丁酸梭菌调节畜禽肠道菌群机制的研究进展

尚智援， 李海花， 窦彩霞， 王 倩， 乔家运*

（1.天津师范大学生命科学学院，天津300387；2.天津农学院动物科学与动物医学学院，天津 300384）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）作为一种芽孢益生菌制剂（Zhang等，2018），能够定植于畜禽肠道内，在改善肠道健康方面发挥积极作用。饲粮中添加丁酸梭菌能显著提高畜禽饲料转化率，降低腹泻率，改善生长性能 （Zhang等，2018；Chen等，2018；Liao等，2015）； 丁酸梭菌可通过调节免疫信号通路提高免疫力，降低炎症反应的发生（Chen 等，2018；Liao 等，2015）； 丁酸梭菌能够通过增强抗氧化酶活性，选择性地清除机体和细胞中的羟基自由基，进而提高总抗氧化能力，降低肠道上皮细胞的氧化损伤 （Liao等，2015；Jahns等，2015）。肠道内存在复杂的微生物群落，在营养与健康方面起着关键性作用，丁酸梭菌进入消化道后，主要是通过抑制致病菌的生长并促进有益菌的增殖来维持肠道菌群平衡，发挥其益生作用的（孙健等，2019；Mancabelli等，2016）。

1 丁酸梭菌调节畜禽肠道菌群的研究进展

畜禽肠道中存在着一个复杂的微生态系统，含有大量的细菌，主要由厌氧菌、兼性厌氧菌和需氧菌组成（Petri等，2010）。畜禽肠道菌群主要由4个菌门组成，第一类是硬壁菌门，既包括梭菌、乳酸杆菌、真杆菌等专性厌氧菌，也包括链球菌、肠球菌、葡萄球菌等需氧或兼性厌氧菌；第二类是拟杆菌门，包括拟杆菌、普雷沃氏菌等严格厌氧菌；第三类是变形菌门，既包括沙门氏杆菌等需氧或兼性厌氧菌，也包括大肠杆菌等兼性厌氧菌；第四类是放线菌门，包括双歧杆菌等专性厌氧菌（Petri等，2010）。这些细菌群落与宿主相互作用并处于动态平衡状态。

1.1 丁酸梭菌调节仔猪肠道菌群的研究 断奶应激会导致仔猪消化功能失调和肠道屏障功能障碍，进而导致其生长停滞，引发各种疾病，严重危害其健康（Zong等，2019）。断奶仔猪饲粮中添加丁酸梭菌，能显著增加粪便巨型球菌数量，抑制除霍氏真杆菌之外梭菌的生长（Zhang等，2018）。巨型球菌在幼龄动物肠道中能分解乳酸生成丙酸和乙酸，而霍氏真杆菌负责新陈代谢，可以加强乙酸的产生和利用，进而产生更多的丁酸（Zhang等，2018；Vargas等，2017），这说明丁酸梭菌能够使产生短链脂肪酸的有益菌数量增加。同时，丁酸梭菌也显著降低了断奶仔猪大肠埃希菌和沙门氏杆菌的数量，有增加盲肠乳酸菌、双歧杆菌的趋势（Jahns等，2015）。其中大肠埃希菌属于条件致病菌，容易使部分免疫力低下的畜禽患腹腔感染、尿道炎、血流感染等疾病（Liu等，2019），而沙门氏杆菌可引发多种畜禽疾病，如猪伤寒、鸡伤寒等（Peeters等，2019）。另外，在断奶仔猪饲粮中添加丁酸梭菌和小麦麸皮合生素发现，合生素改变了肠道微生物群体，增加了纤维降解细菌（如瘤胃球菌科和毛螺菌科）的数量，抑制了致病菌（如丹毒丝菌科和普雷沃氏菌科）的生长 （Zhang等，2018）。瘤胃球菌科可产生纤维素酶、半纤维降解酶和淀粉酶等碳水化合物降解酶 （Gu等，2013）；毛螺菌科部分菌群可降解植物细胞壁中的果胶、纤维二糖等，产生短链脂肪酸，为畜禽及肠道菌群提供能量（李曼曼等，2019）；而丹毒丝菌科可引发猪的急性、热性传染病，对养猪业有很大危害（Zhang等，2018）；普雷沃氏菌科是一种条件致病菌，与呼吸道疾病、关节炎等疾病有关（Clarke等，2014）。

1.2 丁酸梭菌调节鸡肠道菌群的研究 丁酸梭菌可通过调节肠道菌群结构，抵御胃肠道疾病，改善其肠道健康状况，进而提高鸡的生长性能。日粮中添加丁酸梭菌可显著增加盲肠中的类杆菌属、丁酸梭菌、霍氏真杆菌属等产短链脂肪酸菌群的丰度（肖英平等，2017）。类杆菌属对环境应变能力强，其基因组编码着大量糖代谢过程相关酶、糖基水解酶，能够提高多糖的利用率 （肖英平等，2017）。在蛋用仔公鸡饲料中添加丁酸梭菌也能够增加盲肠中乳酸杆菌和双歧杆菌的数量 （刘亭婷等，2012）。丁酸梭菌饲喂产蛋鸡发现，鸡盲肠大肠杆菌菌群显著减少，双歧杆菌的数量明显增加（Zhan等，2019）。双歧杆菌在肠道内较为常见，能够促进消化、增强免疫、酸化肠道环境、抑制致病菌生长、为机体提供维生素和氨基酸等营养物质（Riviere等，2016）。以鸡胚肠道细胞为体外模型发现，丁酸梭菌能够抑制大肠杆菌的生长，进而对大肠杆菌诱导的细胞凋亡起到抑制作用，治疗大肠杆菌病（Gao 等，2012）。

2 丁酸梭菌调节畜禽肠道菌群的作用机制

丁酸梭菌属于严格厌氧的芽孢杆菌，能够产生内生孢子，具有耐酸、耐高温的特点，因此丁酸梭菌在进入消化道后能够经过高酸度的胃液和高胆汁的小肠，到达厌氧的盲肠和结肠环境中定植、代谢和繁殖（Kong等，2011）。丁酸梭菌一方面能够与双歧杆菌、乳酸菌、拟杆菌、真杆菌等有益菌共生，并促进其生长与增殖；一方面可以有效地抑制大肠杆菌、沙门氏杆菌、产气荚膜梭菌、葡萄球菌等有害菌群的生长。在短时间内肠道菌群相对丰度发生改变，说明肠道微生物能够对丁酸梭菌的添加迅速做出反应，丁酸梭菌一方面通过营养竞争和定植拮抗直接影响肠道内的固有菌群，另一方面也可能与丁酸梭菌的代谢产物 （如短链脂肪酸、消化酶等）有关，通过改变肠道内代谢产物的含量间接改善肠道环境，调节肠道菌群结构，发挥益生作用。

2.1 营养竞争与定植拮抗 丁酸梭菌可通过其优势生长竞争性消耗肠道内有限的营养物质，这种竞争有限营养物质的能力决定着肠道菌群的分布。丁酸梭菌与艰难梭菌一起在体外培养时，艰难梭菌的毒性明显降低甚至消失，主要是由于艰难梭菌只能代谢简单的营养物质，而丁酸梭菌可凭借高于艰难梭菌两倍的芽孢萌发和扩散速率消耗有限的营养物质，有效地抑制艰难梭菌的生长；同时也发现在细胞接触状态下，艰难梭菌毒性受到抑制，推测可能是由于细胞间相互作用，影响了艰难梭菌毒性蛋白的产生，但其机理尚不清楚（Woo等，2011）。以虹鳟为试验对象，在其饲料中添加丁酸梭菌和凝结芽孢杆菌，结果发现饲喂丁酸梭菌的试验组虹鳟肠道菌群结构发生改变，推测可能是因为丁酸梭菌可通过竞争排斥而抑制有害菌（如变形菌门和蓝菌门细菌）的生长，进而发挥其益生作用（樊英等，2019）。

丁酸梭菌能够通过抑制有害菌的黏附作用降低有害菌的定植与繁殖，进而抑制其对宿主的侵害。丁酸梭菌LCL166能够与婴儿型双歧杆菌共培养，对大肠埃希菌O157:H7、伤寒杆菌、痢疾杆菌F2a和霍乱弧菌产生生物拮抗作用（张雪平等，2001）。丁酸梭菌能够通过改善肠道屏障功能来降低大肠杆菌、沙门氏杆菌、产气荚膜梭菌等致病菌的入侵和定植（Yang等，2012）。从丁酸梭菌中提取出的脂磷壁酸可抑制大肠杆菌对肠道细胞的黏附作用，其机理是脂磷壁酸与上皮细胞黏附蛋白—纤维连接蛋白非共价结合，与细菌竞争黏附位点，能够有效抑制致病菌黏附，进而抑制致病菌的增殖（Gao等，2011）。

2.2 代谢产物的菌群调节作用

2.2.1 短链脂肪酸 短链脂肪酸（主要包括丁酸、乙酸和丙酸）由丁酸梭菌发酵产生，是肠黏膜细胞的主要能量来源，能够调节肠道菌群平衡，改善肠道功能，对肠道疾病具有一定的预防和治疗作用。丁酸在短链脂肪酸中含量相对较高，主要在大肠中生成，到盲肠和结肠中发挥作用（Meimandipour等，2010）。丁酸主要在乙酰CoA转移酶或丁酸激酶的作用下生成 （Detman等，2019；Zhang等，2018），可通过β-氧化、柠檬酸循环、氧化磷酸化等一系列反应为肠道有益菌的生长提供能量及良好的环 境 （Zhang 等 ，2018；Meimandipour 等 ，2010）。将丁酸梭菌与艰难梭菌共培养时，艰难梭菌毒性受到明显的抑制 （Woo等，2011）。其机理可能是丁酸在进入细胞后，可被分解为丁酸根离子和氢离子（H+），肠道中pH降低，抑制沙门氏菌、大肠杆菌等耐酸性差的细菌生长，同时促进乳酸杆菌等耐酸的有益菌生长，从而达到调节肠道内致病菌和有益菌之间的平衡，有效防止了病原菌感染（Detman等，2019）。基础日粮中添加包膜丁酸钠后，仔猪回肠中大肠杆菌的数量明显降低，而盲肠和结肠中乳杆菌和双歧杆菌数量明显增加（李虹瑾等，2017）。因此，丁酸梭菌发挥益生作用部分依赖于丁酸。

丙酸由丙酮酸途径产生，主要通过丙酰CoA途径、甲基丙二酰CoA途径和乳酸途径促进糖异生代谢，是葡萄糖的重要前体物质，主要参与肝脏代谢（尹召华等，2011）。而乙酸是通过乙酸激酶产生，主要参与肌肉、肝脏和脑内代谢，可作为乳酸向丁酸转化过程中的底物和中间体 （Detman等，2019）。因此，乙酸、丙酸的变化可能影响机体代谢，改善肠道微环境，进而改变其菌群结构。以肉鸡为试验对象，在其饲粮中添加丁酸梭菌可提高盲肠内乙酸、丁酸、丙酸等短链脂肪酸浓度，pH降低，刺激代谢这些酸的微生物菌群增加，改善肠道菌群结构（Zhang 等，2011）。

研究发现短链脂肪酸与胃肠道菌群之间具有相互作用，除了能够促进有益菌的增殖和抑制有害菌的生长之外，有益菌的增长反过来也会刺激短链脂肪酸的合成（马露等，2019）。丁酸梭菌可使獭兔肠道内乳酸菌、双歧杆菌、拟杆菌和硬壁菌（如Clostridium clusterIV和Clostridium clusterXIVa）的含量显著增加（Liu 等，2019）。 其中，硬壁菌可产生丁酸（Zhang等，2018）；乳酸菌可以利用发酵碳水化合物产生有机酸 （如乳酸）（Jin等，2017）；双歧杆菌通过发酵可以产生乙酸、乳酸和甲酸，从而抑制白色念珠菌、大肠杆菌等致病菌的生长（Riviere等，2016）；拟杆菌具有发酵碳水化合物产生乙酸、丁酸和琥珀酸的功能（Riviere等，2016）。 但 Zhang等（2018）研究发现，丁酸梭菌并不能直接产生丁酸，而是通过生产乙酸诱导丁酸的生成，同时丁酸梭菌也可使产生乙酸的有益菌群数量增加，而使产生丁酸的菌群减少，这与多数研究报道的丁酸梭菌能直接生产丁酸不相符，这一现象值得进一步探究。

2.2.2 其他益生物质 丁酸梭菌在代谢过程中还产生了消化酶（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等）和丁酸梭菌素（Liu等，2019），它们在丁酸梭菌调节肠道菌群方面也发挥着至关重要的作用。在乳鸽饲料中添加丁酸梭菌和乳酸菌发现，丁酸梭菌能够明显提高小肠淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶的活性，促进糖代谢、氨基酸代谢、脂肪代谢等生命活动，帮助短链脂肪酸发挥作用，有效地提高了对营养物质消化吸收；且丁酸梭菌和乳酸菌相互协调，共同促进消化酶合成与分泌，维持肠道菌群平衡（袁文华等，2018）。

丁酸梭菌素可抑制多种其他梭菌所引起的肠道感染，纠正肠道紊乱，促进肠道健康。有研究发现丁酸梭菌可产生促进双歧杆菌生长的影响因子，且加热或酶变性会对这种因子造成抑制作用，推测是一种蛋白质（Araki等，2002）。丁酸梭菌素7423是由丁酸梭菌NCIB7423产生的一种细菌素，对胰蛋白酶具有很强的敏感作用，通过抑制巴氏梭菌生长细胞膜上H+-ATP酶复合物活性，进而抑制巴氏梭菌的生长（Clarke等，1982）。其中胰蛋白酶在pH为7.0～10.0环境下有较好的稳定性（翁凌等，2010），而丁酸梭菌代谢生成的丁酸、乙酸、丙酸等短链脂肪酸，降低了肠道pH，抑制胰蛋白酶活性，为丁酸梭菌素7423提供良好的生活环境，增强其抑菌活性。

3 小结

丁酸梭菌作为一种严格厌氧的芽孢益生菌制剂，其对改善畜禽肠道菌群结构有重要影响，一方面抑制有害菌的生长，另一方面优化有益菌生长发育的环境，促进有益菌的增殖。此外，丁酸梭菌在代谢过程中能产生多种酶、短链脂肪酸和丁酸梭菌素等益生物质，调节肠道菌群平衡，治疗肠道疾病。因此，丁酸梭菌在畜禽生产中有良好的应用前景。但丁酸梭菌与其他益生元、益生菌等新型饲料添加剂配合使用的效果及作用机制仍需进一步研究。