高NFC 日糧對反芻動物瘤胃pH 和瘤胃上皮SCFA 吸收的影響

張春華，艷 城，金 鹿，李勝利，桑 丹，張崇志，那順烏日圖，孫海洲★

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院 010031；2.蘇尼特右旗畜牧工作站 011200）

在首次描述反芻動物瘤胃微生物近100 年后，劍橋大學進行了開創(chuàng)性的實驗， 發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）大部分直接被前胃壁吸收[1]。 這一創(chuàng)舉更新了人們對瘤胃的認識，瘤胃不僅僅是一個單純的發(fā)酵室，還是動物機體的一個非常重要的吸收器官。 如今，人們普遍認為，反芻動物瘤胃產(chǎn)生的50%～85%的SCFA 直接被網(wǎng)狀細胞壁吸收，只有15%～50%的SCFA 進入消化系統(tǒng)的末端。 未被網(wǎng)狀組織吸收而直接進入消化系統(tǒng)末端部位的SCFA 因物種的不同而不同，其中綿羊為15%、犢牛為15%～20%、奶牛和閹牛為29%～39%[2]。

雖然網(wǎng)狀細胞壁吸收的SCFA 絕對量取決于日糧能量攝入量，但研究發(fā)現(xiàn)瘤胃內(nèi)產(chǎn)生的SCFA 量與進入瓣胃的SCFA 量之間沒有線性關(guān)系[3,4]。 此外，研究發(fā)現(xiàn)極端能量攝入（4 倍維持）反而會提高未被吸收進入瓣胃的SCFA 比例[5]。 為了提高反芻動物的產(chǎn)奶量或體重， 通常會在日糧配方中配制一定比例的可發(fā)酵碳水化合物，反芻動物瘤胃中碳水化合物發(fā)酵所產(chǎn)生的SCFA 是反芻動物的主要能量底物。 因此，高度可發(fā)酵的碳水化合物日糧為反芻動物的維持和生產(chǎn)提供了更多的潛在能量， 但同時也增加了瘤胃液中的酸的積累和滲透壓， 從而增加了瘤胃酸中毒的風險。 反芻動物瘤胃上皮或獨立地或同時暴露于高滲和酸性條件下均會降低瘤胃上皮的吸收功能和屏障功能。SCFA 積累導致的反芻動物酸中毒會對機體產(chǎn)生很多負面影響， 但瘤胃上皮對SCFA 的吸收作用會對瘤胃液pH 值的調(diào)節(jié)有很大貢獻。因此，需要全面了解影響瘤胃上皮SCFA 吸收和屏障功能的調(diào)節(jié)因素。本文主要就高非纖維性碳水化合物 （non-fibrous carbohydrates，NFC）日糧對瘤胃上皮結(jié)構(gòu)和功能、瘤胃pH 和瘤胃上皮SCFA 吸收的影響進行綜述。

1 高NFC 日糧對瘤胃上皮結(jié)構(gòu)和功能的影響

瘤胃是反芻動物日糧營養(yǎng)素發(fā)酵和吸收的最重要器官。 瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物主要是SCFA，即乙酸、丙酸和丁酸，這些酸在瘤胃中的比例分別為45%～70%、15%～40%和5%～20%。這三種SCFA 占瘤胃中總產(chǎn)酸量的95%以上， 瘤胃液中SCFA 的累積濃度可達60～150mmol/L。 SCFA 是反芻動物機體的主要能量來源，能滿足反芻動物大約60%～75%的能量需求。 因此，SCFA 在維持反芻動物能量穩(wěn)態(tài)中起著重要作用[6，20]。 精料是動物日糧中一類可快速發(fā)酵的物質(zhì)， 為瘤胃微生物群和瘤胃上皮細胞的活動提供了大部分能量。 研究表明，提高精料在日糧中的比例（從10%增加到35%）可促進瘤胃上皮細胞增殖并增加幼仔山羊的瘤胃乳頭尺寸[7]，增大的瘤胃乳頭可使瘤胃上皮表面區(qū)域最大化以增加吸收表面積。 此外，高精料日糧還有助于日糧營養(yǎng)和離子的吸收[8]，通過刺激瘤胃上皮中相應載體的表達[9]，以達到維持瘤胃中的免疫穩(wěn)態(tài)[10]。 但當日糧精料進一步增加至65%～85%時， 可導致瘤胃SCFA 產(chǎn)量過高，并降低瘤胃pH。 高SCFA 和低pH 可協(xié)同誘發(fā)瘤胃乳頭角化不全， 并加速瘤胃上皮的復層鱗狀細胞的脫落和分層[11]。 這些形態(tài)變化最終將破壞瘤胃上皮細胞的緊密連接，并增加從瘤胃管腔到瘤胃上皮組織的有毒物質(zhì)的滲透性或細胞旁轉(zhuǎn)運[12]，從而對動物生產(chǎn)性能和健康狀況產(chǎn)生負面影響[13]。 微生物代謝物的改變和瘤胃上皮的損傷是對動物生產(chǎn)性能產(chǎn)生負面影響的重要原因。

2 高NFC 日糧對瘤胃pH 的影響

日糧中有機物質(zhì)的微生物發(fā)酵會引起作用于微生物生態(tài)系統(tǒng)的pH 發(fā)生變化，從而決定瘤胃內(nèi)某些微生物物種的選擇性生長以及瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物的類型和數(shù)量[14]。碳水化合物發(fā)酵會釋放有機酸，這些有機酸很容易分解以降低瘤胃pH[14]。 相比之下，日糧中蛋白質(zhì)或非蛋白氮（non-protein nitrogen，NPN）的發(fā)酵可能會釋放過量的氨，這種氨容易與質(zhì)子結(jié)合以提高瘤胃pH。 因此，日糧營養(yǎng)物的發(fā)酵（通常在pH＜7 時進行）會導致質(zhì)子的釋放，從而降低瘤胃pH。

反芻動物瘤胃是用于供給機體營養(yǎng)的最精細的體內(nèi)發(fā)酵罐之一[14]。 這個發(fā)酵罐內(nèi)的pH 穩(wěn)態(tài)不僅決定了反芻動物瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和最終產(chǎn)品的營養(yǎng)價值， 還決定了動物的機體健康，因為堿性和酸性偏差都可能導致機體產(chǎn)生健康失調(diào)。 采食過量的蛋白質(zhì)可能會引起反芻動物pH 的堿性紊亂。 然而，對反芻動物堿中毒的描述僅限于極少數(shù)的報道[15]。而酸中毒是一個廣為人知的問題， 因為目前的集約化生產(chǎn)系統(tǒng)依賴大量碳水化合物的攝入來滿足動物的能量需求。因此，長期飼喂高NFC 日糧會顯著降低瘤胃pH， 而長時間低于生理狀態(tài)的pH 則會導致反芻動物產(chǎn)生亞急性或急性酸中毒。

3 高NFC 日糧對瘤胃上皮SCFA 吸收的影響

瘤胃對SCFA 的吸收量約占其產(chǎn)生量的50%～85%[2]。然而，瘤胃吸收的SCFA 不能作為評價影響瘤胃pH 穩(wěn)態(tài)的重要影響因素。 早期的研究發(fā)現(xiàn)瘤胃對SCFA 的吸收取決于SCFA 鏈長、吸收的pH 依賴性、吸收過程中SCFA 的部分代謝、SCFA 吸收對瘤胃pH 穩(wěn)定的貢獻、以及SCFA 吸收時瘤胃中出現(xiàn)碳酸氫鹽等因素。 過去50 年的研究拓展了這些早期發(fā)現(xiàn)，并通過體外技術(shù)和分子技術(shù)提供了功能性解釋。 因此，我們今天認識到，瘤胃對SCFA 的吸收并不是完全由能量輸入、微生物動力學和物理化學因素決定的，瘤胃上皮本身也是一個動態(tài)的關(guān)鍵因素，對降低瘤胃pH 和質(zhì)子負荷也起著至關(guān)重要的作用。

以前對瘤胃上皮適應的機制研究主要集中在通過逐漸增加日糧的可發(fā)酵性來促進瘤胃吸收表面積的擴大，但實際上，這種上皮適應能力不僅僅涉及反芻動物上皮細胞的肥大和增生。雖然反芻動物瘤胃發(fā)酵的開始和SCFA 的產(chǎn)生似乎與斷奶后胃腸屏障功能的建立有關(guān)[16]， 但高NFC 日糧誘導的極高濃度的SCFA 則損害了反芻動物瘤胃上皮屏障（rumen epithelial barrier，REB）功能[17]。 此外，反芻動物瘤胃pH 和SCFA 總量也會損壞瘤胃屏障功能[18]。研究表明，當反芻動物采食發(fā)酵性更強的日糧時，還會增加參與SCFA 吸收、代謝和調(diào)節(jié)瘤胃組織細胞內(nèi)pH 的轉(zhuǎn)運蛋白和酶的基因表達[19]。總的來說，這些研究表明，瘤胃上皮的最初適應性反應是由形態(tài)學改變介導了個體細胞的功能性改變。 然而，這一適應過程所涉及的時間還未被準確定義，迄今為止，只對鈉離子（Na+）的吸收進行了調(diào)查。

保持選擇性滲透是促進離子定向運動的一個非常重要的參數(shù)。 在沒有濃度梯度的情況下，Na+的黏膜-漿膜通量常常會高于凈吸收的漿膜-黏膜通量。 然而，瘤胃屏障功能的損壞則會增加黏膜到漿膜之間的流量，從而減少凈吸收。 此外，選擇性滲透對于調(diào)節(jié)潛在有害分子如脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）和組胺（Histamine）進入動脈循環(huán)也是必不可少的。 當反芻動物采食發(fā)酵性更強的日糧時，瘤胃上皮的屏障功能是增加還是減少，文獻中存在差異。 部分差異可能是基于采食的精料的水平和類型，以及動物在評估瘤胃屏障功能之前采食精料的持續(xù)時間。 因此，了解瘤胃上皮屏障功能適應時間表對于理解反芻動物胃腸生理學非常重要。

SCFA 的吸收主要通過瘤胃上皮頂膜的吸收途徑而被動擴散的，以電中性促進轉(zhuǎn)運過程中的碳酸氫鹽進行交換，并通過硝酸鹽敏感途徑促進轉(zhuǎn)運[19]。 因此，至少50%的SCFA 攝取是通過蛋白質(zhì)過程介導而發(fā)生的，并且隨著SCFA 濃度的增加，對SCFA/HCO3交換的依賴也在增加。 考慮到日糧轉(zhuǎn)變過程中反芻動物pH 降低的風險[20]，以及SCFA 吸收途徑對反芻動物pH 的穩(wěn)定有不同貢獻， 我們需要弄明白個體途徑在適應發(fā)酵性更強的日糧的過程中是如何受到影響的是非常重要的。

4 小結(jié)與展望

反芻動物以高發(fā)酵性飼料喂養(yǎng)時，會在瘤胃中產(chǎn)生大量的SCFA。 SCFA 在瘤胃上皮主要通過親脂性擴散的方式被吸收入血，所以SCFA 是瘤胃酸堿平衡的關(guān)鍵因素。 但是不同反芻動物瘤胃吸收SCFA 的能力是導致動物個體患酸中毒的關(guān)鍵決定因素。 為了更好地了解瘤胃的酸堿狀態(tài)，在未來評估不同瘤胃pH下對回收的H+的數(shù)量以及鈉氫交換（Na+/H+exchanger，NHE）進行評估也是至關(guān)重要的。 因此， 未來的研究中還需加強研究SCFA 吸收、尿素分泌和NH4+吸收之間的相互作用。