魚蝦腸道菌群代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸研究進(jìn)展

劉宇 丁倩雯 冉超 楊雅麟 王安然 張洪玲 張進(jìn)雄 李解 Rolf Erik Olsen Einar Ring? 張震 周志剛

（1. 中國-挪威魚類消化道微生物聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所 農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 挪威-中國魚類消化道微生物聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，特隆赫姆，挪威；4. 北京市畜牧業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，北京 102200）

腸道菌群是指存在于動物腸道中的數(shù)量龐大的微生物群體，其中超過99%的都屬于細(xì)菌，其個(gè)體總數(shù)為100兆個(gè)，約為體細(xì)胞數(shù)目的10倍，其編碼基因數(shù)目是人類基因組編碼數(shù)的100-150 倍［1］。腸道菌群也被稱為腸道微生態(tài)系統(tǒng)，作為最龐大、最復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，定殖于動物腸道內(nèi)，與宿主共生并互相影響，參與調(diào)控宿主營養(yǎng)代謝和免疫抗病等生理過程［2］。近些年來，腸道菌群代謝產(chǎn)物逐漸走進(jìn)研究者的視野，研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群代謝產(chǎn)物也會進(jìn)一步對宿主生理產(chǎn)生重要影響。短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）作為腸道微生物重要的代謝物質(zhì)之一，也受到越來越多的關(guān)注。

改革開放以來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國水產(chǎn)品養(yǎng)殖總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到5×107t，已經(jīng)占到我國全年水產(chǎn)品總產(chǎn)量的78%以上，目前我國是世界上唯一一個(gè)水產(chǎn)品總產(chǎn)量中養(yǎng)殖量超過捕撈量的主要漁業(yè)國家［3］。我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展勢頭迅猛，規(guī)?；⒁?guī)范化、集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖除了帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益外，也造成了水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的應(yīng)激加劇，養(yǎng)殖環(huán)境日趨惡化，病害發(fā)生率越來越高，抗生素濫用等問題。水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中濫用的抗生素等化學(xué)藥物不僅增加病原菌的耐藥性，破壞水產(chǎn)動物的腸道菌群穩(wěn)態(tài)，也造成養(yǎng)殖環(huán)境抗生素超標(biāo)；同時(shí)，殘留在養(yǎng)殖水產(chǎn)動物中的抗生素也會通過食物鏈富集作用進(jìn)入人體，危害到人類的身體健康［4］。因此，人們對無毒、無副作用、無污染的綠色安全替代物質(zhì)的需求越來越迫切，微生態(tài)制劑近些年逐漸應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但微生態(tài)制劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用上也存在不足，包括運(yùn)輸保存困難，菌體易失活，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖無抗無憂，筆者所在團(tuán)隊(duì)提出益生元件是水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色發(fā)展的優(yōu)勢策略［5-9］?！耙嫔奔匆嫔?yīng)分子，這些益生菌微生物相關(guān)的模式分子和特定結(jié)構(gòu)的代謝產(chǎn)物通過影響微生物與宿主代謝信號傳導(dǎo)途徑，亦或優(yōu)化土著微生物菌群的結(jié)構(gòu)，調(diào)控宿主營養(yǎng)代謝及免疫［10］。SCFAs是腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生的重要代謝物質(zhì)之一，是近年來的研究熱點(diǎn)，對宿主的營養(yǎng)代謝與免疫抗病有重要影響，有望彌補(bǔ)微生態(tài)制劑的不足［11］。

1 水產(chǎn)動物消化道短鏈脂肪酸的種類、分布與吸收

SCFAs一般是不易消化的碳水化合物經(jīng)腸道菌群厭氧發(fā)酵產(chǎn)生，包括甲酸、乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸和戊酸，其結(jié)構(gòu)圖如表1。據(jù)報(bào)道，哺乳動物近端結(jié)腸SCFAs含量約為120 mol/L，遠(yuǎn)端結(jié)腸SCFAs含量為90 mol/L，其中乙、丙、丁酸三者比例大致為3∶1∶1，共占總量的95%，是主要的 SCFAs［12］。Mountfort等［13］研究發(fā)現(xiàn)，水產(chǎn)動物中主要存在的SCFAs也為乙酸、丙酸，丁酸。海鯉Crinodus lophodon）腸道中乙酸、丙酸、丁酸比例為8∶3∶1，鯡魚（Odax cyanomelas）腸道中乙、丙、丁酸比例為37∶13∶2，鯧魚（O. pullus）腸道中三者比例為20∶4∶1。SCFAs在3種溫水海洋魚類的不同腸道分區(qū)比例變化接近，與哺乳動物相同的是，3種魚類中主要SCFAs也為乙酸，在魚類中濃度范圍為20-29 mmol/L，丙酸和丁酸含量較低［14］。不同的是，水產(chǎn)動物腸道中丙酸的比例較哺乳動物有所提高，丁酸含量比哺乳動物低。SCFAs可通過兩種方式進(jìn)入腸道，包括簡單擴(kuò)散方式和主動運(yùn)輸方式，進(jìn)而對宿主產(chǎn)生調(diào)控作用。其中非游離SCFAs通過簡單擴(kuò)散方式經(jīng)腸上皮屏障進(jìn)入腸道細(xì)胞，被腸道細(xì)胞吸收利用，游離SCFAs經(jīng)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（Monocarboxylatetransporter1，MCT-1）和鈉耦聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（Sodium-coupled monocarboxylate transporter1，SMCT-1）這兩種主要的轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)入腸道，發(fā)揮作用［15］。SCFAs也可通過G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupled receptor）發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，G蛋白偶聯(lián)受體也稱為游離脂肪酸受體，能夠識別游離脂肪酸，目前已知的SCFAs受體有GPR41、GPR43和GPR109，它們可通過短鏈脂肪酸，調(diào)控動物腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、能量的吸收利用，激素分泌、免疫抗病等多種生物學(xué)過程［16］。

2 水產(chǎn)動物消化道短鏈脂肪酸的生理效應(yīng)

SCFAs主要由乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽組成，在調(diào)節(jié)宿主代謝、免疫系統(tǒng)和細(xì)胞增殖方面具有關(guān)鍵作用。SCFAs在盲腸和近端結(jié)腸中濃度最高，是結(jié)腸細(xì)胞能量來源（尤其是丁酸鹽），也可以通過門靜脈轉(zhuǎn)運(yùn)到外周循環(huán)中作用于肝臟和外周組織。盡管外周循環(huán)中SCFAs水平較低，但它們作為信號分子參與宿主不同的生物過程，發(fā)揮調(diào)控作用［17］。

2.1 營養(yǎng)代謝調(diào)控效應(yīng)

SCFAs在腸道中濃度很高，腸上皮細(xì)胞通過被動和主動機(jī)制將SCFAs吸收至細(xì)胞質(zhì)中，參與宿主能量代謝。哺乳動物中研究表明，SCFAs是腸上皮細(xì)胞重要的能量來源，SCFAs氧化后可為結(jié)腸黏膜細(xì)胞提供近70%的能量［18］，對混合SCFAs 產(chǎn)生的二氧化碳的研究表明，細(xì)胞利用SCFAs的順序是丁酸、丙酸、乙酸［19］。乙酸作為動物腸道內(nèi)含量最多的SCFAs，可隨血液進(jìn)入全身循環(huán)，肝可利用乙酸合成谷氨酰胺、長鏈脂肪酸、谷氨酸和β-羥丁酸；乙酸鹽也可通過中樞穩(wěn)態(tài)機(jī)制穿過血腦屏障并降低食欲。丙酸可被肝臟吸收，參與糖異生并抑制膽固醇合成，約50%的丙酸在肝內(nèi)是糖異生的底物。丁酸除了是結(jié)腸黏膜上皮細(xì)胞的主要能量來源，也參與糖類代謝和脂類代謝。盡管丙酸和丁酸在外周循環(huán)的濃度較低，但它們通過激素和神經(jīng)系統(tǒng)間接影響外周器官［20］。總之，作為腸道菌群產(chǎn)生的一種重要的代謝物質(zhì)，SCFAs對宿主的營養(yǎng)代謝有著重要的調(diào)控作用。

表1 短鏈脂肪酸化學(xué)結(jié)構(gòu)式

在水產(chǎn)動物飼料中添加不同種類的SCFAs，也可促進(jìn)水產(chǎn)動物生長，調(diào)控水產(chǎn)動物營養(yǎng)代謝。如乙酸，飼料中添加1 g/kg的乙酸鈉可以顯著提高貝爾湖紅點(diǎn)鮭（Salvelinus alpinus）增重率［21］。如丙酸，在水產(chǎn)動物飼料中添加丙酸鹽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丙酸鹽在改善水產(chǎn)動物能量吸收方面具有重要作用，據(jù)報(bào)道，丙酸鈉添加可增加南美白對蝦（Litopenaeus vannamei）對能量和磷的表觀消化系數(shù)，改變其腸道微生物并促進(jìn)南美白對蝦生長［22-23］，同時(shí)，在羅非魚（Oreochromisspp.）的研究中發(fā)現(xiàn)丙酸鹽能提高羅非魚飼料利用效率，蛋白質(zhì)產(chǎn)值和蛋白質(zhì)效率等［24］，另外丙酸鹽的添加也會提高水產(chǎn)動物生長表現(xiàn)，促進(jìn)水產(chǎn)動物生長。研究表明丙酸鹽的添加可促進(jìn)鯉魚（Cyprinus carpioL.）生長，提高鯉魚生長基因表達(dá)水平［25］，顯著性提高里海白魚（Rutilus frisii kutum）飼料利用效率，促進(jìn)里海白魚生長等［25］，并能提高斑馬魚生長與促進(jìn)食欲調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)水平，促進(jìn)其生長［27］。在水產(chǎn)動物飼料中添加乙酸鹽、丙酸鹽能夠促進(jìn)水產(chǎn)動物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，促進(jìn)水產(chǎn)動物的生長。在丁酸鹽的研究中發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽對不同水產(chǎn)動物生長也有著促進(jìn)作用，如在海鯛（Sparus aurata）日糧中添加丁酸發(fā)現(xiàn)，丁酸會顯著性提高其增重率，通過對海鯛生長的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)丁酸添加組核苷酸衍生物和幾種常見氨基酸的利用率有所提高［28］，同樣地，研究表明丁酸鹽的添加能夠顯著提高商業(yè)蝦采食量，改善其生長［29］，并顯著提升羅非魚（Oreochromisspp）終末體重、增重率和特定生長率［30］。并且其他形式的丁酸鹽也能提高水產(chǎn)動物生產(chǎn)性能，如 3%（W/W）的PHB（Poly-b-hydroxybutyrate）添加可改善太平洋白蝦的生長性能，腸道消化酶活性及免疫功能，并增加太平洋白蝦腸道SCFAs含量［31］。在藍(lán)蟹飼料中添加乙酸鈉、檸檬酸鈉、丁酸鈉或2%丙酸鈉這幾種不同種類的有機(jī)酸，均能夠促進(jìn)藍(lán)蟹生長，顯著提高其終末干重和特定生長率，并能夠加速螃蟹蛻皮，同時(shí)也能改善藍(lán)蟹存活率［32］。

總之，在水產(chǎn)動物飼料中添加3種主要的SCFAs，對提高魚蝦類增重率和促進(jìn)飼料轉(zhuǎn)化均具有積極作用，促進(jìn)其生長。但是也存在與其相悖的研究結(jié)果，如北極嘉魚（Salvelinus alpinus）飼料中添加10 g/kg的丙酸鈉，發(fā)現(xiàn)丙酸鈉的添加抑制北極嘉魚生長［33］。將2 g/kg丁酸鈉添加到鯰魚（Silurus asotus）飼料中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丁酸鈉添加組并不能顯著性改善鯰魚生長，并伴隨著鯰魚飼料轉(zhuǎn)化效率的降低，此外，脫脂大豆飼料中添加丁酸鈉則沒有正向效果［34］。不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與試驗(yàn)動物種類，SCFAs飼喂?jié)舛纫约帮曃狗绞降牟町愑嘘P(guān)。盡管有較多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)SCFAs在介導(dǎo)水產(chǎn)動物營養(yǎng)調(diào)控方面起著重要作用，但SCFAs在水產(chǎn)動物中營養(yǎng)調(diào)控途徑、調(diào)控機(jī)理的研究還是相對匱乏因而有待于進(jìn)一步研究，以便為未來SCFAs在飼料添加中的應(yīng)用提供理論支撐，進(jìn)而促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

2.2 免疫抗病調(diào)控效應(yīng)

在哺乳動物中，SCFAs也可以作為免疫刺激分子，通過激活G蛋白偶聯(lián)受體GPR41，GPR43和GPR109A提高淋巴細(xì)胞功能，從而發(fā)揮免疫相關(guān)作用［35］。SCFAs作用于腸上皮細(xì)胞、單核吞噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等，可以修飾包括基因表達(dá)、趨化、分化、增殖和凋亡在內(nèi)的多種細(xì)胞過程，是溝通腸道菌群和腸免疫系統(tǒng)的重要分子［36］。研究發(fā)現(xiàn)，生理劑量的乙酸、丙酸、丁酸可對結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的生長增殖起抑制作用，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的分化，通過多種途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，起到抗腫瘤作用［37］。目前，SCFAs在臨床上已經(jīng)開始應(yīng)用于腸道炎癥性疾病的治療，通過補(bǔ)充食物中膳食纖維的含量，增加腸道內(nèi)SCFAs的水平，能有效治療潰瘍性結(jié)腸炎，控制腹部癥狀。

水產(chǎn)動物腸道致病菌是引起水產(chǎn)動物死亡的主要因素，每年給水產(chǎn)動物養(yǎng)殖造成巨大損失。隨著水產(chǎn)動物SCFAs研究的不斷深入，大量研究者也發(fā)現(xiàn)SCFAs對水產(chǎn)動物免疫抗病方面有著重要的調(diào)控作用。如甲酸，在太平洋白蝦（Litopenaeus vannamei）飼料中添加甲酸，可以提高太平洋白蝦對副溶血性弧菌的抵抗能力［38］。如乙酸，發(fā)現(xiàn)其能夠較好的抑制南美白對蝦（L. vannamei）腸道弧菌屬，改善其腸道健康［39］。如丙酸，斑馬魚（Danio rerio）日糧中添加丙酸鈉能改善黏膜免疫參數(shù)［26］，提高免疫和抗氧化生長相關(guān)基因的表達(dá)［40］，也能顯著提高里海白魚（Rutilus frisii kutum）的血清溶菌酶和免疫球蛋白水平，并提升補(bǔ)體活性［41］，改善鯉魚（Cyprinus carpio）皮膚黏液免疫參數(shù)以及血清免疫參數(shù)［25，40］。并且丙酸也能夠減少南美白對蝦（L. vannamei）腸道弧菌數(shù)目，降低蝦血清凝集系數(shù)［42-43］。如丁酸，研究發(fā)現(xiàn)鯉魚（C.carpio）飼料中添加丁酸鈉與氧化豆油（Microencapsulated sodium butyrate，MSB），其中丁酸鈉以裝入微型膠囊的形式添加，發(fā)現(xiàn)飼喂此飼料會顯著提高促炎因子（IL-β、TNF-ɑ）、抑炎因子（TGF-β）和腸道熱休克蛋白的表達(dá)水平，而且丁酸鈉能夠保護(hù)腸道免受傷害和修復(fù)細(xì)胞組織損傷［44］。通過乙酸、丙酸、丁酸在水產(chǎn)動物中的研究可以發(fā)現(xiàn)，SCFAs在水產(chǎn)動物中主要表現(xiàn)為對腸道致病菌有一定的抑制能力，并且對于非特異性免疫參數(shù)有一定程度的改善，最終改善水產(chǎn)動物的生長。對于其他形式短鏈脂肪酸：如二甲酸鉀和羥基丁酸，研究表明將不同濃度二甲酸鉀添加到羅非魚日糧中，隨著添加劑量的提升羅非魚存活率也顯著提高，而且二甲酸鉀的添加也伴隨著羅非魚攝食量，飼料轉(zhuǎn)化系數(shù)，蛋白質(zhì)能效比的提高［45-46］。同時(shí)，歐洲黑鱸（Dicentrarchus labrax）日糧中添加20%羥基丁酸，使黑鱸腸道微生物組成發(fā)生改變［47］。河蟹幼苗飼喂封裝有羥基丁酸的鹵蟲和輪蟲，羥基丁酸的添加使河蟹幼苗存活率、孵化率及滲透脅迫顯著提高［48］。其他形式的SCFAs對水產(chǎn)動物的生長也具有促進(jìn)作用，未來還需要我們對不同種類的SCFAs進(jìn)行探索研究，闡明SCFAs免疫抗病的具體機(jī)理，以期在生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。通過以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SCFAs在水產(chǎn)動物中主要通過抑制有害病原菌生長，提高水產(chǎn)動物非特異性免疫能力，從而改善腸道健康，調(diào)控水產(chǎn)動物免疫抗病。

3 總結(jié)與展望

SCFAs對水產(chǎn)動物生長和免疫抗病有著重要作用，了解SCFAs的具體生理功能以及調(diào)控方式對SCFAs的高效利用至關(guān)重要。哺乳動物研究表明，SCFAs可作為信號分子發(fā)揮作用，SCFAs的受體主要有GPCR41，GPCR43，GPCR109A。G蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptors，GPCRs）是指與G蛋白偶聯(lián)的一大類膜蛋白受體的統(tǒng)稱，有7個(gè)跨膜α螺旋，且其肽鏈的C端以及連接第5和第6個(gè)跨膜螺旋的胞內(nèi)環(huán)上都有G蛋白（鳥苷酸結(jié)合蛋白）的結(jié)合位點(diǎn)［49］。GPCRs能夠跨越細(xì)胞膜，激活細(xì)胞外的信號分子（如蛋白酶、核酸、肽類，生物胺和脂質(zhì)等），然后觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)部反應(yīng)，介導(dǎo)了包括正常和疾病在內(nèi)的眾多生理反應(yīng)［50-51］。目前，哺乳動物SCFAs研究相對較多，水產(chǎn)動物的研究主要集中于表型，對其調(diào)控機(jī)制的研究相對較少，因此，SCFAs的調(diào)控機(jī)制是未來水產(chǎn)研究上重要方向。

飲食、腸道微生物與SCFAs三者相互聯(lián)系。SCFAs調(diào)控哺乳動物以及水產(chǎn)動物營養(yǎng)代謝、免疫抗病等生理過程即通過調(diào)控動物飲食組成，改變動物腸道內(nèi)SCFAs含量從而調(diào)控魚類和哺乳動物的健康。研究表明膳食纖維的添加可影響動物體內(nèi)SCFAs含量，盡管不同實(shí)驗(yàn)研究膳食纖維投喂的濃度和實(shí)驗(yàn)動物的飼料組成成分信息不同，但是我們也可以從中得出一些結(jié)論。據(jù)報(bào)道，不同濃度的菊粉添加到小鼠半純化飼料中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)菊粉添加會引起小鼠腸道SFCAs濃度升高，但當(dāng)菊粉添加量增加到20%時(shí)，反而會減少小鼠腸道內(nèi)SCFAs濃度。與其他類型纖維不同的是，在小鼠飼料中添加菊粉會改變小鼠腸道內(nèi)不同類型SCFAs比例，促進(jìn)乙酸向丙酸和丁酸轉(zhuǎn)化［52-53］。在小鼠日糧中添加微晶纖維素，微晶纖維素和低聚果糖、微晶纖維素和果寡糖，微晶纖維素和纖維寡糖，與基礎(chǔ)飼料組及僅微晶纖維素添加組相比，低聚果糖、果寡糖以及纖維寡糖添加組的小鼠盲腸SCFAs含量以及總SCFAs含量（盲腸以及糞便SCFAs之和）均顯著增加，此外纖維的類型以及纖維的日攝入量同樣會影響SCFAs的含量［52］。小鼠日糧中添加纖維素、果膠、抗性淀粉和大麥外殼等不同類型的不易消化碳水化合物，結(jié)果表明纖維素、果膠、抗性淀粉添加組小鼠盲腸和空腸SCFAs含量都顯著提高［54］。因此可以推測，在供給動物富含蛋白質(zhì)或脂肪的飲食的同時(shí)補(bǔ)充膳食纖維會促進(jìn)有益微生物的生長，改變腸道微生物組成，促進(jìn)SCFAs的產(chǎn)生，改善動物的生長。但是目前水產(chǎn)動物上相關(guān)研究還比較缺乏，因此，這可能是未來SCFAs研究的方向之一，也是推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的綠色可持續(xù)發(fā)展的有效方式。