この記事は、「抗菌薬の使用、抗菌薬耐性、そして食用動物のマイクロバイオーム」という研究テーマの一部です。全13件の記事を見る
有機酸は、動物飼料への添加物として引き続き高い需要があります。これまで、食品の安全性、特に家禽類やその他の動物における食中毒病原体の発生率の低減に焦点が当てられてきました。現在、いくつかの有機酸が研究中であるか、すでに商業的に使用されています。広範に研究されている多くの有機酸のうち、ギ酸はその1つです。ギ酸は、飼料中および摂取後の消化管におけるサルモネラ菌やその他の食中毒病原体の存在を制限するために、家禽の飼料に添加されます。ギ酸の宿主および食中毒病原体に対する有効性と影響についての理解が深まるにつれて、ギ酸の存在がサルモネラ菌の特定の経路を誘発する可能性があることが明らかになっています。この反応は、ギ酸が消化管に入り、すでに消化管に定着しているサルモネラ菌だけでなく、腸内の微生物叢とも相互作用すると、より複雑になる可能性があります。このレビューでは、ギ酸処理した家禽および飼料の微生物叢に関する現在の結果と今後の研究の見通しを検討します。
畜産と家禽生産の両方において、課題は、食品安全リスクを抑制しながら成長と生産性を最適化する管理戦略を開発することです。歴史的に、治療濃度以下の抗生物質の投与は、動物の健康、福祉、生産性を向上させてきました (1–3)。作用機序の観点からは、阻害濃度以下の抗生物質の投与は、消化管（GI）フローラを調節し、ひいては宿主との相互作用を調節することで宿主反応を媒介すると考えられています (3)。しかし、抗生物質耐性食品媒介病原体の潜在的な蔓延と、それらがヒトにおける抗生物質耐性感染症と関連する可能性に対する継続的な懸念から、食用動物における抗生物質の使用は徐々に中止されつつあります (4–8)。したがって、これらの要件（動物の健康、福祉、生産性の向上）の少なくとも一部を満たす飼料添加物および改良剤の開発は、学術研究と商業開発の両方の観点から大きな関心を集めています (5, 9)。動物用飼料市場には、プロバイオティクス、プレバイオティクス、様々な植物由来のエッセンシャルオイルや関連化合物、アルデヒドなどの化学物質など、様々な市販飼料添加物が投入されています（10～14）。家禽類で一般的に使用されているその他の市販飼料添加物には、バクテリオファージ、酸化亜鉛、外因性酵素、競合排除物質、酸性化合物などがあります（15, 16）。
既存の化学飼料添加物の中で、アルデヒドと有機酸は歴史的に最も広く研究され、使用されてきた化合物である（12、17～21）。有機酸、特に短鎖脂肪酸（SCFA）は、病原細菌の拮抗剤としてよく知られている。これらの有機酸は、飼料添加物として、飼料マトリックス中の病原体の存在を抑制するだけでなく、消化管機能に活性効果を発揮するためにも使用されている（17、20～24）。さらに、SCFAは消化管内の腸内細菌叢による発酵によって生成され、一部のプロバイオティクスおよびプレバイオティクスが消化管に摂取した病原体を阻害する能力にメカニズム的な役割を果たしていると考えられている（21、23、25）。
長年にわたり、さまざまな短鎖脂肪酸（SCFA）が飼料添加物として大きな注目を集めてきました。特に、プロピオン酸、酪酸、ギ酸は数多くの研究と商業的応用の対象となってきました（17、20、21、23、24、26）。初期の研究は動物や家禽の飼料における食中毒病原体の制御に重点が置かれていましたが、最近の研究では、動物のパフォーマンスと胃腸の健康の全体的な改善に焦点が移っています（20、21、24）。酢酸、プロピオン酸、酪酸は有機酸の飼料添加物として大きな注目を集めており、その中でもギ酸は有望な候補です（21、23）。ギ酸の食品安全性の側面、特に家畜飼料における食中毒病原体の発生率の低減には多くの注目が集まっています。しかし、他の用途についても検討されています。本レビューの全体的な目的は、家畜飼料改良剤としてのギ酸の歴史と現状を検証することです（図1）。本研究では、ギ酸の抗菌メカニズムを検証します。さらに、家畜および家禽に対するギ酸の効果を詳細に検討し、その有効性を高めるための方法について考察します。
図1. 本レビューで取り上げたトピックのマインドマップ。特に、以下の一般的な目的に焦点を当てました。家畜飼料改良剤としてのギ酸の歴史と現状、ギ酸の抗菌メカニズムとその使用が動物および家禽の健康に及ぼす影響、そして有効性を向上させるための潜在的な方法について記述すること。
家畜や家禽の飼料生産は、穀物の物理的処理（例えば、粒子サイズを小さくするための製粉）、ペレット化のための熱処理、および動物の特定の栄養ニーズに応じた飼料への複数の栄養素の添加など、複数のステップを含む複雑な作業です（27）。この複雑さを考えると、飼料加工において、穀物が飼料工場に到着する前、製粉中、その後の輸送中および配合飼料として給餌されている間、さまざまな環境要因に晒されることは驚くべきことではありません（9、21、28）。そのため、長年にわたり、細菌だけでなく、バ​​クテリオファージ、真菌、酵母など、非常に多様な微生物群が飼料中に存在することが確認されています（9、21、28～31）。特定の真菌など、これらの汚染物質の中には、動物に健康リスクをもたらすマイコトキシンを生成するものがあります（32～35）。
細菌集団は比較的多様であり、ある程度、微生物の分離および同定に使用されるそれぞれの方法とサンプルのソースに依存します。たとえば、微生物組成プロファイルは、ペレット化に関連する熱処理の前に異なる場合があります (36)。古典的な培養法と平板培養法からある程度の情報が得られましたが、最近では 16S rRNA 遺伝子ベースの次世代シーケンス (NGS) 法を適用することで、飼料マイクロバイオームコミュニティのより包括的な評価が可能になりました (9)。Solanki ら (37) は、害虫駆除燻蒸剤であるホスフィンの存在下で一定期間貯蔵した小麦粒の細菌マイクロバイオームを調べたところ、収穫後と 3 か月の貯蔵後にマイクロバイオームがより多様化していることを発見しました。さらに、Solanki らは、 (37) (37)は、小麦穀物においてプロテオバクテリア門、フィルミクテス門、アクチノバクテリア門、バクテロイデス門、プランクトミセス門が優占し、バチルス属、エルウィニア属、シュードモナス属が優占し、腸内細菌科は少数を占めていることを示した。分類学的な比較に基づき、彼らはホスフィン燻蒸は細菌集団に有意な変化をもたらしたが、真菌の多様性には影響を与えなかったと結論付けた。
Solanki et al. (37) は、マイクロバイオームにおける腸内細菌科細菌の検出に基づき、飼料源にも公衆衛生問題を引き起こす可能性のある食中毒病原体が含まれる可能性があることを示した。ウェルシュ菌、ボツリヌス菌、サルモネラ菌、カンピロバクター、大腸菌 O157:H7、リステリア菌などの食中毒病原体は、動物飼料やサイレージに関連していることが知られている (9、31、38)。その他の食中毒病原体が動物飼料や家禽飼料中にどの程度残存するかは、現在のところ不明である。Ge et al. (39) は、200種類以上の動物飼料原料を検査し、サルモネラ菌、大腸菌、腸球菌を分離したが、大腸菌 O157:H7やカンピロバクターは検出されなかった。しかし、乾燥飼料などのマトリックスは、病原性大腸菌の感染源となる可能性がある。 2016 年にヒト疾患に関連する志賀毒素産生大腸菌 (STEC) 血清群 O121 および O26 のアウトブレイクの発生源を追跡するにあたり、 Crowe ら (40) は全ゲノム配列解析を用いて臨床分離株と食品から得られた分離株を比較した。この比較に基づき、彼らは、発生源はおそらく製粉工場からの低水分の生の小麦粉であると結論付けた。小麦粉の水分含有量が低いことから、STEC は低水分の動物飼料中でも生存できることが示唆される。しかし、 Crowe ら (40) が指摘するように、小麦粉サンプルから STEC を分離することは困難であり、十分な数の細菌細胞を回収するには免疫磁気分離法が必要である。同様の診断プロセスにより、動物飼料中のまれな食中毒病原体の検出と分離も複雑になることがある。 （41）は、室温で保存し、腸管出血性大腸菌（EHEC）血清群O45、O121、およびO145とサルモネラ菌（S. Typhimurium、S. Agona、S. Enteritidis、およびS. Anatum）の混合物を接種した小麦粉は、84日目と112日目に定量化可能であり、24週目と52週目でも検出可能であることを実証した。
歴史的に、カンピロバクターは伝統的な培養法によって動物や家禽の飼料から分離されたことはありません（38, 39）が、家禽および家禽製品の消化管からは容易に分離されています（42, 43）。しかしながら、飼料は依然として潜在的な感染源としての利点を有しています。例えば、Alvesら（44）は、肥育鶏の飼料にカンピロバクター・ジェジュニを接種し、その後、2つの異なる温度で3日間または5日間保存したところ、生存可能なカンピロバクター・ジェジュニが回収され、場合によっては増殖さえも確認されたことを実証しました。彼らは、カンピロバクター・ジェジュニは家禽飼料中で確実に生存できるため、鶏の潜在的な感染源となる可能性があると結論付けました。
動物および家禽飼料のサルモネラ汚染は過去に多くの注目を集めており、飼料に特に適用可能な検出方法の開発とより効果的な制御手段を見つけるための継続的な取り組みの焦点となっています（12、26、30、45〜53）。長年にわたり、多くの研究で、さまざまな飼料施設および飼料工場におけるサルモネラの分離および特徴付けが検討されてきました（38、39、54〜61）。全体として、これらの研究は、サルモネラがさまざまな飼料成分、飼料源、飼料の種類、および飼料製造操作から分離される可能性があることを示しています。分離されたサルモネラの有病率と主要な血清型もさまざまでした。たとえば、Li et al。（57）はサルモネラ属菌の存在を確認しました。2002年から2009年のデータ収集期間中に完全な動物飼料、飼料成分、ペットフード、ペットのおやつ、ペットサプリメントから収集された2058のサンプルの12.5％で検出されました。さらに、陽性反応を示したサルモネラサンプルの12.5％で検出された最も一般的な血清型は、S. SenftenbergとS. Montevideoでした（57）。テキサス州の調理済み食品と動物飼料副産物の研究では、Hsiehら（58）は、サルモネラ菌の有病率が最も高かったのは魚粉で、次いで動物性タンパク質であり、最も一般的な血清型はS. MbankaとS. Montevideoであると報告しました。飼料工場では、原料の混合や添加中に飼料が汚染される可能性のあるポイントがいくつか存在します（9、56、61）。Magossiら（61）は、米国での飼料生産中に複数の汚染ポイントが発生する可能性があることを実証しました。実際、Magossiら（61）は、米国の8つの州にある11の飼料工場（合計12のサンプリング場所）で少なくとも1つのサルモネラ菌培養陽性例を発見しました。飼料の取り扱い、輸送、毎日の給餌中にサルモネラ菌に汚染される可能性があることを考えると、動物の生産サイクル全体にわたって微生物汚染を低減し、低いレベルに維持できる飼料添加物の開発に多大な努力が払われているのは驚くことではありません。
サルモネラ菌のギ酸に対する特異的反応のメカニズムはほとんどわかっていない。しかし、Huang ら (62) は、哺乳動物の小腸にはギ酸が存在し、サルモネラ菌はギ酸を生成できることを示した。Huang ら (62) は、サルモネラ菌の毒性遺伝子の発現を検出するために重要な経路の一連の欠失変異体を使用し、ギ酸が拡散性シグナルとして作用してサルモネラ菌の Hep-2 上皮細胞への侵入を誘導できることを見出した。最近、Liu ら (63) はチフス菌から、pH 7.0 で特異的ギ酸チャネルとして機能するが、外部 pH が高い場合は受動的な輸出チャネルとして、低い pH の場合は二次的な活性ギ酸/水素イオン輸入チャネルとしても機能するギ酸トランスポーター FocA を単離した。ただし、この研究はチフス菌の 1 つの血清型のみを対象に実施された。すべての血清型がギ酸に対して同様のメカニズムで反応するかどうかという疑問は依然として残っています。これは今後の研究で取り組むべき重要な研究課題です。結果にかかわらず、飼料中のサルモネラ菌濃度を低減するための酸サプリメントの使用に関する一般的な推奨事項を策定する際には、スクリーニング実験において複数のサルモネラ菌血清型、あるいは各血清型の複数の株を用いることが賢明です。同じ血清型の異なるサブグループを区別するために株をコード化する遺伝子バーコーディングの使用など、より新しいアプローチ（9, 64）は、結論や差異の解釈に影響を与える可能性のあるより微細な差異を識別する機会を提供します。
ギ酸の化学的性質と解離形態も重要であると考えられる。Beyerら（65–67）は一連の研究において、Enterococcus faecium、Campylobacter jejuni、およびCampylobacter coliに対する阻害は、解離ギ酸の量と相関しており、pHや未解離ギ酸とは無関係であることを実証した。細菌が曝露されるギ酸の化学的形態も重要であると考えられる。Kovandaら（68）は、複数のグラム陰性菌およびグラム陽性菌をスクリーニングし、ギ酸ナトリウム（500～25,000 mg/L）とギ酸ナトリウムと遊離ギ酸の混合物（40/60 m/v; 10～10,000 mg/L）の最小発育阻止濃度（MIC）を比較した。 MIC値に基づき、ギ酸ナトリウムはカンピロバクター・ジェジュニ、ウェルシュ菌、ストレプトコッカス・スイス、肺炎球菌に対してのみ阻害効果を示し、大腸菌、チフス菌、エンテロコッカス・フェカリスに対しては阻害効果を示さないことが分かりました。一方、ギ酸ナトリウムと遊離ギ酸ナトリウムの混合物は全ての細菌に対して阻害効果を示したため、著者らは遊離ギ酸が抗菌作用の大部分を有していると結論付けました。これら2つの化学形態の異なる比率を調べ、MIC値の範囲が混合乳中のギ酸濃度と100%ギ酸に対する反応に相関するかどうかを明らかにすることは興味深いでしょう。
Gomez-Garcia ら (69) は、豚から採取した大腸菌、サルモネラ菌、ウェルシュ菌の複数の分離株に対して、エッセンシャルオイルと有機酸（ギ酸など）の組み合わせを試験しました。彼らは、ホルムアルデヒドを陽性対照として、豚の分離株に対するギ酸を含む6種類の有機酸と6種類のエッセンシャルオイルの有効性を試験しました。Gomez-García ら (69) は、大腸菌（600 および 2400 ppm、4）、サルモネラ菌（600 および 2400 ppm、4）、ウェルシュ菌（1200 および 2400 ppm、2）に対するギ酸の MIC50、MBC50、MIC50/MBC50 を決定し、その中でギ酸は大腸菌とサルモネラ菌に対してすべての有機酸よりも効果的であることがわかりました。 （69）ギ酸は分子サイズが小さく鎖が長いため、大腸菌やサルモネラ菌に対して有効である（70）。
Beyer らは、豚から分離された Campylobacter 株 (66) と家禽から分離された Campylobacter jejuni 株 (67) をスクリーニングし、ギ酸が他の有機酸で測定された MIC 反応と一致する濃度で解離することを示しました。しかし、Campylobacter はこれらの酸を基質として利用できることから (66, 67)、ギ酸を含むこれらの酸の相対的な効力は疑問視されてきました。C. jejuni による酸の利用は、同菌が非解糖系の代謝を示すことが示されていることから驚くべきことではありません。つまり、C. jejuni は炭水化物分解能力が限られており、エネルギー代謝と生合成活動のほとんどをアミノ酸と有機酸からの糖新生に依存しています (71, 72)。Line らによる初期の研究では、ギ酸が他の有機酸よりも多く分解されることが示されました。 (73) は 190 種類の炭素源を含む表現型アレイを使用し、C. jejuni 11168(GS) が有機酸を炭素源として利用できることを示し、そのほとんどはトリカルボン酸回路の中間体である。 Wagli ら (74) によるさらなる研究では、表現型炭素利用アレイを使用した C. jejuni および E. coli 株は、彼らの研究で調べた C. jejuni 株が炭素源として有機酸で生育できることが示された。 ギ酸は C. jejuni の呼吸エネルギー代謝における主要な電子供与体であり、したがって C. jejuni の主要なエネルギー源である (71, 75)。 C. jejuni は、膜結合型ギ酸脱水素酵素複合体を介してギ酸を水素供与体として利用することができ、この酵素複合体はギ酸を二酸化炭素、プロトン、および電子に酸化して呼吸の電子供与体として機能する (72)。
ギ酸は抗菌性飼料改良剤として長い使用の歴史があるが、一部の昆虫は抗菌性防御化学物質としてギ酸を生成することもできる。Rossini et al. (76) は、約350年前にRay (77) が報告したアリの酸性の樹液にギ酸が成分として含まれている可能性を示唆した。それ以来、アリや他の昆虫におけるギ酸生成に関する理解は大幅に進み、このプロセスは昆虫の複雑な毒素防御システムの一部であることがわかっている (78)。ハリナシバチ、トゲアリ（膜翅目：ミツバチ科）、オサムシ（Galerita lecontei および G. janus）、ハリナシアリ（Formicinae）、一部のガの幼虫（鱗翅目：Myrmecophaga）など、さまざまな昆虫グループが防御化学物質としてギ酸を生成することが知られている (76, 78–82)。
アリは、主にギ酸からなる毒液を噴射できる特殊な開口部である酸性細胞を有していることから、おそらく最もよく特徴づけられている生物である(82)。アリはセリンを前駆物質として用い、毒腺に大量のギ酸を蓄える。毒腺は、噴射されるまでは宿主アリをギ酸の細胞毒性から保護するのに十分なほど隔離されている(78, 83)。アリが分泌するギ酸は、(1)他のアリを引き寄せる警報フェロモンとして機能する、(2)競争相手や捕食者に対する防御化学物質となる、(3)巣材の一部として樹脂と混合すると抗真菌剤および抗菌剤として作用する(78, 82, 84–88)と考えられている。アリが産生するギ酸には抗菌作用があり、局所用添加剤として使用できる可能性が示唆されている。これはBruchら(88)によって実証されており、彼らは樹脂に合成ギ酸を添加し、抗真菌活性を大幅に向上させた。ギ酸の有効性と生物学的有用性のさらなる証拠として、胃酸を生成できないオオアリクイが、消化液の代わりの酸として濃縮ギ酸を摂取するために、ギ酸を含むアリを摂取していることが挙げられます (89)。
農業におけるギ酸の実用化は長年検討され、研究されてきました。特に、ギ酸は動物飼料やサイレージへの添加物として使用することができます。固体および液体の両方の形態におけるギ酸ナトリウムは、すべての動物種、消費者、そして環境にとって安全であると考えられています（90）。彼らの評価（90）に基づくと、最大濃度10,000 mgギ酸当量/kg飼料はすべての動物種にとって安全であると考えられ、最大濃度12,000 mgギ酸当量/kg飼料は豚にとって安全であると考えられていました。ギ酸を動物飼料改良剤として使用することは長年研究されてきました。ギ酸は、サイレージの防腐剤、および動物および家禽飼料の抗菌剤として商業的価値があると考えられています。
酸などの化学添加物は、サイレージ生産と飼料管理において常に不可欠な要素であった(91, 92)。Borreaniら(91)は、高品質のサイレージを最適に生産するためには、乾物含量を可能な限り多く保ちながら、飼料の品質を維持する必要があると指摘した。このような最適化の結果、サイロ内の初期の好気状態から、その後の発酵、貯蔵、そして給餌のためのサイロの再開に至るまで、サイレージ製造工程のあらゆる段階における損失が最小限に抑えられる。圃場サイレージ生産とその後のサイレージ発酵を最適化する具体的な方法については、既に他の文献(91, 93-95)で詳細に議論されているため、ここでは詳細には触れない。主な問題は、サイレージ中に酸素が存在する場合、酵母やカビによって引き起こされる酸化劣化である(91, 92)。そのため、腐敗による悪影響を抑えるために、生物学的接種剤や化学添加物が導入されてきた(91, 92)。サイレージ添加物に関するその他の考慮事項としては、サイレージ中に存在する可能性のある病原体（病原性大腸菌、リステリア菌、サルモネラ菌など）やマイコトキシン産生菌の拡散を制限することなどがあります（96～98）。
Mack ら (92) は酸性添加物を 2 つのカテゴリーに分類しました。プロピオン酸、酢酸、ソルビン酸、安息香酸などの酸は、反芻動物に与えた場合、酵母やカビの増殖を抑制することでサイレージの好気的安定性を維持します (92)。Mack ら (92) は、ギ酸を他の酸と区別し、サイレージタンパク質の完全性を維持しながらクロストリジウムや腐敗微生物を阻害する直接的な酸性化剤であるとしました。実際には、非塩形態の酸の腐食性を避けるため、塩の形態が最も一般的な化学形態です (91)。多くの研究グループも、サイレージの酸性添加物としてギ酸を研究してきました。ギ酸は、その急速な酸性化能と、サイレージのタンパク質と水溶性炭水化物の含有量を低下させる有害なサイレージ微生物の増殖を抑制する効果があることで知られています (99)。そのため、He らは、ギ酸がサイレージのタンパク質と水溶性炭水化物の含有量を低下させる有害なサイレージ微生物の増殖を抑制することを明らかにしました。 (92) は、サイレージ中のギ酸と酸性添加剤を比較しました。(100) は、ギ酸が大腸菌の増殖を抑制し、サイレージの pH を下げることができることを実証しました。また、酸性化と有機酸の生成を促進するために、ギ酸と乳酸を生成する細菌培養物をサイレージに添加しました (101)。実際、Cooley ら (101) は、サイレージを 3% (w/v) ギ酸で酸性化すると、乳酸とギ酸の生成がそれぞれ 100 g サンプルあたり 800 mg と 1000 mg を超えることを発見しました。Mack ら (92) は、2000 年以降に発表された、ギ酸と他の酸に焦点を当てた、またはギ酸と他の酸を含む研究を含む、サイレージ添加剤の研究文献を詳細にレビューしました。したがって、このレビューでは、個々の研究を詳細に議論するのではなく、化学サイレージ添加剤としてのギ酸の有効性に関するいくつかの重要なポイントを簡単にまとめます。緩衝化されていないギ酸と緩衝化されたギ酸の両方が研究されており、ほとんどの場合、クロストリジウム属細菌において、ギ酸の相対活性（炭水化物、タンパク質、乳酸の吸収および酪酸の排泄）は低下する傾向があり、アンモニアおよび酪酸の産生は減少し、乾物保持率は増加する（92）。ギ酸の性能には限界があるが、サイレージ添加剤として他の酸と組み合わせて使用​​することで、これらの問題の一部を克服できると考えられる（92）。
ギ酸は、ヒトの健康にリスクをもたらす病原細菌の増殖を抑制することができる。例えば、Pauly と Tam (102) は、3 種類の乾物量レベル (200、430、540 g/kg) のライグラスを含む L. monocytogenes を小型実験用サイロに接種し、その後、ギ酸 (3 ml/kg) または乳酸菌 (8 × 105/g) とセルロース分解酵素を添加した。両処理により、低乾物量サイレージ (200 g/kg) では L. monocytogenes が検出限界以下まで減少したと報告している。しかし、中乾物量サイレージ (430 g/kg) では、ギ酸処理サイレージでは 30 日後も L. monocytogenes が検出された。L. monocytogenes の減少は、pH の低下、乳酸、および複合非解離酸と関係しているようであった。例えば、PaulyとTam（102）は、乳酸と複合非解離酸のレベルが特に重要であり、乾物含量の高いサイレージ由来のギ酸処理培地ではL. monocytogenesの減少が見られなかった理由かもしれないと指摘しています。サルモネラ菌や病原性大腸菌など、他の一般的なサイレージ病原菌についても、今後同様の研究を行う必要があります。サイレージ微生物群集全体のより包括的な16S rDNA配列解析は、ギ酸存在下でのサイレージ発酵のさまざまな段階で起こるサイレージ微生物群集全体の変化を特定するのに役立つ可能性があります（103）。マイクロバイオームデータの取得は、サイレージ発酵の進行をより正確に予測し、サイレージの品質を高く維持するための最適な添加剤の組み合わせを開発するための分析的サポートとなる可能性があります。
穀物由来の動物飼料では、ギ酸は様々な穀物由来の飼料マトリックスや動物副産物などの特定の飼料成分中の病原体レベルを制限するための抗菌剤として使用されています。家禽や他の動物の病原体集団への影響は、飼料自体の病原体集団への直接的な影響と、処理された飼料を摂取した動物の消化管に定着する病原体への間接的な影響の2つに大別できます (20、21、104)。飼料中の病原体が減少すれば、動物が飼料を摂取した際の定着も減少するため、これら2つのカテゴリは明らかに相互に関連しています。しかし、飼料マトリックスに添加される特定の酸の抗菌特性は、飼料の組成や酸の添加形態など、いくつかの要因によって影響を受ける可能性があります (21、105)。
歴史的に、ギ酸および関連酸の使用は、主に動物および家禽飼料中のサルモネラ菌の直接的な制御に焦点を当ててきました（21）。これらの研究結果は、異なる時期に発表された複数のレビュー（18、21、26、47、104～106）で詳細にまとめられているため、本レビューではこれらの研究の主要な知見の一部のみを取り上げます。いくつかの研究では、飼料マトリックス中のギ酸の抗菌活性は、ギ酸への曝露量と時間、飼料マトリックスの水分含有量、そして飼料および動物の消化管内の細菌濃度に依存することが示されています（19、21、107～109）。飼料マトリックスの種類と動物飼料成分の供給源も影響要因となります。そのため、多くの研究で、動物性副産物から分離されたサルモネラ菌の毒素のレベルは、植物性副産物から分離されたものとは異なる可能性があることが示されています (39、45、58、59、110–112)。ただし、ギ酸などの酸に対する反応の差は、飼料中の血清型の生存率の差や飼料加工時の温度に関係している可能性があります (19、113、114)。酸処理に対する血清型の反応の差は、汚染された飼料による家禽の汚染の要因である可能性があり (113、115)、毒性遺伝子の発現の差 (116) も役割を果たしている可能性があります。飼料中の酸が適切に緩衝化されていない場合、酸耐性の差が培養培地中のサルモネラ菌の検出に影響を及ぼす可能性があります (21、105、117–122)。食事の物理的形態（粒子の大きさの観点から）も、消化管におけるギ酸の相対的な利用可能性に影響を与える可能性があります（123）。
飼料に添加されるギ酸の抗菌活性を最適化する戦略も重要である。飼料工場設備への潜在的な損傷と動物飼料の嗜好性の問題を最小限に抑えるために、飼料混合前に汚染度の高い飼料成分に対してより高い濃度のギ酸を加えることが提案されている (105)。ジョーンズ (51) は、化学洗浄前の飼料中に存在するサルモネラ菌は、化学処理後の飼料と接触したサルモネラ菌よりも制御が困難であると結論付けている。飼料工場での処理中に飼料を熱処理することが、飼料のサルモネラ汚染を制限するための介入策として提案されているが、これは飼料の組成、粒径、および製粉プロセスに関連するその他の要因に依存する (51)。酸の抗菌活性は温度にも依存し、サルモネラの液体培養で観察されているように、有機酸の存在下での温度上昇はサルモネラ菌に対する相乗的な阻害効果をもたらす可能性がある (124, 125)。サルモネラ菌に汚染された飼料に関する複数の研究は、温度上昇が飼料マトリックス中の酸の効果を高めるという考えを裏付けている (106, 113, 126)。Amado ら (127) は中心複合計画を用いて、様々な牛の飼料から分離され酸性化された牛のペレットに接種された 10 種の Salmonella enterica および Escherichia coli における温度と酸 (ギ酸または乳酸) の相互作用を研究した。彼らは、酸および細菌分離株の種類とともに、熱が微生物の減少に影響を与える支配的な要因であると結論付けた。酸との相乗効果は依然として優勢であるため、より低い温度および酸濃度を使用することができる。しかし、彼らはまた、ギ酸を使用した場合に相乗効果が常に観察されるわけではないことにも言及しており、高温でのギ酸の揮発または飼料マトリックス成分の緩衝効果が要因であると疑っている。
動物に給餌する前に飼料の保存期間を制限することは、給餌中に動物の体内に食中毒病原体が侵入するのを抑制する一つの方法です。しかし、飼料中の酸が消化管に入ると、抗菌作用を発揮し続ける可能性があります。外因的に投与された酸性物質の消化管における抗菌作用は、胃酸濃度、消化管の活性部位、消化管のpH値と酸素含有量、動物の年齢、そして消化管内微生物群集の相対的な構成（消化管の位置と動物の成熟度に依存）など、様々な要因に依存する可能性があります（21、24、128～132）。さらに、消化管に常在する嫌気性微生物群（単胃動物では成熟するにつれて下部消化管で優勢になる）は、発酵を通じて積極的に有機酸を生成し、それが今度は消化管に侵入する一過性病原体に対して拮抗作用を及ぼす可能性がある（17、19～21）。
初期の研究の多くは、家禽の消化管におけるサルモネラ菌を制限するために、ギ酸などの有機酸の使用に焦点を当てており、いくつかのレビューで詳細に議論されています (12、20、21)。これらの研究を総合的に考えると、いくつかの重要な観察結果を得ることができます。McHan と Shotts (133) は、ギ酸とプロピオン酸の給餌により、細菌を接種した鶏の盲腸内のサルモネラ チフス菌のレベルが低下したと報告し、生後 7、14、21 日目にその値を測定しました。しかし、Hume ら (128) は、C-14 標識プロピオン酸をモニタリングした結果、飼料中のプロピオン酸はごくわずかしか盲腸に到達しないと結論付けました。これがギ酸にも当てはまるかどうかはまだ判明していません。しかし、最近 Bourassa らが、鶏の消化管におけるサルモネラ菌の制限について、新しい研究を発表しました。 （134）は、ギ酸とプロピオン酸を与えると、細菌を接種した鶏の盲腸内のサルモネラチフス菌のレベルが低下したと報告し、そのレベルは生後7、14、21日で測定された。 （132）は、6週間の成長期間中にブロイラー鶏にギ酸を4g/tで与えると、盲腸内のサルモネラチフス菌の濃度が検出限界以下まで低下したことを指摘した。
飼料にギ酸が含まれていると、家禽の消化管の他の部分にも影響が及ぶ可能性がある。Al-Tarazi と Alshavabkeh (134) は、ギ酸とプロピオン酸の混合物が、のどと盲腸の Salmonella pullorum (S. PRlorum) 汚染を減少させることができることを実証した。Thompson と Hinton (129) は、市販のギ酸とプロピオン酸の混合物が、代表的な飼育条件下の in vitro モデルで、のどと砂嚢内の両方の酸の濃度を上昇させ、Salmonella Enteritidis PT4 に対して殺菌効果があったことを観察した。この考えは、Bird ら (135) による in vivo データによって裏付けられている。Bird らは、ブロイラー鶏が家禽処理工場に輸送される前に受ける絶食に類似した、出荷前の模擬絶食期間中にブロイラー鶏の飲水にギ酸を添加した。飲水にギ酸を添加すると、嚢胞子と精巣上体中のS. Typhimuriumの数が減少し、S. Typhimurium陽性嚢胞子の頻度も減少したが、陽性精巣上体数は減少しなかった（135）。下部消化管で活性を示す有機酸を保護する送達システムの開発が、有効性の向上に役立つ可能性がある。例えば、ギ酸をマイクロカプセル化して飼料に添加すると、盲腸内容物中のSalmonella Enteritidisの数が減少することが示されている（136）。しかし、これは動物種によって異なる可能性がある。例えば、Walia et al. （137）は、ギ酸、クエン酸、エッセンシャルオイルカプセルの混合物を与えられた28日齢の豚の盲腸またはリンパ節におけるサルモネラ菌の減少は観察されず、糞便中のサルモネラ菌の排泄は14日目に減少したが、28日目には減少しなかった。豚間のサルモネラ菌の水平伝播が防止されたことを示した。
畜産における抗菌剤としてのギ酸の研究は、これまで主に食中毒のサルモネラ菌に焦点を当ててきたが、他の胃腸病原菌を対象とした研究もいくつかある。Kovandaらによる試験管内研究(68)では、ギ酸は大腸菌やカンピロバクター・ジェジュニなど、食中毒の他の胃腸病原菌にも有効である可能性が示唆されている。以前の研究では、有機酸(乳酸など)やギ酸を成分として含む市販の混合物が家禽のカンピロバクター濃度を低下させることが示されている(135, 138)。しかし、Beyerら(67)が以前に指摘したように、カンピロバクターに対する抗菌剤としてのギ酸の使用には注意が必要である。ギ酸はカンピロバクター・ジェジュニの主な呼吸エネルギー源であるため、この知見は家禽への食事性補給において特に問題となる。さらに、その消化管ニッチの一部は、消化管細菌が産生するギ酸などの混合酸発酵産物との代謝的相互摂食によるものと考えられている (139)。この見解には一定の根拠がある。ギ酸は C. jejuni の走化性因子であるため、ギ酸脱水素酵素とヒドロゲナーゼの両方に欠陥のある二重変異体は、野生型の C. jejuni 株と比較して、ブロイラー鶏の盲腸コロニー形成率が低下した (140, 141)。外部からのギ酸補給が鶏の消化管における C. jejuni のコロニー形成にどの程度影響するかはまだ明らかではない。実際の消化管内ギ酸濃度は、他の消化管細菌によるギ酸分解や上部消化管でのギ酸吸収により低い可能性があり、いくつかの変数がこれに影響する可能性がある。さらに、ギ酸は一部の消化管細菌によって産生される潜在的な発酵産物であり、消化管内の総ギ酸濃度に影響を及ぼす可能性があります。消化管内容物中のギ酸の定量とメタゲノミクスを用いたギ酸脱水素酵素遺伝子の同定は、ギ酸産生微生物の生態のいくつかの様相を解明する上で役立つ可能性があります。
Rothら（142）は、ブロイラー鶏に抗生物質エンロフロキサシンまたはギ酸、酢酸、プロピオン酸の混合物を投与した場合の、抗生物質耐性大腸菌の蔓延率への影響を比較した。生後1日齢のブロイラー鶏の糞便サンプルと、生後14日齢および38日齢のブロイラー鶏の盲腸内容物サンプルから、大腸菌分離株の総数および抗生物質耐性株を数えた。分離株は、アンピシリン、セフォタキシム、シプロフロキサシン、ストレプトマイシン、スルファメトキサゾール、およびテトラサイクリンに対する耐性について、各抗生物質について事前に決定されたブレークポイントに従って検査された。それぞれの大腸菌群を定量し特性評価したところ、エンロフロキサシンも酸カクテルの補給も、17日齢および28日齢のブロイラー鶏の盲腸から分離された大腸菌の総数に変化は見られなかった。エンロフロキサシンを補給した飼料を与えられた鳥は、盲腸内でシプロフロキサシン、ストレプトマイシン、スルファメトキサゾール、およびテトラサイクリン耐性大腸菌のレベルが上昇し、セフォタキシム耐性大腸菌のレベルは低下した。カクテルを与えられた鳥は、対照群およびエンロフロキサシンを補給した鳥と比較して、盲腸内のアンピシリンおよびテトラサイクリン耐性大腸菌の数が減少した。混合酸を与えられた鳥も、エンロフロキサシンを与えられた鳥と比較して、盲腸内のシプロフロキサシンおよびスルファメトキサゾール耐性大腸菌の数が減少した。酸が大腸菌の総数を減少させることなく、抗生物質耐性大腸菌の数を減らすメカニズムは依然として不明である。しかしながら、Rothらによる研究結果は、エンロフロキサシン群の結果と一致している。(142) これは、Cabezonらによって報告されたプラスミド結合阻害剤などの抗生物質耐性遺伝子の大腸菌における拡散が減少していることを示している可能性がある(143)。ギ酸などの飼料添加物の存在下で家禽の消化管集団におけるプラスミド媒介性抗生物質耐性について、より詳細な解析を行い、消化管のレジストームを評価することでこの解析をさらに精緻化することは興味深い。
病原菌に対する最適な抗菌性飼料添加物の開発は、理想的には、消化管全体の細菌叢、特に宿主に有益と考えられる微生物叢への影響を最小限に抑えるべきである。しかし、外因的に投与された有機酸は、消化管常在微生物叢に有害な影響を与え、病原菌に対する防御特性をある程度打ち消す可能性がある。例えば、Thompson と Hinton (129) は、ギ酸とプロピオン酸の混合物を与えられた産卵鶏の穀物中の乳酸値の低下を観察し、穀物中にこれらの外因性有機酸が存在することで穀物中の乳酸菌が減少したことを示唆した。穀物中の乳酸菌はサルモネラ菌に対するバリアであると考えられているため、この穀物常在微生物叢を破壊すると、消化管におけるサルモネラ菌の定着を効果的に減らすのに悪影響を与える可能性がある (144)。Açıkgöz らは、鳥類の下部消化管への影響はより低い可能性があることを発見した。 （145）ギ酸で酸性化した水を飲んだ42日齢のブロイラー鶏では、腸内細菌叢全体および大腸菌数に変化は見られませんでした。著者らは、これは他の研究者が外因性投与した短鎖脂肪酸（SCFA）を用いた研究で観察されているように、ギ酸が上部消化管で代謝されるためではないかと示唆しています（128, 129）。
何らかのカプセル化でギ酸を保護すると、下部消化管への到達が容易になる可能性がある。(146) は、マイクロカプセル化されたギ酸は、保護されていないギ酸を与えられたブタと比較して、ブタの盲腸における総短鎖脂肪酸 (SCFA) 含有量を大幅に増加させたと指摘している。この結果から、著者らは、適切に保護されていればギ酸は下部消化管に効果的に到達する可能性があると示唆している。しかし、ギ酸や乳酸の濃度など、他のいくつかのパラメータは、対照飼料を与えられたブタよりも高かったものの、保護されていないギ酸飼料を与えられたブタと統計的な差はなかった。保護されていないギ酸と保護されたギ酸の両方を与えられたブタは乳酸がほぼ 3 倍増加したが、どちらの処理によっても乳酸菌数は変化しなかった。これらの方法では検出されない盲腸内の他の乳酸産生微生物（1）および/または（2）代謝活動が影響を受け、その結果、常在乳酸菌がより多くの乳酸を産生するように発酵パターンが変化する他の乳酸産生微生物では、違いがより顕著になる可能性があります。
飼料添加物が家畜の消化管に及ぼす影響をより正確に研究するには、より高解像度の微生物同定法が必要です。ここ数年、16S RNA遺伝子の次世代シーケンシング（NGS）を用いてマイクロバイオームの分類群を同定し、微生物群集の多様性を比較する研究が行われています（147）。これにより、飼料添加物と家禽などの食用動物の消化管微生物叢との相互作用に関する理解が深まりました。
いくつかの研究では、ニワトリの消化管マイクロバイオームのギ酸補給に対する反応を評価するためにマイクロバイオームの配列解析を使用しています。Oakley ら (148) は、飲水または飼料にギ酸、プロピオン酸、中鎖脂肪酸のさまざまな組み合わせを補給した 42 日齢のブロイラー鶏で研究を実施しました。免疫化した鶏をナリジクス酸耐性サルモネラチフス菌株で攻撃し、0、7、21、42 日齢で盲腸を摘出しました。盲腸サンプルは 454 ピロシーケンシング用に準備され、シーケンシング結果は分類と類似性の比較のために評価されました。全体的に、処理は盲腸マイクロバイオームまたは S. Typhimurium レベルに有意な影響を与えませんでした。しかし、マイクロバイオームの分類学的分析によって確認されたように、全体的なサルモネラ検出率は鶏が加齢するにつれて低下し、サルモネラ配列の相対的存在量も時間とともに低下しました。著者らは、ブロイラーが年を取るにつれて、盲腸微生物群集の多様性が増加し、すべての処理グループで胃腸内フローラに最も顕著な変化が見られたと述べている。最近の研究で、Hu ら (149) は、2 つの段階 (1～21 日および 22～42 日) で採取したブロイラーの盲腸微生物叢サンプルに、飲水と有機酸 (ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ギ酸アンモニウム) とバージニアマイシンの混合物を添加し、飼料を与えた場合の効果を比較した。21 日齢では処理グループ間で盲腸微生物叢の多様性に若干の違いが見られたが、42 日齢では α 細菌または β 細菌の多様性に違いは検出されなかった。42 日齢で違いが見られなかったことから、著者らは、成長の利点は、最適に多様な微生物叢が早期に確立されたためではないかと仮説を立てた。
盲腸の微生物群集のみに焦点を当てたマイクロバイオーム解析では、食事性有機酸の影響が最も消化管のどこで起こるかを反映しない可能性がある。ブロイラー鶏の上部消化管マイクロバイオームは、Hume ら (128) の結果が示唆するように、食事性有機酸の影響を受けやすい可能性がある。Hume ら (128) は、外因的に添加されたプロピオン酸のほとんどが鳥の上部消化管で吸収されることを実証した。消化管微生物の特性に関する最近の研究もこの見解を支持している。Nava ら (150) は、有機酸の混合物 [DL-2-ヒドロキシ-4(メチルチオ)酪酸]、ギ酸、およびプロピオン酸 (HFP) の組み合わせが腸内細菌叢に影響を及ぼし、鶏の回腸におけるラクトバチルスのコロニー形成を増加させることを実証した。最近、Goodarzi Borojeni ら(150) は、有機酸混合物 [DL-2-ヒドロキシ-4(メチルチオ)酪酸]、ギ酸、およびプロピオン酸 (HFP) の組み合わせが腸内細菌叢に影響を与え、鶏の回腸におけるラクトバチルスのコロニー形成を増加させることを実証しました。 (151) は、ブロイラー鶏に 2 つの濃度 (0.75% および 1.50%) のギ酸とプロピオン酸の混合物を 35 日間給餌する研究を行いました。実験終了時に、えそ、胃、回腸の遠位 3 分の 2、および盲腸を摘出し、サンプルを採取して RT-PCR 法で特定の腸内細菌叢と代謝物の定量分析を行いました。培養では、有機酸の濃度はラクトバチルスやビフィズス菌の存在量には影響を与えませんでしたが、クロストリジウムの個体数を増加させました。回腸では、ラクトバチルス属とエンテロバクター属の減少のみが変化したが、盲腸ではこれらの菌叢に変化はなかった（151）。最高濃度の有機酸補給では、のど袋中の総乳酸濃度（DおよびL）が減少し、砂嚢中の両方の有機酸の濃度が減少し、盲腸中の有機酸の濃度が低下した。回腸には変化はなかった。短鎖脂肪酸（SCFA）に関しては、有機酸を与えられた鳥ののど袋と砂嚢における唯一の変化はプロピオン酸レベルであった。より低濃度の有機酸を与えられた鳥は、のど袋中のプロピオン酸がほぼ10倍に増加したのに対し、2種類の濃度の有機酸を与えられた鳥は、砂嚢中のプロピオン酸がそれぞれ8倍と15倍に増加した。回腸における酢酸の増加は2倍未満であった。全体的に、これらのデータは、外部からの有機酸施用による効果の大部分は収量に現れたが、有機酸は下部消化管の微生物群集にはほとんど影響を与えなかったという見解を支持しており、これは上部消化管常在菌叢の発酵パターンが変化した可能性があることを示唆している。
消化管全体におけるギ酸に対する微生物の反応を完全に解明するには、マイクロバイオームのより詳細な特性評価が必要であることは明らかです。特定の消化管区画、特に嚢胞などの上部区画における微生物分類のより詳細な分析は、特定の微生物群の選択に関するさらなる知見をもたらす可能性があります。これらの微生物の代謝および酵素活性は、消化管に侵入する病原体との拮抗関係の有無を決定する可能性もあります。また、鳥類の生涯における酸性化学添加物への曝露が、より「耐酸性」の高い常在細菌を選択するかどうか、そしてこれらの細菌の存在および／または代謝活性が病原体の定着に対するさらなる障壁となるかどうかを明らかにするために、メタゲノム解析を行うことも興味深いでしょう。
ギ酸は長年にわたり、動物飼料の化学添加物やサイレージの酸性化剤として使用されてきました。その主な用途の一つは、飼料中の病原菌の数を抑制し、鳥類の消化管におけるそれらの定着を抑制する抗菌作用です。in vitro試験では、ギ酸はサルモネラ菌などの病原菌に対して比較的効果的な抗菌剤であることが示されています。しかし、飼料成分に含まれる有機物の量が多く、それらの潜在的な緩衝能によって、飼料マトリックスへのギ酸の使用は制限される可能性があります。ギ酸は、飼料や飲料水を介して摂取された場合、サルモネラ菌などの病原菌に対して拮抗作用を示すようです。しかし、この拮抗作用は主に上部消化管で発現します。ギ酸濃度はプロピオン酸と同様に、下部消化管で低下する可能性があるためです。カプセル化によってギ酸を保護するという概念は、より多くの酸を下部消化管に送達するための潜在的なアプローチを提供します。さらに、研究では、有機酸の混合物は、単一の酸を投与するよりも家禽の生産性向上に効果的であることが示されています（152）。消化管内のカンピロバクターは、ギ酸を電子供与体として利用できること、そしてギ酸が主要なエネルギー源であることから、ギ酸に対して異なる反応を示す可能性があります。消化管内のギ酸濃度の上昇がカンピロバクターに有益であるかどうかは不明であり、ギ酸を基質として利用できる他の消化管内細菌叢によっては、有益ではない可能性があります。
消化管ギ酸が非病原性の常在消化管微生物に及ぼす影響を調査するには、さらなる研究が必要です。宿主にとって有益な消化管マイクロバイオームのメンバーを阻害することなく、病原体を選択的に標的とすることを優先します。しかし、そのためには、これらの常在消化管微生物群集のマイクロバイオーム配列をより詳細に解析する必要があります。ギ酸を投与された鳥の盲腸マイクロバイオームに関する研究はいくつか発表されていますが、上部消化管微生物群集にさらなる注意を払う必要があります。ギ酸の存在下または非存在下における微生物の同定と消化管微生物群集間の類似性の比較は、不完全な記述となる可能性があります。組成が類似するグループ間の機能的差異を特徴付けるには、メタボロミクスやメタゲノミクスを含むさらなる解析が必要です。このような特徴付けは、消化管微生物群集とギ酸ベースの改善剤に対する鳥のパフォーマンス反応との関係を確立するために不可欠です。複数のアプローチを組み合わせて胃腸機能の特徴をより正確に把握することで、より効果的な有機酸補給戦略の開発が可能になり、最終的には食品安全リスクを制限しながら最適な鳥の健康とパフォーマンスの予測が改善されるはずです。
SRはDDとKRの協力を得て本レビューを執筆しました。著者全員が本レビューに掲載された研究に多大な貢献をしました。
著者らは、本レビューの執筆および出版にあたり、Anitox Corporationから資金提供を受けたことを宣言します。資金提供者は、本レビュー記事で表明された見解および結論、あるいは出版の決定に一切影響を与えていません。
残りの著者らは、この研究は利益相反となる可能性のある商業的または金銭的関係なしに実施されたと宣言します。
DD博士は、アーカンソー大学大学院の優秀教育フェローシップによる支援、およびアーカンソー大学細胞・分子生物学プログラムと食品科学部からの継続的な支援に感謝の意を表します。さらに、著者らは、本レビューの執筆にあたり、初期段階から支援をいただいたAnitox社に感謝の意を表します。
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