枯草芽孢杆菌在反刍动物饲料中应用的研究进展

张昊雪，胡凤明，朴泯宇，鲁 琳，屠 焰

(1.中国农业科学院饲料研究所奶牛营养学北京市重点实验室，北京 100081； 2.北京农学院动物科学技术学院，北京 102206)

抗生素的使用在畜牧养殖中显露出诸多弊端，例如使动物体内菌群紊乱，药物残留于机体组织，产生抗药性等，我国从2020-07-01起禁止在饲料中使用抗生素。微生物制剂可作为促生长饲料添加剂替代抗生素[1],具有提高日粮消化率和免疫力的作用[2]，一定程度上可以增加养殖者的经济收益[3]。但微生物制剂对畜产品质量和安全的影响尚有待于研究。

枯草芽孢杆菌，是我国允许使用的饲用微生物制剂之一，是消化道的一种过渡性微生物，对动物无致病性，能形成耐热和耐寒的孢子。枯草芽孢杆菌在一定程度上可以提升饲料的适口性[4]。作为可以添加到饲料中的微生态制剂，枯草芽孢杆菌对反刍动物有着重要的作用，它不仅可以改善瘤胃微生物区系、影响瘤胃发酵，还可以产生多种酶类，促进机体肠道消化吸收，增强动物抗病力、抵抗力，减少动物消化道氨气等有害气体排放，改善家畜生活环境。

1 枯草芽孢杆菌的特性

早在18世纪人们就已经发现了许多芽孢杆菌，包含地衣芽孢杆菌、迟缓芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌等菌属。《伯杰氏系统细菌学手册》中将芽孢杆菌分为35个属、409种[5]。其中在基因工程、食品和饲料行业中研究应用较多的有B.168枯草芽孢杆菌、B.Z-2枯草芽孢杆菌、B.WY-3枯草芽孢杆菌、B.WY-7枯草芽孢杆菌、B.WL-3枯草芽孢杆菌等。不同类型的枯草芽孢杆菌形态大致相同，但所作用的对象大不相同。

枯草芽孢杆菌主要来源于土壤、植物及腐殖质中，也因其多繁殖于枯草浸汁中而得名[6]，属需氧型革兰氏阳性菌，其生长、繁殖迅速，菌落颜色偏淡黄且凹凸不平，在液体培养基中培养有皱襞[7]。该菌大多呈圆柱状，无荚膜，有鞭毛且可以运动，每个菌的大小为(0.7～0.8)μm×(2～3)μm，可形成芽孢，芽孢大小为(0.6～0.9)μm×(1.0～1.5)μm，略小于菌体自身，多形成于菌体的中央，形成后不使菌体膨胀[8]。枯草芽孢杆菌有着两种不同的状态，分别为孢子休眠状态和生长繁殖状态。当其处于不适宜生长，营养不充足的环境时，会自动进入孢子休眠期，为了能继续存活下去，形成在各种恶劣环境中皆可存活的芽孢。当环境适合生长，养分足够的时候，芽孢就会进入生殖生长期，重新生长为枯草芽孢杆菌[8]。

枯草芽孢杆菌对养分的需求并不高，有着很强的繁殖生长能力，其不仅能快速分泌多种参与机体新陈代谢的代谢产物，如氨基酸、维生素、有机酸、多种生长因子，还能分泌蛋白酶、淀粉酶、糖化酶等多种消化酶，从而促进蛋白质、淀粉、糖等有机物质降解。枯草芽孢杆菌还能分解植物组织的果胶和多糖，并可以使明胶急速液化[9]，使牛奶胨化、使硝酸盐还原，从而提高植物性饲料的消化利用。

2 枯草芽孢杆菌对反刍动物胃肠道的作用

2.1 改善胃肠道微生物区系

反刍动物胃肠道内共生着大量的微生物，其胃肠道菌群稳态对于机体健康至关重要。枯草芽孢杆菌可以调节动物肠道菌群，维持肠道微生态稳定[10]。实际生产中枯草芽孢杆菌活菌制剂通常以芽孢的形式存在，芽孢耐高温、耐酸碱，使其极易在肠道中存活。枯草芽孢杆菌在肠道中迅速复苏、增殖，消耗掉肠道内大量的氧气，从而促进双歧杆菌、乳酸杆菌等厌氧益生菌的生长繁殖，抑制大肠杆菌、沙门氏菌、产气荚膜梭菌、弯曲菌属和葡萄球菌属等的生长，使肠道微生物区系趋于稳定，肠道内菌群得到改善[11]。弯曲杆菌是一种常见的腹泻病原菌，日粮中加入枯草芽孢杆菌制剂，特别是抑菌性较强的枯草芽孢杆菌制剂，瘤胃中弯曲菌数的数量明显降低了，从而降低了奶牛腹泻的发病率；葡萄球菌是一种感染菌，很容易引起伤口的感染，日粮中加入强抑菌性枯草芽孢杆菌制剂同样可以使葡萄球菌的数量明显降低，大大减轻了疾病治疗难度。有研究发现，在荷斯坦育成奶牛全混合日粮(TMR)中加入枯草芽孢杆菌制剂可降低瘤胃中弯曲菌属和葡萄球菌属的相对丰度[12]。反刍动物的瘤胃中有着众多有益的微生物，如厌氧真菌、瘤胃细菌和原虫，以及一小部分噬菌体。相关研究发现，添加纳豆枯草芽孢杆菌可以增进奶牛瘤胃中的淀粉和蛋白质分解菌、原虫数量，促进瘤胃微生物繁殖生长，有利于瘤胃发酵，提高了奶牛的产奶量，乳成分也有所改善[13]。Sun[14]将纳豆枯草芽孢杆菌饲喂犊牛，发现其能使犊牛瘤胃和瘤网胃占复胃的比例明显上升，分别从526 g/kg和69.1 g/kg提高到557 g/kg和78.2 g/kg，瘤胃乳头密度和表面积增大。于萍等[15]研究发现，纳豆枯草芽孢杆菌还有利于断奶后犊牛消化道中的有益菌生长和繁殖，有利于其建立瘤胃中的细菌区系。

2.2 影响瘤胃发酵

健康瘤胃内的pH值大约在6～7，其大小影响着瘤胃内环境[6]。瘤胃中的挥发性脂肪酸生成的数量和速度是影响瘤胃pH值的重要因素，而日粮的种类影响着乳酸、乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸的生成[17]。很多研究显示，枯草芽孢杆菌制剂对控制瘤胃pH值是有作用的，见表1。但康海英[20]的实验结果却显示枯草芽孢杆菌对瘤胃pH值没有影响。造成研究结果不一致的原因可能是由于试验中枯草芽孢杆菌剂量、动物种类、日粮差异及微生态制剂本身的缓冲作用导致的瘤胃pH值结果不一致[21]。

表1 添加纳豆枯草芽孢杆菌对奶牛体外发酵瘤胃液pH值的影响

氨态氮浓度影响着瘤胃氮代谢水平，日粮中蛋白质在瘤胃中的降解程度和氨态氮浓度有着密切的关系，反刍动物瘤胃中氨态氮的浓度应在50～300 mg/L，超出则表示氮利用失衡[22]。研究发现，将纳豆枯草芽孢杆菌添加到日粮中，奶牛瘤胃中的氨态氮浓度显著增加[19，23]，原虫数量显著提高[23]，见表2。原虫可以吞噬细菌，从而抑制了瘤胃微生物蛋白的合成[24]，可能会减少微生物蛋白的合成和瘤胃的氮代谢。

表2 纳豆枯草芽孢杆菌对奶牛瘤胃液氨态氮浓度的影响

反刍动物用来合成体脂肪、乳脂肪的原料和主要的能量来源是挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，它们是瘤胃中碳水化合物发酵所生成的[18]。不一样的微生物区系和饲料类型，发酵所生成的各种酸的比例也是不同的。添加剂可以控制一些原虫和细菌的繁殖从而使发酵种类有所改变，能使丙酸比例上升的添加剂是人们一直在探寻的。许多研究显示，枯草芽孢杆菌可以使奶牛瘤胃中的乙酸浓度增加，丙酸浓度降低，见表3。奶牛瘤胃中乙酸/丙酸的比例下降了，说明枯草芽孢杆菌可以将瘤胃的发酵类型推向丙酸型，有利于瘤胃纤维降解，日粮利用率增加。

表3 日粮中添加纳豆枯草芽孢杆菌发酵产物对奶牛瘤胃丙酸和乙酸浓度的影响

有些研究显示，相比于地衣芽孢杆菌，枯草芽孢杆菌对瘤胃发酵的影响并不明显，需进一步实验考证[26-27]。

2.3 增强免疫力

动物食用枯草芽孢杆菌后，在肠道中生成一层保护膜作用于肠壁上的靶细胞，代谢时会生成有机酸，降低胃肠道中的pH值，使有害微生物的滋生受到了控制[28]。枯草芽孢杆菌在动物体中生成芽孢的同时，还会产生出很多种抗生素，如多粘菌、短杆肽等，这些抗生素可以有效地控制致病菌的繁殖和生长，促进双歧杆菌等肠道益生菌快速生长，使动物的抗病力和免疫识别能力有所提高[29]。冉崇银等[30]研究发现枯草芽孢杆菌可以激活反刍动物肠道内的淋巴组织，使肠道免疫器官极速发育、有利于免疫功能的成熟，使T细胞和B细胞的数量增加，动物本身的抵抗力显著提高。

2.4 产生多种酶，促进吸收

枯草芽孢杆菌在繁殖生长的时候，可以激活自身体内的酶原，产生多种酶类，如蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、脂肪酶、麦芽糖酶，在这些酶中有许多是动物体内不具备或分泌量不足的。在不同的环境条件下，枯草芽孢杆菌所产生的酶的数量和品种是不一样的[31]。在适宜生长的条件下，枯草芽孢杆菌所生成的酶可以促进动物降解碳水化合物和非淀粉多糖，提升动物的生产性能、吸收率和消化率[32]。

2.5 减少有害气体产生

畜牧养殖过程中会产生一些有害气体使环境受到污染，如何减少畜牧养殖带来的环境污染是大家都在关注的问题。枯草芽孢杆菌既可以控制氨气等有害气体的排放，使畜舍环境有所改善；还可以使动物更好地消化吸收营养物质，从而减少大肠中的发酵底物[33]，促进了在动物消化道远端的微生物代谢，有效抑制了恶臭源的生成，分解粪便的微生物数量也越来越多，快速把排泄物分解[34]。

3 枯草芽孢杆菌对反刍动物生产性能的影响

3.1 对产奶性能及乳品质的影响

枯草芽孢杆菌有利于动物对营养物质的消化吸收和消化道微生物区系稳定的维持，提高生产性能。相关研究显示，饲料中添加枯草芽孢杆菌有利于增加奶牛干物质采食量和乳脂率，但会使乳蛋白率下降，见表4。在奶牛泌乳中期，饲料中添加枯草芽孢杆菌制剂可以使尿液中的含氮量由130 mg/L显著下降到100 mg/L(P<0.05)，使奶牛的细胞免疫功能增强，还可以有效地控制奶牛的抗氧化功能，有利于牛奶乳制品质量的提升[36]。王卫正等[37]研究发现，枯草芽孢杆菌不仅可以增加奶牛的产奶量，还可以将乳体细胞数由26.68万个/ml显著降低到21.13万个/ml(P<0.05)，促进了奶牛对饲料的消化。赵珺等[38]在荷斯坦泌乳牛的饲料中加入不同剂量的枯草芽孢杆菌与酵母培养物混合制剂(1%、1.2%、1.5%)，导致奶牛乳品质有所变化，乳脂肪、乳蛋白和乳糖的含量都有所增加但并不显著。枯草芽孢杆菌对乳品质有一定的影响，但菌株不同、添加量不同，影响效果也是不一样的[39]。还有研究表明，添加枯草芽孢杆菌的复合益生菌添加剂可以有效治疗奶牛乳房炎，从而使奶牛的产奶量和乳品质有所提升[40]。曾有生产应用报告认为，日粮中添加枯草芽孢杆菌有可能是造成生鲜乳72 h不易凝固的因素，但尚未见到检测数据报告，这提示我们对益生菌的安全性、有效性还需进行深入的研究[41]。

表4 日粮中添加枯草芽孢杆菌制剂对荷斯坦奶牛生产性能的影响

3.2 对增重及肉品质的影响

枯草芽孢杆菌能够增强反刍动物的生长性能，使其料重比降低，日采食量、日增重提升。李靖[3]研究发现，在荷斯坦育成牛日粮中加入枯草芽孢杆菌，牛的体斜长、胸围和体重增长速度显著提升，且菌株的抑菌性越强，效果越显著；枯草芽孢杆菌还可以使牛的免疫性能增强、牛体体质改善。乌日勒格[42]研究发现，在杜寒杂交羔羊全混合颗粒日粮中加入0.03%枯草芽孢杆菌，羔羊的日增重、大肠重和消化道总重都显著增加；羔羊血液的总蛋白、乳酸脱氢酶和血糖比例也有所提高，对机体的生长发育起到了促进作用。张海涛等[43]研究发现，将1%的枯草芽孢杆菌菌液加入到牛奶中饲喂犊牛，犊牛日增重显著增加，且有提早断奶，体高、体斜长、胸围增长速度提升的趋势。枯草芽孢杆菌可以增加犊牛日增重，促进犊牛生长发育。王彩莲等[44]将枯草芽孢杆菌饲喂育肥羊，羊肉的剪切力和失水率显著降低，分别从4.85 kg和6.02%降低到3.47 kg和5.48%，熟肉率显著提高，从42.30%提高到44.65%，使羊肉的品质得到了改善。

3.3 对细菌性肠道疾病的治疗和预防

枯草芽孢杆菌不仅可以医治犊牛细菌性肠道病和泌乳牛细菌性肠道病，还可以防治羔羊的细菌性肠道病，并且不会出现副作用。梁晋琼等[45]研究发现，将不同浓度(8.58×1010、7.68×1010、8.10×1010CFU/头)的枯草芽孢杆菌分别饲喂10头腹泻的犊牛，连续给药3 d，3 d后犊牛止泻率分别为100%、90%、90%；将不同浓度(7.15×109、6.70×109、6.55×109、0 CFU/头)的枯草芽孢杆菌分别饲喂10头腹泻的羔羊，给药1 d后，羔羊腹泻率分别为30%、30%、30%、80%，可见枯草芽孢杆菌制剂对荷斯坦犊牛和羔羊腹泻有明显的治疗效果。

4 影响枯草芽孢杆菌作用效果的因素

4.1 动物自身

不同的动物品种、不同的生长阶段，它们的胃肠道菌群种类和其本身的免疫状况也是不同的。动物的年龄、品种等个体因素会影响益生菌在肠道内的定殖。不同的动物所使用微生态制剂的效果可能不同，对猪有效果的微生态制剂对反刍动物不一定有效果[46]。不同年龄段使用微生态制剂的效果也是不同的，相关研究发现，犊牛断奶前后饲喂N1型和Na型纳豆枯草芽胞杆菌的效果是不同的，断奶前N1型的饲喂效果要好于Na型的饲喂效果，断奶后则相反，见表5。动物幼年时，身体内的微生态系统很容易被影响，年龄越大，身体内的微生态系统就越稳定。因此，动物小时候使用微生态试剂会达到最好的效果。在动物体内定值的益生菌方可发挥其本身的作用[36]。

表5 不同纳豆枯草芽孢杆菌对犊牛日平均采食量和日增重的影响[18]

4.2 环境

当外来菌种入侵动物胃肠道时，动物身体内的微生态系统会对他们产生排斥效果，动物胃肠道内的菌群易因动物受到外界刺激而使其无法保持平衡状态，这时饲喂微生态制剂可使胃肠道的失衡状态有所缓解，还可使益生菌更好地在胃肠道内定植，很大程度提升了微生态制剂的效果水平[36]。王喜峰等[47]对肉鸡研究发现，热应激时，枯草芽孢杆菌可以发挥出本身最好的效果，但目前在反刍动物上仍然有待研究。

4.3 肠道内微生物群落

枯草芽孢杆菌可以使动物生长的功能更加完善，它可以通过竞争性抑制有害微生物菌群生长繁殖，从而提升动物的生长性能，但如果身体内正常菌群缺失，则会影响枯草芽孢杆菌对机体的保护作用。Impey等[48]研究发现，能够预防沙门氏菌感染肠道的雏鸡都有48株以上的正常胃肠道细菌。益生菌有益于动物生长，它可以通过竞争的方式控制动物胃肠道内有害菌的生长，从而使动物的生长性能有所提升。动物的抗病能力和免疫力会因胃肠道内乳酸杆菌数量降低而下降。单独的厌氧菌或需氧菌无法保护动物机体，所有的正常菌群都存在才能对机体产生很好的保护作用[46]。

4.4 饲喂方式

饲喂方式的不同，例如饲喂时间、饲喂次数、饲喂量的不同，都会对微生态制剂的作用效果有所影响。Tannock等[49]研究发现，构成仔猪肠道内微生态系统的元素会不停地改变。由此可见，细菌会在肠道内相同的位置定植，等到有其他合适动物体内环境的细菌出现才会将其替换。微生态制剂可以使动物身体中有益菌群数量提升，能够使胃肠道内微生态系统趋于平衡，控制病原微生物的繁殖。要想使用微生态制剂的效果更显著，就要在动物未感染病原菌时低剂量使用，感染时则应高剂量使用。

4.5 加工工艺

不同形态的枯草芽孢杆菌对动物的作用效果也是不一样的。相关研究表明，经过固态发酵的枯草芽孢杆菌产品，对于动物来说安全性更高，营养更丰富，有利于动物的消化吸收[50]。

4.6 抗生素

枯草芽孢杆菌对抗生素非常敏感，如果和抗生素一同使用会大大降低其作用效果。颜陶[51]对蛋鸡研究发现，加了抗生素会影响枯草芽孢杆菌对蛋鸡产蛋的效果，但目前在反刍动物上仍然有待研究。

5 结语

当前，对枯草芽孢杆菌的研究很多，对其作用机制和产品应用等方面已有了不错的成就，这些研究成果对实际应用有着重要的意义。枯草芽孢杆菌可以改善反刍动物肠道菌群结构、增强免疫力，提高生产性能和肉乳品质。在生产应用中我们还需对枯草芽孢杆菌活菌制剂在饲料制粒过程中的热稳定性、代谢产物的应用范围、对畜禽和畜产品的安全性等进行研究，促进它在各个领域都能取得良好的发展。