仔猪肠道微生物群的发育、功能和调控

徐运杰 ，刘加娥 ，苏双良 ，刘曰清

（1.山东和美集团有限公司，山东 惠民 251700；2.德州和美饲料有限公司，山东 德州 253500；3.唐人神集团股份有限公司，湖南 株洲 412000）

微生物体系是一个特殊的生态系统，微生物种群包括腐生微生物、共生微生物和致病微生物。一般来说，包括猪在内的动物胃肠道主要由共生菌和过渡菌（包括病原体）相互作用组成。分娩时，新生儿接触一系列微生物，这种初始暴露形成了肠道微生物群的基础。宿主机体的各个部位如体表、消化道、鼻腔和泌尿生殖道都是微生物群的生态位点，它们有自己独有的微生物特征，在宿主新陈代谢、维持胃肠道健康稳定、免疫调节和神经系统发育中起着非常重要的作用。因此，后代的健康在很大程度上取决于其接触的微生物。对人的研究表明，生命的第一年是微生物获得和发展的最关键时期，在这段时间，微生物群的破坏会造成炎症性肠道疾病、坏死性结肠炎、湿疹、肥胖、自身免疫性疾病、哮喘和自闭症等胃肠道或全身性疾病。这些发现说明了肠道微生物群的力量，并引发了人们通过最佳初始定植培育健康微生物群可以改善健康和限制疾病的想法。寻找改善农场动物健康的新方法值得养猪行业的特别关注，因为仔猪断奶前后的死亡率是行业面临的一个主要问题，行业平均水平约为15%。借鉴对人类早期微生物定植与胃肠道健康之间关系的理解，有理由认为培育健康的肠道微生物群有助于仔猪的存活和健康。

1 微生物群的获得

1.1 产前微生物的获得

长期以来，人们认为动物的胃肠道在分娩前是无菌的，当胎儿从子宫羊膜囊内的无菌环境通过产道过渡到微生物密集的外界环境时，微生物群的发育就开始了。然而，最近从健康新生儿的胎粪和剖腹产获得的小鼠羊水中分离出了细菌（经鉴定主要是肠球菌属和葡萄球菌属）。这表明胎儿和羊水并非完全无菌，可能存在产前母婴共生细菌。子宫内的微生物定植是否发生在猪只身上，目前尚不清楚。胎盘的差异（血绒毛膜与上皮绒毛膜）可能会影响微生物的转移能力；分娩方式对微生物种群的定植也有影响。近年来，人们广泛研究了分娩方式对婴儿肠道微生物的影响，与自然分娩相比，剖腹产婴儿的微生物丰富度和多样性降低，过敏性疾病发病率增加。虽然剖腹生产在养猪行业是不太可能，但这项研究充分说明了出生时微生物的接触对未来健康状况具有长期影响。

1.2 产后微生物的获得

哺乳期接触母体粪便影响了仔猪肠道微生物群生长和存活，及时清除母猪粪便有利于改善哺乳仔猪肠道微生物群和健康。仔猪在出生后不同时期胃肠道中检测到的细菌样本见表1。出生后3 h，以梭菌科（Clostridiaceae）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）等需氧菌为主；出生后6 h，观察到 链 球 菌（Streptococcaceae） 和梭 菌（Clostridium）；乳 酸 杆 菌（Lactobacillus）在 出 生 后24 h 可见活性；第2 天观察到大肠杆菌（Escherichia coli）、 弗 氏 志 贺菌（Shigella fl exneri）、索氏乳杆菌（Lactobacillus sobrius）、罗伊乳杆菌（Lactobacillus reuteri）和嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）的存在；拟杆菌（Bacteroidetes）最晚在出生后第4 天出现。好氧菌的数量在出生后7 天左右增加，然后显著减少，有利于厌氧菌的生长。产后肠道微生物群有3 个基本作用，包括保护、代谢和营养作用。首先，微生物通过竞争排斥起到对抗病原微生物的屏障作用；其次，微生物有助于母乳的消化吸收和新陈代谢，分解毒素和药物，合成维生素和吸收离子；最后，微生物支持肠腔上皮细胞的生长和分化，支持免疫系统的发育和稳态。产后因素，如喂养方式（自然哺乳与代乳奶粉）、水源水质、压力应激、生物防控和药物使用，都会影响细菌的定植种类，从而改变微生物群发挥这些功能的方式。尽管猪肠道微生物群的多样性受到各种外部因素的影响，但决定产后最初微生物定植的直接因素是母乳和环境，母乳中主要含有丰富的乳酸杆菌（Lactobacilli）和双歧杆菌（Bifi dobacterium）。

表1 仔猪在出生后不同时期检测到的细菌样本

1.2.1 母乳

母乳含有大量乳源微生物，是建立肠道微生物群的重要产后因素。对人的研究表明，母乳喂养可降低糖尿病、肥胖、乳糜泻、多发性硬化症和哮喘的发病率。母乳喂养婴儿的肠道微生物群与配方奶粉喂养婴儿的肠道微生物群有很大不同。因此，有理由认为母乳喂养和代乳料喂养在仔猪身上也会产生类似的差异。在向低出生体重的仔猪补充营养时，这一点应予以充分考虑。与人相比，猪只出生具有相对较低的身体能量储备，并且由于猪胎盘的上皮绒毛膜性质，仔猪出生具有相对较低的免疫抗病能力。这意味着，对于仔猪来说，产后立即吮吸初乳（250 g 以上/头）对生存和健康至关重要。初乳不仅能提供热量、能量和免疫力，还能建立共生微生物。仔猪获得初乳的能力在很大程度上取决于出生时的体重，随着行业推动提高母猪的高产性，每窝分娩更多的新生仔猪，低出生体重仔猪的比例增加。Morissette 等研究了哺乳期前2 周新生仔猪体重增加对回肠和结肠的管腔和黏膜微生物群的影响，研究认为，仔猪在出生后的前2 周母乳摄入量（以体重增加衡量）影响了肠道微生物群的发展。与低增重仔猪相比，高增重仔猪的微生物群中类杆菌（Bacteroidetes）、拟杆菌（Bacteroides）和瘤胃杆菌（Ruminoccocaceae） 的 水 平 较高，而猪放线杆菌（Actinobacillus porcinus） 和 嗜 淀 粉 乳 杆 菌（Lactobacillus amylovorus）的比例较低。由于哺乳仔猪的体重增加与摄入的初乳和常乳量高度相关，因此研究结果表明，母乳摄入量在出生后的前2 周会影响肠道微生物群的发育。

1.2.2 环境

致病和非致病性细菌在环境中无处不在。环境、日粮和遗传三者结合共同决定了何种微生物在肠道中定植。出生后早期接触适当的微生物菌群对哺乳动物的免疫系统发育有着深远的影响。微生物群的改变与以血清IgE 升高为标志的过敏性和自身免疫性疾病的发病率增加有关。对于猪只，用母猪母乳喂养的仔猪，比在隔离器中饲养的仔猪拥有更丰富的肠道微生物群，新生仔猪是研究微生物群与免疫发育之间相互作用对过敏反应影响的一个有价值的模型。由于猪只是密集饲养，仔猪哺乳期与母猪的粪便、栏舍、饲料、皮肤和黏膜表面接触，因此仔猪的微生物群与母猪密切相关。然而，对于母猪的营养和胎次、环境卫生、母猪体表清洁度、仔猪教槽、24 h 注射铁和青霉素、断奶日龄等对肠道微生物和仔猪个体性能的影响尚不明确，需要进行更多和更深入的研究。

2 不同因素对微生物群的影响

仔猪消化系统微生物群的变化受饲料和环境的影响。寄居在胃肠道的微生物包括永久定植的所谓本土细菌和其他只能暂时观察到的非本土细菌（过路菌）。一般来说，细菌种类的多样性及其丰富度随着动物年龄的增长而增加。最初，仔猪的消化系统由兼性需氧或厌氧细菌定植，推动了肠道微生物群的建立和发展。然而，微生物群是一个不断变化的动态系统，受环境、日粮和年龄等多种因素的影响。对人的研究表明，最重要的微生物形成时期是生命的最初1 ～3 年，因为这一时期微生物群更具活力，更容易发生变化。此后，微生物群向更为成熟的状态转变，变得更为稳定，对变化也更具抵抗力。越来越多的证据表明，仔猪肠道微生物状态的变化归因于食物从液体母乳向固体饲料的过渡，根据这些研究数据，可以肯定，对于猪只来说，肠道微生物建立的关键时间是在断奶前后。

2.1 抗生素对微生物群的影响

母猪围产期和哺乳期使用抗生素会影响肠道微生物群多样性。Astrid de Greeff 等研究了母猪妊娠最后1 周使用抗生素对新生仔猪早期肠道发育的影响，结果表明，通过母体干预可以调控新生仔猪肠道发育和微生物的多样性。建立一个健康的微生物群的重要性已经越来越明显。在专门研究抗生素对猪体内微生物多样性和数量的影响时，发现母猪围产期的微生物群被破坏对仔猪微生物群的建立和代谢有不利影响，并带来长期的健康问题。Looft 等研究表明，仔猪饲料中添加抗生素导致肠道微生物种群的数量和多样性减少，回肠中大肠杆菌数量随着抗生素的使用而增加，并鉴定出了耐药基因。Kim 等也研究表明，在饲料中添加抗生素，仔猪体内的微生物群发生了类似的变化。在生产实践中，母仔猪在哺乳期使用抗生素进行预防和治疗疾病（如消炎和腹泻治疗）是普遍的做法。因此，为了后续猪群的整体健康，哺乳期间应该少用或不用抗生素，想办法通过管理和营养手段提高母猪的泌乳力，从而改善仔猪的免疫功能和肠道微生物菌群。

2.2 应激对微生物群的影响

越来越多的证据表明肠道微生物群与中枢神经系统功能有关。应激会增加仔猪的皮质醇水平，加剧免疫抑制状态，导致唾液、胃液和消化酶分泌紊乱，从而对肠蠕动和消化功能产生不利影响。在养猪生产中，仔猪断奶是最大的多因素应激，包括环境、社会、营养和心理上的干扰等，在此期间，仔猪的肠道由于结构和屏障特性的改变而变得更加脆弱，微生物的多样性和数量减少，导致消化系统紊乱和生长迟缓。这种在断奶后增重的减少，通常被称为“断奶后生长受阻”，是由于应激引起的肠道完整性降低，导致肠道渗漏和腹泻，以及对大肠杆菌等致病菌定植的敏感性增加。实验表明，皮质醇水平的增加是导致这一现象的主要原因，它增加了肠道通透性和细菌脂多糖穿过肠壁的渗漏。虽然应激会影响微生物群，但是肠道和大脑之间存在双向交流，反之，肠道微生物群会影响猪只对应激或焦虑的易感性。

2.3 日粮对微生物群的影响

日粮是影响肠道微生物定植的主要因素之一。断奶是仔猪日粮发生重大变化的时期，这也会导致栖息在肠道的微生物群发生变化。研究表明，在喂食不同试验日粮2 周后，仔猪肠道微生物群落结构有显著差异。同样，在饲喂4 种不同蛋白质来源、钙和磷浓度的日粮后，仔猪粪便中细菌群落的分类和功能也逐渐重新排列，这表明日粮对微生物种群调节的重要性。肠道微生物群变化最大的时期是断奶。有研究发现，哺乳仔猪的肠道微生物群主要包含类杆菌（Bacteroides）、奥氏杆菌（Oscillbacter）、埃希氏菌（Escherichia）、志贺氏菌（Shigella）、乳酸杆菌（Lactobacillus）和瘤胃球 菌（Ruminococcaceae）；然 而，断奶后，细菌多样性呈线性增加，主 要 为 醋 酸 弧 菌（Acetivibrio）、小 类 杆 菌（Dialister）、 原 细菌（Oribacterium）、 琥 珀 酸 弧菌（Succinivibrio） 和 普 雷 沃 菌（Prevotella）。研究数据为断奶仔猪消化不良和腹泻提供了解释。Heo等研究表明，仔猪饲用低蛋白日粮，在面临大肠杆菌挑战时，腹泻的发生率明显降低。总之，日粮中营养源、营养素、营养水平和功能性添加剂（如益生元和合生元）对肠道微生物的多样性影响很大。

3 微生物群对健康的影响

肠道微生物群参与了猪只整体健康的调节和维护，其最初的定植介导了免疫系统的发育，长期的定植决定了猪只未来的健康和生存，对肠道、自身免疫、心血管和特应性疾病的易感性有深远影响，也参与认知发展，并能影响随后的认知障碍。另外，微生物群和肠上皮细胞之间的相互作用对免疫系统的发育、成熟、调节和维持至关重要。特别是先天免疫系统的造血细胞和非造血细胞有一个独特的定位，使它们能够感知微生物及其代谢产物，以产生宿主的生理反应。哺乳动物的胃肠道由一个复杂而动态的微生物群落定植的，通过一种称为“定植抗性”（colonization resistance）的机制支持宿主抵抗潜在病原体的入侵。对无菌动物的研究表明，缺乏肠道微生物群会导致脾脏、胸腺和肠道相关淋巴组织发育不良。

微生物的类型也直接影响免疫系统。产醋酸菌产生的短链脂肪酸醋酸盐，通过诱导调控T 细胞直接影响免疫系统调节。其他产生短链脂肪酸如丙酸和丁酸的细菌也有相似之处，因为它们具有抑制病原体生长的功能。在猪只体内，黏膜免疫系统的发育要持续数周，从对无菌猪的研究来看，黏膜免疫系统的发育在很大程度上依赖于微生物的存在。最近的研究表明，母猪乳汁中的微生物群在整个泌乳过程中是动态变化的，以支持仔猪的肠道微生物群发育。猪只一生中经历了许多应激，因此，强大的免疫系统对猪只生长性能至关重要。在生命早期建立最佳的微生物群，对于在生命后期的应激期预防疾病也至关重要。有研究表明，母猪的微生物群可以被改变，以便对其后代产生积极影响。在母猪怀孕和哺乳期间，日粮中添加啤酒酵母水解物，可使初乳脂肪含量增加，仔猪生产性能提高，母猪和仔猪粪便中有益细菌数量增加，机会致病菌数量减少。

4 对肠道微生物群的调控

大 肠 杆 菌（Escherichia coli）、产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）、霍乱沙门氏菌（Salmonella choleraesuis）和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）是最常引起肠道疾病的病原菌，它们产生的肠毒素可引起黏膜炎，损伤甚至完全损伤肠绒毛，微生物通过破坏的肠绒毛，加速小肠上皮细胞的分裂，从而导致细胞不能完全成熟和脱落，未成熟的细胞不能发挥基本功能，也不能参与消化过程，因此，仔猪不能消化进入大肠的碳水化合物。在过去的50 年里，为了解决断奶腹泻的问题，养猪业大量使用了抗生素，虽然达到了预防和治疗的目的，但是改变了仔猪肠道微生物群的结构，同时出现了耐药菌株，对动物和人类的健康造成了威胁。根据最新的研究，益生元和益生菌可以替代饲料中的抗生素。

4.1 益生元和益生菌

益生元和益生菌是人类和动物营养中常用的两种非营养性添加剂。近年来，由于其对健康的益处，人们对其进行了广泛的研究。益生元是一种在消化系统的第一部分不被水解和吸收，到达结肠后选择性地刺激有益细菌增殖的功能性添加剂，主要有果寡糖、甘露寡糖、低聚半乳糖和低聚木糖。益生菌是健康肠道菌群的潜在有益细菌的培养物，用于肠道微生物的定植和改变肠道微生物群的组成。表现出益生菌活性的主要微生物有乳酸杆菌（Lactobacillus）、双歧杆菌（Bifidobacterium）、肠球菌（Enterococcus）、片球菌（Pediococcus）、乳球菌（Lactococcus）、明串珠菌（Leuconostoc）、芽孢杆菌（Bacillus）、丙酸杆菌（Propionibacterium）、酵母 菌（Sacharomyces） 和 曲 霉 菌（Aspergillus）等。益生菌能使消化系统的pH 降低到酸性，与病原体竞争营养和黏附肠道上皮受体，并释放抗菌和毒素灭活物质，降低仔猪腹泻的发生率（表2）。

表2 益生菌在仔猪营养中的应用效果

长期以来，断奶后腹泻一直是养猪行业特别关注的问题。人们使用益生元和益生菌作为减少断奶后腹泻的方法进行了大量研究，但很少有研究关于其在哺乳期的使用。Hayakawa 等研究证明，在产仔前3 周 和 整 个 哺 乳 期， 添 加 含有马铃薯芽孢杆菌（Bacillus mesentericus），醋酸梭菌（Clostridum butyricum）和粪肠球菌（Enterococcus faecalis）的益生菌可提高仔猪窝重和母猪发情率，分别提高17%和24%，除此之外，母猪泌乳后期采食量、断奶后腹泻发生率、仔猪生长性能均有所改善。亓秀晔等研究表明，在仔猪教槽料中添加该复合益生菌，能在一定程度上提高仔猪日增重和育成率，减少仔猪腹泻和死亡率，降低前期粪便中大肠杆菌数量，改善肠道健康，提高粪便中蛋白酶和淀粉酶活性。 实际生产中，益生元和益生菌联合应用效果更佳，因为益生元是益生菌的能量来源。

4.2 粪便微生物移植

粪便微生物群移植是将健康个体的粪便悬浮液移植到另一个体的肠道中，通过竞争性排斥，重建一个有益的微生物群，以治疗特定疾病。如艰难梭菌（Clostridium diffi cile）感染人的情况，用抗生素治疗常常失败，因为抗生素杀死的是营养细菌而不是孢子。为了应对这一情况，利用健康捐献者的粪便微生物群，通过口服或灌肠的方式接种移植到病人体内，重建有益微生物群，竞争性排斥艰难梭菌以达到治疗目的。Brandt 等描述了粪便微生物组移植在非肠道疾病如帕金森病、胰岛素抵抗、多发性硬化和儿童退行性孤独症中的有益作用。应用粪便微生物群移植控制仔猪断奶前后肠道疾病的前景十分广阔。1—11 d 每日给予仔猪1.5 mL 粪便微生物群，可增加其日增重，降低腹泻率，改善肠道屏障和免疫功能。但要注意粪便微生物捐供者的选择对移植结果的影响。

4.3 功能性添加剂

表皮生长因子（EGF）是一种由53 个氨基酸残基组成的耐热单链低分子多肽。关于饲料中添加EGF 对仔猪肠道微生物调控的研究鲜有报道。但是，刘秋晨等研究表明，饲料中添加0.05%的EGF 有助于提高肉鸡肠道内菌群多样性，并能改善肠道菌群结构，提高以乳酸菌为代表的厚壁菌门菌群丰度，降低以大肠杆菌为代表的变形菌门菌群含量。其他功能性添加剂如酸化剂、精油、中草药提取物、多酚类物质和丁酸类物质等都能够从不同层面上调控仔猪肠道微生物菌群的结构、功能和多样性。

5 总结

总之，肠道微生物群在调节动物健康和疾病方面起着不可或缺的作用。尽管大量的试验已经确定了微生物群影响健康的方式，但是该如何利用这些知识来预防和治疗人类和动物的疾病，还有很多需要探究的地方。由于微生物群发育的关键时期是断奶前后，因此，为了猪群后期的健康和生长，需要联合应用各种营养和管理手段调控仔猪断奶前后肠道微生物群的定植：（1）选用优质饲料如母奶多/多奶美，让母猪初乳满满，使每头仔猪初乳摄入量不低于300 mL；（2）选用优质饲料如母奶多/多奶美，让母猪奶水多多，使哺乳仔猪平均日增重达300 g 以上；（3）哺乳后期选用食品级奶粉料金猪乳进行补料诱食，其添加了益生元、益生菌和黄芪多糖等功能性添加剂，能够很好地调控乳仔猪肠道微生物菌群；（4）根据季节、体重适时断奶，做到无应激和不掉奶膘；（5）母猪产前、产后选用精油栓剂和中草药如普济健进行清宫消炎，少用或不用抗生素；（6）及时清除粪便，搞好环境卫生；（7）母猪饲喂少量多餐，防止剩料酸败；（8）夏秋季节，做好灭蝇工作，防止苍蝇污染饲料。