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益生菌技术

芽孢杆菌作用机制的研究进展

更新时间:2017-11-24 15:06:04点击次数:1922次
  芽孢形成过程中在化学成分方面也发生很大变化。生芽孢的细胞大量吸收钙离子并大量合成营养细胞中没有的吡啶二羧酸。在成熟的芽孢中,芽孢原生质体含有极高的吡啶二羧酸钙,在新合成的、具有特殊化学构造的外层(皮层和孢子衣,有时还有芽孢外壁)中也有这种物质。芽孢的壁含有一种特殊的肽聚糖,所有芽孢基本上都一样,但与营养细胞的细胞壁肽聚糖却不一样。同时,芽孢中还含有一些特殊的蛋白质。

“瘦肉精”、“多宝鱼”、“红心鸭蛋”、“三鹿奶粉”等一系列食品安全问题中动物性食品事件令人心惊,这一切与滥用化学试剂和化学药物造成的药物残留直接相关。专家推测,我国生产的抗生素近一半被用在了养殖业上。长期以来,由于动物饲养和饲料中广泛使用抗生素、化学合成药物、激素、β-兴奋剂、重金属、镇静剂等促生长保健剂,导致了诸多现实的问题:畜禽和水产产品中药物残留严重,畜禽产品品质下降,缺乏市场竞争力和信任感;细菌耐药性增强,威胁人类安全;破坏生态环境等。应用益生菌制成微生态制剂,是近年发展起来的一种新型绿色饲料添加剂。它可增进动物健康素质,提高健康水平及生产性能,对动物无毒无害、无残留等特点。益生菌的促生长效果受多种因素影响,如动物生理状态、饲料加工工艺、菌株组成及其定植能力、温度、pH值、活菌的保存时间等。目前,可用于饲料添加剂领域工业化生产的菌种很多,我国农业部(2008)公布的饲用微生物添加剂有16种。其中芽孢杆菌、酵母菌和乳酸菌是应用最多的微生物添加剂菌种。芽孢杆菌由于稳定性好、抗逆性强、复活率高,通过与病原菌竞争营养物质,抑制病原菌;提高机体的免疫机能,并提供营养物质等作用,调节消化道健康,增强动物体的免疫功能,达到促进目标动物的生长、提高饲料的转化率的目的。本文将简单介绍芽孢杆菌的生长繁殖及其营养和免疫的特点,以及作用机制的研究进展。

一、芽孢形成、结构和种类

某些细菌在生长后期能够形成一种特有的休眠状态的细胞,称为内生孢子,亦称芽孢。芽孢杆菌的芽孢直径一般小于菌体直径,圆形、椭圆形,为好氧细菌。芽孢的形成是一个极其复杂的过程,包括形态结构、化学成分等多方面的变化。光学显微镜和电子显微镜观察研究的结果,表明芽孢的形成在结构上主要经历以下几个阶段:核物质融合成轴丝状(杆状);在细胞中央或一端,细胞膜内陷形成隔膜包围核物质,产生一个小细胞;小细胞被原来的细胞膜包围,生成前孢子。前孢子实质上是一个被两层同心膜包围着的原生质体。在光学显微镜下观察未染色的活细菌,可以看到前孢子是一个清亮的、与菌体其他部分明显不同的区域;前孢子再被多层膜包围,如皮层、孢子衣等,最后成为成熟的芽孢,由于细胞壁的溃溶而释放出来。

芽孢形成过程中在化学成分方面也发生很大变化。生芽孢的细胞大量吸收钙离子并大量合成营养细胞中没有的吡啶二羧酸。在成熟的芽孢中,芽孢原生质体含有极高的吡啶二羧酸钙,在新合成的、具有特殊化学构造的外层(皮层和孢子衣,有时还有芽孢外壁)中也有这种物质。芽孢的壁含有一种特殊的肽聚糖,所有芽孢基本上都一样,但与营养细胞的细胞壁肽聚糖却不一样。同时,芽孢中还含有一些特殊的蛋白质。

据统计,国内外用于畜禽生产中的芽孢菌种类主要有枯草芽孢菌、凝结芽孢杆菌、缓慢芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、坚强芽孢杆菌、东洋芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、芽孢乳杆菌和丁酸梭状芽孢杆菌。

二、芽孢的特性

2.1芽孢杆菌的抗逆性

由于芽孢在结构和化学成分上均有别于营养细胞,所以芽孢也就具有了许多不同于营养细胞的特性。芽孢最主要的特点就是抗性强,对高温、紫外线、干燥、电离辐射和很多有毒的化学物质都有很强的抗性。同时,芽孢还有很强的折光性。在显微镜下观察染色的芽孢细菌涂片时,可以很容易地将芽孢与营养细胞区别开,因为营养细胞染上了颜色,而芽孢因抗染料且折光性强,表现出透明而无色的外观。研究表明芽孢抗逆性的机制主要由于其含水量低(40%),含有耐热的小分子酶类、富含大量特殊的吡啶二羧酸钙和带有二硫键的蛋白质,以及具有多层次厚而致密的芽孢壁等原因,使得芽孢具有了抗逆性。自由存在的芽孢没有明显的代谢作用,只保持潜在的萌发力,称为隐藏的生命。一旦环境条件合适,芽孢便可以萌发成营养细胞。

在孢子状态下稳定性好,能耐氧化;耐挤压;耐高温,能长期耐高温,如枯草芽孢杆菌一般在95℃温度下5分钟89%能保持存活;耐酸碱,在酸性胃环境中能保持活性,可以耐唾液和胆汁的攻击,加工成饲料后95%可在动物体内的可以萌发成营养体。

2.2芽孢杆菌的营养和免疫特性

2.2.1产生多种消化酶

芽孢杆菌能产生多种消化酶,这是其提高动物生产性能的一个重要方面。Collington报道枯草芽孢杆菌能产生多种消化酶包括蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶,帮助动物消化吸收营养物质,同时还具有降解饲料中复杂碳水化合物的酶,如降解果胶、葡聚糖、纤维素等酶,其中很多是动物本身不具有的酶。芽孢杆菌生长繁殖过程中还能够产生植酸酶,促使动物对植酸磷的利用和对脂肪的消化吸收;产生的氨基氧化酶及分解硫化氢的酶类,可将吲哚类氧化成无毒、无害的物质,从而降低畜禽舍内氨气、硫化氢的浓度和臭味,减少环境的污染。芽孢杆菌的芽孢在形成前后产生活性很强的淀粉酶和中性蛋白酶,这两种酶不是诱导酶而是与芽孢形成有关,其中的淀粉酶能把淀粉水解成糊精,也能把葡萄糖聚合成多糖;中性蛋白酶与多肽类物质的出现密切相关,这些多肽类的合成与芽孢形成前后中性蛋白酶的出现同步。两种酶与芽孢在动物肠道内代谢时产生的淀粉酶、中性蛋白酶不是一种酶,所用底物不同产物也不同。

2.2.2 产生多种营养物质

芽孢杆菌能够合成多种维生素如尼克酸、叶酸、烟酸,维生素B1、B2、B6、B12等,促进机体对蛋白质的消化、吸收。凝结芽孢杆菌、芽孢乳杆菌等菌株能产生乳酸,可提高动物对钙、磷、铁的利用,促进维生素D的吸收。此外,芽孢杆菌在其生长繁殖过程中能够产生乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸,这些酸类能够降低动物肠道的pH 可有效抑制病原菌的生长,为乳酸菌的生长创造了条件,其中丙酸还能够参与三羧酸循环,为动物新陈代谢提供能量。

2.2.3 增强动物体的免疫功能

芽孢杆菌能通过产生抗体和提高嗜菌作用等刺激免疫,激发体液免疫和细胞免疫,使动物免疫活性增强。Fuller、Inooka指出芽孢杆菌可提高动物抗体水平或提高巨噬细胞的活性,实验表明,该菌能显著提高动物脾脏的T、B淋巴细胞比例,对动物的细胞免疫有重要的作用。芽孢杆菌能促进机体免疫特别是局部免疫提高,使分泌型IgA的分泌增加。芽孢杆菌可使动物血清中的中性粒细胞吞噬率提高17%,能显著增加血清中总蛋白、球蛋白的含量,也能增加机体内蛋白质的沉积,显著增加血清中特异性抗体的水平,增强特异性免疫应答能力,当机体遇到病原攻击时,可以产生高水平的抗体以消灭侵入的病原菌。

三、芽孢杆菌的营养和免疫特性作用机制

3.1拮抗作用

正常微生物通过占位性保护作用,即竞争粘附位点来阻止病原菌附着。芽孢杆菌进入动物胃肠道后,通过生物夺氧作用在生长繁殖过程中消耗肠内过量的气体,造成厌氧状态,而抑制需氧的有害菌的生长繁殖。并且,芽孢杆菌在生长繁殖过程中可产生细菌素、有机酸等物质,改变肠内微生态环境,形成了不利于有害菌生长繁殖的肠内环境。

3.2增强机体的免疫功能,防御感染

研究表明,芽孢杆菌能促进肠道相关淋巴组织,使之处于高度反应的“准备状态”,同时使免疫器官的发育增快,免疫系统成熟快而早,T、B淋巴细胞的数量增多,使动物的体液和细胞免疫水平提高,增强机体抗病能力。

3.3产生有益代谢产物

3.3.1产生有机酸:

芽孢杆菌进入动物肠道能够产生乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸,降低肠道PH值,抑制致病菌的生长,激活酸性蛋白酶活性,对新生畜禽是有益的。

3.3.2合成酶类:

芽孢杆菌具有很强的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性,可降解饲料中的某些抗营养因子,提高饲料转化率可达8%以上。在肠道内生长繁殖,能产生各种营养物质如维生素、氨基酸、未知促生长因子等,参与机体的新陈代谢,促进动物生长。

3.3.3产生抗菌物质:

芽孢杆菌在动物肠道内产生大量细菌素、包括杆菌肽、多粘菌素、线性环多肽复合物等,可有效地抑制和杀灭进入体内的大肠杆菌和沙门氏菌等致病菌。

3.4防止产生有害物质

芽孢杆菌在肠道内可产生氨基氧化酶及分解硫化物的酶类,可降低血液及粪便中氨、吲哚等有害气体浓度,形成对动物机体更有利的平衡状态;同时,动物排泄物、分泌物中的有益微生物数量也增多,病原微生物减少,从而净化了体内外环境,减少疾病的发生。

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