微生态制剂的研究现状及前景
张连水 张慧霞 孟会贤 张君 李国信 张洪志
摘 要：微生态制剂是代替抗生素的一个新兴的产物，本文主要从微生态制剂的发展历史、作用原理、常用菌株、现存问题以及发展前景等方面进行了详细的叙述。
关键词：微生态制剂；益生菌；种群优势；生物拮抗
微生态制剂（Probioties）是与“抗生素”相对的一个概念，又名活菌制剂（Bigone）或生菌剂。它的名字是由益生菌的发展而发展起来的，其中益生菌这一名词是由Lilley和Stillwell两个人提出的[1]，描述的实质是一种能刺激生长的物质。在1990年举行的一个学术研讨会上，由微生态协会正式提出了“微生态制剂”，同时并进行了重新的定义，也就是现在大家比较公认的关于“微生态制剂”定义——“根据微生态学原理而制成的含有大量有益菌的活菌制剂，有的还含有他们的代谢产物或（和）添加有益的生长促进因子，具有维持动、植物和人体及其内、外环境的微生态平衡或调整其微生态失调，提高他们健康水平和保护环境的功能”[2]。
微生态制剂的发现和发展其实是一个长久的历史过程，对在研究历史中比较大的发现做了一个梳理和总结，具体的内容参照表1。
从表1中可以看出，早期科学家对微生态制剂研究仅仅停留在理论研究方面，主要的研究方向是菌株之间的关系、菌株与代谢产物之间的关系、菌株和代谢产物与外界环境之间的关系。中国关于微生态制剂的研究起步较晚，现在仍然是处在发展的初期，在使用菌株的种类、菌株的能力、制剂的使用方法等方面都与国外存在一定的差距。
微生态制剂给社会带来了巨大的变化，它已经广泛应用于人类疾病治疗、畜禽养殖业、种植业以及水处理等多个领域，并有良好的效果。其中，因为微生态制剂既能改善水质又能达到生态防治的效果，成就了它在水质改良方面广阔的前景和市场。于潇萌[10]预计，到2015年中国微生态制剂的总消耗量将达到20万吨，其中水产微生态制剂的需求量将占到40%以上。
1 微生态制剂的应用原理
对微生态制剂应用原理的了解有利于我们更好地、更加充分地利用其特点和优势。国内外研究者早就开始从各个角度对微生态制剂的应用原理进行了研究，结果表明微生态制剂的作用效果不止在于生物机体本身，对生物所处环境也有改善的能力。其应用原理主要包括创建有益的种群优势、对有害菌的拮抗作用、防止有害物质产生、增强生物机体免疫力和为生物提供营养物质等几个方面。
1.1 有益的种群优势
一般情况下，生物机体内环境中，也就是微生态系统中，优势种群对整个微生态系统起着至关重要的作用。
在动物和人类机体内厌氧菌的比例远远大于需氧菌和兼性厌氧菌，但是一旦专性厌氧菌数量减少失去优势地位，就会导致机体内生态平衡失调[11]。此时，有益的微生态制剂能够有效地弥补正常菌体，维持机体内生态平衡，防止疾病的发生。
在水处理方面同样存在这样的机理，当使用的有效菌株远远大于原本水质中的菌群时，微生态制剂就占有了主导地位，能够高效地控制和降低水质中的有害物质。
1.2 生物拮抗
拮抗又名抗生，周德庆对其定义为，由某种生物所产生的特定代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系。抗生素是最为典型的，也是与人们的生活关系最为紧密的一种拮抗物质。
一般来说，在机体比较脆弱和环境失去平衡的情况下，容易导致机体内疾病的发生和环境生态的崩溃。而有益菌组成的微生态制剂可以形成天然的屏障，这个防御屏障又可以分为生物屏障和化学屏障。化学屏障是指微生物代谢产生的一些活性物质（比如抗生素和酶），而生物屏障是指微生物形成的菌群。微生态制剂的拮抗作用是通过定植抗力或者分泌拮抗物质来抵抗病原菌和有害菌，以种群优势扼制病原菌和有害菌的蔓延[12]。
1.3 防止有害物质产生
微生物菌群在代谢过程中会产生一些催化酶，比如超氧化物歧化酶、氨基氧化酶和分解硫化物的酶类等，这些酶类物质通过化学作用将有害的有毒的物质转化成无毒无害的物质，或者是转化成自身能够利用和消耗的营养物质。
1.4 增强机体免疫
微生物制剂能够有效地增强机体的免疫力，其作用机理主要表现在三个方面：第一，分泌拮抗物质控制病原菌生长；第二，与病原菌争夺营养或者是附着点来抑制其生长；第三，刺激淋巴组织，可以加大免疫球蛋白浓度以及巨噬细胞的活性，进而增强机体免疫功能，来有效预防和避免疾病的发生。吞噬细胞的主要作用是捕获和消化侵入机体内的异物，与粒细胞和单核细胞组成一道非特异性防线[13]。吞噬细胞的活性可以作为判定其个体抗病力的一种指标。目前对于其机理的研究主要集中在蛋白质的水平上，很少涉及分子水平。提高微生态制剂能力的手段主要是提高与免疫相关的酶活力[2]。
近几年，有很多的学者针对微生态制剂提高动物机体免疫力进行了研究。谢全喜[14]等人用以植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌为主的制剂饲喂肉鸡，实验结果表明复合微生态制剂能够有效改善肉鸡的脾脏指数、法氏囊指数、IgG水平、sIgA含量以及血凝抑制抗体效价水平，综合提高机体免疫力。郭文婷[15]等人用不同配伍的5种制剂饲喂牙鲆，实验结果同样表明5种制剂均可以显著提高血细胞的吞噬活性，血清中的抗菌活力以及溶菌活力。Chen S N[16]等人研究了分支杆菌对虹鳟的影响，实验结果表明血细胞吞噬百分率有显著提高，并推测原因可能是细菌的细胞壁成分脂多糖起到了免疫刺激的作用。
1.5 提供营养，促进生长
微生态制剂可以为动物机体提供很多营养物质，比如氨基酸、维生素、促进生长因子等等。除此之外还会在机体内产生多种可适用的活性酶，比如淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶等，这些酶类可以促进料饵的消化吸收，进一步促进机体的生长。另外微生态制剂的菌体本身也可以作为添加剂，为饲养生物补充营养。
刘秀梅[2]将上述微生态制剂的作用归纳为微生物群与营养关系论，通过悉生动物和无菌动物的对比实验再次表明，微生物菌群不仅能够帮助食物的消化吸收，还可以在机体内合成维生素、氨基酸等物质。
2 水产微生态制剂的常用菌株
2.1 芽孢杆菌
芽孢杆菌属中常用来做微生态制剂的菌株有枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、假单孢杆菌、蕈状菌变种等。芽孢杆菌绝大部分是革兰氏阳性菌，是一类好氧或兼性厌氧的细菌，能产生抗逆性内生孢子，具有耐旱、耐热、抗紫外线等特点。
芽孢杆菌可以迅速降解养殖水体中的各种有机物，包括残留饵料、水产动物的排泄物、死亡的生物的残体及池底淤泥中的有机物，除此之外，还能降低水体中的氨氮与亚硝态氮的含量、增加溶解氧的含量，进而有效地改良水质，营造良好的养殖生态环境。
陆家昌[17]利用枯草芽孢杆菌进行了水质试验，结果得出COD、NH3-N、NO2--N的降解率均在60%以上。杨希[18]等人利用蜡状芽孢杆菌进行了好氧反硝化的研究，实验结果同样得到了良好的效果。
2.2硝化细菌
硝化细菌又可以细分为亚硝化细菌和硝化细菌，属于好氧自养性微生物。此类微生物的特点就是能够“自给自足”，也因此繁殖速度比较的缓慢，而且过多的有机物会抑制其生长。除此之外，硝化细菌对环境的变化特别敏感，极易失去活性[19]。
亚硝化细菌获得能量的方式是把水中的氨氮转化成亚硝酸氮，它所需要的有机物则来自于水体中的二氧化碳和碳酸根离子；硝化细菌则可以将水中的亚硝酸氮最终氧化成对水体无害的硝酸氮，并从中获取能量。硝化细菌一般与其他细菌一起制成复合微生态制剂使用。
孟令博[20]等人设置硝化细菌和水生观赏植物两组实验来处理淡水水族箱水质，实验证明硝化细菌处理效果显著高于植物的自身净化能力。吴桂玲[21]、张连水等人制备的复合微生态制剂中菌加入了硝化细菌，并有良好的效果。
2.3 反硝化细菌
反硝化细菌是指一种可以将硝基氮还原为气态氮（N2）的细菌群，大部分反硝化细菌为异养、兼性厌氧细菌，它利用水体中的有机物作为碳源，将硝基氮转化成氮气。反硝化细菌克服光合细菌对亚硝态氮转化率比较低和芽孢杆菌对氨氮转化率比较低的缺点，它被认为是降低养殖水体中硝基氮和氨氮含量的最有效的微生物，在水产养殖中有着非常广泛的应用。
如今，学者们对反硝化细菌的研究热点集中在自养反硝化细菌和好氧反硝化细菌两类菌株上。自养反硝化细菌给微生态制剂处理污水带来了一个新的视角，它的优势在于：第一，菌株自身利用无机碳源来获取能力，而CO2等在污水中往往为过量的“废品”，这样大大节省了开支；第二，自养反硝化细菌产生的污泥极少，可以理解为它只“工作”不“生活”。好氧反硝化细菌的优势在于，其生活在不断充氧的池塘环境中同样可以进行脱氮作用，这一特点大大解决了池塘水质处理上的一个瓶颈。
2.4 光合细菌
光合细菌是地球上最早的能够进行光合作用的生物，也是现在世界上应用最为广泛，使用量最大的一种微生态制剂菌株。常用在水产养殖方面的光合细菌一般属于红螺菌科。
在不同的条件下，光合细菌具有脱氮、固氮、固碳、硫化物、氧化物等多种功能，氮化物、碳化物等在光合作用中为光合细菌提供能源和氢离子。与此同时降解和清除水体中的过量有机物和多种有害物质，降低水体富营养化，提高水中的溶解氧含量，从而达到净化水质、改善水产动物的生长环境的效果。除此之外，光合细菌中含有丰富的蛋白质和维生素，具有很高的营养价值，所以用光合细菌作为饵料的添加剂在防范治疗鱼病、促进鱼类生长、提高鱼类孵化率等各个方面均有着良好的表现。
付保荣[22]等设置了光合细菌对鲤鱼池塘的处理实验，实验结果显示光合细菌不仅能够有效地去除水体中的有机物、氨化物，增加溶氧量，稳定pH值，而且还能控制藻类的比例，抑制弧菌属、气单胞菌属等致病菌的生长。罗勇胜[23]等人则设置了光合细菌和芽孢杆菌的协同实验，结果表明两菌均有协同性，混合菌降解COD的能力比单一菌高出将近20%，光合细菌又将成为复合微生态制剂中一剂良药。
3 微生态制剂存在问题及发展趋势
3.1 存在问题
现在，微生态制剂领域最为显著也最为棘手的问题是确定的可用做制剂制作的菌株种类很少，现有的菌种很多也是由国外引进进而反复扩增的，需要大量地开发新菌种。
微生态制剂为活菌制剂，在实际应用中首先要面临的问题就是保存和使用期间发挥作用的时间。现在所采用的方式大都为真空包装保存或者是低温保存，但是当面临大批量的产品长时间保存的状况时，现有的保存方式都不能达到理想的效果。微生态制剂在使用过程中也大都有作用时间短的问题。寻找探索一种既能保存菌株活性又不影响菌株特性发挥的高效材料是现在学者们研究的热点。
微生态制剂在使用过程中面临的另外一个比较严重的问题就是非常容易受到外界环境的影响，例如，高温、强酸强碱、抗生素等。抗生素影响的主要原因是现在的部分生产者和大多的使用者同时使用了抗生素和微生态制剂，或者是使用者在使用过程中间替使用了抗生素和微生态制剂。
针对于复合微生态制剂来说，主要的问题是：所应用菌株之间的作用机理不够明确，混合制剂中菌株的最佳配比无法确定，混合菌株的共有环境不能够很好地完善。
除菌剂本身存在问题外，社会监管同样存在问题，现在监管部门并没有系统的、规范的、统一的质量标准。
3.2 发展趋势
根据现在学者们研究的热点和难点，预计了未来几十年内微生态制剂的发展方向及用到的技术。
3.2.1 新菌株 从自然环境中或者利用其他的方法得到能够适用于微生态制剂的未开发的菌株。
3.2.2 专一制剂 对某一应用中出现的问题研制出针对性的制剂，使得作用效果更加专一，更加有效。
3.2.3 工程菌制剂 结合分子生物学和基因工程有效地改造现有菌株，或者结合现有菌株的高效特性，使菌株更好地发挥有益作用。构建易保存、稳定性强的优良菌株。
3.2.4 高效复合微生态制剂 单一菌株的效果往往是不具有综合性的，将多种功能的菌株进行混合培养，找到具有最佳配比关系的复合制剂将具有更加广阔的适用范围。
参考文献：
[1]
Lilley D M，Stillwell R H.Probiotics growth promoting factors produced by microorganisms[J].Science，1965，147：747-748
[2] 刘秀梅，聂俊华，王庆仁.多种微生物复合的微生态制剂研究进展[J].中国生态农业学报，2002，10（4）：80-83
[3] Parker R B.Probiotics，the other half of the antibiotics story[J].Animal Nutrition Health，1974，29：4-8
[4] 杨静利，张莉.微生态制剂研究进展[J].沧州师范学院学报，2012，28（1）：53-56
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