酵母培养物与瘤胃功能的发挥梁老师

酵母培养物与瘤胃功能发挥,农业微生物学国家重点实验室华中农业大学生命科学技术学院梁运祥,燃烧的柴产出的热,吃进去的是草挤出的是奶,牛能吃草，源自瘤胃,猪消化系统,动物的消化系统相对容积,动物对饲料的消化,（一）物理性消化物理性消化的方式牙齿的切（撕）碎肌胃收缩的切搓（添加沙石）消化道管壁肌肉运动的磨烂、压扁物理性消化的作用改变饲料粒度，提高在消化道的外流速度形成多水的食糜，有利于化学和微生物的消化通过消化道管壁肌肉运动，将食糜送入下一个部位,动物对饲料的消化,（二）动物对饲料的化学性消化动物对饲料的化学性消化主要是酶的消化，酶的消化是高等动物的主要消化方式。原生动物酶的消化主要是细胞内消化；随着动物的进化，逐渐分化为细胞外消化。细胞外消化的动物，消化道发生分化，口腔和肌胃以物理消化为主，嗉囊用来贮存食物，真胃和小肠分泌消化液进行酶的消化，小肠主要用来吸收。,（二）动物对饲料的化学性消化,碳水化合物的消化淀粉乳糖蔗糖神经性刺激食糜进入十二指肠pH下降AA、脂肪酸唾液淀粉酶胰泌素胰酶素NaHCO3胰酶胰淀粉酶复合刺激-糊精麦芽糖麦芽三糖小肠粘膜糊精酶（麦芽糖酶a）乳糖酶蔗糖酶刷壮缘表面麦芽糖酶（IIIII）麦芽糖酶IIb葡萄糖葡萄糖葡萄糖半乳糖果糖,（二）动物对饲料的化学性消化,蛋白质的消化（循序快速进行）蛋白质神经刺激蛋白质消化产物胃酸食糜G细胞胃泌素胃液蛋白质变性胃胃扩张胆碱能神经神经放射胃蛋白酶（芳香族氨基酸苯丙、酪氨酸氨基端）胃蛋白酶原胰蛋白酶盐酸、胃蛋白酶（碱性氨基酸组、赖氨酸羧基端）多肽外切酶氨肽酶小肠肠腔（小肠液）羧肽酶氨基酸小肽黏膜刷壮缘小肠黏膜寡肽酶寡肽氨基酸吸收吸收吸收门静脉,（二）动物对饲料的化学性消化,脂肪的消化甘油三酯胰脂肪酶甘油一酯磷脂乳化颗粒小乳化颗粒脂肪酸固醇及其酯甘油二酯胆盐氨基酸胰酶素胆碱脂肪酸（胆囊收缩素）胆囊胆盐微胶粒V.胆固醇、磷脂胆汁甘油一酯脂肪酸肝上皮细胞内吸收运转,瘤胃及瘤胃发酵,瘤胃微生物瘤胃环境饲料在瘤胃中的降解过程瘤胃发酵的特点,瘤胃微生物,瘤胃细菌:200多种,l09-l011个m1;占45%左右瘤胃产甲烷菌:古细菌,占瘤胃微生物053瘤胃原虫:便毛虫和纤毛虫，含量为104106个m1，25个属微生物厌氧真菌:游动孢子数为103105个m1，6个属;占8%噬菌体:微粒密度达l010个ml,瘤胃细菌,一纤维降解细菌1.瘤胃球菌(Ruminococcusspecies)黄化瘤胃球菌（R.flavefaciens）白色瘤胃球菌（R.albus）2.产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobactersuccinogenes)3溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibriofibrisolvens）4.梭菌属（Clostridiumspecies）纤维降解梭菌，如C.cellobioparum,C.longisporum、C.lochheadii、C.aerotolerans和C.chartatabidum；产气荚膜梭菌（C.perfingens）和丁酸梭菌(C.butyricum),瘤胃细菌,纤维分解菌的特点是：(1)对瘤胃PH最为敏感，PH6.47.0最佳，PH6.2受影响，PH6.0完全停止；(2)纤维分解菌为严格厌养菌；(3)纤维分解菌以主要氮源为饲料在瘤胃降解所产生的氨，但支链脂肪酸如异丁酸、异戊酸对生长速度也很重要。也即纤维分解菌不能完全靠NPN作为其唯一的氮源，必须在日粮中有一定的蛋白质或供给足够的支链脂肪酸才能达到其最大生长速度；(4)纤维分解菌对脂肪较为敏感，添加后会使采食量和消化率下降。这可能是脂肪在纤维表面形成了一层薄膜阻碍了微生物的作用。有的人认为，脂肪对微生物是有毒的。脂肪通过保护处理，如皂化，可消除这一影响。,二淀粉降解菌一些纤维降解菌，如Clostridiumlochheadii、产琥珀酸丝状拟杆菌的一些菌株以及溶纤维丁酸弧菌的大多数菌株，可以降解淀粉。能降解淀粉的非纤维降解菌:1牛链球菌(Streptococcusbovis)2.嗜淀粉瘤胃杆菌（Ruminobacteramylophilus）3.普雷沃氏菌(Prevotellaspecies)短普雷沃氏菌（Prevotellabrevis）、布氏普雷沃氏菌（Prevotellabryantii）和Prevotellaalbensis。4溶淀粉琥珀酸单胞菌（Succinimonasamylolytica）5反刍兽新月形单胞菌（Selenomonasruminantium）6双歧杆菌（Bifidobacteriumspecies）瘤胃双歧杆菌B.ruminale,B.merycicum,B.ruminantium,伪长双歧杆菌B.pseudolongum，,瘤胃细菌,瘤胃细菌,淀粉分解菌的特点是：对PH敏感性低，PH5.67.0对淀粉消化速度没有什么影响，对VFA比例的影响也不大；有充足氨存在，细菌便迅速繁殖；瘤胃中能利用乳酸的细菌并不多，但若乳酸超出瘤胃的缓冲能力时，此类菌就会占优势。牛粪链球菌缓慢生长，其代谢产物是乙酸盐和乙醇，但若是快速生长则产生乳酸盐。有的种类细菌能够利用糊精、麦芽糖，但有的不能利用大多数单糖和双糖，有的不能直接引发淀粉发酵；从纤维性日粮转变成淀粉或蔗糖日粮，会发生瘤胃酸中毒（PH5.0）.这主要是将乳酸转变成乙戊酸所需微生物种群或浓度不够，或繁殖速度较慢，且随PH下降越来越受到抑制；淀粉在瘤胃的消化速度取决于淀粉类型及其加工方法和温度。如大麦比玉米快,烤玉米比碎玉米发酵更迅速。,瘤胃细菌,三半纤维素降解菌所有纤维降解菌都具有降解半纤维素的能力。能降解木聚糖的有：真细菌（Eubacterium）、栖瘤胃普雷沃氏菌、溶纤维丁酸弧菌、黄化瘤胃球菌和白色瘤胃球菌。能降解淀粉的有：多毛毛螺菌、螺旋体、栖瘤胃普雷沃氏菌、溶纤维丁酸弧菌、溶糊精琥珀酸弧菌等。1多毛毛螺菌（Lachospiramultipara）(multiparus)2螺旋体(Spirochaetes)密螺旋体（Treponemaspp.）布氏密螺旋体（Treponemabryantii）糖密螺旋体（T.saccharophilum）3溶糊精琥珀酸弧菌(Succinivibriodextinosolvens)4.真细菌（Eubacteriumspecies）反刍兽真细菌（E.ruminantium）溶纤维真细菌（E.cellulosolvens）。,四蛋白降解细菌除了主要的纤维降解菌外，大多数瘤胃细菌都具有某些蛋白酶活性。研究最多的是嗜淀粉瘤胃杆菌（R.amylophilus），溶纤维丁酸弧菌（B.fibrisolvens）和栖瘤胃普雷沃氏菌（P.ruminicola）。嗜淀粉瘤胃杆菌是目前已知的蛋白降解活性最高的菌株之一.Clostridium、Fusobacterium、Eubacterium,Lachnospira,Selenomonas和Succinivibrio等属的一些菌株也具有蛋白降解活性。过去的研究主要集中于革兰氏阳性蛋白降解球菌，但是近年Attwood和Reilly(1995)发现，牛链球菌也具有高活性的蛋白降解酶。,瘤胃细菌,瘤胃细菌,五脂肪降解菌目前能降解脂肪的瘤胃细菌只有脂解厌氧弧杆菌（Anaerovibriolipolytica）。该菌细胞呈弯曲的弧杆状，长1.5m4.0m，直径0.3m0.5m。单个、成对存在，偶尔聚集成团块。两端生有单一鞭毛，能游动，是严格厌氧型革兰氏阴性菌。脂解厌氧弧杆菌在瘤胃中的主要作用在于脂肪的分解和乳酸的利用。该菌生长必需一些氨基酸、叶酸、泛酸盐及盐酸维生素B6(pyridoxalHCl)，还可利用果糖、三酰甘油酯和磷脂。该菌发酵产物随发酵底物而异：发酵甘油时主要产物为丙酸和琥珀酸，还有少量H2和乳酸；发酵核糖和果糖时产生乙酸、丙酸和CO2，及少量的琥珀酸、H2和乳酸；D型和L型乳酸被发酵主要产生乙酸、丙酸和CO2，及少量的琥珀酸和H2。,瘤胃细菌,六酸利用菌1乳酸利用菌可利用乳酸的细菌有：反刍兽新月型单胞菌、埃氏巨球型菌、脂解厌氧弧杆菌和向碱性韦荣氏球菌。1.1埃氏巨球型菌(Megasphaeraelsdenii)1.2向碱性韦荣氏球菌（Veillonellaalcalescens）1.3Propionibacteriumacens1.4梭杆菌属（Fusobacterium）2.产琥珀酸弧菌（Vibriosuccinogenes）3其它的酸利用菌SucciniclasticumruminisOxalobacterformigenes,七乳酸产生菌乳酸是瘤胃中重要的中间产物，它可由很多细菌产生，但目前一般认为瘤胃中产乳酸较多的是牛链球菌和乳酸杆菌（Lactobacillusspecies），还有Mitsuokellamultiacidus1乳酸杆菌（Lactobacillusspecies）嗜酸乳酸杆菌（L.acidophilus）、干酪乳酸杆菌(L.casei)、发酵乳酸杆菌(L.fermentum)、胚芽乳酸杆菌(L.plantarum)、布氏乳酸杆菌(L.buchneri)、短乳酸杆菌(L.brevis)、L.cellobiosus、L.helveticus、L.salivarius等。瘤胃乳酸杆菌（L.ruminis）和小牛乳酸杆菌(L.vitulinus)。2Mitsuokellamultiacidus,瘤胃细菌,八其它瘤胃细菌1.脱硫弧菌（Desulfovibrio）2.瘤胃脱硫肠状菌（Desulfotomaculumruminis）3.（Oscillspiraguillermondii）4.消化链球菌属（Peptostreptococcousspecies）,瘤胃细菌,产甲烷菌过去一直被误认为是细菌（又俗称真细菌,Eubacteria），但16SrRNA序列分析发现产甲烷菌是完全不同于细菌、系统进化独特的一类微生物古菌或古细菌（Archaea，或俗称archaebacteria）甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）、甲烷细菌属（Methanobacterium）、甲烷微菌属（Methanomicrobium）和（Methanosarcina）活动甲烷微菌（Methanomicrobiummobile）反刍兽甲烷短杆菌（Methanobrevibacterruminantium）甲烷细菌（Methanobacteriumformicicum）（Methanobacteriumformicicum）（Methanosarcinabarkeri）,瘤胃产甲烷菌（Rumenmethanogens）,产甲烷菌的底物及其发酵反应方程式,4H2+CO2CH4+2H2O4HCO2HCH4+3CO2+2H2O4CH3OH3CH4+CO2+2H2OCH3OH+H2CH4+H2O4CH3NH2Cl+2H2O3CH4+CO2+4NH4Cl2(CH3)2NHCl+2H2O3CH4+CO2+4NH4Cl4(CH3)3NHCl+6H2O9CH4+3CO2+4NH4ClCH3CO2HCH4+CO2,瘤胃原虫,瘤胃中除了细菌外，还存在很多个体较大的微生物。这些大生物过去都被认为是原虫。但后来发现有些卵形体是大细菌，有部分带鞭毛的微生物是瘤胃真菌。瘤胃中确实存在带鞭毛的原虫，称瘤胃原虫鞭毛虫（flagellateprotozoa,简称flagellates）。瘤胃中个体最大、数量最多、最重要的原虫是纤毛虫(ciliateprotozoa,简称cilliates)。在反刍动物的瘤胃内还栖息着五种瘤胃鞭毛虫，虽然种的数目很少，但它们的密度是比较高的，虫体很小，其长度只有415m,瘤胃纤毛虫,瘤胃鞭毛虫,瘤胃原虫,分离速度慢:1224小时主要依靠吞食细菌获得蛋白质1%细菌/h维持瘤胃稳定:吞食淀粉颗粒,吸收可溶性糖与瘤胃细菌协同提高纤维素分解,瘤胃厌氧真菌,酵母和一些好氧真菌也能在厌氧条件下存活，从瘤胃中也能分离到这些真菌，但这些真菌是经日粮带入瘤胃的过路菌，因此在瘤胃中不起作用。在相当长的一段时间内，微生物学家一直认为，真菌是好氧微生物，自然界不存在严格厌氧的真菌。由此，人们一直将Liebetanz(1910)和Braune(1913)在20世纪初发现的瘤胃中具有单鞭毛的游动孢子认为是瘤胃鞭毛原虫，并将这三类游动孢子分别命名为Sphaeromonascommunis、Callimastixfrontalis和Piromonascommunis。直到1975年，Orpin根据其在绵羊瘤胃内发现的游动孢子的细胞壁含有几丁质，并且有活动阶段（孢子）和非活动阶段（营养体），首次证实这种带鞭毛的游动孢子为严格厌氧的真菌，而且证实这种菌的游动孢子与Braune(1913)描述的Callimastixfrontalis相似，因此用同名命名该真菌。,瘤胃厌氧真菌,牛瘤胃消化道各部位厌氧真菌菌体形成单位总数(粪样中真菌为每克干重的菌体形成单位数,Davies等，1993）,瘤胃特征,瘤不同年龄各胃体积比例（）胃动物年龄网胃瘤胃瓣胃真胃发牛初生-38-1349育3个月-54-1432成年-84-124初生824860绵羊3个月1161622成年1162522初生623565白尾鹿3个月871417成年67481初生时：真胃瘤胃成年：瘤胃为是真胃的10倍,瘤胃特征,Lyford（1988）：瘤胃内容物体积成年牛56.9L水牛59.6L16月龄绵羊3.96L29月龄绵羊4.80L,水：85-90%,原虫：105-106/ml,细菌：109-1010/ml,10-15%,产甲烷菌,真菌：8%,瘤胃特征,1。瘤胃温度：3841，平均为39体温38.5影响因素：饲料种类、饮水温度2。瘤胃渗透压：260340mOsm/L，平均为280mOsm/L。影响因素：采食、饮水、精粗比、添加剂3。氧化还原电位：-250-450mV，平均为-350mV影响因素：空气4。瘤胃PH：可为57.5，正常值为67纤维分解菌的最适pH为6.47.0PH6.2活性降低PH6.0完全停止纤维分解菌生长原虫只有极少数能存活同时采食量下降。,瘤胃微生物对饲料的降解附着共生群落的形成降解,瘤胃细菌降解饲料颗粒模式,细菌（A）附着于饲料颗粒表面（B），细菌不断增殖（C）逐渐侵蚀饲料颗粒，降解释放出的产物吸引更多的细菌（D），随后部分细菌离开底物进入瘤胃液系（E），结合于底物的其它细菌流入后消化道（F）。（自Cheng和McAllister,1997）,瘤胃真菌丰富的假根附着饲料颗粒(Theodorou个人交流),假根穿透植物细胞壁(Theodorou等1996）,(a)(b)Glu14Glu14Glu14Glu14Glu14Glu14Glu14Glu1(c)(d)Glu14Glu14Glu14GluGlu14Glu纤维素降解过程中的酶。Glu为葡萄糖分子；（a）外切1,4葡聚糖酶；（b）内切1,4葡聚糖酶；（c）纤维糊精酶；（d）1,4葡萄糖苷酶,X：木糖；Af：阿拉伯呋喃糖；Fer：阿魏酸；Ac：乙酰基；mGu：甲基葡萄糖醛酸；Lignin:木质素。(1)木聚糖内切酶；(2)木糖苷酶；(3)阿拉伯呋喃糖苷酶；(4)阿魏酸酯酶；(5)乙酰木聚糖酯酶；(6)-葡萄糖苷酶；,木聚糖的降解,细菌或真菌的纤维体结构,Man，甘露聚糖酶；Xyn，木聚糖酶；CBH，纤维二糖水解酶；EG，内切葡聚糖酶；AXE，乙酰木聚糖酯酶；Ar，阿拉伯糖呋喃糖苷酶。Cohesiondomain，黏附结构域；Docherindomain，坞结构域；CBD，纤维素结合结构域；Catalyticdomain，催化结构域；Linker，连接体。（Forsberg等,2000）,各种酶催化结构域作用于植物细胞壁，纤维体的另一端与细菌或真菌细胞表面结合。,纤维素淀粉纤维二糖麦芽糖异麦芽糖1磷酸葡萄糖葡萄糖蔗糖果胶糖醛酸6磷酸葡萄糖6磷酸果糖果糖果聚糖半纤维素戊糖戊聚糖1,6磷酸果糖丙酮酸多糖降解产生丙酮酸（McDonald等，2002）,丙酮酸乙酰辅酶A草酰乙酸乳酸乙酸乙酰辅酶A甲酸苹果酸丙烯酸CO2H2琥珀酸丁酰辅酶A琥珀酰辅酶A丙酰辅酶A丁酸乙酸甲烷丙酸瘤胃中碳水化合物代谢主要途径（VanSoest,1994）,纤维素CO2产琥珀酸丝状杆菌纤维糊精琥珀酸反刍兽新月型单胞菌乙酸丙酸甲酸乙酸CO2产琥珀酸丝状杆菌和反刍兽新月型单胞菌的发酵关系,葡萄糖NADFdoxH2CO2NADHFdredH+CH4丙酮酸CoASHCO2Fdox乙酰辅酶A乙酸NADH辅酶ANAD乙醇单独培养条件下，白色瘤胃球菌发酵葡萄糖生成乙酸、乙醇、H2和CO2，在与产甲烷菌共存养时，NADH被用于还原质子生成H2，最终产物为乙酸和甲烷(Fd,铁氧还原蛋白).,淀粉和糖分的转移氢的转移缓冲作用降低乳酸产生提供生长因子稳定瘤胃pH提高纤维降解菌数及其活性提高微生物蛋白提高粗纤维消化速度降低甲烷产生提高养分吸收酵母菌在瘤胃中的可能作用模式（McDonald等，2002）,亚油酸（顺9顺12）异构化（A组和B组细菌）共轭三烯酸（顺9反11顺15）亚油酸（顺9反11）氢化（A组和B组细菌）异构（A组菌）十八碳二烯酸共轭亚油酸（顺9反11）氢化（B组菌）氢化（A组菌）氢化（A组菌）十八碳一烯酸（反15和顺15）十八碳一烯酸（反11）十八碳一烯（反11）酸氢化（B组菌）不能继续氢化硬脂酸硬脂酸亚麻酸和亚油酸氢化途径（A组和B组菌分别指表1的氢化细菌）（Harfoot和Hazlewood，1997）,植物细胞壁多糖葡萄糖木糖阿拉伯糖甲酸CO2H2琥珀酸乙酸乙醇VFAVFA甲烷丙酸乙酸瘤胃真菌发酵产物的再利用产物被利用产生甲烷、丙酸和乙酸,蛋白质和碳水化合物在瘤胃中降解及微生物蛋白合成,饲料蛋白质碳水化合物（纤维素、半纤维素、淀粉等）微生物多肽ADP发酵热（6-7%）肽氨基酸ATP甲烷（7-15%）嗳气酮酸+氨氨（瘤胃肝循环）未降解蛋白质微生物蛋白VFA吸收和碳水化合物分解（乙酸、丙酸、丁酸）瘤胃皱胃消化酶VFA吸收小肠氨基酸吸收氨基酸+葡萄糖吸收粪（未消化蛋白质、碳水化合物、代谢粪蛋白质等）,营养物质的代谢,蛋白质葡萄糖糖原脂肪VFA（乙酸、丁酸、丙酸）葡萄糖-6-磷酸丙氨酸、丝氨酸磷酸二羟丙酮甘油脂肪酸NADP5-磷酸戊糖甘氨酸、半胱氨酸羟辅氨酸丙酮酸乙酰CoANADPH6-磷酸葡萄糖苏氨酸、色氨酸-CO2赖氨酸+CO2乙酰乙酰CoA天冬酰胺天冬氨酸草酰乙酸-羟-甲基戊二酸单酰CoA苯丙氨酸、酪氨酸延胡索酸柠檬酸胆固醇蛋氨酸、缬氨酸异亮氨酸琥珀酰CoA琥珀酸酮体组氨酸、辅氨酸胆汁酸固醇类激素精氨酸、谷氨酰氨谷氨酸-酮戊二酸瓜氨酸、鸟氨酸（乙酰乙酸、-羟丁酸、丙酮）亮氨酸,维持正常瘤胃功能的重要性,正常的健康的瘤胃给乳牛提供5080蛋白质需要；80以上的能量需要。正常的健康的瘤胃是保证较高产乳效率的基础。瘤胃功能正常，则日粮消化率高；奶牛采食量也高，产奶量增高。维持正常瘤胃功能是日粮营养平衡技术的重要调控内容。,酵母培养物,酵母培养物是指在特定工艺条件控制下由酵母菌在特定的培养基上经过好氧与厌氧发酵后形成的微生态制品,它主要由酵母细胞外代谢产物、经过发酵后变异的培养基和少量已无活性的酵母细胞所构成。,酵母培养物作用,大量的科学研究和应用实践已经表明，酵母培养物中的发酵代谢产物能够有效地促进反刍动物瘤胃内以及其它种类动物大小肠道内的微生物菌群的生长。这种促生长作用不取决于该产品中酵母细胞本身的活性，而主