腸道微生物與豬只健康的研究進(jìn)展

姜長(zhǎng)津，關(guān)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(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530000)

0 引言

腸道的微生物種類豐富，數(shù)量龐大[1-2]。在不同時(shí)期、不同飼喂環(huán)境下，腸道的核心菌群也會(huì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，宿主自身的生長(zhǎng)發(fā)育階段也會(huì)影響腸道菌群的生長(zhǎng)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(guò)利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行自身增殖的同時(shí)，代謝產(chǎn)生的物質(zhì)可以為宿主所利用，幫助宿主吸收自身無(wú)法消化吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高宿主自身的生長(zhǎng)速度。由此可見(jiàn)，腸道微生物與宿主之間是相互依存，相互制約的共生關(guān)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(jìn)行了探討，為腸道微生物研究和養(yǎng)豬業(yè)健康生產(chǎn)提供幫助。

1 豬腸道微生物的形成與特性

在動(dòng)物體內(nèi)，微生物生長(zhǎng)定植的場(chǎng)所主要集中在腸道。在豬的生長(zhǎng)過(guò)程中，腸道菌群處于動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，菌群的多樣性隨著環(huán)境的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變。豬的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(kāi)始飲用常乳，斷奶后開(kāi)始采食飼料，為仔豬提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這些物質(zhì)對(duì)胃腸道的刺激和底物的形成必不可少，進(jìn)而啟動(dòng)免疫、生化、生理和調(diào)節(jié)過(guò)程，促進(jìn)胃腸道的完全成熟。

1.1 腸道菌群的具體形成過(guò)程

仔豬分娩前后胃腸道的形成與發(fā)育，對(duì)仔豬未來(lái)的生長(zhǎng)發(fā)育、飼料轉(zhuǎn)化效率以及最終的生存等都至關(guān)重要。多數(shù)研究認(rèn)為，仔豬在出生前的胚胎期，腸道內(nèi)為無(wú)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(nèi)容物中存在需氧菌，厭氧菌的檢出率為33.3%[4]。在分娩時(shí)，胎兒經(jīng)過(guò)母體產(chǎn)道，仔豬腸道內(nèi)逐步出現(xiàn)微生物，哺乳仔豬出生后通過(guò)吸食母乳和接觸外界環(huán)境，初步形成相對(duì)平衡穩(wěn)定的菌群環(huán)境，腸道內(nèi)的微生物開(kāi)始生長(zhǎng)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(nèi)，主要以大腸桿菌和葡萄球菌為主，結(jié)腸內(nèi)容物中的微生物數(shù)量可達(dá)到109～1010CFU/g。在仔豬出生48h后，腸道內(nèi)的氧氣便會(huì)被兼性厭氧菌消耗殆盡，腸道內(nèi)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(shù)量可達(dá)90%，主要菌群變?yōu)槿樗峋玩溓蚓Ｓ醒芯勘砻?，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(shí)期，斷奶應(yīng)激會(huì)使穩(wěn)定的腸道菌群失衡，降低免疫力，影響機(jī)體生長(zhǎng)。由于各種壓力的綜合影響，會(huì)導(dǎo)致仔豬胃腸道的生長(zhǎng)和發(fā)育中斷，腸道的穩(wěn)定會(huì)顯著降低[8]，在此時(shí)期，腸道微生物的變化也給仔豬的健康成長(zhǎng)等帶來(lái)壓力[9]，承受更大的疾病和健康風(fēng)險(xiǎn)。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(nèi)優(yōu)勢(shì)菌群[10]。斷奶后，仔豬腸道菌群逐漸穩(wěn)定，形成動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。育肥至出欄階段，腸道菌群在相同生長(zhǎng)環(huán)境下幾乎趨于穩(wěn)定。

1.2 豬腸道菌群的“共性”

整個(gè)腸道中均有不同數(shù)量的細(xì)菌、真菌、古細(xì)菌和病毒等微生物存在，其中以細(xì)菌為主。有學(xué)者對(duì)腸道菌群在系統(tǒng)發(fā)育狀況進(jìn)行了分類，主要為厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、變形菌門(mén)、放線菌門(mén)、疣微菌門(mén)和梭桿菌門(mén)六大菌門(mén)，其中擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)為主要優(yōu)勢(shì)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(mén)水平上，毛藻、擬桿菌、變形桿菌、螺旋藻和藍(lán)藻是五大優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，總比例超過(guò)95%[12]。屬水平上主要以厭氧菌和兼性厭氧菌為主，其數(shù)量占比99%以上。小腸內(nèi)核心優(yōu)勢(shì)菌群主要為乳散桿菌、鏈球菌和梭菌等。與小腸相比，大腸內(nèi)菌群多樣性更復(fù)雜，數(shù)量更多，優(yōu)勢(shì)菌群通常為厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)，占主要菌群的90%以上。

1.3 豬腸道菌群的“個(gè)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(mén)、擬桿菌門(mén)和硫酸鹽還原菌的組成，中國(guó)本土豬品種的厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和硫酸鹽還原菌的組成高于外源豬，杜洛克、長(zhǎng)白和約克夏豬的微生物組成可分為一類，與我國(guó)當(dāng)?shù)仄贩N(如巴馬和梅山母豬)不同[13]。相同性狀的不同品種之間也會(huì)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(nèi)定植的菌群也會(huì)有差異。一項(xiàng)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(jié)腸和回腸中厚壁菌門(mén)相對(duì)豐度較高，擬桿菌門(mén)豐度相對(duì)較低；擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)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(jié)腸中變形桿菌和螺旋體的數(shù)量有增加的趨勢(shì)。在哥根廷小型豬中，瘦肉型豬的盲腸微生物群中厚壁菌門(mén)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(nèi)發(fā)育遲緩(IUGR)

胎兒腸道的發(fā)育主要在臨產(chǎn)前。胎兒在母體子宮內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育緩慢或者受限，都會(huì)影響腸道的發(fā)育，對(duì)出生后的仔豬胃腸道及其內(nèi)部菌群的形成會(huì)造成負(fù)面影響[15]。IUGR會(huì)讓仔豬形成比正常仔豬更細(xì)、更長(zhǎng)的腸道，絨毛密度和尺寸較低，導(dǎo)致仔豬胃腸道的結(jié)構(gòu)發(fā)生重大的改變，延緩了一系列腸道內(nèi)正常微生物的定植、發(fā)育及穩(wěn)定，并導(dǎo)致腸道疾病的發(fā)生，增加細(xì)菌感染的概率[16]。

2.2 日糧

采食是決定動(dòng)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(zhì)、脂肪以及碳水化合物對(duì)腸道微生物的種類及定植有著重要影響。虞德夫等[17]通過(guò)研究低蛋白質(zhì)日糧對(duì)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(zhì)比正常日糧蛋白含量低3%～6%可使腸道內(nèi)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(shù)量。有研究表明，椰子油、魚(yú)油和豬油均可降低盲腸中大腸桿菌的數(shù)量，增加乳酸桿菌、雙歧桿菌的數(shù)量，其中椰子油效果最明顯，其次魚(yú)油，豬油影響相對(duì)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(jié)腸中大腸桿菌數(shù)量顯著增加，而乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)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(duì)斷奶仔豬盲腸和結(jié)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(chǎn)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(yíng)養(yǎng)來(lái)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(shù)量，減少腸桿菌的數(shù)量[22]。纖維水平對(duì)不同腸段內(nèi)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(nèi)的厚壁菌門(mén)隨著纖維水平的提高先增加后減少；結(jié)腸內(nèi)厚壁菌門(mén)的豐度顯著降低擬桿菌門(mén)增加；而空腸和回腸內(nèi)的厚壁菌門(mén)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(mén)占比較高，而擬桿菌門(mén)較低[24]。每一個(gè)品種的豬都有獨(dú)特的微生物區(qū)系，中國(guó)地方豬盲腸和結(jié)腸的多樣性較長(zhǎng)白豬豐富[25]。通過(guò)對(duì)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(shí)，品種間的腸道菌群差異不顯著，但隨著仔豬的生長(zhǎng)，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(zhǎng)發(fā)育階段，不同腸段中菌群的豐度也會(huì)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(guò)程中，環(huán)境中的應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致豬群的采食量和飲水量下降，從而引起腸道內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)變化，豬的生產(chǎn)性能降低。郭彤等[3]研究表明，發(fā)酵床養(yǎng)豬能明顯促進(jìn)乳酸菌、雙歧桿菌的增殖，明顯抑制大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的增殖。高溫環(huán)境對(duì)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(yīng)激會(huì)造成腸道微生物的紊亂，使有益菌群和有害菌群失衡，嚴(yán)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(yīng)激對(duì)豬腸道菌群影響的研究相對(duì)較少，還需驗(yàn)證。

3 腸道微生物與豬只健康生長(zhǎng)

腸道每個(gè)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(nèi)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率

與小腸相比，大腸擁有更多種類和數(shù)量的微生物，優(yōu)勢(shì)種類也有所不同，大腸在微生物發(fā)酵中起主導(dǎo)作用。飼糧中的一些粗纖維類碳水化合物，在小腸內(nèi)難以消化吸收，經(jīng)大腸內(nèi)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(jù)膳食中的蛋白質(zhì)、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(zhì)和脂肪為主的人群中擬桿菌屬為優(yōu)勢(shì)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(shì)菌群[30]。

3.2 維持機(jī)體健康

不論機(jī)體還是腸道微生物，疾病帶來(lái)的沖擊都是巨大的。正常情況下，腸道的菌群會(huì)維持動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)宿主機(jī)體起到防護(hù)作用，防止發(fā)生代謝性疾病，維持免疫力。日糧經(jīng)過(guò)小腸消化吸收后，未被消化的營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)轉(zhuǎn)移到大腸中，經(jīng)大腸中的微生物發(fā)酵，其中的一些聚合多糖經(jīng)過(guò)發(fā)酵產(chǎn)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(xì)胞增長(zhǎng)和結(jié)腸炎癥的發(fā)生。2012年，我國(guó)以華大基因?yàn)槭椎母骺蒲袉挝宦氏韧瓿闪刷蛐吞悄虿〉暮昊蚪M關(guān)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(guān)系[31]。還有研究證明，在患有Ⅱ型糖尿病的患者腸道內(nèi)，內(nèi)桿菌門(mén)的數(shù)量會(huì)增多，而厚壁菌門(mén)則會(huì)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(shù)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(nèi)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(huì)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(zhì)的分解，也能防止擬桿菌引起的葡萄糖不耐受癥，同時(shí)還關(guān)聯(lián)分析得到血清中內(nèi)毒素(LPS)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)的濃度與腸道菌群有關(guān)[26]。有研究顯示，健康仔豬的腸道菌群中，擬桿菌門(mén)的豐度最高，其次是厚壁菌門(mén)與變形菌門(mén)，而在感染流行性腹瀉(PEDV)的仔豬腸道中，變形菌門(mén)的豐度顯著上升，擬桿菌門(mén)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(shù)量減少，菌群的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，有害菌的數(shù)量增多，從而加重炎癥的發(fā)生。Matheus等[36]研究表明，發(fā)生嚴(yán)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(duì)比，糞便菌群中擬桿菌門(mén)與厚壁菌門(mén)比值降低。

3.3 提高生產(chǎn)性能

益生菌在養(yǎng)豬生產(chǎn)中也起到了重要作用，通過(guò)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(zhì)豬肉及優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。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(nèi)好氧菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌的數(shù)量，有效增加厭氧菌的數(shù)量[37]，從而提高仔豬的飼料利用率，促進(jìn)仔豬生長(zhǎng)發(fā)育。蔣加進(jìn)[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(fù)合益生菌，可以顯著增高乳酸桿菌數(shù)，顯著降低大腸桿菌數(shù)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(shí)也證明復(fù)合益生菌是一種潛在的抗熱應(yīng)激飼料添加劑。師麗剛[39]的實(shí)驗(yàn)表明，由乳酸桿菌和雙歧桿菌等組成的復(fù)合益生菌制劑，可以提高已感染產(chǎn)毒素大腸桿菌豬的免疫水平，改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

微生物存在已經(jīng)數(shù)十億年，但對(duì)微生物機(jī)理的了解還處于初級(jí)階段。在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過(guò)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(guān)系。腸道微生物的多樣性可以提高機(jī)體腸道的抵抗力，增強(qiáng)機(jī)體的免疫力，阻止病原菌的入侵與增殖。在豬群飼養(yǎng)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)合理搭配不同發(fā)育階段，豬只生長(zhǎng)所需要的日糧營(yíng)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(shí)也可起到促進(jìn)腸道健康，增加腸道黏膜屏障的抵抗力。在禁抗的時(shí)代中，通過(guò)控制菌群的平衡，達(dá)到替代抗生素，維持豬群健康，提供更優(yōu)質(zhì)豬肉產(chǎn)品的目標(biāo)。同時(shí)可以發(fā)揮有益菌的作用，通過(guò)使用益生菌類制劑，更加安全有效、綠色健康地提高生產(chǎn)效益，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展之道。