饲用抗生素促生长作用机制及应用前景

饲用抗生素促生长作用机制及应用前景

抗生素饲料是指在动物营养中添加抗生素，改善动物的营养状况，促进生长，具有抗菌活性的微生物代谢产物。抗生素为提高畜牧水产业的产量发挥了重要的作用,在饲料中以低剂量长期添加,可促进动物生长,提高饲料利用率,降低死亡率,从而提高动物生产性能。回顾饲用抗生素的发展历史,从20世纪50年代的开始使用到60年代后的全面使用,再到80年代后的限制使用或试图禁用,人们逐步关注饲用抗生素的耐药性、药物残留及其对人类健康的影响,因此,饲料工业发达的国家研制的饲用抗生素已与人用抗生素分开,再与兽药分开,并筛选出肠道不易吸收或不吸收的饲用抗生素以减少或避免药物残留。但总体来讲饲用抗生素正面临着禁用的挑战。为全面、准确认识和应用饲用抗生素,本文就饲用促生长抗生素的促生长作用机制和应用前景进行综述。1肠道微生物对克氏原螯虾生长的影响动物在出生时肠道是无菌的,出生以后环境中的多种微生物侵入肠道,经生长、繁殖逐渐形成动物的微生物群体。肠道中的天然菌群至少包括了400种不同类型的细菌。通常,小肠中主要是耐氧的革兰氏阳性菌,而大肠中是厌氧菌。在构成健康动物正常菌群的菌种中,既有利于宿主健康的有益菌,也有当宿主抵抗力下降时大量繁殖、并使宿主致病的有害菌。最近研究表明,健康动物体内的菌群是相对稳定的,但个体之间菌群的数量和种类有明显不同,这可能会影响个体之间生长性能的差异。大量的研究表明,抗生素可能通过抑制动物胃肠道微生物而促进动物生长。对此假设最有力的证据就是饲用抗生素对无菌动物不表现促生长作用,而给无菌动物口服肠道正常菌群却抑制了其生长,在饲喂青霉素之后抑制生长的作用消失。Willams(1986)研究发现,火鸡在无菌条件下的生长性能明显高于常规条件下的生长性能,而抗生素使常规火鸡的生长速度提高了约19%,接近无菌条件下的生长效果,而在无菌条件下抗生素几乎没有效果,且饲用抗生素对胃肠道微生物数量越多的动物作用效果越明显。因此,Visek(1978)和Anderson等(2000)提出,胃肠道微生物可能通过以下途径抑制动物生长:(1)与宿主动物竞争营养;(2)产生的有毒代谢产物促进了胃肠道粘膜的代谢,从而增加了动物的维持需要。而饲用抗生素通过降低微生物的抑制生长作用,提高了营养成分的利用率,从而促进动物的生长。具体表现为以下几个方面。1.1小鼠微生物与宿主动物竞争能量通常,动物肠道中寄居着大量的微生物,但大肠是微生物栖居的主要部位,含有大量的细菌(每克或每毫升内容物含有1010~1011个)和短链脂肪酸。经研究发现,肠道微生物与宿主的关系,在大肠以协作为主,而在小肠则以竞争为主。Friend等(1963)研究表明,大肠微生物在排斥致病菌与产生有害代谢产物的同时,其发酵产物也可为猪提供5%~20%的总能。然而,小肠是营养成分吸收的主要部位,因此小肠也是微生物对宿主生长发挥作用的主要部位,小肠微生物与宿主动物竞争能量和氨基酸。Vervaeke等(1979)报道,猪日粮中6%的净能是小肠微生物所消耗掉的。而且,小肠微生物利用葡萄糖产生的乳酸加速了胃肠的蠕动,缩短了养分在胃肠道停留的时间。那些被小肠细菌降解的氨基酸不能为动物利用,并产生有毒的代谢产物,如氨、尸胺、酚类和吲哚。Stewart(1997)研究发现,小肠微生物主要是革兰氏阳性菌,革兰氏阳性菌产生不止一种有害代谢产物,而大部分促生长抗生素的靶目标为革兰氏阳性菌,这也从侧面证明了革兰氏阳性菌的生长抑制作用。大量研究表明,抗生素可提高饲料的表观代谢能和氨基酸的利用率,因此,Gaskins等(2002)研究指出,抗生素抑制了小肠微生物的生长和活性,减少了微生物对能量和养分的利用,增加了宿主动物的可利用养分,从而促进了动物的生长。1.2抑制肠道微生物的有害代谢产物1.2.1尿中酚类和芳香族化合物的影响微生物在肠道内降解酪氨酸与色氨酸会生成有毒的酚类与芳香族化合物,如苯酚、4-甲基苯酚(p-甲酚)、4-乙基苯酚、吲哚和3-甲基吲哚(粪臭素)等,并排泄到尿中。一般情况下,人类食物中蛋白质水平提高会导致粪便中的氨、含硫的挥发性物质和尿中的p-甲酚含量增多。但研究表明,绝食动物尿中的苯酚和p-甲酚含量几乎不变。因此有人推测,尿中的苯酚和p-甲酚的含量不只是依赖于日粮蛋白质水平,更多的反映了肠道微生物对内源性底物的代谢情况。Yokoyama等(1982)研究表明,断奶仔猪尿中的p-甲酚含量与体增重呈负相关,相关系数r=-0.73,这表明微生物降解产生的p-甲酚可能抑制了动物生长。但给断奶仔猪饲喂抗生素(金霉素100mg/kg+磺胺二甲嘧啶100mg/kg+青霉素50mg/kg,简称ASP-250)可减少粪尿中的酚类与芳香族化合物含量,特别是减少p-甲酚含量。而且,Gaskins(2002)报道,在含10%酪氨酸的小鼠蔗糖日粮中添加金霉素,可减少酚的排泄,并促进小鼠生长。因此,抑制细菌产生酚类化合物可能是抗生素促生长作用的一个潜在机制。1.2.2抗生素对猪肝门静脉血氨浓度的影响氨是氨基酸经微生物的脱氨基作用和脲酶水解尿素而产生的一种有毒物质。经研究表明,微生物产生的脲酶及由此导致的高浓度氨无论是在体内还是在饲养环境中均对动物的生长有抑制作用。而无菌动物不水解尿素。Warren等(1959)研究发现,无菌豚鼠肝门静脉血氨浓度仅为常规豚鼠的25%,而给常规豚鼠饲喂抗生素后,肝门静脉血氨浓度显著降低,说明肠道微生物的存在影响了动物血氨浓度的变化。Dierick(1986)也报道,饲用抗生素可以显著降低动物血液中氨和胺的浓度。Carlie等(1984)和Visek等(1984)对抗生素影响动物组织、血液和生长环境中氨浓度的作用进行了深入的研究,证明抗生素的确可以降低动物组织、血液和生长环境中氨的浓度。Visek(1978)研究指出,减少肠道微生物产生的氨可能是饲用抗生素促生长作用的主要机制。1.2.3克氏原螯虾对胆汁酸的生物活性Feighner等(1987、1988)研究指出,抗生素促生长的重要机制之一是抑制了肠道微生物对胆汁酸的生物转化作用。微生物通过对胆汁脱羟基使其转化为其它物质,不利于胆汁酸盐的形成,而胆汁酸盐的主要作用为乳化脂肪颗粒及增强脂肪酶的活性。因此,微生物对胆汁酸的生物转化不仅抑制了宿主动物对脂肪的吸收,而且产生了一些抑制动物生长的有毒降解物。胆汁酸在无菌动物体内不发生脱羟基反应,这说明肠道微生物可能引起胆汁酸的生物转化。Eyssen等(1963)研究指出,小肠微生物产生的胆汁酸生物转化产物抑制了鸡的生长,而在鸡的日粮中添加抗生素后,其抑制作用明显减轻。Tracy等(1987)的研究结果也表明,给猪饲喂抗生素可降低石胆酸的浓度,提高日增重和饲料利用率。尽管其它的细菌,如类杆菌、双歧杆菌等也具有胆汁酸盐水解酶的活性,但定植于小肠的乳酸杆菌在胆汁酸盐水解过程中所起的作用最大。因为常规小鼠微生物菌群中清除乳酸杆菌后,胆汁酸盐水解酶的活性降低了86%;如果再清除肠球菌,则活性再降低98%以上。但胆汁酸的生物转化产物抑制动物生长的机理尚需进一步研究。1.3苯丙氨酸酯对鸡的影响令人费解的是,小肠微生物中的革兰氏阳性菌包括作为有益微生物添加的乳酸杆菌和粪肠球菌等一些品种可竞争性地排斥致病菌,从而促进动物生长,减少腹泻。而有研究表明,小肠微生物与宿主动物竞争养分、产生抑制生长的有毒产物以及导致机体的免疫反应,抑制了宿主动物的生长。为此,人们对抗生素与乳酸杆菌等有益微生物的关系进行了大量的研究。大部分的研究认为,抗生素降低了肠道乳酸杆菌等有益菌的数量。对此,Gaskins(2002)研究认为,有益微生物在致病菌存在或有优势时可促进动物的生长,而在肠道菌群正常或已使用抗生素时则无效或反而抑制动物生长。Jesse(1990)对猪的研究证明了这一点,他用抗生素单独添加或与乳酸杆菌结合使用,结果表明,单独饲喂乳酸杆菌可提高日增重,但单独使用抗生素日增重更高,而在使用抗生素的基础上,再添加乳酸杆菌反而降低了日增重(见表1)。这说明动物在已具备抗病屏障之后,所谓的有益微生物便失去了其益处,反而抑制了动物的生长。李同洲等(1998)的研究表明,乙酰螺旋霉素降低了回肠乳酸杆菌的数量,却提高了猪的生长性能。Engberg等(2000)对鸡的试验也证明,杆菌肽锌与盐霉素共用,显著降低了肠道乳酸杆菌的数量,也极显著促进了鸡的生长,并推测可能是大量的乳酸杆菌抑制了鸡的生长。但是,JinmoYeo等(1997)研究发现,给肉仔鸡饲喂乳酸杆菌却降低了小肠脲酶的活性,并促进了鸡的生长,特别是在肉仔鸡的幼龄阶段。Bateup等(1995)对鼠肠道中乳酸杆菌的胆汁酸盐水解酶产物与鼠生长关系进行了研究,他们将胆汁酸盐水解酶活性高的乳酸杆菌与无活性的乳酸杆菌分别接种给无乳酸杆菌鼠,结果二者在肠道的定植数量接近,对鼠生长的影响也没有差异。他们认为,对于营养平衡的日粮,乳酸杆菌的数量和胆汁酸盐水解酶产物不影响鼠的生长。分析以上研究结果,可能是试验动物的健康状况、环境条件和微生物的取样次数与检测方法的差异导致研究结果不一致。Gaskins等(2002)根据以往对饲用抗生素、胃肠道微生物和动物生长关系研究的结果,指出抗生素促进动物生长的机制可能是:动物小肠中定植了一定数量的微生物,这些微生物尽管不一定有致病性,却能直接或间接抑制动物的生长,而抗生素能抑制或清除胃肠道微生物,以降低或消除其生长抑制作用,从而使动物生产性能得到正常的发挥。由于以往对胃肠道微生物的研究方法为传统的微生物学方法,只有10%~50%的胃肠道微生物能够在培养基上定植生长,这仅仅是胃肠道微生物的一部分,由此得出的试验数据和结论需进一步研究和论证。分子生物学技术的迅速发展为胃肠道微生态研究提供了全新的方法,可以对胃肠道微生态系统及抗生素对胃肠道微生物的影响重新评价,如利用既包含高度固定区域,也有一定可变区域的16SrRNA分子,不但可以鉴定混合菌群中细菌的种类,也可确定不同种类细菌之间系统发育的关系。因此,借助新型分子生物学技术,在不久的将来,有望得知胃肠道细菌的分类、空间分布、代谢特点及小肠微生物产生的有毒产物抑制动物生长的机制。2抗生素的促生长作用比较无菌动物和常规动物发现,无菌动物的淋巴组织发育缓慢,淋巴细胞数量少,抗体浓度低。Gordon等(1971)研究指出,肠道微生物可促进肠粘膜细胞的分化。由此可见,胃肠道微生物可引起机体的免疫反应。McCracken等(1999)通过无菌动物对微生物免疫反应程度的强弱,将微生物分为强免疫原性、中免疫原性和弱或无免疫原性3类。经研究发现,免疫反应降低了动物的采食量,增加了机体的维持需要,并加快了机体蛋白质的降解,从而抑制动物的生长。Klasing(1991)、Meager(1991)和VanderBroek(1993)等研究认为,免疫反应主要通过白细胞因子的释放影响动物生长,首先,白细胞因子进入肌肉组织,促进蛋白质的分解,分解产生的氨基酸进入肝脏,然后,在白细胞因子的介导下合成急相蛋白,并增强糖异生作用,白细胞因子还刺激神经中枢使体温升高,提高基础代谢水平。但对于抗生素是促进还是抑制机体的免疫机能,报道不太一致。Glick(1968)研究认为,抗生素可以降低切除法氏囊鸡的死亡率并提高其增重。Dafwang(1985)也证明抗生素可促进法氏囊的发育。而Naqi(1985)报道,抗生素的促生长作用与免疫系统无关。Roura等(1992)研究了抗生素与免疫机能关系,并取得了突破性进展。他们的研究发现,饲喂青霉素和链霉素可以明显降低肉仔鸡血浆中白细胞介素-1的水平,并明显提高体增重和饲料利用率,结果表明,抗生素对肉仔鸡的促生长效果与血浆中白细胞介素-1的水平呈负相关;随后的研究表明,给肉仔鸡注射沙门氏杆菌脂多糖后,肝脏、脾脏和小肠的相对重量明显增加,生长也明显受到抑制,然而,在饲料中添加土霉素后,症状得到明显改善;并首次提出抗生素的促生长作用与其抑制胃肠道微生物引起的免疫反应有关。Abd等(1996)、Heugten(1996)和佟建明等(2000)的研究证明,不同抗生素均可抑制机体的免疫反应。周安国(2002)研究认为,抗生素能在机体免疫反应启动前对入侵机体的细菌等抗原及时进行清除或修饰,降低了动物免疫系统的激活程度,减少将有限的营养素用于免疫反应,从而将营养物质更有效地用于机体蛋白质和能量的沉积,促进动物的生长,改善饲料利用率。对于饲用抗生素、动物免疫系统和肠道微生物的关系,佟建明等(2000)指出为“三元平衡”关系,此“三元平衡”影响着抗生素是否具有促生长作用。三者关系的建立过程可分为两个时期:一是反应期,在这个时期,新生的动物受环境中微生物及其它抗原的刺激,机体的免疫系统开始产生免疫反应,抗生素一方面抑制微生物,另一方面抑制机体的免疫系统,形成免疫屏障,降低机体的免疫反应,此时,饲用抗生素对动物产生较明显的促生长作用;二是平衡期,这个时期肠道微生物达到正常情况下的最高水平,抗生素与动物免疫系统的联合作用使肠道微生物的数量和免疫反应水平不再增加,此时,饲用抗生素对动物不产生相对明显的促生长作用。由此分析,如在平衡期撤除抗生素,则肠道微生物的数量和免疫反应水平增加,动物生长可能减慢。因此,抗生素对动物仍然有一定的促生长作用。3保肝作用检测克氏原螯虾对肠道组织的影响经研究发现,无菌动物和常规动物最明显的区别就是无菌动物小肠绒毛比较规则、细长,肠壁固有层较薄,并且粘膜细胞更新速度较慢。Porter等(1989)的研究发现,在无菌条件下,5周龄的猪肠壁组织中几乎没有淋巴组织,当单独用大肠杆菌攻毒后,10d内肠壁组织结构就与正常猪相同。Anderson等(2000)研究指出,消化道微生物的存在会使消化道壁变厚,相对重量增加,粘膜细胞更新加快。由于小肠吸收的常见方式为简单扩散,其通路可能有4种:(1)通过上皮细胞膜;(2)通过小肠上皮的冲水通道;(3)通过细胞间不紧密的结合点;(4)通过细胞挤压出现的空隙。可见,肠壁变厚会影响营养物质的吸收。至于肠壁变厚的原因,这可能与动物对消化道微生物产生的有毒代谢产物(特别是氨)的反应有关。Verstgen等(1981)比较SPF猪和常规饲养的猪发现,105kg的SPF猪的消化道空重、大肠肠系淋巴结重分别为常规饲养猪的95.6%和60.7%,且维持能量减少。由此可见,小肠重量减轻、长度变短、粘膜细胞更新速度减慢,可减少基础代谢的消耗,降低动物的维持需要。研究表明,抗生素可使常规饲养的鸡肠壁变薄、重量减轻、小肠绒毛变长、肠道缩短,且肠重与抗生素水平之间存在负相关关系。姚浪群等(2003)研究表明,在仔猪日粮中添加90mg/kg的安普霉素可显著减轻小肠相对重量17.7%,缩短小肠相对长度13.7%,并使小肠绒毛排列规则、高度增加,绒毛高度与隐窝深度的比值增大,日增重提高19.1%~24.6%,改善饲料利用率7.7%~8.5%。Dafwang等(1984)的研究结果也表明,抗生素可促进营养吸收而促进动物的生长。因此,抗生素可通过改变消化道结构,使肠壁变薄、肠重减轻,小肠绒毛变长等,一方面促进了养分的吸收,另一方面降低了动物的维持需要,从而提高了营养成分的利用率,达到促进动物生长的目的。4抗凝剂的用量大量的研究表明,抗生素通过抑制微生物的增殖、改善消化道结构而促进动物的生长和营养物质的吸收。但是,机体如何更有效地利用营养却还不清楚。Hathaway等(1990)用猪的血清对肌细胞进行体外培养后发现,饲喂抗生素的猪,其血清比对照血清能更好地刺激肌细胞的生长。由于有些抗生素不被吸收仍然具有促生长作用,因此推测,可能是抗生素通过调控肠道微生物引起了体内某些生长促进因子或(和)生长抑制因子浓度或活性的改变。Hathaway等(1996)的进一步研究发现,日粮中添加ASP-250(金霉素100mg/kg+磺胺二甲嘧啶100mg/kg+青霉素50mg/kg)可提高断奶仔猪血清中类胰岛素生长因子(IGF-I)浓度。IGF-I是动物体内一种主要的促生长因子,又称为细胞的内分泌调节肽,主要功能是促进细胞对氨基酸和葡萄糖的摄取,增加蛋白质、脂肪和糖原的合成,刺激细胞DNA、RNA的合成及细胞的增殖;并可促进肌细胞肥大,抑制蛋白质分解,从而增加蛋白质的净增长。但是,采食量提高也可提高血清IGF-I浓度。Hathaway等(1999)的研究证明,机体内IGF-I水平的上升并非由采食量提高所致,而是由于抗生素作用的结果。姚浪群等(2003)对安普霉素与内分泌关系的研究发现,抗生素促进断奶仔猪与生长有关的内分泌活性,提高内源激素(生长激素、胰岛素和甲状腺素T3)的水平,从而促进肌肉蛋白质的沉积;并提出,安普霉素由于不易吸收,可能是通过刺激分布在肠粘膜上皮细胞间的弥散神经内分泌细胞而发挥其内分泌调节作用的。也有学者分析,抗生素的内分泌调节作用,可能是因抗生素减少了外来抗原的刺激,降低了动物免疫系统的激活程度,从而减少了某些生长抑制因子浓度或活性,最终导致促进分解代谢物质释放量的减少或合成激素活性的提高。但是,由于抗生素对内分泌调节的研究较少,抗生素通过何种作用机制影响机体内分泌系统,特别是抗生素直接或间接作用于消化道细胞的机理,尚需进一步研究。5全面认识药物的耐药性鉴于饲用抗生素可能对人类健康与环境造成的危害,有些国家,特别是经济发达国家已经或准备禁用饲用促生长抗生素。瑞典早在1986年就开始禁用,丹麦于1998年全面禁用,欧盟也将于2006年全面禁用饲用促生长抗生素。受欧盟国家禁用饲用抗生素的影响,美国FDA、疾病控制和预防中心、农业部协作成立了美国的抗生素耐药性检控体系,负责监控抗生素的耐药性,一旦发现耐药性的产生,即通过相应的法律禁用该抗生素。我国也非常重视抗生素的安全性问题,近年来,把畜牧业工作的重点转移到畜产品的安全上来,通过制定和完善相应的法规和标准来保证安全畜产品的生产。因此,限制与规范饲用抗生素的使用是生产安全畜产品的需要,也是保障人类健康与环境的需要。但科学、客观地分析,目前全面禁用饲用抗生素条件还不成熟。第一,缺乏足够的科学根据证明规范使用饲用抗生素危害了人类健康与环境的安全。对于抗生素安全性的关键——耐药性问题,美国Kentucky大学进行了长期的研究表明,在使用了28年后停用抗生素的最初几年,土霉素的耐药性从90%下降为50%,但随后又上升至30%~70%,由此可见,完全禁用抗生素并不能完全消除抗生素的耐药性。而且,病原菌的耐药性在世界各地均有发现,并不仅限于使用饲用抗生素的集约化畜禽养殖区。大量的研究和临床经验也表明,病原菌的耐药性与人医上抗生素的使用及滥用有关,欧盟也未能提供令人信服的禁用饲用抗生素的科学依据。第二,禁用饲用抗生素会给畜牧业造成巨大的损失。据保守估计,使用饲用抗生素的净