反刍动物瘤胃微生物对宿主生产性能和甲烷排放影响的研究进展

梁晓伟，徐晓峰

（宁夏大学农学院，银川 750021）

1 反刍动物瘤胃微生物组成

1.1 瘤胃细菌

瘤胃细菌是瘤胃微生物中数量及种类最多，代谢最为活跃的一类，大约有22个属性、63个种类。在门水平下，瘤胃细菌相对含量最多的菌门为拟杆菌门（Bacteroidetes）；在属水平上，相对含量最多的菌属为普雷沃氏菌属（Prevotella）[1]。瘤胃细菌中革兰氏阴性菌占大多数，并且在高能量日粮饲喂的条件下革兰氏阴性菌有增加的趋势[2]。拟杆菌门属于革兰氏阴性菌，基因组中富含大量碳水化合物活性酶基因，能够利用饲粮中的多种可溶性多糖；同时含有多种产维生素和辅酶的基因，可生成多种维生素和辅酶，在营养成分的利用中发挥重要作用[3]。普氏菌属是一类严格厌氧的多形态杆菌，大约40%的瘤胃微生物属于普雷沃氏菌科，它能将糖发酵成有机酸，如乙酸、丙酸和琥珀酸[4]。

1.2 瘤胃原虫和真菌

瘤胃原虫种类较少，但其体积大，约占瘤胃内50%的生物量。瘤胃原虫分为两个主要亚类，即纤毛虫纲（Cliate）和鞭毛虫纲（Flagellate）。纤毛原虫体内的酶类物质，可以降低瘤胃酸中毒发生的概率。此外，纤毛原虫可清除氧气，调节微生物区系，同时将微生物氮传递给宿主[5]。鞭毛虫纲主要存在于幼龄反刍动物瘤胃内，它们具有维持瘤胃微生态平衡的作用[6]。瘤胃厌氧真菌的数量不足原虫的十分之一，但它能消化反刍动物日粮中40%～70%的植物物质[7]。Swift等通过活性真菌和细菌转录验证，共同培养24h后发现当细菌存在时，真菌的染色质重塑发生，两者之间存在拮抗关系，能够产生一种具有潜在抗菌活性的真菌化合物[8]。另外，瘤胃真菌可以深入至植物纤维组织内部，为细菌充分分解和利用纤维物质创造了条件。

2 反刍动物瘤胃微生物与宿主生产性能

2.1 瘤胃微生物与产奶量

除种间遗传外，瘤胃微生物的组成和功能对宿主的生产性能起重要作用。瘤胃中埃氏菌能将乳酸转化为丁酸和丙酸，提高瘤胃pH值，促进部分有益细菌的增殖，如纤维溶弧菌。这类细菌负责亚油酸的生物氢化，通过改变瘤胃生物氢化途径，产生有益的生物氢化中间体反-1,1（顺-9，反-1,1的前体）和顺-9，反-1,1，可脱离瘤胃微生物实现完全的生物氢化，然后被吸收到牛奶和肉类中[9]。促进瘤胃内乳酸菌的繁殖、增加瘤胃纤毛原虫的数量，不仅可以提高饲料淀粉的消化率，而且可显著提高奶牛的产奶量[10]。Shih-Te通过Spearman相关性研究表明，干奶牛的普雷沃氏菌属丰度可以反映前一个泌乳期的产奶量并与产奶量呈正相关，而甲烷短杆菌属、瘤胃球菌属和链球菌属的丰度与产奶量呈负相关[11]。Madison等通过进行16S rRNA测序和ITS扩增子测序发现普雷沃氏菌1在高产奶牛中更丰富，而普雷沃氏菌7在低产奶牛中更丰富，并且得出瘤胃细菌群落是影响宿主生产效率的主要微生物驱动因素[12]。沈义媛等对奶牛瘤胃微生物进行16S rRNA高通量测序分析，发现在相同日粮条件下，高产奶牛中拟杆菌属、瘤胃球菌属、毛螺菌科、真细菌和纺锤状细菌属的含量高于低产奶牛[13]。

2.2 瘤胃微生物与乳成分

吴鑫等利用宏基因组测序鉴定瘤胃微生物组在奶牛乳蛋白和乳脂肪合成中的潜在作用，发现在营养和管理条件相同的荷斯坦牛中乳蛋白和乳脂肪含量较高组瘤胃液中普雷沃氏菌的丰度最高，约占68.8%[14]。赵亚波等研究发现奶牛瘤胃液中，随着布氏普雷沃氏菌和易北普雷沃氏菌数量的下降，可能会抑制瘤胃微生物对蛋白质的降解，从而间接降低乳中的蛋白水平；随着白色瘤胃球菌数量的平缓上升，能够促进瘤胃微生物对纤维的降解能力，提高奶牛对粗饲料的消化率[15]。瘤胃微生物群的改变，对乳脂肪合成前体物质的生成和利用起到一定的调节作用。嗜淀粉瘤胃杆菌属、牛链球菌属、溶淀粉琥珀酸单胞菌属、反刍兽新月形单胞菌属等细菌，以及瘤胃内部分原虫、厌氧真菌几乎全部可以产生α-淀粉酶，将淀粉水解为麦芽糖后降解为单糖供机体利用，充足的乳脂肪前体物质可以促使牛乳中脂肪的含量提高[16]。Samantha等对奶牛瘤胃细菌和古菌群落组成进行了研究：发现未分类拟杆菌门（Bacteroidetes）和毛螺菌科（Lachnospiraceae），与乳脂率相关；瘤胃球菌科（Ruminococcus）和未分类瘤胃球菌科（Ruminococcaceae），与乳蛋白率相关[17]。目前瘤胃微生物也已被证明对广泛的植物毒素和真菌毒素有代谢和解毒的能力，瘤胃微生物群可以通过简单的水解步骤或多种代谢反应来解毒，并能够适应、利用有毒的次生代谢产物[18]。在改善反刍动物健康和生产方面具有商业潜力，并为开发预防性益生菌奠定了基础。

3 反刍动物瘤胃微生物与宿主甲烷排放

反刍动物瘤胃内由于甲烷的生成，部分能量被损失，致使饲料的利用率降低，并且对环境和气候造成一定的压力。瘤胃内微生物之间的相互制约、相互依存，使瘤胃内环境达到动态平衡并进行厌氧发酵。甲烷（CH4）生成是一个复杂的过程，不仅受产甲烷菌的影响，还包括微生物组的其他成分。经对瘤胃和肠道产甲烷菌数据库（Rumen and Intestinal Methanogen-Database）中的不同分类水平的产甲烷菌进行排序分析发现，古菌群落均以广古菌门为主，克雷那古菌占古菌总数的1%，甲烷菌属的产甲烷菌最为显著[19]。瘤胃中产生的甲烷，大多数是产甲烷菌利用细菌发酵产生的氢气将二氧化碳还原为甲烷[20]。Hassan等发现有效减少瘤胃产甲烷菌和原生动物的数量，可以降低肠道甲烷的产量[21]。Matthews等研究发现，瘤胃微生物区系可以通过改变氢气的通量，从而减少宿主动物产生的甲烷[22]。Hassan等[23]认为使瘤胃中代谢氢最大限度地远离甲烷，流向挥发性脂肪酸（VFA），可提高反刍动物的生产效率，降低其对环境的影响。有研究发现乳酸盐及与其相关的细菌种类和基因，可能代表了产生VFA的一个中间途径，能在一部分动物中自然富集，可作为甲烷生成的替代物[24]。瘤胃古菌在清除瘤胃氢方面发挥重要作用，从而促进瘤胃发酵。Mahmood等在体外研究中，利用16S rRNA对瘤胃固相（主要含有低密度饲料颗粒纤维物质的固体物质）和液相（瘤胃发酵液）进行测序分析，结果发现发酵罐中99.8%以上的瘤胃古菌属于广泛古菌门，并且甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）和甲烷杆菌属（Methanobacterium）分别与甲烷的形成呈显著正相关（P＜0.05）[25]。瘤胃微生物种群在体外发酵，添加乳酸菌后显著增加了纤维素分解细菌（琥珀酸纤维杆菌、纤溶丁酸弧菌和黄瘤胃球菌）、原生动物、产甲烷菌和古菌的种群[26]。瘤胃体外发酵添加丙二醇（PG）时发现，PG的添加显著降低了甲烷产量，同时对Negativicutes类的分析表明，实验组解琥珀酸菌属（Succiniclasticum）的相对丰度有增加的趋势，而硒单胞菌（Selenomonas）的相对丰度有降低的趋势[27]。Montero等通过PCA发现真核生物（原生动物和真菌）是门、纲、目、科和属的第一个组成部分，相对丰度与肠道甲烷产量呈正相关[28]。Mahfuzul等通过GreenFeed测定CH4排放量、胃管采集瘤胃液样品，发现millerae甲烷短杆菌的CH4产量和CH4强度要高于olleyae甲烷短杆菌[29]。李玉琪等总结发现，厌氧真菌能够刺激产甲烷菌的生长，维持产甲烷菌的多样性。同时，产甲烷菌提高了厌氧真菌降解纤维的能力，刺激了真菌氢酶体的代谢途径[30]。Sabry等发现原虫的数量不影响甲烷的生成量[31]。

4 反刍动物瘤胃微生物的调控

影响瘤胃微生物区系的因素很多，针对瘤胃微生物区系的调控，现阶段主要集中在饲粮及添加剂上。瘤胃微生物对反刍动物极为重要，瘤胃微生物组的稳定有利于维持宿主自身健康和生产性能，反之则会导致宿主免疫力降低。郝杨一等通过试验得出饲粮成分（CP、NDF、EE和淀粉）对瘤胃细菌群落变异的定量影响为32.49%，是主要的影响因素[32]。据Faniyi等[33]报道，在饲喂谷物饲料时，瘤胃液中厚壁菌门（Firmicutes）是最主要的；而饲喂干草饲料时，拟杆菌门（Bacteroidetes）是最主要的，有时两者的相对丰度都在80%或以上。苏峰祥等的研究发现，在奶牛瘤胃液中添加微藻不影响瘤胃细菌组成与数量，但会使瘤胃液中原虫总数显著降低（P＜0.05），并且总厌氧真菌的数量也呈下降趋势[34]。王亚平等采用瘤胃微生物16S和代谢组学相结合的方法，研究不同剂量过瘤胃葡萄糖（RPG）对泌乳早期奶牛瘤胃微生物组成和代谢产物的影响，经瘤胃液代谢组学分析表明添加RPG可显著调节瘤胃原虫消化氨基酸的合成，与其他组相比，添加MRPG具有显著的优势，显著提高了细菌的丰富度和多样性，促进了瘤胃微生物的生长和能量代谢[35]。在特定的日粮条件下，饲料添加剂和环境都是调控瘤胃微生物的重要途径之一。

5 结论与展望

了解瘤胃微生物多样性和瘤胃动态不仅是优化宿主效率的关键，也是调节反刍动物温室气体排放的必要条件。对于反刍动物而言，瘤胃微生物菌群结构的动态稳定对维持其自身的健康和生产具有十分重要的意义，而该动态受动物个体、微生物组、饲粮、环境等多种因素的影响。本文综述了反刍动物瘤胃微生物菌群组成和调控等两个方面，旨在为深入开展瘤胃微生物多样性及其功能研究提供经验积累，为反刍动物生产性能的提高以及改善饲料利用率提供一定的基础条件。近年来，已有诸多研究者尝试调节和优化瘤胃微生物，试图通过日粮、添加剂等来调控瘤胃微生物组，并取得不同程度的成功，但此领域还有待不断的探索与研究。