복합생균제가 육계의 생산성, 혈액생화학성분과 면역지표, 소화효소 활성도, 분중 미생물 및 유해가스 발생에 미치는 영향

서 론

가축 생산성 향상과 질병예방 목적으로 사용되는 사료첨가제는 항생제를 포함한 생균제, 유기산제, 식물추출물 등이 있다(Huyghebaert et al., 2011). 항생제는 가축 생산성 측면에서 가장 긍정적인 효과에도 불구하고, 항생제 내성 문제(Huyghebaert et al., 2011)로 2011년 7월부터 국내에서 사료첨가용 항생제 사용이 금지되었다. 이와 같은 시대적 흐름에 따라 축산식품 소비자는 위생적이고 안전한 식품의 생산을 요구하며 무항생제 및 친환경축산물을 선호하고 있다. 따라서 소비자와 생산자 모두를 위해 사료첨가용 항생제를 대체할 수 있는 안전성이 확보된 물질의 연구 개발은 지속 가능한 축산업을 위해 가장 시급한 분야이다.

사료첨가제로서 항생제 사용이 금지된 이후 주목받고 있는 생균제(probiotics, direct-fed microbials)는 시대적 요구에 적합한 친환경 소재로서 국내에서 가장 선호되고 있다. 현재까지의 연구에 의하면 생균제의 작용기전과 효과는 아직 완전히 구명되지는 않았지만, 국내에서 사료첨가제 중 가장 많이 사용되고 있다. 생균제 효과는 생균제 종류, 첨가수준, 사육환경 등에 따라 다르지만(Huyghebaert et al, 2011), 소화관내 병원성 미생물로부터 숙주를 방어하는 것이다(Nurmi and Rantala, 1973). 유익 미생물이 장내에 다량 존재할 경우, Salmonella, Clostridium, E. coli 등 유해 미생물의 정착을 억제하여 독소생성 저하, 면역작용 증진 및 질병 방어작용 등과 같은 광범위한 효과를 나타낸다고 보고되었다(Fuller, 1989; Nava et al., 2005; Shang et al., 2016). 또한, 생균제를 가축에 급여하면 분에서 NH₃와 H₂S의 발생량이 현저히 감소되어 축사의 환경개선제로도 사용될 수 있다(Ko et al., 2003; O’Shea et al., 2012). 이러한 생균제의 효과에도 불구하고, 생균제를 사용한 연구에서 그 결과들은 상당한 차이를 보인다(Huyghebaert et al., 2011). 육계에 생균제를 급여한 연구에서 성장과 사료 이용성이 현저히 개선되었다는 결과들(Jin et al., 1998; Ko et al., 2003; Wang et al., 2016)과, 육계의 성장 및 사료 이용성이 개선되지 않았다는 보고들(Awad et al., 2009; Bai et al., 2013; Lee et al., 2014)이 있다.

이러한 이유로서 균주의 숙주 특이성(host specificity), 미생물 균주 종류, 사료 구성성분, 첨가방법 및 환경요인 등이 있다(Jin et al., 1998). 가장 널리 사용되는 Lactobacillus(L.)는 비아포 형성균으로 위산과 담즙에 대한 저항성 및 소장의 가수분해 효소들로부터 살아남을 수 있다(Kabir, 2009). 포자 형성균인 Bacillus(B.) subtilis는 장관 내 장착률이 높고, 유산균의 정착을 도와주어 동물의 생산성과 면역을 증가시키는 것으로 보고되었다(Gadde et al., 2017). Hosoi 등(1999)은 쥐에 B. subtilis를 급여하였을 때 분내 L. spp의 정착률을 높이고 L. murinus와 B. subtilis를 함께 체외(in vitro)에서 배양하였을 때 L. murinus의 성장이 증가한다는 결과를 보고하여 B. subtilis가 유산균의 성장에 큰 영향을 미치는 사실을 증명하였다. 이와 같은 연구결과들로 보아 단일 종류의 생균제보다는 효과가 검증된 다양한 종류의 복합생균제를 육계에게 급여할 경우, 보다 안정적인 효과는 기대할 수 있을 것으로 생각된다.

따라서 본 연구는 L. plantarum, B. subtilis 및 Saccharomyces cerevisiae 등이 함유된 복합생균제를 육계에 수준별(0%, 0.25% 및 0.5%)로 급여 시 생산성, 소화효소 활성도, 혈액 생화학성분과 면역지표, 분중의 미생물 균총과 유해가스 발생에 미치는 영향을 조사하였다.

재료 및 방법

결 과

3. 혈액과 소장 점막세포의 면역지표 분석

복합생균제 급여에 따른 육계의 혈액과 소장 점막세포의 sIgA 및 IL-1β 수준은 Fig. 1 및 Fig. 2에 각각 나타난 바와 같다. 혈액에서 sIgA 수준은 복합생균제 급여에 따른 통계적 차이는 변화는 없었으나, 급여수준에 따라 sIgA은 증가하는 경향을 보였다. 소장 점막세포에서 sIgA 수준은 PC2군에서 대조군보다 유의하게(P<0.05) 증가하는 것으로 나타났으나, PC1군은 통계적 차이가 없었다(Fig. 1). 혈액과 점막세포에서 친염증 사이토카인 IL-1β 수준은 생균제 급여에 따른 영향을 받지 않았다(Fig. 2).

Fig. 1. Effect of dietary supplementation of probiotics complex on sIgA in blood (A) and intestinal mucosal tissues (B) of broiler chicks. ^* CON (basal diet), PC1 (basal diet supplemented with 0.25% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶) and PC2 (basal diet supplemented with 0.5% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶). ^a,b Indicates the significance difference among the treatment (P<0.05) in response to the dietary supplementation of probiotic complex.

Download Original Figure

Fig. 2. Effect of dietary supplementation of probiotic complex on IL-1β in blood (A) and small intestinal mucosal tissue (B) of broiler chicks. ^* CON (basal diet), PC1 (basal diet supplemented with 0.25% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶) and PC2 (basal diet supplemented with 0.5% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶).

Download Original Figure

이러한 결과로 보면 복합생균제 0.5% 수준의 급여는 소장 점막세포에서 sIgA 분비량을 증가시켜 체액성 면역작용을 향상시키는 것으로 나타났다.

5. 분에서 미생물 군집 및 유해가스 발생

복합생균제 급여에 따른 육계의 분에 존재하는 미생물 집락수(cfu)와 가스발생 농도를 측정한 결과는 각각 Table 6 및 Fig. 3에 나타난 바와 같다. Lactobacillus 및 Saccharomyces cerevisiae는 복합생균제 0.5% 급여 시 대조군보다 이들 미생물군의 cfu 값이 현저히(P<0.05) 증가하는 것으로 관찰되었다. 또한, E. coli cfu 값은 복합생균제 0.5% 급여군에서 유의하게(P<0.05) 감소하여 복합생균제 급여가 유해 미생물의 번식을 억제하는 기능이 있는 것으로 보인다. 그러나 B. subtilis cfu 값은 복합생균제 급여에 따른 영향이 나타나지 않았다(Table 6).

Fig. 3. Effect of dietary supplementation of probiotic complex on the odor in the feces of broiler chicks (A: H₂S and B: CH₃SH). ^* CON (basal diet), PC1 (basal diet supplemented with 0.25% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶) and PC2 (basal diet supplemented with 0.5% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶). ^a,b Indicates the significance difference among the treatment (P<0.05) in response to the dietary supplementation of probiotic complex.

Download Original Figure

Table 6. Effect of dietary supplementation of probiotic complex on colony forming unit (cfu/g) of microbes in the feces of broiler chicks

Item	Diets1
	CON	PC1	PC2
Lactobacillus (cfu/g)	8.06±0.21b	8.32±0.27ab	8.41±0.14a
Bacillus subtilis (cfu/g)	8.18±0.30	8.07±0.42	8.27±0.31
Saccharomyces cerevisiae (cfu/g)	8.09±0.35b	8.32±0.19ab	8.44±0.18a
E. coli(cfu/g)	6.41±0.41a	6.36±0.42a	5.77±0.30b

¹ CON (basal diet), PC1 (basal diet supplemented with 0.25% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶) and PC2 (basal diet supplemented with 0.5% of probiotic complex; L. plantarum, 1 × 10⁶, B. subtilis 1 × 10⁶, and Saccharomyces cerevisiae 1 × 10⁶). ^a,bindicates the significance difference among the treatment (P<0.05) in response to the dietary supplementation of probiotic complex.

Download Excel Table

분에서 생성되는 유해가스(H₂S 및 CH₃SH) 농도를 살펴보면 복합생균제 0.5% 급여군(PC2)에서 황화수소의 발생량은 유의하게(P<0.05) 감소하는 것으로 분석되었다(Fig. 3). 메틸메르캅탄 발생량은 샘플간 변이가 커서 유의적 차이는 없었지만, 복합생균제 급여 시 대조군의 약 50% 수준으로 낮게 발생되는 것으로 나타났다(Fig. 3).

고 찰

가축의 장내 미생물 균총은 바람직한 위장관 환경조성에 중요한 영향을 미치는 것으로 선행 연구에 의하면 생균제 급여는 소화관의 유해 미생물 군집을 감소시켜 건강한 환경을 유지하여 소화와 면역작용을 증가시키고, 가축의 생산성 향상에 긍정적 효과가 나타난다(Collington et al., 1990; Ko et al., 2003; Rajput et al., 2013; Wang et al., 2016). 본 시험에서 복합생균제 급여 시 육계의 증체와 사료이용성 등 생산성에는 유의적 차이가 없었다. 이러한 결과는 생균제 급여가 육계의 성장 및 사료 이용성이 개선되지 않았다는 연구 결과들(Awad et al., 2009; Bai et al., 2013; Lee et al., 2014)과 유사하다. 최근 Rodjan et al.(2018)이 생균제(0.2%)를 육계에게 35일령까지 급여한 실험에서도 사료 섭취량, 증체 및 사료 요구율 등에서 차이가 없는 것으로 나타나 본 결과와 일치한다. 또한, B. subtilis와 Saccharomyces cerevisiae 복합생균제를 육계에서 급여한 연구(Chen et al., 2009) 역시 체중과 증체에는 유의적 영향이 없었다고 보고하였다. 그러나 Yeo and Kim(1997)이 생균제(0.1%)를 급여한 경우, 육계 성장초기 3주 동안 사료 섭취량과 증체가 개선되었다는 연구 결과를 비롯하여 생균제를 급여 시 성장 또는 사료 이용성이 개선된다는 보고들(Jin et al., 1998; Wang et al., 2017)이 발표되었다. Awad et al.(2009)의 연구에 의하면 생균제 급여 시 비장, F-낭 등 면역 장기의 변화는 없었지만, 소장의 무게가 증가하고, 흡수 세포의 융모(villi)와 음와(crypt) 깊이 비율과 융모 길이가 증가하여 소장의 건강에 유익한 결과를 보였다. 본 연구에서도 생균제급여 시 비장, F-낭 등 면역 장기의 변화는 없었지만 0.25% 급여군에서 대조군에 비해 점막세포의 무게가 증가하는 것으로 나타났다. 한편, Pourakbari et al.(2016)은 육계에 복합생균제(0.02%, 유산균, 고초균, Aspergillus oryzae 등)을 급여하였을 때 면역 장기의 무게에는 영향을 미치지 않았다고 보고하였다. 이러한 연구 결과들로 보아 생균제가 가축의 생산성에 미치는 효과는 생균제 숙주 특이성, 생균제 종류, 사료 배합성분, 환경요인 등에 의해 상당히 다른 결과를 나타날 수 있는 것으로 판단된다(Aktas et al., 2016).

본 연구는 생균제 급여에 따라 혈중 생화학성분은 차이가 없는 것으로 나타났다. Park et al.(2010)이 복합생균제를 0.1∼0.5% 수준으로 육계에 급여 시 혈액의 Total 및 HDL-cholesterol 수준에는 유의적 차이가 없음을 보고하여 본 연구의 결과와 유사하였다. 그러나 생균제를 급여한 일부 연구에서 혈중 cholesterol 수준이 감소한다고 보고되고 있지만 명확한 과학적 기전은 밝혀져 있지 않았다(Zhang and Kim, 2013; Shokryazdan et al., 2017). 생균제가 cholesterol을 저하시키는 기전으로 활성화된 장내 유익 혐기성균의 가수분해효소가 십이지장으로 분비된 cholesterol을 분해하여 배설을 촉진한다는 것과 콜레스테롤 합성 효소인 HMG(hydroxymetyl-glutaryl) CoA reductase의 활성을 억제한다는 것이다(Fukushima and Nakano, 1995). 또한, 간 기능 수치는 나타내는 AST 및 ALT 지표 역시 정상 수준으로 0.25∼0.5% 복합생균제 급여는 육계의 간 조직에 부정적인 영향이 없는 것으로 나타났다. 간 조직 손상 지표로서 AST와 ALT는 간, 근육 등에서 대사작용에 관여하는 효소로서 감염 또는 독성물질로 간 조직이 파괴되면 혈액으로 유실되어 농도가 증가한다(Giannini et al., 1999; Abboud and Kaplowitz, 2007).

생균제는 가축 위장관의 미생물 군락에 영향을 미치고 흡수 상피세포의 구조 안전화 및 면역 단백질을 생산하여 병원성 균에 대응하여 장관의 건강에 긍정적인 영향을 미친다(Rajput et al., 2013; Lee et al., 2014). 본 연구에서 복합생균제 급여 시 소장과 혈액에서 친염증 사이토카인(IL-1β)에는 변화가 없었으나, 점막세포에서 면역항체(sIgA) 수준은 현저히 증가되었다. Bai et al.(2013)에 따르면 Lactobacilli와 Saccharomyces cerevisiae 복합생균제 급여로 육계의 성장에는 차이가 없었지만, 장관의 T-세포 면역체계를 자극하여 면역작용을 증강하는 것으로 보고하였다. Li et al.(2015)은 장기간(56일 및 84일) 생균제 급여는 소장의 면역작용에서 친염증 사이토카인 IL-1β와 nuclear factor-k(NF-kB)의 mRNA 발현을 감소시키는 것으로 보고하였다. 한편, Rajput et al.(2013)은 복합생균제를 72일간 육계에게 급여 시 친염증 사이토카인(IL-6, TNF-α, IL-10, TGF-β) mRNA 발현과 sIgA 분비량이 모두 증가하였다고 보고하였다. 특히 sIgA는 소장점막에서 병원성 미생물을 방어하는데 중요한 면역작용을 수행하는 것으로 Huang et al.(2004)도 L. acidophilus와 casei 등을 육계에게 급여 시 IgA 수준이 증가되는 것으로 보고하였다. 본 연구결과 복합생균제(L. plantarium, B. subtilis 및 Saccharomyces cerevisiae) 급여 시에도 소장점막세포의 sIgA수준이 증가되는 것으로 나타났다. 따라서 생균제 균종에 따라 다소 차이는 있지만 생균제 급여는 소장에서 체액성 면역활성에 긍정적인 작용을 하는 것으로 판단된다.

생균제는 장내 유익 미생물 군총을 발달시켜 과도한 대장균 및 살모넬라와 같은 병원성 미생물로부터의 오염을 방지할 수 있다(Fuller, 1989). 유산균과 효모 등과 같은 생균제는 장내 소화물의 pH 저하, 유해 미생물의 독소생성 억제 및 소장 흡수세포의 기능 유지 등과 같은 작용기전이 보고되었다(Wilkins and Sequoia, 2017). Ng et al.(2009)은 생균제의 주요 작용기전으로는 Clostridium perfringer, E. coli 등과 같은 장내 유해 세균을 억제하는 것으로 보고하였다. 닭에서 유해 병원성균이 장내에 우점되면 소장 흡수세포의 기능을 손상시켜 영양소의 소화작용을 저해하여 생산성에 부정적인 영향을 미친다(Huyghebaert et al., 2010). Kim et al.(2012)은 복합생균제를 육계에 급여 시 영양소의 소화율이 증가하고 장내 유해균인 Clostridium과 E. coli 균수가 감소하는 현상과 밀접한 관계가 있음을 보고하였다. Gadde et al.(2017)도 생균제를 육계에 급여 시 LPS-유발 친염증 사이토카인의 발현을 완화하고, 소장 tight junction 단백질의 mRNA 발현을 촉진한다고 보고하였다. Rajput et al.(2013)은 복합생균제를 육계에 급여 시 소장 흡수세포의 tight junction이 잘 발달하여 병원균의 침입 방지와 영양소 흡수을 증진한다고 보고하였다. Jin et al.(1998)은 유산균 급여 시 육계의 맹장에서 맹장의 Lactobacilli 균총은 유의적 차이가 없었지만 coliform 균총은 현저히 감소하였다고 보고하였다. 본 연구에서는 생균제 급여에 따라 분중의 E. coli는 감소하고 Lactobacilli 균총은 현저히 증가하였으나, 소장 점막세포에 존재하는 maltase, sucrase 및 leucine aminopeptidase 활성도에서는 차이를 보이지 않았다.

생균제 급여에 따른 분중 유해가스의 발생 억제 작용은 가장 널리 알려진 생균제의 효과로서 알려져 있다. 본 연구 결과와 유사하게 많은 연구에서 생균제를 급여할 경우 분의 황화수소, 암모니아 등 유해가스 발생을 감소시키는 것으로 보고되었다(Ko et al., 2003; Chu et al., 2011; Zhang and Kim, 2013; Ahmed et al., 2014). 닭에서 배설되는 질소 성분은 주로 요산, 미생물체 단백질과 내생 질소로 구성되어 있는데, 생균제를 급여할 경우 암모니아 생성에 관련된 장내 유해 미생물의 번식이 억제되는 것으로 보고되었으며(Ahmed et al., 2014), 이러한 결과 유해가스의 발생이 감소하는 것으로 생각된다. Lan et al.(2017)의 연구에 의하면, 육계 사료에 0.1∼0.2% 수준의 생균제 첨가 시 NH₃와 H₂S의 발생량이 현저히 감소되어 유해가스의 생성을 억제할 수 있음을 보고하였다. 본 연구에서도 생균제 0.5% 첨가군에서 H₂S 발생 수준이 유의적으로 감소(69%)하고 메르캅탄 농도가 약 50% 감소하는 효과가 나타나 특히 사육조건이 열악한 농장에서 생균제를 급여할 경우 축분의 냄새를 현저히 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 육계의 사육환경 조건의 개선은 가축의 에너지 대사작용에도 긍정적 영향을 미처 생산성 개선으로 이어질 수 있다.

결론적으로 본 연구는 복합생균제 급여(0.25∼0.5%)에 따라 육계의 생산성에는 영향을 미치지 않았지만, 소장 점막세포에서 체액성 면역작용을 증강하고 유익균 증식과 유해균의 억제작용이 나타났다. 또한, 분중의 유해가스 발생을 억제하여 환경친화형 축산에서 생균제가 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.