gaafar等[33]在飼糧中添加面包酵母，水牛的干物質(zhì)(dry matter，DM)和有機(jī)物(organic matter，OM)消化率分別提高了2.7%和3.2%，粗蛋白質(zhì)(crude protein，CP)和粗纖維(crude fiber，CF)分別提高了2.8%和4.9%。成年反芻動(dòng)物的益生菌主要用于改善瘤胃微生物對(duì)木質(zhì)纖維素降解消化。這些益生菌對(duì)多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化過(guò)程都有積極的影響，特別是纖維素水解和微生物蛋白的合成?；罱湍柑岣吡?4%的青貯飼料消化率[34]。添加酵母的飼料引起奶牛瘤胃中乳酸利用菌(如Megasphaera和Selenomonas)以及纖維溶解菌(Fibrobacter和Ruminococcus)的相對(duì)豐度增加，表明酵母能夠有效改善瘤胃纖維素溶解活性[35]。此外，Guedes等[34]研究發(fā)現(xiàn)添加活酵母后，奶牛對(duì)玉米青貯飼料的瘤胃纖維降解青貯飼料的消化率提高了24%?；罱湍改軌蛲ㄟ^(guò)增加纖維分解細(xì)菌和真菌在植物表面的定植，提高纖維在奶牛瘤胃中的降解率[36]。MIR等則發(fā)現(xiàn)添加活酵母對(duì)犢牛瘤胃中DM或NDF降解沒(méi)有顯著影響[37]，因此,酵母菌并不是在任何條件下都有益于宿主營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化，仍需要對(duì)益生菌與瘤胃微生物互作機(jī)制進(jìn)行研究。

3.3 提高飼料轉(zhuǎn)化率和生長(zhǎng)性能

有報(bào)道稱，益生菌具有提高飼料利用效率、促進(jìn)消化酶的分泌以及瘤胃的發(fā)育，減少氨及甲烷等有害氣體的產(chǎn)生等功能[38]。De Ondarza等人[39]研究表明，14種不同類型的活酵母提高奶牛約3%的飼料轉(zhuǎn)化率。此外，1.1×108cfu/kg的詹氏丙酸桿菌(Propionibacteriumjensenii702)分別增加犢牛的8.2 kg斷奶重和16.4 kg總重[40]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)添加酵母培養(yǎng)物的飼料導(dǎo)致荷斯坦?fàn)倥５钠骄赵鲋亍嗄糖?、斷奶重分別提高13.5%，11.03%以及20.94%[41]。同樣，Mudgal和Baghel[42]發(fā)現(xiàn)水牛犢牛采食添加嗜酸乳桿菌的飼糧，體重增加了31.4%。Mosoni等人[43]研究發(fā)現(xiàn)，添加活酵母的飼糧會(huì)使牛瘤胃中的琥珀酸纖維桿菌(Fibrobactersuccinogenes)和黃色瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)的數(shù)量分別增加了45%和85%。酵母菌可能是通過(guò)影響瘤胃微生物相對(duì)豐度以及其活性，從而增加瘤胃纖維降解效率。大量研究表明，在飼料中添加益生菌提高了反芻動(dòng)物的飼料消化率以及生產(chǎn)性能[44-45]。雖然過(guò)去的研究結(jié)果表明飼料中添加益生菌有助于反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵，但仍然沒(méi)有確鑿的證據(jù)表明在任何條件下都是有益的[27]。益生菌在瘤胃中的作用機(jī)制尚不明晰，仍需要對(duì)其機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3.4 增加產(chǎn)奶量

飼料中添加益生菌能夠改善動(dòng)物的健康狀況，提高反芻動(dòng)物的產(chǎn)奶性能[46]。采食添加酵母飼料的荷斯坦奶牛與對(duì)照組相比，產(chǎn)奶量增加了1.1 kg/d(提高約8%)[47]，乳脂(每天53 g/頭)和乳蛋白(每天41.7 g/頭)顯著高于對(duì)照組(每天47 g/頭和每天38.7 g/頭)。另一項(xiàng)研究表明，每1飼料中添加0.25 g的活酵母，奶牛的日平均產(chǎn)奶量增加4.1%[48]。Ayad等[49]報(bào)道添加酵母益生菌使奶牛在前6周產(chǎn)奶量提高了23%，泌乳高峰平均延長(zhǎng)1周。飼糧中添加酵母對(duì)奶牛泌乳的改善程度可能取決于其所處的泌乳階段，根據(jù)Majdoubm-Mathlouthi等[50]的研究，在泌乳早期飼喂酵母能夠顯著提高奶牛泌乳時(shí)間和產(chǎn)奶量。每頭牛飼糧中添加酵母(1×1010cfu/d)的荷斯坦奶牛與對(duì)照組相比，牛奶產(chǎn)量增加3%，牛奶中乳蛋白和乳糖分別提高3.3%和4%，但乳脂含量與對(duì)照組無(wú)顯著差異[32]。因此，酵母益生菌會(huì)引起奶牛產(chǎn)奶性能的差異可能是受到飼糧類型、酵母種類和添加劑量以及試驗(yàn)動(dòng)物的生理和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等因素的影響。

3.5 益生菌減少反芻動(dòng)物產(chǎn)甲烷

飼糧中添加酵母能夠減少瘤胃發(fā)酵過(guò)程中甲烷(CH4)氣體的形生成[51]。研究表明，酵母降低肉牛瘤胃中的CH4產(chǎn)量，而對(duì)揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)沒(méi)有顯著影響[52]。大量研究證明利用DFM或益生菌調(diào)控瘤胃生態(tài)系統(tǒng)，是降低瘤胃甲烷產(chǎn)量的有效途徑之一。DFM可以通過(guò)抑制產(chǎn)甲烷菌或甲烷營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌和二氧化碳營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌等方式影響甲烷生成。酵母菌通過(guò)刺激產(chǎn)乙酸菌與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2，從而減少CH4的形成[23]。Kim等[53]研究表明，直接添加乙酸菌也可降低反芻動(dòng)物CH4產(chǎn)量。在瘤胃體外發(fā)酵系統(tǒng)中添加6×106cfu的活酵母處理組CH4產(chǎn)量降低17.2%[54]。瘤胃中乙酸酯的生成途徑是一種公認(rèn)的H2利用機(jī)制，它與甲烷生成同時(shí)存在于瘤胃中，這種機(jī)制不僅可以減少CH4的產(chǎn)量，而且其產(chǎn)物乙酸酯可作為動(dòng)物的能量來(lái)源。瘤胃中的H2是產(chǎn)CH4的關(guān)鍵前體，丙酸的代謝途徑會(huì)利用瘤胃中的H2[55]。瘤胃中琥珀酸途徑是生產(chǎn)丙酸的主要途徑，其中蘋(píng)果酸、富馬酸和琥珀酸作為中間產(chǎn)物形成[56]。在這一途徑中，富馬酸還原菌(如琥珀酸沃林氏菌，Wolinellasuccinogenes)、產(chǎn)琥珀酸菌(如琥珀酸纖維桿菌，F(xiàn)ibrobactersuccinogenes)和琥珀酸利用菌(如反芻硒單胞菌，Selenomonasruminantium)等細(xì)菌的混合也參與其中。Mamuad等[57]報(bào)道富馬酸還原菌改變瘤胃微生物群落，促進(jìn)瘤胃發(fā)酵，降低體外CH4產(chǎn)量。在體外實(shí)驗(yàn)中，隨著瘤胃VFAs總量的增加，添加產(chǎn)富馬酸還原酶腸球菌(EnterococcusfaeciumSROD)也降低了CH4的生成[58]。瘤胃中硫酸鹽還原途徑與甲烷生成途徑同樣存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但硫酸鹽的最終產(chǎn)物是有毒的硫化氫(H2S)[59]。只有當(dāng)硫酸鹽作為飼料添加劑添加時(shí)，硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria，SRB)才能促進(jìn)硫酸鹽的還原，降低甲烷的生成。SRB在厭氧環(huán)境中，與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2、甲酸和乙酸。例如，使用Fusobacteriumsp.作為益生菌，在體外實(shí)驗(yàn)條件下，高水平硫酸鹽飼糧降低了CH4產(chǎn)量，在72 h時(shí)CH4產(chǎn)量從2.66 mmol/g DM降低到1.64 mmol/g DM，終產(chǎn)物H2S在瘤胃中沒(méi)有積累[60]，而在硫酸匱乏的環(huán)境中，硫酸鹽還原菌成為氫氣的生產(chǎn)者[61]。結(jié)果表明硫酸鹽還原菌(SRB)與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系很大程度上取決于瘤胃中硫酸鹽含量。因此，益生元與益生菌混合使用時(shí)，需控制兩者之間的配比。

4 展 望

益生菌在畜牧生產(chǎn)和人類健康等方面發(fā)揮著重要作用。目前大量研究表明，益生菌通過(guò)影響牛胃腸道微生物區(qū)系，增加瘤胃環(huán)境的穩(wěn)定性、抑制胃腸道致病菌的生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞、改善纖維降解和發(fā)酵，但對(duì)瘤胃微生物群落的動(dòng)態(tài)和功能的影響還需要更詳細(xì)的研究。腸道菌群的結(jié)構(gòu)和活性，腸道菌群之間的功能相互作用，以及微生物與宿主細(xì)胞之間的關(guān)系，是研究益生菌的基礎(chǔ)。通過(guò)多組學(xué)技術(shù)對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃進(jìn)行全面的研究，評(píng)估益生菌在改善反芻動(dòng)物生產(chǎn)性能的可持續(xù)性，對(duì)提高反芻動(dòng)物生產(chǎn)性能以及益生菌潛在能力的挖掘具有重要意義。