2016-11-11
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杆菌肽类饲料添加剂在畜禽养殖中的应用
杆菌肽作为抗菌饲料添加剂使用已经有50多年的历史了,本文主要杆菌肽锌和亚甲基水杨酸抗生素类饲料添加剂的药理作用、毒性安全、动物保健效果、国内外生产使用情况等方面进行了综述。

(本文原载于《中国动物保健》2011年第11月刊)

周臣飞,李俊辉,季朝金

(浦城绿康生化有限公司 福建南平 353400 

关键词:杆菌肽锌;亚甲基水杨酸杆菌肽;抗生素;饲料添加剂

Application of Bacitracin as antibacterial feed additive in cultivation

 

Zhou  Chenfei, Li Junhui, Ji Chaojin

(Pucheng Lifecome Biochemistry Co., Ltd.  Nanping Fujian353400)

Abstract:Bacitracin as an antibacterial feed additive,  its history is more than 50 years. We mainly summarized pharmacology、toxicity security、animal health efficiency and application of commercial Bacitracin products(Bacitracin zinc and Bacitracin Methylene Disalicylate ) in this paper.

Key words:Bacitracin zinc;Bacitracin Methylene Disalicylate;Antibiotic;feed additive

杆菌肽是1945年由美国哥伦比亚大学Johnson首次从感染伤口中发现的,是由枯草芽孢杆菌(Bacillus Subtilis)分泌产生的一种产物。早在1960年,美国批准杆菌肽作为饲料添加剂使用,1990年中国批准其可作为饲料添加剂使用,杆菌肽作为畜禽促生长剂使用已有50多年的历史了。到目前为止,由于杆菌肽在动物保健中促进具有动物生长,抑制动物肠道中有害微生物的生长、提高机体免疫能力方面的作用,在动物中无休药期、几乎无毒、对敏感菌无耐药性、在土壤中易降解等特点,使其在国内外被广泛使用在畜禽养殖业中。

杆菌肽的理化性质

杆菌肽为白色和近白色易吸湿的粉末,易溶于水和乙醇中,是一种环状多肽类坑生素,主要由地衣芽孢杆菌(Bacillus Licheniformis)和枯草芽孢杆菌(Bacillus Subtilis)产生。杆菌肽由一组结构类似的多肽复合物组成,结构类似物主要有杆菌肽A、B1、B2、B3,杆菌肽C1、C2、C3和杆菌肽F,杆菌肽F为杆菌肽A的氧化降解产物。杆菌肽A、B1、B2和B3占杆菌肽复合物总抗菌活性的96%,其中杆菌肽A的活性最强,杆菌肽A的分子量为1422.72,杆菌肽B的分子量为1408.69。杆菌肽由12个氨基酸组成,其基本结构为一个环状结构(7个氨基酸)和一个链状结构(5个氨基酸)。

杆菌肽的药理作用

杆菌肽对大多数革兰氏阳性菌如链球菌(Streptococcus)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、肠球菌(Enterococci)、沙门氏菌(Salmonella)、梭状芽孢杆菌(Clostridium)、棒状杆菌(Corynebacterium)等具有抑菌活性。此外,杆菌肽还对放线体和螺旋体也有效果。

耐药性因子(Resistence factor)是存在于某些细菌的一种质粒,由相连的两个DNA片段组成,即抗性转移因子(Resistence Transfor Factor, RTF )和抗性决定R因子(R-determinant)。抗性决定R因子决定细菌的抗性,RTF控制质粒的转移,质粒发生转移,细菌的抗性随之改变。Mathers(2008)研究表明,杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽在浓度100-500ppm时可有效地抑制E. coli HB101中的质粒的抗性转移[1]。

通常,杆菌肽需与金属离子如锌离子(Zn2+)或亚甲基水杨酸(Methylene Disalicylate)络合形成络合物后增加杆菌肽的稳定性。Richar H 等(1961)等研究表明,锌离子与杆菌肽络合后还可增加杆菌肽的活性[2]。因此杆菌肽作为饲料添加剂使用,主要有杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽两种形式。

Siewert(1987)研究表明,杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽的抑菌机理为:杆菌肽为类脂质焦磷酸的特异性抑制剂,能抑制细菌细胞肇合成阶段的脱磷酸化作用,影响磷脂的转运及向细胞壁支架输送黏肽,从而抑制细菌细胞壁的合成[3]。

杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽进入动物消化道后,在体内分解成杆菌肽、锌离子或亚甲基水杨酸,锌离子或亚甲基水杨酸被吸收利用,杆菌肽几乎不被动物肠道、皮肤、肠粘膜所吸收[4],大部分随粪便排出体外,少量被吸收的杆菌肽通过肾小球滤过作用排出体外[5],FDA规定其休药期为0天。FDA(1999)资料显示,饲喂小鸡1100ppm亚甲基水杨酸杆菌肽8周和产蛋鸡5个月,在鸡组织、蛋清和蛋黄中未检出杆菌肽残留[6]。由于杆菌肽对肾脏有较高的毒性,杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽不易全身给药,注射时毒性更大。

毒理与安全

     研究结果表明,杆菌肽锌对大鼠口服LD50为10000 mg/kg,对小鼠为大于12500 mg/kg,实为无毒;对小鼠骨髓嗜多染红细胞微核试验、 睾丸染色体畸变试验及Ames试验,结果均为阴性[7]。

在环境安全上:FDA(1998)资料显示,用57.5ppm和104ppm杆菌肽锌饲喂鱼110天,未发现有副作用,鱼组织中未检测出杆菌肽残留;在每吨猪或鸡饲料中添加500克杆菌肽锌或亚甲基水杨酸杆菌肽,猪和鸡随粪便排出的杆菌肽的半衰期为2-4天,在自然条件下,降解成氨基酸和盐类物质,杆菌肽A氧化降解为几乎无活性的杆菌肽F,对土壤的微生态环境几乎无影响;杆菌肽对昆虫的毒性极低,饲喂米象甲幼虫(Rice-weevil larvae)20000ppm的杆菌肽才表现出低毒性[8]。饲喂动物杆菌肽后,可减少对环境不利的温室气体N2O等氮源排放[9]。另外,杆菌肽对细菌不会产生耐药性,与其他抗生素共用时不会产生交叉耐药性。

杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽的在畜禽中的应用效果

     杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽应用在畜禽养殖中主要作用有:(1)对患病动物的治疗作用;(2)预防动物疾病的感染;(3)提高饲料转化率和促进动物生长。

杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽通过调控动物肠道微生物菌群发挥作用,其与肠道微生物菌群的相关作用的结果是:提高动物的消化、代谢、营养物质的吸收和分选能力,如碳水化合物、蛋白质、氨基酸、矿物质、维生素等,增强对饲料的利用率,减少对饲料的摄取率。另外,杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽在维持动物稳定饲料摄入量的前提下,减少代谢的紊乱现象的发生,提高动物的免疫特性,预防重要的肠道疾病,维持高水平的动物健康。

FDA批准杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽使用在牛、家禽、猪中,澳大利亚批准其使用在家禽中。经过多年的研究总结,杆菌肽类饲料添加剂在家畜和家禽中使用具有以下的优点:(1)降低动物的氮源排放,减少氮源污染;(2)增加动物的体重;(3)降低动物单位产量的所需要的饲料;(4)控制动物坏死性肠炎;(4)控制猪繁殖过程的肠道疾病;(5)节约动物氨基酸需要;(6)节约能量;(7)提高动物热耐受力;(8)降低公猪臭(Boar taint);(9)可降低微生物对其他抗生素的抗性和抗性转移;(10)提高免疫特性[9]。

热应激是环境温度超过家畜的适宜温度时,家畜的生理与行为发生应达性的能力。在全球性范围的动物养殖中,由于环境高温的因素,每年会造成动物死亡率的增加、降低动物产品产量。Männer 和Wang研究表明,在热急条件下(34℃),在蛋鸡饲料中添加100ppm杆菌肽锌,与对照相比,显著地降低了鸡维持生长需要的维持能需求和提高产蛋所需能量,并在平均日增重、饲料效率、产蛋数和产蛋量均有显著提高,显著地提高了鸡对热的应急能力[10]。

动物肠道是消化吸收的主要场所,肠壁厚度、肠壁绒毛数目和粘膜面积均能影响营养物质的吸收从而影响动物的生长。佟建明(1997)和卢建军(2007)研究表明[11-12],抗生素有利于肠道细胞变薄、肠道(十二指肠、空肠、回肠)绒毛细胞变长、有利于营养物质的顺利吸收。Kyriakis(1996)等研究表明[13],对猪从断奶开始至100天、100-125天、125-156期间进行试验,分别在日粮中添加300/200/100ppm和300/200/100ppm水平进行饲喂,两组剂量水平在试验期间对猪平均日增重分别为21%和30%、平均日饲料摄入量分别增加7%和10%、单位体重饲料利用率(饲料转化率)减少10%和16%。在家禽上,杆菌肽锌对日龄1~35天的家禽,促生长率为2.3%~6.0%,饲料转化效率为0%~5.5%[10]。

亚甲基水杨酸杆菌肽和杆菌肽锌在预防和控制肠道疾病方面,也具有极其重要的作用。PRESCOTT等(1978)研究表明[14],在小鸡饲养过程中,以杆菌肽锌浓度为200mg/gal和400mg/gal的饮用水全程给小鸡饮用时,可以控制由产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens)引起的坏死性肠炎,以杆菌肽锌浓度为100mg/gal饮用水饮用时,可预防鸡坏死性肠炎的发生。加拿大Brennan等(2003)研究表明[15],在肉鸡饲料中添加亚甲基水杨酸55ppm,对感染接种产气荚膜梭菌的肉鸡进行坏死性肠炎研究,试验进行41天后,空白对照组(未感染病菌未用药组)和接病菌对照组(接种感染病菌未用药组)肉鸡由坏死性肠炎导致的死亡率分别为2.87%和4.68%;药物处理组的死亡率为0.25%。结果表明,亚甲基水杨酸可有效控制由产气荚膜梭菌引起的坏死性肠炎。

FDA(1991)资料显示 [16],分别在伊利诺斯州、明尼苏达州、 密苏里州和内布拉斯加州四个州的猪厂进行亚甲基水杨酸杆菌肽控制仔猪梭菌性肠炎试验,在肠炎自然爆发的情况下,在孕猪分娩前14天最多至18天,分娩后21天,以含250g/t亚甲基水杨酸杆菌肽的饲料饲喂孕猪,四个猪场仔对照组猪死亡率分别为27.3%、21.1%、25.4%和22.2%,用药组依次为2.0%、7.2%、0.0%和1.5,且用药组腹泻率明显低于对照组。结果表明,饲喂含250g/t亚甲基水杨酸杆菌肽的饲料给肠炎爆发的猪圈孕猪,有显著的控制仔猪的死亡率和腹泻率。

杆菌肽类饲料添加剂在国内外生产使用情况

目前,杆菌肽的生产菌主要是地衣芽孢杆菌肽,Frøyshøv(1977)指出地衣芽孢杆菌是已经被承认的安全生产菌种[17]。

从国内外杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽上市一直到现在,国内外的产品均为全发酵的预混剂产品,其工艺流程均大致为:

豆粕、玉米淀粉、矿物质等发酵原料 → 搅拌、灭菌、接种地衣芽孢杆菌肽发酵 →

发酵过程:加消泡剂、控制温度、氮源、搅拌 → 地衣芽孢杆菌增殖过程:(1)将蛋白转化成氨基酸、淀粉转化成单糖;(2)诱导产生杆菌肽合成酶;(3)产生杆菌肽 → 发酵结束:杆菌体+地衣芽孢杆菌细胞+发酵残物 → 反应络合 → 喷雾干燥、混合 → 包装 → 检验。

国内生产杆菌肽类饲料产品的厂家主要有3家,其中浦城绿康生化有限公司是中国目前生产规模最大、产量最大的杆菌肽类产品的生产厂家,其年产能力达到24000-26000吨。国外生产厂家主要为美国雅来药厂,2011年现已被辉瑞公司收购。浦城绿康生化有限公司杆菌肽类产品出口量约占国内同类产品出口量60%,出口的杆菌肽锌预混剂和亚甲基水杨酸杆菌肽预混剂年销售额在2亿~3亿人民币。

由于杆菌肽相对其他抗生素促生长剂性价比高、更加环保安全等原因,美国、加拿大、巴西、以色列、澳大利亚、马来西亚、印度等和中国大陆及香港地区,至今一直在畜禽养殖中使用杆菌肽锌预混剂和亚甲基水杨酸杆菌肽预混剂作为促生长剂使用。

杆菌肽锌与亚甲基水杨酸杆菌肽未来

一种理想的抗生素促生长剂应该具备:(1)明显提高经济效应;(2)与其他抗生素不产生交叉抗性;(3)不使微生物的抗性转移;(4)不破坏动物正常肠道的微生物菌群;(5)对人类或动物没有或具有部分治疗作用;(6)在动物肠道中不被吸收;(7)不会对动物致癌或致突变;(8)不会造成环境的污染;(9)在以正常剂量水平下的许多倍使用时,不会对人类和动物产生毒性。

综观杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽的特性,完全符合上述条件,所以杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽是为数不多的理想的抗生素类促生长饲料添加剂之一。在今后若干年,杆菌肽锌和亚甲基水杨酸杆菌肽将会继续作为允许使用的抗生素作促生长用的国家或地区理想选择的抗生素促生长剂。

参考文献

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[2] Richard H. Adler and John E. Snoke. REQUIREMENT OF DIVALENT METAL IONS FOR BACITRACIN ACTIVITY [J]. J. Bacteriol. 1961, 83:1315–1317.

[3] Siewert G and Strominger J L. BACITRACIN: AN INHIBITOR OF THE DEPHOSPHORYLATION OF

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[16] FDA)CenterofVeterinary Medicine: Freedom of Information Summary, NADA 046–592, Bacitracin Methylene Disalicylate Food and Drug Administration,WashingtonD.C.1991.

[17] Froyshov. The production of bacitracin synthetase by Bacillus licheniformis ATCC 10716[J]. FEBS Letters. 1977, 81: 315-318.

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