微生态制剂及在绵羊养殖中的应用研究进展

姚逸安， 孙仁修， 胡情情， 俞可心， 姜俊芳， 蒋永清， 管 峰*

（1.中国计量大学生命科学学院，浙江杭州 310018；2.山东省畜牧总站，山东济南 250022；3.浙江省农业科学院畜牧兽医研究所，浙江杭州 310021）

微生态制剂是一类在微生态学研究与应用理论的指导下，利用益生菌等微生物经过加工制成的生物制品，在提高动物生长性能与机体免疫力的同时具有无残留、无毒副作用、不产生耐药性等优点，已经在畜禽、水产养殖等领域成为替代抗生素的新一代绿色环保饲料添加剂，具有广阔的应用前景（廖乙露等，2021；金尔光等，2018）。随着我国全面禁止在饲料中添加抗生素规定的落实，微生态制剂在养殖业中备受重视并得到广泛使用。当前研究和应用效果表明，微生态制剂能通过平衡肠道微生态环境、提升动物机体免疫力、促进营养物质吸收等多种作用机制提升动物生产性能。同时，微生态制剂也在临床中被应用于多种炎症疾病的防控。

绵羊是一种分布广泛的家养动物，具有适应性好、能充分利用农作物资源等优点，也是我国家畜遗传资源中最丰富的畜种之一。同时，我国也是绵羊养殖大国，绵羊在我国畜牧业中具有重要的地位（王慧华等，2015）。微生态制剂能够改善绵羊健康状况，提高生产性能，尤其对断奶羔羊能显著提高生长性能与免疫能力（何韵秋等，2020；赵轩等，2020）。近年来微生态制剂发展迅速，抗生素的限用和反刍动物瘤胃微生物研究成果都给微生态制剂在绵羊养殖中的使用提供了机遇和技术基础。本文就微生态制剂的发展和应用现状、作用机制以及在绵羊生产中应用做一综述，以期为微生态制剂的深入研究和应用提供参考。

1 微生态制剂发展现状

1.1 微生态制剂的定义与分类 微生态制剂又称益生菌、益生素、利生菌、活菌制剂，是指采用已知的有益微生物，经培养、复壮、发酵、包埋、干燥等特殊工艺制成的对动物有益的生物制剂或活菌制剂，具有维持宿主的微生态平衡、调整其微生态失调和提高健康水平的功能（王改芳，2020）。微生态制剂对健康养殖，维持良好养殖微生态环境，提升动物机体的非特异性免疫，提高饲料转化率，增强动物生长性能等方面均具有重要的作用。微生态制剂有液态型、固态粉剂型和乳膏剂等剂型，其中乳膏剂克服了传统剂型需要低温储存的缺点，在常温下可长时间保持有效活菌量（张乐等，2021）。目前微生态制剂按照材料组分大致可分为三类：益生菌（probiotics）、益生元（prebiotics）和合生元（synbiotics）。

益生菌是指包括细菌和酵母在内的对动物健康有益的生物活性制剂，临床试验证明，益生菌可以塑造肠道微生物群、预防病原感染、恢复微生态失调，产生多种重要生物化合物如短链脂肪酸（SCFAs）、B族维生素等，具有稳定和增强肠道屏障功能，提升宿主对营养物质的利用率，从而潜在地减少多种肠道疾病并促进宿主的整体健康（Kvakova等，2021；Kim等，2019）。益生元是一类不易被肠道消化吸收的但可以被益生菌选择性地利用、通过刺激肠道活动、降低病原体定植率等方式影响胃肠道微生物群的组成和活性等特定变化的物质，可以改善宿主的健康状况，主要包括低聚半乳糖、低聚果糖、菊粉等，一些非碳水化合物也可以被视为益生元，如多酚和醋酸盐等（Lordan等，2020；Gibson等，2017）。合生元主要是能被宿主微生物选择性利用从而使宿主健康获益的活微生物和底物的混合物，即活微生物不需要一定是一种独立的益生菌，底物也并不需要一定是一种独立的益生元，只要它们的混合物能为宿主的健康提供益处，便可被称为合生元（Swanson等，2020），其一般同时具有益生菌和益生元的特性，因此比单独使用益生菌或益生元具有更好的效果。

1.2 微生态制剂的应用 微生态制剂大量应用于畜禽和水产养殖，也在人类保健食品和临床医学中广泛应用。在畜禽养殖中微生态制剂主要被用于饲料添加剂，以替代部分抗生素的功能，使用较多的益生菌种类有芽孢杆菌、乳酸菌和酵母等。微生态制剂在猪、家禽和反刍动物的养殖过程中应用广泛，能够有效增强宿主机体的免疫能力，提升生长性能，减少哺乳动物断奶应激造成的负面影响，提升动物产品的品质及产量（戴维等，2020）。微生态制剂在使用过程中需针对不同的动物选择合适的菌种，使用的时间越早、持续时间越长，饲喂效果越好，同时制剂中的活菌数量也是影响其应用效果的关键因素之一（孙玉倩等，2018）。微生态制剂使用剂量低则效果不佳，剂量高至某一阈值后有益作用提升有限（赵永玉，2021），故在实际生产应用中需要探索不同畜种合适的使用时间以及剂量等问题，以便降低成本获得最佳经济效益。

水产养殖中使用的微生态制剂主要分为饲用微生态制剂和调水改底用微生态制剂（廖乙露等，2021）。调水改底用微生态制剂具有净化水质、增加溶氧含量、稳定pH、抑制水中异养菌生长和改善养殖水环境的作用（王笃彩等，2011）。饲用微生态制剂依据水生动物消化环境制备，对动物健康生长具有积极作用，如缓解应激反应、提升免疫力和生长性能等（Alagarasu等，2021；Ran等，2016）。但水产养殖中对于微生态制剂的使用剂量需要严格把控，否则不但提高成本还影响使用效果甚至可能适得其反。一项剂量依赖性试验表明，仿刺参饲料中添加超过30 mL/kg的微生态制剂时就会出现吐脏现象，甚至还会导致养殖动物的死亡（韩莎等，2019）。由此可见，微生态制剂的使用既要考虑养殖物种对益生菌种类的选择性，也要合理添加使用剂量。

微生态制剂在临床上多被用于亚健康人群的疾病预防，改善包括克罗恩病、溃疡性结肠炎等炎性肠病（IBD）的临床症状。微生态制剂可以改善因肠道菌群异常引起的局部免疫改变，其可以通过免疫细胞迁移和免疫效应分子的分泌等多种方式作用于全身，降低肠外或系统性疾病的发病率（焦禹豪等，2019），在多种疾病中起到辅助治疗的作用。最近的新型冠状病毒肺炎防治研究表明，其引起的肺部病变可能与肠道菌群失衡有关，在临床上对患者饮食添加微生态制剂能够调节患者肠道微生态稳定，缓解重症患者病情（张芷榕等，2021）。综上可见，微生态制剂在临床上的应用为多种疾病的辅助治疗与预防提供了新的思路。

2 微生态制剂的作用机制

2.1 调节机体肠道菌群平衡 动物肠道内存在大量多种不同的微生物，共同构成了肠道微生物区系。肠道各类微生物与宿主间相互作用，种类和数量保持动态平衡，但这种平衡往往因动物机体免疫力下降或食物结构改变而被打破，从而导致病原微生物增殖，引发相应疾病（Shi等，2017）。微生态制剂可以通过改变肠道环境、产生抑菌物质等方式抑制病原体在肠道内的定植与增殖，调节肠道内菌群平衡，稳定肠道环境（Pickard等，2017）。动物感染艰难梭菌（Clostridiumdifficile）会引起艰难梭菌相关性腹泻，梭状芽孢杆菌通过对初级胆汁酸脱羟基化产生的部分次级胆汁酸可对艰难梭菌的定植产生抑制作用（Buffie等，2015），唾液酶缺陷型模式肠道共生杆菌定植肠道能够下调艰难梭菌在唾液酸分解代谢条件下的数量并阻碍其在肠道内的增殖（Ng等，2013）。双歧杆菌能够产生具有抑菌作用的双歧菌素，对致病性大肠埃希菌、福氏志贺菌和沙门氏菌等肠道致病菌具有拮抗作用（胥振国等，2017）。枯草芽孢杆菌能维持肠道厌氧环境，降低肠道pH，有利于肠道优势菌群的生长，抑制病原体生长繁殖（班博等，2020）。可见，微生态制剂具有维持益生菌群、抑制病原菌增殖的作用，通过保持肠道菌群的平衡调节动物机体的健康。

2.2 构建与激活肠道免疫系统 在动物出生早期，尤其是反刍动物如牛羊等，一部分肠道特定菌群主要来自初乳，菌落在肠道的定植可以促进肠道黏膜相关淋巴组织的成熟。如果没有形成适当的肠道菌群，肠道免疫系统的功能就有可能受损，表现为肠道黏膜相关淋巴组织发育不全，免疫细胞和细胞因子数量减少，导致某些肠道疾病发病率增加（Zhou等，2020）。定植的肠道菌群通过病原体相关分子模式（PAMP）与模式识别受体（PRR）结合，激活肠道免疫系统，从而提高免疫力（Ni等，2017）。一方面，微生态制剂通过PRR诱导调控肠道上皮细胞产生如肿瘤坏死因子（TNF）、白细胞介素（interleukin，IL）、干扰素（IFN）和趋化因子（chemokines）等多种细胞因子，促进中性粒细胞的招募和发育，调节肠道T细胞发育分化，影响产生特异性抗体的B细胞的累积，增加肠道淋巴细胞组织中IgA的多样性，激发保护性免疫反应，维持肠道稳态（Kayama等，2020；Chen等，2019；Wang等，2019；Park等，2018）。另一方面，肠道共生菌释放的细胞外ATP是肠道细菌免疫的重要调控靶点，对于菌落选择具有重要作用，影响肠道免疫系统的建立时间和成败（Proietti等，2019；Perruzza等，2017）。综上可知，肠道微生物种类和微生态环境对肠道免疫系统的构建与激活具有重要作用，微生态制剂的应用为通过营养调控提高动物免疫功能开辟了新途径。

2.3 维持肠道物理屏障完整性 肠道物理屏障由黏液凝胶层、肠上皮细胞和细胞间的连接所组成，是肠腔与内环境之间的一道防线，肠道微生物通过代谢产物等物质维持肠道屏障的完整（温家姝等，2021）。肠道隐窝对肠道内环境的平衡以及肠道屏障的完整具有重要作用，但其容易因缺血、感染、辐射、炎症性肠病等各种损伤被破坏（Shi等，2017；Miyoshi等，2012；Ayabe等，2000）。研究表明，益生菌能够调节前列腺素E2（PGE2）的释放，有助于隐窝损伤的早期修复并促进隐窝再生（Jain等，2018；Uribe等，2018）。此外，鼠李糖乳杆菌还可以减少由辐射诱导的肠道上皮损伤，提升放射性环境下的隐窝存活率（Khailova等，2013；Ciorba等，2012），进而提升肠道隐窝的完整功能。紧密蛋白的表达量下调会导致肠道屏障异常开放，菌群移位，导致内毒素血症等疾病的发生（郑鋆，2021）。双歧杆菌的益生菌制剂能降低肠黏膜上皮因肠道菌群失调引起的occludin和ZO-1等紧密连接蛋白脱落，促进肠道上皮紧密连接，防止病原体进入血液循环，提高肠道屏障的保护能力（刘玉玲等，2021）。罗伊氏乳杆菌I5007能促进新生仔猪紧密连接蛋白的表达，维持仔猪肠道上皮屏障的完整性（Yang等，2015）。由此可见，微生态制剂中的益生菌可以修复肠道损伤，维持肠道物理屏障完整，从而提高机体的健康状况。

2.4 促进营养物质利用 微生态制剂可以通过促进肠绒毛生长和碳水化合物转化，从而促进对营养物质的吸收，改善动物生长性能。一方面，微生态制剂对肠道绒毛的生长起积极促进作用，具有促进肠绒毛生长发育、提高肠绒毛长度的功能，从而提升动物的生产性能（Nwachukwu等，2021；Shonyela等，2020；赵姝娴等，2018）。乳酸菌能够产生维生素B2，促进肠绒毛与隐窝深度比的增加，间接提高肠道的营养吸收能力（Hernández-Alcántara等，2020）。另一方面，微生态制剂中的益生菌能够发酵食物中部分无法被宿主直接消化的碳水化合物，提升饲料利用率。试验证明，饲料在经过微生态制剂发酵后营养成分发生较大变化，粗纤维和粗灰分成分降低，游离氨基酸和粗蛋白质含量增加，使其能更好地被绵羊利用，利于瘤胃发酵（董改香等，2018）。枯草芽孢杆菌能够显著提升奶牛瘤胃中异丁酸浓度，增加奶牛氮沉积量，提升泌乳性能（陈宝财，2021）。综上可见，微生态制剂可以提高动物对营养物质的吸收利用率，从而对生长产生有益作用。

3 微生态制剂在绵羊养殖中的应用

3.1 提高绵羊生长性能 瘤胃是反刍动物发酵和分解粗纤维日粮的主要场所，瘤胃微生物将日粮转化为挥发性脂肪酸和微生物蛋白等物质，易于宿主吸收，甚至宿主所需的B族和K族维生素也主要来源于微生物合成（周力等，2021）。饲喂微生态制剂可以调节瘤胃有益微生物的多样性和平衡，改善微生物区系增加半纤维素分解菌等有益菌的相对丰度，促进营养物质的消化吸收，提高生产性能（占今舜等，2021；丁赫等，2019）。试验证明，使用植物乳杆菌的加工产物补饲羔羊，可以增加羔羊瘤胃纤维素降解菌的丰度，改善瘤胃的发酵条件，提高羔羊增重率、采食量、营养物质摄入量和消化率（Izuddin等，2019）。对育肥阶段的杜寒杂交羊分别补饲地衣芽孢杆菌、酿酒酵母以及地衣芽孢杆菌、酿酒酵母和蛋白酶组合的三种饲料，均能改善瘤胃发酵性能，改变瘤胃菌群丰度，并提高羔羊血清中生长激素浓度和日增重（Jia等，2018）。此外，在肉羊饲料中添加地衣芽孢杆菌能够降低瘤胃发酵过程中甲烷的产生，提高营养物质消化率，增加饲料的能量利用率（肖怡等，2016）。肠道是动物最重要的营养消化吸收器官，肠道微生物群在维持机体生长发育及保持健康状况中发挥重要作用。试验证明，含有枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的微生态制剂可以显著提升绵羊羔羊2月龄的体重增重，并改善其肠道菌群结构（Devyatkin等，2021）。复合益生菌培养物能显著提升肉羊的生产性能，降低料重比，改善肠道微生物群结构，提高肝肾代谢水平，且5%含量的添加量较为适宜（杨明等，2020）。由此可见，微生态制剂通过改善绵羊瘤胃和肠道的微生物群结构、菌群相对丰度进一步提高绵羊的饲料利用率和生长性能。

3.2 改善绵羊肉类品质 微生态制剂在提升绵羊生长性能的同时还具有改善羊肉品质的作用。羊肉的pH、嫩度和色泽等是反映肉品质的重要指标，微生态制剂通过调节胃肠道中不同菌群的丰度提升营养物质利用率，改变代谢物和血脂指标，进而降低羊肉的失水率、剪切力值和pH24，提升肉质色泽和熟肉率（杜瑞等，2020；李光梅等，2015）。研究发现，微生态制剂能显著提高湖羊的营养物质消化率和屠宰性能，显著增加肉质大理石纹（朱爱文等，2017）。绵羊补饲经益生菌发酵的尾菜发酵饲料能显著提升生长性能，改善屠宰性能，降低背最长肌的pH和剪切力，增加亮度、红度和大理石纹评分（朱凯等，2021）。羊肉的风味直接影响其品质好坏和消费者的选择以及市场价格。试验证明，饲喂混合添加乳酸片球菌和尿素的青贮全株玉米可以提升杜泊羊的生长性能和屠宰率，增加肌肉中粗脂肪和部分氨基酸含量，改善羊肉的风味和品质（程光民等，2019）。益生菌发酵香草配合饲料可显著降低羊肉失水率、优化大理石花纹并明显减少羊肉膻味（董改香等，2018）。由此可见，微生态制剂能多方面明显改善羊肉品质。

3.3 提升绵羊繁殖性能 妊娠期母羊的营养需求量增加，营养不良会影响胎儿发育，诱发流产、产后奶水不足等问题。微生态制剂在提高母羊妊娠期营养水平的同时还提升繁殖性能，进一步影响新生羔羊的存活率与生长性能。试验证明，妊娠后期母羊补饲活酵母菌能够稳定其产羔前后胃肠道微生物群系，增加抗氧化能力，维持妊娠母羊良好的营养和健康状态（Dunière等，2021）。在母羊妊娠期间持续补饲复合益生菌能显著增加新生羔羊的初生重，而对新生羔羊补饲含有赖氨酸和复合益生菌的精料可以提升羔羊生长性能（马宁等，2021）。对泌乳母羊补饲地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌的复合益生菌能显著增加羊母乳中脂肪和蛋白质含量，并增加日产奶量，降低羔羊腹泻导致的死亡率（Kritas等，2006）。因此，微生态制剂可以改善母羊的繁殖性能和羔羊的生长水平。

3.4 绵羊健康养殖 氧化应激、病原体感染等因素会影响动物的健康状态，降低机体免疫力，造成动物产品品质下降（Rubio等，2019），微生态制剂通过调节胃肠道微生态环境进而提升机体免疫性能。研究表明，微生态制剂能显著提升青海细毛羊血清中总蛋白、白蛋白、TNF-α、IL-2、IL-6以及各类免疫球蛋白含量，提高血清抗氧化指标，并改善肝脏和肾脏功能（李光梅等，2021）。对绵羊补饲富硒酵母能够增加羊只血液总体抗氧化能力，减少高温带来的免疫系统损害，显著增加红细胞计数，并提高血液中淋巴细胞含量（Mousaie，2021）。补饲植物多酚提取物能够抑制育肥湖羊羔羊瘤胃脂质过氧化，提高血清和肝脏中过氧化酶的活性，改善羔羊的抗氧化能力（Liu等，2018）。含有芽孢杆菌的微生态制剂能够提升羔羊血液白蛋白和球蛋白含量，升高杀菌和吞噬指数，降低胆红素和胆固醇水平，并对肝功能产生积极影响（Devyatkin等，2021）。益生菌还可以与中药制剂混合饲喂羔羊，提高羔羊血清中IL-2和IFN-γ的含量，提升脾脏指数和肝脏指数，提高羔羊抗病力（刘海霞等，2021）。此外，在饲料中添加中草药微生态制剂可以显著降低规模化羊场中有害气体NH3平均浓度，有利于羊群健康生长（吕伟等，2018）。可见微生态制剂在提升绵羊免疫力及健康养殖中具有良好的应用前景。

微生态制剂在提高免疫力的同时，对绵羊疾病的治疗中展示出良好的疗效。试验证明，使用能表达捻转血矛线虫抗原的基因工程重组枯草芽孢杆菌，诱导受感染绵羊外周血单核细胞增殖，可以提升血清中IgG、肠道黏液中SIgA含量，丰富皱胃微生物菌群，有效减少绵羊体内的虫卵数与成虫数量（Yang等，2020）。中草药微生态制剂可提高感染球虫病绵羊血清中IFN-γ、IL-2、IgM和IgG含量，增强羔羊免疫力，连续使用14 d可有效清除绵羊体内球虫卵囊（韩楠等，2021）。微生态制剂还能显著改善早期免疫力低下羔羊的腹泻症状，降低腹泻率，提升成活率，明显提高羔羊日增重（李秀萍等，2015）。中药微生态制剂对羔羊肠道中大肠杆菌具有抑制作用，减少绵羊因大肠杆菌导致的腹泻发病率并提升治愈效果（张忠等，2018；祝艳华等，2015）。综上可见，微生态制剂在对绵羊疾病的预防与治疗具有积极的临床意义，可以用于绵羊的健康养殖。

4 小结与展望

目前，对于微生态制剂调控动物生长和免疫力的机制和应用研究已经取得大量成果，随着微生物多样性和基因组研究的进展，以微生物为主要成分的微生态制剂随着加工工艺也不断革新，其在畜牧、水产养殖和医疗行业都展示出良好的应用前景。同时，作用机制的研究证明其在调节胃肠道菌群平衡、构建和激活肠道免疫系统、维持肠道屏障完整、促进营养物质利用等方面具有重要作用，这为微生态制剂在畜牧养殖中的应用提供了重要理论基础。近年来，微生态制剂在促绵羊生长和健康养殖等方面的应用研究也取得了很大进展，开发出多种微生态制剂产品。尽管如此，仍需对微生态制剂的开发及其应用做更多深入研究，比如微生态制剂与机体固有菌群之间的拮抗作用、益生菌与益生元的协同作用以及微生态制剂与宿主之间的相互作用机制等。另外，目前微生态制剂的贮存条件较为严格，因此，开发更加便捷使用的微生态制剂（如储运方便、饲喂简单等），同时还能满足不同动物的营养需求，是今后微生态制剂发展的重要方向。