腸道微生物與豬只健康的研究進展

姜長津，關志惠，覃兆鮮，陳 云，潘鵬丞，陳寶劍，謝炳坤，通信作者

(1.廣西大學動物科學技術學院，廣西 南寧 530000；2.廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所廣西家畜遺傳改良重點實驗室，廣西 南寧 530000)

0 引言

腸道的微生物種類豐富，數量龐大[1-2]。在不同時期、不同飼喂環(huán)境下，腸道的核心菌群也會有顯著的差異[3]。宿主可以為腸道菌群提供有利的環(huán)境與營養(yǎng)物質，宿主自身的生長發(fā)育階段也會影響腸道菌群的生長定植和多樣性。某些難以被宿主直接利用的食物，消化利用率較低，而腸道微生物通過利用營養(yǎng)物質進行自身增殖的同時，代謝產生的物質可以為宿主所利用，幫助宿主吸收自身無法消化吸收的營養(yǎng)物質，提高宿主自身的生長速度。由此可見，腸道微生物與宿主之間是相互依存，相互制約的共生關系，缺一不可。本文就豬腸道微生物的組成、功能和影響腸道菌群的因素等進行了探討，為腸道微生物研究和養(yǎng)豬業(yè)健康生產提供幫助。

1 豬腸道微生物的形成與特性

在動物體內，微生物生長定植的場所主要集中在腸道。在豬的生長過程中，腸道菌群處于動態(tài)平衡的過程，菌群的多樣性隨著環(huán)境的變化而發(fā)生轉變。豬的生長發(fā)育過程主要分為仔豬哺乳期、保育期和育肥期。仔豬出生后，最初食用初乳，然后在出生1周左右開始飲用常乳，斷奶后開始采食飼料，為仔豬提供營養(yǎng)物質。這些物質對胃腸道的刺激和底物的形成必不可少，進而啟動免疫、生化、生理和調節(jié)過程，促進胃腸道的完全成熟。

1.1 腸道菌群的具體形成過程

仔豬分娩前后胃腸道的形成與發(fā)育，對仔豬未來的生長發(fā)育、飼料轉化效率以及最終的生存等都至關重要。多數研究認為，仔豬在出生前的胚胎期，腸道內為無菌狀態(tài)。但也有研究表明，在正常飼喂環(huán)境下，胎兒的胃、空腸和盲腸內容物中存在需氧菌，厭氧菌的檢出率為33.3%[4]。在分娩時，胎兒經過母體產道，仔豬腸道內逐步出現(xiàn)微生物，哺乳仔豬出生后通過吸食母乳和接觸外界環(huán)境，初步形成相對平衡穩(wěn)定的菌群環(huán)境，腸道內的微生物開始生長定植[5-6]。在仔豬出生12h后，一些兼性厭氧菌快速出現(xiàn)并定植在腸道內，主要以大腸桿菌和葡萄球菌為主，結腸內容物中的微生物數量可達到109～1010CFU/g。在仔豬出生48h后，腸道內的氧氣便會被兼性厭氧菌消耗殆盡，腸道內形成缺氧環(huán)境，菌群逐步變?yōu)閰捬蹙M成的菌群，專性厭氧菌數量可達90%，主要菌群變?yōu)槿樗峋玩溓蚓?。有研究表明，仔豬從出生到斷奶(21日齡)糞便中微生物豐富度和多樣性顯著增加，仔豬哺乳期的糞便微生物區(qū)系的組成和功能基本與母豬相似[7]，此階段腸道主要菌群為乳酸桿菌和鏈球菌。而在仔豬斷奶時期，斷奶應激會使穩(wěn)定的腸道菌群失衡，降低免疫力，影響機體生長。由于各種壓力的綜合影響，會導致仔豬胃腸道的生長和發(fā)育中斷，腸道的穩(wěn)定會顯著降低[8]，在此時期，腸道微生物的變化也給仔豬的健康成長等帶來壓力[9]，承受更大的疾病和健康風險。仔豬斷奶3周后，仔豬的腸道菌群種類逐漸平穩(wěn)，雙歧桿菌為腸道內優(yōu)勢菌群[10]。斷奶后，仔豬腸道菌群逐漸穩(wěn)定，形成動態(tài)平衡的過程。育肥至出欄階段，腸道菌群在相同生長環(huán)境下幾乎趨于穩(wěn)定。

1.2 豬腸道菌群的“共性”

整個腸道中均有不同數量的細菌、真菌、古細菌和病毒等微生物存在，其中以細菌為主。有學者對腸道菌群在系統(tǒng)發(fā)育狀況進行了分類，主要為厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、疣微菌門和梭桿菌門六大菌門，其中擬桿菌門和厚壁菌門為主要優(yōu)勢菌群[11]。豬胃腸道各部分的微生物組成有很大的差異，但在門水平上，毛藻、擬桿菌、變形桿菌、螺旋藻和藍藻是五大優(yōu)勢菌門，總比例超過95%[12]。屬水平上主要以厭氧菌和兼性厭氧菌為主，其數量占比99%以上。小腸內核心優(yōu)勢菌群主要為乳散桿菌、鏈球菌和梭菌等。與小腸相比，大腸內菌群多樣性更復雜，數量更多，優(yōu)勢菌群通常為厚壁菌門和擬桿菌門，占主要菌群的90%以上。

1.3 豬腸道菌群的“個性”

不同品種的豬其腸道定植的菌群有明顯差異。研究表明，豬品種影響厚壁菌門、擬桿菌門和硫酸鹽還原菌的組成，中國本土豬品種的厚壁菌門、擬桿菌門和硫酸鹽還原菌的組成高于外源豬，杜洛克、長白和約克夏豬的微生物組成可分為一類，與我國當地品種(如巴馬和梅山母豬)不同[13]。相同性狀的不同品種之間也會有明顯差異，如均為肥胖型豬的哥根廷豬和奧薩巴烏小型豬之間的微生物群落也不同[13]。不同性狀之間，腸道內定植的菌群也會有差異。一項研究表明，在奧薩巴烏小型豬中，肥胖型與瘦肉型奧薩巴烏小型豬相比，肥胖型小型豬結腸和回腸中厚壁菌門相對豐度較高，擬桿菌門豐度相對較低；擬桿菌門和厚壁菌門的豐度在瘦肉型中卻相反。與瘦肉型小型豬相比，肥胖型小型豬結腸中變形桿菌和螺旋體的數量有增加的趨勢。在哥根廷小型豬中，瘦肉型豬的盲腸微生物群中厚壁菌門的豐度高于肥胖型豬[14]。

2 影響腸道微生物穩(wěn)定的因素

2.1 胎兒宮內發(fā)育遲緩(IUGR)

胎兒腸道的發(fā)育主要在臨產前。胎兒在母體子宮內生長發(fā)育緩慢或者受限，都會影響腸道的發(fā)育，對出生后的仔豬胃腸道及其內部菌群的形成會造成負面影響[15]。IUGR會讓仔豬形成比正常仔豬更細、更長的腸道，絨毛密度和尺寸較低，導致仔豬胃腸道的結構發(fā)生重大的改變，延緩了一系列腸道內正常微生物的定植、發(fā)育及穩(wěn)定，并導致腸道疾病的發(fā)生，增加細菌感染的概率[16]。

2.2 日糧

采食是決定動物腸道菌群的主要因素，腸道微生物的組成，主要在于宿主采食日糧的成分，日糧中的蛋白質、脂肪以及碳水化合物對腸道微生物的種類及定植有著重要影響。虞德夫等[17]通過研究低蛋白質日糧對斷奶仔豬腸道微生物區(qū)系的影響得知，斷奶仔豬的日糧中蛋白質比正常日糧蛋白含量低3%～6%可使腸道內乳酸桿菌屬的豐度提高，利于腸道健康。飼糧中添加不同類型、不同比例的油脂可明顯改變腸道菌群的數量。有研究表明，椰子油、魚油和豬油均可降低盲腸中大腸桿菌的數量，增加乳酸桿菌、雙歧桿菌的數量，其中椰子油效果最明顯，其次魚油，豬油影響相對最低[18]。于文雅等[19]研究表明，隨著碳水化合物與植物脂肪能量比值的降低，在盲腸和結腸中大腸桿菌數量顯著增加，而乳酸桿菌和雙歧桿菌數量極顯著降低，碳水化合物與植物性脂肪能值比低的日糧，對斷奶仔豬盲腸和結腸微生物更有益。乳糖是斷奶仔豬最好的能量源[20]，乳糖發(fā)酵產生的酸能夠維持仔豬的腸道健康，也是乳酸桿菌的最優(yōu)營養(yǎng)來源，且只能被乳酸桿菌利用[21]。在仔豬斷奶日糧中，添加6%的乳糖，可以顯著增加乳酸菌的數量，減少腸桿菌的數量[22]。纖維水平對不同腸段內菌群的影響不同，如提高飼料中纖維水平，胃、十二指腸和盲腸內的厚壁菌門隨著纖維水平的提高先增加后減少；結腸內厚壁菌門的豐度顯著降低擬桿菌門增加；而空腸和回腸內的厚壁菌門顯著增加[23]。

2.3 品種與日齡

不同品種、不同體型之間豬腸道菌群也存在差異，肥胖型豬腸道微生物厚壁菌門占比較高，而擬桿菌門較低[24]。每一個品種的豬都有獨特的微生物區(qū)系，中國地方豬盲腸和結腸的多樣性較長白豬豐富[25]。通過對比馬身豬與晉汾白豬不同階段腸道菌群差異證明，仔豬剛出生時，品種間的腸道菌群差異不顯著，但隨著仔豬的生長，不同品種豬的腸道菌群差異逐漸顯著，同一品種豬在不同生長發(fā)育階段，不同腸段中菌群的豐度也會有顯著的變化[26]。

2.4 環(huán)境

環(huán)境因素也是影響腸道菌群穩(wěn)定的重要因素，在豬群飼養(yǎng)過程中，環(huán)境中的應激會導致豬群的采食量和飲水量下降，從而引起腸道內微生物結構變化，豬的生產性能降低。郭彤等[3]研究表明，發(fā)酵床養(yǎng)豬能明顯促進乳酸菌、雙歧桿菌的增殖，明顯抑制大腸桿菌和沙門氏菌的增殖。高溫環(huán)境對家禽腸道微生物的影響較為顯著，王振鑫等[27]研究發(fā)現(xiàn)，熱應激會造成腸道微生物的紊亂，使有益菌群和有害菌群失衡，嚴重影響腸道益生菌的代謝作用，減少腸道中短鏈脂肪酸的合成。而熱應激對豬腸道菌群影響的研究相對較少，還需驗證。

3 腸道微生物與豬只健康生長

腸道每個部位執(zhí)行的功能不一致，形成的環(huán)境也不同。因此，腸道內不同部位的菌群不同，其所發(fā)揮的作用也不同。

3.1 提高營養(yǎng)物質的利用率

與小腸相比，大腸擁有更多種類和數量的微生物，優(yōu)勢種類也有所不同，大腸在微生物發(fā)酵中起主導作用。飼糧中的一些粗纖維類碳水化合物，在小腸內難以消化吸收，經大腸內微生物發(fā)酵生成短鏈脂肪酸由宿主吸收，常駐菌群可以分解在小腸中未充分水解的多糖(如抗性淀粉和膳食纖維)[28]。豬腸道微生物的組成與人類相似度較高[29]，人類腸道核心菌群中，根據膳食中的蛋白質、脂肪和糖類的含量不同而表現(xiàn)出顯著的差異，食物中以蛋白質和脂肪為主的人群中擬桿菌屬為優(yōu)勢菌群；而以富含糖類食物為主的人群中，則以普氏菌屬為優(yōu)勢菌群[30]。

3.2 維持機體健康

不論機體還是腸道微生物，疾病帶來的沖擊都是巨大的。正常情況下，腸道的菌群會維持動態(tài)平衡，對宿主機體起到防護作用，防止發(fā)生代謝性疾病，維持免疫力。日糧經過小腸消化吸收后，未被消化的營養(yǎng)成分會轉移到大腸中，經大腸中的微生物發(fā)酵，其中的一些聚合多糖經過發(fā)酵產生乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸，這些短鏈脂肪酸可以抑制腫瘤細胞增長和結腸炎癥的發(fā)生。2012年，我國以華大基因為首的各科研單位率先完成了Ⅱ型糖尿病的宏基因組關聯(lián)分析，揭示了正常健康人群與患者在腸道微生物組成上的差異，證明了腸道菌群與Ⅱ型糖尿病之間的關系[31]。還有研究證明，在患有Ⅱ型糖尿病的患者腸道內，內桿菌門的數量會增多，而厚壁菌門則會減少。普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzi)可以抵抗腸道炎癥，低聚半乳糖可增加普拉梭菌數量，從而起到更好的抗炎作用[32]。小鼠疾病模型上的研究顯示，在感染豬肺炎鏈球菌性肺炎和豬支原體肺炎等呼吸道疾病后，腸道內若存在較高多樣性的微生物菌群或者提高菌群的多樣性，則會降低豬只的肺臟病變率，減輕臨床癥狀，降低死亡率[33]。普雷沃氏菌(Prevotella Shan and Collins)屬有助于碳水化合物和蛋白質的分解，也能防止擬桿菌引起的葡萄糖不耐受癥，同時還關聯(lián)分析得到血清中內毒素(LPS)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素-6(IL-6)的濃度與腸道菌群有關[26]。有研究顯示，健康仔豬的腸道菌群中，擬桿菌門的豐度最高，其次是厚壁菌門與變形菌門，而在感染流行性腹瀉(PEDV)的仔豬腸道中，變形菌門的豐度顯著上升，擬桿菌門的豐度則顯著下降[34]。朱琳琳等[35]的研究表明，患有豬圓環(huán)病毒2型的仔豬空腸的菌群中，乳酸桿菌等有益菌數量減少，菌群的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，有害菌的數量增多，從而加重炎癥的發(fā)生。Matheus等[36]研究表明，發(fā)生嚴重黏膜出血性腹瀉疾病的豬與未發(fā)生黏膜出血性腹瀉的豬對比，糞便菌群中擬桿菌門與厚壁菌門比值降低。

3.3 提高生產性能

益生菌在養(yǎng)豬生產中也起到了重要作用，通過降低料重比，降低養(yǎng)殖成本，提高豬群健康，提供健康充足的優(yōu)質豬肉及優(yōu)質的動物實驗模型。有研究表明，添加由乳酸桿菌制成的益生菌劑，可有效抑制仔豬腸道內好氧菌、產氣莢膜梭菌的數量，有效增加厭氧菌的數量[37]，從而提高仔豬的飼料利用率，促進仔豬生長發(fā)育。蔣加進[38]等研究表明，在高熱環(huán)境下添加3%由嗜酸乳桿菌和酵母菌等配制而成的復合益生菌，可以顯著增高乳酸桿菌數，顯著降低大腸桿菌數與腹瀉發(fā)生率，豬群日增重可顯著增加，料重比顯著降低，同時也證明復合益生菌是一種潛在的抗熱應激飼料添加劑。師麗剛[39]的實驗表明，由乳酸桿菌和雙歧桿菌等組成的復合益生菌制劑，可以提高已感染產毒素大腸桿菌豬的免疫水平，改善腸道菌群結構，促進生長。

4 結語

微生物存在已經數十億年，但對微生物機理的了解還處于初級階段。在漫長的生物進化過程中，腸道微生物與宿主之間形成了相互依存、相互制衡的共生關系。腸道微生物的多樣性可以提高機體腸道的抵抗力，增強機體的免疫力，阻止病原菌的入侵與增殖。在豬群飼養(yǎng)過程中，應當合理搭配不同發(fā)育階段，豬只生長所需要的日糧營養(yǎng)成分，提高腸道微生物的多樣性，在充分利用日糧的同時也可起到促進腸道健康，增加腸道黏膜屏障的抵抗力。在禁抗的時代中，通過控制菌群的平衡，達到替代抗生素，維持豬群健康，提供更優(yōu)質豬肉產品的目標。同時可以發(fā)揮有益菌的作用，通過使用益生菌類制劑，更加安全有效、綠色健康地提高生產效益，堅持可持續(xù)發(fā)展之道。