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噬菌体在猪饲料中的应用研究进展

时间:2021年04月04日

抗生素在猪饲料中的应用已经有50多年的历史。然而,由于抗生素的滥用导致了细菌耐药性不断增强,对人类健康和自然环境均造成了巨大危害。自2020年7月1日起,我国农业部颁布了第194号公告,禁止在畜牧饲料中添加抗生素类物质。在巨大的压力下,生猪养殖行业迫切地寻找饲料中抗生素的替代品,特别是由于免疫系统发育不良和断奶应激的仔猪。噬菌体作为细菌在自然界中的天敌物种,具备分布广泛、杀菌高效、自我复制和宿主专一等诸多优点,具有在饲料中替代抗生素的极大潜力。近年来,科学家围绕饲粮中添加噬菌体对仔猪肠道微生物菌群、肠道形态和营养物质消化率的影响开展了大量研究工作,为未来商务上将噬菌体添加到猪饲料中替代抗生素奠定了理论基础。


一、噬菌体可有效调控肠道菌群,降低仔猪腹泻率

噬菌体通过影响肠道微生物群的稳定性来塑造肠道的免疫和代谢能力。一方面,噬菌体可以迅速杀灭肠道中的产毒素大肠杆菌、沙门氏菌和梭菌等有害细菌。噬菌体还能够黏附到肠道黏膜表面的黏液中,并且黏附到黏液层的噬菌体能够通过裂解细菌显著减少致病细菌对上皮的黏附和侵袭,对仔猪肠道起着重要的生物屏障作用。另一方面,由于噬菌体的专一性,不仅对肠道中的双歧杆菌,乳酸杆菌等有益菌不产生任何危害,而且可以增加肠道益生菌的数量。噬菌体还可以通过影响细菌细胞的寄生期或溶解期来调节细菌群落的结构,有助于细菌在不同解剖部位的定植和生存,特别是有利于共生种群防御疾病。


2010年,Wall等人报道,使用沙门氏菌噬菌体可以将3~4周龄的仔猪回肠和盲肠中沙门氏菌的定植率降低90~99.9%。2012年,CHA等人报道按1:1000的质量在日粮中混合大肠杆菌噬菌体,投喂1周后,用产肠毒素大肠杆菌连续攻毒3d,而后在粪便中对产肠毒素大肠杆菌进行定量检测,噬菌体处理组产肠毒素大肠杆菌均比阳性对照组降低了约60%。2011年,Saez等人每天给仔猪饲喂微囊化沙门氏菌噬菌体,连续饲喂5 d,灌胃组给予相同的噬菌体鸡尾酒,检测结果表明采用微囊化沙门氏菌噬菌体投喂组在盲肠和结肠中检测到的该噬菌体含量比液体灌胃组高2个数量级,表明每日饲喂比一次性灌胃更容易使噬菌体在肠道定植。2017年,Hosseindoust等人报道断奶仔猪日粮中添加噬菌体,结果表明处理组仔猪回肠中双歧杆菌和乳酸杆菌等有益菌的总数均显著高于对照组,而回肠中大肠菌群和盲肠中梭菌等致病菌的数量较对照组显著降低。


二、噬菌体可显著改善肠道形态特征,促进养分吸收

肠绒毛是位于肠道的上皮和固有层向肠腔隆起的指状突起,具有吸收养料的作用。肠绒毛高度(Villus Height, VH)是判定肠吸收能力的重要指标之一。噬菌体可以显著改变肠绒毛的形态特征,从而提高肠道吸收养料的能力。


2016年Lee等报道在断奶仔猪的资料中添加109 PFU/g的噬菌体,可以显著提高十二指肠和空肠肠绒毛高度,但对回肠肠绒毛高度无显著影响。2021年Zeng等报道对照饲粮在基础饲粮中添加400 mg/kg噬菌体显著提高了仔猪空肠和回肠的绒毛高度,降低了空肠和回肠的隐窝深度( Crypt Depth, CD),提高了十二指肠、空肠和回肠的VH/CD比值。


三、噬菌体可明显提高仔猪营养物质消化率,增强生长性能

在非攻毒的正常生理状态下进行的众多研究表明噬菌体可以有效提高仔猪采食量,日增重,氮消化率和干物质消化率等指标,具备作为生长猪的生长促进剂使用的潜力。


2012年,Yan等报道,饲喂补充性噬菌体组猪的采食量,日增重,氮消化率和干物质消化率与比仅饲喂基础日粮组的猪相比都得到显著提高,且与抗生素组无显著差异,在实验数据基础上,Yan给出了0.5 g/kg水平的噬菌体可作为生长猪抗菌药物的替代品的结论。2014年,Kim等报道,饲喂噬菌体的仔猪的整体平均日增重、平均日采食量、粪便评分都有所增加,仔猪大肠菌群和梭状芽孢杆菌减少,益生菌的增益比和回肠中的乳酸菌显著增加。随着噬菌体浓度从0.5 g/kg增加到1.5 g/kg,干物质和能量消化率有小幅增加,但并不显著。该研究同时采用嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)作为对照,结果表明,虽然嗜酸乳杆菌也有增效作用,但是噬菌体的效果仍优于嗜酸乳杆菌。另外,2017年,Hosseindoust等也对噬菌体和有机酸、ZnO等替抗产品的效果进行了比较研究,结果表明,断奶仔猪饲粮中添加噬菌体后,其生长性能、消化率和肠道发育均优于对照组,效果与添加ZnO或有机酸相当。2021年Zeng等报道饲粮中400 mg/kg噬菌体包合物提高了断奶仔猪的平均日增重和平均日采食量,降低了料重比和腹泻发生率。


综上所述,噬菌体不仅可以有效调控肠道菌群,杀灭致病菌,降低仔猪腹泻率,还可以改善肠道形态特征,促进养分吸收,提高仔猪营养物质消化率,增强生长性能。当然,噬菌体如真正做为饲料添加剂使用也有自身的缺点,例如不耐高温,不耐胃酸低pH等问题。研发人员需要思考更合适的使用方案加以解决。


参考文献:

Cha S B , Yoo A N , Lee W J , et al. Effect of Bacteriophage in Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) Infected Pigs[J]. Journal of Veterinary Medical Science, 2012, 74(8):1037.

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Kim K, Ingale S, Kim J, Lee S, Lee J, Kwon I, et al. Bacteriophage and probiotics both enhance the performance of growing pigs but bacteriophage are more effective. Anim Feed Sci Technol. 2014;196:88–95.

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Saez AC, Zhang J, Rostagno MH, Ebner PD. Direct feeding of microencapsulated bacteriophages to reduce Salmonella colonization in pigs. Foodborne Pathog Dis. 2011 Dec;8(12):1269-74. doi: 10.1089/fpd.2011.0905. Epub 2011 Aug 21. PMID: 21854261.

Wall SK, Zhang J, Rostagno MH, Ebner PD. Phage therapy to reduce pre-processing Salmonella infections in market-weight swine. Appl Environ Microb. 2010;76:48–53.

Yan L, Hong SM, Kim IH. Effect of bacteriophage supplementation on the growth performance, nutrient digestibility, blood characteristics, and fecal microbial shedding in growing pigs. Asian-Aust J Anim Sci.2012;25:1451–6.

Zeng Y , Wang Z , Zou T , et al. Bacteriophage as an Alternative to Antibiotics Promotes Growth Performance by Regulating Intestinal Inflammation, Intestinal Barrier Function and Gut Microbiota in Weaned Piglets[J]. Frontiers in Veterinary Science, 2021, 8.