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凝结芽孢杆菌的特性及研究进展

2014-04-15赵树平包维臣高鹏飞姚国强张和平

家畜生态学报 2014年2期
关键词:芽孢益生菌杆菌

赵树平,包维臣,高鹏飞,,姚国强,,郭 霄,张和平

(1.内蒙古和美科盛生物技术有限公司,内蒙古呼和浩特010010;2.内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室,内蒙古呼和浩特010018)

19世纪初,凝结芽孢杆菌因导致炼乳出现大规模的凝结现象及番茄、土豆等制品的酸败变质被深入的研究,而于1932年被首次分离并对其进行了详细描述[1-3]。发展至今,诸多研究表明凝结芽孢杆菌作为一种独特的新型芽孢益生菌,其既具有乳酸菌的产乳酸特性,又具有芽孢杆菌的丰富的酶系统及抗逆性强、耐高温高压、稳定的储存特性。作为益生菌家族的后起之秀,被广泛地应用于医药、食品、保健、畜牧和水产等行业,并能产生多种健康的影响:调整肠道微生态平衡、提高机体免疫、产生抑菌物质及促进动物生长,成为益生菌中研究的热点。本文对国内外关于凝结芽孢杆菌特性、益生作用、益生机理及在动物中的应用总结和概括。

1 凝结芽孢杆菌

1.1 凝结芽孢杆菌的一般特性

随着对凝结芽孢杆菌研究的不断深入,其特性也逐渐被人熟知。此菌为革兰氏阳性菌,属厚壁菌门,营养细胞呈杆状,具有一定的运动性,可发酵葡萄糖、蔗糖、麦芽糖,甘露醇,棉子糖,海藻糖产酸而不产气,可水解淀粉及酪蛋白。此菌为过氧化氢酶阳性,缺乏细胞色素C 氧化酶及将硝酸盐降解为亚硝酸盐的能力。菌落形态为不透明白色,呈圆形,表面突出。其芽孢体端生,呈椭圆形。凝结芽孢杆菌在有氧和无氧环境中均可生长,但乳酸的产生量在有氧条件下明显低于无氧条件,而生物量却恰恰与此相反,这说明环境中氧气含量可改变该菌的某些代谢途径。葡萄糖发酵主要产物为L(+)-乳酸,属同型乳酸发酵,除此之外,还可生成少量的乙酰甲基甲醇、乙酸及乙醇等。凝结芽孢杆菌在30~55℃条件下均可生长,其中最适合生长温度为37~45℃,最适生长pH 为6.6~7.0,液体培养前期最低发酵pH 在4.0~5.0之间,但在pH 为1.5的条件下,仍可生长良好,在发酵后期会出现反升现象pH可达到7.0~8.0。

在凝结芽孢杆菌的生长过程中,某些物质对菌体的生长起到了比较显著的促进效果。其中,菌体生长所需的主要生长因子包括:生物素、硫胺素(维生素B1)、谷氨酸、天门冬氨酸、半胱氨酸、烟酸、组氨酸、核黄素、叶酸、甲硫氨酸、腺嘌呤、脯氨酸、丙氨酸、苏氨酸、精氨酸、丝氨酸、亮氨酸、缬氨酸[4]。但不同菌株和不同温度条件下所需生长因子种类也存在差异。值得关注的是,生物素和硫胺素是凝结芽孢杆菌在不同温度条件下均需要的生长因子,说明这两种物质可能无法通过该菌自身合成或合成量无法满足生长需求,但同时也预示了此物质可能参与了凝结芽孢杆菌的某些重要代谢途径。

与普通乳酸菌相比,凝结芽孢杆菌具有良好的抗逆性。其芽孢体对高温及低pH 环境具有很强的耐受性,因此可顺利通过胃肠道,并起到显著的益生效果。

1.2 凝结芽孢杆菌的分离鉴定

凝结芽孢杆菌在热带地区的分布比较广泛(如:印度等),其主要存在于热带沼泽、河流、污水以及某些地域的人和牲畜肠道中。

目前,凝结芽孢杆菌的分离鉴定主要是以分子鉴定技术为主,形态学及传统生化特性鉴定为辅,二者相结合的方法来完成的。第一步,将筛选样品稀释并采用天冬酰胺-甘露醇-琼脂培养基(sparaginemannitol-agar medium)等涂布[5],通过显微镜对菌体进行形态学观察,如:菌体染色是否为革兰氏阳性,是否可产生端生芽孢,芽孢生成位置以及菌体运动特性等性状对样品进行初筛。第二步,经过初筛的菌株进行生化特性检测,如糖发酵特性,是否为过氧化氢酶阳性,是否仅生成L(+)-乳酸以及是否吲哚测试和凝胶水解为阴性等特性作进一步筛选。第三,在以上基础上,主要通过一下方法进行分子鉴定[6]:1)通过检测菌株DNA 的G+C 含量是否在44~50%之间;2)测定16SrRNA 基因序列并结合系统进化分析法对菌株进行鉴定;3)采用DNA 杂交技术将鉴定菌株与模式菌株或已确认为凝结芽孢杆菌的菌株(B.coagulans ATCC 7050,MTCC 492等)进行DNA 同源性分析,从而判断该菌株是否为凝结芽孢杆菌。

2 凝结芽孢杆菌的动力学

凝结芽孢杆菌以芽孢的形式进入胃消化系统,经过胃的蠕动以及胃酸的刺激,芽孢体开始吸水、膨胀,这便启动了芽孢体的萌发过程。当进入萌发阶段的芽孢到达十二指肠后,芽孢体便彻底转变为营养细胞,并开始迅速繁殖。伴随凝结芽孢杆菌在肠道中的不断繁殖,大量的代谢产物如:L(+)-乳酸、凝固素、lactosporin、α-淀粉酶、脂肪酶及蛋白酶等生成,从而有效地发挥其益生功效。

研究表明,凝结芽孢杆菌芽孢在人体中约4~6 h便可萌发,其中85%的菌体可顺利通过消化系统,最终于肠道中萌发并繁殖[7]。但值得关注的是,凝结芽孢杆菌不同于其它的益生菌,由于菌体在肠道上皮细胞的粘附性较弱,所以在自然条件下一般很难在肠道中存在[8]。因此,作为肠道内的“移民”,凝结芽孢杆菌只能在肠道内做短暂的停留,一次性口服凝结芽孢杆菌后,经过大约4~7d时间肠道内的凝结芽孢杆菌便会通过排便而消失殆尽[9]。所以只有持续服用凝结芽孢杆菌菌剂,才能使得该菌在肠道中充分发挥其益生作用。

3 凝结芽孢杆菌的作用机理

凝结芽孢杆菌可以调节肠道菌群结构,增加肠道中有益菌数量,通过自身代谢产生细菌素抑制并排除致病抗原,增强上皮细胞的存活能力并构建完整的生物屏障系统,刺激抗体以及抗炎细胞因子的分泌,增强共生细菌的免疫应答,从而有效增强肠道粘膜免疫,从而改善肠道微环境[10]。

3.1 抑制致病菌

凝结芽胞杆菌可通过代谢产生大量的L(+)-乳酸,降低周围环境的pH,从而有效地抑制嗜碱性致病菌的生长。除此之外,该菌可产生细菌素及类细菌素物质,其中凝固素和lactosporin 为主要抑菌物质。

1997年,Le Marrec等[11]从一株由牛粪便中分离到的凝结芽孢杆菌I4中,发现了一个约14kb的质粒PI4,此质粒上携带的coa操纵子可进行表达,产生一种凝结芽孢杆菌特有的抑菌活性的物质-凝固素。凝固素为类片球菌素肽类物质,分子大小为4 612Da,由44个氨基酸残基组成,中部氨基酸形成α-螺旋结构,两端呈无规则卷曲状,与片球菌素PA-1/AcH 相似,仅仅是将片球菌素41 号位置C末端的天冬酰胺替换为苏氨酸[2]。凝固素具有较强的热稳定性,且不受有机溶剂、酯酶及α-淀粉酶影响,但对蛋白水解酶敏感。对肠球菌、酒球菌,明串珠菌,李斯特菌和片球菌具有有效的抑制作用,但与乳球菌和乳杆菌具有良好地协同效果。

2009年,Riazi 等[12]首次从凝结芽孢杆菌ATCC 7050中分离到一种独特的脂蛋白类抑菌物质-lactosporin。此物质的等电点为3.5-4.0,具有良好地热稳定性,但其活性在一定程度上会受环境中pH 的影响。由于该活性物质由脂类和蛋白质构成,所以在某些脂肪酶和蛋白水解酶存在的条件下,活力会完全丧失。研究表明,lactosporin为阴离子抗菌物质,可穿透致病菌细胞表面形成短暂针孔,从而使细胞内的K+等无机盐离子、氨基酸及ATP泄漏到细胞外。这将细胞的质子动力势的降低,从而抑制病原菌胞内蛋白质、DNA、RNA 以及肽多糖的代谢[13],从而对致病菌起到有效的抑制作用。2012年,Shadi Riazi等[14]研究显示lactosporin对阴道致病菌藤黄微球菌具有有效的杀灭效果,而对大多数非致病菌无抑制作用。

3.2 提高机体免疫能力

凝结芽胞杆菌可抑制由活性氧诱导的氧化作用,并可增强中性粒(PMN)细胞的巨噬细胞活性。研究者分别对凝结芽孢杆菌的细胞壁构成物质以及发酵上清液进行研究,发现二者均可通过调节细胞因子提高肠道免疫能力,抑制活性氧,增强细胞吞噬作用[15]。

凝结芽孢杆菌可对细胞因子的分泌进行调控,可诱导细胞因子IL-4,IL-6、IL-10、TNF-α和IFNγ,并抑制IL-2 的产生。Jensen 等[16]通过研究发现,该菌可以诱导NK 细胞CD69表达,从而激活细胞CD3-CD56+,且当凝结芽孢芽暴露在肿瘤细胞中时,可加强NK 细胞CD107a的表达。研究还发现,B.coagulans GBI-30-6086 会对腺病毒以及A型流感病毒的侵入做出快速反应并促进人体产生肿瘤坏死因子(TNF-α),经过30d后,TNF-α的水平含量分别达到了原来的2.5和17.09倍[17]。这说明凝结芽孢杆菌对机体具有有效的免疫调节作用。

3.3 促进机体消化代谢

凝结芽孢杆菌具有庞大的酶系统,可产生蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶以及木聚糖酶等活性物质[18],从而有助于增强胃肠道对食物的消化吸收能力,提高食物的转化利用率。

此外,凝结芽孢杆菌还可产生β-半乳糖苷酶及乳酸脱氢酶,因此可有助于乳糖不耐受症人群对乳糖的消化[19]。凝结芽孢杆菌可结合并利用胆固醇合成细胞结构物质,而且对胆固醇生成酶3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A 还原酶(HMG-CoA reductase)[20]起到一定的抑制作用,这将降低血液中的胆固醇含量,从而防止由于高胆固醇而引起的疾病。

4 凝结芽孢杆菌的应用

4.1 凝结芽孢杆菌在水产养殖方面的应用

凝结芽孢杆菌在水产养殖方面应用比较广泛。袁丰华等[21]研究表明,凝结芽孢杆菌可促进尖吻鲈的生长,并提高其肠道淀粉酶及胃蛋白酶的活性,但对血清免疫酶的影响较小。该菌可显著提高奥尼罗非鱼肠道、肝胰脏和胃的蛋白酶活性[22]。肠道内凝结芽孢杆菌的数量可显著提高团头鲂的生长率、蛋白质效率和蛋白酶活力,可显著降低饲料系数和肠道大肠埃希菌数量[23]。

Ringo等[24]发现凝结芽孢杆菌可显著提高锦鲤的体重,添加凝结芽孢杆菌的锦鲤体重较对照组高约8.3g/尾,存活率提高2.7%。这是由于添加益生菌后,增强了肠道对维生素的合成能力以及消化酶的活力。值得注意的是,凝结芽孢杆菌与壳寡糖混合使用效果会更加明显。此外,凝结芽孢杆菌可显著增强锦鲤呼吸强度和巨噬细胞的活性,并且明显提高血清中溶菌酶和超氧化物歧化酶的活性,从而提高锦鲤对致病菌侵染的抵抗力,对锦鲤免疫力的提高起到了关键性作用。

4.2 凝结芽孢杆菌在禽类养殖方面的应用

2010年,Zhou 等[25]采用凝结芽孢杆菌ZJU0616作为益生菌添加剂饲喂广西黄鸡,并对鸡的生长特性、饲料转化率、存活率、肉质化学成分以及肉的品质进行了系统的分析。其中,饲料中凝结芽胞杆菌的添加量分别为1.0×106cfu/g、2.0×106cfu/g和5.0×106cfu/g。实验结果显示,凝结芽胞杆菌可显著提高黄鸡的日增重、出栏体重和饲料转化率,明显改善肉质品质,并且实验组黄鸡的存活率较对照组提高了4%~7%。值得注意的是,饲料中不同的凝结芽孢杆菌添加量并没有导致最终各项检测指标之间的显著差异,这说明当肠道内凝结芽孢杆菌的含量达到一定值后,菌体在肠道内的代谢产物所发挥的益生功效将会占据主导地位。

无独有偶,Cavazzoni等[26]对凝结芽孢杆菌对肉鸡的生长情况的影响进行研究,结果显示添加该益生菌可降低死亡率,提高饲料利用率,显著增加肉鸡日增体重及出栏体重。这说明凝结芽胞杆菌对鸡的生长特性及机体免疫功能具有比较显著影响。

4.3 凝结芽孢杆菌在畜类养殖方面的应用

微生态制剂不但能提高机体的生长性能,而且还能降低肠杆菌科细菌在胃肠道各部位定植水平而影响肠道菌群的微生态平衡,采用凝结芽孢杆菌饲喂仔猪可显著降低其死亡率,并提高饲料转化率。1998年,Annunciata等[27]以凝结芽胞杆菌CNCM I-1061饲喂乳猪,并对乳猪粪便中乳球菌、肠球菌、双歧杆菌、大肠杆菌、梭菌以及拟杆菌属等菌群的变化情况进行了研究。实验结果显示,凝结芽胞杆菌可以稳定的定植于肠道中,显著抑制厌氧球菌、拟杆菌属及大肠杆菌的生长,而对乳酸菌和双歧杆菌的生长无明显的抑制效果。

周映华等[28]研究了凝结芽孢杆菌对断奶仔猪生产性能的影响,试验表明:在饲料中添加0.05%凝结芽孢杆菌较添加0.1%枯草芽孢杆菌的试验效果好,凝结芽胞杆菌可明显增加肠道内乳酸菌和双歧杆菌数量,并抑制大肠杆菌的生长。

4.4 凝结芽孢杆菌在临床方面的应用

2007年,Johnston 等[29]通过大量分析总结指出,凝结芽孢杆菌是在治疗抗生素相关性腹泻方面最有应用价值的益生菌种。2003年,La Rosa等[30]综合采用随机法、双盲法和安慰剂控制试验对凝结芽孢杆菌在治疗抗生素相关性腹泻的效果进行研究。试验将98名患病儿童随机分为两组,分别服用凝结芽孢杆菌-果糖-低聚糖制剂和安慰剂10d,结果显示实验组的治愈率为71%,显著高于对照组的38% ,且试验组的腹泻持续时间为0.7d,明显少于安慰剂组的1.6d。这说明凝结芽孢杆菌在治疗此疾病方面具有良好地功效。

2003年,Katsutoshi等[31]对口服凝结芽孢杆菌SANK 70258进行研究,发现此菌可改善粪便的形状和颜色(由黑色变为微黄色);可通过降低肠道内氨类物质,吲哚以及对-甲酚,以减弱粪便的臭味;可显著降低排便的频率以及粪便的pH,可提高肠道内双歧杆菌的活菌数并抑制产气荚膜梭菌的生长。

肠道应激性综合征(IBS)是由于肠道菌群失调而引起的肠粘膜损伤,导致肠道免疫功能紊乱而引发的一系列肠道疾病[32]。Dolin[33]通过对51 位肠道应激性综合征患者进行8周的研究,发现凝结芽孢杆菌GBI-30,6086可明显改善患者的胃胀、腹绞痛、便秘等情况。Kalman等[34]对凝结芽孢杆菌研究发现,服用该菌后可显著改善由于炎症引起的肠炎疼痛以及饭后引起的腹胀不适现象,这一点与Hun Larysa的研究结果相一致[35]。

此外,凝结芽孢杆菌对新生婴儿腹泻[36]、高脂血症、口疮性口炎、龋齿[37]、阴道炎、风湿性关节炎[38]均有显著治疗效果。

5 凝结芽孢杆菌的毒副作用及用量

通过对凝结芽孢杆菌的毒理学安全性评估结果进行分析,表明此菌对机体无致诱变,致畸变以及遗传毒性效应。2009年,Endres等[3]采用大鼠对凝结芽孢杆菌在急性和慢性的口腔毒理进行研究,试验结果显示活菌数服用量大于1.36×1011CFUs/g/kg(体重)/天无任何不良副作用。

一般来说,凝结芽孢杆菌在饲料中的添加量达到1×106CFUs/g,便可起到良好地效果。而对于一个体重70kg的人来说,推荐的每天标准服用剂量100mg(含活菌数约15亿),分2~3次服用。

6 展望

国外对于凝结芽孢杆菌的研究已有70多年的历史,而我国还仅仅处在起步阶段。凝结芽孢杆菌对动物机体具有良好的益生作用,且较传统的乳酸菌益生菌更具有优异的储存特性,相信伴随人们研究的不断深入,凝结芽孢杆菌将会在临床和养殖方面发挥越来越重要的作用。

目前,国内凝结芽孢杆菌制剂主要是通过液体发酵方式获得,发酵过程中的多种生理活性物质成分,如有机酸、水解酶、维生素、天然抗活性物质和促生长因子菌随分离的上清液放掉,同时又增加了对污水治理的负担,浪费了资源。故而,凝结芽孢杆菌的固态发酵及与其他益生菌混菌固态发酵亟待深入研究。凝结芽孢杆菌在疗效相关疾病中的作用并非决定性的,相关机理仍待深入研究;凝结芽孢杆菌在动物养殖中的应用,当根据不同动物种类及动物的生长时期而添加不同的剂量,相关研究需系统、全面的展开,以便为实际生产提供一定的依据。

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