重新认识饲用抗生素的利弊和动物微生态系统的重要性(精)
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重新认识饲用抗生素的利弊和动物微生态系统的重要
性
饲用抗生素的利弊
20世纪中叶,抗生素等的发现以及化学抗菌物质合成的成功,首先在人类投入使用,随后被广泛用作饲料添加剂,在动物保健和畜牧生产中发挥了重要作用。
但由于对这些添加剂的长期使用及滥用,其弊端日益得到广泛的认识:①抗生素在畜禽产品肉、蛋、奶、毛、皮中残留,危害人体健康,如产生“三致”、过敏,甚至产生人类目前的科学水平还未能了解的疾病或潜在危害。
②导致畜禽体内外的微生物对抗生素产生耐药性或抗药性,药效降低,用药量不断增加,使养殖成本不断增加的同时也使药物残留更为严重,形成恶性循环。
③畜禽长期使用或滥用抗生素后,在抑制致病微生物的同时,也杀灭了动物体内正常的有益的微生物菌群,使机体正常微生态体系(医学界称之为“新的生理系统”)失衡,造成动物内源性感染或二重感染。
④使畜禽对抗生素产生依赖,抑制动物免疫系统的生长发育或降低了动物的免疫功能,使抗病能力下降。
为了克服抗生素等药物添加剂带来的种种弊端,世界各国的科学家努力寻求和开发无毒副作用的新型饲料添加剂。
而微生态制剂正以其绿色安全、无毒副作用、无残留的优点逐步成为替代抗生素类添加剂的主力军。
同时,我们也要全面认识动物微生态系统和微生态调控的重要作用。
动物微生态系统(第十三系统)的生物防治和营养作用
在猪、家禽、兔等单胃动物的消化道中寄居着大量的活细菌。
研究表明,人体携带的微生物总量约为1 271g,其中肠道占1 000g,即胃肠道的微生物占人体总微生物量的78.7%。
肠道微生物可分为3类:①共生性细菌:它是主要菌群(>90%),包括球菌、丙酸菌、乳酸菌及双歧杆菌等。
这类细菌可以自营,同时又可利它(宿主),细菌将复杂的碳水化合物(纤维素或非淀粉多糖)发酵成为乳酸或挥发性脂肪酸(如丙酸)。
乳酸在肠道形成酸性环境,对其它致病菌可产生“竞争排除作用”,但乳酸堆积多也会刺激肠道蠕动,使肠道内容物排空加快。
②机会性细菌:约占10%,包括无病原性的大肠杆菌、链球菌及肠球菌等。
这些机会性细菌视肠道环境而改变停留在肠道的数量及时间。
③致病性细菌:含量极少(<0.01%)的致病性菌群,包括梭菌、葡
萄球菌、伪单胞菌、病原性大肠杆菌、曲型菌及部分真菌。
这类菌群不仅具有致病性,同时它们也会消耗宿主的能量,而其发酵产物(如氨气、H2S等)也可能对宿主有害。
正是动物肠道中的大量微生物与其所处的环境构成了“微生态三角”,即在宿主遗传的控制下,正常微生物菌群、免疫与营养构成的相互依赖、相互制约的关系。
正常的微生物菌群的生理功能是动物生存所必需的,动物是动物真核细胞和细菌原核细胞构成的综合体,微生态系统是除骨骼、肌肉、神经、附属(皮、毛、指或趾甲)、淋巴(免疫)、呼吸、消化、内分泌、心血管、泌尿、雄性和雌性生殖系统之外的第十三个生理系统。
第十三系统发挥着一系列重要的作用:①胃肠菌群促进胃肠黏膜细胞的发育和成熟(解剖修饰作用)。
②肠黏膜菌群的屏障作用。
③口服耐受性和激活免疫系统,促进免疫细胞成熟,包括B细胞、T细胞、M细胞及吞噬细胞、体液免疫、细胞免疫、产溶菌酶细胞等。
④产生多种消化酶,促进营养消化、吸收和代谢,包括对蛋白质或氮素、脂类、碳水化合物、维生素、无机盐和黏液代谢等。
⑤胃肠菌群产生迁移传动复合物,刺激肠蠕动。
⑥代谢产酸,酸化肠道环境,活化酶系统和抑制偏碱性有害微生物的生长。
动物的微生态系统就是通过上述多种作用,最终产生抑制有害菌群,增强免疫功能,防治疾病,提高饲料营养素的消化吸收和转化效率,促进动物产品(肉、蛋、奶、毛、皮等)的形成和品质改善。
长期以来动物防治战略和观念的错误
在畜禽或水产养殖中,之所以对抗生素产生依赖,是人们希望用抗生素来发挥防病保健和提高动物的生产效率。
但是在过去的50多年中,人类的防病观念和防病战略存在着严重的片面性或错误,即一味地强调“抑制或杀灭有害微生物”,大量和长期使用抗生素以至于出现目前抗生素滥用所致的一系列后患和潜在危险,却忽视了由动物的正常菌群、免疫与营养构成的“微生态三角”的防病保健、营养等重要作用。
影响微生态制剂功效的因素
影响微生态制剂发挥其功效的因素很多,包括制剂的制备方法、贮藏条件、污染(如杂菌)、存活率、不正确的产品菌种组合方式、肠内菌群的状态、使用剂量和次数、动物(宿主)的年龄、在肠道中的存活率、饲料成分的变化、生理状态等。
了解这些因素对微生态制剂功效的影响是非常重要的。
菌种本身的特性是发挥其效能的关键因素
作为生产用微生态制剂菌株首先必须保证不产生任何内外毒素,无毒、无害、
无副作用。
由于多数微生态制剂是以活菌形式发挥作用的,如双歧杆菌、乳酸杆菌、芽孢杆菌、酵母菌类,大多数要通过消化道途径发挥作用,这就决定其必须经过胃的酸性环境和十二指肠上部的胆汁分泌区,从筛选的角度考虑,要筛选具有耐受胃酸、胆汁酸等肠内对益生菌不利环境因素的菌株。
从剂型角度上,要考虑能保护微生态制剂通过胃酸及胆汁酸的剂型。
微生态制剂菌株必须具有黏附性才能在肠道中生存并发挥作用。
因此,对菌株的黏附性应给予足够重视。
某些制剂将黏附因子直接加入到制剂中,加强益生菌的黏附作用。
如法国的乐托尔,是一种嗜酸乳酸杆菌死菌加发酵液中的黏附因子的冻干物。
对产乳酸益生菌来说,既要有较强的抗胃酸能力,同时也要有自身的产酸能力及产生抗菌活性物质的能力。
例如,某些微生态活菌制剂主要是利用乳酸杆菌产酸和过氧化氢发挥其抑制病原菌繁殖的作用。
特别强调,虽然有些微生态制剂所用的菌种“名称”相同,如都是乳酸菌或酵母菌或芽孢杆菌或双歧杆菌,但是由于同名菌种的不同菌株的生理特性(如生长快慢、最佳生长温度、所需生长环境或条件、世代间隔、代谢产物等)和功效存在较大差异,最终表现为微生态制剂的功效也会有明显不同。
生产和储存条件对益生菌存活性能的影响
生产工艺条件对微生态制剂发挥其功效具有很大影响。
如菌株在发酵时的生长条件以及发酵结束的时间,会影响菌体在干燥和贮藏时的存活率。
同一益生菌菌株,采用不同的发酵条件生产,如使用嗜酸乳酸杆菌,一种发酵条件是37℃ 培养12h;另一种发酵条件是32℃培养48h。
同一初始菌株,由于发酵条件不同,其终端代谢产物不同,作为微生态制剂的作用效果也会有很大不同。
生产技术对微生态制剂的功效也有较大的影响,目前常用的发酵技术,主要包括液体深层发酵和固体发酵。
利用液体深层发酵技术生产的产品,由于生产过程能够严格控制,一般来说效果比较稳定。
用固体发酵的产品,由于灭菌不能彻底,经常有杂菌污染,从而影响了产品的功效,表现为功效不稳定或不明显,甚至无效。
制粒或压片过程的温度和压力对细菌的存活率都有很大影响。
贮存条件是影响益生菌存活率和货架期的关键因素。
活菌制剂在贮存过程中最好保持在低温、低湿度、密封、隔氧的条件下,才能使制剂保持较高的存活率和长的
货架期。
对于一个成功的微生态制剂,在其可以接受的货架期内,具有较高的存活率是绝对不可缺少的。
有些微生态制剂,它的标示菌种与实际不符,有些则根本不存在其标示的菌种,有的制剂在生产过程中对发酵基质不灭菌,杂菌污染严重,产品质量不合格,这样很容易导致负面效果或引起各种各样不利影响,甚至扰乱微生态制剂市场。
不同类别的微生态制剂的作用特点及效果不同
微生态制剂主要包含以下几种类别:①液剂:单一菌种或混合菌种的发酵液,含有活菌和代谢产物。
②发酵冻干制剂:液体发酵后,经浓缩,然后加保护剂冷冻干燥。
③普通固体发酵生产的粉剂。
④经液体深层发酵和一系列后加工生产的粉剂、片剂、胶囊和微胶囊制剂等。
⑤软膏制剂(如牙膏状)。
⑥气雾剂等。
针对不同对象,可以采用不同的制剂和剂型,如饲料添加主要采用粉剂,包括②、③、④种,如预防治疗动物腹泻、拉稀可用液剂、片剂、胶囊口服、喷雾剂口腔喷雾或软膏口服,如在制粒饲料中添加则宜用微胶囊包被的产品,效果较为理想。
另外,对微生态制剂采用微胶囊化制剂工艺可显著提高制品的货架期和抗胃酸及胆汁酸的能力。
国外已有一些产品采用这种剂型,国内中国农业大学饲料生物技术实验室也研发出了此类技术和产品,其货架期可延长到2年。
3 微生态制剂的科学合理使用及注意问题
微生态制剂具有无毒副作用、促进动物生长、提高饲料转化率、可替代抗生素等优点。
但由于存在菌种的筛选、活菌数、菌种的失活、杂菌含量的多少、使用条件等问题而导致微生态制剂活性降低,使用效果的重复性和稳定性较差或时好时坏等。
因此在养殖生产或饲料生产中为了确保微生态制剂的使用效果,应科学合理使用,并从以下几方面着手。
3.1 菌种的选择
3.1.1 菌种的来源
在微生物的大家族里,可选作微生态制剂的菌种很多,包括细菌、真菌及多来自土壤、腌制品、发酵食品以及动物消化道和粪便的无毒菌株。
其中:①乳酸杆菌属:短乳杆菌、嗜酸乳杆菌、保加利亚乳杆菌、干酪乳杆菌、纤维二糖乳杆菌、弯曲乳杆
菌、德氏乳杆菌、发酵乳杆菌、罗特氏乳杆菌、乳酸乳杆菌、植物乳杆菌。
②双歧杆菌属):青春双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、动物双歧杆菌、长双歧杆菌、嗜热双歧杆菌、两歧双歧杆菌。
③肠球菌属:粪肠球菌又称粪链球菌、屎肠球菌又称屎链球菌。
④链球菌属:嗜热链球菌、乳酸链球菌又称乳酸乳球菌、中间型链球菌、乳脂链球菌、二丁酮链球菌。
⑤芽孢杆菌属:凝结芽孢杆菌、缓慢芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌。
⑥明串珠菌属:肠膜明串珠菌。
⑦片球菌属:乳酸片球菌、啤酒片球菌、戊糖片球菌。
⑧乳球菌属:乳酸乳球菌又称乳酸链球菌。
⑨丙酸杆菌属:谢氏丙酸杆菌、费氏丙酸杆菌。
⑩拟(类)杆菌属:猪拟(类)杆菌、瘤胃生拟(类)杆菌、多毛拟(类)杆菌、嗜淀粉拟(类)杆菌。
{11}酵母菌属:啤酒酵母或酿酒酵母。
{12}曲霉菌属:黑曲霉)、米曲霉。
我国农业部1999年6月公布(105号公告)了干酪乳杆菌、植物乳杆菌、粪链球菌、屎链球菌、乳酸片球菌、枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、乳链球菌、啤酒酵母、产朊假丝酵母和沼泽红假单胞菌12种可直接饲喂动物、允许使用的饲料级微生物饲料添加剂菌种,并在生产实践中表现出良好的生产性能。
此外,在国内外还陆续有新的应用菌种的报道,如环状芽孢杆菌、坚强芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、丁酸梭菌、芽孢乳杆菌等。
从动物生产和饲料工业角度来评价,芽孢杆菌类有益微生物较其它微生物具有更多优点,因而对其研究和应用更加广泛。
不同的畜禽、不同的生长发育阶段、不同的用途也需要有选择性的添加由不同益生菌组成的微生态制剂,具体参照表1进行。
3.3 微生态制剂的应用条件或环境
如何保持菌种的稳定性是从事微生态制剂研究和生产面临的最实际的问题。
对微生态制剂而言,主要指对特定环境的耐受力如温度、湿度、酸度、机械摩擦和挤压以及室温条件下的存贮时间等对微生态制剂活性的影响;而对饲用微生态制剂必须经受饲料加工过程中高温的考验,所以菌种对温度的稳定性显得尤为重要。
不同的菌种对高温的耐受力差异较大,芽孢杆菌耐受力最强,100℃下2min只损失5%~10%,而在80℃下5min乳酸杆菌、酵母菌损失70%~80%;95℃下2min损失98%~99%。
一般制粒温度80~90℃对芽孢杆菌影响较小,对乳酸杆菌、酵母菌和粪链球菌等影响较大。
就耐水性,孢子型细菌耐受性最好,肠球菌次之,乳酸杆菌最差。
除耐酸性的芽孢杆菌和乳酸菌外,一般的活菌制剂在胃酸作用下大量被杀死,残存的少量活菌进入肠道后很难形成菌群优势。
因此,不耐酸的活菌制剂其含菌量必须达到相当大的浓度才能发挥益生作用。
除此以外,饲料的保存时间、饲料中的矿物质(如重金属离子Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+等和食盐)、胆碱和不饱和脂肪酸也会影响益生菌的活力。
为了提高微生态制剂的稳定性和活力,目前国内外采用微胶囊化技术或包衣技术。
微胶囊化技术是当今世界发展迅速、用途广泛而又比较成熟的一种技术。
制备微胶囊的过程称为微胶囊化,它是将固体、液体或气体包裹在一个微小的胶囊中。
包封用的壁壳称为壁材,被包的囊芯称为芯材,芯材可以是单一的,也可以是复合的。
囊壁厚度一般为0.1~200μm之间,微胶囊的粒子大小,因制备工艺及用途不同而不同,理论上可以制成0.01~1 000μm的微胶囊。
常用制备微胶囊的方法有:相分离法、界
面聚合法、喷雾冷却和喷雾干燥法、挤压法、双重乳状液法。
将乳酸菌或一些低抗逆性的益生菌进行微胶囊化包被的优点在于:①可将菌体与外界的不良环境分开,免受微量元素的损害,减缓制粒过程中温度和压力的影响。
②形成固体微颗粒,利于在预混料中的均匀分布,也有利于储存和运输。
③采用肠溶性壁材后,还能防止胃液的破坏,从而使尽可能多的菌体到达肠道,真正起到保健和治疗的作用。
因此,微胶囊化有望提高乳酸菌在生产、贮存和消费过程中的稳定性,生产出耐贮存、耐高温、耐高压、耐酸性的乳酸菌微生态制剂。
中国农业大学饲料生物技术实验室在国家“863”高科技项目和国家“跨越计划”的资助下,成功研发了利用喷雾干燥法制备乳酸菌微胶囊的技术,并申请了国家发明专利。
国外进入我国市场的有瑞士的粪链球菌微胶囊“赐美健”、荷兰的“百福菌”等,但是价格很高。
因此,研究对乳酸菌等低抗逆性微生物进行微胶囊化包被,并提供一条适用的工业化途径,使其稳定性增强,贮存期延长,使这种低抗逆性微生物添加剂可以与其它饲料原料共存、共用,将有广阔的前景。
3.4 活菌浓度和使用剂量
微生态制剂的功效是通过有益微生物在动物体内的一系列生理活动来实现的。
其最终效果同动物食入活菌的数量密切相关。
若数量不够,在体内不能形成优势菌群,难以起到益生作用。
瑞典规定乳酸菌制剂活菌数要达到2×1010个/g。
我国正式批准生产的制剂中,对含菌数量与用量的规定是:芽孢杆菌含量≥5×108个/g;乳酸杆菌≥1×107个/g。
德国学者认为,仔猪饲料中加入微生态制剂其含菌量应达到2×105~5×105个/g;育肥猪饲料中每克加入106个芽孢杆菌,粪中大肠杆菌减少35%,每天添加0.5~0.6g微生态制剂方可起到治疗效果。
而乳酸杆菌因制剂不同而有差异,其数量不少于107个/g,每日添加0.1~3g,一般添加量为0.02%~0.2%。
若将微生态制剂添加于饲料中,其目标活菌不应低于109个/kg。
但是,关于添加过量的益生菌产生的后果,鲜有报道,根据作者的研究结果,每千克断奶仔猪饲料中添加6×1011个枯草芽孢杆菌,其促生长效果差于最适添加量,但好于不添加组的效果。
3.5 微生态制剂与抗生素的配合应用
由于微生态制剂是活菌制剂,而抗生素具有杀菌作用。
因此,一般情况下,在畜禽饲料中不可同时应用,若同时应用时,微生态制剂的功效将大大减弱。
但我们仍可以巧妙地利用某些抗生素,如当肠道中存在较多的病原体,而微生态制剂又不能取代肠道微生物时,会降低其抵抗力,或使用某些微生态制剂补充特定的正常菌时,对
过盛的种群,可利用窄谱抗生素予以控制。
对于肠道菌群紊乱或菌群调整不奏效的病例,可在用抗生素后用微生态制剂,即先选用肠道不吸收的针对性较强的广谱抗生素如新霉素、卡那霉素、制霉菌素口服杀灭或抑制致病微生物的繁殖,控制疾病的蔓延。
但抗生素在杀灭致病菌的同时,动物体内的正常菌群也遭到破坏,此时应及时引入微生态制剂,通过其益生作用,使其紊乱的肠道菌群恢复平衡。
对于抗生素和微生态制剂的结合使用效果并不能一概而论,两者联合使用时应考虑组成微生态制剂的每个种菌对特定抗生素的敏感性、动物品种及年龄等的影响。
只有根据微生态制剂的菌种组合及特性以及抗生素的种类和作用对象进行合理配合,才能达到预期结果。
3.6 使用时间
微生态制剂在动物的整个生长过程中都可以使用,但不同的生长时期其作用效果不尽相同。
一般在动物幼龄阶段,体内微生态平衡尚未完全建立,抵抗疾病的能力较弱,此时引入益生菌,可较快地进入体内,占据附着点,效果最佳。
如新生反刍动物肠道内有益微生物种群数量的增加不仅可以促进宿主动物对纤维素的消化,而且有助于防止病原微生物侵害肠道。
另外在断奶、运输、饲料转变、天气突变和饲养环境恶劣等应激条件下,动物体内微生态平衡遭到破坏,使用微生态制剂对形成优势种群极为有利,因此,把握益生菌的应用时机,尽早并长期饲喂,使其益生菌的功能得到充分体现。
3.7 使用方法
一是连续使用,二是阶段性使用,三是在某些阶段一次性使用。
具体使用方法,以中国农业大学国家“863”项目和国家“跨越计划”项目研制的益生康为例,具体说明见表2。
微生态制剂替代抗生素应用于饲料中,避免了长期使用抗生素的种种副作用,
并具有促进动物生长,提高饲料报酬以及防治疾病等功能。
但它在实践生产中的使用效果也不完全一致,而是受到许多因素的影响和制约。
一方面是因为某些微生态制剂产品本身存在缺陷,质量差、以次充好;另一方面是由于错误的使用方法所致。
因此,要正确选择高品质的微生态制剂,了解其特性,掌握科学合理的使用方法,可最大程度地发挥微生态制剂功效和优越性。