肉牛亚急性瘤胃酸中毒对瘤胃菌群和瘤胃功能的影响

卜 也，孙 芳*，武 瑞，王建发，赵晓川

(1.黑龙江省农业科学院 畜牧研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.黑龙江八一农垦大学 动物科技学院，黑龙江 大庆 163319)

亚急性瘤胃酸中毒(SARA)是肉牛育肥过程中常见的群发病，发病率可达10%～50%。主要是因反刍动物过食富含碳水化合物的玉米等谷物饲料，经瘤胃微生物发酵作用使挥发性链脂肪酸(VFA)、内毒素(LPS)等代谢产物在瘤胃内蓄积而引起瘤胃内环境pH值过低的一种瘤胃疾病[1]。患牛瘤胃液pH≤5.6，每天持续3 h以上，长达数天可确诊为SARA。该病在诊断时首先视其饲料性质，精粗比越高，颗粒度越小越易发病，采食越多，病情越严重，最急性型常在采食后3～5 h突然死亡。呈现精神沉郁，采食量降低，反刍减弱或停止，有时有踢腹动作，粪便松软或腹泻。听诊瘤胃蠕动音减弱或消失。瘤胃内容物松软，有时伴有瘤胃鼓气症状。多数病例体温正常或偏低，心跳加快，气喘甚至呼吸困难。随着病情发展，会出现跛行、瘫痪、卧地不起、兴奋抑郁交替症状。该病常常继发蹄叶炎。SARA的防控与饲养管理密切相关，肉牛舍饲育肥要确保精粗饲料搭配合理；饲料更换时要逐渐进行；严格控制饲喂量，同时每天至少保证牛1～2 h的运动；高精料饲喂时，可添加2%的碳酸氢钠混匀。

瘤胃起到暂时贮存饲料和微生物发酵功能。瘤胃菌群对瘤胃的消化起着重要作用[2-3]。其中纤维素分解菌对瘤胃酸度特别敏感，当患SARA的牛瘤胃液pH值降低时，其活性和生长繁殖能力均受到限制，因而降低了瘤胃分解消化粗饲料的能力。淀粉分解菌可将谷物饲料中淀粉和糖类转化为丙酸，这类菌对瘤胃酸度不敏感，当高精料育肥肉牛时，瘤胃内贮存大量的谷物饲料，经过淀粉分解菌分解作用使丙酸浓度短时间内升高，随着育肥期增长，超过瘤胃酸碱代偿能力，使患SARA牛瘤胃液pH值持续降低，瘤胃内酸碱度耐受能力不同的微生物因其外环境改变而呈爆发增殖或失活状。酸中毒早期L-乳酸被氧化利用，同时呼吸增强排除CO2，维持酸碱平衡，这是机体的代偿机制，如果代偿过度，常呈现瘤胃上皮角化不全[4-5]，瘤胃液中H+进入细胞外液，置换细胞内K+，伴发高血钾症，引起心肌传导障碍，导致病情恶化。另外，瘤胃内高浓度乳酸不仅引起瘤胃炎，还会导致瘤胃上皮细胞坏死和瘤胃壁坏疽，严重时导致瘤胃内异常代谢有毒物质和微生物通过瘤胃上皮组织扩散，损害内脏，引起更严重疾病。因此防控SARA对保障肉牛瘤胃健康，提高肉牛养殖效益具有重要意义。

1 高精料改变肉牛瘤胃菌群结构

饲料成分是影响肉牛肌内脂肪沉积的关键因素之一。相比奶牛，肉牛的分阶段育肥，尤其是育肥中后期，短时期内需要高精料催肥，用来促进肉牛骨骼、肌肉发育成熟和提高肌内脂肪沉积，改善牛肉品质，提升牛肉等级。因此，强度育肥时期肉牛的精料比例一般提高至75%～90%。肉牛在育肥后期25～30月龄期间饲料转化率降低[6]，又为促进肉牛肌内脂肪沉积而饲喂高比例精饲料，因此肉牛育肥中后期SARA将有更高的发病率。

饲粮是影响反刍动物瘤胃微生物多样性的重要因素[7]。在此阶段肉牛瘤胃内复杂的菌群结构是控制饲料在瘤胃内分解消化的重要因素，同时，这一阶段的饲料分解产物会反过来影响肉牛瘤胃内菌群结构。饲料中碳水化合物在瘤胃微生物发酵作用下最终生成乙酸、丙酸和丁酸等SCFA，是机体能量代谢的底物，50%～85%被瘤胃上皮吸收。乙酸直接参与脂肪酸合成和三羧酸循环氧化供能。丙酸是肝脏糖异生作用的底物，为机体代谢提供葡萄糖。丁酸经瘤网胃吸收入后转化成β-羟丁酸供肌肉组织消耗产能[8]。瘤胃中SCFA升高初期，瘤胃液中碳源和能量充足，纤维分解菌和淀粉分解菌迅速繁殖继而产生大量SCFA，超过瘤胃上皮吸收阈值。SCFA为弱酸，在瘤胃液中主要以HSVFA/SVFA-缓冲剂的形式存在[9]，促进HSVFA/SVFA-正方向解离，游离的H+浓度随之增加，瘤胃液pH值降低。此时以牛链球菌为首的耐酸乳酸菌呈爆发式增殖，瘤胃内乳酸浓度升高，直到瘤胃液pH值下降至5.6以下[10]。埃氏巨型球菌和反刍兽新月单胞菌(一般乳酸分解菌生长最适pH值为6.0～6.5)是瘤胃内主要的乳酸利用菌，埃氏巨型球菌在pH值下降至5.6以下时活性受到抑制，随着乳酸浓度增高，瘤胃液pH值不断降低，直到瘤胃液pH值下降至5.0以下，低于多数乳酸分解菌维持功能活性pH阈值，乳酸分解菌几乎不分解乳酸[11]，使瘤胃液pH值持续降低，致使瘤胃内多数细菌裂解死亡，其中革兰阴性菌裂解后，细胞壁中LPS释放到瘤胃液中，由于酸度过低的瘤胃液会破坏瘤胃屏障功能，使瘤胃内过量的SCFA、乳酸和LPS通过瘤胃上皮吸收入血[12]，最终诱发代谢性酸中毒和机体全身炎症，造成不可挽回的损失。

2 SARA对瘤胃上皮基因表达和功能的影响

瘤胃壁可分为黏膜层，肌层和浆膜层。黏膜层即瘤胃上皮从内向外依次为角质层，颗粒层，棘层和基底层。角质层为瘤胃上皮最外层，直接与瘤胃内容物接触，是瘤胃上皮屏障功能的主要屏障，仅能通过可溶性物质阻止有毒性的大分子或微生物通过瘤胃上皮进入机体[13]。颗粒层和棘层无明显界限，颗粒层细胞由桥粒连接形成半不连续的致密结构，进一步阻止大分子物质透过瘤胃上皮。由棘层到基底层的细胞内线粒体逐渐增多，是参与SCFA等营养物质代谢和机体能量供应的主要细胞[14-15]。

SARA对肉牛瘤胃上皮结构和功能影响极大。在研究室之前的高精料育肥牛屠宰试验制备的瘤胃上皮组织切片观察也发现瘤胃上皮组织通透性增大，细胞间连接变弱，固有层中淋巴细胞灶状浸润，局部角质层细胞过度角质化或角质化不全，表明上皮的结构完整性受损。

TANIGUCHI等[16]在分子层面比较了饲喂高、低精料奶牛瘤胃上皮细胞的基因表达谱，两组瘤胃上皮细胞的基因41%的核酸序列存在差异。SHEN等[17]推测高精料诱导的瘤胃上皮增值的分子机制与胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)相关。STEELE等[18]发现调控IGF-1活性的结合蛋白3(IGF-binding proteins 3,IGFBP-3)(抑制增殖)的mRNA表达量下降，而结合蛋白5(IGF-binding proteins 5,IGFBP-5)(促进增殖)的mRNA表达量上调。张瑞阳等[19]同样运用基因芯片技术，研究高精料日粮诱导SARA对奶牛瘤胃上皮基因表达改变的影响，发现试验组与对照组间存在246个差异基因，同时对参与细胞因子与其受体联接通路分析发现，13个炎症相关基因中有11个差异基因的mRNA表达量显著上调，仅有2个差异基因表达量显著下降，与STEELE等[18]所得结论基本一致。

钠离子耦合单羧酸转运蛋白1(SLC5A-8)和氢离子耦合单羧酸转运蛋白1(MCT-1)参与SCFA的转运和吸收，SLC5A-8可促进钠离子依赖的SCFA吸收增强，MCT-1参与一元羧酸的跨膜转运。王亚洲[20]研究发现奶牛瘤胃上皮细胞内有SLC5A-8和MCT-1的表达，同时证明患SARA的奶牛瘤胃上皮细胞中SLC5A-8和MCT-1的表达受抑制，降低了SCFA的吸收能力，加重SARA程度。

3 总结及研究前景

通过现有的研究分析，SARA的发生是由于采食过量的高精饲料饲粮发酵产生的乳酸和SVFA超过机体能够代谢吸收的阈值，导致瘤胃液pH值降低，改变瘤胃内菌群结构，一方面损伤瘤胃上皮细胞，破坏瘤胃屏障功能，引发溃疡，瘤胃炎，导致瘤胃功能障碍，另一方面异常代谢产物和微生物经受损的瘤胃上皮吸收入血，引起全身广泛性炎症，加大了牛群患蹄叶炎、乳房炎和肝脓肿等疾病的风险，给肉牛生产上带来不可忽视的经济损失。目前多数研究集中在奶牛、奶山羊SARA对瘤胃功能的影响和治疗以及研究瘤胃微生物对饲料的降解机制，对肉牛SARA的研究相对甚少。随着国内肉牛行业迅速发展，肉牛存栏量逐年增加，肉牛患SARA越来越被重视，虽然添加具有特异性免疫的抗生素可以调控瘤胃内特定的微生物菌群数量，但从食品安全方面考虑，抗生素的使用受到了严格的限制。通过在不同牛群设置肉牛检测样本，投入瘤胃滞留pH探针，经动态pH监测系统可得到肉牛不同生理活动瘤胃pH的动态值，从而及时调节牛群饲粮精粗比，此种技术虽然成本较高，但从长远来看，这种绿色安全角度控制SARA才是切实可行的战略。