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反刍动物饲用抗生素替代物研究进展

返回列表 来源: 发布日期: 2020.01.16
作者:靳纯嘏,叶耿坪,唐新仁
摘要:抗生素的违规使用威胁着畜牧业的健康发展,寻找可靠的抗生素替代物以减少抗生素的使用已成为当务之急。作者总结了反刍动物饲料中使用的抗生素种类,综述了益生菌、植物提取物、酶制剂、有机酸、抗菌肽、功能性寡糖等主要的反刍动物饲用抗生素替代物的作用机理,重点阐述了反刍动物饲用抗生素替代物对反刍动物瘤胃发酵、微生物区系、免疫机能及生产性能影响的研究进展,并对反刍动物饲用抗生素替代物在实际生产中的应用进行了展望,以期为后续对反刍动物饲用抗生素替代物的研究和应用提供参考。
关键词:反刍动物;抗生素;抗生素替代物;作用机制

抗生素是指经微生物培养或化学合成而得到的具有特异性杀灭微生物作用的物质。畜禽养殖业中抗生素的应用分为两种:一种为饲用抗生素,通过一定技术手段添加到预混料中,在生产上发挥疫病预防和促生长作用;另一种为治疗用抗生素,饲养管理者利用拌饲、注射、灌服等方式为畜禽进行治疗。在反刍动物饲料中添加抗生素可起到免疫和促生长作用,提高产奶量,有效降低乳房炎、子宫炎、瘤胃鼓气等疾病的发生[1]。抗生素虽能促进生长和改善生产性能,但长期违规使用会破坏消化道微生物稳态,提高细菌病原体抗生素的耐药性,降低机体免疫力[2] 。抗生素残留于反刍动物产品(肉、奶)中,危害人类健康[3 ] 。为保证食品安全与生产效益,寻找有效的、对公众健康没有威胁的抗生素替代物已成为当务之急。

1反刍动物饲用抗生素使用现状
中国养殖业具有养殖密度大、技术水平低、动物疫病种类多样、从业人员文化程度低、政府监管不到位等特点,导致普遍存在抗生素的过量使用甚至滥用,严重威胁食品安全。由于饲料企业均按照国家有关法律法规组织生产,因此抗生素违规使用绝大多数发生在养殖过程中,并以小规模和散户养殖最为严重,具体表现为超剂量、超品种、人药兽用、无休药期添加和使用违禁抗生素 [4 ] 。抗生素在奶牛临床上有较好的疗效,但存在药剂选择、剂量和配伍等问题,导致出现副作用危害奶牛健康、奶中残留抗生素和消化道微生物耐药性等问题 [5 ] 。抗生素的违规使用及对添加种类的监管不足,使得细菌耐药谱越来越广;抗生素残留在肉、奶等动物产品中,给人类健康带来威胁 [6 ] ;抗生素释放到环境中,还会污染土壤和水源。欧盟已禁止将饲用抗生素作为治疗用抗生素 [7 ] ,中国也已颁布一系列法律法规进一步限制了治疗用抗生素的使用,同时加强了饲用抗生素的管理。因此,需要寻找可靠、有效、环保的抗生素替代物以保障食品安全、维持动物健康,最大限度地提高饲料利用效率并提高反刍动物的生产性能。同时,还需要改善反刍动物养殖环境,提高饲养管理水平以降低病原体感染的风险。
目前在中国常见的几种饲用抗生素添加剂及其成分、用途等见表1。
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2  反刍动物饲用抗生素替代物的作用机理及应用
2.1 反刍动物饲用抗生素替代物的作用机理
饲用抗生素替代物在反刍动物体内除起到促生长的作用外,还应起到一定的免疫作用。目前,研究较深入的抗生素替代物包括益生菌、植物提取物、有机酸、抗菌肽、酶制剂、功能性寡糖等,它们不仅可改善瘤胃环境、促进瘤胃发酵,还可调控瘤胃后肠道微生物区系或在瘤胃后肠道吸收,改善肠道健康。反刍动物饲用抗生素替代物的作用机理见表2 。
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2.2  反刍动物饲用抗生素替代物的应用
2.2.1 益生菌    
在反刍动物饲料中使用的益生菌包括乳酸利用菌(如埃氏巨球型菌、反刍兽新月单胞菌、丙酸杆菌等)、米曲霉、链球杆菌、双歧杆菌等。目前,市面上流通的益生菌饲料添加剂主要以复合益生菌为主,活菌总数 ≥1×1010  CFU /g ,这些益生菌与载体(膨润土、玉米芯粉、麸皮等)混合后以0.05%~0.30%的比例添加到反刍动物日粮中。益生菌可通过以下方式调控瘤胃发酵,改善免疫机能: ① 瘤胃环境的酸化会破坏瘤胃微生物的解毒机制,益生菌可改善瘤胃发酵,缓解酸中毒引发的免疫机能下降。② 可通过竞争、细胞结合或对肠道病原体产生的毒素的降解来提高机体免疫机能 [9 ] 。 ③ 酵母型益生菌对消化道pH的调节限制了促炎性因子(脂多糖或生物胺)的释放,降低耐酸病原体的致病性 [17 ] 。研究表明,连续7d给患有SARA 的荷斯坦头胎牛饲喂20~50g 含有植物乳杆菌、屎肠球菌和丁酸菌的复合益生菌可提高瘤胃pH,降 低 乳 酸 浓 度 [18 ] 。Pinloche等 [19 ] 研究表明,泌乳牛补充益生菌(酵母S . cerevisiae  47 , 1×1010  CFU /g ,以 DM 计)在改善瘤胃发酵、产奶量和体增重的同时,还存在主要纤维利用菌产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter )和反刍球菌(Ruminococcus )及乳酸利用菌埃氏巨球型菌( Me -gasphaera )和反刍兽新月单胞菌(Selenomonas )在丰度上的逆转。泌乳牛饲喂酵母培养物还可增强机体抗氧化能力 [20 ] 。 ④ 犊牛具有食管沟这一特殊的生理结构,可近似认为过瘤胃保护,为益生菌在肠道的定植奠定基础。细菌型益生菌对犊牛的作用效果与单胃动物相似,可提高淋巴细胞的转化率,缓解断奶应激 [21 ] 。 Zhang 等 [ 22 ] 发现,犊牛连续口服12周的植物乳杆菌(Lactobacillus   Plantarum , 1.7×1010CFU / d )提高了试验第58和62天的 T淋巴细胞转化率,改善了犊牛的生长性能和养分消化率。但也有研究显示,犊牛饲喂酵母及其发酵产物并未发现有显著的免疫机能改善和促生长作用 [23 - 24 ] 。由此可见,酵母型益生菌可有效作用于成母牛,而细菌型益生菌对犊牛更为有效。
饲料原料中植物细胞的细胞壁在瘤胃微生物作用下破碎和发酵,除产琥珀酸纤维杆菌(Fibrobactersuccinogenes )外,大多数纤维分解菌会产生大量的氢。甲烷菌则利用瘤胃发酵产生的氢与二氧化碳产生甲烷,这种氢的转移对于维持良好的瘤胃环境极其重要,但甲烷的形成表明饲料中能量的损失。有研究利用瘤胃瘘管连续 3d 对羔羊接种产琥珀酸纤维杆菌、反刍球菌和真菌,发现接种产琥珀酸纤维杆菌的羔羊比接种反刍球菌和真菌的羔羊更不容易产生甲烷,且瘤胃内纤维的降解率和 VFA 的浓度无显著差异 [25]
2.2.2  植物提取物    
有关天然植物提取物的研究较为深入,植物不仅可以作为反刍动物的饲料原料,而且其所含的特殊物质组分在动物抗虫、抗病、促消化等方面也有显著效果。天然植物提取物所具备的抗菌、环保、不易产生抗药性等特性,决定了其具有极高的推广价值。
2.2.2.1  单宁    
虽然单宁具有涩味,在饲料中添加易影响动物采食量,但是单宁可与饲料中蛋白质形成复合物,降低瘤胃微生物对蛋白质的降解,提高进入小肠的蛋白质的量,改善苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸等必需氨基酸的表观消化率,减少氮排放 [26 ] ,这表明单宁对蛋白质起到过瘤胃保护的作用。单宁可通过与快速水解蛋白结合,以及改变瘤胃液的表面活性破坏植物蛋白泡沫的结构,从而缓解因饲料可溶性蛋白快速释放到瘤胃中或蛋白质降解过快引起的反刍动物瘤胃鼓气 [27 - 30 ] 。单宁还可降低甲烷菌数量,减少瘤胃甲烷产量,提高反刍动物生产性能[31 ] 。此外,单宁对线虫和肺线虫幼虫有抑制作用 [11 ] ,放牧牧场种植富含单宁的饲草品种可防治反刍动物胃肠道线虫的感染 [32 ] 。目前单宁并未列入《饲料添加剂品种目录(2013 )》,多见于试验研究。
2.2.2.2 皂苷    
皂苷可以通过抑制原虫活性而提高瘤胃微生物对氨态氮的利用,因此皂苷的摄入必然会引起瘤胃发酵的变化。皂苷的抗原虫性质还可用于抑制如贾第鞭毛虫和疟原虫等对反刍动物的感染 [33 ] 。皂苷还可通过抑制细菌脲酶活性来降低蛋白质的降解 [9 ] 。体外发酵试验证明皂苷能够降低乙酸与丙酸的比值和甲烷菌的数量,减少尿氮的排出和甲烷排放 [34 ] 。奶牛日粮中添加10g/ d蒺藜皂苷可降低瘤胃原虫数量和氨态氮浓度,减少甲烷排放,提高奶牛抗氧化能力 [35 ] 。此外,皂苷可提高小肠黏膜的通透性,提高其跨膜转运营养物质的能力,显著改善反刍动物的生产性能及健康状况 [36 ] 。
2.2.2.3  精油    
精油是从植物中提取的油状混合液,目前只有牛至精油被批准应用于动物饲料中。精油通过破坏膜的脂质结构,提高其通透性,使细菌裂解;还可抑制瘤胃中高产氨菌的生长,从而抑制脱氨基作用,减少蛋白质的降解 [12 ] 。日粮中添加精油可对瘤胃发酵进行调控,促进瘤胃乙酸型发酵,增强乳脂的合成 [37 ] 。 Castillejos 等 [ 38 ] 指出添加 110mg/ d混合精油可改变绵羊瘤胃各挥发性脂肪酸之间的比例,降低氨态氮和寡肽浓度,但也有研究发现精油对瘤胃发酵没有影响 [39 ] 。牛至精油主要成分为百里香酚、香芹酚等,早期作为香味剂添加到饲料中以改善适口性。在荷斯坦奶牛 TMR 中添加牛至精油(28g/ d )可提高热应激奶牛的干物质采食量和产奶量[40 ] ,还可有效降低乳房炎和腹泻的发病率,改善荷斯坦奶牛的健康状况 [41 ] 。
2.2.3  有机酸    
近年来温室效应成为社会公众关注的焦点,有关有机酸(如延胡索酸、苹果酸等)对瘤胃甲烷排放调控的机制逐渐成为研究的热点。反刍动物瘤胃内甲烷的产生会造成饲料中能量的浪费,通过抑制产甲烷菌可使甲烷产量降低 20%~50% ,饲料能量利用效率提高2%~5%[ 42 ] 。延胡索酸和苹果酸可促进瘤胃丙酸的合成,使瘤胃发酵趋于丙酸型发酵,同时夺取甲烷菌用于合成甲烷的氢以降低甲烷的产量。 Kolver 等 [43 ] 在人工瘤胃中加入3.5g/ L延胡索酸盐时,甲烷产量降低38% 。山羊日粮中添加10g/ d延胡索酸,甲烷排放量降低11.9%[ 44 ] 。刘南南 [ 45 ] 在山羊日粮中添加24g/d延胡索酸发现,瘤胃甲烷产量显著降低,并极显著提高了丙酸的浓度。肉牛的日粮中添加7.5%苹果酸盐(以 DM 计),甲烷产量降低16% ,但干物质采食量降低9%[ 46 ] 。然而,也有研究发现甲烷产量不受延胡索酸(10g/kg )的影响[ 47 ] 。这些研究结果的差异可能与试验动物、饲料精粗比及体内外试验的差异性有关,还可能与饲养管理条件有关。
2.2.4  抗菌肽    
抗菌肽是细菌、真菌、组织、免疫细胞等分泌的具备广谱抗菌能力的多肽,可分为细菌抗菌肽(细菌素)和哺乳动物抗菌肽等。抗菌肽可破坏病原体细胞膜的完整性,影响其 DNA 和蛋白质的合成 [9 ] 。细菌素可能对瘤胃产甲烷菌有抑制作用,降低了甲烷产量还使瘤胃发酵模式趋于丙酸型发酵 [48 ] 。有研究表明,Bovicin HC5 (一种瘤胃内链球菌产生的细菌素)使甲烷产量降低 50% [49 ] ;乳链菌肽(由 Lactobacillus   lactis  subsp. Lactis 产生的细菌素)也有类似作用效果,将乳链菌肽和硝酸盐联用作为一种新的电子受体组合可显著降低羊瘤胃的甲烷排放量 [50 ] 。
最近的研究表明,益生菌可刺激哺乳动物抗菌肽的表达来维持胃肠道屏障功能。大量体外试验发现,益生菌(如枯草芽孢肝菌、酿酒酵母、乳酸杆菌)可刺激瘤胃上皮细胞抗菌肽( SBD - 1 )的表达 [51 - 53 ] ,这意味着益生菌可加强瘤胃黏膜的防御能力,改善反刍动物免疫机能,维持消化道微生物区系稳定。
2.2.5  酶制剂    
外源酶与内源酶在植物细胞壁上有相同的作用位点 [14 ] ,添加外源酶的同时可提高内源酶活性[15 ] ,进而通过提高粗饲料的降解率来改善奶牛生产性能。体外试验结果表明,添加外源纤维素酶可提高粗饲料(如小麦秸秆)的降解率 [54 ] 。泌乳初期奶牛瘤胃消化纤维的能力较低,此时添加0.02%外源纤维素酶(15 000IU / g )可有效提高饲料的 瘤胃降解率 [55 ] 。泌乳牛日粮添 加纤维 素 酶(10g/ d )可极显著提高产奶量 [56 ] ,添加复合酶也可有效提高产奶量及乳脂率,对瘤胃发酵及瘤胃氨态氮浓度无影响 [57 ] 。 Bilik [ 58 ] 研究指出,添加外源纤维素酶可提高奶牛瘤胃液中总挥发性脂肪酸的含量,而不会影响其成分及比例。瘤胃挥发性脂肪酸是反刍动物的能量来源,因此外源酶的添加可在不影响瘤胃发酵的前提下改善反刍动物的能量代谢。此外,外源酶制剂也可影响瘤胃甲烷的产生。研究发现,在育成羊日粮中添加外源酶可降低瘤胃甲烷产量 [59 ],而 Wang等 [60 ] 发现,在波尔山羊日粮中添加外源酶对甲烷产量没有影响。
2.2.6  功能性寡糖    
寡糖可提高泌乳牛生产性能,在奶牛日粮中添加0.1%壳聚糖可显著提高产奶量 [61 ] ,添加甘露寡糖(20g/ d )可提高产奶量、乳脂率和乳蛋白含量 [62 ] 。消化道疾病在犊牛出生后几周内极为常见,寡糖可有效提高犊牛生长性能,调控肠道微生物区系,改善机体免疫机能 [63 ] 。寡糖还可刺激肠上皮细胞对IgG 的吸收,提高犊牛血清中IgG的浓度 [64 ] 。围产前期补充10g/ d甘露寡糖可提高奶牛机体免疫力,增强对轮状病毒的免疫应答,并在其初乳及犊牛的血清中检出较高的免疫球蛋白浓度和较强活性的轮状病毒抗体 [65 ] 。甘露寡糖改善免疫机能效果显著,在犊牛代乳料中添加甘露寡糖替代新霉素和土霉素等抗生素添加剂而不影响犊牛生长性能 [66 ] 。

3  结   语
虽然益生菌、有机酸、植物提取物、酶制剂、抗菌肽和功能性寡糖可通过不同作用机制影响瘤胃发酵、代谢途径和微生物区系,对生产性能产生积极影响,但在畜牧生产中仍不能完全取代抗生素。一方面,抗生素替代物具有多种作用方式,它们的作用效果易受反刍动物生理状况和饲养管理条件的影响,需要进一步研究以明确这些抗生素替代物作为饲料添加剂的使用阶段和用量;另一方面,部分抗生素替代物(如天然植物提取物)大多为非纯化制剂,其中含有多种结构及功能并不明确的天然生物活性成分,导致其有效剂量难以确定,且这些天然生物活性成分对反刍动物的影响也不明确,直接用作饲料添加剂存在一定的风险。有关抗菌肽、功能性寡糖的研究近年来逐步深入,二者都可提高反刍动物自身免疫机能,未来可在实际生产中起到替代抗生素的作用。此外,成本也是阻碍上述抗生素替代物推广使用的重要原因,在实际生产中可将抗生素替代物与常规抗生素配合使用以改善动物健康和提高生产性能。

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