奶牛瘤胃微生物的研究进展

马健，范雪，陈晖，余雄

（新疆农业大学动物科学学院，乌鲁木齐 830052）

反刍动物胃肠道中的微生物数量庞大，并且组成结构复杂，这种复杂的结构随着宿主的不断生长表现出与宿主协同互利的关系[1]。胃肠道微生物在维持宿主消化道稳态、营养物质消化吸收、行为、生产性能以及免疫健康等方面发挥着重要作用[2～5]，与此同时，宿主的日粮组成、生理状态以及外界环境等因素都会对胃肠道内的微生物群落产生影响[6,7]。健康的胃肠道微生物可以促进宿主的健康生长，相反，胃肠道微生物的紊乱会导致宿主机能紊乱，因此，维持胃肠道微生物的稳态具有重要意义。

瘤胃是奶牛的天然发酵罐，其内存在着复杂多样的微生物，这些微生物互相作用，维持奶牛的健康生长。许多研究证实，奶牛不同的生理阶段其微生物的组成结构不同，这种微生物随奶牛生理状态变化而变化的模式有助于维持奶牛的健康和产生性能[8～10]。另有研究表明，针对一些病理状态，可以通过微生物移植重塑宿主的胃肠道微生物组成，进而达到人工干预消化道微生物组成、维持宿主健康的目的[11,12]。Ribeiro等[13]研究指出，通过重塑瘤胃微生物群落，可以明显改变瘤胃发酵，提高采食量。随着科技的发展，瘤胃微生物移植技术在奶牛上的应用也来越来越多，已经初步被证实可以有效地调控胃肠道菌群组成。本文阐述了奶牛瘤胃微生物的功能及影响因素，综述了国内外瘤胃微生物移植的研究现状，以供奶牛养殖从业者参考。

1 奶牛瘤胃微生物的功能

奶牛瘤胃微生物区系不是一出生就存在的，而随着奶牛与外界环境的不断接触，经过对环境的适应，逐步定植、存活和繁殖的[14]。在奶牛瘤胃中栖息的这些微生物具有种类多样性及相互作用复杂性的特点，对消化日粮中的营养物质起主要作用。

1.1 瘤胃微生物的构成

瘤胃微生物主要包括细菌、真菌、古菌和原虫四大类，狭义上指的是细菌[15]。有研究指出，每克瘤胃内容物约有1011个细菌，200个种类，纤毛虫104～106个，涵盖24个属，厌氧真菌有102～104个，包括5个属[16]。瘤胃微生物的组成在奶牛上研究较多，Jami等[17]对不同年龄奶牛的瘤胃微生物进行研究，发现瘤胃菌群中的优势菌随着奶牛年龄变化而出现了显著变化，但在组成上主要还是拟杆菌门、变形菌门和厚壁菌门。Henderson等[18]对世界各国的742头反刍动物瘤胃微生物进行了研究，指出品种、分布区域以及日粮都会影响瘤胃中微生物的种类，但核心菌群是反刍动物所共有的，在属水平上，优势菌为瘤胃球菌、普氏菌和丁酸弧菌，在科水平上，优势菌为毛螺菌和瘤胃球菌，在目水平上，优势菌为梭菌和拟杆菌；此外还发现，瘤胃中古菌群相似度较高，优势菌为两种甲烷短杆菌。瘤胃内的这些微生物相互作用，共同维持瘤胃内环境的稳态以及对饲料的消化能力。

1.2 瘤胃微生物的功能

过去的几年，在瘤胃微生物的研究领域有了长足的进步，已经阐述了奶牛瘤胃微生物发酵的本质以及瘤胃发酵对奶牛的重要性。瘤胃微生物与奶牛机体共同进化，宿主为微生物提供一个稳定的环境，微生物则协助宿主完成多种多样的生理功能。瘤胃微生物将饲料中的纤维物质转化为人类可以食用的奶制品和肉类，产生的挥发性脂肪酸为奶牛自身提供能量，此外，瘤胃微生物还可以合成一些B族维生素以及维生素K，满足奶牛自身的需要[19]。Flint等[20]报道，瘤胃内的细菌在分解植物多糖中起非常重要的作用；Hobson等[21]指出，瘤胃内的真菌能穿透角质层及木质化的细胞壁，可以对纤维进行有效降解；Hess等[22]也认为，瘤胃微生物在降解植物纤维的过程中扮演关键角色。瘤胃内的毛虫属能吞食淀粉，可以调控瘤胃pH值，还能增加微生物蛋白的合成，研究表明，高能日粮能提高瘤胃内毛虫的丰度[23]。

瘤胃微生物的变化还会影响奶牛的生产性能，Jewell等[24]监测了奶牛连续2个泌乳周期，发现瘤胃内的菌群是动态变化的，优势菌群的变化与产奶量高低相关。Lima等[8]也指出，奶牛的产奶量以及乳品质与瘤胃微生物的变化显著相关。Elie等[25]报道，瘤胃微生物多样性与牛奶产量和品质密切相关，同时发现，厚壁菌门和拟杆菌门与乳脂率存在显著的相关性。Chiquette等[26]在奶牛日粮中添加布氏普雷沃菌属作为益生菌，发现瘤胃中乳酸产量以及牛奶的乳脂率降低。这些研究均表明瘤胃微生物对奶牛产奶量和乳品质有一定的影响。此外，瘤胃中的布氏普雷沃菌属和丁酸弧菌属在瘤胃发酵中起到非常重要的作用，与产奶量呈显著正相关。

有研究表明，瘤胃微生物的组成与奶牛的饲料转化率有关，这说明瘤胃微生物具有调控饲料转化率的功能[24]。Li等[27]应用宏基因组技术检测高、低饲料转化率组牛的瘤胃微生物组成和代谢通路，结果显示，低饲料转化率组牛的瘤胃微生物的活动性比高饲料转化率组高。Shabat等[28]测定了146头奶牛的生产性能、饲料转化率以及瘤胃微生物组成，结果表明，瘤胃微生物丰度与饲料转化率呈负相关关系，通过瘤胃微生物的种类可以预测饲料转化率和生产性能，对微生物种类进行优化可以提高奶牛对能量的利用率，减少甲烷的排放。Ross等[29]也认为奶牛瘤胃微生物的变化与甲烷的排放相关。由此可见，奶牛瘤胃微生物具有多种功能，在奶牛生长发育以及生产性能的发挥中起着非常重要的作用，通过对瘤胃微生物进行分析，不仅能反映奶牛机体状况，还有助于为人类带来更多的畜产品资源，保护生态环境。

2 影响奶牛瘤胃微生物组成的因素

瘤胃内的微生物具有稳定性和可变性的特点，稳定性是奶牛健康的保障，可变性为人为调控瘤胃微生物组成提供了条件，人们可以通过日粮、抗生素、饲料添加剂以及微生物植入等方式改变奶牛瘤胃内环境，从而使奶牛生产性能达到最大。

2.1 奶牛品种和年龄

奶牛的品种和年龄不同，其瘤胃微生物组成也不同。Cersosimo等[30]比较了荷斯坦牛、娟姗牛及其杂交一代牛的瘤胃微生物组成，发现荷斯坦牛和杂交一代牛瘤胃中的产甲烷菌平均丰度显著高于娟姗牛。Jami等[31]也指出奶牛不同个体间核心菌群的差异变化较大，反刍真杆菌的丰度相对稳定，而埃氏巨球菌在不同个体间的丰度差异很大。Jami等[17]还指出，瘤胃微生物多样性随着年龄的增加而逐步增加，变化趋势为好氧菌和兼性厌氧菌减少，厌氧菌增加，还发现瘤胃微生物的稳定性有随着年龄增加而增加的趋势。Li等[32]指出，犊牛瘤胃中的优势菌群为拟杆菌门、变形菌门和厚壁菌门，瘤胃发育对微生物变化有显著的影响，随着小母牛的成熟，瘤胃中的这些优势菌群呈现显著性变化。以上研究可以看出，奶牛瘤胃微生物会因品种和年龄的不同而出现显著性变化。

2.2 日粮

日粮是影响奶牛瘤胃微生物多样性的重要因素。Anderson等[33]试验表明，后备奶牛瘤胃微生物随着日粮变化而发生显著变化，瘤胃微生物的变化有助于奶牛逐渐适应高精日粮。Monteils等[34]给奶牛交替饲喂以干草和玉米青贮作为基础的两种日粮，发现日粮改变了瘤胃发酵参数，微生物多样性发生变化，重复日粮变化会使变化加剧。董瑞阳[35]指出，随着日粮中玉米青贮比例的增加，瘤胃原虫、真菌、黄色瘤胃球菌以及产甲烷菌的数量逐渐减少。Fernando等[36]试验表明，奶牛采食高粗日粮时，瘤胃中的纤维杆菌门丰度较高，而采食高精日粮时，瘤胃中的拟杆菌门丰度较高，由高粗日粮转变为高精日粮后，瘤胃中的牛链球菌、普氏菌和埃氏巨型球菌显著升高，而产琥珀酸丝状杆菌和丁酸弧菌显著降低。Rico等[37]研究指出，奶牛采食高脂肪低纤维日粮，瘤胃的微生物区系在采食8h后发生变化，原虫和真菌数量降低90%，普雷氏菌属丰度降低66%，琥珀酸丝状杆菌丰度下降97%，牛链球菌属丰度升高350%，这种变化可引起牛奶乳脂率降低。Zhao等[38]指出，瘤胃微生物结构会随着奶牛日粮中粗饲料的改变而发生变化，进而影响瘤胃微生物代谢，改变挥发性脂肪酸产量和微生物蛋白合成。以上研究证实了日粮对瘤胃微生物的影响，通过改变日粮组成可以调控奶牛瘤胃微生物的组成，从而维持其健康水平，提高生产性能。

2.3 抗生素

许多研究证实，抗生素及一些药物的使用会导致奶牛瘤胃中的微生物区系发生变化。Li等[39]用经巴氏杀菌处理的抗生素牛奶、抗生素牛奶和新鲜牛奶饲喂2月龄、3月龄和6月龄犊牛（3种奶均饲喂），试验表明，饲喂巴杀抗生素牛奶时，犊牛瘤胃微生物中厚壁菌门的丰度逐渐升高，而拟杆菌门的丰度逐渐降低，此外，变形菌门在不同牛奶组中呈现显著差异。辛杭书等[40]试验表明，日粮中添加海南霉素能显著降低奶牛瘤胃中的原虫、真菌及丁酸弧菌含量，而对产琥珀酸丝状杆菌、黄色瘤胃球菌、产甲烷菌和白色瘤胃球菌无显著影响。Shen等[41]试验也指出，莫能菌素和乳酸链球菌素均能降低细菌、真菌和产甲烷菌的数量。不可否认的是抗生素抗菌功能强大，但同时抗生素的使用也损害了瘤胃中定植的有益菌，改变了瘤胃微生物的稳态，因此，在奶牛生产中要合理地使用抗生素。

2.4 饲料添加剂

添加剂可以改善奶牛瘤胃微生物群落结构进而对奶牛起到积极有益的作用。Malekkhahi等[42]研究指出，日粮中添加钠苹果酸钙和活性干酵母能提高奶牛瘤胃中大肠杆菌和纤维杆菌属，而在亚急性瘤胃酸中毒时，活性干酵母组的埃氏巨型球菌丰度高于钠苹果酸钙组。王聪[43]在其研究中指出，随着日粮中蒙脱石添加量的增加，奶牛瘤胃中普氏菌属、栖牙普氏菌属和黄单胞菌属增加，梭菌属和突柄杆菌属减少，并指出日粮中添加量不超过2.5%时，可以降低瘤胃纤维分解菌和肠道病原菌数量，降低腹泻的发生。赵士萍等[44]指出，日粮中添加30g/（头·d）茶皂素可以有效抑制奶牛瘤胃原虫的生长。除此以外，一些益生菌的添加也会影响奶牛瘤胃微生物区系。Foditsch等[45]在第1、2周给严重腹泻的初生犊牛口服普拉梭菌，发现在第3、5周试验组犊牛瘤胃中普拉梭菌的丰度显著高于对照组。王晓旭[46]指出给围产期健康奶牛和酮病奶牛灌服微生态制剂，可以促进奶牛瘤胃纤维素分解菌、产琥珀酸丝状杆菌及一些厌氧菌的生长和繁殖，抑制乳酸杆菌的生长，降低分娩后健康奶牛及酮病奶牛的β-羟丁酸浓度。众多研究证明，添加剂可以改善瘤胃微生物群落的组成，增强奶牛免疫力，维持奶牛健康。

除了以上因素之外，外界环境也是影响奶牛瘤胃微生物的一个重要因素。总之，在奶牛生产中要综合考虑各方面的因素，力争实现养殖效益最大化。

3 瘤胃微生物移植现状

瘤胃微生物移植是指将供体动物瘤胃内的微生物群落作为一个整体移植到受体动物瘤胃内，以期达到重塑受体动物瘤胃微生物群落的目的。目前，对瘤胃微生物移植的研究也越来越多，主要用于治疗动物消化不良以及真胃移位术后的恢复。

3.1 瘤胃微生物移植的条件

主要有以下4种方法获得供体动物的瘤胃微生物（瘤胃液）：通过反刍动物口腔取得食团；经胃管从瘤胃中抽取；经瘤胃瘘管从瘤胃中抽取；从屠宰后的动物瘤胃中获取。因口腔获得的食团较少，屠宰场的动物健康状况未知，胃管应激较大，因此试验常用安装永久性瘤胃瘤管的方法进行瘤胃微生物移植研究。不同动物所需移植瘤胃液的体积不一样，一般来说犊牛所需瘤胃液体积为1L，成年牛为8～16L。用于移植的瘤胃液pH值应当在6以上，这是因为在低pH值条件下，瘤胃液中的原虫数量会降低。为此，在收集瘤胃液之前可以用便携式pH计对瘤胃液进行检测。此外，应避免使用泡沫多的瘤胃液进行移植，条件允许的话，应对瘤胃原虫的活性进行观察。一般来说，瘤胃液在收集以后应该立即进行移植，Shanks[47]指出，瘤胃液采集后在30min内应完成移植。但也有研究者认为，在适当的条件下，瘤胃液可以保存一定的时间。Mould等[48]报道，当保存瘤胃液时，厌氧环境的失败会导致纤毛原虫数量降低，并且纤维降解酶的活性降低。因此，应该尽快移植供体瘤胃液给受体动物。

3.2 瘤胃微生物移植研究进展

瘤胃微生物对动物的采食量、消化代谢及生产性能等都有重要的影响，瘤胃微生物移植是用于治疗奶牛消化不良等疾病的有效措施。早在1948年，Pounden等[49]就给断奶前的犊牛接种食团，结果发现在犊牛3周龄时瘤胃中出现了细菌和原虫，而对照组只有细菌。之后，Pounden等将瘤胃微生物移植用于治疗断奶前犊牛便血性腹泻的研究，提高了犊牛的健康水平，降低了死亡率。Imai等[50]将含有9种纤毛原虫的瘤胃液移植到去原虫的犊牛瘤胃中，发现14d后9种纤毛原虫全部在瘤胃中定植。Weimer等[51]通过交换受体奶牛95%以上的瘤胃内容物来研究瘤胃微生物群落，试验表明，供体奶牛瘤胃微生物在受体奶牛中迅速重塑，受体奶牛瘤胃pH值和挥发性脂肪酸浓度在24h内恢复到了交换前水平，但微生物组成却需要61d才能恢复。Depeters等[52]指出，瘤胃微生物移植可以缓解因日粮转变而导致的采食量降低。

瘤胃微生物移植还常用于手术后的恢复治疗。Rager等[53]将真胃移位手术后的奶牛分为瘤胃液移植组和对照组，在手术后第0、1天，分别移植10L健康奶牛的瘤胃液，研究表明，瘤胃液移植3～5d后，移植组奶牛血液中β-羟基丁酸含量显著低于对照组，手术后需要注射的葡萄糖总量也显著低于对照组，且采食量和产奶量显著高于对照组。此外，Ji等[54]试验指出，瘤胃微生物移植可以有效地恢复抗生素导致的瘤胃微生物紊乱。蒋涛[55]试验表明，移植泌乳高峰期奶牛瘤胃微生物给围产后期奶牛，可以重塑其瘤胃微生物结构，并且提高奶牛的采食量，有利于维持围产期奶牛健康。以上研究可以看出，瘤胃微生物移植在奶牛生产中可以发挥重要的作用，是维持奶牛健康水平的可靠手段。

4 小结

瘤胃微生物具有多种功能，在营养物质消化和维持奶牛机体健康方面发挥着重要的作用。瘤胃微生物受到很多因素的影响，有效调控瘤胃微生物群落的组成，可以更好地使奶牛发挥其自身的生产性能。瘤胃微生物移植可以重塑瘤胃微生物群落，提高奶牛健康水平，目前这项技术还处于起步阶段，今后可以利用代谢组学针对瘤胃微生物的代谢进行更加合理的研究。此外，能否在体外大规模培养瘤胃微生物用于移植，还需要进一步探索。