胃肠道菌群介导的乳酸菌干预犊牛腹泻研究进展

摘要：犊牛腹泻是主要由细菌感染引起的消化功能障碍性疾病，严重时可导致犊牛死亡。目前我国犊牛腹泻率连年递增，反复腹泻难以治愈，且研究表明腹泻犊牛的胃肠道菌群与健康犊牛相比存在失调现象。乳酸菌可产生有益代谢物，改善犊牛胃肠道功能，增强其免疫力，因此通常使用乳酸菌代替抗生素治疗犊牛腹泻。本文论述了胃肠道菌群与犊牛机体健康的联系，总结了腹泻犊牛胃肠道菌群的特征，同时基于乳酸菌益生功能及乳酸菌干预犊牛腹泻相关研究进展，对乳酸菌干预犊牛腹泻的机制进行了梳理汇总，为犊牛腹泻的预防、治疗和隔绝传染奠定了理论基础，也为开发针对犊牛的止泻菌剂提供参考。

关键词：乳酸菌；犊牛腹泻；胃肠道菌群：代谢物质

犊牛系指初生至断乳前时期的小牛，其瘤胃和肠道发育不完全，因此消化功能不完善，对营养的吸收能力较差，对病菌的抵抗能力较弱。犊牛易患以拉水样便和精神萎靡为临床特征的腹泻综合征，这是造成犊牛死亡的主要原因之一，也是影响中国畜牧业发展后备牛源的重要问题。犊牛腹泻分为细菌性腹泻、病毒性腹泻、寄生虫感染及营养性腹泻等,其中细菌性腹泻占主导地位，发生率为60%～80%。犊牛发生腹泻时会伴随肺炎、感冒、酸中毒等其他疾病的困扰，影响犊牛生长发育进而严重威胁后期的备孕和产奶。研究统计犊牛哺乳期的腹泻发生率为33.5%～37.5%，腹泻引起的犊牛死亡率达2.45%～15.20%。在生产中常用抗生素治疗犊牛腹泻，但滥用抗生素会导致瘤胃和肠道发育延缓，破坏体内菌群平衡；另外抗生素的残留会导致乳制品中抗生素超标，威胁人体健康。因此寻找新的替抗产品已迫在眉睫。

乳酸菌是自然界中分布极广、数量极多的益生菌，具有提高宿主营养吸收及免疫力、抑制有害菌生长、改善生态环境、对人畜无副作用等优势，是理想的替抗产品，成为防治犊牛腹泻的优先选择。本文分别从胃肠道菌群与犊牛机体健康、腹泻犊牛的胃肠道菌群特征和乳酸菌的功能及干预犊牛腹泻实验机理研究3个方面进行归纳总结，为犊牛腹泻的防治提供参考，也为乳酸菌的开发和其在畜牧方向的利用奠定基础。

1 胃肠道菌群与犊牛机体健康

胃肠道菌群是一个复杂的微生态系统群落，微生物共生维持胃肠道和宿主的健康。出生后30d内饲乳的犊牛瘤胃没有功能且发育不成熟，其胃肠道菌群有丰富度和均匀度较低的特征，抵御病原抗性较弱，受胃肠道疾病影响较大，可被默认为单胃动物。

犊牛早期胃肠道菌群的建立和组成对其后期瘤胃发育、维持肠道稳态和抵御病原的定植至关重要，且对其胃肠道健康产生持久的影响。犊牛胃肠道菌群的组成和特异性与犊牛的日龄、饲料的不同配比、父母系遗传、饲养环境等因素密切相关。Uyeno等研究表明1周龄和3周龄的犊牛肠道中分别以粪杆菌和拟杆菌属、普雷沃氏菌属为主。饲料成分极大地影响犊牛胃肠道菌群的组成，例如与谷物精饲的犊牛胃肠道菌群相比，燕麦草饲喂的犊牛胃肠道中纤维素分解菌丰度显著升高。而父母系遗传也可能是影响犊牛胃肠道菌群变化的重要因素，其父母遗传的胃肠道菌群差异可能会造成犊牛个体胃肠道菌群的差异。此外，有研究表明不同地理区域的犊牛由于气候、纬度和水文等饲养环境的差异，其菌群组成也有所不同，Liu 等研究表明青藏地区犊牛胃肠道中放线菌门丰度最高，低海拔地区犊牛胃肠道中的优势菌是拟杆菌门。

2 腹泻犊牛的胃肠道菌群特征

腹泻是影响犊牛机体健康的重要因素，而影响犊牛腹泻的一个关键因素是胃肠道菌群。犊牛发生腹泻时胃肠道菌群的多样性、丰富度和均匀度与健康犊牛相比均表现出显著差异。如表1所示，腹泻犊牛的胃肠道菌群结构特征表现不完全一致，这可能是由于实验犊牛的品种、生长地区、日龄、是否抗生素处理及样本数量的差异不同造成的。但总体看来有以下特征：首先，与健康度犊牛相比，腹泻犊牛胃肠道菌群的α多样性下降，这表明腹泻犊牛的胃肠道菌群已经失调，但随着腹泻犊牛日龄增加，其菌群的α多样性增加。另有研究结果显示，经过抗生素处理后，腹泻犊牛胃肠道菌群α多样性略有减少，随着犊牛生长，胃肠道菌群的差异进一步变大。其次，腹泻犊牛胃肠道菌群中的炎症因子产生菌及机会致病菌增多，例如布劳氏菌属、沙门氏菌、艰难梭菌、志贺氏菌等。这些变化可引起犊牛机体菌群失衡，炎症因子穿透肠道黏膜屏障，导致肠道痉挛、体液流失。另外，腹泻犊牛胃肠道菌群中产有益代谢物质的细菌也发生了变化，如产生短链脂肪酸(SCFAs)的菌体减少，常见的有丁酸单胞菌属、拟杆菌属和双歧杆菌，它们可通过产生SCFAs使肠道 pH 降低，抑制病原繁殖。此外犊牛腹泻类型不同，其菌群组成也大不相同。感染致病性大肠杆菌的犊牛肠道中变形菌门和厚壁菌门相对丰度较高，拟杆菌门丰度下降，感染牛轮状病毒(BRV)的犊牛肠道中含有多种病原菌的变形菌门显著上调。同时有研究表明Muribaculaceae的早期定植可防止犊牛腹泻，而梭菌属在瘤胃和肠道中定植可能是腹泻风险的标志。腹泻犊牛的菌群结构特征呈现由专性厌氧菌转变为兼性厌氧菌，会导致腹泻程度进一步加深。

综合以上，腹泻犊牛的胃肠道菌群存在严重的失衡现象，健康菌群的重建对恢复健康至关重要。然而，目前尚不清楚失衡是发生在病原微生物侵入胃肠道之前还是之后。腹泻与胃肠道菌群之间的关系及其作用影响机制也尚不明确。

表1腹泻犊牛的菌群特征

3 乳酸菌的功能及干预犊牛腹泻实验机理研究

3.1 乳酸菌的功能

在生长早期奶牛与乳酸菌的接触尤为重要。乳酸菌是自然界中数量极多的益生菌，其利用碳水化合物产生乳酸和多种菌素，具有助消化和抗炎作用。乳酸菌还是动物肠道中关键的菌株，承担着维持微生态平衡的生理功能，能够调节机体胃肠道菌群，提高食物利用率，抑制有害菌繁殖和其不良代谢物的产生，产生维生素等营养物质，促进肠道黏膜修复，刺激瘤胃发育等。目前，人为添加或利用具有生理功能的乳酸菌来治疗犊牛疾病是越来越多牧场的选择。

3.2 乳酸菌干预犊牛腹泻的实验

近年来，胃肠道菌群被认为是疾病治疗的靶点，利用乳酸菌干预腹泻调节核心菌群至健康状态是当前的研究热点。干预腹泻的乳酸菌主要有植物乳杆菌、乳酸球菌、双歧杆菌、嗜热链球菌等，且国内外研究人员进行了相关的体内外干预实验，试验内容见表2、3。但从胃肠道菌群层面来看，基于乳酸菌的益生性来干预犊牛腹泻的机制尚不明确。

表2 乳酸菌干预犊牛腹泻的体外实验

表3乳酸菌干预犊牛腹泻的动物实验

3.3 乳酸菌干预犊牛腹泻的机制

犊牛机体受到病原侵袭后，胃肠道菌群与机体之间的平衡被打破，胃肠道出现紧急反应，乳酸菌干预后会对抗炎症，调控菌群均衡，达到控制和治疗腹泻的效果，其作用机制一直是研究的热点。综合目前研究结果，乳酸菌干预犊牛腹泻的机制如图1所示。

3.3.1 竞争性抑制病原菌，增加有益菌

研究表明摄入乳酸菌可迅速降低瘤胃和肠道内pH，抑制病原菌生长，并聚集在一起形成保护性屏障，同时对胃肠道结合部位的竞争性排斥抑制病原菌的粘附，减弱致病因子的作用，延迟发病时间；还通过生物夺氧等竞争作用抑制有害菌定植，降低犊牛腹泻风险。例如Khaziakhmetov等在犊牛常乳和饮水中添加不同的乳酸菌，犊牛粪便中乳杆菌增加27.0%～37.6%，双歧杆菌数增加17.6%～35.7%，大肠杆菌数减少21.3%～31.3%。Guo等研究用双歧杆菌和干酪乳杆菌等进行补充饲喂，显著降低了犊牛腹泻率和粪便性状评分，腹泻率由70%降至10%，提高了粪便中有益菌的相对丰度，降低了条件致病菌的相对丰度。还有乳酸菌干预可以调整犊牛肠胃中菌群的富集结构，使有益菌增多，进而降低犊牛腹泻的程度和发生率。例如Sofia等用2种乳酸杆菌干预腹泻犊牛，发现双歧菌属丰度显著增多。Renaud等研究发现，通过乳酸片球菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、双歧杆菌等干预腹泻犊牛，乳酸菌在肠胃中丰度增加可明显缩短腹泻时间。综合以上，乳酸菌干预可以明显提高犊牛肠胃中有益菌数量，减少有害菌数量，使有益菌处于主导地位，促进肠胃菌群的健康发育，控制腹泻程度，降低腹泻率。

3.3.2 产生有益代谢物，促进营养吸收

乳酸菌在犊牛瘤胃和肠道内生长和繁殖，产生一些参与犊牛新陈代谢和促进犊牛健康生长的物质，如氨基酸、有机酸、维生素和多肽等，对抵抗腹泻恢复肠道稳态有积极作用，具体分类和物质如表4所示。

表4乳酸菌代谢物质

乳酸菌可充分利用犊牛食入的牛奶，将乳糖分解成细菌素、乳酸等产物，并利用低聚果糖分解生成有机酸，有效地抑制沙门氏菌和金黄色葡萄球菌等条件致病菌的黏附和生长；还有研究表明大肠杆菌型腹泻犊牛补饲乳酸杆菌可以提高肠道内SCFAs含量，而SCFAs可对抗炎症，也是上皮细胞主要的能量来源，还是营养物质吸收的重要介质。乳酸菌代谢产生淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶等物质，这些酶将大分子化合物分解成为单糖和小分子，提高饲喂乳的利用和颗粒饲料的消化，增加机体内抗氧化酶的数量，还能降解植物饲料中结构较为复杂的碳水化合物，如蛋白质、淀粉和果胶等，促进营养物质的吸收，提高犊牛的生长发育，从而提高利用率减少成本。乳酸菌还能合成生长必需物质，例如合成参与机体某些重要生长代谢的维生素，如叶酸、维生素B12、维生素K2等辅助腹泻的治疗。例如 Melnik等发现乳酸菌产生的乳糖可以选择性刺激健康菌群生长，抑制致病菌繁殖，减少氨类和吲哚等有毒代谢产物进入血液。乳酸菌还能产生溶菌酶、过氧化氢、细菌素、多肽等抑菌物质，抑制有害菌生长，其中双歧杆菌可干扰宿主上皮细胞受到侵袭，通过释放双歧杆菌素致使革兰氏阳性菌细胞死亡，并产生胞外多糖抑制病原菌生长。

3.3.3 减少环境污染，控制腹泻蔓延

乳酸菌干预腹泻犊牛后，会在犊牛胃肠道内定植一部分，剩余部分随着粪便的排出而定植在卧床上，同时与犊牛体外环境中的病原进行斗争，例如在养殖污水中乳酸菌对亚硝酸盐和氨氮具有良好的降解性能，在发酵废弃物上产生乳酸形成酸化环境抑制虫卵生长，以及沉降粪便中纤维等。除此以外，牧场生产中氨、硫化氢等刺激性气体排放会使犊牛易感呼吸道疾病，导致抵抗力下降，进而造成犊牛腹泻，而乳酸菌干预是提高氮利用率的一种有效手段。有研究表明乳酸菌可在犊牛肠道中产生多种降解酶，能够分解利用胃肠道中的游离氨和其他有害物质，降低其在瘤胃、肠道、粪便和血液中的含量，减少氨和其他有害气体排放。同时乳酸菌在胃肠道中也能够产生一些有害物质的利用酶，如分解硫化物的酶、氨基氧化酶或氨基转移酶等，还促使机体胃肠道内减少一些有害物质的产生，如游离的胺和吲哚等，中和了体内毒素。由于机体内氨水平下降，导致排出体外的氨数量随之减少，进而改善饲养环境。Beck等发现，相比对照组，用乳酸杆菌发酵植物产品饲喂奶牛的每日尿氮排泄量降低18.0%。还有研究发现鼠李糖乳杆菌干预后，大肠杆菌数量下降且活力降低，脲酶也会跟随降低，从而减少了氨氮等有毒物质的产生，这也可能是氨氮浓度降低的原因之一，也在一定程度上解释了乳酸菌降低氨排泄的部分机理。

3.3.4 调节渗透压，恢复肠道屏障

渗透压是维持胃肠道细胞调控物质的关键，溶质交换过程破坏可能导致腹泻。瘤胃和肠道的屏障由粘液层、上皮细胞和紧密连接多蛋白体组成，是维持上皮细胞完整性、预防病原感染和减少炎症的关键防御机制。有研究发现Cl-分泌和Na+转运由交换蛋白控制，而乳酸菌通过其吸收作用来增加交换蛋白的功能和表达来缓解腹泻。植物乳杆菌ZLP001可以通过维持紧密连接蛋白的丰度来增加肠道上皮对病原体的抵抗力。此外，植物乳杆菌、干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌等可以影响跨上皮电阻值和上皮通透性，调节紧密连接蛋白的分布，对腹泻有抵抗和修复的能力。

3.3.5 刺激免疫细胞，抑制炎症反应

乳酸菌可激活相应免疫细胞信号通路激发防御机制，增强对病原微生物的防御，有利于受感染和损伤的胃肠道屏障恢复正常，并提高对侵袭性胃肠道病原体的吞噬作用，具体免疫作用如表5所示。

表5不同菌株对免疫细胞的作用

除表中所示之外，乳酸菌可增加分泌IgA、IgM和IgG细胞数量来增强免疫反应，也可通过激活巨噬细胞刺激非特异性免疫抑制促炎因子的产生。如Finamore等发现补充乳杆菌明显提升血清中IgA、IgM和IgG水平，腹泻率显著降低。Singh等发现嗜酸乳杆菌可提高免疫球蛋白含量，降低炎症参数，使感染BRV的腹泻犊牛恢复期缩短。乳酸菌也可以提高受沙门氏菌侵袭的犊牛免疫中淋巴细胞和中性粒细胞的比率，增强牛的抗应激能力，增强全身特异性免疫反应。

4 结语

犊牛腹泻率在牧场中逐年升高，且腹泻犊牛的耐药性越来越强。犊牛胃肠道菌群组成受日龄、饲料、遗传和环境等多因素影响。通过对比腹泻犊牛及健康犊牛的胃肠道菌群的差异发现，某些埃希氏菌属和梭杆菌属等有害肠道菌群可作为诊断腹泻的特征菌群，拟杆菌属可认为是健康的核心菌群。目前的研究表明，乳酸菌干预改善犊牛腹泻的作用机制可能是通过竞争性抑制病原菌、产生代谢物质、降低传染、调节渗透压、刺激免疫细胞等途径进行。

基于胃肠道菌群这个靶点，乳酸菌能促进犊牛胃肠道中有益菌的定植和繁殖，提升菌群的稳定和抵抗外来风险的能力。但实际上乳酸菌干预犊牛腹泻的机制需进一步整合多组学技术进行阐明。另外，乳酸菌对瘤胃和肠道早期发育过程中增强犊牛健康的潜力目前也不清楚。未来应着重研究特异性乳酸菌菌株的特性、肠道定植的持久性和对替抗的深远影响，根据不同腹泻类型，开发针对性止泻菌剂，同时也应当充分考虑动物福利和遗传机制，规避地域和菌种不同所带来的风险。从长期来看，乳酸菌在犊牛腹泻中应用是畜牧业走向绿色健康化的重要里程碑。

参考文献：略。

作者：田嘉兴，刘俊果等2025-02-24网络首发于《中国畜牧杂志》