丁酸梭菌調節畜禽腸道菌群機制的研究進展

尚智援， 李海花， 竇彩霞， 王 倩， 喬家運*

（1.天津師范大學生命科學學院，天津300387；2.天津農學院動物科學與動物醫學學院，天津 300384）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）作為一種芽孢益生菌制劑（Zhang等，2018），能夠定植于畜禽腸道內，在改善腸道健康方面發揮積極作用。飼糧中添加丁酸梭菌能顯著提高畜禽飼料轉化率，降低腹瀉率，改善生長性能 （Zhang等，2018；Chen等，2018；Liao等，2015）； 丁酸梭菌可通過調節免疫信號通路提高免疫力，降低炎癥反應的發生（Chen 等，2018；Liao 等，2015）； 丁酸梭菌能夠通過增強抗氧化酶活性，選擇性地清除機體和細胞中的羥基自由基，進而提高總抗氧化能力，降低腸道上皮細胞的氧化損傷 （Liao等，2015；Jahns等，2015）。腸道內存在復雜的微生物群落，在營養與健康方面起著關鍵性作用，丁酸梭菌進入消化道后，主要是通過抑制致病菌的生長并促進有益菌的增殖來維持腸道菌群平衡，發揮其益生作用的（孫健等，2019；Mancabelli等，2016）。

1 丁酸梭菌調節畜禽腸道菌群的研究進展

畜禽腸道中存在著一個復雜的微生態系統，含有大量的細菌，主要由厭氧菌、兼性厭氧菌和需氧菌組成（Petri等，2010）。畜禽腸道菌群主要由4個菌門組成，第一類是硬壁菌門，既包括梭菌、乳酸桿菌、真桿菌等專性厭氧菌，也包括鏈球菌、腸球菌、葡萄球菌等需氧或兼性厭氧菌；第二類是擬桿菌門，包括擬桿菌、普雷沃氏菌等嚴格厭氧菌；第三類是變形菌門，既包括沙門氏桿菌等需氧或兼性厭氧菌，也包括大腸桿菌等兼性厭氧菌；第四類是放線菌門，包括雙歧桿菌等專性厭氧菌（Petri等，2010）。這些細菌群落與宿主相互作用并處于動態平衡狀態。

1.1 丁酸梭菌調節仔豬腸道菌群的研究 斷奶應激會導致仔豬消化功能失調和腸道屏障功能障礙，進而導致其生長停滯，引發各種疾病，嚴重危害其健康（Zong等，2019）。斷奶仔豬飼糧中添加丁酸梭菌，能顯著增加糞便巨型球菌數量，抑制除霍氏真桿菌之外梭菌的生長（Zhang等，2018）。巨型球菌在幼齡動物腸道中能分解乳酸生成丙酸和乙酸，而霍氏真桿菌負責新陳代謝，可以加強乙酸的產生和利用，進而產生更多的丁酸（Zhang等，2018；Vargas等，2017），這說明丁酸梭菌能夠使產生短鏈脂肪酸的有益菌數量增加。同時，丁酸梭菌也顯著降低了斷奶仔豬大腸埃希菌和沙門氏桿菌的數量，有增加盲腸乳酸菌、雙歧桿菌的趨勢（Jahns等，2015）。其中大腸埃希菌屬于條件致病菌，容易使部分免疫力低下的畜禽患腹腔感染、尿道炎、血流感染等疾病（Liu等，2019），而沙門氏桿菌可引發多種畜禽疾病，如豬傷寒、雞傷寒等（Peeters等，2019）。另外，在斷奶仔豬飼糧中添加丁酸梭菌和小麥麩皮合生素發現，合生素改變了腸道微生物群體，增加了纖維降解細菌（如瘤胃球菌科和毛螺菌科）的數量，抑制了致病菌（如丹毒絲菌科和普雷沃氏菌科）的生長 （Zhang等，2018）。瘤胃球菌科可產生纖維素酶、半纖維降解酶和淀粉酶等碳水化合物降解酶 （Gu等，2013）；毛螺菌科部分菌群可降解植物細胞壁中的果膠、纖維二糖等，產生短鏈脂肪酸，為畜禽及腸道菌群提供能量（李曼曼等，2019）；而丹毒絲菌科可引發豬的急性、熱性傳染病，對養豬業有很大危害（Zhang等，2018）；普雷沃氏菌科是一種條件致病菌，與呼吸道疾病、關節炎等疾病有關（Clarke等，2014）。

1.2 丁酸梭菌調節雞腸道菌群的研究 丁酸梭菌可通過調節腸道菌群結構，抵御胃腸道疾病，改善其腸道健康狀況，進而提高雞的生長性能。日糧中添加丁酸梭菌可顯著增加盲腸中的類桿菌屬、丁酸梭菌、霍氏真桿菌屬等產短鏈脂肪酸菌群的豐度（肖英平等，2017）。類桿菌屬對環境應變能力強，其基因組編碼著大量糖代謝過程相關酶、糖基水解酶，能夠提高多糖的利用率 （肖英平等，2017）。在蛋用仔公雞飼料中添加丁酸梭菌也能夠增加盲腸中乳酸桿菌和雙歧桿菌的數量 （劉亭婷等，2012）。丁酸梭菌飼喂產蛋雞發現，雞盲腸大腸桿菌菌群顯著減少，雙歧桿菌的數量明顯增加（Zhan等，2019）。雙歧桿菌在腸道內較為常見，能夠促進消化、增強免疫、酸化腸道環境、抑制致病菌生長、為機體提供維生素和氨基酸等營養物質（Riviere等，2016）。以雞胚腸道細胞為體外模型發現，丁酸梭菌能夠抑制大腸桿菌的生長，進而對大腸桿菌誘導的細胞凋亡起到抑制作用，治療大腸桿菌病（Gao 等，2012）。

2 丁酸梭菌調節畜禽腸道菌群的作用機制

丁酸梭菌屬于嚴格厭氧的芽孢桿菌，能夠產生內生孢子，具有耐酸、耐高溫的特點，因此丁酸梭菌在進入消化道后能夠經過高酸度的胃液和高膽汁的小腸，到達厭氧的盲腸和結腸環境中定植、代謝和繁殖（Kong等，2011）。丁酸梭菌一方面能夠與雙歧桿菌、乳酸菌、擬桿菌、真桿菌等有益菌共生，并促進其生長與增殖；一方面可以有效地抑制大腸桿菌、沙門氏桿菌、產氣莢膜梭菌、葡萄球菌等有害菌群的生長。在短時間內腸道菌群相對豐度發生改變，說明腸道微生物能夠對丁酸梭菌的添加迅速做出反應，丁酸梭菌一方面通過營養競爭和定植拮抗直接影響腸道內的固有菌群，另一方面也可能與丁酸梭菌的代謝產物 （如短鏈脂肪酸、消化酶等）有關，通過改變腸道內代謝產物的含量間接改善腸道環境，調節腸道菌群結構，發揮益生作用。

2.1 營養競爭與定植拮抗 丁酸梭菌可通過其優勢生長競爭性消耗腸道內有限的營養物質，這種競爭有限營養物質的能力決定著腸道菌群的分布。丁酸梭菌與艱難梭菌一起在體外培養時，艱難梭菌的毒性明顯降低甚至消失，主要是由于艱難梭菌只能代謝簡單的營養物質，而丁酸梭菌可憑借高于艱難梭菌兩倍的芽孢萌發和擴散速率消耗有限的營養物質，有效地抑制艱難梭菌的生長；同時也發現在細胞接觸狀態下，艱難梭菌毒性受到抑制，推測可能是由于細胞間相互作用，影響了艱難梭菌毒性蛋白的產生，但其機理尚不清楚（Woo等，2011）。以虹鱒為試驗對象，在其飼料中添加丁酸梭菌和凝結芽孢桿菌，結果發現飼喂丁酸梭菌的試驗組虹鱒腸道菌群結構發生改變，推測可能是因為丁酸梭菌可通過競爭排斥而抑制有害菌（如變形菌門和藍菌門細菌）的生長，進而發揮其益生作用（樊英等，2019）。

丁酸梭菌能夠通過抑制有害菌的黏附作用降低有害菌的定植與繁殖，進而抑制其對宿主的侵害。丁酸梭菌LCL166能夠與嬰兒型雙歧桿菌共培養，對大腸埃希菌O157:H7、傷寒桿菌、痢疾桿菌F2a和霍亂弧菌產生生物拮抗作用（張雪平等，2001）。丁酸梭菌能夠通過改善腸道屏障功能來降低大腸桿菌、沙門氏桿菌、產氣莢膜梭菌等致病菌的入侵和定植（Yang等，2012）。從丁酸梭菌中提取出的脂磷壁酸可抑制大腸桿菌對腸道細胞的黏附作用，其機理是脂磷壁酸與上皮細胞黏附蛋白—纖維連接蛋白非共價結合，與細菌競爭黏附位點，能夠有效抑制致病菌黏附，進而抑制致病菌的增殖（Gao等，2011）。

2.2 代謝產物的菌群調節作用

2.2.1 短鏈脂肪酸 短鏈脂肪酸（主要包括丁酸、乙酸和丙酸）由丁酸梭菌發酵產生，是腸黏膜細胞的主要能量來源，能夠調節腸道菌群平衡，改善腸道功能，對腸道疾病具有一定的預防和治療作用。丁酸在短鏈脂肪酸中含量相對較高，主要在大腸中生成，到盲腸和結腸中發揮作用（Meimandipour等，2010）。丁酸主要在乙酰CoA轉移酶或丁酸激酶的作用下生成 （Detman等，2019；Zhang等，2018），可通過β-氧化、檸檬酸循環、氧化磷酸化等一系列反應為腸道有益菌的生長提供能量及良好的環 境 （Zhang 等 ，2018；Meimandipour 等 ，2010）。將丁酸梭菌與艱難梭菌共培養時，艱難梭菌毒性受到明顯的抑制 （Woo等，2011）。其機理可能是丁酸在進入細胞后，可被分解為丁酸根離子和氫離子（H+），腸道中pH降低，抑制沙門氏菌、大腸桿菌等耐酸性差的細菌生長，同時促進乳酸桿菌等耐酸的有益菌生長，從而達到調節腸道內致病菌和有益菌之間的平衡，有效防止了病原菌感染（Detman等，2019）。基礎日糧中添加包膜丁酸鈉后，仔豬回腸中大腸桿菌的數量明顯降低，而盲腸和結腸中乳桿菌和雙歧桿菌數量明顯增加（李虹瑾等，2017）。因此，丁酸梭菌發揮益生作用部分依賴于丁酸。

丙酸由丙酮酸途徑產生，主要通過丙酰CoA途徑、甲基丙二酰CoA途徑和乳酸途徑促進糖異生代謝，是葡萄糖的重要前體物質，主要參與肝臟代謝（尹召華等，2011）。而乙酸是通過乙酸激酶產生，主要參與肌肉、肝臟和腦內代謝，可作為乳酸向丁酸轉化過程中的底物和中間體 （Detman等，2019）。因此，乙酸、丙酸的變化可能影響機體代謝，改善腸道微環境，進而改變其菌群結構。以肉雞為試驗對象，在其飼糧中添加丁酸梭菌可提高盲腸內乙酸、丁酸、丙酸等短鏈脂肪酸濃度，pH降低，刺激代謝這些酸的微生物菌群增加，改善腸道菌群結構（Zhang 等，2011）。

研究發現短鏈脂肪酸與胃腸道菌群之間具有相互作用，除了能夠促進有益菌的增殖和抑制有害菌的生長之外，有益菌的增長反過來也會刺激短鏈脂肪酸的合成（馬露等，2019）。丁酸梭菌可使獺兔腸道內乳酸菌、雙歧桿菌、擬桿菌和硬壁菌（如Clostridium clusterIV和Clostridium clusterXIVa）的含量顯著增加（Liu 等，2019）。 其中，硬壁菌可產生丁酸（Zhang等，2018）；乳酸菌可以利用發酵碳水化合物產生有機酸 （如乳酸）（Jin等，2017）；雙歧桿菌通過發酵可以產生乙酸、乳酸和甲酸，從而抑制白色念珠菌、大腸桿菌等致病菌的生長（Riviere等，2016）；擬桿菌具有發酵碳水化合物產生乙酸、丁酸和琥珀酸的功能（Riviere等，2016）。 但 Zhang等（2018）研究發現，丁酸梭菌并不能直接產生丁酸，而是通過生產乙酸誘導丁酸的生成，同時丁酸梭菌也可使產生乙酸的有益菌群數量增加，而使產生丁酸的菌群減少，這與多數研究報道的丁酸梭菌能直接生產丁酸不相符，這一現象值得進一步探究。

2.2.2 其他益生物質 丁酸梭菌在代謝過程中還產生了消化酶（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等）和丁酸梭菌素（Liu等，2019），它們在丁酸梭菌調節腸道菌群方面也發揮著至關重要的作用。在乳鴿飼料中添加丁酸梭菌和乳酸菌發現，丁酸梭菌能夠明顯提高小腸淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶的活性，促進糖代謝、氨基酸代謝、脂肪代謝等生命活動，幫助短鏈脂肪酸發揮作用，有效地提高了對營養物質消化吸收；且丁酸梭菌和乳酸菌相互協調，共同促進消化酶合成與分泌，維持腸道菌群平衡（袁文華等，2018）。

丁酸梭菌素可抑制多種其他梭菌所引起的腸道感染，糾正腸道紊亂，促進腸道健康。有研究發現丁酸梭菌可產生促進雙歧桿菌生長的影響因子，且加熱或酶變性會對這種因子造成抑制作用，推測是一種蛋白質（Araki等，2002）。丁酸梭菌素7423是由丁酸梭菌NCIB7423產生的一種細菌素，對胰蛋白酶具有很強的敏感作用，通過抑制巴氏梭菌生長細胞膜上H+-ATP酶復合物活性，進而抑制巴氏梭菌的生長（Clarke等，1982）。其中胰蛋白酶在pH為7.0～10.0環境下有較好的穩定性（翁凌等，2010），而丁酸梭菌代謝生成的丁酸、乙酸、丙酸等短鏈脂肪酸，降低了腸道pH，抑制胰蛋白酶活性，為丁酸梭菌素7423提供良好的生活環境，增強其抑菌活性。

3 小結

丁酸梭菌作為一種嚴格厭氧的芽孢益生菌制劑，其對改善畜禽腸道菌群結構有重要影響，一方面抑制有害菌的生長，另一方面優化有益菌生長發育的環境，促進有益菌的增殖。此外，丁酸梭菌在代謝過程中能產生多種酶、短鏈脂肪酸和丁酸梭菌素等益生物質，調節腸道菌群平衡，治療腸道疾病。因此，丁酸梭菌在畜禽生產中有良好的應用前景。但丁酸梭菌與其他益生元、益生菌等新型飼料添加劑配合使用的效果及作用機制仍需進一步研究。