反芻動物瘤胃乳酸代謝及其調控的研究進展

蔡 娟， 余英英， 臧長江*， 王 選， 劉文濤， 譚詠琪， 嚴曉潔， 李 卓

（1.新疆農業大學動物科學學院，動物營養實驗室，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆烏魯木齊縣農牧局，新疆烏魯木齊 830052）

隨著現代生活水平的不斷提高，為了使牛羊奶肉量迅速增加，人們長期給牛羊飼喂大量富含碳水化合物的高精飼料，導致牛羊瘤胃內蓄積大量的乳酸及揮發性脂肪酸，使瘤胃內代謝紊亂，pH下降，引起牛羊瘤胃酸中毒 （Matthias等，2002；Hungate等，1952）。 瘤胃酸中毒產生機制分為乳酸中毒學說、有機酸中毒學說、組織胺中毒學說三種。現在國際公認的是“乳酸中毒學說”，即乳酸產生菌和乳酸利用菌之間失調使瘤胃乳酸積累，直接導致瘤胃酸中毒（Beauchemin等，2003）。乳酸產生菌主要包括牛鏈球菌 （Streptococcus bovis)、乳酸桿菌（Lactobacillus)；乳酸利用菌主要包括反芻獸新月單胞菌（Selenomonusruminantium)和埃氏巨型球菌 （Megasphaeradenii）（Mackie 等，1979）。本文就瘤胃酸中毒中的乳酸中毒機制，乳酸在瘤胃中的代謝規律和與乳酸有關的微生物活動情況，以及解決瘤胃酸中毒的重要措施進行綜述，旨在為以后生產提供參考。

1 瘤胃酸中毒

瘤胃酸中毒分為急性酸中毒（ARA）和亞急性酸中毒（SARA）（李永清，1997）。ARA 為反芻動物瘤胃內由于乳酸的積累，pH迅速下降至5.0以下，而SARA為瘤胃內pH較長時間的處于5.0～5.8 （Brown 等，2000；Owens 等，1998）。 ARA 和SARA都是因為反芻動物采食過量的富含碳水化合物的精料在瘤胃中迅速被瘤胃微生物分解，使酸性物質不斷累積，瘤胃內酸性物質濃度過高，機體出現紊亂狀態，是一種營養代謝疾病（王宗元，1997）。當反芻動物長時間處于酸度極低的條件下時，容易引起瘤胃炎、腹瀉、瘤胃角質化等疾病，對動物生產性能和健康產生影響 （張福壽等，2013；Plazier等，2008）。

2 瘤胃乳酸中毒機制

在瘤胃發酵過程中，起到最主要作用的微生物為乳酸產生菌和乳酸利用菌，兩者之間的動態平衡決定乳酸濃度是否能夠積累 （Krehbiel等，1995）。如圖1所示，當反芻動物采食大量富含碳水化合物的飼料時，瘤胃中的微生物加快生長，作用于飼料釋放出大量的葡萄糖，導致瘤胃中葡萄糖濃度不斷升高，揮發性脂肪酸濃度也隨之升高，pH下降到6時，乳酸產生菌牛鏈球菌（耐受酸度最低值為4.8）依靠瘤胃中產生的葡萄糖，數量開始增加，乳酸利用菌反芻獸新月單胞菌和埃氏巨型球菌增長速度較慢，因此乳酸產生菌產生的乳酸不能夠及時被吸收利用，不斷積聚而使得瘤胃酸度加速升高。反芻獸新月單胞菌和埃氏巨型球菌對酸性環境敏感，其耐受酸度最低值度為 5.4 和 5.6（Russell等，1980），當瘤胃 pH下降到5.5時，這時其數量逐漸下降，而牛鏈球菌還在不斷增多，乳酸大量積累，當瘤胃pH繼續下降至5以下時，大部分的細菌，包括乳酸利用菌和牛鏈球菌數量減少或死亡，此時的環境適合乳酸桿菌（耐受酸度最低值度為4.3）大量繁殖，其替換了牛鏈球菌繼續產生大量的D-乳酸 （胡紅蓮等，2007）。因為動物體內D-乳酸脫氫酶含量很少，并且存在細胞線粒體膜上，不容易與D-乳酸接觸，而且血液中的L-乳酸代謝產物會抑制D-乳酸代謝，因此瘤胃乳酸會大量積累使得瘤胃內滲透壓不斷增大，乳酸被瘤胃吸收的能力進一步削弱，導致瘤胃功能紊亂，引起瘤胃酸中毒（Dunlop，1972）。

3 瘤胃內乳酸的主要代謝

3.1 瘤胃內乳酸生成 當反芻動物采食大量的淀粉、纖維后，微生物經過相關轉運機制將胞外的糖類物質轉至胞內，再經過多種磷酸化酶以及多種激酶轉化成為丙酮酸，在乳酸脫氫酶的催化下還原生成乳酸（Wang等，2010；Davidsona等，1995）。 如圖 2 所示（Karin 等，2000）。

3.2 瘤胃內乳酸的分解 乳酸被乳酸利用菌分解有兩條途徑：一是L-型乳酸經過丙烯酸生成丙酸，D-型乳酸經過D-型乳酸脫氫酶的作用轉變為丙酮酸，隨后代謝生成乙酸、丁酸等；D-型乳酸還可以經過乳酸消旋酶的作用生成L-型乳酸，再經過丙烯酸生成丙酸。二是乳酸在乳酸脫氫酶的作用下生成丙酮酸，再經過蘋果酸和富馬酸的作用生成琥珀酸，琥珀酸脫氫生成丙酸。

圖2 同型乳酸發酵代謝途徑

4 反芻動物瘤胃內主要的乳酸產生菌

4.1 牛鏈球菌 牛鏈球菌呈圓形或者卵圓形，屬于革蘭氏陽性菌；其生長速度快，廣泛存在于反芻動物瘤胃中，有很強利用葡萄糖的能力（張耿等，2004），能夠降解淀粉，但不能夠降解纖維素，發酵產物為乳酸（馮仰廉，2004）。該菌與瘤胃酸中毒密切相關，其胞內的pH可以隨胞外pH的變化而變化，因此低酸條件（pH＞4.8）對該菌的生長影響很小（Nagaraja等，2007）。當反芻動物采食大量易發酵的飼料后，使得牛鏈球菌大量繁殖，瘤胃pH下降，瘤胃中微生物區系發生改變，牛鏈球菌的代謝產物也隨pH的不同而發生改變。當瘤胃pH在6以上，由于發酵底物很少，導致牛鏈球菌生長緩慢，使得其體內的果糖1,6-二磷酸激酶（PDF）活性很低，參與丙酮酸轉化的乳酸脫氫酶（LDH）無法被激活，因此在中性或者堿性的環境下，有助于丙酮酸在丙酮酸甲酸裂解酶（PFL）的作用下轉化為甲酸和乙酸輔酶A，乙酸輔酶A轉為乙酸和乙醇 （李鵬等，2013）。當瘤胃pH在5.0以下，牛鏈球菌大量增殖，使得菌體內的FDP和丙酮酸濃度升高，這些物質將LDH激活，并抑制了PFL的酶活性，使丙酮酸在LDH的作用下生成乳酸 （龍淼等，2009）。

4.2 乳酸桿菌 乳酸桿菌一般存在于幼齡的動物中，特別是反芻動物在哺乳期時最常見，當反芻動物采食高精料飼料時，其會大量出現。常被分離到的耐氧乳酸桿菌有嗜酸性乳酸桿菌、發酵乳酸桿菌和干酪乳酸桿菌等（Russell等，1985）。通常情況下，乳酸桿菌在瘤胃中不占優勢，但當瘤胃環境pH低于5時，多數的不耐酸菌數量減少或者死亡，由于乳酸桿菌的耐酸性比牛鏈球菌強，乳酸桿菌會大量增殖，并在瘤胃中作為優勢群體進行發酵，發酵產物為L-型乳酸和D-型乳酸 （梅靈等，2014；龍淼等，2009）。因為瘤胃體內缺乏D-型乳酸脫氫酶，無法及時代謝，因此D-型乳酸積聚越來越多，導致瘤胃酸中毒（Hook 等，2011）。所以，乳酸桿菌的代謝是瘤胃酸中毒發生的重要因素。

5 反芻動物瘤胃內主要的乳酸利用菌

5.1 埃氏巨型球菌 埃氏巨型球菌是瘤胃中一種最主要的乳酸利用菌，呈革蘭氏陰性，最低耐酸度pH為5.6，可以利用葡萄糖、果糖和乳酸生長，不能利用淀粉（Marounek等，1989）。與其他乳酸利用菌不同的是埃氏巨型球菌對乳酸的發酵作用不受糖類代謝產物的抑制，可隨可溶性糖類飼喂的增加而增加 （Hino等，1994）。瘤胃中60% ～80%的乳酸都可以被埃氏巨型球菌分解利用，包括L-型乳酸和D-型乳酸（張琪等，2013），主要發酵生成的產物為丙酸、丁酸、己酸和戊酸，因此，其對于瘤胃酸中毒起著一定的緩解作用。

5.2 反芻獸新月單胞菌 反芻獸新月單胞菌呈新月形或者半月形，屬于革蘭氏陰性菌，是瘤胃中主要的乳酸分解菌。當瘤胃內葡萄糖含量過高時，抑制了反芻獸新月單細胞利用乳酸脫氫酶的活性，使其分解乳酸的能力降低（Kung等，1995）。而當葡萄糖含量低時，可將乳酸分解生成乙酸和丙酸。此外，反芻獸新月單胞菌具有脫羧基作用，可以將琥珀酸脫羧基生成丙酸，其最低耐酸度pH為5.4。當瘤胃中pH小于5.4時，反芻獸新月單胞菌在低酸環境下失去活力，分解乳酸的能力受到限制或消失，這樣會造成反芻動物瘤胃中乳酸不斷積累，加速瘤胃酸中毒的進程。

6 反芻動物瘤胃乳酸代謝的調控措施

6.1 飼料中添加緩沖劑 瘤胃中乳酸積累過多而無法及時代謝時，可以給瘤胃中加入堿性緩沖物質以中和瘤胃中的酸性物質，如Na2CO3、MgO、CaCO3等 （陳連民等，2016；Sanchez 等，1994），其可抑制耐酸乳酸桿菌大量生長，從而緩解瘤胃酸中毒。通常在動物飼料中直接添加碳酸鹽等緩沖劑（張福壽等，2013；薛萍等，2005）。 研究表明，在動物飼糧中添加0.8%～1.5%的碳酸氫鈉，可達到緩解瘤胃過酸的目的（劉丹等，2004）。

6.2 飼料中添加離子載體類抗生素 飼料中添加離子載體類抗生素，可以抑制瘤胃中大部分乳酸生成菌的生長和繁殖，促進乳酸利用菌的增殖，從而控制乳酸的產生量 （Sittisak等，2007；Chow等，1990；Russell等，1989）。莫能菌素是目前反芻動物生產中使用最多的一種離子類載體抗生素，其能使牛鏈球菌胞內外陰陽離子交換失衡，導致其多數裂解而死，從而減少乳酸的產生（McGuffey等，2001）。但是由于長時間濫用抗生素，其在畜產品中的殘留對人們健康產生威脅，因此禁用抗生素作為添加劑的呼聲越來越高。

6.3 飼料中添加有機酸電子受體 為減緩乳酸累積，在飼料中添加有機酸電子受體，可促進乳酸利用菌利用乳酸的能力，是一個很有效的減少乳酸的方法。瘤胃內的主要有機酸電子受體包括蘋果酸、琥珀酸和延胡索酸，其也是瘤胃微生物發酵產生丙酸的中間產物（陳偉等，2016）。有研究表明在飼料中添加有機酸電子受體，可以將發酵過程中的氫轉移，從而使丙烯酸途徑能夠正常進行，進而減少乳酸的含量（Carroa1等，2003）。蘋果酸、琥珀酸等有機酸的使用在發酵過程中能夠被微生物完全代謝，并且沒有殘留，是瘤胃發酵中減少乳酸含量的一個有效措施。

6.4 瘤胃中接種乳酸利用菌 埃氏巨型球菌是瘤胃中最重要的乳酸利用菌，瘤胃中大部分的乳酸都被其代謝利用（Counotte等，1981）。研究表明給瘤胃中接種埃氏巨型球菌，乳酸濃度下降，pH升高，能夠有效的減輕瘤胃酸中毒（Be-vans等，2005）。因為埃氏巨型球菌能夠與牛鏈球菌競爭瘤胃內的葡萄糖等底物，從而抑制牛鏈球菌的增殖，減少乳酸的生成（陳爽，2012）。但微生物制劑在瘤胃中存在不穩定因素，未能形成平衡穩定的群體（陳連民等，2016），能夠持續多長時間還有待深入研究。

7 小結

乳酸的代謝情況是瘤胃酸中毒的一個重要因素，因此有關降低瘤胃pH，減少乳酸產生菌，增加乳酸利用菌的數量是解決瘤胃酸中毒的關鍵。只有通過有效的措施使瘤胃微生物比例趨于平衡，合理飼喂添加劑，正確使用藥物，才能保證反芻動物的生產有效率的進行。