丁酸梭菌的生物學(xué)功能及其在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用進(jìn)展

祖立闖，李 嬌，李 峰，沈志強(qiáng)，

（1.山東綠都生物科技有限公司，山東 濱州 256600；2.山東省濱州畜牧獸醫(yī)研究院，山東 濱州 256600）

過去抗生素的應(yīng)用對(duì)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化、集約化快速發(fā)展發(fā)揮了巨大的促進(jìn)作用，但抗生素過度濫用導(dǎo)致的豬群內(nèi)源性感染和二重感染、耐藥性菌株產(chǎn)生、動(dòng)物機(jī)體免疫力下降等諸多安全性問題日益突出，“無抗養(yǎng)殖”、“綠色飼料”已成為養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的必然趨勢(shì)。丁酸梭菌是一種以丁酸、乳酸和乙酸為主要代謝產(chǎn)物的專性厭氧革蘭氏陽性芽孢桿菌，廣泛分布于動(dòng)物和人的腸道中，最早于1933年由日本的千葉醫(yī)科大學(xué)宮入近治博士首先發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行研究，是一種具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、提高免疫力、抗氧化等多種生物學(xué)功能的微生態(tài)制劑，具有較高的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值[1-4]。早在2003年歐盟就批準(zhǔn)丁酸梭菌可以作為肉雞和斷奶仔豬的飼料添加劑，我國(guó)對(duì)丁酸梭菌的研究與開發(fā)才剛剛起步，但發(fā)展較快，于2013年將其納入《中國(guó)飼料添加劑品種目錄（2013）》的《附錄二》中。當(dāng)前，將丁酸梭菌作為新型飼料添加劑在養(yǎng)殖生產(chǎn)中推廣應(yīng)用對(duì)于減少我國(guó)當(dāng)前飼料中抗生素大量濫用、減少藥物殘留、降低動(dòng)物細(xì)菌的耐藥性和保障動(dòng)物健康方面有著重要的意義。文章就丁酸梭菌的形態(tài)特征與生物學(xué)特性、生物學(xué)功能及其在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，為丁酸梭菌更好地推廣應(yīng)用于養(yǎng)豬生產(chǎn)提供參考。

1 丁酸梭菌的形態(tài)特征與生物學(xué)特性

丁酸梭菌在生物分類學(xué)上屬于硬壁菌門（Firmicutes），梭菌綱（Clostridia），梭菌目（Clostridales），梭菌科（Clostridiaceae），梭菌屬（Clostridium），菌體為為革蘭氏陽性厭氧芽孢桿菌，寬0.5～1.7μm，長(zhǎng)2.4～7.6μm，偶爾可見到絲狀菌體，周身鞭毛，具有運(yùn)動(dòng)性。菌種培養(yǎng)后中間略飽滿，菌體兩端呈卵圓形或圓形，易形成白色或乳白色的不透明菌落，邊緣不規(guī)則，濕潤(rùn)，直徑為1～3mm，有酸臭味，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。同其他芽孢桿菌一樣，丁酸梭菌以孢子的形式存在，對(duì)外界環(huán)境的抵抗力較強(qiáng)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗逆性。耐高溫，丁酸梭菌芽孢90℃處理10min，100℃處理5min都不會(huì)失活；在溫度為16～44℃仍可保持活性，其最適生長(zhǎng)溫度為36℃。耐酸堿，在pH為1.0時(shí)仍能存活，在pH為4.0～9.8時(shí)能較好地生長(zhǎng)，最適生長(zhǎng)pH為7.2。在胃腸道內(nèi)，能耐受胃液、膽汁酸和消化液，通過消化道不失活，在體外室溫干燥情況下可保存3年以上。這些生物學(xué)特性使丁酸梭菌能夠?qū)︼暳霞庸み^程中的高溫、高濕、酸堿、機(jī)械摩擦和擠壓環(huán)境以及對(duì)動(dòng)物胃腸道環(huán)境均具有較好的耐受性，使得丁酸梭菌成為一種適合在畜禽飼糧中添加且能被動(dòng)物有效利用的、抗逆性強(qiáng)的益生菌飼料添加劑。

2 丁酸梭菌的生物學(xué)功能

2.1 改善腸道功能

2.1.1 調(diào)節(jié)腸道微生物菌落平衡 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，因此維持腸道微生物菌落平衡十分必要。丁酸梭菌作為一種益生菌制劑能夠調(diào)節(jié)腸道微生物菌落平衡，首先，丁酸梭菌進(jìn)入動(dòng)物機(jī)體后與致病菌競(jìng)爭(zhēng)定植位點(diǎn)，減少致病菌對(duì)腸黏膜黏附和定植的機(jī)會(huì)，降低致病菌的黏附能力，抑制大腸桿菌、沙門氏菌等有害菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌的生長(zhǎng)。其次，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)大腸桿菌、沙門氏菌等致病菌起到抑制作用，為腸道益生菌的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。梁明振等[5]研究表明，在斷奶仔豬飼糧中添加0.8×107CFU/kg丁酸梭菌能夠顯著降低空腸、回腸、盲腸和結(jié)腸的pH，提高斷奶仔豬十二指腸、空腸、回腸、盲腸和結(jié)腸內(nèi)丁酸梭狀芽孢桿菌的含量，顯著增加斷奶仔豬空腸、回腸、盲腸和結(jié)腸內(nèi)的乳酸桿菌數(shù)，顯著減少斷奶仔豬盲腸和回腸內(nèi)大腸桿菌數(shù)，說明在斷奶仔豬飼糧中添加適量的丁酸梭狀芽孢桿菌，可降低腸道pH和提高腸道內(nèi)丁酸梭狀芽孢桿菌和乳酸桿菌的含量，降低大腸桿菌的含量。肖英平等[6]研究表明，肉仔雞基礎(chǔ)飼糧中添加3×107CFU/kg丁酸梭菌可顯著降低肉仔雞腸道中優(yōu)勢(shì)菌群如丁酸菌屬的相對(duì)豐度提高，使致病菌如鏈球菌屬的相對(duì)豐度降低，改善腸道菌群結(jié)構(gòu)。

2.1.2 維護(hù)腸黏膜健康 腸道黏膜是動(dòng)物體內(nèi)具有保護(hù)作用的組織學(xué)屏障，丁酸梭菌可加速腸黏膜上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)和幼畜腸道發(fā)育成熟。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(xì)胞的主要供能物質(zhì)，可通過供給能量促進(jìn)上皮細(xì)胞的增殖，對(duì)腸道上皮組織的再生和修復(fù)具有重要的作用。Ling等[7]研究丁酸梭菌對(duì)腹瀉的治療效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌能夠明顯修復(fù)腸道黏膜損壞，上皮細(xì)胞腫脹脫落等癥狀。劉亭婷等[8]研究表明，在蛋雞飼糧中添加250、500、750、1 000 mg/kg丁酸梭菌均可顯著增加空腸黏膜厚度，維護(hù)腸黏膜健康。

2.1.3 改善腸道形態(tài)結(jié)構(gòu) 腸道是消化和吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要場(chǎng)所，而腸道的絨毛高度、隱窩深度、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(biāo)。腸絨毛高度越高則腸上皮細(xì)胞的數(shù)量越多，腸上皮細(xì)胞數(shù)量越多，則小腸對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力越強(qiáng)。隱窩是腸絨毛根部向固有層下陷形成的管狀小管腔，隱窩變淺，說明腸上皮細(xì)胞的成熟率上升，吸收能力增強(qiáng)。若隱窩變深則說明機(jī)體代謝增強(qiáng)，維持需要增多，生產(chǎn)性能低。因此，絨毛高度與隱窩深度的比值很好地反映小腸的功能情況。劉亭婷等[8]研究表明，在蛋雞飼糧中添加250、500、750、1 000mg/kg丁酸梭菌均可顯著增加十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度以及絨毛高度與隱窩深度的比值。鄭有秀等[9]研究表明在斷奶仔豬飼糧中添加250、500、1 000和2 000mg丁酸梭菌不僅可顯著提高空腸絨毛高度，還可顯著提高空腸絨毛高度與隱窩深度的比值，改善腸道形態(tài)。

2.1.4 提供營(yíng)養(yǎng)元素 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，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、脂肪酶等多種消化酶制劑以及合成葉酸、吡哆醇、維生素B1等多種維生素和氨基酸，這有助于提高機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收利用率，提高飼料轉(zhuǎn)化利用率，降低料重比，改善動(dòng)物生長(zhǎng)性能。賈聰慧等[10]研究表明，在肉仔雞基礎(chǔ)飼糧中添加3×108CFU/kg丁酸梭菌可顯著降低肉雞的料重比，增加肉仔雞的體重和平均日增重，提高生長(zhǎng)性能。趙強(qiáng)等[11]研究表明，在基礎(chǔ)飼糧中添加100、200、400、600 g/t丁酸梭菌均可在一定程度上提肉仔雞的日增重和降低料重比，且隨著丁酸梭菌添加量的增加，日增重呈明顯的下降趨勢(shì)，表明動(dòng)物機(jī)體對(duì)丁酸梭菌的利用并不是越多越好，而是有一個(gè)最佳吸收利用水平，超過這個(gè)水平，添加更多的丁酸梭菌也不能被動(dòng)物機(jī)體利用。

2.2 提高免疫功能

丁酸梭菌在激活免疫系統(tǒng)和調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能方面發(fā)揮著調(diào)控作用。動(dòng)物機(jī)體的免疫功能直接通過免疫器官功能的強(qiáng)弱體現(xiàn)出來，免疫器官指數(shù)的變化直接反映動(dòng)物機(jī)體的免疫功能。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，由特異性抗體和非特異性抗體組成，具有抗菌、抗病毒等多種功能。其中，IgG為單體免疫球蛋白，血清中含量最高，作用時(shí)間較長(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)間較短，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。補(bǔ)體（C）為一種血清蛋白質(zhì)，是介導(dǎo)免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng)的主要媒介。其中，C3是血清中含量最高的補(bǔ)體成分，在補(bǔ)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是一種多功能球蛋白，在補(bǔ)體活化和中和病毒等方面發(fā)揮作用。細(xì)胞因子為一類在細(xì)胞間傳遞信息的蛋白質(zhì)或小分子多肽，其在免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)和效應(yīng)中起著重要作用。何菊等[12]研究表明，肉仔雞基礎(chǔ)飼糧中添加100 g/t和200 g/t可將肉仔雞的法氏囊指數(shù)分別提高347.37%和520.0%，將脾臟指數(shù)分別提高61.11%和46.67%。劉硯涵等[13]研究表明，填飼北京鴨基礎(chǔ)飼糧中添加200mg/kg丁酸梭菌可顯著提高血清中IgG、IgA、C3和C4的含量，降低填飼北京鴨血清中IL-6和IL-17的含量。李文茜等[14]研究表明，斷奶期犢?；A(chǔ)飼糧中添加2.0×108CFU/kg丁酸梭菌可顯著增加犢牛IgA、IgM、IgG含量。耿正穎等[15]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加5.0×109CFU/kg的丁酸梭菌可以顯著降低仔豬血清中腫瘤壞死因子-α和白細(xì)胞介素-6的含量，顯著提高血清中白細(xì)胞介素-4含量，表明飼糧中添加丁酸梭菌可以提高斷奶仔豬免疫功能，有助于提高仔豬斷奶階段的健康水平。丁酸梭菌可以促進(jìn)免疫器官發(fā)育，提高免疫球蛋白含量，激活機(jī)體補(bǔ)體系統(tǒng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞因子含量，提高機(jī)體免疫力，這對(duì)于促進(jìn)動(dòng)物健康是有積極意義的。

2.3 抗氧化功能

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。總抗氧化能力是衡量機(jī)體整體抗氧化能力的綜合指標(biāo)，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）含量的高低反映了自由基對(duì)機(jī)體脂質(zhì)氧化損傷的程度。耿正穎等[15]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加1×109CFU/kg和5.0×109CFU/kg的丁酸梭菌均能顯著提高斷奶仔豬血清中總超氧化物歧化酶的含量，并且斷奶仔豬血清中的總超氧化物歧化酶水平隨丁酸梭菌添加量的增加呈線性顯著提高。賈聰慧等[10]研究表明，在肉仔雞基礎(chǔ)飼糧中添加3×108CFU/kg丁酸梭菌可顯著提高肉雞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。劉硯涵等[13]研究表明，填飼北京鴨基礎(chǔ)飼糧中添加200 mg/kg丁酸梭菌可顯著提高北京鴨血清中SOD活性，顯著降低血清中MDA的含量，丁酸梭菌可以有效緩解填飼應(yīng)激引起的機(jī)體氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)。這些研究結(jié)果表明丁酸梭菌可提高動(dòng)物的抗氧化能力，其作用機(jī)理可能歸因于丁酸梭菌可以產(chǎn)生T-SOD和還原型輔酶Ⅰ/還原型輔酶Ⅱ（NADH/NADPH）過氧化酶，清除體內(nèi)的活性氧，同時(shí)能產(chǎn)生的一些消化酶類、丁酸和氫氣（H2），從而影響抗氧化酶的活性，還可能與丁酸梭菌能夠抑制病原微生物的生長(zhǎng)，從而降低炎癥發(fā)生有關(guān)。

3 丁酸梭菌在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 仔豬生產(chǎn)

丁酸梭菌在仔豬生產(chǎn)中的應(yīng)用主要在提高仔豬生長(zhǎng)性能、腸道功能、免疫應(yīng)激和抗氧化等方面。劉韶娜等[16]將144頭21日齡斷奶的滇陸豬隨機(jī)分為2組，分別飼喂基礎(chǔ)飼糧和添加丁酸梭菌為105個(gè)/g的基礎(chǔ)飼糧，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)組平均日增重高于對(duì)照組，試驗(yàn)組料重比低于對(duì)照組，試驗(yàn)組血清中C3、C4、IgA、IgG、IgM水平高于對(duì)照組，試驗(yàn)組盲腸大腸桿菌數(shù)量低于對(duì)照組，雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量高于對(duì)照組，盲腸內(nèi)容物中氨氮的含量低于對(duì)照組。張秀江等[17]研究表明，仔豬飼糧中添加丁酸梭菌可使仔豬日增重平均提高0.69%，采食量平均減少20.53%，飼料效率平均提高20.32%，仔豬腹瀉率平均降低20.51%。孫健等[18]研究表明，基礎(chǔ)飼糧中添加丁酸梭菌1.0×108CFU/kg可顯著降低料重比，顯著降低糞便中乳桿菌科微生物的比例，提高普雷沃菌科和韋榮菌科微生物比例，說明丁酸梭菌可有效改善仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)，從而提高飼料轉(zhuǎn)化效率。鄭有秀等[9]研究表明，斷奶仔豬基礎(chǔ)飼糧中添加250和500 mg/kg丁酸梭菌可將仔豬腹瀉率分別降低40.99%和44.32%，添加250、500、1 000和2 000mg/kg丁酸梭菌可將斷奶仔豬的空腸絨毛高度分別提高32.23%、35.71%、33.59%和47.36%，空腸絨毛高度/隱窩深度分別提高47.24%、48.03%、19.69%和22.83%，表明25～55日齡斷奶仔豬飼糧添加250～2 000mg/kg丁酸梭菌可改善斷奶仔豬腸道結(jié)構(gòu)。耿正穎等[15]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加5.0×109CFU/kg丁酸梭菌可以提高斷奶仔豬抗氧化能力和免疫功能，有助于提高仔豬斷奶階段的健康水平和抗應(yīng)激能力。李玉鵬等[19]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加5.0×105CFU/kg丁酸梭菌可將仔豬平均日增重顯著提高7.83%、料重比降低5.26%，空腸中大腸桿菌數(shù)量降低2.49%，仔豬血清白細(xì)胞介素-1β含量降低5.47%，IL-10含量提高25.43%，表明飼糧中添加丁酸梭菌能提高仔豬小腸屏障功能，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫和腸道菌群平衡，促進(jìn)仔豬生長(zhǎng)。

3.2 肥育豬生產(chǎn)

丁酸梭菌在肥育豬生產(chǎn)中的應(yīng)用主要在提高肥育豬生長(zhǎng)性能、提高飼料轉(zhuǎn)化率、增加養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益等方面。孫華等[20]研究表明，肥育豬基礎(chǔ)飼糧中添加0.5×108CFU/kg、1.0×108CFU/kg和2.5×108CFU/kg丁酸梭菌均可在一定程度上具有提高肥育豬日增重和飼料轉(zhuǎn)化率的作用，對(duì)于養(yǎng)豬行業(yè)而言具有直接的經(jīng)濟(jì)效益，在提高保育豬日增重方面，該研究中以高劑量添加（2.5×108CFU/kg丁酸梭菌）為最優(yōu)，在提高保育豬飼料轉(zhuǎn)化率方面，以中劑量添加（1.0×108CFU/kg丁酸梭菌）為最優(yōu)。張秀江等[17]研究表明，肥育豬飼糧中添加丁酸梭菌將生長(zhǎng)肥育豬日增重提高了7.5%，日采食量提高了5.3%，料重比下降了2.2%，養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益提高了0.6%。

3.3 種豬生產(chǎn)

丁酸梭菌在種豬生產(chǎn)中的應(yīng)用主要在提高種豬繁殖性能方面。趙雷等[21]為研究復(fù)合丁酸梭菌制劑對(duì)長(zhǎng)大二元和大長(zhǎng)二元兩個(gè)品種母豬繁殖性能的影響，選擇生長(zhǎng)年限、孕期相近的兩個(gè)品種的母豬36頭（長(zhǎng)大二元和大長(zhǎng)二元各18頭）隨機(jī)分成4組，4組均選用相同基礎(chǔ)飼糧，試驗(yàn)組前2周添加0.2%的復(fù)合丁酸梭菌制劑，2周后添加0.1%的復(fù)合丁酸梭菌制劑，進(jìn)行飼養(yǎng)對(duì)比試驗(yàn)，母豬產(chǎn)后21 d結(jié)束，試驗(yàn)結(jié)果表明，臭味評(píng)分對(duì)照1、2組比試驗(yàn)1、2組分別高64.12%、86%，糞便形態(tài)試驗(yàn)組明顯好于對(duì)照組，采食量試驗(yàn)1組比對(duì)照1組高8.73%，試驗(yàn)2組比對(duì)照2組高8.37%，試驗(yàn)1、2組比相對(duì)應(yīng)的對(duì)照1、2組產(chǎn)活仔數(shù)分別高7.67%、6.10%，仔豬初生重分別高7.56%、6.33%，仔豬21日齡體重分別高9.33%、7.35%，死胎數(shù)低50.75%、43.59%，表明復(fù)合丁酸梭菌制劑可顯著提高長(zhǎng)大二元和大長(zhǎng)二元母豬的繁殖性能。

4 小結(jié)與展望

當(dāng)前，環(huán)保壓力、禁抗歷史使命和飼料原料價(jià)格上漲等諸多因素為新型飼料添加劑的發(fā)展提供了歷史機(jī)遇，純天然性、無毒性、無殘留、綠色環(huán)保的具有多種生物學(xué)功能的丁酸梭菌有望成為飼料行業(yè)的新寵兒，其在仔豬生產(chǎn)、肥育豬生產(chǎn)、種豬生產(chǎn)均剛剛處于起步階段，但已經(jīng)表現(xiàn)出了理想的研究與應(yīng)用價(jià)值，其在未來養(yǎng)豬生產(chǎn)中將發(fā)揮更加積極的作用，進(jìn)而有效促進(jìn)我國(guó)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、綠色、健康發(fā)展。