微生物抗菌肽及其在动物生产中的应用

陈 亮，李瑞静，黄 亮，秦素雅

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001）

微生物抗菌肽及其在动物生产中的应用

陈 亮*，李瑞静，黄 亮，秦素雅

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001）

“后抗生素时代”，安全高效的抗生素替代物成为研发热点之一，具有诸多优点的抗菌肽有望成为抗生素理想替代物之一。近年来，微生物源抗菌肽在动物生产中的研究应用不断深入，并获得大量研究成果。本文就微生物抗菌肽及其在防控动物疫病、增强动物机体免疫水平、提高动物机体抗氧化能力、提高动物生产性能等方面的研究进展进行综述，以期为微生物抗菌肽的开发和应用提供参考。

微生物抗菌肽；抗生素替代物；动物生产；生长性能；应用

抗生素滥用带来致病菌抗药性增强、畜禽产品抗生素残留超标等严重问题，引发社会各界的广泛关注和对畜禽产品安全的忧虑，研发绿色安全的抗生素替代物迫在眉睫[1-2]。安全高效、不产生抗药性、无残留和可体内降解的抗菌肽被认为是抗生素的理想替代品之一[1-3]，其中易于规模化发酵生产、种类多、结构独特、功能多样的微生物源抗菌肽更具优势，尤其是本身就是益生菌的微生物菌株产生的抗菌肽更具市场前景[2,4-5]。

相对于动植物源抗菌肽而言，微生物源抗菌肽的研究应用相对滞后。近年来，在动物生产中添加微生物抗菌肽的报道才逐渐增多，然而微生物抗菌肽在动物生产中研究应用进展的报道鲜见[6-7]。本文将具体综述微生物抗菌肽及其在防控动物疫病、增强机体免疫水平、提高机体抗氧化能力和提高生产性能等方面的研究应用进展，以期为微生物抗菌肽的开发和应用提供参考。

1 微生物抗菌肽

微生物种类繁多、基因丰富，其产生的抗菌肽也是多种多样。目前，在动物生产中应用的主要是细菌抗菌肽，按照合成途径可分为非核糖体[8]和核糖体合成抗菌肽[9]。前者不依赖于核糖体，由非核糖体多肽合成酶基因编码合成，是一种由脂肪酸链和肽链形成的结构独特的两亲结构，统称为抗菌脂肽，因脂肪酸类型或长度、氨基酸序列、成环方式等不同而不同[8]，如Surfactin、Subtilin、Bacitracin等，产生菌株以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis)）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）等益生芽孢杆菌为主[8]。抗菌脂肽已被发现具有抗细菌、抗真菌、抗病毒、抗支原体、抗炎和表面活性等多种生物学功能，通过与细胞膜磷脂互作而形成离子通道，或者螯合阳离子而抑制酶活性来发挥作用。后者合成依赖核糖体，统称为细菌素，如Plantaricin、Pediocin、Sakacin和Lactococcin等，产生菌株以乳酸链球菌（Streptococcus lactis）、植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）、戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）等益生乳酸菌为主[9-10]。细菌素作用方式主要有两种：一种是依赖于膜电位，直接吸附于敏感菌细胞膜而形成膜内通透孔道，导致胞内K+、H+、PO43+和ATP等泄露和膜去极化，最终细胞自溶死亡[3,11]；另一种是不依赖于膜电位，通过与敏感菌细胞膜上的受体蛋白结合形成亲水通道，细胞膜完整性被破坏而导致细胞死亡[3,11]。

最初，人们对于微生物抗菌肽的研究主要集中在其抑菌杀菌活性上，后来才发现抑菌杀菌活性仅仅是其诸多生物学功能的一方面。下面将具体综述近年来微生物抗菌肽在动物生产中所展现出的诸多生物学功能。

2 微生物抗菌肽在动物生产中的应用

2.1 防控动物疫病 微生物抗菌肽在此方面的研究和应用最多。研究表明，Bacillus subtilis抗菌肽Sublancin对鸡坏死性肠炎病原菌产气荚膜梭菌的最小抑制浓度（MIC）为8 μmol/L，5.76 mg/L的Sublancin试验组鸡的小肠坏死指数、盲肠食糜中产气荚膜梭菌数量均显著低于对照组，有效控制坏死性肠炎的发生[12]。一种由21个氨基酸组成的肠杆菌肽对6株临床型大肠杆菌的MIC均小于0.5 μg/mL，300 mg/kg肠杆菌肽组肉鸡的病死率为0.66%（21 d）、4.95%（42 d），分别是对照组的22.37%、31.49%[13]。在断奶仔猪日粮中添加Bacillus subtilis抗菌脂肽后，4 000 U/kg的抗菌肽组仔猪的前期腹泻率（14 d）、后期腹泻率（28 d）分别较空白对照组下降35.48%、23.42%[14]；以150 mg/kg 、300 mg/kg抗菌脂肽替代抗生素后，抗菌肽组仔猪腹泻率分别较抗生素组显著降低38.18%和64.64%[15]；表明Bacillus subtilis抗菌脂肽可有效控制断奶仔猪腹泻[14-15]。在凡纳滨对虾日粮中添加100 mg/kg的Bacillus subtilis抗菌脂肽后，自然养殖水体中副溶血弧菌、溶藻弧菌等的数量明显降低，抗菌肽组对虾的攻毒存活率（44.45%）显著高于对照组（22.22%）[17]。利用乳酸乳球菌抗菌肽lacticin 3147封口处理奶牛乳头后，奶牛乳腺炎感染率由对照组的60.6%显著下降到抗菌肽组的5.7%，成功防控乳腺炎[18]。新型微生物抗菌肽还在不断被发现。Teixeira等[4]从Bacillus subtilis ATCC 6633发酵液中得到一个分子量1 083 ku的抗菌肽，20 μg/mL的浓度即可完全抑制猪格氏病病原菌副猪嗜血杆菌的生长；Varella等[19]从Staphylococcus aureus发酵液中发现2种新型抗菌肽A70和A53，Lee等[20]从Produced By Lactococcus Lactis中分离得到抗菌肽Lacticin Nk34，均可有效控制由金黄色葡萄球菌、无乳链球菌等导致的奶牛乳腺炎；诺维信公司从假黑盘菌中发现第一个真菌抗菌肽菌丝霉素，其可抑制多种革兰氏阳性细菌，0.05%的剂量灌注奶牛乳腺即可有效控制乳腺炎的发生[21]。

微生物抗菌肽主要通过以下2种方式达到防控疫病的目的：一是直接抑制或者杀死致病菌或有害菌；二是抑制肠道有害菌生长，促进有益菌生长，维护肠道菌群平衡[16]。另外，微生物抗菌肽还被发现能有效抑杀饲料中的霉菌，从而促进动物健康生长。

2.2 增强动物机体免疫水平 微生物抗菌肽在此方面的研究和应用很少，目前仅在肉鸡[22]、吉富罗非鱼[23]、凡纳滨对虾[24]等动物有相关研究。在肉鸡日粮中添加4 000 U/kg的Bacillus subtilis抗菌脂肽后，肉鸡中枢免疫器官指数的法氏囊指数（21 d）和胸腺指数（45 d）分别较空白对照组提高41.48%和69.91%，而外周免疫器官指数未出现显著性差异，说明抗菌脂肽可以通过促进肉鸡中枢免疫系统功能来增强其免疫水平[22]。在日粮中添加50 mg/kg的Bacillus subtilis抗菌脂肽后，吉富罗非鱼血清中溶菌酶（LZM）活性、碱性磷酸酶（AKP）活性、血清白蛋白水平和免疫球蛋白水平等非特异性免疫指标显著提高，说明抗菌脂肽可以通过提高吉富罗非鱼非特异性免疫能力来增强其免疫水平[23]；纳豆芽孢杆菌抗菌脂肽被证实能显著提高凡纳滨对虾的非特异性免疫能力，100 mg/kg抗菌肽组凡纳滨对虾的血清LZM活性、肝胰腺LZM活性显著提高[24]；纳豆芽孢杆菌抗菌脂肽还被证实能显著提高断奶仔猪的血清IgG水平[25]。

总体而言，关于微生物抗菌肽提高动物机体免疫力的研究非常有限，有待深入。根据现有报道，微生物抗菌肽提高动物免疫力的方式因动物种类而异，当病原菌入侵时，抗菌肽可以直接激活动物自身免疫系统来增强其免疫力，也可以通过诱导提高SOD、LZM、AKP等非特异性免疫因子来提高其免疫能力[22-23]。也有报道显示，抗菌肽也可以通过提高抗氧化能力而保护免疫器官、免疫细胞，从而改善免疫功能[25]。

2.3 提高动物机体抗氧化能力 关于微生物抗菌肽提高动物抗氧化能力的报道集中在凡纳滨对虾[24]、肉鸡[26]、吉富罗非鱼[27]和花鳗鲡僵苗[28]等动物。添加100 mg/kg的纳豆芽孢杆菌抗菌脂肽显著提高凡纳滨对虾的血清总抗氧化能力（T-AOC）水平、血清过氧化物酶活性和血清超氧化物歧化酶（SOD）活性等[24]；抗菌脂肽Surfactin被证实能显著提高吉富罗非鱼的肠道抗氧化能力[27]和花鳗鲡僵苗肠道的T-AOC水平、谷胱甘肽过氧化物酶、SOD的活性[28]；添加4 000 U/kg的Bacillus subtilis抗菌脂肽显著提高肉鸡的血清T-AOC水平，较对照组提高57.87%（42 d）[26]；添加100 mg/kg乳酸菌素的抗菌肽组肉鸡的血清SOD活性显著高于空白对照组和抗生素组，同时血清T-AOC水平也极显著高于空白对照组[29]。

有报道显示，有害微生物侵染会产生肉毒素、过氧化物、自由基等，会造成机体损伤和抗氧化能力降低[30]。微生物抗菌肽能够提高动物抗氧化能力，分析认为是其具有抑杀致病菌、有害菌或饲料腐败菌等有害微生物的间接作用。而动物机体抗氧化能力的提高将有助于消除机内自由基和提高抗损伤能力，从而有利于提高动物生产性能、缓解应激和提高存活率等[24]。

2.4 提高动物生产性能 在仔猪[14-15]、肉鸡[12,22,29,31]、蛋鸡[32]、牛[9]和水产动物[6,17,23]等日粮中添加微生物抗菌肽可以改善或提高其生产性能。喻红波等[15]发现，与抗生素组相比，300 mg/kg的Bacillus subtilis抗菌脂肽组断奶仔猪的日增重提高14.36%、采食量提高8.25%、耗料增重比降低5.26%。都海明等[14]发现，4 000 U/kg的Bacillus subtilis抗菌脂肽组仔猪的终体重（28 d）、平均日增重（28 d）均较空白对照组、抗生素组显著增加；同等剂量下抗菌脂肽组肉鸡的平均日增重（45 d）也较空白对照组和抗生素组显著增加，耗料增重比较空白对照组和抗生素组显著降低[22]。抗菌肽Sublancin被证实不仅能防治肉鸡的坏死性肠炎，还能够改善其生产性能[12]。抗菌脂肽Surfactin被证实可显著提高中华鳖稚鳖[6]、吉富罗非鱼[23,27]的生长性能，终体重显著提高、耗料增重比显著降低。纳豆芽孢杆菌抗菌脂肽被证实可显著促进凡纳滨对虾的生长，100 mg/kg抗菌肽组对虾的增重率高达451.79%、相对增重率达58.13%，对虾成活率和特定生长率均明显提高，同时对虾肌肉品质也有一定程度的提高[17]。添加细菌素类抗菌肽也表现出同样的促生长作用。李伟等[9]发现，添加40 g/d的乳酸菌素可显著提高5月龄黑白花公犊牛对饲料的消化利用率和生长性能；王全溪等[29]证实，添加乳酸菌素可显著促进肉鸡生长，100 mg/kg乳酸菌素组肉鸡的增重较空白对照组显著提高、耗料增重比显著降低；Chen等[31]发现，添加0.25%细菌素的肉用仔鸡试验组的饲料利用率和日增重显著提高，同时鸡肉中甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇的含量和盲肠中的氨浓度显著降低。韩冰等[32]发现，添加500 AU/kg植物乳杆菌细菌素可显著提高蛋鸡的产蛋能力，产蛋率为94.26±1.25%、平均蛋重为63.48±1.14g，均显著高于空白对照组和其他组。Nguyen等[33]发现，在大鳌虾日粮中添加Bacillus pumilus细菌素发酵物可显著提高大鳌虾的生长性能，其中增重（60 d）、特定生长率均较对照组有显著提高。

动物生产性能的提高是一个综合效应。微生物抗菌肽之所以能够提高动物生产性能，与其抑制杀死病原菌、维护肠道健康和平衡、增强动物机体免疫力和抗氧化能力等诸多生物学功能直接或间接相关。除此之外，微生物抗菌肽还被发现可以增强动物机体内相关消化酶的活性，从而促进动物对营养物质的消化吸收和生产性能的提高。研究发现，Surfactin可显著提高稚鳖肠道脂肪酶、蛋白酶的活性[6]和吉富罗非鱼肠道脂肪酶、肝胰脏肝脂酶、脂蛋白脂酶的活性[23]，石广举等[24]发现，纳豆芽孢杆菌抗菌脂肽能显著提高凡纳滨对虾肝胰腺中AKP活性。另外，Bacillus subtilis抗菌脂肽还被发现能显著降低吉富罗非鱼血清中尿素氮（BUN）水平，而血清BUN水平降低代表着机体蛋白质合成转化效率增高，说明抗菌脂肽具有促进动物对蛋白质消化利用的作用[23]；Surfactin被发现可以显著增加吉富罗非鱼肠道皱襞高度和肠道内益生乳酸菌的数量，说明其可以促进肠道健康[27]；Lee等[34]发现，牛瘤胃内生菌抗菌肽Bovicin Hc5能有效抑制瘤胃产甲烷细菌生长，128 AU/mL的添加量即可使甲烷产生量减少50%，从而显著提高了牛的能量利用率；Rychlik等[35]则发现，类细菌素抗菌肽BLIS能显著减少瘤胃中氨的产生，从而有效提高牛的饲料利用率。

3 结论与展望

综上，微生物抗菌肽被证实具有防控动物疫病、增强机体免疫水平、提高机体抗氧化能力、提高生产性能等诸多生物学功能。随着研究的不断深入，微生物抗菌肽必将在动物生产中发挥更大的作用，未来微生物抗菌肽研发具有重要的社会、环境效益和巨大的市场前景。

目前，微生物抗菌肽研发虽然取得一定的进展，但要真正大规模使用还存在诸多问题，比如微生物抗菌肽的科学使用、有效性评价、规模化生产等，随着这些问题的逐步解决，微生物抗菌肽势必会成为“后抗生素时代”保障畜禽产品安全的重要途径之一。

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Microorganism Antimicrobial Peptides and Their Application in Animal Production

CHEN Liang*, LI Rui-jing, HUANG Liang, QIN Su-ya
(College of Bioengineering, Henan University of Technology, Henan Zhengzhou 450001, China)

In the post-antibiotic era, the exploitation of e ff ective antibiotic alternatives becomes one of global the hot spots. Antimicrobial peptides were considered as one of excellent antibiotic alternative. Recently the research and application of microorganism antimicrobial peptides in animal production were constantly deepening, and lots of research achievement were obtained. Therefore, the progress of microorganism antimicrobial peptides and these applications on the prevention and treatment of animal epidemic, the improvement of the immunity levels and antioxidant ability, and the improvement of animal growth performance were summarized in detail in order to provide reference for the exploration of microorganism antimicrobial peptides in animal production.

Microorganism antimicrobial peptides; Antibiotic alternatives; Animal production; Growth performance; Application

S816.7

：A

：10.19556/j.0258-7033.2017-02-015

2016-09-17；

2016-10-03

国家自然科学基金项目（U1304332、3140154 3）；河南省重点科技攻关项目（162102210043）；河南工业大学科技创新人才培育计划项目（2013CXRC07）

陈亮（1982-），男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事应用微生物研究，E-mail: chen_liang.cl@163.com

* 通讯作者