畜禽健康养殖中抗生素应用及其替代品研究进展

顾 芳 胡 平 蔡德敏 刘好雨

(扬州大学动物科学与技术学院,扬州 225009)

抗生素是由细菌、霉菌或其他微生物所产生的代谢产物或人工合成物,能通过影响细菌的正常生命活动,起到抑菌或杀菌作用[1]。抗生素的主要作用机制分为4种:1)通过阻碍细菌细胞壁的正常合成功能,导致细菌细胞壁破裂死亡,如β-内酰胺类、糖肽类抗生素;2)通过影响细菌核糖体功能,阻碍细菌蛋白质正常合成过程,如氨基糖苷类、四环素类以及大环内酯类抗生素;3)通过抑制细菌内DNA解旋酶、聚合酶的作用,以阻碍细菌核酸的正常合成,如喹诺酮类抗生素;4)通过增加细菌细胞膜通透性,造成细菌内容物渗出,如多烯类抗生素[2]。从弗莱明发现青霉素以来,抗生素因其经济、高效的特点被广泛用于治疗感染性疾病,推动了现代医学的发展[3]。与此同时,兽用抗生素在养殖业中的应用也在飞速扩展,有效地起到了防治动物疾病以及促进生长的作用,加速了畜牧业规模化的进程[4]。

目前,全球养殖业中,由抗生素滥用导致的细菌耐药性和药物残留等公共安全问题日益突出,严重影响人类健康安全,阻碍畜牧业的发展。我国农业农村部从2017年至今,逐步落实对养殖业上中下游市场的监管[5-6],并持续推进抗生素替代品的研发项目,做到全面提升我国现代养殖业水平,保障人民的食品卫生安全。因此,本文旨在总结抗生素滥用对公共健康安全以及畜牧行业发展造成的影响,介绍国内外减抗、禁抗的行动及其成果,以及抗生素替代品的研究进展,以期为畜禽健康养殖中替抗产品的应用提供参考。

1 滥用抗生素带来的健康卫生挑战

抗生素在人类医疗以及畜禽养殖的发展过程中,都发挥了积极地预防和治疗的作用。但在实际的应用过程中,由于长期滥用抗生素,导致人类以及动物机体内耐药菌的问题日益凸显,不仅增加了疾病的治疗难度,同时畜禽产品中的药物残留问题也严重影响食品安全。此外,在动物体内形成的耐药菌,以及动物产品中蓄积的抗生素通过生物链的关联作用,最终在养殖、环境和医疗等领域形成耐药基因全面传播的局面,危害人类的公共卫生。

1.1 动物源细菌耐药性的问题

据报道,全国一半以上的抗生素被应用于畜禽养殖业[7]。Yang等[8]对1970—2019年采集的总共982份动物源大肠杆菌样本进行全基因组测序分析,发现每一株大肠杆菌中与氟苯尼考、诺氟沙星、黏菌素、头孢菌素和美罗培南相关的抗生素耐药基因数量增加了1倍。随着畜禽生产中抗生素耐药基因库的快速扩展,或将导致人医、兽医临床面临无药可用的处境。在动物源耐药基因的传播方面,Shen等[9]于2018年发现了可转移黏菌素耐药性-1(MCR-1)基因在健康人群肠道内的高流行率和人类食用的畜产品数量存在着相关性,该研究的发现表明了畜禽养殖端积累的耐药基因会在动物食品、生态环境和临床治疗等多个领域传播,给公共卫生安全带来了极大的隐患。基于如此快速的耐药基因出现频率和广泛的传播途径,研究人员要重点关注养殖中人兽共用抗菌药的使用情况,以减缓耐药基因出现的速率,将细菌耐药基因出现的速度控制在合理的范围中。

1.2 畜禽产品中兽药残留的问题

兽药残留指动物体用药后,蓄积在肉蛋奶等产品中的兽药原型及其代谢产物[10]。我国基于不同药物在机体内的清除途径和半衰期,制定了严格的休药期管理规定,以期保护终端消费者的食用安全。但近年来,在养殖中不遵守休药期规定的违法现象频出,导致动物机体无法充分清除体内抗生素,进而出现肉蛋奶中抗生素残留等问题,严重危害消费者的食品健康[11]。

长期食用含有抗生素残留的食品,会增加人体慢性中毒、肥胖等健康问题的几率[11]。食品药物残留对人体的危害体现在2个方面:其一,食品中残留抗生素引起人体过敏和慢性中毒。抗生素作为外来抗原进入人体,会引发机体内免疫反应,导致部分个体产生过敏反应,轻者出现发热、瘙痒及皮肤红肿等症状,重者则会发生过敏性休克[12]。慢性中毒也是食用含有残留药物产品后,机体最常出现的健康问题。尽管一般动物产品药物残留浓度通常较低,但长期摄入也会诱发中毒,导致人类机体器官发生癌变,给机体带来损害[13]。其二,影响人体肠道菌群稳态。肠道是机体消化吸收营养物质最主要的场所,肠道微生物在维持机体健康中起着重要的作用[14]。动物产品中残留的抗生素进入人体后,通过4种抗生素作用机制,造成机体内正常菌群的失调。有研究表明,抗生素在短期和长期的处理过程中,均会改变机体内肠道菌群的α和β多样性,增加菌群中对该种抗生素耐药基因的丰度[15-16]。此外,人体通过各种途径接触到的抗生素,在压力选择下致使机体产生耐药细菌,会影响宿主先天以及适应性免疫的相关代谢通路,加剧机体在病理情况下的炎症反应[17],给人类治疗细菌性感染疾病带来不小的挑战。

1.3 抗生素暴露诱导肥胖的问题

近年来有多篇研究报道,抗生素在人类医疗上不规范的应用和诱导人类肥胖间具有高度的关联性[18-19],类似于畜禽生产上,低剂量促生长类抗生素发挥的促进动物生长增重的作用。从抗生素影响肠道菌群,导致体重增加这一出发点,探究“抗生素-肠道菌群-肥胖”之间的联系,有研究表明,机体在生命早期接触到抗生素刺激后,其肠道中菌群组成随即发生改变,虽然停用后菌群组成逐渐恢复正常,但后期仍然会出现体重过度增长的趋势[20]。并且,通过对比肥胖者和瘦弱者肠道的菌群组成发现,肥胖人群的肠道微生物的多样性较低[21],但拟杆菌门的丰度较瘦弱者高[22]。此外,Wang等[23]研究表明,在摄入含有抗生素残留的食物或水后,学龄儿童患超重和肥胖的机率增加。因此,通过抗生素给药以及摄入食品中残留的抗生素,均会带来持续增重的风险,这为抗生素暴露与体重增加之间的关联提供了依据。基于上述发现,科研人员可以通过在大动物上构建肥胖模型,明确相关与肥胖导致的代谢疾病发病机理,验证和优化治疗方案的有效性,确保新疗法在人体中的安全[24]。Rodríguez等[25]在2020年发表了1篇通过使用高脂饮食构建肥胖猪模型的文章,成功揭示了在肥胖状态下人体肾脏疾病的发病机制;该猪模型的成功构建和应用,使得试验能在动物体内寻找到解决人类肾脏疾病的治疗方案,为人类肥胖治疗以及多种肥胖并发症、炎症的治疗提供了新理论和新方向。

2 兽药残留影响畜牧业健康发展

随着全球贸易自由化进程的不断推进,畜产品贸易作为其中重要组成部分,其质量安全问题也成为全球化贸易中关注的焦点。由于欧盟、北美等发达国家在贸易全球化中搭建的壁垒,以及其拥有由技术变革带来的运输和信息等自然壁垒,使得全球化中的发展中国家在农产品贸易竞争中处于劣势,只能降低产品价格来进行贸易[26]。同时,畜牧业发展相对滞后的国家,由于其国内的畜产品检疫检验水平较低,获取农兽药残留监测范围信息滞后,以及农业对农药使用规范意识薄弱等原因,都阻碍了发展中国家在国际农产品贸易中的发展。为此,我国需要优化农产品的质量和组成结构,强化企业合理使用药物的意识[27]。

我国于2016年起积极落实促生长类抗生素禁用的政策,加大对生态型养殖环境整改力度,以提升农产品质量水平,与此同时养殖行业也自主地进行结构调整。第一,受到饲料原料价格持续走高,养殖环境整改等因素的影响,部分小规模的养殖户逐渐退出养殖行业,畜牧业的组成占比会有一定的变化[28];第二,为了满足无抗养殖所需要的高标准的环境条件,养殖者们会投资大量的资金,去改善农场卫生和提升兽医的服务质量[29],促进养殖业配套的新型养殖设备行业发展,并加强养殖场和兽医的联系;第三,在禁抗政策实施的过程中,畜牧业生产对于抗生素替代品的需求激增,促使养殖中生物制品的相关企业将更多的精力投入生产替抗产品的研发中,提高研发替抗产品企业的市场份额,推动畜禽行业朝着健康方向发展[30]。

3 国内外养殖中抗生素的使用现状

3.1 国外兽用抗生素的减量化措施

全球畜禽养殖业的禁抗、减抗历程始于20世纪的欧盟,后逐步扩大到北美以及亚太地区。瑞典于1986年率先开始禁抗[31],其后欧洲各国也相继颁布“禁抗令”,以遏制养殖业中由抗生素滥用带来的危害[32]。丹麦从20世纪80年代开始,对畜禽的健康养殖模式进行了积极地探索,根据丹麦综合抗菌素耐药性监测和研究计划(Danish Integrated Antimicrobial Resistance Monitoring and Research Program,DANMAP)从1996年收集的抗生素使用情况来看(图1),受禁抗措施影响,丹麦养殖业中促生长类抗生素的使用量在2000年归零,标志着促生长类抗生素的全面退出,但此后治疗类抗生素使用量逐年攀升。为了进一步规范兽用抗生素的使用,丹麦于2010年制定“黄牌”计划,监督丹麦养猪生产中抗生素使用量最高的消费群体,以减少抗生素的消耗量,2013年上调兽用抗生素的税率,并于2016年进一步规定细则,以强化对猪场中抗生素使用的监管[33]。根据Lopes等[34]的调查报告数据显示,在2010年“黄牌”计划以及2013年调整的措施实施后,抗生素高消耗猪群中的抗生素消费量的下降趋势最为明显。该结果也表明,在完善的法令、有效的监管措施以及合理的禁抗过渡时间的全面保障下,养殖业中抗生素的滥用情况可以得到很好的控制[35]。

作为养猪大国,美国的肉猪生产水平以及抗生素的使用量在全球的经济贸易中占据重要地位。在面对畜牧业中抗生素滥用的问题上,美国同样采取了递减的手段。2013年,美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)发布饲料中禁用抗生素指导书,标志美国“限抗”行动的开始,其后于2017年正式宣布,停止使用人兽共用抗菌药作为抗生素促生长剂[36]。当年,美国国内的几种主要兽用抗生素的使用量就下降到历史记录的最低点,同比降幅约为33%;在其后4年间抗生素的使用量相较于2017年,基本维持在0.02%～8%的浮动区间[37]。

从欧盟的禁抗令颁布开始,欧洲各国的畜禽养殖产业,都在积极地摸索一条全新的符合本国畜禽业发展模式的道路,并在30多年的禁抗情况下,陆续完成本国的禁抗和替抗任务,有效遏制了滥用抗生素对动物和人以及环境造成危害。Tiseo等[38]对40多个国家在2017年动物抗生素的销售量进行统计,预估到2030年时,亚洲、南美洲和非洲的抗生素消耗增幅仍高于欧洲、大洋洲和北美洲近3个百分点。亚洲在2030年时仍为最大的抗生素消耗地区,亚洲畜牧业的发展在未来的几年仍将面临更严峻的抗生素使用问题。

对于养殖规模庞大但养殖基础条件不完善的我国来说,在短时间内完成减抗和禁抗任务面临着诸多挑战。因此,我国养殖业更需要在“禁抗、减抗”初期的探索阶段中,总结各国已经相对成熟的管理和卫生防疫经验,并整合、具化为适用于我国现阶段养殖业情况的措施,从而因地制宜,使已经成熟的禁抗经验转变为更强劲的助推力,促进我国畜牧业实现绿色健康养殖[39]。

根据丹麦综合抗菌素耐药性监测和研究计划(DANMAP)1996—2020年公布的《畜禽、食物、人类中耐药细菌出现以及抗菌剂的使用》的报告提供数据绘制。

3.2 我国兽用抗生素的使用现状以及出台的减抗政策

我国改革开放40年来,在养殖业集约化程度持续提高的同时,抗生素也广泛应用于生产,发挥了积极地治疗、预防畜禽疾病和促进动物生长的作用,全面保障了我国养殖业高速发展的态势。作为猪肉生产和消费大国,生猪产业的规范生产,对我国肉产品行业的安全具有重要的模范指导作用[40]。随着人民生活水平的提高,舌尖上的安全成了人们愈发关注的问题。但当下养殖业中频发的抗生素滥用、细菌耐药性等问题,使得消费者对我国畜禽养殖业能否给市场提供合格的畜禽产品产生了质疑。Wang等[41]于2017年首次发现,大肠杆菌携带了MCR-1基因,并发现该耐药基因广泛分布于肉鸡生产的全过程中,由此推测,在养殖中长期、大量作为预防、促生长用途使用的多黏菌素,或成为多黏菌素耐药基因在动物产品中存在的主要原因[42]。MCR-1基因在动物产品中相继被检测出,突破了多黏菌素作为治疗细菌感染的最后一道防线,同时也警示人们,必须要正视细菌耐药性问题所带来的严重后果。由于我国是最大的畜禽及其制品的生产国,意味着将会有更多的动物排泄物以及抗生素残留物进入环境中,极有可能构成“动物、环境、人类”相关联的耐药基因传播链,持续地诱导耐药基因形成,促使更多的耐药菌传播,危害人类的健康[43]

基于此,我国于2017、2018和2020年分别出台了禁抗、减抗的措施,以规范畜牧业中促生长类抗生素的使用。2017年6月,农业农村部发布《全国遏制动物源细菌耐药行动计划(2017—2020年)》[44],强调了我国兽用抗菌剂不规范使用的问题,计划针对促生长用抗菌药物,实施“退出行动”,并在2020年前,全面完成促生长类和人兽共用抗菌剂的清理工作。2020年农业农村部发布了饲料端全面禁抗的政策,指出到2020年12月13日,饲料生产端禁止生产含有促生长类抗生素的饲料。表1列出了我国7种主要的促生长类抗生素从2018年到2020年的使用情况[45-47]。由表可知,2019年较2018年的促生长类抗生素使用量同比减少约3%,2020年较2019年减少约35%,2020年较2018年总共减少37.11%,总体呈现逐年下降的趋势,表明我国的禁抗减抗行动计划得到充分的贯彻落实。2021年农业农村部又印发了《全国兽用抗菌药使用减量化行动方案(2021—2025年)》[4],指出要规范、谨慎使用兽用抗菌药物,高度重视目前出现的细菌耐药性问题,确保全国兽用抗菌剂的使用量保持下降趋势。随着这些针对畜禽养殖业中“禁抗、减抗”政策的持续出台,我国养殖行业滥用抗生素的现状逐步规范,这从源头上保证了动物产品和国民餐桌安全,标志着我国开始迈入禁抗减抗时代。

表1 中国食品动物用促生长类抗生素产品2018—2020年使用量

4 畜禽养殖中促生长类抗生素替代品

面对促生长类抗生素“减抗、禁抗”政策的不断落实,寻求新型的抗生素替代品对推进畜禽养殖业绿色健康发展具有重要意义。理想的促生长类抗生素替代品,需具有预防疾病和促进生长的作用,并且经过机体循环,排泄后不会污染环境,长期食用不会造成细菌耐药,不显著增加养殖成本等优点[48]。从这个角度出发,本文将对一些在养殖上具有预防疾病、促生长和提高动物机体免疫力等功能的替代品进行介绍,从而为开发绿色饲料添加剂提供参考。

4.1 益生菌——乳酸杆菌

益生菌是一类具有活性的微生物,当以一定剂量定植在宿主体内时,能给宿主的肠道健康带来益处,早在20世纪70年代就有针对益生菌的研究。益生菌因其在使用过程中呈现出的无残留、无耐药性产生以及改善机体肠道稳态、预防仔猪腹泻发生等优点[49],成为被我国农业部门认可使用的饲料添加剂。其中,乳酸杆菌属能通过刺激胃肠道中有益微生物的快速生长,提高有益菌群丰度或通过占据肠道黏膜上的结合位点,抑制致病菌的生长[50],从而达到预防疾病和促生长的作用。Zhu等[51]研究发现,预先灌服不同剂量鼠李糖乳杆菌(Lactobacillusrhamnosus)能有效预防大肠杆菌诱导的断奶仔猪腹泻。Ahmed等[52]研究表明,罗伊氏乳杆菌(Lactobacillusreuteri)在提高猪的增重、降低料重比以及提高营养物质消化吸收等方面的表现,与促生长类抗生素阿安普霉素的作用相当。在一项最新的Meta分析中评估了196项关于补充乳酸杆菌对仔猪生产性能和肠道影响的研究,揭示了乳酸杆菌作为抗生素替代品在促进仔猪生长方面的潜力[53]。基于如上的数据验证,乳酸杆菌属能较好地改善动物生长性能,提高机体免疫功能,可以作为替抗产品广泛地应用到畜禽养殖中。

目前,关于乳酸杆菌等益生菌的研究中,详细的药代动力学描述较少,导致它在肠道中发挥作用的有效剂量以及定植效应无法明确,并且在微生物添加剂的使用标准上,仍然存在些不健全的地方。由此需要进一步对益生菌的作用机理、安全性和相关使用标准进行完善[54],以更好地发挥益生菌在防治动物肠道疾病和促进动物生长发育的作用,减轻养殖过程中对于抗生素的使用程度。

4.2 益生元——菊粉

益生元是一种不易被机体消化,但可以选择性地促进肠道中细菌的生长,对宿主产生有益影响的活性物质[55]。菊粉(inulin)是益生元中较为常见的一种物质。大量的研究表明,菊粉能对猪肠道菌群有一定的调节作用。菊粉属于菊科植物提取物,基于它种植流程较容易、工业提取简便以及产品易于贮存等优势,被广泛地用作膳食纤维添加到畜禽的饲粮中使用,以发挥良好的抗氧化、抗病原菌的功能,对维持肠道健康起到了重要作用[56]。Samolińska等[57]研究发现,在育肥猪饲粮中添加2%的菊粉添加剂,可以提高育肥猪的日增重和出栏体重。王维康等[58]研究发现,在饲粮中添加2.5 g/kg的菊粉,能改善动物对饲粮中粗灰分和粗蛋白质的表观消化率,并增强仔猪的抗氧化能力。综上所述,菊粉作为一种绿色天然的膳食纤维成分,能有效维持畜禽肠道微生态平衡,增强机体的免疫力。在目前“无抗养殖”的环境下,菊粉可作为有潜力的替抗产品广泛的用于畜禽养殖生产中。

不过,菊粉在畜禽生产的应用过程中也存在一系列的问题。首先,不同植物原料中提取的菊粉营养成分差异较大,而且在畜禽饲料中具体的添加量也未明确[59]。其次,菊粉的纤维结构简单,在肠道中可以被大部分细菌所利用,无法起到靶向调节菌群的作用,实际的益生效率不高。因此,Tian等[60]提出在后续研发的过程中,可以利用特定食物成分,如将结构复杂的植物细胞壁果胶添加到仔猪饲粮中进行饲喂,增加仔猪结肠中普雷沃氏菌属(Prevotella)的丰度,定向调节肠道微生物组,进而构建一系列菌群导向性饲粮(microbiota directed feed,MDF)。

4.3 酸化剂

酸化剂是指能降低动物胃肠道pH的一类饲料添加剂,主要分为单一酸化剂和复合酸化剂[61]。单一酸化剂包括柠檬酸、乳酸、乙酸、丁酸和丙酸等;而复合酸化剂指将2种或2种以上的单一酸化剂按照一定比例配合而成。因复合酸化剂酸度大于单一酸化剂,具有添加剂量小、作用效果大等优点,成为养殖中普遍使用的添加剂种类。酸化剂可通过调控肠道中的微生物平衡,帮助耐酸的有益菌如乳酸杆菌定植,抑制病原菌、有害菌生长,激活代谢酶活性,促进动物消化机能的发挥[62]。蔡懿鑫[63]研究证实,在断奶仔猪饲料中添加2 kg/t的复合酸化剂,可以在一定程度上降低料重比和腹泻率,改善断奶仔猪肠道健康。酸化剂在现阶段的替抗研究中,都呈现正向的调节作用,且具有无抗药性、无残留和无毒副作用等优点,能较好地保证畜产品的安全。

然而,酸化剂作为抗生素替抗品,在实际加工以及养殖中的应用仍存在一定的现实问题。其一,饲粮中的酸化剂会被饲粮中的碱性物质中和,降低了酸化剂的作用效价;其二,酸化剂的使用存在释放过快的问题,抑制了胃酸的正常分泌,不利于胃功能的发挥;其三,未经预处理的酸化剂会在胃中被吸收殆尽,无法到达主要作用位点小肠,降低其pH。对于酸化剂效果不稳定等问题,可以采取改良包被形式,或者调节饲料中原料的配比,以促进酸化剂在畜禽生产中发挥更大的作用[64]。

4.4 其 他

精油是从植物材料中提取的具有芳香性和挥发性的油性液体,其中的化学成分具有一定的抗菌消炎、抗氧化作用。Tan等[65]研究发现,在妊娠母猪的饲粮中添加15 mg/kg的精油,增加了仔猪出生时和断奶时的体重,起到促进仔猪生长的作用。目前,我国的饼粕、酒糟等加工副产物年产量大,但利用率低,只停留在一级二级的开发水平上,同时对这些副产物的处理,也给农业增收造成不小损失。Li等[66]研究发现,在断奶仔猪的饲粮中补充2%和4%的发酵茅台酒糟,能降低特定病原体的丰度,提高短链脂肪酸等肠道微生物代谢物的浓度,但对于仔猪的生长性能没有明显的影响。根据我国2021年发布的抗菌药减量计划,强调将中药提取物作为替抗研究项目,支持对传统兽用中药的“二次开发”,以促进兽用中药产业的健康发展。当前的研究发现,诸如黄芪、复方中药添加剂等在合理的剂量范围内,均能提升仔猪的日增重[67-68]。

5 小 结

“禁抗、减抗、限抗”政策给养殖业带来了挑战,成为我国养殖行业从业者必须思考和解决的问题。长期低剂量使用抗生素导致人兽共用抗生素耐药基因的产生,增加环境中耐药基因转移的风险,并危害食品安全和农产品出口竞争力。在这种情况下,如何推动养殖行业从药物依赖型转向安全规范型的健康养殖模式是我们亟需探索的问题。目前,养殖业的发展态势推动了全社会对抗生素替代品的需求,如益生菌、菊粉、酸化剂等环保饲料添加剂具有良好开发前景。预计市场需求将推动抗生素替代品的研发热潮,实现无抗养殖,促进畜牧业的健康可持续发展。