丁酸梭菌在畜禽生產(chǎn)中的應用研究進展

趙敏孟　單昊書　沈永華　張　程　劉　龍　龔道清*

(1.揚州大學動物科學與技術學院，揚州 225009；2.鎮(zhèn)江市動物疫病預防控制中心，鎮(zhèn)江 212009；3.東臺市畜牧獸醫(yī)站，東臺 224200)

丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)廣泛分布于動物和人的腸道中，具有促進生長、提高免疫力，調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡等功能[1-2]，并且丁酸梭菌對外界環(huán)境有較強的抵抗力，因此，丁酸梭菌是一種具有較高開發(fā)價值的微生態(tài)制劑。早在2003年歐盟就批準丁酸梭菌可以作為肉雞和斷奶仔豬的飼料添加劑，我國也于2013年將其納入《中國飼料添加劑品種目錄(2013)》的《附錄二》中。近年來，國內(nèi)外學者針對丁酸梭菌的生理功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應用開展了諸多研究，本文從其生物學特性、生理功能和對畜禽生產(chǎn)的影響及其作用機理方面做一綜述，以期為丁酸梭菌的進一步開發(fā)和研究應用提供參考。

1　丁酸梭菌的生物學特性及生理功能

1.1　丁酸梭菌的生物學特性

丁酸梭菌在生物分類學上屬于硬壁菌門(Firmicutes),梭菌綱(Clostridia),梭菌目(Clostridales),梭菌科(Clostridiaceae),梭菌屬(Clostridium)，菌體可以產(chǎn)生芽孢，有鞭毛，可以運動，屬于專性厭氧芽孢桿菌。同其他芽孢桿菌一樣，丁酸梭菌可以以孢子的形式存在，對外界環(huán)境的抵抗力較強。研究發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌對飼料加工過程中的高溫、高壓環(huán)境有較好的耐受性[3]。此外，丁酸梭菌對胃腸道環(huán)境具有良好的耐受性，對人工胃液、腸液和膽鹽有一定的耐受能力[4]。這些特性使得丁酸梭菌成為一種適合在畜禽飼糧中添加且能被動物有效利用的、抗逆性強的益生菌。

1.2　丁酸梭菌的生理功能

丁酸梭菌及其代謝產(chǎn)物具有諸多的生理功能，對維持機體健康，促進動物生長發(fā)育有積極的意義。畜禽的腸道在發(fā)育過程中會形成微生態(tài)平衡，但當微生態(tài)平衡被破壞時，動物容易發(fā)生疾病，影響動物健康，降低生長性能。首先，丁酸梭菌可以促進有益菌的生長，抑制有害菌如大腸桿菌、沙門氏菌等的生長，保護腸道的微生態(tài)平衡[5]。其次，丁酸梭菌的主要代謝產(chǎn)物之一是丁酸，而丁酸是腸道上皮細胞的主要供能物質(zhì)，可通過供給能量促進上皮細胞的增殖，因此丁酸梭菌對腸道上皮組織的再生和修復有很重要的意義。再次，丁酸梭菌在動物消化道內(nèi)可產(chǎn)生多種消化酶，包括纖維素酶、脂肪酶和淀粉酶等，有利于提高畜禽對飼料的利用率，消除部分抗營養(yǎng)因子的影響[6]。丁酸梭菌能合成多種B族維生素，這對改善畜禽的生長性能、維持動物健康有重要的意義[7]。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌在提高免疫力、抗細胞凋亡、抗腫瘤方面也有一定的作用[8]。丁酸梭菌本身的生理功能和作用機制以及與其他益生菌的協(xié)同功能有待于進一步的研究，這可為丁酸梭菌產(chǎn)品的開發(fā)應用提供相應的理論依據(jù)。

2　丁酸梭菌對畜禽生產(chǎn)的影響及其作用機理

2.1　提高生長性能

丁酸梭菌可產(chǎn)生多種消化酶、氨基酸和維生素等有益動物健康的物質(zhì)，促進動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，因而可用于改善動物生長性能[6-7]。在肉雞上的研究發(fā)現(xiàn)，添加包含丁酸梭菌的制劑可改善肉雞的生長性能，提高1～42日齡的平均日增重(ADG)和平均日采食量(ADFI)[9-10]。Liao等[11]報道，添加不同劑量的丁酸梭菌可顯著提高肉雞1～21日齡的ADG，當添加劑量為5×108CFU/kg時還可以顯著提高肉雞22～42日齡的ADG。這也提示，丁酸梭菌的作用在動物生長前期較為明顯，在動物生長后期可能需要適當提高添加劑量才能達到較好的作用效果。研究發(fā)現(xiàn)，在櫻桃谷肉鴨飼糧中添加丁酸梭菌可顯著提高1～21日齡的ADG，對22～42日齡的ADG有提高的趨勢[12]。在仔豬上的研究也發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加丁酸梭菌顯著提高了斷奶仔豬的ADFI、ADG，改善了斷奶仔豬的飼料轉(zhuǎn)化效率，促進了斷奶仔豬的生長[13-14]。這些研究表明，添加丁酸梭菌對改善肉雞、肉鴨和仔豬的生長性能有一定的作用，但作用效果有所不同。其作用機理可能是丁酸梭菌通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、促進腸道發(fā)育、提高飼料利用率等多種途徑提高畜禽的生長性能。然而，也有一些報道顯示添加丁酸梭菌對動物的生長性能沒有產(chǎn)生顯著影響[6,15]。可見，丁酸梭菌對生長性能的影響與動物種類、飼養(yǎng)階段、菌種及發(fā)酵水平以及添加劑量的不同有很大的關系。針對不同的畜禽種類及不同的生長階段需要開發(fā)不同的丁酸梭菌菌株制劑并確定合適的添加劑量是極為必要的。此外，在現(xiàn)代集約化畜牧生產(chǎn)中，隨著抗生素的逐步限制使用，多種添加劑的復合使用方可應對復雜的養(yǎng)殖環(huán)境及病原微生物的危害。因此，探討丁酸梭菌和一些其他添加劑的配合使用對動物生長性能的影響也是值得關注的。

2.2　調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡

體外試驗研究發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌對一些致病菌如大腸桿菌、產(chǎn)氣夾膜梭菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌均有明顯的抑制作用，對一些益生菌如雙歧桿菌和乳酸桿菌有一定的促生長作用[16-17]。在肉雞上的試驗發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加丁酸梭菌可抑制盲腸中大腸桿菌、沙門氏菌的生長，促進雙歧桿菌和乳酸菌的生長[5,18]。在仔豬上的研究也發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加丁酸梭菌可改善腸道菌群結構，降低腸道pH，提高乳酸桿菌的數(shù)量，同時降低大腸桿菌的數(shù)量，有效緩解斷奶應激帶給仔豬的傷害[14,19]?？梢姡w外試驗和體內(nèi)試驗均證實丁酸梭菌可抑制某些病原菌的生長，同時促進有益菌的生長，起到維持腸道微生態(tài)平衡的作用。關于丁酸梭菌調(diào)節(jié)腸道菌群的作用機理有多種解釋，可能是由于丁酸梭菌的主要代謝產(chǎn)物為丁酸、乙酸等短鏈脂肪酸，可以通過降低腸道pH從而抑制有害菌的生長，同時大量的短鏈脂肪酸可以促進有益菌的生長[20]。丁酸梭菌能夠產(chǎn)生淀粉酶，水解飼糧中的碳水化合物形成低聚糖，而乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌易于利用這些低聚糖。王騰浩等[21]經(jīng)過培養(yǎng)篩選得到的丁酸梭菌菌株ZJU-F1可分泌抑菌蛋白，并初步判定其為細菌素。細菌素是由細菌產(chǎn)生的有殺菌或抑菌作用的物質(zhì)，這可能也是丁酸梭菌能夠抑制致病菌生長的原因之一。此外，丁酸梭菌的抑菌機理可能還與其能夠占據(jù)腸道上皮細胞黏附位點，抑制過路致病菌的定植有關[22]。

2.3　促進腸道發(fā)育，提高腸道屏障功能

腸道是消化和吸收營養(yǎng)物質(zhì)的重要場所，而腸道的絨毛高度、隱窩深度及絨毛高度與隱窩深度的比值是衡量腸道消化吸收功能的重要指標。研究發(fā)現(xiàn)，添加丁酸梭菌顯著提高了蛋用仔公雞十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度以及絨毛高度與隱窩深度的比值，改善了腸道形態(tài)[23]。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加丁酸梭菌可顯著提高仔豬斷奶后小腸絨毛高度，顯著降低隱窩深度[24]?？梢姡∷崴缶纱龠M腸道發(fā)育，有利于改善腸道的消化吸收功能。其作用機理可能是由于丁酸梭菌的主要代謝產(chǎn)物是丁酸，而丁酸是腸道上皮細胞的主要營養(yǎng)物質(zhì)，對腸道上皮組織的再生和修復有重要作用。腸道除了具有消化和吸收功能之外，還是一種先天性屏障，在維持畜禽的健康方面發(fā)揮著關鍵的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加5×105CFU/kg的丁酸梭菌顯著提高了斷奶仔豬空腸和回腸中緊密連接蛋白封閉蛋白1(claudin-1)和緊密連接蛋白2(ZO-2)的mRNA表達水平[14]。腸上皮細胞間的緊密連接對調(diào)節(jié)腸道屏障的通透性以及維持上皮結構的完整性有重要意義，而緊密連接蛋白表達加速可以加快腸道屏障功能的成熟。Yang等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌可以通過細胞緊密接觸抑制病原微生物毒性蛋白的表達，從而減少有害菌的定植?？梢姡∷崴缶谔岣吣c道屏障功能方面有一定的作用效果，作用機理一方面是可以促進腸道黏膜的發(fā)育，提高腸道的機械屏障，另一方面是可以調(diào)節(jié)腸道菌群平衡，有益于改善腸道的微生物屏障。

2.4　調(diào)高免疫力，減少機體炎癥發(fā)生

丁酸梭菌在激活免疫系統(tǒng)和調(diào)節(jié)機體免疫功能方面發(fā)揮著調(diào)控作用，包括多種不同的作用機理。研究發(fā)現(xiàn)，在櫻桃谷肉鴨飼糧中添加5×108CFU/kg的丁酸梭菌可顯著提高胸腺指數(shù)和脾臟指數(shù)，促進免疫器官發(fā)育；同時，還可顯著提高42日齡時肉鴨血清補體3(C3)、補體4(C4)的含量[11]。飼糧中添加500 mg/kg的丁酸梭菌顯著提高了斷奶仔豬血清C3的含量[24]。C3是血清中含量最高的補體成分，在補體經(jīng)典激活途徑和旁路激活途徑中均發(fā)揮重要作用；C4是一種多功能β1-球蛋白，在補體活化和中和病毒等方面發(fā)揮作用[25]?？梢姡∷崴缶梢源龠M免疫器官發(fā)育，激活機體補體系統(tǒng)，提高免疫力，這對于促進動物健康是有積極意義的。還有研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加丁酸梭菌能顯著提高肉雞[10,18]和肉鴨[12]血清中重要的免疫球蛋白如免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG)和免疫球蛋白M(IgM)的含量，而免疫球蛋白具有抗菌和抗病毒等功能，這也是丁酸梭菌提高免疫力的一種作用機制。此外，細胞試驗發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌可促進抗炎性細胞因子白細胞介素-10(IL-10)的表達，同時抑制促炎性細胞因子白細胞介素-4(IL-4)的表達[26]。而動物試驗也發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌可提高血清中IL-10的含量，顯著降低血清中促炎性細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)的含量[14,27]，或者通過調(diào)節(jié)核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)調(diào)節(jié)炎癥反應[27]。這表明，丁酸梭菌可以通過調(diào)節(jié)細胞免疫改變動物血清中細胞因子的含量，增強機體的免疫功能，減少畜禽炎癥的發(fā)生。王柳懿等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬飼糧中添加丁酸梭菌提高了回腸Toll樣受體2、4以及接頭蛋白髓樣分化因子88(MyD88)的mRNA表達水平，該通路的激活可誘導IL-10的分泌。這也提示，丁酸梭菌可通過抑制腸道炎癥的發(fā)生提高免疫力。總之，丁酸梭菌提高畜禽免疫力與促進免疫器官發(fā)育、激活補體系統(tǒng)、調(diào)節(jié)免疫球蛋白、血清細胞因子含量和抑制腸道炎癥的發(fā)生等有關。

2.5　調(diào)節(jié)脂肪代謝，改善肉品質(zhì)

丁酸梭菌在調(diào)節(jié)動物的脂肪代謝，提高肉品質(zhì)方面也有一定的作用。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加1×109CFU/kg的丁酸梭菌可通過影響肉雞的脂肪合成酶活性和脂質(zhì)合成相關基因表達提高肉雞胸肌和腿肌的肌內(nèi)脂肪含量[29]。血管生成素樣蛋白4(ANGPTL4)是一種與脂肪代謝和肥胖相關的蛋白，可以通過抑制脂蛋白脂肪酶的活性、促進脂解和脂肪酸的氧化分解減少脂肪沉積[30]。有研究認為丁酸梭菌可以通過提高Cacao-2細胞中ANGPTL4基因表達和蛋白分泌以及降低HepG2細胞中脂肪合成相關基因表達來降低脂肪生成，丁酸梭菌降低脂肪合成的有效成分是其自身的細胞壁成分和主要代謝產(chǎn)物丁酸[31]。Shang等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在高脂膳食飼糧中添加丁酸梭菌，經(jīng)12周試驗后，丁酸梭菌組小鼠體重比高脂膳食組降低了17%，同時丁酸梭菌組小鼠肝臟中的脂肪含量降低且對胰島素顯示出更高的敏感性，這表明丁酸梭菌對高脂膳食誘導的肥胖和脂肪肝有一定的緩解作用，且丁酸梭菌對不同器官的脂肪沉積有不同的影響。在集約化畜牧生產(chǎn)中，由于飼糧營養(yǎng)水平提高、采食量大、活動少和環(huán)境應激等因素，動物脂肪肝發(fā)病率明顯增加，導致生產(chǎn)性能降低，嚴重影響經(jīng)濟效益，給畜牧業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的經(jīng)濟損失[33]。丁酸梭菌作為脂肪代謝調(diào)節(jié)劑可能在畜禽脂肪肝疾病的治療中有一定的研究價值。家禽肌肉中的脂肪及其脂肪酸組成與肉的嫩度、剪切力、pH、系水力和風味等肉品質(zhì)指標有很強的相關性，提高肌內(nèi)脂肪含量可改善肌肉風味，提高嫩度[34]。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加1×109CFU/kg的丁酸梭菌顯著提高了42日齡肉雞腿肌肌內(nèi)脂肪含量，但對21日齡肉雞腿肌肌內(nèi)脂肪含量無顯著影響[29]。Liao等[35]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加丁酸梭菌顯著提高了42日齡肉雞胸肌多不飽和脂肪酸(PUFA)的含量以及PUFA與飽和脂肪酸(SFA)的比率，PUFA可形成雞肉的特征性風味物質(zhì)，對改善肌肉品質(zhì)有一定的作用。還有研究表明，肉雞飼糧中添加丁酸梭菌可顯著降低肌肉的剪切力[36]?？梢姡∷崴缶鷮π笄萑馄焚|(zhì)的改善有一定的作用效果，可能主要與其影響肌內(nèi)脂肪沉積和PUFA的含量有關，具體的作用機制還需要進一步的研究。

2.6　提高抗氧化能力

近些年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌等益生菌具有抗氧化的功能。丁酸梭菌可以產(chǎn)生總超氧化物歧化酶(T-SOD)和還原型輔酶Ⅰ/還原型輔酶Ⅱ(NADH/NADPH)過氧化物酶，清除體內(nèi)的活性氧，提高抗氧化能力[37]。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加丁酸梭菌可顯著提高42日齡肉雞血清谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和T-SOD活性[10]。此外，在飼糧中添加丁酸梭菌顯著提高了21和42日齡肉雞肝臟以及十二指腸、空腸和回腸黏膜的抗氧化能力[35]。廖秀冬[38]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加丁酸梭菌可以緩解皮質(zhì)酮誘導的氧化應激導致的肉雞肝臟谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)活性和谷胱甘肽(GSH)含量的降低，同時顯著降低了肝臟丙二醛(MDA)含量。這些研究結果表明丁酸梭菌可提高動物的抗氧化能力，其作用機理可能歸因于其能產(chǎn)生一些消化酶類、丁酸和氫氣(H2)，從而影響抗氧化酶的活性，降低活性氧的含量[37,39]，還可能與丁酸梭菌能夠抑制病原微生物的生長，從而降低炎癥的發(fā)生和伴隨發(fā)生的氧化應激有關[40-41]。

3　小　結

綜上所述，丁酸梭菌具有諸多生理功能，在提高畜禽生長性能、提高動物健康水平、增強疾病抵抗能力和改善畜產(chǎn)品品質(zhì)等方面都有一定的作用效果，還可較好地耐受飼料加工中的高溫、高壓及動物胃腸道環(huán)境。因此，作為一種益生菌制劑，丁酸梭菌在畜禽生產(chǎn)中有良好的應用前景。但丁酸梭菌的作用機理復雜，目前尚不完全明確，探索其更多的生理功能及其作用機理仍是未來的研究重點。如丁酸梭菌在非酒精性脂肪肝病引起的肝損傷中的保護作用提示，丁酸梭菌在一些動物疾病的治療方面可能發(fā)揮一定的作用，值得研究和關注。此外，目前有關丁酸梭菌的報道主要集中在肉雞、肉鴨和斷奶仔豬等動物上，探索其在其他畜禽如蛋雞、鵝上的應用也是可行的研究方向。