瘤胃微生物區(qū)系及其調(diào)控

郭 紅，楊慧超，高巧仙，辛國(guó)省

（1. 寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021；2. 寧夏飼料工程技術(shù)研究中心, 寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021）

瘤胃是反芻動(dòng)物的特殊器官，內(nèi)含多種微生物，包括細(xì)菌、真菌、原蟲和古菌等。瘤胃能利用纖維和非蛋白氮等物質(zhì)，生成揮發(fā)性脂肪酸和某些含氮物質(zhì)，以及利用碳氮源合成微生物蛋白，幫助動(dòng)物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化等[1]。研究證明，瘤胃微生物通過(guò)厭氧發(fā)酵能夠?yàn)樗拗魈峁?5%～75%的能量[2]。建立成熟穩(wěn)定的微生物區(qū)系，對(duì)獲得后期產(chǎn)奶潛力及提高飼料利用率有重要意義，而通過(guò)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)控手段可以幫助瘤胃快速準(zhǔn)確地建立穩(wěn)定的微生物區(qū)系。本文綜述了瘤胃微生物區(qū)系及區(qū)系的建立，概括了細(xì)菌、真菌、古菌和原蟲的建立及作用機(jī)制，同時(shí)還綜述了瘤胃微生物的調(diào)控措施，包括改變?nèi)占Z、微生物移植技術(shù)及植物添加劑等方面的調(diào)控，最終達(dá)到改善反芻動(dòng)物的健康性能和生產(chǎn)性能、提高其免疫力和生產(chǎn)效率的目的。

1 瘤胃微生物區(qū)系介紹

瘤胃微生物區(qū)系的發(fā)育是從無(wú)菌到各種微生物共存的過(guò)程。瘤胃在發(fā)育階段，微生物受多種因素影響從而發(fā)生巨大變化，之后逐步建立并發(fā)育形成成熟的瘤胃微生物區(qū)系。簡(jiǎn)而言之，早期微生物區(qū)系的建立是成熟瘤胃微生物發(fā)育的重要保障，也為成年反芻動(dòng)物瘤胃功能的發(fā)揮奠定了基礎(chǔ)。瘤胃微生物區(qū)系主要由細(xì)菌、真菌、原蟲和古菌組成，瘤胃中在門或?qū)偎匠Ｒ姷牧鑫肝⑸锶绫? 所列。

表1 瘤胃微生物區(qū)系分類及其常見微生物Table 1 Classification of rumen microflora and the common microorganisms

1.1 早期瘤胃微生物區(qū)系

瘤胃是成年反芻動(dòng)物降解飼料與吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所，通常將3～4 周歲之前反芻動(dòng)物的瘤胃微生物區(qū)系視為早期瘤胃[3]，早期瘤胃類似于非反芻哺乳動(dòng)物的單胃，在哺乳階段，瘤胃由于食管溝反射的存在而不發(fā)揮功能，在斷奶后才逐漸具有反芻功能。新生反芻動(dòng)物瘤胃微生物組成相對(duì)單一，最初只有部分功能菌群定殖[4]，而隨著日齡的增長(zhǎng)，幼齡反芻動(dòng)物開始采食固體飼料，瘤胃在固體飼料的刺激下迅速發(fā)育至成熟，此時(shí)大量菌群定殖，瘤胃發(fā)酵逐漸活躍。同時(shí)，大量的瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物的積累又進(jìn)一步刺激了瘤胃的發(fā)育[5]。

斷奶時(shí)間對(duì)瘤胃的生長(zhǎng)發(fā)育十分重要，研究[6]發(fā)現(xiàn)，羔羊在40 日齡斷奶時(shí)，平均日增重、瘤胃揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid, VFA)含量以及微生物種類和豐度最高。幼齡動(dòng)物攝入固體飼料時(shí)會(huì)攜帶大量微生物，這些微生物進(jìn)入瘤胃并選擇性地定殖在瘤胃中發(fā)揮作用。固體飼料主要影響動(dòng)物消化道的發(fā)育和微生物的組成。Meale 等[7]通過(guò)研究犢牛斷奶期間采食固體飼料發(fā)現(xiàn)，固體飼料會(huì)引發(fā)瘤胃發(fā)酵，驅(qū)使?fàn)倥Ａ鑫敢约澳c道微生物群向成熟的反芻動(dòng)物瘤胃狀態(tài)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生的 VFA 等物質(zhì)能夠?yàn)榱鑫干掀と轭^發(fā)育和吸收功能的完善提供必要的化學(xué)刺激。除此之外，早期瘤胃微生物區(qū)系還受母體、環(huán)境、動(dòng)物品種等諸多因素的影響[8]。

與成熟的瘤胃相比，早期瘤胃微生物的組成不穩(wěn)定，反芻動(dòng)物剛出生時(shí)瘤胃內(nèi)有好氧菌及兼性厭氧菌，只是在后期的生長(zhǎng)發(fā)育中很快被替代。反芻動(dòng)物早期瘤胃微生物有多種來(lái)源。首先，母體在分娩時(shí)可以通過(guò)產(chǎn)道向初生反芻動(dòng)物消化道植入有益微生物，如纖維分解菌、產(chǎn)甲烷菌等[9]。其次，初生反芻動(dòng)物還可以以舔舐母體的方式獲取瘤胃菌群，這一方式也被認(rèn)為是初生反芻動(dòng)物獲取原蟲的唯一來(lái)源[10]。反芻動(dòng)物出生后會(huì)攝取初乳，初乳攜帶母體菌群和發(fā)酵基質(zhì)進(jìn)入瘤胃，用于自身瘤胃菌群的建立和瘤胃發(fā)育。除此之外，近年來(lái)也有研究[11]發(fā)現(xiàn)幼齡反芻動(dòng)物瘤胃微生物群可能源于子宮內(nèi)的羊膜，同時(shí)，也可能與宿主基因存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。早期瘤胃微生物區(qū)系的建立對(duì)瘤胃結(jié)構(gòu)和功能發(fā)育十分重要，早期瘤胃微生物區(qū)系的良好發(fā)育是成熟微生物區(qū)系建立的基礎(chǔ)，而發(fā)育成熟的瘤胃不僅有利于飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，也是提高反芻動(dòng)物健康生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。

2 瘤胃微生物區(qū)系的建立

瘤胃微生物區(qū)系的建立是一個(gè)迅速而復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是隨著年齡的增長(zhǎng)不斷完善建立的。Dias等[12]對(duì)不同日齡的犢牛瘤胃微生物群落變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著年齡的變化，微生物的菌群種類和豐富度表現(xiàn)出了較大的差異。反芻動(dòng)物出生時(shí)瘤胃內(nèi)迅速定殖厭氧、好氧和兼性厭氧微生物，且第2 天厭氧菌就成為優(yōu)勢(shì)菌，之后隨著固體飼料攝取及其他因素的影響，厭氧菌增加而好氧和兼性厭氧菌減少，直至好氧和兼性厭氧菌群完全被嚴(yán)格厭氧菌群與纖維分解菌代替[13]，最終經(jīng)過(guò)大量微生物的定殖，穩(wěn)定的瘤胃微生物區(qū)系逐漸建立。微生物區(qū)系的建立包括種類數(shù)量、功能和結(jié)構(gòu)的變化。這些變化與宿主、環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)、管理等因素密不可分。

2.1 瘤胃細(xì)菌區(qū)系的建立

細(xì)菌在瘤胃微生物區(qū)系中優(yōu)勢(shì)菌占主導(dǎo)地位，瘤胃中細(xì)菌對(duì)飼料的消化、轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸和微生物蛋白做出了巨大貢獻(xiàn)[14]。反芻動(dòng)物剛出生時(shí)通過(guò)陰道擠壓、母乳攝入以及外部環(huán)境影響，細(xì)菌會(huì)定殖在瘤胃中并進(jìn)行擴(kuò)增繁殖[15]。瘤胃細(xì)菌的建立是循序漸進(jìn)的，反芻動(dòng)物每個(gè)年齡階段的優(yōu)勢(shì)菌門差異顯著(P＜ 0.05)，比如在2～3 日齡的小牛瘤胃中厚壁菌門和鏈球菌屬豐富。新生犢牛瘤胃中還可檢測(cè)到少量擬桿菌門、疣微菌門，這是其他階段所沒(méi)有的[16]。解彪等[17]發(fā)現(xiàn)變形菌門的豐富度隨著反芻動(dòng)物年齡增長(zhǎng)逐漸下降至最初的1/8，擬桿菌門在所有樣本中都可以檢測(cè)到且含量較豐富。但總體而言，在瘤胃細(xì)菌區(qū)系的建立過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)菌基本上都屬于擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門這3 類。

瘤胃微生物區(qū)系是在固體食物進(jìn)食之前建立的，而固體飼料可以物理刺激瘤胃的發(fā)育。固體飼料可在瘤胃內(nèi)停留一段時(shí)間，幫助完成瘤胃微生物的定殖以及生成發(fā)酵產(chǎn)物[18]。瘤胃內(nèi)發(fā)生發(fā)酵作用需要各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的參與，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)源就是細(xì)菌。Jane Morris 和Van Gylswyk[19]研究了細(xì)菌對(duì)細(xì)胞壁成分的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌溶解細(xì)胞壁中纖維素和半纖維素糖的能力比溶解非纖維素的能力更強(qiáng)。這是因?yàn)榧?xì)菌可以分泌大量纖維素酶，將纖維素降解為葡萄糖與各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為動(dòng)物提供能量。在降解纖維素時(shí)分泌瘤胃纖維素酶的細(xì)菌[20]，主要包括產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌、白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌這3 類。

瘤胃細(xì)菌的另一個(gè)重要作用機(jī)制體現(xiàn)在對(duì)脂肪酸的代謝、分解再合成過(guò)程中。瘤胃細(xì)菌可以使不飽和脂肪酸發(fā)生氫化，使之成為飽和脂肪酸，且細(xì)菌中的纖維分解菌以及參與丁酸形成的細(xì)菌對(duì)脂肪酸的敏感性較強(qiáng)。瘤胃內(nèi)C18:1t11 與細(xì)菌數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，所以隨著瘤胃細(xì)菌增加，C18:1t11 含量也增加，最終降低硬脂酸生成量[21]，達(dá)到提高脂肪酸的代謝效率和增加有益脂肪酸含量的目的。

2.2 瘤胃真菌區(qū)系的建立

瘤胃真菌1975 年才被發(fā)現(xiàn)，一般是在反芻動(dòng)物出生一周后才出現(xiàn)。目前為止研究發(fā)現(xiàn)共9 個(gè)屬19 個(gè)種的瘤胃真菌[22]，這些真菌都是嚴(yán)格厭氧的。由于真菌發(fā)現(xiàn)較晚，所以針對(duì)瘤胃真菌定殖過(guò)程的研究鮮有報(bào)道。研究發(fā)現(xiàn)在個(gè)別實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中，8～10 日齡時(shí)會(huì)出現(xiàn)真菌，而大多數(shù)試驗(yàn)動(dòng)物在3 周齡時(shí)才發(fā)現(xiàn)真菌，但是在動(dòng)物采食固體飼料后，大多數(shù)動(dòng)物瘤胃內(nèi)檢測(cè)不到真菌[23]，這可能與動(dòng)物品種、日糧等更多因素有關(guān)，更多的原因有待進(jìn)一步研究。

真菌對(duì)降解植物纖維素的貢獻(xiàn)比細(xì)菌更大，其作用原理也有很大差別。在瘤胃內(nèi)，真菌可優(yōu)先作用于木質(zhì)化纖維組織，再利用其他纖維素酶進(jìn)一步降解半纖維素。瘤胃真菌還具有降解淀粉和蛋白質(zhì)的能力[24]。目前對(duì)于真菌的定殖與分離還不清楚，還在不斷探索中。

2.3 瘤胃古菌區(qū)系的建立

瘤胃古菌占瘤胃微生物組成的0.3%～3.0%。古菌的建立非常迅速，在反芻動(dòng)物出生第2 天開始定殖，一周之后數(shù)量基本達(dá)到成熟瘤胃水平[25]。目前對(duì)古菌定殖規(guī)律的研究主要在甲烷菌方面。研究發(fā)現(xiàn)[26]，在剛出生2～4 d 的羔羊瘤胃內(nèi)可檢測(cè)到產(chǎn)甲烷菌，且在第10 天左右還未進(jìn)食粗飼料之前其數(shù)量已接近成年羊瘤胃內(nèi)數(shù)量。因此古菌區(qū)系在羔羊進(jìn)食固體飼料之前就已經(jīng)完全建立起來(lái)了，但是在幼齡反芻動(dòng)物斷奶之前產(chǎn)甲烷菌是不產(chǎn)生甲烷(CH4)的。瘤胃古菌群落的組成與動(dòng)物飲食結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。甲烷菌在瘤胃液中隨著日糧的不同在107～109個(gè)·mL-1間浮動(dòng)[12]。明晰產(chǎn)甲烷菌在瘤胃發(fā)育過(guò)程中的定殖規(guī)律，為按照不同發(fā)育時(shí)期制定對(duì)應(yīng)的精確調(diào)控措施，甚至確定最佳的調(diào)控窗口提供了可能，而目前針對(duì)瘤胃產(chǎn)甲烷菌定殖過(guò)程的研究較少。

2.4 瘤胃原蟲區(qū)系的建立

原蟲是反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)數(shù)量少、體積大的一類微生物。原蟲區(qū)系的建立分為幼齡早期和成熟期。早期剛出生的反芻動(dòng)物通過(guò)與母畜的直接或間接接觸將原蟲轉(zhuǎn)移到幼體，原蟲的第2 次建立是在細(xì)菌區(qū)系基本形成之后[27]，這是因?yàn)榧?xì)菌區(qū)系形成之后的環(huán)境條件更適宜原蟲發(fā)育。原蟲數(shù)量一般在采食前升高采食后降低，波動(dòng)較大[28]，這是因?yàn)閯?dòng)物采食飼糧后瘤胃內(nèi)容物被稀釋，原蟲數(shù)量緩慢降低，但隨著新的原蟲可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入瘤胃，原蟲數(shù)量會(huì)增加，最終維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

原蟲與細(xì)菌、真菌及甲烷菌之間存在緊密關(guān)系。原蟲與細(xì)菌有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，互相競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)源。研究表明，液相的瘤胃細(xì)菌在去原蟲以后其數(shù)量增加，且向去原蟲的瘤胃內(nèi)引入原蟲后細(xì)菌數(shù)量又降低[29]。纖毛蟲產(chǎn)生的氫可能是瘤胃內(nèi)甲烷氫的主要來(lái)源，因此可通過(guò)去原蟲降低甲烷菌的數(shù)量。但最新發(fā)現(xiàn)[30]，去原蟲對(duì)于甲烷菌數(shù)量沒(méi)有顯著影響，可能是原蟲抑制了瘤胃產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，這有待進(jìn)一步研究。研究瘤胃微生物區(qū)系及其相互關(guān)系，尤其是研究在定殖過(guò)程中各種微生物之間相互競(jìng)爭(zhēng)和依賴的規(guī)則，對(duì)提高動(dòng)物生產(chǎn)性能、獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

3 瘤胃微生物的調(diào)控

瘤胃微生物區(qū)系的建立與宿主息息相關(guān)。對(duì)處于不同環(huán)境之中，以及受其他各種因素影響的宿主，可通過(guò)調(diào)控瘤胃微生物區(qū)系來(lái)改善瘤胃發(fā)酵，提高瘤胃健康水平并改善其生產(chǎn)性能，進(jìn)而提高能量利用率。目前對(duì)于調(diào)控瘤胃微生物的手段和技術(shù)的研究已經(jīng)越發(fā)成熟，尤其是日糧、植物源性添加劑以及微生物移植技術(shù)的調(diào)控。

3.1 益生菌對(duì)早期瘤胃微生物的調(diào)控

益生菌指對(duì)動(dòng)物有益的活性微生物，包括細(xì)菌、真菌等。益生菌有多種微生態(tài)制劑，包括乳酸菌、酵母菌和芽孢桿菌等。益生菌對(duì)早期瘤胃微生物區(qū)系的調(diào)控[31]主要表現(xiàn)為緩解斷奶應(yīng)激反應(yīng)，解決反芻動(dòng)物采食量下降、炎癥、腹瀉等問(wèn)題。楊春濤[32]發(fā)現(xiàn)，添加益生菌預(yù)防或治療腹瀉的作用機(jī)制主要是通過(guò)增強(qiáng)幼齡反芻動(dòng)物體內(nèi)正常有益菌群來(lái)競(jìng)爭(zhēng)性抑制病原微生物侵襲，從而降低犢牛腹瀉發(fā)病率。奶牛炎性疾病包括奶牛子宮內(nèi)膜炎、熱應(yīng)激、能量負(fù)平衡以及瘤胃酸中毒[33]。乳酸利用菌對(duì)緩解瘤胃酸中毒有很好的應(yīng)用。氏巨型球菌作為主要的乳酸利用菌，在瘤胃中能利用超過(guò)70%的乳酸，且可與牛鏈球菌競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)底物，競(jìng)爭(zhēng)性抑制牛鏈球菌的生長(zhǎng)，減緩亞急性酸中毒[34]。復(fù)合菌的應(yīng)用是近年來(lái)益生菌新的研究熱點(diǎn)，左秀麗等[35]發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌在促進(jìn)瘤胃有益菌的生長(zhǎng)、抑制有害菌、提升瘤胃液中消化酶的活性等方面具有更好的作用。但是復(fù)合菌添加必須要精確適量，過(guò)多或過(guò)少都達(dá)不到效果。因此合理利用益生菌調(diào)控瘤胃微生物，對(duì)于促進(jìn)瘤胃微生物區(qū)系的建立、提高其生產(chǎn)性能具有長(zhǎng)效作用。

3.2 日糧結(jié)構(gòu)和組成對(duì)瘤胃的調(diào)控

瘤胃微生物易受日糧成分的影響，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)日糧來(lái)調(diào)控瘤胃微生物區(qū)系。一方面，高精料日糧可以顯著提高瘤胃上皮單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體1、鈉氫交換蛋白1 (NHE1)、鈉氫交換蛋白3 (NHE3)的表達(dá)量，降低單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體4 的表達(dá)量[36]，結(jié)果是促進(jìn)瘤胃上皮對(duì)揮發(fā)性脂肪酸的吸收，而揮發(fā)性脂肪酸又可以促進(jìn)瘤胃上皮細(xì)胞的分化和增殖。而另一方面，僅飼喂精飼料會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物的快速堆積，進(jìn)而引發(fā)瘤胃液pH 快速降低、瘤胃乳頭過(guò)度角質(zhì)化和瘤胃上皮黏膜出現(xiàn)斑塊等現(xiàn)象[37]。而且過(guò)多的精飼料會(huì)在瘤胃中形成食糜黏附和瘤胃乳頭聚集，從而降低瘤胃內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收面積。因此，在一定精飼料的基礎(chǔ)上增加優(yōu)質(zhì)粗飼料的飼喂，可以增大犢牛瘤胃容量，促進(jìn)瘤胃乳頭生長(zhǎng)，并且使瘤胃微生物區(qū)系變得更加豐富，有利于瘤胃健康發(fā)育[38]。此外粗飼料的來(lái)源、添加水平及切割度也會(huì)影響瘤胃中的微生物，從而影響微生物代謝。表2 總結(jié)了不同的粗飼料對(duì)瘤胃微生物區(qū)系組成的影響。

表2 不同粗飼料來(lái)源對(duì)瘤胃微生物組成的影響Table 2 Effects of different roughage sources on rumen microbial composition

調(diào)控日糧組成也是改變瘤胃微生物區(qū)系的途徑之一。當(dāng)前的飼養(yǎng)方式主要有放牧和舍飼兩種。譚子璇等[43]通過(guò)對(duì)不同方式飼養(yǎng)的牦牛瘤胃微生物的多樣性分析發(fā)現(xiàn)，在肉質(zhì)方面舍飼牦牛顯著優(yōu)于放牧牦牛，這可能與日糧的精細(xì)以及環(huán)境適宜有關(guān)。但是在微生物多樣性、風(fēng)味物質(zhì)種類以及揮發(fā)性脂肪酸方面，放牧更具有優(yōu)勢(shì)。另外在微生物群落中不同的飼養(yǎng)方式對(duì)瘤胃細(xì)菌的影響更明顯，細(xì)菌的變化也更明顯。相比之下，放牧組細(xì)菌多樣性更高，一些關(guān)鍵菌屬差異顯著。放牧還可以提高n-3多不飽和脂肪酸、亞麻酸等對(duì)人體有益脂肪酸的含量，降低n-6 / n-3 的比例[44]，這可能是因?yàn)榉拍羷?dòng)物吃的食物種類相對(duì)舍飼的更豐富。因此，可以對(duì)飼養(yǎng)方式進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而調(diào)控日糧組成，達(dá)到改善瘤胃微生物區(qū)系組成的目的。

3.3 植物源性添加劑對(duì)瘤胃微生物的調(diào)控

近年來(lái)，隨著國(guó)家無(wú)抗飼料政策的實(shí)施和對(duì)食品質(zhì)量安全的重視，開發(fā)有機(jī)綠色添加劑成為新的的研究方向，對(duì)天然無(wú)危害的植物源性添加劑調(diào)控瘤胃發(fā)酵的研究越來(lái)越成熟，目前主要集中對(duì)植物精油、皂苷和單寧[45]等的研究。本文總結(jié)了一些主要植物源性添加劑的特點(diǎn)和對(duì)瘤胃微生物的影響及調(diào)控(表3)。

表3 植物源性添加劑的特點(diǎn)及對(duì)瘤胃微生物的影響和調(diào)控Table 3 Characteristics of plant-derived additives and their effects on and regulation of rumen microorganisms

植物精油有高效、綠色、無(wú)殘留的特點(diǎn)，目前可作為添加劑調(diào)控瘤胃微生物和瘤胃發(fā)酵。在不影響瘤胃中揮發(fā)性脂肪酸濃度的前提下添加適量植物精油，可抑制瘤胃中超級(jí)產(chǎn)氨菌的產(chǎn)生，降低氨濃度的同時(shí)抑制CH4的濃度[46]。但是大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植物精油在調(diào)控瘤胃微生物的同時(shí)也受精油種類和濃度的限制，如果添加的精油在抑制CH4產(chǎn)生的同時(shí)使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的消化率明顯降低的話，將不利于動(dòng)物的生產(chǎn)[47]。植物精油主要發(fā)揮作用的部位是細(xì)菌細(xì)胞膜，作用機(jī)制是分子量很小的植物精油可以透過(guò)革蘭氏陰性菌的細(xì)胞膜，最終改變細(xì)胞膜的構(gòu)象，從而改變瘤胃微生物以及瘤胃發(fā)酵[48]。

皂苷是茶皂素的主要成分。茶皂素是最好的抗生素替代物，具有抑菌、抑制甲烷產(chǎn)生、保護(hù)環(huán)境等的作用。首先，皂苷作為添加劑可以抑制原蟲，提高微生物蛋白質(zhì)的合成率，使蛋白質(zhì)流向十二指腸的時(shí)候效率更高[49]。其次，皂苷對(duì)部分真菌和細(xì)菌可產(chǎn)生作用從而改變其新陳代謝。皂苷還有一個(gè)重要作用就是可以抑制CH4的產(chǎn)生并減少CO2的排放，這主要是通過(guò)降低產(chǎn)甲烷菌的活性作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在奶牛飼料中添加茶皂素可降低牛乳中的體細(xì)胞數(shù)，提升動(dòng)物的生產(chǎn)性能，增強(qiáng)其免疫力[50]。皂苷作為瘤胃微生物調(diào)控劑的主要作用機(jī)制是改變瘤胃微生物種群的組成最終改變瘤胃發(fā)酵[51]。不同種類和不同濃度的皂苷對(duì)瘤胃的調(diào)控差異較大，因此發(fā)現(xiàn)和篩選更多有益的皂苷作為天然植物添加劑，對(duì)于反芻動(dòng)物的生產(chǎn)性能和健康十分重要。

單寧是植物中廣泛存在的一種多酚化合物。過(guò)去由于其味苦影響動(dòng)物采食量一直未加利用，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)單寧可以調(diào)控瘤胃微生物，主要體現(xiàn)在改善動(dòng)物的生產(chǎn)性能、提高蛋白質(zhì)的消化率、抑制甲烷排放、改善瘤胃發(fā)酵等方面[52]。單寧在瘤胃中可以抑制瘤胃蛋白水解菌的生長(zhǎng)，它既可以和植物蛋白作用，又能與細(xì)菌作用，但這兩種作用機(jī)制是不同的[53]。與植物蛋白的相互作用是通過(guò)聚乙二醇介導(dǎo)的，并且是可逆的，而與細(xì)菌的作用則不可逆。研究發(fā)現(xiàn)，單寧可能會(huì)通過(guò)降低瘤胃內(nèi)毛蟲屬的數(shù)量對(duì)瘤胃蛋白質(zhì)的利用起到負(fù)面影響[10]，這有待進(jìn)一步研究。單寧濃度對(duì)瘤胃的調(diào)控也有明顯影響，麗麗等[54]研究發(fā)現(xiàn)飼糧中添加2%和4%的單寧可顯著降低綿羊瘤胃中細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌含量，而過(guò)高則會(huì)對(duì)宿主產(chǎn)生毒害作用。因此在使用單寧調(diào)控時(shí)，需嚴(yán)格控制濃度，針對(duì)不同的試驗(yàn)添加特定的劑量。

3.4 瘤胃微生物移植技術(shù)的調(diào)控

近年來(lái)，瘤胃微生物移植技術(shù)(RMT)在調(diào)控反芻動(dòng)物生長(zhǎng)性能和消化代謝方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。RMT 主要通過(guò)重塑瘤胃菌群結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控瘤胃微生物區(qū)系，一般取瘤胃液而達(dá)到移植微生物的目的。瘤胃液基本承載了瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)，因此可以作為微生物移植的有效供體[55]。

RMT 對(duì)治療奶牛消化不良等疾病有顯著效果。受飼糧變化影響，奶牛采食量通常會(huì)降低，但是通過(guò)RMT 技術(shù)可以使其采食量在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，這可能是移植后的瘤胃微生物區(qū)系發(fā)生明顯變化，刺激奶牛反芻，進(jìn)而增強(qiáng)奶牛食欲[56]。Ribeiro 等[57]將野牛的瘤胃內(nèi)容物與肉牛的瘤胃內(nèi)容物互換，發(fā)現(xiàn)肉牛瘤胃內(nèi)的生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，蛋白質(zhì)和氮的消化率以及干物質(zhì)采食量提高。但是，干物質(zhì)與中性洗滌纖維物質(zhì)及其消化率并沒(méi)有顯著變化，這可能與肉牛本身的結(jié)構(gòu)以及瘤胃內(nèi)容物有關(guān)，還有待進(jìn)一步的針對(duì)性研究。對(duì)于幼齡反芻動(dòng)物，RMT 也有很好的應(yīng)用。Ishaq 等[58]研究發(fā)現(xiàn)，將野生動(dòng)物消化道內(nèi)分離出的微生物飼喂給幼齡反芻動(dòng)物后，可提高幼齡反芻動(dòng)物的飼料利用率。

RMT 還常用于反芻動(dòng)物術(shù)后的恢復(fù)治療。試驗(yàn)表明，RMT 可以有效恢復(fù)抗生素所導(dǎo)致消化道微生物的紊亂[59]。雖然RMT 對(duì)瘤胃微生物區(qū)系有良好的調(diào)控作用，但是對(duì)其作用機(jī)理還處于探索階段。Depeters 和Geoerge[60]認(rèn)為，被移植的瘤胃微生物由于其自身優(yōu)勢(shì)，可快速在受體瘤胃中定殖，幫助瘤胃菌群重建，使微生物區(qū)系恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，從而改善動(dòng)物健康。而一般移植瘤胃液的目的是稀釋受體瘤胃液，從而影響受體瘤胃液的pH。移植給受體瘤胃液內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)素對(duì)促進(jìn)受體瘤胃微生物生長(zhǎng)有積極作用[61]。一些消化不良的奶牛瘤胃通常表現(xiàn)出蠕動(dòng)遲緩，移植瘤胃微生物時(shí)，對(duì)受體奶牛瘤胃壁的機(jī)械刺激會(huì)引起瘤胃壁的適度張力，這種張力可刺激位于瘤胃和網(wǎng)胃上的機(jī)械受體，使胃壁肌肉收縮，從而促進(jìn)奶牛反芻和瘤胃蠕動(dòng)[60]。雖然應(yīng)用于反芻動(dòng)物微生物移植技術(shù)的研究目前較少，其作用機(jī)制和操作技術(shù)仍然不詳，但是目前已有研究證明該技術(shù)利大于弊。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)和功能的變化對(duì)其健康和生產(chǎn)性能有重要影響。目前基于新的測(cè)序技術(shù)和手段，對(duì)瘤胃細(xì)菌的作用機(jī)制及建立過(guò)程的研究較為成熟。對(duì)古菌的研究主要集中于甲烷菌且重點(diǎn)關(guān)注了瘤胃微生物與甲烷排放的關(guān)系。而對(duì)于真菌和原蟲，受培養(yǎng)方法、鑒別技術(shù)的限制，目前研究發(fā)現(xiàn)較少。對(duì)于瘤胃微生物區(qū)系的定殖規(guī)律目前還處于間斷性研究階段，沒(méi)有完整的定殖過(guò)程。

通過(guò)調(diào)控瘤胃微生物區(qū)系，可以更好地發(fā)揮動(dòng)物的生產(chǎn)性能，維持動(dòng)物健康。目前有關(guān)瘤胃微生物區(qū)系的調(diào)控方法主要有改變?nèi)占Z、添加植物源性添加劑以及微生物移植技術(shù)。瘤胃微生物移植研究目前還處于起步階段，今后應(yīng)大力發(fā)展微生物移植技術(shù)，深入研究定殖過(guò)程中各種微生物之間的相互作用，以及微生物與環(huán)境之間的作用。了解瘤胃微生物的演替過(guò)程，實(shí)現(xiàn)瘤胃的高效調(diào)控，從而改善動(dòng)物的健康水平，提高其免疫力，解決由畜牧引起的一些環(huán)境問(wèn)題。