功能微生物在生態(tài)健康養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

鄧俊勁，張艷彬，張健玲，劉書欣，俞 婷，牛志凱，王志林，陳 莊

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因研究中心/廣東省農(nóng)作物種質(zhì)資源保存與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.江門海關(guān)技術(shù)中心，廣東 江門 529085）

功能微生物是指具有特定功能和生物活性的微生物，其獨(dú)特、多樣而靈活的作用方式是微生物在長(zhǎng)期與外界環(huán)境和其他生物之間的相互作用中不斷進(jìn)化而形成的，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。近年來隨著分子生物學(xué)、組學(xué)和微量分析技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的新型微生物及其新穎的代謝方式不斷被發(fā)現(xiàn)和闡明，各種具有獨(dú)特功能的微生物也被不斷挖掘和應(yīng)用。隨著最近關(guān)于對(duì)動(dòng)物體內(nèi)最龐大、最復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)—腸道微生物組認(rèn)識(shí)的加深，功能微生物在動(dòng)物養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究也進(jìn)入了新的快速發(fā)展階段。多種功能微生物如芽孢桿菌、乳酸菌和雙歧桿菌等已被廣泛開發(fā)研制成動(dòng)物養(yǎng)殖用微生態(tài)制劑，用于促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、提高飼料利用率和動(dòng)物疫病防治等。

自20 世紀(jì)40 年代以來，抗生素作為促生長(zhǎng)劑被廣泛應(yīng)用于動(dòng)物養(yǎng)殖中。隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化集約化發(fā)展，飼用抗生素的使用量也越來越大。飼用抗生素濫用導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性增強(qiáng)和藥物殘留，相關(guān)食品安全問題已經(jīng)引起人們的重視。自2006 年起，歐盟、美國(guó)和中國(guó)相繼出臺(tái)相關(guān)政策禁止在動(dòng)物養(yǎng)殖中使用抗生素作為促生長(zhǎng)劑。在禁抗限抗的背景趨勢(shì)下，探求新型替抗產(chǎn)品成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)，其中，功能微生物及其引領(lǐng)的生態(tài)健康養(yǎng)殖以綠色、安全、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)今養(yǎng)殖業(yè)的主流發(fā)展方向。在畜牧養(yǎng)殖前端，功能微生物可以發(fā)酵飼料原料，將大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)，并消除抗?fàn)I養(yǎng)因子，提高飼料轉(zhuǎn)化率。在養(yǎng)殖過程中，以功能微生物如益生菌等飼喂動(dòng)物，可以有效調(diào)控動(dòng)物腸道菌群，促進(jìn)有益菌定植，并調(diào)節(jié)動(dòng)物免疫，促進(jìn)動(dòng)物健康生長(zhǎng)，提高綜合生產(chǎn)性能。在養(yǎng)殖環(huán)境中，功能微生物也可有效抑制環(huán)境中的病原菌生長(zhǎng)和養(yǎng)殖臭氣產(chǎn)生。在養(yǎng)殖末端，功能微生物可以實(shí)現(xiàn)糞污、尸體的無害化處理，促進(jìn)動(dòng)物產(chǎn)品加工廢棄物的資源化利用。

雖然目前功能微生物在動(dòng)物養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究很多，但仍缺乏系統(tǒng)性的歸納和分析。本文就功能微生物資源在飼料加工、動(dòng)物腸道健康、養(yǎng)殖環(huán)境控制到養(yǎng)殖廢棄物處理的整個(gè)養(yǎng)殖過程等相關(guān)方面的應(yīng)用及潛在機(jī)制進(jìn)行綜述（圖1），并分析其存在問題和不足，以期為功能微生物在動(dòng)物生態(tài)健康養(yǎng)殖中的進(jìn)一步深入應(yīng)用和相關(guān)機(jī)制的挖掘提供參考。

圖1 功能微生物在生態(tài)健康養(yǎng)殖中的應(yīng)用Fig.1 Application of functional microorganisms in ecological and healthy breeding

1 功能微生物在生物飼料加工中的應(yīng)用

在養(yǎng)殖前端，飼料是基礎(chǔ)和關(guān)鍵，其成本占畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)總運(yùn)營(yíng)成本的2/3 以上。因此，提高飼料轉(zhuǎn)化效率對(duì)提高畜牧養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。相對(duì)于動(dòng)物飼料源，植物飼料源因價(jià)格低廉和獲取難度低而被廣泛使用。但對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物而言，植物飼料源的消化壓力大、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低，因此需進(jìn)一步加工處理。通過功能微生物發(fā)酵處理飼料原料，可以有效降解原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收。同時(shí)，也可降低非常規(guī)飼料原料中有毒有害物質(zhì)，提高飼料利用率和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

1.1 微生物發(fā)酵功能性飼料

豆粕、玉米粕和雜粕作為優(yōu)質(zhì)植物性蛋白源，來源廣泛，營(yíng)養(yǎng)豐富，是主要的常規(guī)飼料原料。但它們含有植酸、胰蛋白酶抑制劑、凝集素和抗原蛋白等多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，影響動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。此外粕中含有大量大分子蛋白、多糖等難以消化的物質(zhì)，也會(huì)對(duì)動(dòng)物的消化系統(tǒng)造成較大壓力。通過功能微生物發(fā)酵可以有效解決這些問題。研究表明，采用釀酒酵母、植物乳桿菌、干酪乳桿菌、枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌5株益生菌對(duì)玉米深加工副產(chǎn)物進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵后，粗蛋白含量可增加14.3%，有機(jī)酸含量也顯著提高［1］。以黑曲霉、木霉和酵母固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈飼料后，粗蛋白含量可增長(zhǎng)10 倍，粗纖維含量從36.2%下降到18.47%［2］。通過豆豉芽孢桿菌DP-2 發(fā)酵豆粕，大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的降解率分別為96.14%和66.51%，可溶性蛋白含量也提高5.46 倍［3］。

生物發(fā)酵飼料在改善動(dòng)物機(jī)體健康和提高動(dòng)物生長(zhǎng)性能方面具有顯著效果，其潛在作用機(jī)制復(fù)雜。首先，飼料中的非淀粉多糖會(huì)增加粘度和降低腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)消化率。由于缺乏內(nèi)源水解酶，非淀粉多糖不能被單胃動(dòng)物消化［4］。因此發(fā)酵過程中可溶性非淀粉多糖的降解改善了營(yíng)養(yǎng)價(jià)值且是提高單胃動(dòng)物性能的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明，與未發(fā)酵原料相比，在飼料中添加發(fā)酵的菜籽粕［5］，小麥［6］，糠麩［7］或大麥［8］可以提高動(dòng)物生產(chǎn)性能，其原因可能是由于發(fā)酵后原料中可溶性非淀粉多糖減少。其次，發(fā)酵飼料具有酸味，可以刺激食欲，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能。以含6%發(fā)酵大豆粉（以嗜熱鏈球菌、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌發(fā)酵）的飼料飼喂斷奶仔豬可以提高平均日增重和平均日采食量［9］。研究表明，發(fā)酵飼料可以降低腸桿菌科［10］和沙門氏菌［11］在胃腸道不同位置的數(shù)量。發(fā)酵飼料含有較多乳酸和短鏈脂肪酸，可以降低腸道pH 值從而抑制病原菌生長(zhǎng)［12-13］。此外，酸的產(chǎn)生和pH 值的降低也可促進(jìn)植酸降解，因?yàn)楣任锘蚨诡悆?nèi)源植酸酶的最適pH 均在4.5～7.5。除內(nèi)源植物植酸酶外，外源微生物植酸酶在發(fā)酵過程中也可有效降解植酸［14］。常用飼料發(fā)酵微生物如乳酸菌、酵母、黑曲霉和曲霉等均可分泌植酸酶、促進(jìn)植酸降解。除降解抗?fàn)I養(yǎng)因子外，發(fā)酵還可以通過形成與植酸競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合礦物質(zhì)的低分子量有機(jī)酸來提高飼料中礦物質(zhì)的生物利用度。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的檸檬酸和乳酸有可能抵消植酸鹽的抑制作用，從而通過在腸道中與鐵和鋅形成可溶性配體來增強(qiáng)宿主對(duì)它們的吸收［15］。

1.2 非常規(guī)飼料原料發(fā)酵

我國(guó)飼料原料資源匱乏，豆粕和玉米等主要飼料大部分依賴進(jìn)口。為減少對(duì)進(jìn)口飼料原料的依賴，需要積極開辟新型非常規(guī)飼料資源。但非常規(guī)飼料普遍存在適口性差、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較低、營(yíng)養(yǎng)成分不均衡且含有多種抗?fàn)I養(yǎng)因子或毒性物質(zhì)等問題。通過微生物發(fā)酵，可以改善非常規(guī)飼料的適口性，提高利用率［16］。近年來，研究者已開發(fā)出許多非常規(guī)飼料，如泔水［17］、桑葉［18］、甜菜渣［19］、酒糟［20］和中草藥等，以滿足養(yǎng)殖市場(chǎng)對(duì)多樣化終端化產(chǎn)品的需求。將發(fā)酵酒糟添加到鴨日糧中，可以提高其最終體重、日均采食量和大腿肌肉產(chǎn)量，且降低料重比［21］。以發(fā)酵羅漢果渣等量替代飼料中的玉米對(duì)黃羽肉雞生長(zhǎng)性能、肉質(zhì)和腸道功能并無不利影響［22］。非常規(guī)飼料除可作為飼料成分的替代成分外，還可以改善動(dòng)物抗病性。在飼料中添加4.0%和6.0%的發(fā)酵桑葉可顯著增強(qiáng)金鯧魚對(duì)哈維弧菌的抵抗能力［23］。也有報(bào)道指出，酶和微生物聯(lián)合發(fā)酵非常規(guī)飼料的效果要優(yōu)于單獨(dú)發(fā)酵。以乳酸菌和纖維素酶聯(lián)合發(fā)酵的青貯飼料飼喂牛，胃中pH 值和氨氮/總氮顯著降低，且干物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的瘤胃降解率顯著提高［24］。但非常規(guī)的飼料仍存在營(yíng)養(yǎng)價(jià)值差異大、發(fā)酵工藝無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)復(fù)合菌種的用量和配伍不清晰等問題，非常規(guī)原料發(fā)酵的代謝產(chǎn)物及其作用機(jī)制也有待深入研究［16］。

2 功能微生物在調(diào)控動(dòng)物腸道健康中的應(yīng)用

在養(yǎng)殖過程中，動(dòng)物健康是影響其生長(zhǎng)性能的關(guān)鍵因素。最近研究發(fā)現(xiàn)，胃腸道除了具有營(yíng)養(yǎng)消化和吸收的生理功能外，也是病原微生物棲息以及動(dòng)物機(jī)體免疫防護(hù)的重要器官。其中，腸道微生物組起至關(guān)重要的作用，它們之間的相互作用極大影響動(dòng)物機(jī)體健康。通過添加功能性微生物可以改善腸道菌群平衡，從而維護(hù)動(dòng)物機(jī)體健康狀況。

2.1 功能微生物調(diào)控動(dòng)物腸道菌群

腸道微生物組是一個(gè)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的微生態(tài)系統(tǒng)，易受多種因素影響。在動(dòng)物幼齡時(shí)期，腸道的初始定殖微生物對(duì)宿主至關(guān)重要，因?yàn)榇藭r(shí)的腸道微生物菌群是不成熟和不穩(wěn)定的，宿主容易受到環(huán)境中的條件致病菌影響。針對(duì)該情況，飼喂功能益生菌可促進(jìn)有益細(xì)菌生長(zhǎng)，能夠迅速占據(jù)腸道中的微生物生態(tài)位，以防止條件致病菌定植而對(duì)宿主健康造成威脅。有研究表明，在飼料或飲水中添加微生物添加劑可保護(hù)幼豬免受感染，并維持腸道健康［25］。據(jù)報(bào)道，復(fù)合益生菌具有高效替抗功能，在飲水中添加復(fù)合益生菌可顯著改善22～56 日齡嶺南黃羽肉雞的生長(zhǎng)性能，并有效降低死淘率［26］。以嗜酸乳桿菌NP51 飼喂牛能顯著降低其糞便中大腸桿菌O157:H7 的數(shù)量［27］。給斷奶山羊飼喂羅伊氏乳桿菌、營(yíng)養(yǎng)乳桿菌、糞腸球菌和雙歧桿菌等復(fù)合菌，可以維持腸道健康并有效減少糞便中沙門氏菌和志賀氏菌等致病菌的數(shù)量［28］。一般來說，功能微生物對(duì)腸道菌群的調(diào)控功能是通過抑制病原體對(duì)腸壁的粘附和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)病原體在環(huán)境中定居至關(guān)重要的營(yíng)養(yǎng)物（底物）來實(shí)現(xiàn)的。

此外，一些功能微生物可以產(chǎn)生直接抑制病原微生物的物質(zhì)，從而減少動(dòng)物體內(nèi)病原微生物數(shù)量而發(fā)揮益生功能。功能微生物產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)主要有兩種，一種是腸道中碳水化合物和蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的代謝物，如揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，另一種是針對(duì)細(xì)胞膜完整性并阻礙質(zhì)子動(dòng)力功能的細(xì)菌素或抗菌肽等。如羅伊氏乳桿菌產(chǎn)生的羅伊氏菌素具有廣譜抗菌性，已被報(bào)道可以有效抑制家禽病原空?qǐng)鰪澢鷹U菌和大腸彎曲桿菌的生長(zhǎng)［29］。Shi 等［30］發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌S5 可以有效抑制沙門氏菌ATCC13076 的生長(zhǎng)，經(jīng)過其無細(xì)胞上清液處理后，沙門氏菌毒力、運(yùn)動(dòng)和粘附相關(guān)基因的表達(dá)顯著降低，運(yùn)動(dòng)能力和生物膜形成顯著減弱，膜結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)也受到破壞。許曉燕等［31］研究發(fā)現(xiàn)，乳酸乳球菌乳亞種NCU036018 可以產(chǎn)生細(xì)菌素并有效抑制金黃色葡萄球菌等病原菌。還有研究發(fā)現(xiàn)干酪乳桿菌會(huì)刺激腸道分泌抗菌肽、清除腸道病原體、保護(hù)機(jī)體腸道屏障［32］。體外表達(dá)重組的抗菌肽也表現(xiàn)出對(duì)腸道致病菌的良好抑制作用。

2.2 功能微生物增強(qiáng)動(dòng)物免疫

功能微生物還可刺激機(jī)體免疫［33-34］，改善動(dòng)物防御和健康狀況。在對(duì)早期斷奶仔豬生長(zhǎng)性能和腸道發(fā)育的研究中，日糧中同時(shí)添加活酵母和超細(xì)酵母粉可提高飼料轉(zhuǎn)化率、促進(jìn)腸道發(fā)育和增強(qiáng)機(jī)體免疫力［35］。Chaucheyras-Durand 等［25］研究發(fā)現(xiàn)，以布拉迪酵母菌或乳桿菌飼喂小豬可促進(jìn)腸道IgA 分泌，抑制產(chǎn)腸毒素大腸桿菌增殖，從而保持小豬健康。Bai 等［36］研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加0.1%或0.2%的益生菌產(chǎn)品可增強(qiáng)1～21 日齡肉雞的腸道T 細(xì)胞免疫，且對(duì)肉雞生長(zhǎng)性能無不良影響。Lee 等［37］研究發(fā)現(xiàn)，肉雞飼喂5×106CFU 芽孢桿菌可降低巨型艾美耳球蟲感染率，胃腸道病變明顯減少。此外，益生菌也可增強(qiáng)動(dòng)物接種疫苗的免疫效果。通過飲水添加益生菌，可增強(qiáng)肉雞接種新城疫疫苗產(chǎn)生的體液免疫反應(yīng)［38］。功能微生物增強(qiáng)動(dòng)物免疫是通過調(diào)節(jié)炎癥因子和抗體產(chǎn)生、增強(qiáng)自然殺傷細(xì)胞和巨噬細(xì)胞活性、調(diào)節(jié)樹突狀細(xì)胞功能和表型、調(diào)控AP-1 和NF-κB 通路、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和一氧化氮釋放來實(shí)現(xiàn)的［39］。如羅伊氏乳桿菌可以激活巨噬細(xì)胞并增強(qiáng)其吞噬和殺死細(xì)胞內(nèi)鼠傷寒沙門菌的能力從而減輕鼠傷寒沙門菌引起的炎癥反應(yīng)，其內(nèi)在機(jī)制可能是一氧化氮產(chǎn)生的調(diào)節(jié)［40］。大部分功能微生物免疫調(diào)節(jié)特性的介質(zhì)是免疫細(xì)胞尤其是輔助T 細(xì)胞，且一般具有菌株特異性［41］。

3 功能微生物在改善養(yǎng)殖環(huán)境中的應(yīng)用

隨著規(guī)模化和集約化畜牧場(chǎng)的發(fā)展，養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境對(duì)動(dòng)物養(yǎng)殖的影響越來越大。養(yǎng)殖動(dòng)物與其生活環(huán)境之間不僅存在物質(zhì)和能量的交換，也存在微生物的交換。動(dòng)物自身攜帶的微生物能夠影響環(huán)境，環(huán)境中存在的微生物也不斷影響動(dòng)物。而在養(yǎng)殖場(chǎng)中，糞便、尿液、飲水和呼吸是動(dòng)物與環(huán)境交流的主要方式和載體。目前養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境控制中的兩個(gè)重要問題是有害微生物和臭味，功能微生物也受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

3.1 功能微生物抑制環(huán)境病原

在環(huán)境病原控制方面，陸生動(dòng)物的養(yǎng)殖環(huán)境較易使用化學(xué)試劑和藥品等處理，因此功能微生物的應(yīng)用較少。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，高密度養(yǎng)殖伴隨的藥物濫用和藥物殘留導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和食品安全問題。水產(chǎn)養(yǎng)殖因其水體環(huán)境特性而難以使用畜禽養(yǎng)殖的方式處理，采用生態(tài)健康養(yǎng)殖模式是確保水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，因此功能微生物在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境控制中發(fā)揮著重要作用。益生菌已被證明能拮抗多種水產(chǎn)動(dòng)物病原體，是遏制水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病問題的一個(gè)很好的解決方案。孫博超等［42］在水體中使用組合益生菌能夠有效抑制弧菌在水體和蝦體內(nèi)的增殖，提高蝦成活率。陳錦豪等［43］也報(bào)道了通過向魚蝦混養(yǎng)池塘中添加益生菌和復(fù)合營(yíng)養(yǎng)劑可顯著降低養(yǎng)殖水體中有害弧菌的濃度，使其遠(yuǎn)低于致病濃度而保證養(yǎng)殖動(dòng)物安全。Santos 等［44］從歐洲海鱸、金頭海鱸和白海鱸中分離出多株功能微生物菌，均具有抗菌、抑制生物膜形成和抗群體感應(yīng)活性，可有效抑制常見水產(chǎn)病原菌如嗜水氣單胞菌和沙門氏菌等的生長(zhǎng)與侵染。一些功能微生物還會(huì)分泌一些抑菌活性物質(zhì)，可被應(yīng)用于養(yǎng)殖水體病原控制。石廣舉等［45］在飼料中添加納豆菌抗菌脂肽可以有效降低水體和蝦體中副溶血弧菌和溶藻弧菌的數(shù)量。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中雖然不斷有不同功能微生物用于拮抗各種病原微生物，但相關(guān)作用機(jī)制仍不清楚，需要進(jìn)一步深入研究。

3.2 功能微生物控制養(yǎng)殖臭氣

除了抑制環(huán)境病原微生物外，臭氣治理也是功能微生物用于養(yǎng)殖環(huán)境控制的重要方向。養(yǎng)殖臭氣分子主要來源于動(dòng)物體內(nèi)未被利用的蛋白質(zhì)、多糖等成分的發(fā)酵分解，目前一般認(rèn)為氨和硫化氫是養(yǎng)殖臭氣的主要組成。功能微生物用于氨和硫化氫的降解研究已有深入研究，其應(yīng)用方式主要有減少臭氣分子產(chǎn)生和降解臭氣分子兩種，可通過在飼料中添加生物除臭菌劑和對(duì)糞污噴灑生物除臭菌劑實(shí)現(xiàn)。飼料生物除臭添加菌劑一般在飼料或飲水中添加，提高動(dòng)物對(duì)飼料的消化吸收率，間接減少臭氣排放。張志峰等［46］報(bào)道指出，通過在家禽日糧中添加枯草芽孢桿菌可提高消化酶活性和氮利用率，從而減少氨排放。除了直接使用益生菌飼料添加劑外，采用原位噴灑功能微生物也是畜禽糞污臭氣治理另一重要途徑。功能微生物對(duì)于臭氣分子的降解研究已有較長(zhǎng)時(shí)間，大部分均集中于對(duì)于氨和硫化氫的降解。邵栓等［47］使用具有除臭功能的貝萊斯芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、產(chǎn)朊假絲酵母和干酪乳桿菌對(duì)豬糞處理，在最優(yōu)條件下豬糞中氨和硫化氫去除率可達(dá)63.60%和70.29%。李玥等［48］從雞糞中分離得到5 株具有除臭功能的菌株，包括芽孢桿菌屬M(fèi)S03、貝萊斯芽孢桿菌MS07、耐寒短桿菌MS11、木糖葡萄球菌MS42 和變異棒桿菌MS82，應(yīng)用復(fù)合菌系MS03+MS07 和MS03+MS82 處理雞糞，氨和硫化氫去除率均可超過60%。吲哚類分子因其嗅閾值低，即使相對(duì)濃度較低，但其臭氣貢獻(xiàn)率很高，且降解難度大、極性高、揮發(fā)性強(qiáng)，已成為目前養(yǎng)殖臭氣治理的難點(diǎn)。目前已有多株吲哚降解菌的相關(guān)報(bào)道，但降解效率不夠高，且大部分只適用于工業(yè)廢水廢氣處理，難以在養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用［49］。最近本課題組［50］從豬糞中篩選鑒定出高效吲哚無氧降解菌GDIAS-5，非常適合于養(yǎng)殖環(huán)境中糞污堆積的缺氧場(chǎng)景，并首次發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)吲哚無氧氧化的單加氧酶ycnE，促進(jìn)了對(duì)吲哚降解機(jī)制的理解。

4 功能微生物在養(yǎng)殖廢棄物資源化利用中的應(yīng)用

功能微生物在糞便、動(dòng)物尸體和加工副產(chǎn)品等畜禽養(yǎng)殖末端廢棄物的處理上也已被廣泛應(yīng)用和研究。隨著我國(guó)養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，相關(guān)廢棄物的產(chǎn)生量也越來越大，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響［51］。但實(shí)際上，很多廢棄物如羽毛、蝦蟹殼等仍具有較高的可利用空間，只是處理難度較大，成本較高，其中含有的潛在病原菌也需要進(jìn)行處理，而使用功能微生物則可以有效解決這些問題，促進(jìn)養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用。

4.1 糞便和動(dòng)物尸體堆肥處理

糞便和動(dòng)物尸體堆肥處理需要微生物在高溫條件下對(duì)有機(jī)廢物進(jìn)行生物分解和轉(zhuǎn)化，以產(chǎn)生穩(wěn)定的、無病原體且可有利于土地增肥的最終產(chǎn)物［52］。影響堆肥的主要因素是碳氮比、顆粒大小、水分含量、pH 值、氧氣利用率、堆肥技術(shù)以及微生物活力。盡管原料中也存在一些微生物可以降解堆肥材料，但它們較少的數(shù)量和較差的降解能力導(dǎo)致堆肥效率降低和堆肥質(zhì)量不理想［53］。為加快堆肥進(jìn)程，堆肥過程中通常添加使用一些有機(jī)肥發(fā)酵劑，可見，使用專門的功能微生物是促進(jìn)堆肥成熟和提高最終堆肥質(zhì)量的有力手段。接種耐熱放線菌，包括鏈霉菌H1、分枝桿菌G1、小單孢菌G7 和糖單孢菌T9，已經(jīng)被報(bào)道可以增強(qiáng)糞便中木質(zhì)纖維素的降解并提高堆肥的效果和質(zhì)量［54］。堆肥過程中的纖維素酶、木聚糖酶、錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶和漆酶的活性也都增加。最近，也有發(fā)現(xiàn)在堆肥原料中補(bǔ)充耐熱氨氧化細(xì)菌可以改善堆肥牛糞的腐殖化過程，并顯著提高產(chǎn)品的腐殖化因子和芽孢桿菌科豐度［55］。Wan 等［56］將篩選得到的25 種不同纖維素降解菌與7 種商業(yè)菌株結(jié)合接種堆肥，可以提高堆肥溫度，促進(jìn)嗜熱階段發(fā)展，使堆肥產(chǎn)品的發(fā)芽指數(shù)從62%提高到96%。然而，目前對(duì)生物強(qiáng)化在堆肥過程中作用和機(jī)制的了解仍然缺乏，需要進(jìn)一步深入研究［57］。

4.2 糞便、廢水和動(dòng)物尸體厭氧消解

厭氧消解是一種被廣泛應(yīng)用的處理養(yǎng)殖有機(jī)廢棄物的多功能技術(shù)，是一個(gè)由不同種類細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌進(jìn)行的連續(xù)發(fā)酵過程，也被稱為厭氧消化產(chǎn)甲烷。在動(dòng)物養(yǎng)殖廢棄物處理中，厭氧消解應(yīng)用的功能微生物可用于原料預(yù)處理以及生物強(qiáng)化消解。預(yù)處理主要是針對(duì)原料中纖維素和木質(zhì)纖維素等難降解組分，利用高效分解纖維素的白腐真菌對(duì)在牛糞和谷類作物厭氧消解之前的原料進(jìn)行預(yù)處理可使甲烷產(chǎn)量提高10%～18%，纖維素降解率提高80%［58］。使用煙曲霉SK1 或木霉預(yù)處理牛糞，木質(zhì)素去除率達(dá)60%和43%，還原糖含量提升到4.91、9.59 μmol，沼氣產(chǎn)量顯著提高［59］。生物強(qiáng)化則是在厭氧消解過程中添加不同的功能微生物，以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)底物的消解能力。以15%的接種量添加厭氧瘤胃真菌可以有效增強(qiáng)牛糞中木質(zhì)纖維素的水解，甲烷產(chǎn)量提高60%［60］。在豬糞中接種RY3、SH4、G1、G2 和G3 產(chǎn)甲烷菌株明顯促進(jìn)產(chǎn)甲烷過程的啟動(dòng)和縮短消解時(shí)間，沼氣總產(chǎn)量提高2.7 倍［61］。

4.3 羽毛深加工資源化利用

羽毛是家禽養(yǎng)殖業(yè)的主要副產(chǎn)品，主要由角蛋白組成。一方面，家禽業(yè)產(chǎn)生的大量未經(jīng)處理的羽毛會(huì)因其難以降解而造成環(huán)境污染。另一方面，羽毛富含蛋白，是肥料和動(dòng)物飼料的潛在來源。通過功能微生物處理，可以有效破壞角蛋白結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化為可被消化吸收的小分子。目前已從各種環(huán)境中分離出許多羽毛降解菌，其中地衣芽孢桿菌和鏈霉菌被認(rèn)為是細(xì)菌中最有效的角蛋白降解菌［62］。最近文獻(xiàn)報(bào)道了一株能固態(tài)發(fā)酵高效降解羽毛的鏈霉菌Streptomycessp.SCUT-3，可以在6 d 內(nèi)將羽毛中超過90%的角蛋白轉(zhuǎn)化為可溶的氨基酸及多肽［63］。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了半胱氨酸雙加氧酶CDO1 產(chǎn)生亞硫酸鹽還原羽毛中二硫鍵的機(jī)制，還通過合成生物學(xué)改造了其增強(qiáng)羽毛降解的能力，使發(fā)酵時(shí)間縮短至3 d，發(fā)酵產(chǎn)品中直接可溶氨基酸超過30%，可溶多肽超過20%［64］。而雖然在應(yīng)用功能微生物產(chǎn)角蛋白酶有較多報(bào)道，但直接以酶處理完整的羽毛并不成功，可能是由于受到角蛋白分子間眾多二硫鍵的阻礙。

4.4 蝦蟹殼生物轉(zhuǎn)化

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖和加工業(yè)的迅速發(fā)展，大量甲殼廢棄物被產(chǎn)生。由于缺乏有效的幾丁質(zhì)酶，這些廢棄物很難被人類降解利用。傳統(tǒng)物理及化學(xué)處理法能耗高、污染大。甲殼通過功能微生物直接發(fā)酵或酶處理可以有效提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，使其能被動(dòng)物吸收利用。利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵蝦殼，通過產(chǎn)酸去除72%的礦物質(zhì)、產(chǎn)蛋白酶去除84%的蛋白質(zhì)，可以從蝦殼制備得到幾丁質(zhì)和殼聚糖［65］。利用產(chǎn)蛋白酶的深層微小桿菌和產(chǎn)乳酸的嗜酸乳桿菌連續(xù)兩步發(fā)酵蝦殼提取幾丁質(zhì)，86%的蛋白質(zhì)和95%的礦物質(zhì)均被去除［66］。此外，以經(jīng)過植物乳桿菌LV33204、嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌LV2122 和氣單胞菌LV1111 發(fā)酵的蝦殼飼喂小鼠表現(xiàn)出降血糖和降血脂的效果［67］。在利用功能微生物產(chǎn)酶處理蝦殼方面，近期羅曉春教授課題組取得系列進(jìn)展：通過重組畢赤酵母發(fā)酵獲得一株現(xiàn)有報(bào)道酶活產(chǎn)量最高的重組幾丁質(zhì)酶rChit46［68］；結(jié)合rChit46 與重組酸性蛋白酶，首次實(shí)現(xiàn)蝦殼蛋白質(zhì)、幾丁質(zhì)、蝦青素和礦物質(zhì)的零浪費(fèi)回收［69］；進(jìn)一步以融合多糖結(jié)合域改造rChit46，通過重組畢赤酵母發(fā)酵產(chǎn)酶，首次實(shí)現(xiàn)幾丁質(zhì)酶一步法降解未經(jīng)任何前處理的蝦殼［70］；獲得的幾丁寡糖具有免疫調(diào)節(jié)作用，可增強(qiáng)小鼠巨噬細(xì)胞的吞噬活性和抑制脂多糖介導(dǎo)的炎癥應(yīng)答［71］。

5 存在問題

我國(guó)大力推行生態(tài)健康養(yǎng)殖，微生物在養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，但目前仍然存在以下問題，需要在未來進(jìn)行更深層次研究。首先，用于養(yǎng)殖業(yè)的微生物菌株準(zhǔn)入門檻低，許多微生物菌種來源不明，作用機(jī)制不明晰，且高性能、高耐受性、高穩(wěn)定性和高適應(yīng)性的優(yōu)良菌株資源仍然匱乏。針對(duì)這一問題，應(yīng)加大力度篩選更加優(yōu)良的菌株，以擴(kuò)大菌種庫(kù)和基因庫(kù)。還應(yīng)根據(jù)研究目的，不斷馴化、誘變和改造現(xiàn)有菌株，探索更高通量的方法選育優(yōu)良菌株。其次，目前許多養(yǎng)殖用微生物缺乏具體的功效和安全性評(píng)價(jià)，部分存在安全隱患的微生物仍被用于養(yǎng)殖業(yè)且缺少評(píng)價(jià)體系，如許多含有毒力因子的糞腸球菌和屎腸球菌等。當(dāng)前應(yīng)盡快建立完善的養(yǎng)殖微生物功能和安全評(píng)價(jià)體系，設(shè)立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法。第三，養(yǎng)殖功能微生物菌劑加工工藝相對(duì)落后，許多功能優(yōu)良的乳桿菌、雙歧桿菌等由于難以耐受飼料加工的高溫條件而難以實(shí)際應(yīng)用。要解決這個(gè)問題，需要大力開發(fā)微膠囊包被、后噴涂和膜過濾等可保持微生物活性的新型飼料加工技術(shù)。第四，產(chǎn)品設(shè)計(jì)落后，功效突出的個(gè)性化產(chǎn)品少。市面上通用全能型產(chǎn)品居多，許多產(chǎn)品菌株組合沒有科學(xué)依據(jù)，針對(duì)性強(qiáng)和效果突出的個(gè)性化產(chǎn)品少。加強(qiáng)認(rèn)識(shí)養(yǎng)殖動(dòng)物微生態(tài)平衡的重要性，以及正常微生物群的普遍性和必要性，針對(duì)不同部位、時(shí)期以構(gòu)建合理的微生態(tài)菌群與結(jié)構(gòu)為目的設(shè)計(jì)產(chǎn)品是一個(gè)有效的解決方法。

6 結(jié)論

基于功能微生物的微生態(tài)制劑具有資源節(jié)約、環(huán)境友好的特征，是解決我國(guó)面臨的資源短缺與環(huán)境污染等問題的重要途徑。功能微生物制劑可以逐漸替代養(yǎng)殖用化學(xué)物質(zhì)，取代激素和抗生素，提高動(dòng)物綜合生產(chǎn)性能，生產(chǎn)出健康食品，恢復(fù)環(huán)境和宿主的生態(tài)和微生態(tài)平衡。隨著我國(guó)在畜牧養(yǎng)殖業(yè)禁抗無抗水平的提高，以及對(duì)飼料安全和衛(wèi)生的愈加重視，功能微生物制劑必將在養(yǎng)殖業(yè)中受到重點(diǎn)關(guān)注和大力推廣，其在動(dòng)物飼料、廢棄物處理和環(huán)境控制方面也將會(huì)得到進(jìn)一步開發(fā)和利用，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)生態(tài)健康可持續(xù)發(fā)展。