丁酸梭菌的生物学作用及在肉鸡生产上的应用

2020-12-29彭苑婷王一冰蒋守群

饲料工业 2020年2期

■张盛彭苑婷王一冰蒋守群

（广东省农业科学院动物科学研究所畜禽育种国家重点实验室农业农村部华南动物营养与饲料重点实验室广东省动物育种与营养公共实验室广东省畜禽育种与营养研究重点实验室，广东广州510640）

我国畜牧业发展迅猛，随之而来的是抗生素滥用引发的耐药性和药物残留等问题，人们对于益生菌的功能开发和生产应用愈加重视。丁酸梭菌参与机体肠道菌群平衡调节、增强机体免疫功能，且其分泌多种酶类和维生素，能有效促进机体对营养物质的吸收，因此在畜禽生产上的应用受到人们的广泛关注。本文阐述丁酸梭菌的主要生物学作用及其在肉鸡生产中的应用。

1 丁酸梭菌的来源及特性

丁酸梭菌，又名丁酸菌、酪酸菌、宫入菌，由日本千叶医科大学宫入近治博士1933 年首次发现并报道。1935 年丁酸梭菌被俄罗斯微生物研究所Kingimiyairi 博士从人的粪便和泥土中分离，1992 年我国黑龙江省科学院微生物研究所引进丁酸梭菌，自此丁酸梭菌在中国定植，并对中国微生物有益菌的研究起到重要作用。

丁酸梭菌在分类学上属于芽孢杆菌菌属，是一种高度厌氧的革兰氏阳性芽孢杆菌，可从土壤、健康动物和人类粪便中分离得到[1]，其分布广泛,具有很强的环境适应能力，在温度25～37 ℃，pH值4.0～9.8的条件下均表现出生命活性，且不受动物消化系统内消化酶、胃酸、胆汁酸等影响，因而耐热、耐酸、耐胆汁，对外界环境具有一定的抵抗力[2]。丁酸梭菌能够发酵葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖等碳水化合物产酸，并且能够产生淀粉酶，其最终代谢产物为丁酸、醋酸和乳酸，以及少量的丙酸和甲酸[3]。

2 丁酸梭菌的生物学作用

2.1 维持肠道健康

正常情况下，肠道中具有很多有益微生物，而丁酸梭菌能在肠道内定植并成为优势菌种。其具备独特的代谢方式，发酵糖类产生丁酸等短链脂肪酸，不仅能降低肠道pH 值[4]，减少肠毒素的产生，而且可在产生部位直接被吸收，同时刺激肠道蠕动，从而维护肠道微生态平衡。Zhang 等[5]发现在日粮中添加丁酸梭菌增加了盲肠的相对长度，显著降低肉鸡盲肠内容物pH 值，抑制了病原菌的生长。刘婷婷等[3]研究发现，在肉鸡肠道内菌群未完全定型前，外籍的丁酸梭菌在盲肠内形成优势，降低肠道内pH值，降低大肠杆菌、沙门氏菌、产气荚膜梭菌等有害菌数量，并促进了乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌的生长。贾丽楠等[6]发现丁酸梭菌上清液可有效抑制大肠埃希氏菌、铜绿假单胞杆菌、金黄色葡萄球菌、副溶血性弧菌、产气荚膜梭菌的生长，其中主要作用的物质为有机酸、蛋白或多肽类物质。

肠道屏障作为防御外部致病原的第一道防线对于机体健康具有重要作用[7]。丁酸梭菌产生高水平的丁酸盐，可作为肠道上皮细胞的主要能量来源，并且能够促进肠上皮细胞的增殖分化，修复破损的肠黏膜，缓解细菌及其代谢产物等外源物质进入血液循环引起的炎症反应，在维持肠道内微生态平衡中发挥着重要的作用[8]。肠道上皮细胞间紧密连接蛋白形成了肠道各种细胞的紧密结合，完整的肠道机械屏障可有效防止病原菌以及过敏原入侵机体[9-10]。研究表明丁酸梭菌对于肠道紧密连接蛋白的表达有明显的上调作用，使肠道的紧密性更加完整。例如，丁酸梭菌能上调产肠毒素大肠杆菌K88（ETECK88）感染猪的肠紧密连接蛋白ZO-1、Claudin-3和Occludin的表达，缓解肠道炎症，维持肠道健康[11]。此外，丁酸梭菌能降低肠通透性，并增强结肠防御屏障的各种成分，如促进上皮细胞迁移，诱导黏液素和抗菌肽的表达[12]。丁酸梭菌细胞壁上的酸性多糖磷壁酸在丁酸梭菌对肠道细胞的黏附中发挥重要作用，是丁酸梭菌重要的黏附因子[13]。

2.2 促进营养物质的吸收

丁酸梭菌作为肠道益生菌的之一，能合成B族维生素、维生素K、氨基酸和丁酸等营养物质[14]，分泌淀粉酶和蛋白酶，同时能降低饲料中的抗营养因子[15]，在一定程度上促进肠道对食物的消化和营养物质的吸收。张娟等[16]的试验表明，日粮中添加丁酸梭菌显著增加了罗斯308肉鸡肠道的绒毛高度、降低了其隐窝深度，提高了机体的消化吸收能力。张彩云等[17]报道，3‰和5‰的酪酸芽孢杆菌有利于促进断奶仔猪营养物质，特别是蛋白质的代谢，提高仔猪平均日增重，改善饲料转化效率并增强抗病力。

2.3 增强动物免疫功能

丁酸梭菌的代谢产物可刺激肠道黏膜的免疫活性，具有激活巨噬细胞、淋巴细胞和自然杀伤细胞的作用，还能够诱导产生分泌型免疫球蛋白A（SIgA）、免疫球蛋白M（IgM），并对血液中白血球细胞和参与免疫调节的细胞因子产生一定影响，提高机体免疫功能。周琳等[18]试验表明，大肠杆菌攻毒前在日粮中添加丁酸梭菌有利于刺激肉鸡肠道黏膜免疫系统分泌高水平的细胞因子，攻毒处理后有助于维持肉鸡肠道黏膜SIgA、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-4（IL-4）保持较高水平。Gao 等[19]体外试验研究表明，丁酸梭菌能调节IL-8、IL-6和TNF-α的适量分泌，以抵抗病原菌的感染，提高机体的免疫力。肠道发生炎症反应时，血清中IL-8和TNF-α含量会随之上升，王柳懿等[20]研究丁酸梭菌对仔猪回肠免疫信号通路相关蛋白和血清细胞因子的影响时发现，日粮中添加5×1011CFU/kg丁酸梭菌能够提高血清中细胞因子TNFα和IL-8基因的表达，激活机体的免疫反应。张彩云等[17]发现断奶仔猪日粮中添加5‰丁酸梭菌其血清IgG水平、C3水平显著高于抗生素对照组。对糖尿病小鼠饲喂丁酸梭菌可改变肠道、胰腺淋巴结和胰腺中较少的促炎性免疫环境，可减轻胰腺炎，延缓糖尿病的发作，改善能量代谢功能障碍[21]。杨静[13]研究发现，丁酸梭菌磷壁酸可以通过抑制核转录因子-κB（NF-κB）的表达减少炎症因子TNF-α的分泌，在一定程度上预防肠炎的发生，并且丁酸梭菌及其磷壁酸可刺激Hsp70表达，起到了调节免疫反应的作用。

2.4 提高动物机体抗氧化能力

动物机体抗氧化能力的提高表明其细胞氧化应激水平升高，细胞的内环境稳态性能加强，可有效防止细胞衰老，促进动物健康良好生长。廖秀冬[22]试验发现，日粮中添加丁酸梭菌能显著提高21日龄AA肉鸡十二指肠黏膜的谷胱甘肽巯基转移酶（GST）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活力，降低血清中丙二醛（MDA）含量，且血清中MDA 含量与饲喂丁酸梭菌的剂量呈负相关，高剂量组肉鸡回肠黏膜超氧化物歧化酶（SOD）活力显著高于其他组。贾聪慧等[23]研究发现，在基础日粮中添加3×108CFU/kg丁酸梭菌显著提高42日龄罗斯308肉鸡血清GSH-Px和T-SOD活性，总抗氧化能力（T-AOC）与对照组相比有升高趋势。日粮中添加500 mg/kg丁酸梭菌可显著提高断奶仔猪血清抗氧化物质含量，其T-AOC 显著高于对照组[24]，Wang 等[25]研究表明，丁酸梭菌除了可显著降低小鼠胃黏膜损伤面积以及改善胃黏膜病理情况外，还一定程度上降低MDA水平。以上提示日粮中添加丁酸梭菌能够提高机体抗氧化能力。目前关于丁酸梭菌抗氧化作用的机理还不清楚，可能是通过丁酸梭菌代谢产生丁酸盐和氢气等方式增强抗氧化酶活性，以及选择性地清除羟基自由基[26]，其代谢产物通过调控不同的氧化还原系统，发挥调节机体氧化应激水平的作用[27]。

3 丁酸梭菌在肉鸡生产上的应用

3.1 提高肉鸡生长性能

大量研究表明丁酸梭菌可提高肉鸡生长性能。张娟等[16]研究发现，3×108CFU/kg 丁酸梭菌组罗斯308 肉鸡21 日龄和42 日龄的体重分别比对照组提高了3.76%和5.38%，l～21 日龄和1～42 日龄的平均日增重分别比对照组高出4.01%和5.49%。Takahashi 等[28]研究发现与对照组（基础日粮）相比，日粮中添加丁酸梭菌MIYAIRI（CBM588）的肉鸡体增重显著增加并且表现出显著更好的饲料效率。在温氏1 日龄新兴黄鸡的饮水中添加0.6%丁酸梭菌试验鸡日增重比对照组提高了2.39 g，增幅为4.61%；试验组料重比比对照组降低了0.20，降幅为9.26%；试验组平均耗料量比对照组减少了0.44 kg/只，减少了5.83%，且试验组比对照组提前一天出栏[29]。在1日龄健康罗斯308肉鸡基础日粮上添加2×109CFU/kg 丁酸梭菌B1（CGMCC4845），极显著提高了1～42 d 肉鸡的平均日采食量和日增重[30]。肖克权等[31]报道日粮中添加丁酸梭菌可提高麻羽肉鸡生长速度和饲料利用率，同时还能降低肉鸡的死淘率。

3.2 促进肉鸡肠道健康

鸡对营养物质消化吸收的主要部位在小肠，肠道微生物群的改变或毒物对肠道黏膜的毒性作用均可能导致肠道内短链脂肪酸的改变、碳水化合物功能紊乱、胆汁酸代谢紊乱等[32-33]，因此肠道的发育情况及内部的微生态平衡直接影响到家禽机体的消化能力。日粮中添加3×108CFU/kg 丁酸梭菌显著提高了5、14日龄和21 日龄罗斯肉鸡十二指肠、空肠和回肠的相对长度[16]，肠道长度增加可以使营养物质更完全被消化吸收利用，进一步促进动物体的生长繁殖。范磊等[34]研究发现，在日粮中添加0.1%丁酸梭菌制剂可以增加艾维茵肉鸡小肠黏膜绒毛长度，减少肠道内的有害菌，促进肠道内有益菌的增殖和肠道黏膜发育。Zhao等[35]研究发现，日粮中添加1×109CFU/kg丁酸梭菌显著降低了21 日龄罗斯308 肉鸡盲肠拟杆菌门数量。马洪庆等[36]报道，总活菌数为2×1012CFU/kg的丁酸梭菌、地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌三联制剂能通过丁酸梭菌的大量增殖代谢产生的酶提高饲料初次消化和二次消化，促进饲料养分消化，进而提高麻羽肉鸡鸡群生产性能。该研究还发现试验组肉鸡肠道总需氧和大肠杆菌、产气荚膜梭菌减少，双歧杆菌和乳酸菌增加，表明丁酸梭菌维持了肠道菌群平衡健康，能有效预防肠道疾病的发生，提高肉鸡存活率；另外，丁酸梭菌三联制剂还能对鸡粪中剩余营养物质进行发酵，从而减少不良气体的产生。Zhang 等[37]研究发现，饲粮中添加丁酸梭菌可有效的预防治疗大肠杆菌K88 对Cobb 肉鸡肠道引发的疾病，并减轻因其而导致的生长抑制。

3.3 提高肉鸡免疫力

丁酸梭菌可通过刺激机体的免疫应答反应，进一步促进自身免疫系统的发育。李可等[38]对AA肉仔鸡的实验表明，饲粮添加含量大于1×106CFU/g 丁酸梭菌显著提高了肉仔鸡公鸡和母鸡的脾脏指数、法氏囊指数。丁酸梭菌既可直接抑制肠出血性大肠杆菌（EHEC）的活力，又可间接通过调节凋亡因子的表达抑制EHEC 诱导的细胞凋亡,从而发挥对EHEC 诱导的肠道炎症的抑制作用[39]。周琳等[18]研究发现，使用1×108CFU/g 大肠杆菌K88 菌液0.5 ml 对七日龄肉鸡攻毒后，日粮中添加了2×107CFU/g 丁酸梭菌的试验鸡血清补体C3、C4、IgA、IgG、IgM 含量均显著高于抗生素组和空白对照组；在攻毒后第14 d 时，丁酸梭菌组血清中溶菌酶含量仍显著高于空白对照组。以上结果表明丁酸梭菌在肉鸡感染大肠杆菌病后对调节机体特异性和非特异性免疫反应发挥重要的作用。贾聪慧等[23]发现在对罗斯308 肉鸡血清免疫球蛋白IgA、IgM、IgG 的调节中，丁酸梭菌尤其对IgG 的作用效果更为显著。

3.4 改善鸡肉品质

李可等[38]研究发现，在基础日粮中添加高于1×106CFU/g 丁酸梭菌显著降低了AA 肉仔鸡胸肌的滴水损失率和蒸煮损失率，同时显著提高肉仔鸡公鸡胸肌pH值，降低肉色指标L*、a*和b*值，改善了肉仔鸡肌肉品质。刘璇等[40]发现，AA 肉鸡日粮中添加丁酸梭菌能降低肌肉中正庚醛、戊烯醇、戊二酮物质的含量，增加苯甲醛、甲基噻吩的含量，有效提高肌肉风味。Zhao等[35]研究表明，丁酸梭菌本身具有降低脂肪沉积的功能,饲粮中添加1×109CFU/kg 丁酸梭菌B1（CGMCC4845）显著提高了42 日龄罗斯308 肉鸡腿肌肌内脂肪含量。丁酸梭菌发挥作用的有效成分是其细菌壁成分和其主要的代谢产物丁酸，其机制可能是1～21日龄阶段肉鸡肠道菌群尚不完善，此时添加丁酸梭菌更易于促进肉鸡健康肠道微生态环境的形成，而健康肠道微生态环境可以通过一系列复杂的信息传递过程最终促进动物营养物质的消化吸收以及骨骼肌的脂肪沉积[41]。