Probiotic additives (Lacticaseibacillus rhamnosus RC007 and Lactiplantibacillus plantarum RC009) modulates gut microbiota and systemic biochemical markers associated with improved growth performance in post weaning pigs under field conditions

기술 요약: 이유 후 돼지의 프로바이오틱스 첨가제

문제 제기
집약적 돼지 생산 체계에서의 이유 후 단계(통상 생후 21~28일)는 생리적, 면역학적, 영양적 스트레스가 특징인 결정적인 시기이다. 새끼 돼지는 액상 유제품 기반 식단에서 고형 사료로의 급격한 전환, 모돈과의 분리, 그리고 다른 산자돈들과의 혼합 사육을 경험한다. 이러한 스트레스 요인은 종종 장내 염증, 점막 투과성 증가, 사료 섭ert량 감소, 성장 저해 및 설사를 유발한다. 역사적으로 비치료용 항생제가 이러한 문제를 완화하고 일당 증체량(ADG)을 개선하기 위해 사용되어 왔으나, 무분별한 사용은 다제내성균의 출현을 초래하였으며, 이에 따라 효과적인 대안이 필요해졌다. 프로바이오틱스가 잠재적인 해결책으로 부상했음에도 불구하고, 그 효능은 균주에 따라 의존적이며, 연구 전반에 걸쳐 생산 성능의 개선이 일관되게 관찰되지는 않는다. 더욱이, 현장 조건에서 프로바이오틱스가 전신 생화학적 지표와 장내 미생물 군집 구성에 미치는 구체적인 메커니즘은 여전히 충분히 탐구되지 않은 상태이다.

방법론
본 연구는 아르헨티나 코르도바의 상업용 3개 사이트 돼지 농장에서 실시된 현장 시험으로, 대조군(CG) 1,187두와 프로바이오틱스 처리군 각각 약 1,100두의 돼지를 대상으로 진행되었다. 시험 기간은 이유 후 전체 기간(생후 21일부터 70일까지)을 포괄하였다.

• 실험 설계: 세 가지 처리 그룹이 설정되었다:

  • CG: 표준 사료.
  • LP9: 표준 사료 + Lactiplantibacillus plantarum RC009 ($1 \times 10^{12}$ CFU/kg 사료).
  • LR7: 표준 사료 + Lacticaseibacillus rhamnosus RC007 ($1 \times 10^{12}$ CFU/kg 사료).
  • 참고: 모든 그룹은 특정 간격 동안 음수 내 플로르페니콜(florfenicol)과 독시사이클린(doxycycline)을 포함한 정기적인 항생제 처리를 받았으며, 이를 통해 항생제 투여 맥락에서의 프로바이오틱스 효과를 평가할 수 있도록 하였다.

• 데이터 수집:

  • 생산 파라미터: 60두의 하위 집단을 대상으로 0, 10, 24, 48일에 개별 체중을 기록하였다. 전체 돈사 인구에 대해서는 그룹 단위 체중과 폐사율을 추적하였다. 일당 증체량(ADG)과 사료 요구율(FCR)을 계산하였다.
  • 생화학적 분석: 혈액 샘플을 채취하여 24일과 48일에 총 단백질, 알부민, 글로불린(전기영동을 통해), 콜레스테롤, 알라닌 아미노전이효소(ALT), 아스파르테이트 아미노전이효소(AST), 그리고 산화 스트레스 마커인 말론디알데히드(MDA)를 측정하였다.
  • 미생물 군집 분석: 20일(항생제 투여 전)과 48일에 16마리씩의 분변 샘 samples를 수집하였다. 샘플은 16S rRNA 유전자 시퀀싱(NGS)을 거쳤다. 생물정보학적 분석에는 분류학적 프로파일링(Kraken2/Bracken), 다양성 분석(Shannon/Simpson 지수, PCoA), 그리고 대사 경로를 추론하기 위한 기능적 예측(PICRUSt2)이 포함되었다.

• 통계 분석: 데이터는 동물 식별을 변량 효과로, 그룹/시간을 고정 효과로 하는 일반화 선형 혼합 모델(GLMM) 및 ANOVA를 사용하여 분석되었다.

주요 결과

• 성장 성능:

  • LR7 그룹: L. rhamnosus RC007을 섭취한 돼지는 대조군에 비해 연구 전반에 걸쳐 유의미하게 높은 체중을 나타냈다 ($p < 0.05$). 시험 종료 시, 추정 체중 증가 효과는 대조군 대비 +2.19 kg (±0.45)였다. 이 그룹은 또한 유의미하게 높은 총 ADG (0.53 ± 0.06 kg vs. 0.48 ± 0.07 kg)를 보였으며, FCR은 소폭 개선되었다 (1.32 vs. 1.45).
  • LP9 그룹: L. plantarum RC009를 섭취한 돼지는 지연된 반응을 보였다. 이들은 대조군에 비해 10일 차에 초기 체중이 낮았으나, 48일 차에는 회복되어 유의미하게 높은 최종 체중(+1.01 kg ± 0.44)을 나타냈다. 이들의 전반적인 ADG 증가는 통계적으로 유의하지 않았다.
  • 폐사율: 두 프로바이오틱스 그룹 모두 대조군(0.93%)에 비해 약간 낮은 폐사율(LR7 0.63%, LP9 0.68%)을 보였다.

• 생화학적 지표:

  • 산화 스트레스: 첫 번째 샘플링(24일) 시점에서 두 프로바이오틱스 그룹의 혈장 MDA 수치가 유의미하게 낮았으나, 48일 차에는 이러한 차이가 통계적으로 유의하지 않았다.
  • 간 기능 및 지질: 일반화 선형 혼합 모델은 혈중 콜레스테롤과 ALT 수치가 ADG와 유의미한 음의 상관관계가 있음을 확인했다. 구체적으로, LP9 그룹은 시간이 지남에 따라 콜레스테롤과 ALT가 명확하게 감소한 반면, LR7 그룹은 콜레스테롤이 증가하는 양상을 보였다.
  • 단백질: 프로바이오틱스 섭취는 혈청 단백질 프로파일을 변화시켰으며, LP9 그룹에서는 $\alpha$-글로불린 분획에서, LR7 그룹에서는 $\beta$-글로불린에서 특정 변이가 관찰되었다.

• 장내 미생물 군집 구성:

  • 다양성: 그룹 간 알파 다양성에서 유의미한 차이는 발견되지 않았으나, 프로바이오틱스 그룹은 다양성 지수의 분산이 더 낮았다. 베타 다양성 분석(PCoA) 결과, LR7 그룹은 특히 48일 차에 대조군과 뚜렷하게 구분되어 클러스터를 형성한 반면, LP9 그룹은 대조군과 유사하게 유지되었다.
  • 분류학: 주요 문(phyla)은 Firmicutes와 Bacteroidota였다. LR7 그룹은 Prevotella_7 및 Streptococcaceae(통성 혐기성균)의 증가가 특징적이었다. LP9 그룹은 Lachnospiraceae(포함 Lachnospiraceae NK4A136 그룹) 및 Prevotellaceae NK3B31 그룹의 증가를 보였다.
  • 기능적 예측: PICRUSt2 분석은 대조군이 프로바이오틱스 그룹에 비해 아미노산 생합성(예: 리신, 메티오닌, 발린, 류신)과 관련된 대사 경로의 예측 풍부도가 더 높음을 나타냈다. 이는 프로바이오틱스 섭취가 영양소 대사에 관한 미생물 군집의 유전적 잠재력을 변화시킬 수 있음을 시사한다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 현장 조건에서 L. rhamnosus RC007과 L. plantarum RC009가 돼지의 이유 후 성장을 개선할 수 있는 능력을 입증한다고 주장한다. 성장 성능의 개선, 특히 LR7 균주의 경우 다음 사항과 연관되어 있다:

1. 분변 미생물 군집의 수정: 항염증 활동 및 단쇄 지방산 생성과 관련된 유익한 분류군인 Lachnospiraceae 및 Prevotella 그룹의 풍부화.
2. 전신 생화학적 변화: 산화 스트레스 마커(MDA) 및 간 기능 지표(ALT, 콜레스테롤)의 변화.
3. 대사 잠재력: 장내 미생물 군집의 유전적 잠재력에 대한 예측된 변화로, 미생물 군집이 영양소를 처리하는 방식의 변화를 시사함.

본 논문은 프로바이오틱스 섭취, 미생물 군집 수정, 그리고 개선된 성장 사이의 상관관계를 보여주지만, 이러한 유전적 잠재력의 변화가 동물이 이용 가능한 대사산물에 직접적으로 어떻게 영향을 미치는지 확인하고 관찰된 성능 차이를 유도하는 메커니즘을 완전히 규명하기 위해서는 추가 연구가 필요하다는 점을 언급하며 신중하게 결론을 맺는다. 이 연구는 프로바이오틱스의 효능이 균주에 따라 달라지는 특성을 강조하며, 이 특정 현장 환경에서는 L. rhamnosus RC007가 L. plantarum RC009보다 더 일관된 성장 이점을 제공했음을 명시하였다.