この記事は、「抗菌剤の使用、抗菌剤耐性、および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、動物飼料添加物として引き続き高い需要があります。これまで、特に家禽やその他の動物における食中毒病原菌の発生率を低減することなど、食品の安全性に重点が置かれてきました。現在、いくつかの有機酸が研究されているか、すでに商業的に使用されています。多くの有機酸の中でも、ギ酸は広く研究されているものの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菌の存在を制限するために、家禽の飼料に添加されます。宿主および食中毒病原菌に対するギ酸の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活性化することが明らかになってきています。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、腸内細菌叢とも相互作用すると、この反応はさらに複雑になる可能性があります。本レビューでは、ギ酸で処理された家禽および飼料のマイクロバイオームに関する現在の研究結果と今後の研究の見通しを検証する。
畜産と家禽生産の両方において、課題は、食品安全リスクを制限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、および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は、胃腸（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によって宿主の反応を媒介すると提唱されています（3）。しかし、抗生物質耐性食中毒病原体の潜在的な拡散と、ヒトにおける抗生物質耐性感染症との潜在的な関連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廃止されています（4～8）。したがって、これらの要件（動物の健康、福祉、および生産性の向上）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非常に興味深いものです（5、9）。動物飼料市場には、プロバイオティクス、プレバイオティクス、様々な植物由来の精油や関連化合物、アルデヒドなどの化学物質を含む、様々な市販飼料添加物が参入している（10～14）。家禽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、競合排除製品、酸性化合物などがある（15、16）。
既存の化学飼料添加物の中で、アルデヒド類と有機酸類は、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、病原性細菌に対する拮抗作用があることでよく知られている。これらの有機酸は、飼料マトリックス中の病原体の存在を制限するだけでなく、消化管機能に活性作用を及ぼすためにも飼料添加物として使用されている（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、消化管内で摂取された病原体に対抗する一部のプロバイオティクスやプレバイオティクスの能力において、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います（17、20、21、23、24、26）。初期の研究は動物や家禽の飼料中の食中毒菌の制御に焦点を当てていましたが、最近の研究は動物のパフォーマンスと消化器系の健康の全体的な改善に焦点を当てるようになりました（20、21、24）。酢酸、プロピオン酸、酪酸は有機酸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）。ギ酸の食品安全面、特に家畜飼料中の食中毒菌の発生率の低減に多くの注目が集まっています。しかし、他の可能性のある用途も検討されています。この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する。さらに、家畜や家禽に対するギ酸の影響を詳しく調べ、その有効性を向上させるための方法についても考察する。
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動物および家禽の健康に対するその使用の影響、そして有効性を向上させるための潜在的な方法を説明すること。
家畜や家禽用の飼料の生産は、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、動物の特定の栄養ニーズに応じて飼料に複数の栄養素を添加するなど、複数のステップを含む複雑な作業です（27）。このような複雑さを考えると、飼料加工において穀物が飼料工場に到着する前、製粉中、そしてその後の輸送中や配合飼料として給餌される際にさまざまな環境要因にさら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、飼料中に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、動物の健康にリスクをもたらすマイコトキシンを生成するものもあります（32～35）。
細菌集団は比較的多様であり、微生物の分離および同定に使用されるそれぞれの方法やサンプルの供給源によってある程度異なります。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可能性があります (36)。従来の培養法や平板培養法によっていくつかの情報が得られてきましたが、最近の 16S rRNA 遺伝子に基づく次世代シーケンシング (NGS) 法の適用により、飼料微生物群集のより包括的な評価が可能になりました (9)。Solanki ら (37) は、殺虫剤であるホスフィンの存在下で一定期間保存された小麦粒の細菌微生物群集を調べたところ、収穫後および 3 か月の保存後に微生物群集がより多様になっていることがわかりました。さらに、Solanki らは、 （37）（37）は、小麦粒ではプロテオバクテリア、フィルミクテス、アクチノバクテリア、バクテロイデス、プランクトミセスが優勢な門であり、バチルス、エルウィニア、シュードモナスが優勢な属であり、腸内細菌科は少数派であることを実証した。分類学的比較に基づいて、ホスフィン燻蒸は細菌集団を大きく変化させたが、真菌の多様性には影響を与えなかったと結論付けた。
Solanki ら (37) は、マイクロバイオーム中の腸内細菌科の検出に基づき、飼料源にも公衆衛生上の問題を引き起こす可能性のある食中毒病原体が含まれている可能性があることを示した。クロストリジウム・パーフリンゲンス、クロストリジウム・ボツリヌス、サルモネラ、カンピロバクター、大腸菌 O157:H7、リステリア・モノサイトゲネスなどの食中毒病原体は、動物飼料やサイレージに関連付けられている (9、31、38)。動物飼料や家禽飼料における他の食中毒病原体の持続性は現在不明である。Ge ら (39) は、200 種類以上の動物飼料原料をスクリーニングし、サルモネラ、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、病原性大腸菌の発生源となる可能性がある。 2016年に発生した、ヒト疾患に関連する志賀毒素産生性大腸菌（STEC）血清群O121およびO26の発生源を追跡するにあたり、Croweら（40）は全ゲノムシーケンスを用いて、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、発生源は製粉所から得られた低水分生小麦粉である可能性が高いと結論付けた。小麦粉の低水分含有量は、STECが低水分動物飼料でも生存できることを示唆している。しかし、Croweら（40）が指摘するように、小麦粉サンプルからのSTECの分離は困難であり、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となる。同様の診断プロセスは、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する可能性がある。検出の困難さは、これらの病原体が低水分マトリックス中で長期間生存することにも起因する可能性がある。Forghaniら（41）は、室温で保存した小麦粉に腸管出血性大腸菌（EHEC）血清群O45、O121、O145とサルモネラ菌（S. Typhimurium、S. Agona、S. Enteritidis、S. Anatum）の混合物を接種した場合、84日と112日後には定量可能であり、24週間と52週間後に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従来の培養法では動物や家禽の飼料から分離されたことはありませんでしたが (38, 39)、カンピロバクターは家禽や家禽製品の消化管から容易に分離できます (42, 43)。しかし、飼料は潜在的な感染源として依然として利点があります。たとえば、Alves ら (44) は、肥育鶏の飼料に C. jejuni を接種し、その後、飼料を 2 つの異なる温度で 3 日間または 5 日間保存すると、生存可能な C. jejuni が回収され、場合によっては増殖することさえあることを実証しました。彼らは、C. jejuni は家禽の飼料中で確実に生存できるため、鶏の感染源となる可能性があると結論付けました。
動物飼料および家禽飼料のサルモネラ菌汚染は、これまで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や、より効果的な制御対策の発見に向けた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、多くの研究がさまざまな飼料施設や飼料工場におけるサルモネラ菌の分離と特性評価を調査してきました (38、39、54～61)。これらの研究は、サルモネラ菌がさまざまな飼料原料、飼料源、飼料の種類、および飼料製造工程から分離される可能性があることを全体的に示しています。分離されたサルモネラ菌の蔓延率と優勢な血清型も様々でした。たとえば、Li ら (57) は、2002 年から 2009 年のデータ収集期間中に、完全動物飼料、飼料原料、ペットフード、ペット用おやつ、ペット用サプリメントから収集された 2058 サンプルの 12.5% でサルモネラ属菌の存在を確認しました。さらに、検査で陽性となったサルモネラ菌サンプルの 12.5% で検出された最も一般的な血清型は S. Senftenberg と S. Montevideo であった (57)。テキサス州のすぐに食べられる食品と動物飼料副産物の研究で、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 であったと報告した。飼料工場では、原料の混合と添加の際に飼料汚染の可能性のある箇所が複数存在する (9, 56, 61)。Magossi ら (61) は、米国での飼料生産中に複数の汚染箇所が発生する可能性があることを実証できた。実際、Magossi ら (61) は、米国の 8 州の 11 の飼料工場 (合計 12 箇所のサンプリング) で少なくとも 1 つのサルモネラ菌培養陽性例を発見した。飼料の取り扱い、輸送、および日常的な給餌の過程で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、動物生産サイクル全体を通して微生物汚染を低減し、低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当然のことと言えるでしょう。
サルモネラ菌のギ酸に対する特異的な応答のメカニズムについてはほとんど知られていない。しかし、Huangら（62）は、哺乳類の小腸にギ酸が存在し、サルモネラ属菌がギ酸を産生できることを示した。Huangら（62）は、主要経路の欠失変異体シリーズを用いてサルモネラ菌の病原性遺伝子の発現を検出し、ギ酸が拡散シグナルとして作用し、サルモネラ菌がHep-2上皮細胞に侵入することを誘導できることを発見した。最近、Liuら（63）は、pH 7.0で特異的な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排出チャネルとして、低いpHでは二次的な能動的なギ酸/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をサルモネラ・ティフィムリウムから単離した。しかし、この研究はS.ティフィムリウムの1つの血清型のみで行われた。すべての血清型が同様のメカニズムでギ酸に反応するかどうかは依然として疑問である。これは今後の研究で取り組むべき重要な研究課題である。結果に関わらず、飼料中のサルモネラ菌レベルを下げるために酸性サプリメントを使用する一般的な推奨事項を作成する際には、スクリーニング実験で複数のサルモネラ血清型、あるいは各血清型の複数の株を使用することが賢明である。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の新しいアプローチ（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細かい差異を識別する機会を提供する。
ギ酸塩の化学的性質と解離形態も重要である可能性がある。Beyer ら (65–67) は一連の研究で、Enterococcus faecium、Campylobacter jejuni、Campylobacter coli の阻害は解離したギ酸の量と相関しており、pH や解離していないギ酸とは無関係であることを示した。細菌が曝されるギ酸塩の化学形態も重要であると思われる。Kovanda ら (68) はいくつかのグラム陰性菌と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塩の混合物 (40/60 m/v; 10–10,000 mg/L) の最小阻害濃度 (MIC) を比較した。 MIC値に基づくと、ギ酸ナトリウムはカンピロバクター・ジェジュニ、クロストリジウム・パーフリンゲンス、ストレプトコッカス・スイス、およびストレプトコッカス・ニューモニエに対してのみ阻害作用を示し、大腸菌、サルモネラ・チフィムリウム、またはエンテロコッカス・フェカリスに対しては阻害作用を示さないことがわかった。対照的に、ギ酸ナトリウムと遊離ギ酸ナトリウムの混合物はすべての微生物に対して阻害作用を示したため、著者らは遊離ギ酸が抗菌特性の大部分を担っていると結論付けた。これら2つの化学形態の異なる比率を調べて、MIC値の範囲が混合製剤中のギ酸濃度と100%ギ酸に対する反応と相関するかどうかを調べることは興味深いだろう。
Gomez-Garcia ら (69) は、豚から得られた複数の大腸菌、サルモネラ菌、およびウェルシュ菌の分離株に対して、精油と有機酸 (ギ酸など) の組み合わせを試験した。彼らは、ホルムアルデヒドを陽性対照として使用し、ギ酸を含む 6 種類の有機酸と 6 種類の精油の豚由来分離株に対する有効性を試験した。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)、およびウェルシュ菌 (1200 および 2400 ppm、2) に対するギ酸の MIC50、MBC50、および 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った。 （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 応答と一致する濃度で解離することを示した。しかし、Campylobacter はこれらの酸を基質として利用できるため (66、67)、ギ酸を含むこれらの酸の相対的な効力には疑問が呈されている。C. jejuni の酸利用は、解糖系以外の代謝を持つことが示されているため、驚くべきことではない。したがって、C. jejuni は炭水化物の異化能力が限られており、エネルギー代謝と生合成活性の​​大部分をアミノ酸と有機酸からの糖新生に依存している (71、72)。Line らによる初期の研究では、 （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た。有機酸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）による表現型炭素利用アレイを用いたさらなる研究では、彼らの研究で調べたC. jejuniとE. coli株は有機酸を炭素源として増殖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の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、この複合体はギ酸を二酸化炭素、プロトン、電子に酸化し、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歴史を持つが、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 ら (76) は、ギ酸が約 350 年前に Ray (77) によって記述されたアリの酸性樹液の成分であ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我々の理解は大幅に増加し、現在ではこのプロセスが昆虫の複雑な毒素防御システムの一部であることが知られている (78)。ハリナシミツバチ、尖ったアリ (膜翅目: ミツバチ科)、オサムシ (Galerita lecontei および G. janus)、ハリナシミツバチ (Formicinae)、および一部のガの幼虫 (鱗翅目: アリハナガ類) を含むさまざまな昆虫群が、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、ギ酸を主成分とする毒液を噴射できる特殊な開口部である酸性細胞を持つため、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体として用い、大量のギ酸を毒腺に蓄える。この毒腺は、噴射されるまで宿主アリをギ酸の細胞毒性から保護するのに十分な絶縁構造になっている（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、（2）競合相手や捕食者に対する防御化学物質として、（3）巣材の一部として樹脂と組み合わせると抗真菌剤および抗菌剤として作用する可能性がある（78、82、84～88）。アリが生成するギ酸は抗菌性があり、局所添加剤として使用できる可能性を示唆している。これは、Bruch ら（88）が合成ギ酸を樹脂に添加し、抗真菌活性を大幅に向上させたことで実証された。ギ酸の有効性と生物学的有用性を示すさらなる証拠として、胃酸を生成できないオオアリクイは、代替の消化酸として濃縮されたギ酸を得るために、ギ酸を含むアリを食べるということが挙げられる（89）。
農業におけるギ酸の実用的利用は、長年にわたり検討され研究されてきた。特に、ギ酸は動物飼料やサイレージの添加物として使用できる。固体および液体のギ酸ナトリウムは、すべての動物種、消費者、および環境に対して安全であると考えられている（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対して安全であると考えられ、最大濃度12,000 mgギ酸当量/kg飼料は豚に対して安全であると考えられている。動物飼料改良剤としてのギ酸の使用は、長年にわたり研究されてきた。ギ酸は、サイレージの保存料および動物や家禽の飼料における抗菌剤として商業的価値があると考えられている。
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には、できるだけ多くの乾物を保持し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性条件から、その後の発酵、貯蔵、給餌のためのサイロの再開に至るまで、サイレージ化プロセスのすべての段階での損失が最小限に抑えられる。圃場での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ための具体的な方法は、他の場所で詳細に議論されている（91、93-95）ため、ここでは詳細には議論しない。主な問題は、サイレージに酸素が存在する場合に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、腐敗の悪影響を打ち消すために、生物学的接種剤と化学添加物が導入されている（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（例えば、病原性大腸菌、リステリア菌、サルモネラ菌）やマイコトキシン産生菌の拡散を抑制することが挙げられる（96～98）。
Mack ら (92) は酸性添加剤を 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、酵母やカビの増殖を抑制することで、反芻動物に給餌されたサイレージの好気性安定性を維持します (92)。Mack ら (92) はギ酸を他の酸から分離し、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とみなしました。実際には、非塩形態の酸の腐食性を避けるために、その塩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剤としてギ酸を研究しています。ギ酸は、迅速な酸性化能力と、サイレージのタンパク質と水溶性炭水化物含有量を減少させる有害なサイレージ微生物の増殖に対する阻害効果で知られています (99)。したがって、He ら（92）は、ギ酸とサイレージ中の酸性添加剤を比較した。（100）は、ギ酸が大腸菌を阻害し、サイレージのpHを低下させることを示した。ギ酸と乳酸を生成する細菌培養物も、酸性化と有機酸生成を促進するためにサイレージに添加された（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、乳酸とギ酸の生成量がそれぞれ800 mg有機酸/100 gサンプルと1000 mg有機酸/100 gサンプルを超えたことを発見した。Mackら（92）は、2000年以降に発表されたギ酸や他の酸に焦点を当てた、またはそれらを含む研究を含め、サイレージ添加剤の研究文献を詳細にレビューした。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点を要約する。緩衝されていないギ酸と緩衝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菌が関与しています。相対活性（炭水化物、タンパク質、乳酸の取り込みと酪酸の排出）は低下する傾向があり、アンモニアと酪酸の生成は減少し、乾物保持は増加します（92）。ギ酸の性能には限界がありますが、他の酸と組み合わせてサイレージ添加剤として使用することで、これらの問題の一部を克服できるようです（92）。
ギ酸は、人間の健康にリスクをもたらす病原菌を抑制することができます。例えば、PaulyとTam（102）は、3つの異なる乾物レベル（200、430、540 g/kg）のライグラスを含む小型実験室サイロにL. monocytogenesを接種し、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ました。彼らは、両方の処理により、乾物レベルの低いサイレージ（200 g/kg）中のL. monocytogenesが検出限界以下に減少したと報告しました。しかし、乾物レベルの中程度のサイレージ（430 g/kg）では、ギ酸処理したサイレージで30日後もL. monocytogenesが検出されました。L. monocytogenesの減少は、pHの低下、乳酸、および結合した未解離酸に関連しているようです。例えば、PaulyとTam（102）は、乳酸と解離していない酸の複合レベルが特に重要であると指摘しており、これが、乾物含有量の高いサイレージのギ酸処理培地でL. monocytogenesの減少が見られなかった理由かもしれない。今後、サルモネラ菌や病原性大腸菌などの他の一般的なサイレージ病原菌についても同様の研究を行うべきである。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発生するサイレージ微生物集団全体の変化を特定するのにも役立つ可能性がある（103）。マイクロバイオームデータを取得することで、サイレージ発酵の進行をより正確に予測し、高いサイレージ品質を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が得られる可能性がある。
穀物ベースの動物飼料では、ギ酸は、さまざまな穀物由来の飼料基質や動物副産物などの特定の飼料原料中の病原菌レベルを制限するための抗菌剤として使用されます。家禽やその他の動物の病原菌集団への影響は、大きく分けて2つのカテゴリーに分類できます。飼料自体の病原菌集団への直接的な影響と、処理された飼料を摂取した後に動物の消化管に定着する病原菌への間接的な影響です（20、21、104）。明らかに、これら2つのカテゴリーは相互に関連しており、飼料中の病原菌の減少は、動物が飼料を摂取したときの定着の減少につながるはずです。しかし、飼料基質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、ギ酸やその他の関連酸の使用は、主に動物や家禽の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)。これらの研究の結果は、さまざまな時期に発表されたいくつかのレビューで詳細にまとめられているため (18、21、26、47、104–106)、この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、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原料の供給源も影響要因です。したがって、多くの研究で、動物副産物から分離された細菌毒素は、植物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)。しかし、ギ酸などの酸に対する反応の違いは、飼料中の血清型の生存率の違いや、飼料が処理される温度の違いに関連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違いは、汚染された飼料による家禽の汚染の要因にもなり得る (113、115) し、病原性遺伝子発現の違い (116) も役割を果たしている可能性があります。飼料由来の酸が適切に緩衝されない場合、酸耐性の違いが培養培地中のサルモネラの検出に影響を与える可能性があります (21、105、117–122)。食事の物理的形態（粒子サイズに関して）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る（123）。
飼料に添加されるギ酸の抗菌活性を最適化するための戦略も重要です。飼料混合前に高濃度のギ酸を飼料工場設備の損傷や動物飼料の嗜好性の問題を最小限に抑えるために、高汚染飼料原料に対してより高濃度のギ酸を添加することが提案されています（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、化学処理後に飼料と接触するサルモネラ菌よりも制御が難しいと結論付けました。飼料工場での処理中に飼料を加熱処理することは、飼料のサルモネラ菌汚染を制限するための介入として提案されていますが、これは飼料の組成、粒子サイズ、および製粉プロセスに関連するその他の要因に依存します（51）。酸の抗菌活性は温度にも依存し、有機酸が存在する高温は、サルモネラ菌の液体培養で観察されたように、サルモネラ菌に対して相乗的な阻害効果をもたらす可能性があります（124、125）。サルモネラ菌に汚染された飼料に関するいくつかの研究は、温度の上昇が飼料マトリックス中の酸の有効性を高めるという考えを支持している（106、113、126）。Amado ら（127）は、さまざま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 株の Salmonella enterica と Escherichia coli における温度と酸（ギ酸または乳酸）の相互作用を研究するために中心複合計画を使用した。彼らは、熱が酸および細菌分離株の種類とともに微生物減少に影響を与える主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、より低い温度と酸濃度を使用できる。しかし、ギ酸を使用した場合、相乗効果が常に観察されるとは限らないことも指摘しており、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推測している。
動物に給餌する前に飼料の保存期間を制限することは、給餌中に食中毒病原体が動物の体内に入るのを制御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。消化管内で外因的に投与された酸性物質の抗菌作用は、胃酸濃度、消化管の活性部位、消化管のpHと酸素含有量、動物の年齢、および消化管微生物群の相対的な構成（これは消化管の位置と動物の成熟度に依存します）など、さまざまな要因に依存する可能性があります（21、24、128～132）。さらに、消化管内の嫌気性微生物の常在菌群（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）は発酵によって有機酸を活発に生成し、それが消化管に侵入する一時的な病原体に対して拮抗作用を示す可能性もある（17、19～21）。
初期の研究の多くは、ギ酸を含む有機酸を使用して家禽の消化管内のサルモネラ菌を制限することに焦点を当てており、これについてはいくつかのレビューで詳細に議論されている（12、20、21）。これらの研究をまとめて検討すると、いくつかの重要な観察結果が得られる。McHanとShotts（133）は、ギ酸とプロピオン酸を給餌すると、細菌を接種した鶏の盲腸内のサルモネラ・ティフィムリウムのレベルが低下し、7日齢、14日齢、21日齢で定量化されたと報告した。しかし、Humeら（128）がC-14標識プロピオン酸をモニタリングしたところ、飼料中のプロピオン酸は盲腸に到達する量が非常に少ない可能性があると結論付けた。これがギ酸にも当てはまるかどうかはまだ明らかになっていない。しかし、最近Bourassaらは、 （134）は、生後7日、14日、21日に定量した細菌を接種した鶏の盲腸内のサルモネラ菌（Salmonella Typhimurium）のレベルを、ギ酸とプロピオン酸を給餌することで低下させたことを報告した。（132）は、6週間の飼育期間中にブロイラー鶏に4g/tのギ酸を給餌すると、盲腸内のS. Typhimuriumの濃度が検出限界以下に低下したことを指摘した。
飼料中のギ酸の存在は、家禽の消化管の他の部分に影響を与える可能性がある。Al-Tarazi と Alshavabkeh (134) は、ギ酸とプロピオン酸の混合物が、嗉嚢と盲腸における Salmonella pullorum (S. PRlorum) の汚染を減少させることができることを示した。Thompson と Hinton (129) は、市販のギ酸とプロピオン酸の混合物が、嗉嚢と砂嚢における両方の酸の濃度を増加させ、代表的な飼育条件下での in vitro モデルにおいて Salmonella Enteritidis PT4 に対して殺菌作用があることを観察した。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、家禽処理工場への輸送前にブロイラー鶏が受ける絶食と同様に、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。飲用水にギ酸を添加すると、嗉嚢および精巣上体中のサルモネラ菌（S. Typhimurium）の数が減少し、嗉嚢中のサルモネラ菌陽性の頻度も減少したが、精巣上体陽性の数は減少しなかった（135）。下部消化管で有機酸が活性を示す間、有機酸を保護できる送達システムの開発は、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、盲腸内容物中のサルモネラ菌（Salmonella Enteritidis）の数を減少させることが示されている（136）。ただし、これは動物種によって異なる可能性がある。例えば、Walia らは、 （137）は、ギ酸、クエン酸、および精油カプセルの混合物を給餌した生後28日の子豚の盲腸またはリンパ節におけるサルモネラの減少は観察されず、糞便中のサルモネラの排泄は14日目には減少したが、28日目には減少しなかった。彼らは、豚間のサルモネラの水平感染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主に食中毒菌サルモネラ菌に焦点を当ててきたが、他の消化管病原菌を対象とした研究もいくつかある。Kovanda ら (68) による試験管内研究では、ギ酸は大腸菌やカンピロバクター・ジェジュニなどの他の消化管食中毒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のレベル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・ジェジュニの主要な呼吸エネルギー源であるため、この発見は家禽の飼料への添加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、ギ酸などの消化管細菌によって産生される混合酸発酵産物との代謝的クロスフィードによるものと考えられている（139）。この見解にはある程度の根拠がある。ギ酸はC. jejuniの化学誘引物質であるため、ギ酸脱水素酵素と水素化酵素の両方に欠陥のある二重変異体は、野生型C. jejuni株と比較して、ブロイラー鶏の盲腸への定着率が低下している（140、141）。外部からのギ酸補給が鶏のC. jejuniの消化管定着にどの程度影響するかはまだ不明である。実際の消化管内のギ酸濃度は、他の消化管細菌によるギ酸の異化作用や上部消化管でのギ酸の吸収により低くなる可能性があるため、いくつかの変数がこれに影響を与える可能性がある。さらに、ギ酸は一部の消化管細菌によって生成される発酵産物であり、消化管内の総ギ酸濃度に影響を与える可能性がある。消化管内容物中のギ酸を定量し、メタゲノミクスを用いてギ酸脱水素酵素遺伝子を同定することで、ギ酸産生微生物の生態に関するいくつかの側面が明らかになるかもしれない。
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給餌した場合の、抗生物質耐性大腸菌の発生率への影響を比較した。総大腸菌および抗生物質耐性大腸菌分離株は、生後 1 日のブロイラー鶏の糞便の混合サンプルと、生後 14 日および 38 日のブロイラー鶏の盲腸内容物サンプルで計数された。大腸菌分離株は、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、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、テトラサイクリンに対する耐性について検査された。それぞれのE. coli集団を定量化して特徴づけたところ、エンロフロキサシンも酸カクテルも、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E. coliの総数を変化させなかった。エンロフロキサシンを添加した飼料を与えられた鶏は、盲腸内の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E. coliのレベルが増加し、セフォタキシム耐性E. coliのレベルが減少した。カクテルを与えられた鶏は、対照群およびエンロフロキサシンを添加した鶏と比較して、盲腸内のアンピシリンおよびテトラサイクリン耐性E. coliの数が減少した。混合酸を与えられた鶏は、エンロフロキサシンを与えられた鶏と比較して、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E. coliの数も減少した。酸が大腸菌の総数を減らさずに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、Roth らの研究結果は、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 らが記述したプラスミド関連阻害因子など、大腸菌における抗生物質耐性遺伝子の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が存在する家禽の消化管集団におけるプラスミド媒介抗生物質耐性のより詳細な分析を行い、消化管レジストームを評価することによってこの分析をさらに洗練させることは興味深いだろう。
病原体に対する最適な抗菌飼料添加物の開発は、理想的には、全体的な消化管フローラ、特に宿主にとって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、常在消化管微生物叢に悪影響を及ぼし、ある程度、病原体に対する保護特性を打ち消す可能性がある。たとえば、Thompson と Hinton (129) は、ギ酸とプロピオン酸の混合物を給餌した産卵鶏の嗉嚢乳酸レベルの低下を観察し、これらの外因性有機酸が嗉嚢に存在すると嗉嚢乳酸菌の減少につながることを示唆した。嗉嚢乳酸菌はサルモネラ菌に対するバリアと考えられており、したがって、この常在嗉嚢微生物叢の破壊は、消化管へのサルモネラ菌の定着の抑制に悪影響を及ぼす可能性がある (144)。Açıkgöz らは、鳥の下部消化管への影響はより小さ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用した生後42日のブロイラー鶏では、腸内細菌叢全体または大腸菌数に差は見られなかった。著者らは、これはギ酸が上部消化管で代謝されるためである可能性があり、他の研究者らが外因的に投与された短鎖脂肪酸（SCFA）で観察したように（128、129）、と示唆した。
何らかのカプセル化によってギ酸を保護すると、下部消化管への到達に役立つ可能性がある。(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豚と比較して、豚の盲腸における総短鎖脂肪酸(SCFA)含有量を著しく増加させたことを指摘した。この結果から、著者らは、ギ酸が適切に保護されていれば、下部消化管に効果的に到達する可能性があると示唆した。しかし、ギ酸塩や乳酸塩濃度など、他のいくつかのパラメーターは、対照食を与えられた豚よりも高かったものの、保護されていないギ酸塩食を与えられた豚のそれらと統計的に有意な差はなかった。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豚は乳酸がほぼ3倍に増加したが、乳酸菌数はどちらの処理によっても変化しなかった。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、および／または代謝活性が影響を受けて発酵パターンが変化し、常在乳酸菌がより多くの乳酸を産生するようになる微生物では、その違いがより顕著になる可能性がある。
家畜の消化管に対する飼料添加物の影響をより正確に研究するためには、より高解像度の微生物同定法が必要である。ここ数年、16S rRNA遺伝子の次世代シーケンシング（NGS）が、マイクロバイオーム分類群の同定や微生物群集の多様性の比較に用いられており（147）、家禽などの食用動物の消化管微生物叢と飼料添加物との相互作用についてより深く理解できるようになっている。
いくつかの研究では、マイクロバイオームシーケンスを使用して、鶏の消化管マイクロバイオームのギ酸塩補給に対する反応を評価しています。Oakley ら (148) は、飲用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生後 42 日のブロイラー鶏を対象に研究を行いました。免疫された鶏にナリジクス酸耐性サルモネラ typhimurium 株を接種し、生後 0、7、21、42 日で盲腸を摘出しました。盲腸サンプルは 454 パイロシーケンス用に準備され、シーケンス結果は分類と類似性の比較のために評価されました。全体として、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、鶏の年齢とともにサルモネラの検出率は全体的に低下し、サルモネラ配列の相対存在量も時間とともに減少しました。著者らは、ブロイラーが成長するにつれて盲腸微生物集団の多様性が増加し、最も顕著な変化はすべての処理群で胃腸フローラで観察されたと指摘している。最近の研究で、Hu ら (149) は、2 つの段階 (1 ～ 21 日と 22 ～ 42 日) で採取したブロイラー鶏の盲腸マイクロバイオームサンプルに対する、飲用水と有機酸 (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た飼料の給餌の影響を比較した。21 日齢では処理群間で盲腸マイクロバイオームの多様性にいくつかの違いが観察されたが、42 日齢では α または β 細菌の多様性に違いは検出されなかった。42 日齢で違いがないことを考慮すると、著者らは、成長の利点は、最適な多様性を持つマイクロバイオームの早期確立による可能性があると仮説を立てた。
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消化管のどの部分で最も多く発生す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のマイクロバイオームは、食事性有機酸の影響を受けやすい可能性がある。これは、Hume ら (128) の結果によって示唆されている。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示した。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微生物叢に影響を与え、鶏の回腸における Lactobacillus のコロニー形成を増加させることを示した。最近、Goodarzi Borojeni らは、 （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、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、鶏の回腸における乳酸菌の定着を増加させることを実証した。（151）は、ブロイラー鶏にギ酸とプロピオン酸の混合物を2つの濃度（0.75%と1.50%）で35日間給餌する研究を行った。実験終了時に、嗉嚢、胃、回腸の遠位2/3、盲腸を摘出し、RT-PCRを使用して特定の消化管フローラと代謝物の定量分析のためにサンプルを採取した。培養では、有機酸の濃度は乳酸菌やビフィズス菌の存在量に影響を与えなかったが、クロストリジウム菌の数を増加させた。回腸では、乳酸菌と腸内細菌の減少のみが変化したが、盲腸ではこれらの菌叢は変化しなかった（151）。有機酸サプリメントの最高濃度では、嗉嚢で総乳酸濃度（DとL）が減少し、砂嚢で両方の有機酸の濃度が減少し、盲腸で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、有機酸を摂取した鶏の嗉嚢と砂嚢で変化したのはプロピオン酸レベルのみであった。低濃度の有機酸を摂取した鶏では嗉嚢でプロピオン酸がほぼ10倍に増加したが、2つの濃度の有機酸を摂取した鶏では砂嚢でプロピオン酸がそれぞれ8倍と15倍に増加した。回腸での酢酸の増加は2倍未満であった。全体として、これらのデータは、外部からの有機酸施用による影響のほとんどが収量に現れた一方で、有機酸は下部消化管の微生物群集にほとんど影響を与えなかったという見解を裏付けており、上部消化管常在菌叢の発酵パターンが変化した可能性を示唆している。
明らかに、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。消化管の特定の区画、特に嗉嚢などの上部区画の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洞察を提供する可能性がある。それら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があるかどうかを決定する可能性もある。また、鳥の生涯における酸性化学添加物への曝露が、より「酸耐性」のある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追加的な障壁となるかどうかを判断するために、メタゲノム解析を実施することも興味深いだろう。
ギ酸は、動物飼料の化学添加物およびサイレージの酸性化剤として長年使用されてきました。その主な用途の1つは、飼料中の病原菌の数を制限し、鳥類の消化管内での病原菌の定着を抑制する抗菌作用です。試験管内試験では、ギ酸はサルモネラ菌やその他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、飼料原料中の有機物の量が多く、緩衝能が高い場合、飼料基質におけるギ酸の使用は制限される可能性があります。ギ酸は、飼料または飲料水を介して摂取された場合、サルモネラ菌やその他の病原菌に対して拮抗作用を示すようです。ただし、この拮抗作用は主に上部消化管で発生し、下部消化管ではプロピオン酸の場合と同様にギ酸濃度が低下する可能性があります。カプセル化によってギ酸を保護するという概念は、下部消化管により多くの酸を供給するための潜在的なアプローチを提供します。さらに、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を向上させるのに効果的であることが研究で示されています（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、ギ酸を主なエネルギー源としているため、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とって有益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、そうならない可能性もあります。
消化管内の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。私たちは、宿主にとって有益な消化管マイクロバイオームの構成員を損なうことなく、病原体を選択的に標的にすることを望んでいます。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分析する必要があります。ギ酸処理し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もっと注意を払う必要があります。ギ酸の有無による消化管微生物群集の微生物の同定と類似性の比較は、不完全な記述である可能性があります。構成的に類似したグループ間の機能的な違いを特徴付けるには、メタボロミクスやメタゲノミクスを含む追加の分析が必要です。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良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重要です。複数の手法を組み合わせて消化管機能をより正確に特徴づけることで、より効果的な有機酸補給戦略の開発が可能になり、最終的には最適な鳥の健康状態と生産性の予測精度が向上し、同時に食品安全リスクを低減できるはずである。
SRはDDとKRの協力を得て本レビューを執筆した。すべての著者は、本レビューで紹介されている研究に大きく貢献した。
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表明する。資金提供者は、本レビュー記事で表明された見解や結論、あるいは出版の決定に一切影響を与えていない。
残りの著者らは、本研究は潜在的な利益相反とみなされうる商業的または金銭的な関係が一切ない状況で実施されたことを表明する。
DD博士は、アーカンソー大学大学院から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科からの継続的な支援に感謝の意を表します。また、著者らは、本レビューの執筆にあたり、初期段階で支援をいただいたAnitox社にも感謝いたします。
1. Dibner JJ、Richards JD. 農業における抗生物質成長促進剤の使用：歴史と作用機序。Poultry Science (2005) 84:634–43. doi: 10.1093/ps/84.4.634
2. Jones FT、Rick SC。家禽飼料における抗菌剤の開発と監視の歴史。Poultry Science (2003) 82:613–7。doi: 10.1093/ps/82.4.613
3. Broom LJ. 抗生物質成長促進剤の阻害濃度以下の理論。Poultry Science (2017) 96:3104–5. doi: 10.3382/ps/pex114
4. Sorum H、L'Abe-Lund TM。食品媒介細菌における抗生物質耐性―世界的な細菌遺伝子ネットワークの混乱の影響。International Journal of Food Microbiology (2002) 78:43–56。doi: 10.1016/S0168-1605(02)00241-6
5. Van Immerseel F、Cauwaerts K、Devriese LA、Heesebroek F、Ducatel R. 飼料中のサルモネラ菌を制御するための飼料添加物。World Journal of Poultry Science (2002) 58:501–13. doi: 10.1079/WPS20020036
6. Angulo FJ、Baker NL、Olsen SJ、Anderson A、Barrett TJ。農業における抗菌薬の使用：ヒトへの抗菌薬耐性伝播の制御。Seminars in Pediatric Infectious Diseases (2004) 15:78–85。doi: 10.1053/j.spid.2004.01.010
7. Lekshmi M、Ammini P、Kumar S、Varela MF。食品生産環境と動物由来ヒト病原体の抗菌薬耐性の進化。Microbiology (2017) 5:11. doi: 10.3390/microorganisms5010011
8. Lourenço JM、Seidel DS、Callaway TR。第9章：抗生物質と腸機能：歴史と現状。Ricke SC編『家禽の腸内健康の改善』所収。ケンブリッジ：Burley Dodd（2020年）。189～204ページ。DOI：10.19103/AS2019.0059.10
9. リックSC。その8：飼料の衛生。出典: Dewulf J、van Immerzeel F、編。動物生産および獣医学におけるバイオセキュリティ。ルーヴェン: ACCO (2017)。 144 ～ 76 ページ。