微生態制劑及在綿羊養殖中的應用研究進展

姚逸安， 孫仁修， 胡情情， 俞可心， 姜俊芳， 蔣永清， 管 峰*

（1.中國計量大學生命科學學院，浙江杭州 310018；2.山東省畜牧總站，山東濟南 250022；3.浙江省農業科學院畜牧獸醫研究所，浙江杭州 310021）

微生態制劑是一類在微生態學研究與應用理論的指導下，利用益生菌等微生物經過加工制成的生物制品，在提高動物生長性能與機體免疫力的同時具有無殘留、無毒副作用、不產生耐藥性等優點，已經在畜禽、水產養殖等領域成為替代抗生素的新一代綠色環保飼料添加劑，具有廣闊的應用前景（廖乙露等，2021；金爾光等，2018）。隨著我國全面禁止在飼料中添加抗生素規定的落實，微生態制劑在養殖業中備受重視并得到廣泛使用。當前研究和應用效果表明，微生態制劑能通過平衡腸道微生態環境、提升動物機體免疫力、促進營養物質吸收等多種作用機制提升動物生產性能。同時，微生態制劑也在臨床中被應用于多種炎癥疾病的防控。

綿羊是一種分布廣泛的家養動物，具有適應性好、能充分利用農作物資源等優點，也是我國家畜遺傳資源中最豐富的畜種之一。同時，我國也是綿羊養殖大國，綿羊在我國畜牧業中具有重要的地位（王慧華等，2015）。微生態制劑能夠改善綿羊健康狀況，提高生產性能，尤其對斷奶羔羊能顯著提高生長性能與免疫能力（何韻秋等，2020；趙軒等，2020）。近年來微生態制劑發展迅速，抗生素的限用和反芻動物瘤胃微生物研究成果都給微生態制劑在綿羊養殖中的使用提供了機遇和技術基礎。本文就微生態制劑的發展和應用現狀、作用機制以及在綿羊生產中應用做一綜述，以期為微生態制劑的深入研究和應用提供參考。

1 微生態制劑發展現狀

1.1 微生態制劑的定義與分類 微生態制劑又稱益生菌、益生素、利生菌、活菌制劑，是指采用已知的有益微生物，經培養、復壯、發酵、包埋、干燥等特殊工藝制成的對動物有益的生物制劑或活菌制劑，具有維持宿主的微生態平衡、調整其微生態失調和提高健康水平的功能（王改芳，2020）。微生態制劑對健康養殖，維持良好養殖微生態環境，提升動物機體的非特異性免疫，提高飼料轉化率，增強動物生長性能等方面均具有重要的作用。微生態制劑有液態型、固態粉劑型和乳膏劑等劑型，其中乳膏劑克服了傳統劑型需要低溫儲存的缺點，在常溫下可長時間保持有效活菌量（張樂等，2021）。目前微生態制劑按照材料組分大致可分為三類：益生菌（probiotics）、益生元（prebiotics）和合生元（synbiotics）。

益生菌是指包括細菌和酵母在內的對動物健康有益的生物活性制劑，臨床試驗證明，益生菌可以塑造腸道微生物群、預防病原感染、恢復微生態失調，產生多種重要生物化合物如短鏈脂肪酸（SCFAs）、B族維生素等，具有穩定和增強腸道屏障功能，提升宿主對營養物質的利用率，從而潛在地減少多種腸道疾病并促進宿主的整體健康（Kvakova等，2021；Kim等，2019）。益生元是一類不易被腸道消化吸收的但可以被益生菌選擇性地利用、通過刺激腸道活動、降低病原體定植率等方式影響胃腸道微生物群的組成和活性等特定變化的物質，可以改善宿主的健康狀況，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視為益生元，如多酚和醋酸鹽等（Lordan等，2020；Gibson等，2017）。合生元主要是能被宿主微生物選擇性利用從而使宿主健康獲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種獨立的益生菌，底物也并不需要一定是一種獨立的益生元，只要它們的混合物能為宿主的健康提供益處，便可被稱為合生元（Swanson等，2020），其一般同時具有益生菌和益生元的特性，因此比單獨使用益生菌或益生元具有更好的效果。

1.2 微生態制劑的應用 微生態制劑大量應用于畜禽和水產養殖，也在人類保健食品和臨床醫學中廣泛應用。在畜禽養殖中微生態制劑主要被用于飼料添加劑，以替代部分抗生素的功能，使用較多的益生菌種類有芽孢桿菌、乳酸菌和酵母等。微生態制劑在豬、家禽和反芻動物的養殖過程中應用廣泛，能夠有效增強宿主機體的免疫能力，提升生長性能，減少哺乳動物斷奶應激造成的負面影響，提升動物產品的品質及產量（戴維等，2020）。微生態制劑在使用過程中需針對不同的動物選擇合適的菌種，使用的時間越早、持續時間越長，飼喂效果越好，同時制劑中的活菌數量也是影響其應用效果的關鍵因素之一（孫玉倩等，2018）。微生態制劑使用劑量低則效果不佳，劑量高至某一閾值后有益作用提升有限（趙永玉，2021），故在實際生產應用中需要探索不同畜種合適的使用時間以及劑量等問題，以便降低成本獲得最佳經濟效益。

水產養殖中使用的微生態制劑主要分為飼用微生態制劑和調水改底用微生態制劑（廖乙露等，2021）。調水改底用微生態制劑具有凈化水質、增加溶氧含量、穩定pH、抑制水中異養菌生長和改善養殖水環境的作用（王篤彩等，2011）。飼用微生態制劑依據水生動物消化環境制備，對動物健康生長具有積極作用，如緩解應激反應、提升免疫力和生長性能等（Alagarasu等，2021；Ran等，2016）。但水產養殖中對于微生態制劑的使用劑量需要嚴格把控，否則不但提高成本還影響使用效果甚至可能適得其反。一項劑量依賴性試驗表明，仿刺參飼料中添加超過30 mL/kg的微生態制劑時就會出現吐臟現象，甚至還會導致養殖動物的死亡（韓莎等，2019）。由此可見，微生態制劑的使用既要考慮養殖物種對益生菌種類的選擇性，也要合理添加使用劑量。

微生態制劑在臨床上多被用于亞健康人群的疾病預防，改善包括克羅恩病、潰瘍性結腸炎等炎性腸病（IBD）的臨床癥狀。微生態制劑可以改善因腸道菌群異常引起的局部免疫改變，其可以通過免疫細胞遷移和免疫效應分子的分泌等多種方式作用于全身，降低腸外或系統性疾病的發病率（焦禹豪等，2019），在多種疾病中起到輔助治療的作用。最近的新型冠狀病毒肺炎防治研究表明，其引起的肺部病變可能與腸道菌群失衡有關，在臨床上對患者飲食添加微生態制劑能夠調節患者腸道微生態穩定，緩解重癥患者病情（張芷榕等，2021）。綜上可見，微生態制劑在臨床上的應用為多種疾病的輔助治療與預防提供了新的思路。

2 微生態制劑的作用機制

2.1 調節機體腸道菌群平衡 動物腸道內存在大量多種不同的微生物，共同構成了腸道微生物區系。腸道各類微生物與宿主間相互作用，種類和數量保持動態平衡，但這種平衡往往因動物機體免疫力下降或食物結構改變而被打破，從而導致病原微生物增殖，引發相應疾病（Shi等，2017）。微生態制劑可以通過改變腸道環境、產生抑菌物質等方式抑制病原體在腸道內的定植與增殖，調節腸道內菌群平衡，穩定腸道環境（Pickard等，2017）。動物感染艱難梭菌（Clostridiumdifficile）會引起艱難梭菌相關性腹瀉，梭狀芽孢桿菌通過對初級膽汁酸脫羥基化產生的部分次級膽汁酸可對艱難梭菌的定植產生抑制作用（Buffie等，2015），唾液酶缺陷型模式腸道共生桿菌定植腸道能夠下調艱難梭菌在唾液酸分解代謝條件下的數量并阻礙其在腸道內的增殖（Ng等，2013）。雙歧桿菌能夠產生具有抑菌作用的雙歧菌素，對致病性大腸埃希菌、福氏志賀菌和沙門氏菌等腸道致病菌具有拮抗作用（胥振國等，2017）。枯草芽孢桿菌能維持腸道厭氧環境，降低腸道pH，有利于腸道優勢菌群的生長，抑制病原體生長繁殖（班博等，2020）。可見，微生態制劑具有維持益生菌群、抑制病原菌增殖的作用，通過保持腸道菌群的平衡調節動物機體的健康。

2.2 構建與激活腸道免疫系統 在動物出生早期，尤其是反芻動物如牛羊等，一部分腸道特定菌群主要來自初乳，菌落在腸道的定植可以促進腸道黏膜相關淋巴組織的成熟。如果沒有形成適當的腸道菌群，腸道免疫系統的功能就有可能受損，表現為腸道黏膜相關淋巴組織發育不全，免疫細胞和細胞因子數量減少，導致某些腸道疾病發病率增加（Zhou等，2020）。定植的腸道菌群通過病原體相關分子模式（PAMP）與模式識別受體（PRR）結合，激活腸道免疫系統，從而提高免疫力（Ni等，2017）。一方面，微生態制劑通過PRR誘導調控腸道上皮細胞產生如腫瘤壞死因子（TNF）、白細胞介素（interleukin，IL）、干擾素（IFN）和趨化因子（chemokines）等多種細胞因子，促進中性粒細胞的招募和發育，調節腸道T細胞發育分化，影響產生特異性抗體的B細胞的累積，增加腸道淋巴細胞組織中IgA的多樣性，激發保護性免疫反應，維持腸道穩態（Kayama等，2020；Chen等，2019；Wang等，2019；Park等，2018）。另一方面，腸道共生菌釋放的細胞外ATP是腸道細菌免疫的重要調控靶點，對于菌落選擇具有重要作用，影響腸道免疫系統的建立時間和成敗（Proietti等，2019；Perruzza等，2017）。綜上可知，腸道微生物種類和微生態環境對腸道免疫系統的構建與激活具有重要作用，微生態制劑的應用為通過營養調控提高動物免疫功能開辟了新途徑。

2.3 維持腸道物理屏障完整性 腸道物理屏障由黏液凝膠層、腸上皮細胞和細胞間的連接所組成，是腸腔與內環境之間的一道防線，腸道微生物通過代謝產物等物質維持腸道屏障的完整（溫家姝等，2021）。腸道隱窩對腸道內環境的平衡以及腸道屏障的完整具有重要作用，但其容易因缺血、感染、輻射、炎癥性腸病等各種損傷被破壞（Shi等，2017；Miyoshi等，2012；Ayabe等，2000）。研究表明，益生菌能夠調節前列腺素E2（PGE2）的釋放，有助于隱窩損傷的早期修復并促進隱窩再生（Jain等，2018；Uribe等，2018）。此外，鼠李糖乳桿菌還可以減少由輻射誘導的腸道上皮損傷，提升放射性環境下的隱窩存活率（Khailova等，2013；Ciorba等，2012），進而提升腸道隱窩的完整功能。緊密蛋白的表達量下調會導致腸道屏障異常開放，菌群移位，導致內毒素血癥等疾病的發生（鄭鋆，2021）。雙歧桿菌的益生菌制劑能降低腸黏膜上皮因腸道菌群失調引起的occludin和ZO-1等緊密連接蛋白脫落，促進腸道上皮緊密連接，防止病原體進入血液循環，提高腸道屏障的保護能力（劉玉玲等，2021）。羅伊氏乳桿菌I5007能促進新生仔豬緊密連接蛋白的表達，維持仔豬腸道上皮屏障的完整性（Yang等，2015）。由此可見，微生態制劑中的益生菌可以修復腸道損傷，維持腸道物理屏障完整，從而提高機體的健康狀況。

2.4 促進營養物質利用 微生態制劑可以通過促進腸絨毛生長和碳水化合物轉化，從而促進對營養物質的吸收，改善動物生長性能。一方面，微生態制劑對腸道絨毛的生長起積極促進作用，具有促進腸絨毛生長發育、提高腸絨毛長度的功能，從而提升動物的生產性能（Nwachukwu等，2021；Shonyela等，2020；趙姝嫻等，2018）。乳酸菌能夠產生維生素B2，促進腸絨毛與隱窩深度比的增加，間接提高腸道的營養吸收能力（Hernández-Alcántara等，2020）。另一方面，微生態制劑中的益生菌能夠發酵食物中部分無法被宿主直接消化的碳水化合物，提升飼料利用率。試驗證明，飼料在經過微生態制劑發酵后營養成分發生較大變化，粗纖維和粗灰分成分降低，游離氨基酸和粗蛋白質含量增加，使其能更好地被綿羊利用，利于瘤胃發酵（董改香等，2018）。枯草芽孢桿菌能夠顯著提升奶牛瘤胃中異丁酸濃度，增加奶牛氮沉積量，提升泌乳性能（陳寶財，2021）。綜上可見，微生態制劑可以提高動物對營養物質的吸收利用率，從而對生長產生有益作用。

3 微生態制劑在綿羊養殖中的應用

3.1 提高綿羊生長性能 瘤胃是反芻動物發酵和分解粗纖維日糧的主要場所，瘤胃微生物將日糧轉化為揮發性脂肪酸和微生物蛋白等物質，易于宿主吸收，甚至宿主所需的B族和K族維生素也主要來源于微生物合成（周力等，2021）。飼喂微生態制劑可以調節瘤胃有益微生物的多樣性和平衡，改善微生物區系增加半纖維素分解菌等有益菌的相對豐度，促進營養物質的消化吸收，提高生產性能（占今舜等，2021；丁赫等，2019）。試驗證明，使用植物乳桿菌的加工產物補飼羔羊，可以增加羔羊瘤胃纖維素降解菌的豐度，改善瘤胃的發酵條件，提高羔羊增重率、采食量、營養物質攝入量和消化率（Izuddin等，2019）。對育肥階段的杜寒雜交羊分別補飼地衣芽孢桿菌、釀酒酵母以及地衣芽孢桿菌、釀酒酵母和蛋白酶組合的三種飼料，均能改善瘤胃發酵性能，改變瘤胃菌群豐度，并提高羔羊血清中生長激素濃度和日增重（Jia等，2018）。此外，在肉羊飼料中添加地衣芽孢桿菌能夠降低瘤胃發酵過程中甲烷的產生，提高營養物質消化率，增加飼料的能量利用率（肖怡等，2016）。腸道是動物最重要的營養消化吸收器官，腸道微生物群在維持機體生長發育及保持健康狀況中發揮重要作用。試驗證明，含有枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌的微生態制劑可以顯著提升綿羊羔羊2月齡的體重增重，并改善其腸道菌群結構（Devyatkin等，2021）。復合益生菌培養物能顯著提升肉羊的生產性能，降低料重比，改善腸道微生物群結構，提高肝腎代謝水平，且5%含量的添加量較為適宜（楊明等，2020）。由此可見，微生態制劑通過改善綿羊瘤胃和腸道的微生物群結構、菌群相對豐度進一步提高綿羊的飼料利用率和生長性能。

3.2 改善綿羊肉類品質 微生態制劑在提升綿羊生長性能的同時還具有改善羊肉品質的作用。羊肉的pH、嫩度和色澤等是反映肉品質的重要指標，微生態制劑通過調節胃腸道中不同菌群的豐度提升營養物質利用率，改變代謝物和血脂指標，進而降低羊肉的失水率、剪切力值和pH24，提升肉質色澤和熟肉率（杜瑞等，2020；李光梅等，2015）。研究發現，微生態制劑能顯著提高湖羊的營養物質消化率和屠宰性能，顯著增加肉質大理石紋（朱愛文等，2017）。綿羊補飼經益生菌發酵的尾菜發酵飼料能顯著提升生長性能，改善屠宰性能，降低背最長肌的pH和剪切力，增加亮度、紅度和大理石紋評分（朱凱等，2021）。羊肉的風味直接影響其品質好壞和消費者的選擇以及市場價格。試驗證明，飼喂混合添加乳酸片球菌和尿素的青貯全株玉米可以提升杜泊羊的生長性能和屠宰率，增加肌肉中粗脂肪和部分氨基酸含量，改善羊肉的風味和品質（程光民等，2019）。益生菌發酵香草配合飼料可顯著降低羊肉失水率、優化大理石花紋并明顯減少羊肉膻味（董改香等，2018）。由此可見，微生態制劑能多方面明顯改善羊肉品質。

3.3 提升綿羊繁殖性能 妊娠期母羊的營養需求量增加，營養不良會影響胎兒發育，誘發流產、產后奶水不足等問題。微生態制劑在提高母羊妊娠期營養水平的同時還提升繁殖性能，進一步影響新生羔羊的存活率與生長性能。試驗證明，妊娠后期母羊補飼活酵母菌能夠穩定其產羔前后胃腸道微生物群系，增加抗氧化能力，維持妊娠母羊良好的營養和健康狀態（Dunière等，2021）。在母羊妊娠期間持續補飼復合益生菌能顯著增加新生羔羊的初生重，而對新生羔羊補飼含有賴氨酸和復合益生菌的精料可以提升羔羊生長性能（馬寧等，2021）。對泌乳母羊補飼地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌的復合益生菌能顯著增加羊母乳中脂肪和蛋白質含量，并增加日產奶量，降低羔羊腹瀉導致的死亡率（Kritas等，2006）。因此，微生態制劑可以改善母羊的繁殖性能和羔羊的生長水平。

3.4 綿羊健康養殖 氧化應激、病原體感染等因素會影響動物的健康狀態，降低機體免疫力，造成動物產品品質下降（Rubio等，2019），微生態制劑通過調節胃腸道微生態環境進而提升機體免疫性能。研究表明，微生態制劑能顯著提升青海細毛羊血清中總蛋白、白蛋白、TNF-α、IL-2、IL-6以及各類免疫球蛋白含量，提高血清抗氧化指標，并改善肝臟和腎臟功能（李光梅等，2021）。對綿羊補飼富硒酵母能夠增加羊只血液總體抗氧化能力，減少高溫帶來的免疫系統損害，顯著增加紅細胞計數，并提高血液中淋巴細胞含量（Mousaie，2021）。補飼植物多酚提取物能夠抑制育肥湖羊羔羊瘤胃脂質過氧化，提高血清和肝臟中過氧化酶的活性，改善羔羊的抗氧化能力（Liu等，2018）。含有芽孢桿菌的微生態制劑能夠提升羔羊血液白蛋白和球蛋白含量，升高殺菌和吞噬指數，降低膽紅素和膽固醇水平，并對肝功能產生積極影響（Devyatkin等，2021）。益生菌還可以與中藥制劑混合飼喂羔羊，提高羔羊血清中IL-2和IFN-γ的含量，提升脾臟指數和肝臟指數，提高羔羊抗病力（劉海霞等，2021）。此外，在飼料中添加中草藥微生態制劑可以顯著降低規模化羊場中有害氣體NH3平均濃度，有利于羊群健康生長（呂偉等，2018）。可見微生態制劑在提升綿羊免疫力及健康養殖中具有良好的應用前景。

微生態制劑在提高免疫力的同時，對綿羊疾病的治療中展示出良好的療效。試驗證明，使用能表達捻轉血矛線蟲抗原的基因工程重組枯草芽孢桿菌，誘導受感染綿羊外周血單核細胞增殖，可以提升血清中IgG、腸道黏液中SIgA含量，豐富皺胃微生物菌群，有效減少綿羊體內的蟲卵數與成蟲數量（Yang等，2020）。中草藥微生態制劑可提高感染球蟲病綿羊血清中IFN-γ、IL-2、IgM和IgG含量，增強羔羊免疫力，連續使用14 d可有效清除綿羊體內球蟲卵囊（韓楠等，2021）。微生態制劑還能顯著改善早期免疫力低下羔羊的腹瀉癥狀，降低腹瀉率，提升成活率，明顯提高羔羊日增重（李秀萍等，2015）。中藥微生態制劑對羔羊腸道中大腸桿菌具有抑制作用，減少綿羊因大腸桿菌導致的腹瀉發病率并提升治愈效果（張忠等，2018；祝艷華等，2015）。綜上可見，微生態制劑在對綿羊疾病的預防與治療具有積極的臨床意義，可以用于綿羊的健康養殖。

4 小結與展望

目前，對于微生態制劑調控動物生長和免疫力的機制和應用研究已經取得大量成果，隨著微生物多樣性和基因組研究的進展，以微生物為主要成分的微生態制劑隨著加工工藝也不斷革新，其在畜牧、水產養殖和醫療行業都展示出良好的應用前景。同時，作用機制的研究證明其在調節胃腸道菌群平衡、構建和激活腸道免疫系統、維持腸道屏障完整、促進營養物質利用等方面具有重要作用，這為微生態制劑在畜牧養殖中的應用提供了重要理論基礎。近年來，微生態制劑在促綿羊生長和健康養殖等方面的應用研究也取得了很大進展，開發出多種微生態制劑產品。盡管如此，仍需對微生態制劑的開發及其應用做更多深入研究，比如微生態制劑與機體固有菌群之間的拮抗作用、益生菌與益生元的協同作用以及微生態制劑與宿主之間的相互作用機制等。另外，目前微生態制劑的貯存條件較為嚴格，因此，開發更加便捷使用的微生態制劑（如儲運方便、飼喂簡單等），同時還能滿足不同動物的營養需求，是今后微生態制劑發展的重要方向。