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稿日期：2022-09-08基金项目：广东省科技专项资金（“大专项+任务清单”）项目（江科〔2020〕182号，江科〔2021〕183号）；肇庆市科技计划项目（2021N003）
作者简介：邓俊劲（1992—），男，博士，助理研究员，研究方向为功能微生物， E 广东农业科学
2022，49（11）：21-31
Guangdong Agricultural Sciences
DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2022.11.003
邓俊劲，张艳彬，张健玲，刘书欣，俞婷，牛志凯，王志林，陈庄. 功能微生物在生态健康养殖中的应用研究进展［J］.
广东农业科学，2022，49（11）：21-31.
功能微生物在生态健康养殖中的应用研究进展
邓俊劲1，张艳彬1，张健玲2，刘书欣1，俞　婷1，牛志凯1，王志林1，陈　庄1
（1.广东省农业科学院农业生物基因研究中心/广东省农作物种质资源保存与利用重点实验室，
广东 广州　510640；2.江门海关技术中心，广东 江门　529085）
摘　要：养殖业中抗生素滥用和环境污染问题已引起国家和行业的广泛关注。功能微生物可以有效替代养殖用化学物质，取代激素和抗生素，提高动物综合生长性能，在生态健康养殖中发挥关键作用。为实现我国养殖业的可持续发展，在动物养殖中应用功能微生物实现生态健康养殖已成为一条重要发展路径。功能微生物的作用贯穿整个养殖前端、过程和末端：利用功能微生物处理饲料原料，可以有效去除抗营养因子，提高饲料转化利用率和营养价值；以养殖功能微生物饲喂动物，可以调节肠道微生物平衡，维持肠道稳态，调节机体免疫；应用于养殖环境中，可以控制臭气排放和环境病原，在养殖废弃物的无害化处理和资源化利用方面也发挥重要作用。结合有关养殖功能微生物的研究成果，对功能微生物在动物养殖中的应用研究进展进行综述，包括它们在生物饲料加工、动物肠道健康、养殖环境控制和废弃物处理中的应用及相关作用机制，以期为功能微生物在动物养殖中的进一步应用与推广提供参考。
关键词：禁抗；功能微生物；动物健康；生物饲料加工；废弃物处理
中图分类号：S8-1    　文献标识码：A    　文章编号：1004-874X（2022）11-0021-11
Progress in Application of Functional Microorganisms
in Ecological and Healthy Breeding
DENG Junjin 1, ZHANG Yanbin 1, ZHANG Jianling 2, LIU Shuxin 1, YU Ting 1,
NIU Zhikai 1, WANG Zhilin 1, CHEN Zhuang 1
junjin
（1. Agro-biological Gene Research Center, Guangdong Academy of Agricultural Sciences /
Guangdong Key Laboratory for Crop Germplasm Resources Preservation and Utilization, Guangzhou 510640, China;
2. Jiangmen Customs Technical Center, Jiangmen 529085, China ）
Abstract: Antibiotic abuse and environmental pollution caused by animal husbandry has aroused extensive concern from the government and the industry. As a kind of efficient alternative to agricultural chemicals like hormones and antibiotics, functional microorganisms can enhance the comprehensive growth performance of animals and thus play a crucial role in ecological and healthy breeding. The use of functional microorganisms in animal breeding for eco-agriculture has been a key development pathway for achieving the objective of sustainable development. Functional microorganisms are used at the beginning, middle, and end of the entire breeding process. Functional
microorganisms can effectively eliminate anti-nutritional factors from feed sources, increasing their utilization rate and nutritional value. Animals fed with functional microorganisms not only have balanced gut microbiota and intestinal homeostasis, but their immune system is
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功能微生物是指具有特定功能和生物活性的微生物，其独特、多样而灵活的作用方式是微生物在长期与外界环境和其他生物之间的相互作用中不断进化而形成的，在生态系统中发挥不可替代的作用。近年来随着分子生物学、组学和微量分析技术的快速发展，越来越多的新型微生物及其新颖的代谢方式不断被发现和阐明，各种具有独特功能的微生物也被不断挖掘和应用。随着最近关于对动物体内最庞大、最复杂的微生态系统—肠道微生物组认识的加深，功能微生物在动物养殖中的应用研究也进入了新的快速发展阶段。多种功能微生物如芽孢杆菌、乳酸菌和双歧杆菌等已被广泛开发研制成动物养殖用微生态制剂，用于促进动物生长、提高饲料利用率和动物疫病防治等。
自20世纪40年代以来，抗生素作为促生长剂被广泛应用于动物养殖中。随着畜牧养殖业的规模化集约化发展，饲用抗生素的使用量也越来越大。饲用抗生素滥用导致细菌耐药性增强和药物残留，相关食品安全问题已经引起人们的重视。自2006年起，欧盟、美国和中国相继出台相关政策禁止在动物养殖中使用抗生素作为促生长剂。在禁抗限抗的背景趋势下，探求新型替抗产品成为行业研究的热点，其中，功能
微生物及其引领的生态健康养殖以绿、安全、环保等优势，已成为现今养殖业的主流发展方向。在畜牧养殖前端，功能微生物可以发酵饲料原料，将大分子物质分解为小分子物质，并消除抗营养因子，提高饲料转化率。在养殖过程中，以功能微生物如益生菌等饲喂动物，可以有效调控动物肠道菌，促进有益菌定植，并调节动物免疫，促进动物健康生长，提高综合生产性能。在养殖环境中，功能微生物也可有效抑制环境中的病原菌生长和养殖臭气产生。在养殖末端，功能微生物可以实现粪污、尸体的无害化处理，促进动物产品加工废弃物的资源化利用。
虽然目前功能微生物在动物养殖中的应用研究很多，但仍缺乏系统性的归纳和分析。本文就功能微生物资源在饲料加工、动物肠道健康、养殖环境控制到养殖废弃物处理的整个养殖过程等相关方面的应用及潜在机制进行综述（图1），并分析其存在问题和不足，以期为功能微生物在动物生态健康养殖中的进一步深入应用和相关机
制的挖掘提供参考。
养殖前端养殖过程养殖末端
图1　功能微生物在生态健康养殖中的应用Fig. 1　Application of functional microorganisms in
    ecological and healthy breeding
1　功能微生物在生物饲料加工中的应用在养殖前端，饲料是基础和关键，其成本占畜禽养殖生产总运营成本的2/3以上。因此，提高饲料转化效率对提高畜牧养殖业经济效益至关重要。相对于动物饲料源，植物饲料源因价格低廉和获取难度低而被广泛使用。但对养殖动物而言，植物饲料源的消化压力大、营养价值低，因此需进一步加工处理。通过功能微生物发酵处理饲料原料，可以有效降解原料中的抗营养因子，促进营养物质吸收。同时，也可降低非常规饲料原料中有毒有害物质，提高饲料利用率和营养价值。1.1　微生物发酵功能性饲料
豆粕、玉米粕和杂粕作为优质植物性蛋白源，来源广泛，营养丰富，是主要的常规饲料原料。但它们含有植酸、胰蛋白酶抑制剂、凝集素和抗原蛋白等多种抗营养因子，影响动物对营养物质
also well regulated. Functional microorganisms can also control odor emissions and pathogens in the environment. Finally, functional microorganisms also play an important role in the bio-safety treatment
and circular utilization of breeding wastes. This study provides references for the continued application and promotion of functional microorganisms in animal breeding by summarizing the progress of their application and related mechanisms in such areas as feed processing, intestinal health, breeding environmental control and waste treatment.
Key words: antibiotic-free; functional microorganism; animal health; biological feed processing; waste treatment
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的消化吸收。此外粕中含有大量大分子蛋白、多糖等难以消化的物质，也会对动物的消化系统造成较大压力。通过功能微生物发酵可以有效解决这些问题。研究表明，采用酿酒酵母、植物乳杆菌、干酪乳杆菌、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌5株益生菌对玉米深加工副产物进行固态发酵后，粗蛋白含量可增加14.3%，有机酸含量也显著提高［1］。以黑曲霉、木霉和酵母固态发酵玉米秸秆饲料后，粗蛋白含量可增长10倍，粗纤维含量从36.2%下降到18.47%［2］。通过豆豉芽孢杆菌DP-2发酵豆粕，大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的降解率分别为96.14%和66.51%，可溶性蛋白含量也提高5.46倍［3］。
生物发酵饲料在改善动物机体健康和提高动物生长性能方面具有显著效果，其潜在作用机制复杂。首先，饲料中的非淀粉多糖会增加粘度和降低肠内营养消化率。由于缺乏内源水解酶，非淀粉多糖不能被
单胃动物消化［4］。因此发酵过程中可溶性非淀粉多糖的降解改善了营养价值且是提高单胃动物性能的重要因素。实验表明，与未发酵原料相比，在饲料中添加发酵的菜籽粕［5］，小麦［6］，糠麸［7］或大麦［8］可以提高动物生产性能，其原因可能是由于发酵后原料中可溶性非淀粉多糖减少。其次，发酵饲料具有酸味，可以刺激食欲，提高动物生产性能。以含6%发酵大豆粉（以嗜热链球菌、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌发酵）的饲料饲喂断奶仔猪可以提高平均日增重和平均日采食量［9］。研究表明，发酵饲料可以降低肠杆菌科［10］和沙门氏菌［11］在胃肠道不同位置的数量。发酵饲料含有较多乳酸和短链脂肪酸，可以降低肠道pH值从而抑制病原菌生长［12-13］。此外，酸的产生和pH值的降低也可促进植酸降解，因为谷物或豆类内源植酸酶的最适pH均在4.5~7.5。除内源植物植酸酶外，外源微生物植酸酶在发酵过程中也可有效降解植酸［14］。常用饲料发酵微生物如乳酸菌、酵母、黑曲霉和曲霉等均可分泌植酸酶、促进植酸降解。除降解抗营养因子外，发酵还可以通过形成与植酸竞争结合矿物质的低分子量有机酸来提高饲料中矿物质的生物利用度。发酵过程中产生的柠檬酸和乳酸有可能抵消植酸盐的抑制作用，从而通过在肠道中与铁和锌形成可溶性配体来增强宿主对它们的吸收［15］。1.2　非常规饲料原料发酵
我国饲料原料资源匮乏，豆粕和玉米等主要饲料大部分依赖进口。为减少对进口饲料原料的依赖，需要积极开辟新型非常规饲料资源。但非常规饲料普遍存在适口性差、营养价值较低、营养成分不均衡且含有多种抗营养因子或毒性物质等问题。通过微生物发酵，可以改善非常规饲料的适口性，提高利用率［
16］。近年来，研究者已开发出许多非常规饲料，如泔水［17］、桑叶［18］、甜菜渣［19］、酒糟［20］和中草药等，以满足养殖市场对多样化终端化产品的需求。将发酵酒糟添加到鸭日粮中，可以提高其最终体重、日均采食量和大腿肌肉产量，且降低料重比［21］。以发酵罗汉果渣等量替代饲料中的玉米对黄羽肉鸡生长性能、肉质和肠道功能并无不利影响［22］。非常规饲料除可作为饲料成分的替代成分外，还可以改善动物抗病性。在饲料中添加4.0%和6.0%的发酵桑叶可显著增强金鲳鱼对哈维弧菌的抵抗能力［23］。也有报道指出，酶和微生物联合发酵非常规饲料的效果要优于单独发酵。以乳酸菌和纤维素酶联合发酵的青贮饲料饲喂牛，胃中pH值和氨氮/总氮显著降低，且干物质、粗蛋白质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的瘤胃降解率显著提高［24］。但非常规的饲料仍存在营养价值差异大、发酵工艺无统一标准、对复合菌种的用量和配伍不清晰等问题，非常规原料发酵的代谢产物及其作用机制也有待深入研究［16］。
2　功能微生物在调控动物肠道健康中的应用
在养殖过程中，动物健康是影响其生长性能的关键因素。最近研究发现，胃肠道除了具有营养消化和吸收的生理功能外，也是病原微生物栖息以及动物机体免疫防护的重要器官。其中，肠道微生物组起至关重要的作用，它们之间的相互作用极大影响动物机体健康。通过添加功能性微生物可以改善肠道菌平衡，从而维护动物机体健康状况。
2.1　功能微生物调控动物肠道菌
肠道微生物组是一个复杂而动态的微生态系统，易受多种因素影响。在动物幼龄时期，肠道的初始定殖微生物对宿主至关重要，因为此时的肠道微生物菌是不成熟和不稳定的，宿主容
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易受到环境中的条件致病菌影响。针对该情况，饲喂功能益生菌可促进有益细菌生长，能够迅速占据肠道中的微生物生态位，以防止条件致病菌定植而对宿主健康造成威胁。有研究表明，在饲料或饮水中添加微生物添加剂可保护幼猪免受感染，并维持肠道健康［25］。据报道，复合益生菌具有高效替抗功能，在饮水中添加复合益生菌可显著改善22~56日龄岭南黄羽肉鸡的生长性能，并有效降低死淘率［26］。以嗜酸乳杆菌NP51饲喂牛能显著降低其粪便中大肠杆菌O157:H7的数量［27］。给断奶山羊饲喂罗伊氏乳杆菌、营养乳杆菌、粪肠球菌和双歧杆菌等复合菌，可以维持肠道健康并有效减少粪便中沙门氏菌和志贺氏菌等致病菌的数量［28］。一般来说，功能微生物对肠道菌的调控功能是通过抑制病原体对肠壁的粘附和竞争对病原体在环境中定居至关重要的营养物（底物）来实现的。
此外，一些功能微生物可以产生直接抑制病原微生物的物质，从而减少动物体内病原微生物数量而发挥益生功能。功能微生物产生的抑菌物质主要有两种，一种是肠道中碳水化合物和蛋白质发酵产生的代谢物，如挥发性脂肪酸(VFAs)，另一种是针对细胞膜完整性并阻碍质子动力功能的细菌素或抗菌肽等。如罗伊氏乳杆菌产生的罗伊氏菌素具有广谱抗菌性，已被报道可以有效抑制家禽病原空场弯曲杆菌和大肠
弯曲杆菌的生长［29］。Shi等［30］发现罗伊氏乳杆菌S5可以有效抑制沙门氏菌ATCC13076的生长，经过其无细胞上清液处理后，沙门氏菌毒力、运动和粘附相关基因的表达显著降低，运动能力和生物膜形成显著减弱，膜结构和细胞内结构也受到破坏。许晓燕等［31］研究发现，乳酸乳球菌乳亚种NCU036018可以产生细菌素并有效抑制金黄葡萄球菌等病原菌。还有研究发现干酪乳杆菌会刺激肠道分泌抗菌肽、清除肠道病原体、保护机体肠道屏障［32］。体外表达重组的抗菌肽也表现出对肠道致病菌的良好抑制作用。
2.2　功能微生物增强动物免疫
功能微生物还可刺激机体免疫［33-34］，改善动物防御和健康状况。在对早期断奶仔猪生长性能和肠道发育的研究中，日粮中同时添加活酵母和超细酵母粉可提高饲料转化率、促进肠道发育和增强机体免疫力［35］。Chaucheyras-Durand等［25］研究发现，以布拉迪酵母菌或乳杆菌饲喂小猪可促进肠道IgA分泌，抑制产肠毒素大肠杆菌增殖，从而保持小猪健康。Bai等［36］研究发现，在饲料中添加0.1%或0.2%的益生菌产品可增强1~21日龄肉鸡的肠道T细胞免疫，且对肉鸡生长性能无不良影响。Lee等［37］研究发现，肉鸡饲喂5×106 CFU芽孢杆菌可降低巨型艾美耳球虫感染率，胃肠道病变明显减少。此外，益生菌也可增强动物接种疫苗的免疫效果。通过饮水添加益生菌，可增强肉鸡接种新城疫疫苗产生的体液免疫反应［38］。功能微生物增强动物免疫是通过调节炎症因子和抗体产生、增强自然杀伤细胞和巨噬细胞活性、调节树突状细胞功能和表型、调控AP-1和NF-κB通路、调节细胞凋亡和一氧化氮释
放来实现的［39］。如罗伊氏乳杆菌可以激活巨噬细胞并增强其吞噬和杀死细胞内鼠伤寒沙门菌的能力从而减轻鼠伤寒沙门菌引起的炎症反应，其内在机制可能是一氧化氮产生的调节［40］。大部分功能微生物免疫调节特性的介质是免疫细胞尤其是辅助T细胞，且一般具有菌株特异性［41］。3　功能微生物在改善养殖环境中的应用随着规模化和集约化畜牧场的发展，养殖场环境对动物养殖的影响越来越大。养殖动物与其生活环境之间不仅存在物质和能量的交换，也存在微生物的交换。动物自身携带的微生物能够影响环境，环境中存在的微生物也不断影响动物。而在养殖场中，粪便、尿液、饮水和呼吸是动物与环境交流的主要方式和载体。目前养殖场环境控制中的两个重要问题是有害微生物和臭味，功能微生物也受到广泛关注和应用。
3.1　功能微生物抑制环境病原
在环境病原控制方面，陆生动物的养殖环境较易使用化学试剂和药品等处理，因此功能微生物的应用较少。在水产养殖中，高密度养殖伴随的药物滥用和药物残留导致严重的环境污染和食品安全问题。水产养殖因其水体环境特性而难以使用畜禽养殖的方式处理，采用生态健康养殖模式是确保水产养殖业绿可持续发展的重要途径，因此功能微生物在水产养殖环境控制中发挥着重要作用。益生菌已被证明能拮抗多种水产动物病原体，是遏制水产养殖疾病问题的一个很好的解决方案。孙博超等［42］在水体中使用组合益
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生菌能够有效抑制弧菌在水体和虾体内的增殖，提高虾成活率。陈锦豪等［43］也报道了通过向鱼虾混养池塘中添加益生菌和复合营养剂可显著降低养殖水体中有害弧菌的浓度，使其远低于致病浓度而保证养殖动物安全。Santos等［44］从欧洲海鲈、金头海鲈和白海鲈中分离出多株功能微生物菌，均具有抗菌、抑制生物膜形成和抗体感应活性，可有效抑制常见水产病原菌如嗜水气单胞菌和沙门氏菌等的生长与侵染。一些功能微生物还会分泌一些抑菌活性物质，可被应用于养殖水体病原控制。石广举等［45］在饲料中添加纳豆菌抗菌脂肽可以有效降低水体和虾体中副溶血弧菌和溶藻弧菌的数量。在水产养殖中虽然不断有不同功能微生物用于拮抗各种病原微生物，但相关作用机制仍不清楚，需要进一步深入研究。
3.2　功能微生物控制养殖臭气
除了抑制环境病原微生物外，臭气治理也是功能微生物用于养殖环境控制的重要方向。养殖臭气分子主要来源于动物体内未被利用的蛋白质、多糖等成分的发酵分解，目前一般认为氨和硫化氢是养殖臭气的主要组成。功能微生物用于氨和硫化氢的降解研究已有深入研究，其应用方式主要有减少臭气分子产生和降解臭气分子两种，可通过在饲料中添加生物除臭菌剂和对粪污喷洒生物除臭菌剂实现。饲料生物除臭添加菌剂一般在饲料或饮水中添加，提高动物对饲料的消化吸收率，间接减少臭气排放。张志峰等［46］报道指出，通过在家禽日粮中添加枯草芽孢杆菌可提高消化酶活性和氮利用率，从而减少氨排放。除了直接使用益生菌饲料添加剂外，采用原位喷洒功能微生物也是畜禽粪污臭气治理另一重要途径。
功能微生物对于臭气分子的降解研究已有较长时间，大部分均集中于对于氨和硫化氢的降解。邵栓等［47］使用具有除臭功能的贝莱斯芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、产朊假丝酵母和干酪乳杆菌对猪粪处理，在最优条件下猪粪中氨和硫化氢去除率可达63.60%和70.29%。李玥等［48］从鸡粪中分离得到5株具有除臭功能的菌株，包括芽孢杆菌属MS03、贝莱斯芽孢杆菌MS07、耐寒短杆菌MS11、木糖葡萄球菌MS42和变异棒杆菌MS82，应用复合菌系MS03+MS07和MS03+MS82处理鸡粪，氨和硫化氢去除率均可超过60%。吲哚类分子因其嗅阈值低，即使相对浓度较低，但其臭气贡献率很高，且降解难度大、极性高、挥发性强，已成为目前养殖臭气治理的难点。目前已有多株吲哚降解菌的相关报道，但降解效率不够高，且大部分只适用于工业废水废气处理，难以在养殖业中应用［49］。最近本课题组［50］从猪粪中筛选鉴定出高效吲哚无氧降解菌GDIAS-5，非常适合于养殖环境中粪污堆积的缺氧场景，并首次发现了负责吲哚无氧氧化的单加氧酶ycnE，促进了对吲哚降解机制的理解。
4　功能微生物在养殖废弃物资源化利用中的应用
功能微生物在粪便、动物尸体和加工副产品等畜禽养殖末端废弃物的处理上也已被广泛应用和研究。随着我国养殖规模的不断扩大，相关废弃物的产生量也越来越大，对环境造成严重影响［51］。但实际上，很多废弃物如羽毛、虾蟹壳等仍具有较高的可利用空间，只是处理难度较大，成本较高，其中含有的潜在病原菌也需要进行处理，而使用功能微生物则可以有效解决这些问题，促进养殖废弃物的资源化利用。
4.1　粪便和动物尸体堆肥处理
粪便和动物尸体堆肥处理需要微生物在高温条件下对有机废物进行生物分解和转化，以产生稳定的、无病原体且可有利于土地增肥的最终产物［52］。影响堆肥的主要因素是碳氮比、颗粒大小、水分含量、pH值、氧气利用率、堆肥技术以及微生物活力。尽管原料中也存在一些微生物可以降解堆肥材料，但它们较少的数量和较差的降解能力导致堆肥效率降低和堆肥质量不理想［53］。为加快堆肥进程，堆肥过程中通常添加使用一些有机肥发酵剂，可见，使用专门的功能微生物是促进堆肥成熟和提高最终堆肥质量的有力手段。接种耐热放线菌，包括链霉菌H1、分枝杆菌G1、小单孢菌G7和糖单孢菌T9，已经被报道可以增强粪便中木质纤维素的降解并提高堆肥的效果和质量［54］。堆肥过程中的纤维素酶、木聚糖酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶的活性也都增加。最近，也有发现在堆肥原料中补充耐热氨氧化细菌可以改善堆肥牛粪的腐殖化过程，并显著提高产品的腐殖化因子和芽孢杆菌科丰度［55］。Wan等［56］将筛选得到的25种不同纤维素降解菌与7种商业菌株结合接种堆肥，可以提