早期菌群干预在仔猪肠道健康的应用范文

摘要:仔猪肠道健康与仔猪的生长性能息息相关。肠道微生物在对营养物质的消化吸收、维护仔猪肠道屏障的完整性和刺激肠黏膜免疫的发育方面发挥着重要的作用。断奶仔猪肠道内有害菌的大量增殖，破坏了仔猪肠道的菌群平衡，引发仔猪腹泻。因此，尽早建立稳定的微生物群对于维护仔猪肠道健康显得尤为重要。本文通过不同方法干预仔猪肠道微生物的建立进行了综述，并分析比较了各方法的利弊，旨在为广大养殖户提供理论依据。

关键词:微生态制剂;丁酸钠;断奶仔猪;肠道健康

动物胃肠道不仅在营养物质的消化吸收方面起着重要的作用，而且在免疫、内分泌，神经调节中也发挥着不可或缺的作用。栖息在动物肠道的微生物数量庞大，是体细胞和生殖细胞总数的10倍，在机体代谢和免疫调节中发挥着重要作用，因此，肠道也被认为是机体“遗忘的免疫器官”［1］。由此可见，动物肠道健康是保障动物正常生长发育的前提。然而幼龄仔猪肠道发育不健全，再加上断奶应激，使得仔猪常常出现食欲减退，消化功能紊乱，从而导致肠道屏障功能受损，肠绒毛萎缩，隐窝深度增加，出现腹泻，最终表现为生长抑制。仔猪除消化系统发育不健全导致腹泻外，另一个重要的原因是幼龄仔猪肠道还未建立稳定的微生物群［2］。研究表明，仔猪断奶前后，胃内pH值由3上升到5，胃内乳酸杆菌数量显著下降，大肠杆菌成为了优势菌属，进而导致仔猪腹泻［3］。由此可见，肠道微生物群对于维护肠道健康具有重要的作用，尽早建立稳定的微生物群体可在很大程度上刺激仔猪肠黏膜免疫的发育，增强机体免疫机能，抵抗外来病原菌的侵入，促进肠道健康。

1微生物促进肠道养分的吸收

1.1对碳水化合物代谢的影响

小肠是动物消化吸收营养物质的重要场所，肠道微生物将宿主摄入的碳水化合物发酵产生乳酸，可降低宿主对能量的吸收和利用，还可促进肠道蠕动，促进营养物质在肠道中的转运，减少营养物质在小肠中的滞留时间［4］。而在大肠内，微生物可将宿主不能分解利用粗纤维以及非淀粉多糖发酵产生短链脂肪酸，为宿主提供能量［5］。研究表明，短链脂肪酸还可作为信号配体调节机体代谢，促进肠上皮细胞的增殖、分化，刺激肠上皮细胞对水、钠的吸收，加快结肠血流量，增加肠绒毛高度，维持肠黏膜上皮结构的完整，促进肠道健康［6］。

1.2对蛋白质代谢的影响

摄入的蛋白质进入肠道被小肠消化成小肽和氨基酸后，并不能完全被肠上皮细胞吸收利用，此时，肠道微生物在蛋白质的代谢过程中发挥了重要的作用。有研究指出，猪小肠缺乏分解代谢如苏氨酸脱氢酶、组氨酸脱羧酶和苯丙氨酸羟化酶等必需氨基酸的酶，而栖息在小肠内的微生物对饲粮中氨基酸的代谢发挥了作用，经肠道微生物分解产生的氨基酸可被肠细胞吸收利用，促进肠道对蛋白质的代谢［7］。此外，肠道微生物还可利用肠道产生的副产物氨来合成菌体蛋白，为宿主提供优质的蛋白原料。

1.3对维生素和矿物元素代谢的影响

研究表明，肠道微生物可合成维生素B、K，其中双歧杆菌可合成多种B族维生素，脆弱杆菌和大肠杆菌可合成维生素K［8］。由此可见，肠道微生物可缓解宿主维生素B和K的缺乏症。动物体一般对矿物元素的吸收利用率很低，但微生物产生的代谢产物与机体内矿物元素结合，可大大提高矿物元素在宿主的吸收效率。研究表明，肠道微生物代谢产生的有机酸，可促进后肠钙、磷的吸收。因此，有机矿物元素将逐渐取代无机矿物元素。

2微生物与免疫的关系

肠黏膜屏障是肠黏膜免疫发挥作用的重要结构基础，是宿主抵御微生物和有害物质的第一道防线，由肠黏膜上皮细胞、细胞间紧密连接与菌膜组成，可有效阻止细菌穿透黏膜进入深部组织。分泌型免疫球蛋白A(secretoryimmunoglobulinA，sIgA)在肠黏膜免疫中发挥重要作用。肠道微生物被认为是宿主主要的抗原来源物，可刺激肠黏膜细胞分泌sIgA，活化抗原递呈通路，激活肠黏膜免疫细胞因子与免疫应答等。正常环境下饲养的动物因与外界环境接触，胃肠道已建立稳定的微生物群，其肠道黏膜免疫系统发育更趋于完善［9］。但栖息在肠道中的微生物群体中既包括有益菌(如乳酸杆菌，双歧杆菌等)，也包括有害菌(如大肠杆菌等)，机体免疫系统需连续不断地在对共生体的耐受力和对病原菌的免疫之间维持一个平衡。这种平衡主要通过小分子代谢产物或群体感应等化学信号进行细胞内和细胞间的通信。

2.1通过细菌群体直接调节机体免疫反应例如分段丝状细菌(segmentedfilamentousbacteria，SFB)可诱导Th17的成熟［10］。Th17细胞可产生细胞因子IL－17和IL－22，促进抗菌肽的产生和组织修复，增强对柠檬酸杆菌感染的抗性［11－12］。树突细胞(dendriticcells，DC)感应细菌产生的ATP也可促进Th17细胞的产生，进而促进Th17诱导性细胞因子IL－6和IL－23的表达［12］。

2.2通过代谢产物间接调节机体免疫反应肠道内梭菌代谢产生的乙酸和丙酸可通过激活G蛋白偶联受体43通路(protein－coupledreceptor43，GPR43)，进而激活调节型T细胞(regulatoryTcells，Treg)。Treg是一群可抑制机体免疫反应的细胞群，可通过直接接触抗原或分泌抗炎因子，降低机体免疫反应;另外Treg还可抑制淋巴细胞的增殖，从而保护机体免受抗原的影响，在肠道炎症中发挥关键作用［13－14］。微生物代谢产物丁酸一方面可通过抑制组蛋白去乙酰化酶的活性(histonedeacetylase，HDAC)上调叉头翼状螺旋转录因子(forkhead/wingedhelixtran-scriptionfactor，Foxp3)的表达，Foxp3是CD4+CD25+Treg细胞的特异性标志，可调控Treg发挥正常功能，进而诱导幼稚型T细胞转化为Treg［15］。另一方面通过抑制HDAC的活性，调节免疫因子的表达，调节机体免疫反应。大量研究表明，微生物代谢产物乙酸、丙酸和丁酸可促进Treg细胞的分化以及抗炎因子IL－10和TGF－β等的分泌，发挥抗炎效应，尤其以丁酸作用最为明显［16］。Chang等［17］在骨髓来源巨噬细胞上的试验发现，丁酸抑制HDAC的表达并下调促炎因子的表达。Xiong等［18］在体内试验中也发现，丁酸可增加宿主防御肽(hostdefensepeptides，HDPs)基因启动子区域组蛋白3赖氨酸9的乙酰化水平，促进HDPs的表达，发挥抗菌和抗炎效应。

3不同干预手段对断奶仔猪肠道发育、菌群结构和免疫的影响

相较于胃肠道建立起稳定肠道微生物的成年动物，幼龄仔猪肠道菌群结构存在着较大差异，且不太稳定，极易受到外界环境(如温度变化、病原菌、断奶等)的影响，引发仔猪腹泻，甚至导致死亡。幼龄动物消化道发育不完善，对饲粮中的养分消化能力较差，通过营养手段调节肠道菌群结构过程缓慢，而通过外源性菌群或代谢产物直接干预仔猪肠道菌群结构，可使幼龄动物快速建立稳定的微生物群。因此，近年来，研究者们已经将目标建立在仔猪出生至断奶期间仔猪肠道菌群结构的建立上，常用的微生态制剂主要有乳酸杆菌、芽孢杆菌、粪肠球菌、丁酸梭菌等，微生物代谢产物主要是丁酸应用最为广泛。

3.1早期微生态制剂干预对仔猪肠道发育、菌群结构和免疫的影响

3.1.1乳酸杆菌仔猪断奶后，胃分泌胃酸的能力较弱，胃内pH值由断奶前的3上升到5，促进了大肠杆菌等病原菌的大量增殖，导致仔猪腹泻［3］。因此，通过外源添加益生菌可在一定程度上改善仔猪肠道微生物结构。大量研究表明乳酸杆菌发挥抗菌作用是由于乳酸杆菌在肠道中可代谢产生大量的乳酸，降低肠道内pH值，适宜于一些耐酸性环境的有益菌的增殖，从而抑制有害菌的生长，改善肠道菌群结构。Hou等［19］给新生仔猪灌服罗伊氏乳杆菌I5007增加了肠道内乳酸的浓度，降低了肠道内pH值，并增加了仔猪回肠和结肠有益菌的相对丰度，降低了有害菌大肠杆菌的相对丰度。Takahashi等［20］也发现，在仔猪日粮中添加植物乳酸杆菌可增加仔猪整个肠道乳酸杆菌的数量。陈丽仙等［21］发现采用乳酸杆菌配制而成的益生菌制剂可减少肠道好氧菌的数量，增加厌氧菌、双歧杆菌和乳酸杆菌的数量。此外，乳酸杆菌的抗菌效应可能还与乳酸杆菌在肠道中产生的H2O2、细菌素等抗菌性物质有关。乳酸杆菌在肠道中代谢产生大量的乳酸，当机体pH值下降到一定程度还可刺激肠道细胞的分裂，促进肠细胞生长，促进肠道发育。乳酸杆菌在肠道还能分泌某种物质(如分裂蛋白激酶)，可通过特异的信号通路促进肠道上皮细胞的生长［22］。杨凤娟等［23］给新生仔猪灌喂猪源罗伊氏乳杆菌I5007，结果发现，罗伊氏乳杆菌I5007可显著增加仔猪十二指肠绒毛的高度，提高空肠二糖酶的活性，同时促进仔猪肠上皮细胞紧密连接蛋白的表达，对于改善肠道屏障功能具有重要的作用。此外，乳酸杆菌还可激活巨噬细胞和树突状细胞，抑制促炎因子TNF－α等的分泌，并促进IgA的表达，缓解炎症，但是不同的乳酸杆菌对调节树突状细胞应答的效果不同［24－25］。Mizumachi等［26］发现乳酸杆菌可增加断奶仔猪血清中IgM和IgG的浓度，降低TNF－α的浓度。张董燕等［27］在仔猪日粮中添加不同水平的猪源罗伊氏乳酸杆菌，当添加到0.50%时可显著提高仔猪的生长性能，降低仔猪血清中白球比，提高血清干扰素γ的含量，提高了机体免疫力。综上所述，早期乳酸杆菌干预能改善仔猪的肠道菌群结构，肠道菌群结构的建立还可促进肠细胞的生长，刺激肠黏膜免疫系统的发育，增强仔猪肠道屏障功能，促进肠道健康。但乳酸杆菌对酸、抗生素等的耐受力不强，必须含有一定量的活菌数才能发挥效果，而饲料在制粒的过程中经过高温处理，乳酸杆菌在饲料中的有效含量大大减少，大大减弱了乳酸杆菌在肠道中发挥的作用。

3.1.2芽孢杆菌另一种常用的益生菌芽孢杆菌，其中，在养猪生产中应用最多的是蜡状芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌，芽孢乳杆菌等。芽孢杆菌大多为需氧菌，可消耗肠道内大量的游离氧，为肠道内乳酸杆菌、双歧杆菌等厌氧菌提供理想的生存环境，通过降低肠道内pH值抑制有害菌的增殖。苏勇等［28］给新生仔猪灌喂芽孢乳杆菌S1，结果发现，芽孢乳杆菌S1能缓解仔猪断奶前后肠道微生物区系的剧烈变化，减轻仔猪的断奶应激。陈奥运等［29］研究表明，枯草芽孢杆菌与乳酸杆菌联用可增加断奶仔猪肠道菌群的多样性，促进肠道内有益菌的增殖。芽孢杆菌在肠道中可分泌α－淀粉酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、纤维素酶等多种消化酶，促进饲料在肠道中的消化。此外，还可代谢产生维生素、短链脂肪酸、氨基酸等多种营养物质，为肠上皮细胞的生长提供营养物质与能量，促进动物生长。魏立民等［30］探究枯草芽孢杆菌对断奶仔猪生长性能的影响时发现，添加0.2%枯草芽孢杆菌可显著提高仔猪的生长性能。辛娜等［31］在断奶仔猪日粮中添加不同水平的芽孢杆菌，结果发现，添加0.75%的芽孢杆菌可显著降低胃肠道pH值，提高了十二指肠、空肠的绒毛高度，增加盲肠中挥发性脂肪酸的含量，促进小肠形态发育，促进仔猪健康生长。芽孢杆菌还可刺激机体免疫系统的发育，有效提高机体免疫细胞如巨噬细胞的数量，增强机体免疫能力，减少仔猪腹泻。祝天龙等［32］研究发现断奶仔猪饲粮中添加0.5%芽孢杆菌可显著增加仔猪血清IgA、IgG、补体C3和补体C4的含量。以上研究表明，在断奶仔猪饲粮中添加芽孢杆菌可改善仔猪肠道菌群组成，增加仔猪肠道菌群的多样性，缓解有害菌对肠道的侵害，并促进肠道发育，增强机体免疫。芽孢杆菌可形成芽孢，对高温、干燥、辐射以及化学消毒剂等均有较强的耐受性，添加到饲料中，经饲料工艺加工后，有效含量大大提高，可作为饲料添加剂添加到饲料中。

3.1.3丁酸梭菌近年来丁酸产生菌也逐渐成为饲料行业所关注的菌种。2013年，我国农业部将产丁酸菌列入《饲料添加剂品种目录(2013)》的附录2中，与乳酸杆菌、芽孢杆菌等有益菌相比，丁酸梭菌对酸的耐受力更强，且还可与多种抗生素并用，对温度也具有较强的耐受力，能够顺利经过胃和小肠，到达完全厌氧的回盲结合部、盲肠和结肠进行定植、繁殖和代谢。丁酸梭菌一方面在肠道内将多糖分解成低聚糖，促进肠道内双歧杆菌、乳酸菌等有益菌的增殖;另一方面产生的代谢产物丁酸等使肠道pH值降低，抑制有害菌的繁殖，从而改善肠道菌群结构。朱晓慧等［33］把丁酸梭菌分别与双歧杆菌、乳酸菌、粪杆菌进行体外培养时发现，双歧杆菌、乳酸菌、粪杆菌的数量分别比对照组增加24%、42.57%、6.76%。刘婷婷等［34］探究丁酸梭菌和谷氨酰胺复合剂对断奶仔猪肠道微生物的影响发现，丁酸梭菌与谷氨酰胺合用可显著降低仔猪盲肠大肠杆菌的数量，并增加双歧杆菌和乳酸杆菌的数量。丁酸梭菌产生的丁酸还可作为肠上皮细胞的能源物质，促进肠上皮细胞的生长，维持肠上皮细胞的完整性。李玉鹏等［35］在断奶仔猪饲粮中添加丁酸梭菌可显著上调紧密连接蛋白的表达，增强仔猪肠道屏障功能，仔猪平均日增重与对照组相比提高了7.83%。丁酸梭菌可激活由TLR2介导的NF－κB来诱导炎性因子的产生，调节机体免疫反应。王柳懿等［36］研究发现，丁酸梭菌可激活TLR2/4免疫信号通路，有增加血清中IL－8、TNF－α含量的趋势，表明丁酸梭菌可激活仔猪免疫反应，提高仔猪的免疫力。此外，丁酸梭菌在肠道代谢过程中产生丁酸、丁酸梭菌素(抗菌肽)、淀粉酶、叶酸等多种维生素、氢气等还可增强肠黏膜免疫系统的功能。目前，丁酸梭菌还没有被广泛应用到饲料生产中，一方面主要是由于丁酸梭菌的生产工艺制约了丁酸梭菌的大批量生产，另一方面，丁酸梭菌在饲料中的有效含量也是限制其被广泛应用的主要原因。丁酸梭菌的生产和应用还有待进一步研究。

3.2早期丁酸钠干预对仔猪肠道发育、肠道菌群和机体免疫的影响

因丁酸在维护肠道菌群结构、肠道发育和肠黏膜免疫方面发挥的重要作用，被作为一种新型绿色添加剂广泛运用到饲料中。研究表明，丁酸是肠上皮细胞的快速能源物质，肠道发挥生理功能所需的60%～70%的能量来自于丁酸，可刺激肠细胞的增殖、分化，加强肠上皮屏障的完整性，并刺激结肠内水钠的吸收，产生黏膜修复所需的酶，维持肠道正常功能［37］。饲粮中添加一定量的丁酸钠可显著增加小肠的绒毛高度，增强动物消化酶(如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等)的活性。罗海洋等［38］研究发现断奶仔猪饲粮中添加0.1%丁酸钠显著增加了仔猪断奶后1周十二指肠和回肠的绒毛高度于隐窝深度的比值。王继凤等［39］表明丁酸钠可改善小肠黏膜上皮细胞的形态结构，维持小肠黏膜结构的完整性，改善肠道屏障功能。丁酸属于弱酸性物质，肠道内丁酸累积，不仅为肠上皮细胞提供了能源，还降低了肠道内pH值，可促进肠道内有益菌的增殖，抑制有害菌的增殖［40］。Castillo等［41］报道，丁酸钠在不影响断奶仔猪消化道总菌数的情况下，提高了结肠中乳酸杆菌与大肠杆菌的比值。Xu等［42］给新生仔猪灌喂丁酸钠溶液发现，在不改变总菌数量的情况下，显著增加了仔猪胃和结肠的菌群多样性。丁酸还可作为组蛋白去乙酰化酶HDAC的抑制剂，抑制HDAC的活性，下调促炎因子如IL－6，IL－1β，IFN－γ的表达，减弱机体炎症反应。Chang等［17］在骨髓来源巨噬细胞上的研究发现，丁酸抑制HDAC的mRNA表达，下调了促炎因子IL－6和TNF－α的表达。Xu等［42］给新生仔猪灌喂丁酸钠溶液，结果发现丁酸钠显著下调了HDAC的表达，下调促炎因子并上调抗炎因子的表达，结果表明早期丁酸钠干预可刺激肠黏膜免疫系统的发育。由于丁酸的酸臭味，在饲料中添加一般经过加工来掩盖丁酸的酸臭味，促进仔猪肠道采食。目前市场上应用最多的丁酸产品有包膜丁酸钠、三丁酸甘油酯、双盐缓冲丁酸钠等。经包被后的丁酸钠在肠道发挥作用的关键在于丁酸的过胃比例以及在后肠的释放量。

4小结

综上所述，早期菌群和代谢产物干预可促进仔猪肠道尽早建立稳定的微生物群，并可刺激肠道和肠黏膜免疫的早期发育，抵御外来病原菌的侵害，减少仔猪腹泻等问题。微生态制剂和丁酸钠等对于仔猪肠道菌群的建立有明显的作用，但在实际生产上依然存在诸多限制因素。寻找和研发新型添加剂来改善动物肠道菌群结构还存在很大前景。

作者：徐菊美；范觉鑫；张颖；江书忠；肖淑华 单位：湖南九鼎动物营养研究院有限公司