反刍动物消化道微生物的功能与影响因素及其调控技术

马 晨，马 健,2*，范 雪，张文杰

（1.新疆农业大学动物科学学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.四川农业大学动物营养研究所，四川成都 611130）

动物消化道中的微生物种类众多，这些微生物具有复杂的群落结构，在不断进化的过程中与宿主机体呈现互利共存的联系[1]。动物消化道微生物群落结构的稳定有利于机体自身健康，维持动物生产性能的发挥。瘤胃是反刍动物独有的器官，瘤胃微生物对饲粮的降解和发酵是反刍动物蛋白质和能量需要的主要来源[2]。Turnbaugh等[3]研究表明，人为干预消化道微生物可以对微生物宿主的代谢进行调控。很多研究者认为通过益生菌、饲粮以及微生物移植等均可以调控消化道菌群，在一些人类疾病治疗方面已经得到了临床验证[4]。在反刍动物生产中，Ribeiro等[5]研究表明，重塑牛的瘤胃微生物群落可以改善瘤胃发酵，提高牛的采食量。随着科学技术的进步，消化道微生物调控技术在反刍动物中的应用越来越广泛，已经初步被证实可以有效地调控消化道微生物组成。本文阐述了反刍动物消化道微生物的功能及影响因素，综述了国内外对反刍动物消化道微生物调控的研究现状，以供该领域的相关从业者参考。

1 反刍动物消化道微生物的功能

1.1 消化道微生物的组成 对反刍动物而言，瘤胃微生物区系是研究的热点。幼龄反刍动物瘤胃内的微生物与成熟动物有差异，通常情况下，在动物健康及外界环境不发生巨大变化时，将3～4周龄以后的瘤胃定义为成熟的瘤胃微生物区系[6-7]。但也有研究指出，反刍动物瘤胃微生物在2周岁以内都有可能发生较大变化[8]。虽然存在争议，但不可否认的是，幼龄反刍动物瘤胃微生物区系还处在不稳定的状态。Jami等[9]研究发现奶牛瘤胃的优势菌丰度虽然随着年龄的变化而出现显著变化，但在组成上优势菌主要还是以变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门为主。对成熟的反刍动物来说，瘤胃的主要细菌比例为变形菌门4%、拟杆菌门31%和厚壁菌门56%[10]。虽然幼龄动物瘤胃也存在这3类细菌，但所占比例不同。Henderson等[11]研究了全世界不同国家共计742头反刍动物的瘤胃微生物，发现各国反刍动物的核心菌群相同，优势细菌为梭菌和拟杆菌目，瘤胃球菌和毛螺菌科，丁酸弧菌、普氏菌和瘤胃球菌属。

肠道是机体重要的消化吸收及免疫器官，反刍动物的肠道微生物结构与瘤胃有着明显的区别，主要在于肠道和瘤胃的功能差异。Mao等[12]研究指出，奶牛粪便中的优势细菌所占比例分别为厚壁菌门63.7%、变形菌门18.3%、拟杆菌门7.6% 和放线菌门6.8%。Deoliveira等[13]分析发现在门水平上牛的各肠段都是以厚壁菌门和变形菌门为主，但在科水平上差异较为明显；此外，相比于瘤胃中的优势菌，肠道中的变形菌门和厚壁菌门的丰度更高，而螺旋菌门和拟杆菌门较少。

1.2 消化道微生物的功能

1.2.1 微生物与消化代谢 对反刍动物来说，消化道微生物可以调节宿主消化代谢。Rubino等[14]指出，瘤胃内的微生物在植物纤维性物质降解过程中发挥关键作用，其中，普氏菌主要降解半纤维素，而纤维素的降解主要是梭菌属参与。此外，Jewell等[15]研究表明，瘤胃中的某些优势菌与饲料利用率具有相关性，如毛螺菌科与饲料利用率呈正相关关系，而纤维杆菌科、瘤胃菌科及普氏菌科则与饲料利用率负相关。在肉牛上研究也显示瘤胃菌群与饲料转化率相关，韦荣球菌科和乳杆菌科在饲料转化率低的肉牛中丰度更高[16]。以上研究揭示了消化道微生物与饲料利用率的关系可能比传统的看法更加复杂，需要做进一步研究。

1.2.2 微生物与生产性能 在反刍动物上，研究主要集中在消化道微生物对采食行为的调控上，微生物对宿主采食量的调节被越来越多的研究者认可[17]。Rager等[18]研究表明，通过菌群移植可以有效提高真胃移位术后奶牛的采食量。此外，消化道微生物与产奶量有一定相关性。Xue等[19]指出，瘤胃微生物多样性与产奶量密切相关，核心瘤胃菌群对产奶量的贡献为53.9%。Jewell等[15]研究发现瘤胃微生物多样性随着产奶量的变化而变化，瘤胃内的核心菌群变化趋势与产奶量的高低相关。Wallace等[20]研究了英国、意大利、瑞典和芬兰7个牧场的1 016头奶牛，鉴定出含512种瘤胃菌群成员的核心菌群，富含拟杆菌目、螺旋体目和WCHB1-41目，具有保守的层级结构，与甲烷排放、产奶量及瘤胃发酵相关。

1.2.3 微生物与机体健康 消化道中的微生物数量众多，不是所有的微生物都有利于宿主的健康。Ma等[21]试验表明，乳房炎奶牛与健康奶牛的肠道菌群存在差异，移植乳房炎奶牛的粪便给无菌小鼠，发现小鼠也感染乳房炎，预示着肠道菌群紊乱可能是导致乳房炎发病的原因之一。此外，有研究表明，有菌动物的肠道上皮细胞更新速度是无菌动物的2倍，同时杯状细胞数量提高，并指出肠道内的多种细菌均能调控上皮基因的表达[22]。微生物群落的改变还会影响消化道脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）通透性，使机体出现炎症，消化道微生物还可以代谢对机体有害的外源物质，对宿主健康具有保护作用。

2 影响反刍动物消化道微生物群落的因素

2.1 动物年龄 微生物的种类及组成会随着动物年龄的增加而发生变化。Li等[8]研究指出，对犊牛瘤胃微生物而言，丰度较高的细菌依次为拟杆菌门74.8%、厚壁菌门12% 和变形菌门10.4%，瘤胃微生物群落结构在不同年龄段差异较大。Georgios等[23]研究犊牛粪便微生物发现，粪便中丰度较高的细菌依次为厚壁菌门63.84%、拟杆菌门8.36% 和变形菌门3.72%，微生物多样性随着年龄增加而增加。Jami等[9]研究同样表明，瘤胃细菌种类随年龄增加而增加，瘤胃厌氧菌种类增多，而好氧菌则逐渐减少。

2.2 动物生理状况 围产期是反刍动物生理状况比较敏感的一个时期。Derakhshani等[24]分析发现奶牛围产前期瘤胃菌群中可降解纤维的丁酸弧菌属和瘤胃球菌属增加，而围产后期瘤胃菌群中与蛋白质和淀粉分解及泌乳相关的细菌增加。对优势菌进行分析发现，从围产前期进入到泌乳阶段后，奶牛瘤胃微生物中的拟杆菌门∶厚壁菌门从6:1变为12:1[25]。Lima等[26]研究表明，初产、经产及产前、产后奶牛瘤胃微生物多样性差异较大，产前真菌含量高于产后，菌群变化与产奶量高度相关。反刍动物消化道微生物在围产期变化较为剧烈，微生物的差异为通过微生物移植调控群落组成提供了研究基础。此外，疾病通常会改变消化道微生物群落结构。Nagashima等[27]研究认为，新生犊牛肠道内的微生物数量很少，同时指出外源添加植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）能有效调控肠道微生物结构，降低犊牛腹泻发病率。瘤胃酸中毒大多是因为饲喂谷物精料过多造成。Plaizier等[28]研究表明，瘤胃酸中毒会降低瘤胃和粪便细菌丰度及多样性，同时降低拟杆菌门丰度，但对盲肠微生物影响不大。另有研究指出，真胃移位会改变瘤胃微生物群落结构，同时会显著降低粪便微生物多样性，造成粪便螺旋体门缺失[29]。由此可见，消化道微生物在治疗动物疾病方面可能发挥重要作用。

2.3 饲粮 饲粮中的营养成分以及一些功能性成分不仅可以为机体提供养分，还可以影响消化道微生物群落。Fernando等[30]研究指出，高粗饲料饲喂奶牛时，瘤胃中的纤维菌门丰度更高，高精料饲喂时，拟杆菌门丰度更高，而当饲粮由高粗转变为高精时，瘤胃中的牛链球菌和埃氏巨型球菌显著升高。另有研究证实，饲粮中纤维和淀粉比例不同时，虽然瘤胃中的优势菌不受影响，但瘤胃微生物组成会发生变化，当淀粉含量高时，多聚糖降解菌丰度变高，当纤维含量高时，纤维降解菌丰度变高[31]。Rico等[32]试验显示，奶牛瘤胃微生物区系在饲喂高脂肪低纤维饲粮8 h后发生变化，普氏菌（与淀粉降解相关）和产琥珀酸丝状杆菌（与纤维降解相关）丰度分别降低66% 和97%，但反刍新月形单胞菌和埃氏巨型球菌（与乳酸利用相关）升高170%。Auffret等[33]报道，肉牛饲粮中谷物浓缩料含量高时，瘤胃菌群中耐药性和致病性相关细菌的丰度和多样性较高。在后肠道中，Liu等[34]研究发现高能饲粮会改变山羊结肠的微生物结构，引起结肠损伤。

2.4 抗生素及饲料添加剂 一些抗生素及饲料添加剂的使用也会影响消化道微生物的组成。Shen等[35]试验表明，乳酸链球菌和莫能菌素均可以降低瘤胃内细菌和真菌数量，莫能菌素降低原虫效果更加明显，但乳酸链球菌在维持瘤胃微生态方面更有优势。Li等[36]试验也表明，饲喂巴氏杀菌抗生素牛奶可以降低犊牛瘤胃中的拟杆菌门丰度，提高厚壁菌门丰度。虽然在抗生素功能强大，但其残留问题不容忽视，在生产中要控制抗生素的使用。

生产中常使用一些饲料添加剂提高动物的生产性能。Foditsch等[37]研究发现，普拉梭菌处理组腹泻犊牛肠道中普拉梭菌丰度显著高于对照组，有效治疗了犊牛腹泻。Malekkhahi等[38]研究了饲粮中添加钠苹果酸钙和活性干酵母对正常奶牛以及瘤胃酸中毒奶牛瘤胃微生物区系的影响，发现添加钠苹果酸钙和活性干酵母均能提高瘤胃中纤维杆菌和大肠杆菌属，但在瘤胃酸中毒时，活性干酵母组的埃氏巨型球菌丰度要更高。

3 反刍动物消化道微生物调控技术

3.1 饲粮 在反刍动物上，饲粮的组成结构及成分均可以有效调控消化道微生物群落。Chen等[39]试验表明，肉牛瘤胃微生物结构会随着饲粮变化而转变，使宿主更好地消化饲粮。Lettat等[40]研究指出，饲粮中青贮饲料比例高时可以增加奶牛瘤胃总细菌数，减少原虫数量，同时降低了产甲烷菌代谢活性，降低甲烷排放。饲粮中添加一些特定成分对消化道菌群也可以起到调控作用。Abecia等[41]在羔羊3月龄之前的饲粮中添加溴甲烷，羔羊瘤胃内的产甲烷菌数量在6月龄时显著减少，降低了甲烷产量，提高了羔羊的日增重。另有研究指出，给幼龄羔羊（2～6周龄）饲粮中添加亚麻籽油可以显著降低16周龄羔羊瘤胃内甲烷短杆菌属丰度，并且不影响羔羊的健康[42]。在犊牛上的研究发现，给犊牛饲喂牛奶后再饲喂普氏栖粪杆菌，犊牛粪便中的普氏栖粪杆菌数量增多，显著降低犊牛的腹泻率，提高了日增重[37]。对成年动物消化道微生物进行调控可以提高其生产性能。Xu等[43]研究指出，泌乳奶牛饲粮中添加益生菌（干酪乳杆菌和植物乳杆菌1:1混合）可以增加粪便中瘤胃发酵细菌和柔嫩梭菌，抑制一些致病菌，提高泌乳性能。

3.2 微生物移植

3.2.1 粪便微生物移植 健康机体粪便中的微生物结构正常，处于较为稳定状态，移植给患病个体消化道内可以重建微生物结构，使患病机体恢复健康。吴兆海[44]利用粪菌移植技术来治疗被动免疫失败的犊牛，发现粪菌移植可以有效改善犊牛肠道微生物结构，并能维护肠道上皮屏障功能，对犊牛的生长和健康有积极影响。Ma等[21]试验表明，奶牛粪菌移植给小鼠，可以在小鼠肠道内定植，并且乳房炎奶牛的粪便可以使小鼠患乳房炎。相对于单胃动物，反刍动物上的粪菌移植研究还处在起步阶段，仍需要做进一步的研究。但在生产一线，一些牧场会将正常牛的粪便浸泡在水中，经过滤后灌注给病牛，对牛胃肠代谢疾病可以起到治疗的目的。

3.2.2 瘤胃微生物移植 瘤胃作为反刍动物特有的器官，很多研究证实瘤胃微生物移植对反刍动物有着重要作用。用于移植的瘤胃液或内容物要满足以下要求[45]：①因pH较低时，原虫数量会减少，因此瘤胃液pH最好在6以上；②应该禁止移植泡沫较多的瘤胃液，最好能对原虫活性进行检测；③采集后的瘤胃液最好30 min内完成移植；④犊牛和羊移植所需瘤胃液体积为1 L，成年牛在8～16 L。

瘤胃微生物对反刍动物的消化代谢及生产性能等都有重要影响，已有研究证明瘤胃微生物移植是治疗动物消化不良等疾病的有效方法[18]。Depeters等[17]研究表明，通过瘤胃微生物移植技术可使奶牛的采食量短时间恢复。Ribeiro等[5]将70%的野牛瘤胃内容物与肉牛进行互换，发现肉牛瘤胃微生物群落得以改变，并提高了蛋白质消化率以及干物质采食量。在幼龄动物上，瘤胃微生物移植也表现出良好的前景。有研究表明，给羔羊移植母羊瘤胃液可以显著提高其瘤胃微生物数量，并提高了羔羊的生长性能和营养物质消化率[46]。

此外，瘤胃微生物移植在其他方面也发挥着重要作用。Ji等[47]试验表明，瘤胃微生物移植能有效恢复抗生素所导致消化道微生物紊乱。Rager等[18]将健康牛的瘤胃液移植给手术后奶牛的研究发现，移植组的奶牛采食量和产奶量都显著高于未移植组。有研究指出，产后50 d的奶牛瘤胃核心菌群丰度相比于产后7 d更高，将泌乳高峰期奶牛的瘤胃液移植给围产后期奶牛，可以重塑其瘤胃微生物群落，提高了采食量，有利于缓解能量负平衡[45]。Zhou等[48]分析了肉牛瘤胃微生物移植后对受体菌群重建及饲料转化率的影响，发现移植对粪球菌属及乳杆菌属的响应最大，其中有18个细菌种系与饲料转化率相关。在反刍动物生产中，微生物移植可以发挥重要的作用，这些研究证实了微生物移植是维持反刍动物健康水平的有效方法。

4 小 结

消化道微生物在反刍动物营养物质消化和健康维持中起着重要作用，同时，很多因素都可以影响消化道微生物群落，有效调控消化道微生物可以更好地发挥动物生产性能，维持动物健康。但由于消化道微生物种类复杂，目前研究还处在初级阶段，随着科技的进步，利用代谢组学对消化道微生物的代谢进行研究，能更好地调控消化道微生物。此外，作为反刍动物，尤其是成年奶牛，其瘤胃微生物移植所需要的量较大，因此体外培养微生物用于移植的相关研究值得开展。