纤维素分解菌在反刍动物生产中的应用研究

黄国欣，梁自超，孙瑞涛，杜江华，李桂森，刘大森

（东北农业大学，哈尔滨 150030）

纤维素分解菌在反刍动物生产中的应用研究

黄国欣，梁自超，孙瑞涛，杜江华，李桂森，刘大森

（东北农业大学，哈尔滨 150030）

纤维素分解菌作为一种新型的绿色饲料添加剂，能提高粗纤维饲料的转化率、改善瘤胃内环境以及动物的生产性能，从而为养殖业提供相当数量的饲料来源。本文主要从纤维素分解菌的作用机理、在反刍动物生产中的应用及其应用前景等方面作了论述，以期为生产实践提供理论依据。

纤维素分解菌；反刍动物；应用

植物纤维素是植物细胞壁的重要组成部分，是年产量大、最为丰富的和成本低的可再生能源[1]。植物的干重包括35%～50%的纤维素、20%～35%的半纤维素、5%～30%的木质素[2]。由于纤维素具有不溶于水的晶体结构，因此将其水解为葡萄糖是非常困难的[3]。目前，植物纤维素主要用于制作燃料、饲料和肥料，以及造纸行业，利用率还很低，但是相应的环境污染却相当大。应用酸、碱和蒸汽加热的处理方法可以减少污染，但是需要复杂的设备，而且具有二次污染的缺点，所以应用一直很有限[4,5]。在饲料资源应用方面，除反刍动物借助瘤胃微生物可以利用纤维素外，其他高等动物几乎不能消化和利用纤维素[6]。反刍动物之所以可以分解纤维素是由于瘤胃内具有多种可以分解纤维素的微生物，统称为纤维素分解菌（包括细菌、真菌和放线菌）[7]，这些纤维素分解菌可以产出多种纤维素酶，包括外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶等[8]，将纤维素分解为葡萄糖、二糖等并被动物机体利用，因此纤维素分解菌得到越来越多的关注。

纤维素分解菌作为动物饲料中的添加菌剂，能将饲料中的纤维素降解成可消化吸收的还原糖（如二糖或葡萄糖），提高饲料的营养价值。目前，纤维素分解菌在反刍动物生产的应用中取得了良好的生产效益。本文从纤维素分解菌的作用机理和在反刍动物中的应用现状等方面进行了论述，希望能为生产实践提供理论依据。

1 纤维素的降解机理

1987年Enari等[9]提出顺序作用假说，该假说认为：溶性纤维素的水解是纤维素水解的第一步，是由外切葡聚糖酶催化并生成纤维二糖、纤维糊精，然后再由内切葡聚糖酶将已被催化产生的纤维糊精进一步催化分解生成纤维二糖，最后由β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖生成葡萄糖。

然而最近的研究成果表明，纤维素的降解是纤维素酶三种组分（即内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶）协同作用的结果。首先由C1酶（对纤维素最初起作用的酶）在纤维素的非结晶区随机水解1，4-β-D糖苷键，目的是将长链纤维素分子截短，同时产生大量带有非还原性末端的小分子纤维素；然后这些小分子纤维素由CMC（羧甲基纤维素钠）酶将其带有的非还原性末端进一步水解，经过外切葡聚糖酶的作用后生成纤维二糖；最后由β-葡萄糖苷酶将这些纤维二糖水解生成葡萄糖[10]。而其中的β-葡萄糖苷酶由于专一性差，不直接作用于纤维素分子，只能起到对其他酶切产物进一步降解的作用[11]。

2 纤维素分解菌的作用机理

目前纤维素分解菌的来源有很多，从饲料、反刍动物的瘤胃和肠道以及动物粪便中都可分离出纤维素分解菌。但在奶牛日粮中添加的菌株大多是来自瘤胃[12]。瘤胃是一个大容量的饲料发酵罐，为厌氧微生物提供了良好的繁殖环境。瘤胃内微生物主要包括细菌、原生动物以及真菌[13]，瘤胃内饲料就是在瘤胃内各种微生物相互共生、相互协同的作用下分解吸收和完成营养物的分解和利用的[14]。但瘤胃内微生物区系十分复杂，受饲料种类、饲喂时间、生活环境以及不同个体之间的差异等因素的影响而变化。相对于兼性厌氧菌来说，瘤胃厌氧细菌的纯培养十分困难，而且前者具有更好的现实意义，因此分离出的菌株大多是兼性厌氧菌。在瘤胃中降解纤维素起主导作用的是瘤胃真菌和活性高的纤维素分解菌[15]，而这些纤维素分解菌主要指的是白色瘤胃细菌(Ruminococcus albus)、产琥珀拟杆菌(Fibrobaeter succimogenes)、黄色瘤胃球菌(Ruminococcus lavefaciens)、小生纤维梭菌(Clostridium cellobioparus)[16]，它们也都是严格厌氧纤维素分解菌。日粮中添加纤维素分解菌后可以加快消耗掉由于采食带进去的氧气，使得瘤胃很快进入无氧状态。而由于瘤胃内的菌群总是受到外界的影响而发生一定的变化，添加进去的纤维素分解菌为非优势菌群，因此不会对菌群造成太大的影响，只会对瘤胃微生物起到调节作用。如曲巍等[17]在用复合菌剂饲喂小鼠时发现，复合菌液对小鼠的肠道菌群失调具有调节作用，使得某些有利菌群数量得到一定的增加。此外，添加纤维素分解菌后，细菌数量得以增加，而细菌的数量与纤毛虫的数量成正相关，纤毛虫又是动物高蛋白的来源[18]，从而提高反刍动物的营养水平。此外细菌之间存在某种促进或抑制的关系，海米代·吾拉木[19]在棉酚分解菌、乳酸菌和纤维素分解菌的混合培养中发现，这三种菌可以促进彼此的生长。

张立霞[20]在试验中对β-葡糖苷酶、CMCase、木聚糖酶等的酶活进行比较，结果这几种纤维素分解菌的活性高低各不同，它们总的纤维素分解能力也是不同的，说明纤维素分解能力的大小并非一种纤维素酶就可以决定的，而是多种酶共同协调的结果。此外，当在反刍动物瘤胃内人为地添加含有纤维素分解菌的混合菌剂后，会增加纤维素酶的产量。虽然纤维素的分解是由多种酶共同协作的结果，但其中一种酶的增加会影响总的纤维素酶的活性，而且还有可能会增加其他菌群的数量。Nsereko等[21]研究发现增加瘤胃内纤维素酶的含量可以增加瘤胃微生物数量，如分解纤维一糖的细菌的数量会猛增，同时分解木聚糖酶的细菌数量也会剧增。

3 纤维素分解菌的应用

3.1 纤维素分解菌在反刍动物中的应用

1974年美国人Parke提出微生态制剂的概念后，逐渐引起大家的关注。有试验发现，益生素对干物质采食量和纤维降解有促进作用，这可能是由于添加益生素的饲粮中瘤胃纤维素分解菌数量增加的缘故[22]。因此，将纤维素分解菌制成微生态制剂逐渐成为研究热点。Yang等[18]得到了一种高效的纤维素菌，试验证明可以有效地提高粗饲料的利用率。李昊[23]将从瘤胃中分离出的纤维素菌与固氮菌按不同比例添加进行体外实验，发现两种菌株按1∶4比例添加后对瘤胃发酵内环境的调节产生好的影响。仝泳[24]也发现了添加一定比例的纤维素分解菌与固氮菌可以促进瘤胃发酵，同时比较了两种贮存方法对菌活性的影响，发现常温干燥条件下菌的存活率比冷冻干燥低，为菌种的干燥保存提供了依据。在奶牛应用方面，孙满吉等[25]给奶牛饲喂纤维素分解菌发现其可稳定瘤胃pH，对瘤胃内环境具有明显调控作用。杨琼等[26]从瘤胃中分离出一种纤维素酶高产的产碱菌科纤维素分解菌，将其添加在日粮中饲喂奶牛，结果各处理组牛奶的乳脂率、乳蛋白率与未添加组相比明显提高。纪金春[27]使用含纤维素分解菌的菌剂饲喂羊与牦牛发现，给羊饲喂含菌剂的日粮提高了羊只的增重，在春冬季的牦牛日粮中添加菌剂可以降低牦牛体重下降幅度。

3.2 纤维素分解菌在粗饲料降解中的应用

除制成菌剂添加到反刍动物日粮中外，将纤维素分解菌作为微生态制剂添加到饲料中以提高饲料的营养成分含量进而生产发酵饲料，是当前饲料业的一个发展方向[28]。

有研究表明，在秸秆等粗纤维饲料中添加纤维素分解菌可提高秸秆的营养成分、降低难消化物质的含量。赵小蓉[29]在使用不同纤维素分解菌分解稻草和稻草粉的试验中发现：使用多种菌混合发酵分解纤维素类物质的速度明显高于其中任何一个单一菌株，说明纤维素的分解需要多种微生物的共同作用。郝月[28]和郝建宇[30]均有同样的发现。由于纤维素分解酶是一个多种酶的组合体系，不同的酶组分之间存在着明显的协同作用，而可能正是这种酶的协同作用使得复合菌株的降解效果优于单种菌。而这种纤维素分解菌的降解可以明显地降低秸秆等粗饲料中不利于动物吸收的成分。张立霞[19]在用多种纤维素分解菌组合对玉米秸秆的发酵中，发现PC+黑曲霉+青霉+木霉的组合可以有效地降解纤维素、半纤维素、木质素，降解率分别为29.60%、12.02%、29.10%。尹爽[31]在使用含纤维素分解菌的混合菌剂发酵玉米秸秆时发现，玉米秸秆中的纤维素和木质素得到了有效的降解。李慧君[32]也发现利用微生物对玉米秸秆进行预处理，能够有效地降低其木质纤维素的含量，提高蛋白质的含量。这可能是由于纤维素分解菌将一部分纤维素降解使得纤维素的量减少，降解的纤维素转变为糖或其他物质如挥发性脂肪酸等，而蛋白的增加可能是由于纤维素降解的产物转变为糖或或其他物质，被动物体吸收后转化为菌体蛋白，与此同时秸秆的总量减少导致菌体蛋白含量提高，饲用价值也就提高。

此外，将纤维素分解菌用于青贮秸秆中也有同样的效果。乌斯满·依米提[33]在棉花秸秆青贮时添加纤维素分解菌，发现降低了青贮棉花秸秆的中性洗涤纤维含量。石伟[34]发现在加工青贮饲料时加入产纤维素酶细菌后，不但提高了发酵产物中的干物质和粗蛋白含量，减少了中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量，同时降低了青贮料的腐败率。原因可能是因为纤维分解菌在发挥作用降解粗纤维的同时，为乳酸菌提供了充足的碳架，而纤维素分解菌的迅速分解发酵，很快地消耗掉青贮饲料中的氧气，使得青贮很快进入无氧状态，导致乳酸菌迅速发酵，提高了青贮料的乳酸含量[35]。王汝富[36]使用经过纤维分解菌和乳酸杆菌活干菌处理过的小麦和玉米秸饲喂肉牛，发现日均采食量和采食率分别比对照组牛提高了30.9%和25.1%，日增重提高了73.56%，说明使用纤维素分解菌发酵秸秆不仅提高了其营养成分，还提高了适口性，同时更利于被反刍动物消化吸收。

4 应用中存在的问题及展望

目前，纤维素分解菌作为一种绿色添加剂其应用前景非常广阔，但在推广应用中还存在一些问题需要加以解决：

（1）目前各个实验中均发现添加纤维素分解菌对反刍动物有好的影响，但是具体的作用机理尚不明确。可以用分子生物学等方法对其影响机理进行研究，更深入透彻地研究瘤胃微生物代谢规律以及添加菌剂后的作用机理。

（2）目前纤维素分解菌的种类多、组合多，但是没有一种确切实用的组合形式。应加强菌种选育和菌种组合等基础研究工作，特别注意利用分子生物学、瘤胃微生态学、生理学等多种学科的方法对不同组合进行分析，了解其不同组合产生不同作用效果的原因。

（3）到现在为止选育出来可以用于分解粗饲料的纤维素分解菌的产纤维素酶活性不高，菌种易退化。因此，需要寻找、或是通过从不同来源中寻找培养、或是利用手段使其变异出一种稳定的安全的纤维素分解菌。

（4）此外，由于没有统一的纤维素酶活性标准与检测方法，使得纤维素分解菌的评定不能得到统一，不同研究组织培养得到的纤维素分解菌的能力不能进行互相比较，导致这些菌种资源的浪费。因此，须加强科研部门间的协作，尽快制定出我国统一的纤维素分解菌分解能力和纤维素酶活性的质量标准以及相应的检测方法。

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Applied Research Progress of Cellulose Decomposing Bacteria in Ruminant Production

HUANG Guo-xin, LIANG Zi-chao, SUN Rui-tao, DU Jiang-hua, LI Gui-sen, LIU Da-sen
(Northeast Agricultural University, Harbin 150030)

Cellulose decomposing bacteria as a new green feed additive can increase the conversion rate of roughage, improve the rumen environment and performance of anmial, and supplies a considerable number of feed resource to livestock breeding. The categories of cellulose decomposing bacteria, mechanism of action, and application in ruminants feed productivity and application prospects were described in this paper, in order to supply theoretical basis for production practice.

Cellulase decomposing bacteria; Ruminant; Apply

S823.4

A

1004-4264（2017）04-0005-04

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.04.002

2016-12-08

黄国欣（1991-），男，河北省巨鹿人，硕士生，研究方向为反刍动物营养。

刘大森，教授，博士生导师。