微生態(tài)制劑在仔豬腹瀉中的應用

譚碧輝，肖定福 ，譚碧娥

（湖南農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，湖南 長沙 410128）

仔豬腹瀉是豬生產(chǎn)中典型的多因素疾病，多受日糧變化、仔豬遺傳或特定病原體的影響。腹瀉導致仔豬體重增加減少，在短期內損害動物的福利，從長遠來看破壞菌群的正常定植，可能影響機體健康，是造成仔豬死亡的主要原因。據(jù)調查，我國養(yǎng)殖中仔豬腹瀉發(fā)生率為50%～60%，死亡率達15%～20%。斷奶期是仔豬生命中的一個關鍵階段，這時仔豬腸道微生物組成和免疫系統(tǒng)仍在發(fā)育，使仔豬易受病原體感染，斷奶后出現(xiàn)腹瀉。

仔豬腹瀉的病原學和流行病學非常復雜。引起仔豬腹瀉的病原體主要包括空腸彎曲桿菌（Campylobacter spp.）、產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）、腸毒素性大腸桿菌（Enterotoxigenic Escherichia coli，ETEC）、 沙 門 氏 菌 屬（Salmonella spp.）、 輪 狀 病 毒（group A rotavirus）、 冠 狀 病 毒（transmissible gastroenteritis virus；porcine epidemic diarrhea virus，PEDV）、線蟲和原生動物寄生蟲等。PEDV引起的豬流行性腹瀉（porcine epidemic diarrhea，PED）表現(xiàn)為多種臨床癥狀，包括急性腹瀉、嘔吐、厭食、脫水和體重減輕。PED對

新生仔豬的致死率接近100%，哺乳期仔豬的致死率可能高達80%。ETEC是引起仔豬腹瀉最常見的食源性傳染病。ETEC誘導腹瀉的機制是依賴于菌毛黏附素和腸毒素，促進病原菌黏附在仔豬腸道上皮細胞上，分別導致仔豬體液電解質紊亂和酸堿失衡。調查發(fā)現(xiàn)ETEC感染后約有50%的仔豬發(fā)生腹瀉。

1 腹瀉與腸道菌群組成的變化有關

盡管仔豬感染病毒或細菌后腹瀉發(fā)生率非常高，但并非所有感染的個體都患有腹瀉。越來越多的證據(jù)表明腸道菌群與仔豬腹瀉的發(fā)生有關，而不僅僅是特定的病原體。糞便微生物群移植可防止斷奶后腹瀉的發(fā)生。腸道菌群在仔豬免疫系統(tǒng)發(fā)育和整體健康中發(fā)揮著重要作用。應激條件下，宿主反應導致腸道呈富含硝酸鹽的環(huán)境，有利于編碼硝酸鹽還原酶基因的腸桿菌的生長。腸桿菌科中的一些病原體如腸沙門氏菌血清型鼠傷寒菌和ETEC會引起豬的腸道炎癥，從而破壞微生物組的組成。仔豬潛在的早期腸道菌群組成可作為斷奶后腹瀉易感性的標志，健康仔豬腸道菌群中普雷沃氏菌科、毛螺菌科、瘤胃球菌科和乳酸桿菌科的豐度更高，而腹瀉仔豬中通常表現(xiàn)為厭氧菌數(shù)量增加。對腹瀉仔豬糞便微生物群的宏基因組分析表明，腹瀉與普雷沃氏菌、薩特氏菌、彎曲桿菌和梭桿菌的相對豐度增加有關。放線菌數(shù)量的增加被報道與斷奶前新生仔豬腹瀉有關。

但是，不能斷定腹瀉是有益細菌缺失導致的結果，還是致病細菌入侵或機會致病菌過度生長導致的結果。PEDV可能引起仔豬腸道菌群失衡，導致共生菌減少，致病菌增加。PEDV感染仔豬腸道菌群的alpha多樣性顯著降低，大腸埃氏菌屬-志賀氏菌屬、腸球菌屬、梭桿菌屬和韋榮球菌屬顯著增加，而產(chǎn)生短鏈脂肪酸的理研菌科RC9腸道群、丁酸蓖麻單胞菌和另枝菌屬減少。此外，腹瀉仔豬腸道微生物群變化與日齡相關，梭桿菌屬和韋榮球菌屬隨年齡的增加而顯著增加。因此，基于仔豬日齡補充菌群，維持腸道菌群穩(wěn)定性可能是一種有效預防或減輕PEDV感染的策略。ETEC誘導的腹瀉與腸道菌群的改變有關，包括在空腸和糞便中呈現(xiàn)較低的擬桿菌門∶厚壁菌門的比例和菌群多樣性，空腸中出現(xiàn)較多的乳球菌以及糞便出現(xiàn)較多的大腸桿菌-志賀氏菌。特定的、預先存在的微生物平衡可以預防ETEC引起的腹瀉。在鼠傷寒沙門氏菌感染的仔豬回腸中，隨著致病細菌檸檬酸桿菌的增加，雙歧桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量減少，厭氧菌梭狀芽胞桿菌、瘤胃球菌竭盡。證實腸球菌屬和大腸桿菌參與了新生仔豬腹瀉（New Neonatal Porcine Diarrhoea，NNPD）的發(fā)病機制。NNPD與放線菌門和厚壁菌門的細菌數(shù)量減少有關，而腸球菌屬在腹瀉仔豬中含量超過24倍，梭桿菌門細菌數(shù)量也增加了1倍；隨著仔豬日齡的增加，NNPD影響仔豬和對照組仔豬的腸道菌群趨于多樣化。

腸道微生物的功能（如細胞運動和遺傳信息處理）和代謝（如外源性生物降解和代謝、氨基酸和脂質代謝）的改變可能誘導了腹瀉的發(fā)生發(fā)展。如厚壁菌門可以發(fā)酵植物多糖，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，為宿主提供額外的能量。而短鏈脂肪酸的增加可促進志賀樣毒素（Stx2）的受體globotriaosylceramide的表達，導致大腸桿菌O157∶H7感染時細菌定植和疾病嚴重程度增加。因此，較低的擬桿菌門和厚壁菌門比例可能會促進病原體（如ETEC）在腸道的附著和定植。腸道菌群在宿主-病原體對話的建立中發(fā)揮關鍵作用，最終塑造感染后的腸道免疫應答。

2 微生態(tài)制劑對仔豬腸道微生物的調控作用

仔豬早期腸道菌群的組成和多樣性是不固定的，受日糧、抗生素和益生菌的使用等多種因素影響。豬腸道微生物的定植從出生開始，隨日齡不斷變化，出生和斷奶是生命中最關鍵的時期。哺乳仔豬依賴母豬的乳汁來防止條件致病菌的定植和過度生長，而在仔豬斷奶階段建立體內有益菌群非常重要。微生態(tài)制劑包括益生菌和益生元或它們的組合（也稱為合生元），對動物具有潛在治療和預防作用，在過去的幾十年里一直是人們研究的重點。益生菌被定義為給予宿主足夠數(shù)量的有益健康的活微生物，它也被擴展到包括酵母菌細胞、細菌細胞或兩者的組合，它們通過調控胃腸道環(huán)境來改善宿主健康。益生菌已被建議作為抗生素的更好替代品，用于治療斷奶后腹瀉和作為生長促進劑。大量報道表明，益生菌和益生元對豬有廣泛的有益作用，包括改善豬的生長性能、飼料轉化效率、促進腸道屏障功能、降低腹瀉持續(xù)時間和嚴重程度、抑制致病菌、促進免疫功能發(fā)育等。益生菌已被證明具有抗感染特性，如減少沙門氏菌的定植。研究發(fā)現(xiàn)，唾液乳桿菌UC118和屎腸球菌NCIMB 11181對腸道菌群有積極的影響，表現(xiàn)在細菌多樣性和豐富度的增加，維持了腸道菌群的穩(wěn)定。在斷奶仔豬中補充益生菌同樣發(fā)現(xiàn)可以改善仔豬腸道微生物平衡、免疫力和生長性能。證實了植物乳桿菌菌株JDFM LP11對斷奶仔豬腸道菌群的調節(jié)和免疫應答的作用。L.plantarumJDFM LP11增加了斷奶仔豬腸道微生物群落的多樣性和豐富度，增加了糞便中乳酸菌的數(shù)量，降低了腸道炎癥相關基因的表達，促進了斷奶仔豬腸道發(fā)育。

因此，微生態(tài)制劑發(fā)揮作用的機制主要是影響腸道菌群（圖1）。益生元很容易被有益菌獲得作為發(fā)酵能源，促進有益菌菌株的生存。益生菌產(chǎn)生短鏈脂肪酸降低腸道pH，也可以刺激宿主免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗菌物質來調控腸道微生物群落。益生菌分泌的生物活性分子對許多腸道病原體都能發(fā)揮作用，包括大腸桿菌O157∶H7、沙門氏菌、彎曲桿菌和艱難梭菌。從嗜酸乳桿菌產(chǎn)生的蛋白質生物分子發(fā)現(xiàn)，可以通過調節(jié)大腸桿菌的毒力來減輕仔豬感染K88大腸桿菌的影響。這些抗菌物質主要通過干擾細胞與細胞之間的通訊，下調參與上皮細胞黏附和侵襲的基因等途徑發(fā)揮作用。此外，益生菌通過競爭性抑制病原體影響腸道微生物生態(tài)。

圖1 益生菌、益生元影響腸道微生物菌群的潛在機制

益生元是一種不可消化的食物成分，通過有選擇地刺激結腸中一種或有限數(shù)量的細菌的生長和/或活性，從而對宿主產(chǎn)生有益的影響。最常用的益生元是半乳糖寡糖（GOS）、菊粉和低聚果糖（FOS），其他具有益生潛力的物質如抗性淀粉、果膠和其他纖維成分也已被開發(fā)。不同的益生復合物具有不同的益生特性，不同種類的益生組合的復合物可能比單獨的微生物種類更有利于生長性能和斷奶后腹瀉控制。合生元被定義為同時含有益生菌和益生元的產(chǎn)品，這種組合被認為在腸道健康和功能方面比單獨的益生菌和益生元更有效。合生元配方的選擇可遵循兩種不同的標準：1）互補效應，根據(jù)宿主特定的期望效益選擇單一或多菌株益生菌，獨立選擇益生元以刺激腸道有益菌群；2）協(xié)同效應，選擇特定的宿主有益菌，選擇益生元成分特異性地提高所選攝入的益生菌菌株的生存、生長和活性。然而，一個理想的合生元制劑應該包括互補和協(xié)同作用，包含適當?shù)膯我换蚨嗑暌嫔约斑m當?shù)囊嫔旌衔?，后者既選擇性地利于前者增殖，也有利于內源性有益細菌的繁殖和有害細菌的減少。

3 微生態(tài)制劑在仔豬生產(chǎn)中的實際應用

在養(yǎng)豬行業(yè)中使用的益生菌必須具有4個主要屬性：1）在腸道內定植或代謝活性，抵抗胃酸和膽汁分泌、與腸上皮或黏蛋白黏附；2）健康促進作用，能產(chǎn)生抗菌物質、抵抗病原菌、刺激宿主免疫反應或間接降低；3）工業(yè)適用性，大量生產(chǎn)的能力、良好的感官特性、生產(chǎn)儲存和運輸過程中的穩(wěn)定性；4）安全性，無毒、非致病性、準確的分類識別、基因穩(wěn)定性、無可傳播的抗生素抗性基因。養(yǎng)豬場使用的大多數(shù)益生菌屬屬于芽孢桿菌屬、腸球菌屬和酵母菌屬。這類菌株的選擇主要基于其規(guī)模化生產(chǎn)能力好，在儲存和飼料制備過程中具有較高的生存能力和穩(wěn)定性。普遍認為益生菌對健康的益處是高度品系特異性的，因此屬于同一物種的不同品系可能有不同的影響。因此，多株混合菌株通過相互補充的健康效應和發(fā)揮協(xié)同作用可能比單一菌株更有效。益生菌組合可以是多菌種益生菌，包含同一菌種或密切相關菌種的多個菌種（如嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌），也可以是多菌種益生菌，包含一個或多個屬的不同菌種的菌株（如嗜酸乳桿菌、長雙歧桿菌和屎腸球菌）。但也有研究認為益生菌屬的多樣性可能會通過不同物種、抗菌物質的相互抑制或對營養(yǎng)物質或結合位點的競爭而降低其有效性。多菌種益生菌的聯(lián)合效應也與更廣泛的活性有關，比如抑制更廣泛的致病菌，組合合理具有更大的協(xié)同作用和共生作用。未來的研究應著眼于獲得共生或協(xié)同組合，以最大限度地發(fā)揮這些益生菌組合的積極效益。

益生菌的作用是治療的特異性，取決于特定的菌株、劑量和環(huán)境，以及宿主特異性，取決于宿主相關的生理參數(shù)（如健康狀況和遺傳）或環(huán)境（如衛(wèi)生狀況和飲食）。未來益生菌的選擇應基于最新發(fā)表的科學文獻，并考慮宿主和環(huán)境特征。益生菌種類的選擇應注重于與所用菌有關的特定靶標。例如，以M細胞為目標開發(fā)促進腸道免疫和sIgA分泌的菌株，靶向下丘腦-垂體-腎上腺軸可以改善動物健康，減少常見應激源的影響。能適應結腸環(huán)境的益生菌菌株可能是優(yōu)良選擇，如具有抗炎特性可對抗腸道菌群失調，或者通過細菌酶解提高生產(chǎn)性能，或者作為氨基酸的生物合成途徑。更好地了解益生菌的作用機制，以及遺傳、微生物和環(huán)境之間的相互作用，將使營養(yǎng)學家能夠建立更廣泛的方法來獲得理想的微生物菌種。此外，研究和開發(fā)的目標也應該是提供有效的益生菌，并改善它們的弱點。益生菌的作用可以通過調節(jié)日糧如通過菌株的特定底物來增強。采用微膠囊化或微球化等工藝的保護膜可能使乳酸菌等非孢子菌避免飼料生產(chǎn)和儲存的限制，使其完整地到達腸道部位。液體發(fā)酵飼料也被認為是可以有效提供益生菌的特定環(huán)境，豬能從液體發(fā)酵飼料獲取較多的活菌，但是需要相對復雜而昂貴的發(fā)酵和輸送系統(tǒng)。