短链脂肪酸对奶牛瘤胃微生物菌群的影响研究进展

摘要：奶牛瘤胃内栖息着数量庞大、种类繁多的微生物，其与身体形成了一种“互惠互利”的共生关系。其中短链脂肪酸(SCFAs)作为微生物的代谢产物，与微生物相互作用为机体提供营养，维持内环境稳定。本文阐述了SCFAs与奶牛瘤胃微生物的互作关系，重点关注其对奶牛瘤胃健康及稳态的影响，综述了奶牛瘤胃内SCFA调控内环境的作用机制，为SCFAs营养调控奶牛机体健康提供理论依据。

关键词：短链脂肪酸；瘤胃微生物；互作；内环境稳态

短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是瘤胃微生物发酵中碳水化合物或氨基酸等营养物质的代谢产物，是反刍动物机体主要的能量供体和重要的信号分子，为反刍动物提供70%～80%的总能量需要，约占机体代谢碳流量的2/3。近年来，众多学者在单胃动物上的研究发现，当宿主机体受到炎症等危害时，SCFAs可通过重塑肠道内微生物区系调控宿主的健康。SCFAs作为瘤胃内环境稳态的常规指标，其影响瘤胃内微生物区系改善奶牛健康相关研究较少，SCFAs作为瘤胃发酵过程中的主要产物，与瘤胃微生物的代谢活动、动物的能量利用以及整体健康状况密切相关。

瘤胃中的多种微生物在将植物纤维发酵成SCFAs方面起主导作用，其产生的SCFAs在整个瘤胃上皮细胞中被吸收并用于维持和生长。SCFAs不仅用于补充能量，而且在调节反刍动物瘤胃发育以及维持健康和体内平衡方面也发挥着重要作用。过高的SCFA浓度，特别是乙酸和丙酸，会导致瘤胃内pH下降，引发亚急性瘤胃酸中毒，抑制瘤胃上皮细胞对营养物质的吸收，改变微生物群落的组成；而SCFA水平过低会减少瘤胃上皮的能量供应，影响上皮细胞的生长和发育，并减弱免疫功能。例如，当SCFA浓度过高时，瘤胃上皮中吸收SCFAs的特定转运蛋白功能会受到影响，如单羧酸转运蛋白、Na+/H+交换体和阴离子交换剂2，进而影响瘤胃上皮细胞的健康和整体瘤胃功能。因此，SCFA的平衡对瘤胃健康至关重要。

本文聚焦于SCFAs和奶牛瘤胃微生物菌群互作影响的研究进展，归纳总结了SCFAs对奶牛瘤胃微生物菌群组成、功能及稳态的影响，为后续奶牛体内SCFAs的研究与应用提供理论依据，为SCFAs调控瘤胃微生物菌群稳态提供新的研究思路。

1 瘤胃内SCFAs的产生及作用机理

1.1 瘤胃内SCFAs的来源

SCFAs 由瘤胃中植物源性物质的微生物周转形成，是反刍动物的主要能量来源。瘤胃液中的SCFAs主要是乙酸(约50 mmol·L-1)、丙酸(约20mmol·L-1) 和丁酸(约10 mmol·L-1)，并含有戊酸(0.5～2mmol・L-1) 的其他亚型。SCFAs同时也是宿主细胞脂肪酸和维生素B生物合成的能量来源、信号分子和参与分子。

表1 瘤胃内主要SCFAs的产生菌类及作用

1.2 瘤胃内SCFAs的作用机理

甲酸盐在瘤胃内会被迅速代谢为甲烷，因此在常规混合微生物种群的培养物中检测不到甲酸盐。甲酸酯是由与乙醛酸循环相关的有机酸(如柠檬酸盐、异柠檬酸、2-氧代戊二酸、乙醛酸和草酸盐)通过丙酮酸甲酸裂解酶反应产生的，也是瘤胃中甲酸酯生产的主要途径。目前已知的三种主要甲酸同化途径为还原性乙酰辅酶A途径、还原性甘氨酸途径和基于甲酸-四氢叶酸连接酶催化的丝氨酸循环。在瘤胃内，产乙酸菌和甲基杆菌依赖甲酸作为碳源，并通过还原性乙酰辅酶A途径和丝氨酸循环进行同化。虽不易检测，但甲酸提高瘤胃降解率的作用不容忽视，同时甲酸作为甲烷的前体物在奶牛甲烷产生排放机理中也有一定研究意义。

乙酸盐是肠腔和外周循环中最丰富的SCFA，能够改变消化道pH，抑制病原微生物生成，可以通过GPR43信号通路介导脂肪堆积和/或通过中枢稳态机制影响食欲。氢营养乙酸菌可以通过Wood-Ljungdahl 途径将H2和CO2转化为乙酸盐。另外，瘤胃注射乙酸钠可通过上调SCFAs合成酶和SLC9A1基因的mRNA表达以及提高Candidatus Saccharimonas、Christensenellaceae R-7、Butyrivibrio和Alloprevotella等的丰度来促进SCFAs的产生和吸收。

丙酸对人体有益，因为它可能通过特定机制在饱腹感和能量稳态中发挥作用，包括激活游离脂肪酸受体、降低脂肪生成水平和葡萄糖稳态。研究发现，丙酸盐的生产过程会与产甲烷菌直接竞争氢气资源，喂食丙酸盐能够降低古细菌和瘤胃中产甲烷菌的多样性。丙酸能够通过富集淀粉降解菌群和乳酸利用菌群，进一步激活以乳酸为中间产物的丙烯酸酯途径从而促进丙酮生成，并作为糖异生的底物被转移到肝，发挥多种生理功能。

丁酸盐是瘤胃上皮细胞的主要能量来源，影响瘤胃液pH和胃肠道微生物区系，与能量稳态、肥胖、免疫系统调节、癌症、大脑功能等生理功能有关。丁酸盐抑制组蛋白脱乙酰酶并激活G蛋白偶联受体，增强肠道先天免疫功能，减轻过度活跃的炎症反应。丁酸盐由AMP活化蛋白激酶激活介导调节紧密连接的组装来增强瘤胃屏障，通过减少细胞凋亡刺激犊牛瘤胃黏膜发育，在肠道及瘤胃健康方面发挥重要作用。

戊酸是纤维素分解细菌刺激纤维消化所需的酸之一，戊酸酯比例的增加会导致瘤胃中性洗涤剂纤维(NDF)消化率降低。戊酸直接抑制脂多糖激活的人外周血单核细胞和小鼠巨噬细胞，依赖性地上调GPR41和GPR43，能够抑制癌细胞增长，表现出显著的抗癌作用。还能增加胰高血糖素样肽-2产肠内分泌细胞的密度，降低坏死性肠炎的发生率。异戊酸能增强支链氨基酸合成，提高微生物蛋白合成。拟杆菌衍生的异戊酸通过mTOR/PPAR-γ/STAT3信号通路促进M2巨噬细胞极化，并调节IEC的免疫功能以产生白细胞介素(IL)-10、IL-4和转化生长因子-β等细胞因子，促进B细胞中IgA的产生，从而表现出抗炎特性。

2 SCFAs对瘤胃功能与微生物的影响

2.1 瘤胃内SCFAs在瘤胃中的功能

瘤胃SCFAs是瘤胃微生物群的重要信号分子，能够调节包括瘤胃发酵、供能、屏障维护在内的多种瘤胃生理功能。奶牛瘤胃可以消化纤维素并为机体提供营养物质，此过程中瘤胃内部微生物菌群产生的SCFAs 也参与了能量供应。拟杆菌门中的Dialister和Veillonella等以戊糖或己糖为底物合成丙酸。瘤胃中乙酸、丙酸和丁酸等含量或比例直接影响动物机体能量的利用效率，乙酸由葡萄糖经磷酸戊糖途径产生，丙酸是糖异生的主要前体物质，丁酸经过瘤网胃壁吸收转变为β-羟丁酸提供给机体能量。SCFAs一方面可以作为碳源，通过辅酶A附着和β-氧化参与代谢；另一方面还可以作为长链脂肪酸的前体分子参与脂质合成代谢。SCFA盐，不仅能够增强瘤胃发酵，维持瘤胃微生物组定植，刺激瘤胃和上皮细胞的发

育，而且还表现出抗炎、抗肿瘤和抗菌作用。

图1瘤胃中SCFAs的功能

SCFA盐可以影响瘤胃微生物代谢并改善动物生长。在反刍动物中，氮以NH3-N和尿素的形式通过门静脉在内脏(特别是瘤胃)和肝之间循环，这种生理机制被称为尿素-N循环。微生物蛋白(MCP)由瘤胃微生物利用NH3-N和氨基酸合成，提供内源瘤胃蛋白，提高奶牛粗蛋白利用率，然而使用NH3-N进行MCP合成的过程需要有SCFAs参与供能。Prevotella可以降解淀粉和蛋白质，是拟杆菌门中最主要的属。其中Prevotella_7的相对丰度在犊牛断奶前高于断奶后，而Prevotella_1则趋势相反。NH3-N与Prevotella_1的相对丰度显著正相关，这可能与蛋白质降解和NH3-N产生有关。犊牛断奶后NH3-N 浓度的降低表明SCFAs能够促进瘤胃上皮细胞对氨和其他氮代谢产物的吸收，从而影响其在动物体内的进一步利用。由此可见，碳水化合物的代谢产物SCFAs可以影响NH3-N的浓度，从而参与到瘤胃微生物的生命活动之中。SCFAs还可通过降低瘤胃pH为有益菌提供适宜的生存环境，并竞争性抑制有害细菌，调节瘤胃屏障的稳定性，维持瘤胃微生态平衡。

2.2 瘤胃内SCFAs在内环境调控中的功能

瘤胃 SCFAs是源自瘤胃微生物菌群的重要信号分子，任何引起SCFAs变化的因素都有可能影响瘤胃的多种生理功能。体外研究表明，在连续培养系统中添加乙酸盐可提高瘤胃内乙酸盐的水平和Prevotella 的丰度。另外，奶牛产后补充乙酸盐可增加瘤胃内挥发性脂肪酸浓度，上调Prevotella的相对丰度并下调RF39 和 Clostridia_UCG_014的相对丰度，乙酸钠可通过上调SCFA合成酶和SLC9A1基因的mRNA 表达来促进SCFA的产生和吸收，并能提高Candidatus Saccharimonas、Christensenellaceae R-7、Butyrivibrio、Rikenellaceae RC9 gut和Alloprevotella的丰度；Prevotella、Christensenellaceae R-7、Butyrivibrio等均是瘤胃内主要的产SCFAs的微生物，也与瘤胃内环境稳态密切相关。

SCFAs不仅能够通过调控微生物区系对机体造成影响，其本身的变化也会影响内环境稳态，改善瘤胃健康。例如补充单一SCFAs培养含Bacteroides ruminicola的培养基能够显示出不同的生长行为。补充乙酸和戊酸增加外膜蛋白丰度。补充异戊酸增加细菌氨基酸代谢中的蛋白质。SCFA影响铁转运蛋白的丰度，SCFAs 掺入脂质膜的长链脂肪酸中，异戊酸增强支链氨基酸合成。表明SCFAs、脂质膜组成、外膜蛋白的丰度以及异戊酸对支链氨基酸生物合成的调节之间可能存在相互作用。外源性SCFAs补充剂能够提高乙酸、丁酸和总SCFAs浓度，增加瘤胃乳头长度、宽度以及角质层和总上皮的厚度，增强瘤胃屏障功能还可以促进瘤胃的发育并改善动物的生长。SCFAs输注使得山羊瘤胃上皮组织中MCT4和CD147的基因表达水平升高，为瘤胃上皮提供了更多的Nat，增加抗氧化能力和瘤胃屏障功能，有助于稳定山羊瘤胃上皮组织完整性。与此同时，乙酸和丙酸比值的变化可能会影响瘤胃微生物群落的结构和功能，进而影响动物的消化吸收、生长性能和健康状况。例如，过高的乙酸/丙酸比值可能导致瘤胃微生物群落的失衡，增加消化不良的风险；而过低的比值则可能影响反刍动物对于能量的有效利用，影响其生长表现。

由此可见，SCFAs在瘤胃微生物作用下对奶牛瘤胃的生理功能及稳态维持有益，其参与并在宿主-瘤胃微生物的互作过程中发挥了关键作用。

3 SCFAs对瘤胃微生物的影响

3.1 外源SCFAs对瘤胃发育的影响

饮食对瘤胃微生物菌群的构成和多样性具有重要影响，是决定其健康状况的关键因素。SCFA盐可以促进瘤胃的发育并改善动物生长。外源SCFAs通过促进瘤胃内微生物群的多样化，维持健康动物瘤胃上皮的完整性来维持宿主-微生物稳态，同时能够在动物瘤胃pH较低时增强其免疫屏障活性。

新生反刍动物主要通过接触成年动物、环境获得外源胃肠道微生物，补充外源SCFA盐能够促进其生长和瘤胃发育，增加瘤胃菌群的丰度。纤维素分解细菌的丰度与犊牛断奶后期的挥发性脂肪酸水平高度相关。研究表明SCFA盐添加剂会减少犊牛瘤胃微生物菌群的多样性，并对断奶前后的菌群构成产生影响。丙酸盐是瘤胃微生物的主要发酵产物之一，也是糖异生的主要底物，其中最主要的瘤胃微生物来自厚壁菌门和拟杆菌门。犊牛断奶后拟杆菌的丰度逐渐增加，在成牛中的丰度显著高于犊牛。瘤胃微生物中厚壁菌门与拟杆菌门的比例随着丙酸盐的补充而降低。伴随着犊牛断奶早期后生长性能的增加，丙酸盐处理组瘤胃微生物种类的丰富度和多样性下降，即成牛的瘤胃细菌多样性较低。通过在山羊模型中添加SCFAs，可以发现乙酸钠和丙酸钠输注能够提高瘤胃指数，增强总抗氧化能力，增加特定瘤胃细菌丰度，丁酸钠通过与Monoglobus和Incertae Sedis的相互作用进一步增强抗氧化能力和屏障功能，增加瘤胃的宽度和基底层的厚度，促进瘤胃乳头的发育。

3.2 SCFAs对异常瘤胃疾病的影响

在健康条件下，宿主和微生物之间的互作和交叉调节创造了细菌的稳态平衡，当这种平衡状态被破坏时，就会发生微生态失调。酮症是奶牛常见的代谢紊乱，饲喂丁酸含量高的青贮饲料会增加亚临床酮病的风险，奶牛主要使用丁酸作为瘤胃肌肉的能量来源，丁酸含量高会使大约75%的剩余丁酸转化为酮体，这是酮症的直接原因之一。而增加瘤胃内丙酸盐含量，刺激糖异生能够有效预防奶牛亚临床酮病的产生。亚急性瘤胃酸中毒牦牛的瘤胃微生物菌群也会发生一定改变，表现为Bacteroidota、Christensellaceae_R-7和Ruminococcus的丰度增加，Prevotella的丰度降低，Prevotella与瘤胃丙酸盐浓度呈显著正相关。由于Christensellaceae可利用结构碳水化合物产生乙酸盐和丁酸盐，参与酮体的生成，其升高会加剧过渡期内经历能量负平衡奶牛葡萄糖供应不足的问题。

其代谢产物SCFAs还可通过激活肠黏膜下的免疫细胞如树突细胞和巨噬细胞，促进它们产生抗体和释放信号分子，调节炎症反应并促进免疫耐受。免疫系统通过模式识别受体识别微生物结构，激活针对病原体的免疫应答。此外，SCFAs还能激活中性粒细胞，增强宿主对抗病原微生物的防御能力，保护肠道上皮免受毒素与病原微生物的侵害。特定微生物如Bacteroides thetaiotaomicron在维持Treg细胞功能中发挥关键作用，而Bifidobacterium、Lactobacillus等微生物有助于抗原产生，从而维持免疫系统的正常功能，瘤胃微生物菌群与免疫系统之间的复杂而精细的交互在维持机体健康及防御多种疾病中发挥着至关重要的作用。瘤胃微生物能够刺激免疫系统的正常发育，并在免疫细胞的成熟中起到重要作用。

瘤胃微生物还具有诱导全身炎症的能力，与瘤胃内生态失调相关的微生物种群变化导致潜在毒性和炎症物质(如脂多糖)浓度增加的移位和系统传播。高浓度的SCFAs释放质子会降低瘤胃消化液的pH，损害上皮屏障功能，导致奶牛亚急性瘤胃酸中毒。另外，与健康奶牛相比，患有乳房炎的奶牛瘤胃内Prevotrotelella_1 和 Bifidobacterium的丰度显著降低，这些细菌是参与SCFAs生成的重要微生物。由此可见，瘤胃微生物群落多样性的失衡可导致功能失调或丧失，并将对奶牛的营养利用、生产和健康产生较大的影响。

3.3 宿主基因型对SCFAs及瘤胃微生物的影响

宿主基因型能够通过调控SCFAs进而影响机体代谢。SCFAs具有中度至高度的遗传性，在多种途径中起信号分子的作用。SCFAs可以在G蛋白偶联受体(GPCRs)的帮助下作为信号分子，GPCRs被称为游离脂肪酸受体(FFARs)。GPR43/FFAR2和GPR41/FFAR3可以与主要的SCFAs(乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐)相互作用，调节能量消耗、前脂肪细胞分化和食欲控制。Christensenellaceae是被发现为生物标志物的分类群，它与丙酸盐浓度、基因座基因型效应相关，具有高度遗传性，受宿主遗传学调控。

研究表明反刍动物中瘤胃微生物群可能受到宿主品种或物种的影响。例如，饲喂相同日粮的荷斯坦奶牛和泽西奶牛之间瘤胃微生物群的组成存在差异。研究使用宏基因组学确定了品种对瘤胃微生物组的影响，Ruminococcus的丰度受宿主遗传学的影响，该属的成员在不同的哺乳动物物种中表现出巨大的多样性和特定的宿主关联模式，进一步表明宿主和微生物群之间存在协同进化关系。由此能够表明宿主基因型在影响SCFAs及瘤胃微生物群方面发挥重要作用。

4 小结与展望

本文全面探讨了SCFAs在调控奶牛瘤胃微生物影响奶牛健康中的关键作用，从瘤胃微生物稳态和SCFAs 对微生物菌群影响两方面展开论述，综述了SCFAs对奶牛瘤胃微生物及机体健康的重要性，为SCFAs 调控瘤胃微生物菌群稳态提供新的研究思路。不同SCFAs对微生物菌群的生长代谢有不同的影响，进而影响了奶牛机体健康。由此可见，通过科学调控奶牛瘤胃SCFAs比例重塑瘤胃微生物菌群来达成奶牛健康养殖的目的有较大的可行性，未来的研究应重点探讨SCFAs调控奶牛健康及其在瘤胃微生物菌群稳态形成中的作用，以及瘤胃微生物-SCFAs-健康瘤胃的互作机理，从而为奶牛机体健康提出新的营养调控途径。

参考文献：略。

作者：宋琳，赵小伟等2025年2月7日网络首发于《畜牧兽医学报》