丁酸梭菌作用機(jī)理及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

胡紅偉，張嬋娟，閆凌鵬，麻嘯濤，楊京娥，黨亞鵬，陳茹茹

（山西大禹生物工程股份有限公司，山西 芮城 044600）

丁酸梭菌又名酪酸梭菌、宮入菌，由日本千葉大學(xué)宮入近治博士首次從糞便中分離，該菌是腸道中的一種嚴(yán)格厭氧的芽孢桿菌，能夠分泌丁酸，大量存在于土壤及健康動(dòng)物及人的腸道中，具有較好的抗逆性能，能夠在低pH、高膽鹽濃度的培養(yǎng)基中存活，能夠產(chǎn)生內(nèi)生孢子，這些特性有利于丁酸梭菌作為飼料添加劑應(yīng)用于動(dòng)物生產(chǎn)中[1-5]。日糧中添加丁酸梭菌具有促進(jìn)生長(zhǎng)、提高免疫力及平衡腸道菌群等功能，早在1976年，日本批準(zhǔn)丁酸梭菌作為飼料添加劑，歐盟于2003年批準(zhǔn)丁酸梭菌作為飼料添加劑，2009年，我國(guó)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)丁酸梭菌作為新飼料添加劑應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)。

1 丁酸梭菌形態(tài)及生理特征

丁酸梭菌菌體為桿菌，寬0.5～1.7 μm，長(zhǎng)2.4～7.6 μm，偶爾可見到絲狀菌體，周身鞭毛，能運(yùn)動(dòng)。為革蘭氏陽(yáng)性專性厭氧菌，菌種培養(yǎng)后期產(chǎn)生孢子，芽孢呈圓形或卵圓形，使菌體偏末端部位膨大呈梭狀[6]。細(xì)胞壁不僅含有D、L-二氨基庚二酸，還含有葡萄糖，平板培養(yǎng)基中菌落乳白色或奶油色、濕潤(rùn)，呈圓形，不規(guī)則，菌落稍凸，直徑為1～3 mm。丁酸梭菌具有很強(qiáng)的抗逆性，芽孢90℃處理10 min，100℃處理5 min都不會(huì)失活，在pH為1.0時(shí)仍能存活，在pH 4.0～9.8時(shí)能較好的生長(zhǎng)，最適生長(zhǎng)pH為7.2。生長(zhǎng)溫度為16～44℃，其中最適生長(zhǎng)溫度為36℃。

丁酸梭菌能較好利用葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)氫氣，同時(shí)能夠利用多種碳水化合物，如蔗糖、麥芽糖、棉籽糖、果糖、甘露糖、乳糖和淀粉，明膠不液化，不發(fā)酵肌醇。代謝產(chǎn)物有丁酸、乙酸、乳酸、丁醇等，同時(shí)還可產(chǎn)生淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶等酶制劑，生長(zhǎng)過程中能合成除生物素以外的其他維生素和氨基酸，因此培養(yǎng)基中需要額外添加生物素[7-8]。

2 丁酸梭菌作用機(jī)理

2.1 頡頏病原菌，修復(fù)腸黏膜

益生菌與致病菌競(jìng)爭(zhēng)定植位點(diǎn)，降低致病菌的黏附能力，這是衡量益生菌抑菌能力的重要指標(biāo)。相關(guān)研究顯示，丁酸梭菌在腸道中可抑制致病菌的生長(zhǎng)，減少對(duì)腸黏膜黏附和定植的機(jī)會(huì)，降低各種有毒代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，修復(fù)受損腸黏膜[9-10]。丁酸梭菌可在腸道中發(fā)酵糖類產(chǎn)生丁酸、乙酸、丙酸的酸化劑，能夠降低腸道pH，低pH可對(duì)某些致病菌起到抑制作用。丁酸是結(jié)腸黏膜主要的能量來(lái)源，Chapman等發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸）是由結(jié)腸細(xì)菌發(fā)酵非淀粉多糖產(chǎn)生的，丁酸是結(jié)腸上皮細(xì)胞主要的能源物質(zhì)，潰瘍性結(jié)腸炎患者的結(jié)腸上皮細(xì)胞對(duì)丁酸的氧化能力減弱，因此通過氧化獲得的能量將會(huì)減少，丁酸對(duì)結(jié)腸黏膜修復(fù)的能力下降[11]。

2.2 增強(qiáng)免疫

腸道菌群的失調(diào)引發(fā)宿主的炎癥免疫應(yīng)答，導(dǎo)致多種免疫和代謝疾病[12-14]。Atarashi等研究發(fā)現(xiàn)，梭菌屬細(xì)菌誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGF-β促進(jìn)IL-10的積累，IL-10誘導(dǎo)T調(diào)節(jié)細(xì)胞抑制葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導(dǎo)的結(jié)腸炎[15]。Yoshio等發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌代謝產(chǎn)物中的某種成分能夠促進(jìn)雙歧桿菌的增殖，但經(jīng)過熱處理后該功能被抑制，說明這些成分對(duì)熱敏感，可能是由蛋白質(zhì)組成；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌代謝物中還存在一些能夠抑制大腸桿菌、沙門氏菌、白色念珠菌等病原菌的抑制因子[16]。經(jīng)DSS處理后的急性結(jié)腸炎小鼠，腸道內(nèi)丁酸吸收減少，進(jìn)而導(dǎo)致腸黏膜受損，腸道各項(xiàng)生理功能受到影響[17]。Segain等試驗(yàn)證實(shí)，丁酸能夠抑制腸道克羅恩病患者的炎癥反應(yīng)，原因在于腸道丁酸抑制了免疫細(xì)胞中NF-κB的活化，而NF-κB在免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)中參與了TNF、IL-1、IL-6等炎癥相關(guān)基因的表達(dá)，丁酸的作用在于抑制NF-κB進(jìn)入細(xì)胞核，由于沒有活性NF-κB，促炎性因子的mRNA不能轉(zhuǎn)錄，促炎性因子不能表達(dá)，最終導(dǎo)致炎癥反應(yīng)被抑制[18]。

2.3 產(chǎn)生抑菌物質(zhì)-丁酸梭菌素

一些研究將丁酸梭菌的培養(yǎng)液分離，進(jìn)一步研究其抑菌效果和生理功能。Clarke等從丁酸梭菌NCIB7423菌株發(fā)酵液中分離并純化得到一種能夠?qū)蛊渌鬆钛挎邨U菌的蛋白質(zhì)-丁酸梭菌素7423，其作用位點(diǎn)是細(xì)胞膜[19]。用丁酸梭菌素處理巴斯德梭狀芽孢桿菌時(shí)，細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變，細(xì)胞膜中的代謝物和離子外流，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。賈麗楠等通過體外抑菌實(shí)驗(yàn)研究丁酸梭菌發(fā)酵上清液的抑菌效果和抑菌機(jī)理，分別用丁酸梭菌發(fā)酵上清液和經(jīng)過排酸、過氧化氫酶、胰蛋白酶、蛋白酶K處理的上清液對(duì)大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、副溶血性弧菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌等5種腸道致病菌進(jìn)行體外抑菌實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，未處理上清液對(duì)5種腸道致病菌均有明顯抑制作用，經(jīng)蛋白酶處理后抑菌作用消失，可以推斷出起抑菌作用的物質(zhì)為有機(jī)酸、蛋白質(zhì)或多肽類物質(zhì)[20]。

3 丁酸梭菌在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡

歷經(jīng)長(zhǎng)久的生物進(jìn)化演變，任何動(dòng)物腸道中的微生態(tài)區(qū)系達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，一旦外界環(huán)境發(fā)生改變或生物體內(nèi)部疾病的發(fā)生，各種有害菌或機(jī)體自身的有害菌迅速增殖，打破原有的腸道微生態(tài)平衡，導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，因此維持腸道微生態(tài)平衡十分必要。

丁酸梭菌分泌產(chǎn)生的丁酸和H2，丁酸為結(jié)腸上皮細(xì)胞提供能量來(lái)源，H2可以降低腸道氧化應(yīng)激，減少炎癥的產(chǎn)生。丁酸梭菌在腸道中發(fā)酵產(chǎn)生乙酸、丙酸等其他短鏈脂肪酸，可以促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，減少毒素在腸道存留時(shí)間，同時(shí)，代謝產(chǎn)物丁酸梭菌素可有效抑制腸道病原菌。丁酸梭菌及其代謝產(chǎn)物相結(jié)合，為腸道益生菌的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。

張玲等研究丁酸梭菌與鼠李糖乳桿菌混合培養(yǎng)對(duì)腸道中沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌梭菌和大腸桿菌4種致病菌的影響，結(jié)果表明，4種致病菌均受到丁酸梭菌不同程度的抑制作用，與單獨(dú)培養(yǎng)相比，混合培養(yǎng)后，致病菌數(shù)量下降3～5個(gè)數(shù)量級(jí)[21]。龐敏等研究發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌可以使斷奶仔豬回腸和結(jié)腸咬合蛋白mRNA表達(dá)量顯著升高，降低腸道通透性，減少腹瀉，同時(shí)顯著降低回腸隱窩深度[22]。歐陽(yáng)志周等從仔豬腸道內(nèi)容物中分離獲得1株丁酸梭菌，命名為C.butyricumQL-1，90℃水浴5 min存活率＞95%，pH在2～3時(shí)，存活率＞94.8%，且能夠耐受＜0.3%膽鹽，日糧中添加該菌，能夠改善仔豬十二指腸與回腸的V/C值，改善腸道形態(tài)[23]。Yang等添加在肉仔雞日糧中添加不同比例丁酸梭菌，同時(shí)做對(duì)照組，發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌添加量為2.0×107cfu·g-1日糧或3.0×107cfu·g-1日糧時(shí)，21～42 d時(shí)，乳酸菌和雙歧桿菌數(shù)量高于對(duì)照組，14～42 d，腸道大腸桿菌及沙門氏菌顯著低于對(duì)照組[24]。楊靜等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌磷壁酸能夠通過抑制NF-κB的表達(dá)減少TGF-α的分泌，減少了組織損傷[25]。Hossain等評(píng)估了枯草芽孢桿菌、丁酸梭菌和嗜酸乳桿菌組成的三聯(lián)菌對(duì)腸道微生物影響，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組和抗生素組相比，試驗(yàn)組雙歧桿菌數(shù)量顯著提高[26]。

3.2 改善動(dòng)物生產(chǎn)性能

大量研究證實(shí)，丁酸梭菌能改善肉仔雞的生產(chǎn)性能，原因可能是丁酸梭菌通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡，維持肉仔雞穩(wěn)定的腸道環(huán)境，同時(shí)，丁酸梭菌在腸道內(nèi)產(chǎn)生淀粉酶、蛋白酶等消化酶，促進(jìn)了動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。Yang等研究表明，肉仔雞生長(zhǎng)全期日糧中丁酸梭菌添加量為2×107～3×107cfu·kg-1時(shí)，肉雞體重和平均日增重都顯著高于對(duì)照組，與Zhang等的研究結(jié)果一致[24,27]。Zhao等研究丁酸梭菌和糞腸球菌對(duì)Ross 308肉仔雞生產(chǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)日糧中添加丁酸梭菌1×109cfu·kg-1能夠顯著提高日增重與日采食量，與添加量為糞腸球菌2×109cfu·kg-1差異不顯著[28]。鄧文等研究丁酸梭菌和低聚木糖對(duì)Ross 308肉雞生長(zhǎng)性能、屠宰性能和肉品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示同時(shí)添加丁酸梭菌和低聚木糖能顯著提高平均日增重，降低料肉比，兩者交互作用明顯，同時(shí)還能顯著降低肉雞腹脂率，顯著提高胸肌pH45min及顯著降低滴水損失[29]。馬洪慶等研究由丁酸梭菌、地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌組成的三聯(lián)菌劑對(duì)麻羽肉雞生長(zhǎng)性能的影響，結(jié)果表明，日糧中添加丁酸梭菌三聯(lián)菌劑100 mg·kg-1，可提高日增重7.6%，降低料肉比10%，還可以顯著降低腸道大腸桿菌和沙門氏菌的數(shù)量，乳桿菌數(shù)量比對(duì)照組提高9.1%[30]。

相關(guān)學(xué)者研究丁酸梭菌對(duì)仔豬生產(chǎn)性能的影響。仔豬剛出生時(shí)，消化道是無(wú)菌的，從出生到斷奶前，仔豬的消化道菌群逐漸建立，但是穩(wěn)定性差，丁酸梭菌的添加可改善仔豬腸道微生態(tài)平衡和生長(zhǎng)性能。凌欣華等報(bào)道了飼料在添加復(fù)合丁酸梭菌對(duì)保育仔豬的影響，試驗(yàn)周期30 d，發(fā)現(xiàn)添加量為1 000 g·t-1后，日增重比對(duì)照組提高5.18%，比抗生素組提高4.79%，料重比較對(duì)照組下降3.08%，所有數(shù)據(jù)差異不顯著[31]。李玉鵬等在日糧中添加丁酸梭菌5×105cfu·g-1，研究其對(duì)斷奶仔豬生長(zhǎng)性能的影響，結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組仔豬平均日增重提高7.83%，料重比降低5.26%[32]。王騰浩等研究丁酸梭菌對(duì)斷奶仔豬生長(zhǎng)性能的影響，結(jié)果表明，與Zn+抗生素組相比，丁酸梭菌組平均日增重顯著提高，飼料轉(zhuǎn)化率顯著降低，平均日采食量差異不顯著[33]。何婷等的研究表明，日糧中添加丁酸梭菌能顯著降低生長(zhǎng)豬全腸道表觀消化率，顯著提高血清中順式-5，8，11，14，17-二十碳五烯酸含量，丁酸梭菌和日糧中蛋白質(zhì)水平對(duì)血清中總脂肪酸、二十四酸、棕櫚油酸、花生四烯酸含量影響互作顯著[34]。

3.3 提高機(jī)體免疫力

免疫球蛋白（IgG、IgA、IgM等）是動(dòng)物免疫細(xì)胞分泌的抗感染成分，主要存在血清中，由特異性抗體和分特異性抗體組成，具有抗菌、抗病毒等多種功能。IgG是單體免疫球蛋白，血清中含量最高，作用時(shí)間長(zhǎng)，在機(jī)體抗感染中起主要作用。IgM產(chǎn)生時(shí)間最早，殺菌作用也最強(qiáng)，但是作用時(shí)間短，主要在感染早期起作用。IgA主要存在于呼吸道、腸道等的分泌液中，在抵抗微生物入侵方面起重要作用。劉亭婷等在蛋用海蘭褐仔公雞日糧中添加丁酸梭菌，研究不同濃度丁酸梭菌添加量（250、500、750、1 000 mg·kg-1）對(duì)免疫指標(biāo)和空腸組織相關(guān)細(xì)胞因子基因mRNA表達(dá)的影響，結(jié)果表明，1 000 mg·kg-1添加組脾臟指數(shù)顯著高于對(duì)照組，各丁酸梭菌組免疫球蛋白IgG與對(duì)照組相比顯著增加，與對(duì)照組相比，750、1 000 mg·kg-1組的空腸IL-6基因mRNA表達(dá)水平顯著降低，從而降低炎癥的發(fā)生[35]。史煥等研究表明，育肥豬飼糧中添加丁酸梭菌，能有效降低血清中皮質(zhì)醇含量，說明丁酸梭菌具有一定的抗應(yīng)激作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)尿素氮含量低于對(duì)照組，說明丁酸梭菌對(duì)育肥豬體內(nèi)氨基酸平衡有促進(jìn)作用[36]。Takanori等研究表明，丁酸梭菌可以誘導(dǎo)腸道巨噬細(xì)胞分泌IL-10，進(jìn)而抑制實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎的發(fā)生[37]。Han等對(duì)比研究丁酸梭菌對(duì)肉仔雞腸道免疫功能的影響，結(jié)果顯示，21 d時(shí)，丁酸梭菌組血清IgM顯著高于對(duì)照組，血清IgA與IgG在整個(gè)42 d飼養(yǎng)周期中都高于對(duì)照組，差異不顯著[38]。Masayuki等研究在荷斯坦奶牛臨產(chǎn)前后添加活性蛋清（AEWP）和丁酸梭菌Miyairi 588對(duì)外周血白細(xì)胞數(shù)量的影響，分別在臨產(chǎn)前1個(gè)月、1周和產(chǎn)后1個(gè)月取血樣，結(jié)果表明，AEWP組和Miyairi 588組與對(duì)照組相比，在臨產(chǎn)前后均能提高CD4+T細(xì)胞數(shù)量，增強(qiáng)免疫機(jī)能[39]。Zhuang等研究丁酸梭菌對(duì)櫻桃谷肉鴨免疫性能的影響，試驗(yàn)分兩組，對(duì)照組飼糧中添加桿菌肽鋅40mg·kg-1，試驗(yàn)組添加丁酸梭菌1.0×109cfu·kg-1，試驗(yàn)周期42 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，胸腺、脾臟和法氏囊等免疫器官重量?jī)山M差異不顯著，與對(duì)照組相比，21 d時(shí)，丁酸梭菌組血清IgM含量顯著高于對(duì)照組，說明丁酸梭菌可以替代桿菌肽鋅應(yīng)用于家禽生產(chǎn)[40]。邢帥等以斷奶仔豬為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)4組試驗(yàn)，對(duì)照組和試驗(yàn)1組飼喂基礎(chǔ)日糧，試驗(yàn)2組和試驗(yàn)3組日糧中添加丁酸梭菌0.05%（活菌數(shù)1.0×1010cfu·kg-1），飼喂2周后，對(duì)試驗(yàn)1組和試驗(yàn)3組攻毒大腸桿菌，24 h后采樣測(cè)定血清指標(biāo)，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，試驗(yàn)2組平均日增重和平均日采食量39.03%和31.13%，攻毒大腸桿菌后，試驗(yàn)3組和試驗(yàn)2組相比，乳酸脫氫酶和血糖含量分別升高了41.20%（P＜0.01）和44.60%，說明丁酸梭菌增強(qiáng)了斷奶仔豬的抗應(yīng)激能力[41]。王柳懿等研究丁酸梭菌對(duì)仔豬回腸免疫信號(hào)通路相關(guān)蛋白和血清細(xì)胞因子的影響，發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌可以適度激活機(jī)體免疫應(yīng)答，回腸TLR2/4、下游接頭蛋白MyD88、負(fù)調(diào)控因子Bcl3和Tollip基因表達(dá)量增加，使機(jī)體免疫水平維持在穩(wěn)定狀態(tài)，血清中的IL-8和TNF-α升高[42]。

3.4 抗氧化，改善畜產(chǎn)品品質(zhì)

正常情況下，動(dòng)物機(jī)體自由基的生成與機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)之間處于良好的動(dòng)態(tài)平衡，動(dòng)物受到外界不良環(huán)境影響時(shí)，產(chǎn)生的過量自由基對(duì)機(jī)體造成氧化損傷。超氧化物歧化酶（SOD）和還原性谷胱甘肽（GSH）是生物體內(nèi)重要的抗氧化酶，而丙二醛（MDA）的高低反應(yīng)了自由基對(duì)機(jī)體脂質(zhì)氧化損傷程度的高低。涂杜等研究丁酸梭菌和荔枝多酚聯(lián)合應(yīng)用對(duì)腹瀉小鼠機(jī)體氧化還原狀態(tài)的調(diào)節(jié)功能，配制成的丁酸梭菌和荔枝多酚濃度分別為10、20和40 mg·mL-1，發(fā)現(xiàn)不同濃度混合液均能提高小鼠體內(nèi)SOD活性，促進(jìn)還原性GSH的產(chǎn)生，其中以中劑量組效果最好[43]。李可等在肉仔雞日糧中添加丁酸梭菌，研究丁酸梭菌對(duì)肉仔雞胴體性狀和肉品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，丁酸梭菌能顯著提高肉仔雞胸肌率，顯著降低肉仔雞腹脂率，并顯著降低滴水損失率和蒸煮損失率[44]。Liao等研究表明，肉仔雞丁酸梭菌添加組SOD活性顯著高于對(duì)照組，MDA含量顯著低于對(duì)照組，試驗(yàn)組血清中膽固醇和腹部脂肪含量顯著低于對(duì)照組，胸肌重量顯著高于對(duì)照組，說明肉仔雞日糧添加丁酸梭菌能夠促肝臟抗氧化功能，改善肌肉品質(zhì)，提高胸肌瘦肉率[45]。Zhao等研究丁酸梭菌對(duì)脂質(zhì)代謝的影響，結(jié)果顯示，日糧中添加丁酸梭菌可以顯著提高肌內(nèi)脂肪含量、肝臟中脂肪酶含量和胸肌中脂蛋白脂肪酶含量[28]。Hossain等研究發(fā)現(xiàn)，肉仔雞日糧中添加丁酸梭菌三聯(lián)菌（TSP）能夠降低肌肉亮度（L*），增加肌肉感官品質(zhì)[26]。Zhang等試驗(yàn)證實(shí)，丁酸梭菌能夠顯著增加肉仔雞腹部脂蛋白脂肪酶的活性，同時(shí)能激活肝臟脂肪酸連接蛋白基因的表達(dá)，最終結(jié)果導(dǎo)致加速肝臟脂肪的消耗和減少肝臟脂肪合成，增加胸肌肌內(nèi)脂肪含量，改善肉品質(zhì)[46]。賈聰慧等研究丁酸梭菌對(duì)羅斯肉雞308抗氧化能力的影響，結(jié)果表明，丁酸梭菌組血清谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和總超氧化物歧化酶（T-SOD）活性顯著高于對(duì)照組，表明丁酸梭菌增強(qiáng)了肉雞血清的抗氧化能力[47]。

4 小結(jié)

丁酸梭菌作為微生態(tài)制劑具有多種功能，能夠分泌蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶等多種酶制劑促進(jìn)動(dòng)物消化吸收，同時(shí)維生素、氨基酸、丁酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)修復(fù)并為腸道上皮細(xì)胞提供能量，產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)丁酸梭菌素可抑制多種其他梭菌所引起的腸道感染，丁酸梭菌通過提高動(dòng)物血清抗氧化能力來(lái)改善肉品質(zhì)。因此，隨著丁酸梭菌在飼料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，丁酸梭菌將成為無(wú)抗時(shí)代極具潛力的抗生素替代品。