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替抗思路 | 把枯草芽孢杆菌讲清楚

612 来自: 曦曦博士
简介
转眼已是6月底…无抗倒计时就这样进入了3、2、1倒数。 离开了促生长抗生素,如今就是各类 “替抗产品” battle 的时候啦。

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大家好~

转眼已是6月底…无抗倒计时就这样进入了3、2、1倒数。
离开了促生长抗生素,如今就是各类 “替抗产品” battle 的时候啦。这里打引号,是因为迄今为止还没有真正能够一对一替代抗生素的产品;不过作为综合措施的一部分,各类动物营养产品一定会在无抗时代占有自己的一席之地。这其中,自然少不了益生菌。今天我们就来聊聊益生菌的家族成员之一:枯草芽孢杆菌。

首先,益生菌是什么?

益生菌是什么

「菌」就是微生物 --- 主要为细菌、真菌。菌中有好菌有坏菌,好的这一批,在营养学中就被称为益生菌 (probiotics)。 Probiotics 这个词语是从希腊语 “for life“ 的意思里衍生出来的,最早用以表示「由一种微生物所分泌的、对其它微生物具有促进生长作用的物质」(Lilly and Stilwell, 1965);这就与抗生素 (antibiotics) 的定义恰恰相反。2009年,联合国粮食与农业组织FAO将probiotics正式定义为「Live microorganisms which when administered in adequate amounts confer a health benefit on the host」(足量摄取后对宿主有益的活菌)。在行业内,它们又被称为Direct-fed Microbial (DFM)。

话说作为坚定不移地将动物营养理念贯彻到养娃中的妈,我从女儿一出生起,就有给她每天补益生菌。而她从几个月大开始各处旅行,国内国外随便怎么吃,也几乎从未出现过肠胃问题。也许,这里面就有益生菌的功劳呢(当然啦,无法做对比实验,评估不严谨,哈哈)

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益生菌(probitiocs)、益生素(prebiotics)、抗生素(antibiotics)的概念要分清


「枯草芽孢杆菌」是谁

益生菌这个大家族有很多成员,在动物营养界,「枯草芽孢杆菌」当属C位担当。那么,它是谁呢?

按照生物分类法(taxonomy,界门纲目科属种),「枯草芽孢杆菌」属于细菌界 - 厚壁菌门 (Firmicutes) – 芽孢杆菌纲 (Bacilli) – 芽孢杆菌目 (Bacillales) – 芽孢杆菌科 (Bacillaceae) – 芽孢杆菌属 (Bacillus) – substilis种。

枯草芽孢杆菌的英文名叫做 Bacillus subtilis(对细菌而言,通常命名是按照“属 + 种”的双名法)。“Bacillus” 在拉丁文里是「杆」的意思 --- 这个属的菌都长得像杆子,所以称之为「杆菌」。而因为这种菌特别容易在草中繁殖,在英文里它又被称作Hay Bacillus、Grass Bacillus, 故为 “枯草” 芽孢杆菌。

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电镜下的枯草芽孢杆菌(图片来自Chen et al., 2016)

神奇的「芽孢」

枯草、杆菌都明白啦,那「芽孢」又是什么意思呢?
话说枯草芽孢杆菌很聪明 --- 当它发现生存环境不理想(通常是营养物质缺乏)的时候,它便会形成一个处于休眠状态的活细胞形态,我们称之为「芽孢」(spore)。这时候,芽孢内含着所有遗传物质(活着呢),外包裹着厚厚三层芽孢壁(内层为孢子壁,中层由肽聚糖构成,外层为蛋白质外壳;绝对不怕外面风吹雨打),自己便可安心地睡啦。当环境适宜生存的时候,嘿,它就又能醒过来!

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芽孢形成的过程 (引自YouTube:Study Force)

芽孢的厉害之处在哪里?它抗高温、抗干旱、抗高酸碱性、高渗、还抗辐射和很多化学药物,被称之为「整个生物界中抗逆性最强的生命体」,简直无敌。

这其中的机理简单来说主要有几点:

  • 每一层芽孢壁都很厉害,就像穿了层层盔甲,抵抗有害物质进入;
  • 含水量少(在芽孢形成过程中通过钙离子脱水,看上上个动图),对耐热有所帮助 ;
  • 芽孢内富含的2, 6-吡啶二羧酸(dipicolinic acid, DPA;占细菌干重的10-15%)具有保护和稳定蛋白质 & DNA的作用。


在动物营养中,枯草芽孢杆菌能够形成芽孢的这个超能力可以带来一个大好处 --- 那便是我们可以以「芽孢形态」将之制备成菌剂。只要不给它营养来源,它便特别稳定易储存,关键还能够耐受住饲料加工过程中的高温环境、胃里的酸性环境等各种可能遇到的“困难”。而当它顺利进入动物肠道后,仿佛到了温暖又舒适的食堂,又能够迅速复苏和繁殖(吃货菌...)。

这,便是为什么枯草芽孢杆菌得以广泛用于动物营养行业的原因。

枯草芽孢杆菌如何“益生”

回到定义,我们知道,只有对宿主有益的,才能被称之为益生菌。那么,在动物肠道里复苏之后,枯草芽孢杆菌是怎么做到“益生”的呢?这个要展开来讲感觉还可以写三天三夜 ,今天就从原理上来讲,它主要机理有三点。

1). 它是好氧菌,生存需要氧气,于是在肠道中使劲吸氧,这就为不怎么喜欢氧气的乳酸菌、双歧杆菌等其它益生菌创造了适宜的生存环境。严格来讲,乳酸菌属于兼性厌氧菌,有没有氧气都能活,但在无氧环境下,它能够产生乳酸,乳酸呢又能够抑制有害菌的生长,比如大肠杆菌、沙门氏菌等。双歧杆菌则是严格厌氧的,就更开心啦,它的队伍壮大之后,也能发挥一系列对宿主有益作用,大家对乳酸菌和双歧杆菌应该比较熟悉,这里就不展开讲啦。(除了耗氧外,枯草芽孢杆菌也可通过降低肠道pH和它的代谢产物进一步为其它益生菌改善环境)

为什么乳酸菌和双歧杆菌它俩广泛用于食品中,但很少用于饲料中呢?就是因为它俩不具备产生芽孢的能力,扛不住饲料加工的环节。所以,枯草芽孢杆菌扮演了一个「助攻」的角色,间接地调节了肠道微生态系统,减少致病菌,从而减少肠道疾病的发生。

2). 第二点和第一点紧密相关 --- 如果从一开始,枯草芽孢杆菌、乳酸菌等“好菌”就占据肠道优势菌群的地位,那么它们自身也能够通过competitive exclusion(竞争性排斥)来直接减少致病菌在动物肠道的定植 (“我先来的,没位置啦~”)。同时,也保护了肠道屏障的健全。

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Competitive exclusion(引自Kemin CLOSTAT视频)

这点在无抗养殖中很重要。以家禽为例,我们知道,无抗之后,坏死性肠炎是最主要的挑战,而产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens)是其中的主要始作俑者。已有的不少研究已经发现,枯草芽孢杆菌具备减少产气荚膜梭菌的能力,那么自然,坏死性肠炎的风险就降低了。

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(引自Melegy et al., 2011)

3). 它的自身代谢过程中可以分泌出很多营养物质(维生素、氨基酸、有机酸等)、酶(如蛋白酶subtilisin等)、和其它活性物质(如表面活性素surfactin等)。这些代谢产物在一定程度上,可以促进营养物质吸收、改善肠道健康,还有抗菌作用 --- 以surfactin为例,它就可以通过直接破坏致病菌的细胞膜,从而杀菌。

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枯草芽孢杆菌的代谢产物的抗菌作用(引自Kemin CLOSTAT视频)

所有枯草芽孢杆菌都一样吗?

回到生物分类法,“种”是最基本的分类单元,但种以下又可分为亚种、变种(特殊形体、特殊致病性等)、菌株等。常常我们看到不同益生菌产品的名字后面跟着一串字母或数字,这便是菌株 (strain)。
从定义上来讲,任何从自然界分离得到的、或者通过试验方法诱变的一种微生物的纯培养物都可以成为一个菌株。但从技术层面,要成功分离一个菌株、经过重重评估,到可以商业化可不是一件易事。不同的菌株在功能性(肠道黏附能力、抗菌能力、产酶能力等)、安全性(是否会产生毒素、是否会产生抗药性等)、技术性(比如在生产和储存中的稳定性)上都存在着差异;就连产生的代谢产物都不一定相同。

所以啊,不是所有枯草芽孢杆菌都一样,必须要经受得住层层考验的菌株,才能成为好的益生菌。到了生产上,还要考虑活菌数量、性价比、具体的生产需求等众多因素。选择产品时还需多参考实地评估效果。

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一个菌株要成为成功的益生菌产品,需要经过的重重考验 (图片引自Mingmongkolchai and Panbangred, 2017)

来源:曦曦博士

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