丁酸梭菌的生理特性及其对仔猪肠道影响的研究进展

近年来，随着我国畜牧业的快速发展，猪的养殖规模也越来越大。但在养殖过程中由传染性病原体(如细菌、病毒、真菌和寄生虫)引起的疾病暴发是直接影响养殖效益的因素之一，进而影响猪养殖业的发展。猪的生产性能与肠道微生物负荷、肠壁的形态和结构以及免疫系统的活性密切相关。在养殖过程中断奶仔猪易发生与肠道健康相关的疾病。因此，维护肠道健康在畜禽养殖中非常重要。尽管抗生素能够在一定程度上控制养殖动物健康状况，但是抗生素在动物生产中的广泛使用导致了超级细菌和药物残留等许多问题，这些问题使生产者和消费者对畜禽产品的安全性感到担忧。丁酸梭菌因其高效和安全性从而成为抗生素的替代品。近年来，许多研究表明，丁酸梭菌对于肠道免疫和微生物群发育是必要的。丁酸梭菌是众所周知的革兰氏阳性厌氧芽孢杆菌，可以在动物的肠道中定植，被用于预防或治疗动物的肠道疾病。据报道，在日粮中补充丁酸梭菌、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌可改善仔猪的生长性能、血清免疫反应、回肠绒毛高度与隐窝深度之比、主要盲肠短链脂肪酸(SCFAs)和整体健康状况。

1 丁酸梭菌及其生理特性

1.1 丁酸梭菌的来源

丁酸梭菌是一种严格厌氧、革兰氏阳性、孢子形成的芽孢杆菌，因其产生大量丁酸的能力而得名，它于1880年由Prazmowski首次从猪肠中分离出来。广泛分布于土壤、动物肠道、水和其他生物群落中。在人类和动物的肠道中，梭状芽孢杆菌作为最丰富的细菌簇之一，主要由梭状芽孢杆菌簇IV和XIVa组成。梭状芽孢杆菌簇IV，又称梭状芽孢杆菌群，有21个成员，分别是梭状芽孢杆菌、梭状梭菌、纤维素梭菌和普氏粪杆菌。最近的一项研究发现，在测试的978个蔬菜和食品样本中，有302个(31%)存在丁酸梭菌菌株。

1.2 丁酸梭菌的生理功能

梭状芽孢杆菌属是化学有机营养细菌，该菌具有独特的生理功能和益生特性。例如，由于其独立的消化酶系统，对胃肠道环境具有很高的耐受性。它们可以发酵多种营养物质，如碳水化合物、蛋白质、有机酸和其他有机物，如酶、维生素、乙酸、丙酸、丁酸、小肽和一些溶剂，如丙酮和丁醇。中短链脂肪酸作为其产物之一，尤其是丁酸盐，是由丁酸梭状芽孢杆菌属利用碳水化合物发酵中产生的短链脂肪酸(SCFAs)，可以协调多种生理功能，以优化管腔环境并维持肠道健康，可以为宿主提供能量。据报道，许多短链脂肪酸(包括丁酸盐)可促进肠上皮屏障功能并调节宿主黏膜免疫系统。例如，有研究表明丁酸盐在炎症调节适应性免疫和细菌感染方面发挥有益作用。另外，乙酸盐可以用来喂养细菌产生丁酸盐的共底物，并具有丁酸盐的部分生理功能；丙酸盐主要用于肝脏，参与调节葡萄糖和脂质代谢。此外，丁酸是丁酸梭菌的主要代谢产物，也是短链脂肪酸(SCFA)之一，是维持肠道健康所必需的营养素，它可以通过促进肠道细胞的生长和发育、预防炎症和提高丁酸梭菌其他代谢物的免疫力来调节肠道稳态。丁酸梭菌还可以和其他益生菌联合使用，例如，丁酸梭菌和枯草芽孢杆菌可以释放不同的代谢物对肠道微生物的组成产生影响及协同作用。另一方面，复合益生菌中不同细菌种类之间可能存在拮抗作用。但目前，这些假定的机制尚未得到验证。

2 丁酸梭菌对断奶仔猪的作用

2.1 丁酸梭菌对肠道消化吸收能力的影响

饲料中营养物质的消化率对猪的生长发育至关重要，它反映了仔猪肠道对营养物质的消化和吸收的能力。例如，在仔猪日粮中补充丁酸梭菌可增加干物质(DM)和有机物质(OM)的消化和总碳水化合物的表观总消化率(ATTD)。另一项研究也表明日粮丁酸梭菌提高了生长性能，提高了饲料效率，并显著降低了断奶仔猪的料重比和腹泻率。这表明在仔猪日粮中添加丁酸梭菌提高了营养物质的利用效率，从而提高了仔猪的饲料效率。另一方面，丁酸梭菌促进生长性能的机制可能部分归因于它通过改善胃肠道消化酶活性和产生短链脂肪酸来改善肠道微生态环境的能力，短链脂肪酸是动物的能量来源，对结肠细胞具有增殖作用。据报道，较低的肠道pH有助于营养物质的消化率，因为它们对肠杆菌具有抗菌作用，并增加消化酶的分泌。例如，仔猪断奶时肠道消化酶活性降低，黏膜形态结构改变，通透性增加，导致肠道屏障功能障碍，降低消化酶分泌，消化吸收减少，进而导致肠道疾病和腹泻，阻碍仔猪生长。Fu等研究表明在仔猪日粮中添加丁酸梭菌ZJU-F1对断奶仔猪小肠生理功能、消化酶活性和消化功能均有促进作用，进而降低断奶应激的影响。这种促进作用可能是由于丁酸梭菌ZJU-F1促进了小肠中短链脂肪酸的分泌，改善了肠道菌群，从而提高了消化酶的活性，改善了营养物质的消化和吸收。此外，丁酸梭菌可以增加体内丁酸和乙酸等有机酸的浓度，降低仔猪肠道的pH，改善营养物质的消化。许多研究表明，膳食中补充丁酸梭菌会增加肠道消化液中乙酸、丁酸和总短链脂肪酸的浓度，从而降低肠道pH。由此可见，在仔猪日粮中添加丁酸梭菌可以改善仔猪肠道的消化吸收能力。

2.2 丁酸梭菌对仔猪肠道结构的影响

肠道的维护对仔猪的生产力至关重要，肠道形态结构是肠道正常功能的保证，其中，肠道绒毛高度和隐窝深度用于评估肠道是重要的形态学参数，被认为是最佳肠道功能的指标，更好的绒毛高度增加了营养吸收的表面积，从而增强了营养的消化和吸收能力。在一项仔猪研究中，在仔猪日粮中添加丁酸梭菌显著增加了空肠绒毛高度和空肠高度与隐窝深度的比值。肠道是负责消化食物和吸收营养的器官，肠道重量的增加以及绒毛高度与隐窝深度之比提高表明肠道功能增强。Casas等比较了饲喂丁酸梭菌与饲喂对照日粮的仔猪，发现仔猪肠道的隐窝深度趋于减少，绒毛高度随着日粮中丁酸梭菌剂量的增加而增加；与饲喂阳性对照日粮的猪相比，隐窝深度随着丁酸梭菌剂量的增加而增加(P<0.05)，底部的绒毛宽度随着日粮中丁酸梭菌剂量的增加而增加。值得注意的是，丁酸梭菌增加了肠绒毛高度和隐窝深度的潜在机制与微生物群的代谢产物有关，尤其是丁酸和丁酸盐。它们是一种功能性的低分子量物质。丁酸是上皮细胞的主要能量来源，能激活隐窝肠细胞的有丝分裂活性，可能导致绒毛变长。例如，研究表明，断奶仔猪日粮中补充丁酸盐后发现肠绒毛高度增加。因此，这些研究表明，丁酸梭菌及其代谢物可能在改善肠道形态结构和增加营养利用方面发挥重要作用。

2.3 丁酸梭菌对仔猪肠道微生物的影响

大量的微生物生活在动物的肠道中。宿主为肠道微生物群提供充足的营养和稳定的环境。反过来，微生物参与宿主的消化、吸收和能量供应，同时也调节宿主的生理功能。肠道中平衡的细菌菌群在宿主中起着重要的生理、神经和免疫作用。在猪饲料中添加丁酸梭菌可改变肠道微生物群并改善生长性能。有研究表明丁酸梭菌补充剂重塑了IUGR-CB仔猪的肠道菌群，其特征是回肠中机会性病原体的丰度降低，包括链球菌和肠球菌。这些产生胆汁盐水解酶(BSH)的微生物的减少增加了结合胆汁酸(BA)的含量，这些BA可以转运到肝脏并作为信号分子激活肝脏X受体α(LXRα)和法尼醇X受体(FXR)，并发挥其生理作用。厚壁菌门和拟杆菌门是结肠菌群的主要成员，大多数淀粉溶解菌、半纤维素溶解菌或蛋白水解菌已知来自拟杆菌门的细菌，特别是普雷沃氏菌门，可有效将纤维发酵成短链脂肪酸，如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。Zhang等研究发现，日粮中添加丁酸梭菌减少梭状芽孢杆菌，Megasphaera成为优势属，从3.79%增加到11.31%；同时还发现日粮添加丁酸梭菌可略微增加断奶仔猪盲肠中厚壁菌门的百分比，但无显著性，并略微减少拟杆菌门的数量，但无显著意义。还有研究表明添加丁酸梭菌的饮食可以提高Megasphaera 和瘤胃球菌科的相对比例，从而增强厚壁菌门在肠道菌群中的优越地位。补充丁酸梭菌的日粮显示出厚壁菌门/拟杆菌门比例增加的趋势。所有这些都表明，丁酸梭菌具有通过改善微生物比例来促进仔猪生长的潜力。

2.4 丁酸梭菌对仔猪肠道免疫功能的影响

丁酸梭菌不仅具有直接的营养功能，还能刺激动物肠道黏膜免疫反应。血清IgG、IgA和IgM浓度可作为反映动物体液免疫状态的关键参数，Wang等在仔猪日粮中补充丁酸梭菌，第14日可使仔猪血清IgM水平升高，第 28日仔猪血清IgG、IgA和IgM水平升高。肠道屏障功能是由紧密连接蛋白结合的单层肠上皮细胞形成的，它将肠腔与内部环境分离，并限制病原体、毒素和过敏原从管腔向循环系统的传播。据报道，丁酸梭菌ZJU-F1在仔猪体内增强了肠道紧密连接蛋白的表达，并改善了体内肠道屏障功能，并降低了血浆D-乳酸和DAO(二胺氧化酶)的水平。DAO是一种酶，主要存在于小肠黏膜上层。当肠道完整性受损时，DAO可能会从肠道泄漏到血液中，导致血浆DAO水平升高。因此，DAO可以作为肠道通透性的一个指标。李海花等研究发现在仔猪日粮中添加丁酸梭菌能够促进仔猪肠道发育，激活2种遗传背景仔猪肠黏膜toll样受体2/4(TLR2/4)信号通路，并促进其通路关键负反馈子的表达，提高紧密连接蛋白的表达，降低肠黏膜通透性，提高肠道屏障功能，但对2种遗传背景仔猪肠道屏障功能的调节存在差异。当仔猪被大肠杆菌感染后，肠道蠕动或肠道分泌物使产肠毒素大肠杆菌K88(ETEC K88)难以清除，因此，ETECK88会在肠道中吸收营养并迅速繁殖，产生肠毒素，引起仔猪腹泻，甚至导致仔猪死亡。有研究表明日粮中添加丁酸梭菌(菌株编号1.336)的孢子量为1×108CFU/g，结果发现增加了杂交仔猪平均日增重和降低仔猪腹泻率。这种积极作用可能与丁酸盐有关，丁酸盐是丁酸衣原体的主要代谢产物，已被证明可以控制断奶腹泻。

另外，断奶是猪整个生命过程中的一个重要过渡阶段，因为它们突然被迫适应营养和环境变化，从而引发宿主促炎免疫反应并诱发肠道炎症和代谢疾病炎症。其中，细胞因子，包括IL-1β、TNF-α和IL-6是诱导哺乳动物炎症反应的关键促炎因子。IL-1β通常通过降低局部血流速率来增加淋巴细胞的聚集，从而有助于病原体排除。IL-6作用于间充质细胞，诱导巨噬细胞和多形核白细胞的募集，以消除病原体。NF-κB信号转导通路的激活会诱导TNF-α和IL-1β的分泌，并加剧炎症。据报道，丁酸梭菌通过抑制NF-ΚB信号转导通路来减少肠道炎症。例如，仔猪饲喂含丁酸梭菌的日粮后p65水平显著降低和IκB-α水平升高，这表明丁酸梭菌对NF-ΚB信号通路的强烈抑制。活性氧(ROS)包括超氧阴离子(02-·)、羟基自由基(·-OH)和过氧化氢(H2O2)，丁酸梭菌能够通过上调仔猪肠道p38MPAK的表达，激活Nrf2信号通路，进而介导下游抗氧化相关基因的表达，缓解SC诱导的IPECJ2细胞氧化损伤。还有研究表明丁酸梭菌有助于维持和加强肠绒毛的形状，并限制有害的炎症反应，部分通过抑制TLR-2、TLR-4和TLR-5的表达和抑制NF-κB p65，并促进IκBα的激活和其负调节因子之间的协同作用。

3 小结

综上，丁酸梭菌具有改善仔猪的肠道结构以及调节肠道微生物和肠道健康等方面的作用，同时还可以与其他益生菌表现出协同作用。但仍需进一步地研究，例如，丁酸梭菌与肠道免疫系统之间的相互关系以及丁酸梭菌作为抗生素替代品的可能应用，丁酸梭菌与其他益生菌中不同细菌种类之间可能存在协同和拮抗作用，是未来研究的一个方向。

作者：张建胜，朱元芳等发表于《浙江畜牧兽医》2025年第1期。