丁酸梭菌作用机理及其在动物生产中的应用

胡红伟，张婵娟，闫凌鹏，麻啸涛，杨京娥，党亚鹏，陈茹茹

（山西大禹生物工程股份有限公司，山西 芮城 044600）

丁酸梭菌又名酪酸梭菌、宫入菌，由日本千叶大学宫入近治博士首次从粪便中分离，该菌是肠道中的一种严格厌氧的芽孢杆菌，能够分泌丁酸，大量存在于土壤及健康动物及人的肠道中，具有较好的抗逆性能，能够在低pH、高胆盐浓度的培养基中存活，能够产生内生孢子，这些特性有利于丁酸梭菌作为饲料添加剂应用于动物生产中[1-5]。日粮中添加丁酸梭菌具有促进生长、提高免疫力及平衡肠道菌群等功能，早在1976年，日本批准丁酸梭菌作为饲料添加剂，欧盟于2003年批准丁酸梭菌作为饲料添加剂，2009年，我国农业部批准丁酸梭菌作为新饲料添加剂应用于畜禽生产。

1 丁酸梭菌形态及生理特征

丁酸梭菌菌体为杆菌，宽0.5～1.7 μm，长2.4～7.6 μm，偶尔可见到丝状菌体，周身鞭毛，能运动。为革兰氏阳性专性厌氧菌，菌种培养后期产生孢子，芽孢呈圆形或卵圆形，使菌体偏末端部位膨大呈梭状[6]。细胞壁不仅含有D、L-二氨基庚二酸，还含有葡萄糖，平板培养基中菌落乳白色或奶油色、湿润，呈圆形，不规则，菌落稍凸，直径为1～3 mm。丁酸梭菌具有很强的抗逆性，芽孢90℃处理10 min，100℃处理5 min都不会失活，在pH为1.0时仍能存活，在pH 4.0～9.8时能较好的生长，最适生长pH为7.2。生长温度为16～44℃，其中最适生长温度为36℃。

丁酸梭菌能较好利用葡萄糖发酵产氢气，同时能够利用多种碳水化合物，如蔗糖、麦芽糖、棉籽糖、果糖、甘露糖、乳糖和淀粉，明胶不液化，不发酵肌醇。代谢产物有丁酸、乙酸、乳酸、丁醇等，同时还可产生淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶等酶制剂，生长过程中能合成除生物素以外的其他维生素和氨基酸，因此培养基中需要额外添加生物素[7-8]。

2 丁酸梭菌作用机理

2.1 颉颃病原菌，修复肠黏膜

益生菌与致病菌竞争定植位点，降低致病菌的黏附能力，这是衡量益生菌抑菌能力的重要指标。相关研究显示，丁酸梭菌在肠道中可抑制致病菌的生长，减少对肠黏膜黏附和定植的机会，降低各种有毒代谢产物的产生，修复受损肠黏膜[9-10]。丁酸梭菌可在肠道中发酵糖类产生丁酸、乙酸、丙酸的酸化剂，能够降低肠道pH，低pH可对某些致病菌起到抑制作用。丁酸是结肠黏膜主要的能量来源，Chapman等发现，短链脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸）是由结肠细菌发酵非淀粉多糖产生的，丁酸是结肠上皮细胞主要的能源物质，溃疡性结肠炎患者的结肠上皮细胞对丁酸的氧化能力减弱，因此通过氧化获得的能量将会减少，丁酸对结肠黏膜修复的能力下降[11]。

2.2 增强免疫

肠道菌群的失调引发宿主的炎症免疫应答，导致多种免疫和代谢疾病[12-14]。Atarashi等研究发现，梭菌属细菌诱导肠上皮细胞的转化生长因子TGF-β促进IL-10的积累，IL-10诱导T调节细胞抑制葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎[15]。Yoshio等发现，丁酸梭菌代谢产物中的某种成分能够促进双歧杆菌的增殖，但经过热处理后该功能被抑制，说明这些成分对热敏感，可能是由蛋白质组成；同时还发现丁酸梭菌代谢物中还存在一些能够抑制大肠杆菌、沙门氏菌、白色念珠菌等病原菌的抑制因子[16]。经DSS处理后的急性结肠炎小鼠，肠道内丁酸吸收减少，进而导致肠黏膜受损，肠道各项生理功能受到影响[17]。Segain等试验证实，丁酸能够抑制肠道克罗恩病患者的炎症反应，原因在于肠道丁酸抑制了免疫细胞中NF-κB的活化，而NF-κB在免疫反应和炎症反应中参与了TNF、IL-1、IL-6等炎症相关基因的表达，丁酸的作用在于抑制NF-κB进入细胞核，由于没有活性NF-κB，促炎性因子的mRNA不能转录，促炎性因子不能表达，最终导致炎症反应被抑制[18]。

2.3 产生抑菌物质-丁酸梭菌素

一些研究将丁酸梭菌的培养液分离，进一步研究其抑菌效果和生理功能。Clarke等从丁酸梭菌NCIB7423菌株发酵液中分离并纯化得到一种能够对抗其他梭状芽孢杆菌的蛋白质-丁酸梭菌素7423，其作用位点是细胞膜[19]。用丁酸梭菌素处理巴斯德梭状芽孢杆菌时，细胞膜通透性发生改变，细胞膜中的代谢物和离子外流，进而导致细胞死亡。贾丽楠等通过体外抑菌实验研究丁酸梭菌发酵上清液的抑菌效果和抑菌机理，分别用丁酸梭菌发酵上清液和经过排酸、过氧化氢酶、胰蛋白酶、蛋白酶K处理的上清液对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、副溶血性弧菌、产气荚膜梭菌等5种肠道致病菌进行体外抑菌实验，结果表明，未处理上清液对5种肠道致病菌均有明显抑制作用，经蛋白酶处理后抑菌作用消失，可以推断出起抑菌作用的物质为有机酸、蛋白质或多肽类物质[20]。

3 丁酸梭菌在动物生产中的应用

3.1 调节肠道微生态平衡

历经长久的生物进化演变，任何动物肠道中的微生态区系达到了一个相对稳定的平衡状态，一旦外界环境发生改变或生物体内部疾病的发生，各种有害菌或机体自身的有害菌迅速增殖，打破原有的肠道微生态平衡，导致多种疾病的发生，因此维持肠道微生态平衡十分必要。

丁酸梭菌分泌产生的丁酸和H2，丁酸为结肠上皮细胞提供能量来源，H2可以降低肠道氧化应激，减少炎症的产生。丁酸梭菌在肠道中发酵产生乙酸、丙酸等其他短链脂肪酸，可以促进肠道蠕动，减少毒素在肠道存留时间，同时，代谢产物丁酸梭菌素可有效抑制肠道病原菌。丁酸梭菌及其代谢产物相结合，为肠道益生菌的生长提供良好的环境。

张玲等研究丁酸梭菌与鼠李糖乳杆菌混合培养对肠道中沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、产气荚膜梭菌梭菌和大肠杆菌4种致病菌的影响，结果表明，4种致病菌均受到丁酸梭菌不同程度的抑制作用，与单独培养相比，混合培养后，致病菌数量下降3～5个数量级[21]。庞敏等研究发现，丁酸梭菌可以使断奶仔猪回肠和结肠咬合蛋白mRNA表达量显著升高，降低肠道通透性，减少腹泻，同时显著降低回肠隐窝深度[22]。欧阳志周等从仔猪肠道内容物中分离获得1株丁酸梭菌，命名为C.butyricumQL-1，90℃水浴5 min存活率＞95%，pH在2～3时，存活率＞94.8%，且能够耐受＜0.3%胆盐，日粮中添加该菌，能够改善仔猪十二指肠与回肠的V/C值，改善肠道形态[23]。Yang等添加在肉仔鸡日粮中添加不同比例丁酸梭菌，同时做对照组，发现丁酸梭菌添加量为2.0×107cfu·g-1日粮或3.0×107cfu·g-1日粮时，21～42 d时，乳酸菌和双歧杆菌数量高于对照组，14～42 d，肠道大肠杆菌及沙门氏菌显著低于对照组[24]。杨静等试验发现，丁酸梭菌磷壁酸能够通过抑制NF-κB的表达减少TGF-α的分泌，减少了组织损伤[25]。Hossain等评估了枯草芽孢杆菌、丁酸梭菌和嗜酸乳杆菌组成的三联菌对肠道微生物影响，发现与对照组和抗生素组相比，试验组双歧杆菌数量显著提高[26]。

3.2 改善动物生产性能

大量研究证实，丁酸梭菌能改善肉仔鸡的生产性能，原因可能是丁酸梭菌通过调节肠道微生态平衡，维持肉仔鸡稳定的肠道环境，同时，丁酸梭菌在肠道内产生淀粉酶、蛋白酶等消化酶，促进了动物对营养物质的消化吸收。Yang等研究表明，肉仔鸡生长全期日粮中丁酸梭菌添加量为2×107～3×107cfu·kg-1时，肉鸡体重和平均日增重都显著高于对照组，与Zhang等的研究结果一致[24,27]。Zhao等研究丁酸梭菌和粪肠球菌对Ross 308肉仔鸡生产性能的影响，发现日粮中添加丁酸梭菌1×109cfu·kg-1能够显著提高日增重与日采食量，与添加量为粪肠球菌2×109cfu·kg-1差异不显著[28]。邓文等研究丁酸梭菌和低聚木糖对Ross 308肉鸡生长性能、屠宰性能和肉品质的影响，结果显示同时添加丁酸梭菌和低聚木糖能显著提高平均日增重，降低料肉比，两者交互作用明显，同时还能显著降低肉鸡腹脂率，显著提高胸肌pH45min及显著降低滴水损失[29]。马洪庆等研究由丁酸梭菌、地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌组成的三联菌剂对麻羽肉鸡生长性能的影响，结果表明，日粮中添加丁酸梭菌三联菌剂100 mg·kg-1，可提高日增重7.6%，降低料肉比10%，还可以显著降低肠道大肠杆菌和沙门氏菌的数量，乳杆菌数量比对照组提高9.1%[30]。

相关学者研究丁酸梭菌对仔猪生产性能的影响。仔猪刚出生时，消化道是无菌的，从出生到断奶前，仔猪的消化道菌群逐渐建立，但是稳定性差，丁酸梭菌的添加可改善仔猪肠道微生态平衡和生长性能。凌欣华等报道了饲料在添加复合丁酸梭菌对保育仔猪的影响，试验周期30 d，发现添加量为1 000 g·t-1后，日增重比对照组提高5.18%，比抗生素组提高4.79%，料重比较对照组下降3.08%，所有数据差异不显著[31]。李玉鹏等在日粮中添加丁酸梭菌5×105cfu·g-1，研究其对断奶仔猪生长性能的影响，结果表明，与对照组相比，试验组仔猪平均日增重提高7.83%，料重比降低5.26%[32]。王腾浩等研究丁酸梭菌对断奶仔猪生长性能的影响，结果表明，与Zn+抗生素组相比，丁酸梭菌组平均日增重显著提高，饲料转化率显著降低，平均日采食量差异不显著[33]。何婷等的研究表明，日粮中添加丁酸梭菌能显著降低生长猪全肠道表观消化率，显著提高血清中顺式-5，8，11，14，17-二十碳五烯酸含量，丁酸梭菌和日粮中蛋白质水平对血清中总脂肪酸、二十四酸、棕榈油酸、花生四烯酸含量影响互作显著[34]。

3.3 提高机体免疫力

免疫球蛋白（IgG、IgA、IgM等）是动物免疫细胞分泌的抗感染成分，主要存在血清中，由特异性抗体和分特异性抗体组成，具有抗菌、抗病毒等多种功能。IgG是单体免疫球蛋白，血清中含量最高，作用时间长，在机体抗感染中起主要作用。IgM产生时间最早，杀菌作用也最强，但是作用时间短，主要在感染早期起作用。IgA主要存在于呼吸道、肠道等的分泌液中，在抵抗微生物入侵方面起重要作用。刘亭婷等在蛋用海兰褐仔公鸡日粮中添加丁酸梭菌，研究不同浓度丁酸梭菌添加量（250、500、750、1 000 mg·kg-1）对免疫指标和空肠组织相关细胞因子基因mRNA表达的影响，结果表明，1 000 mg·kg-1添加组脾脏指数显著高于对照组，各丁酸梭菌组免疫球蛋白IgG与对照组相比显著增加，与对照组相比，750、1 000 mg·kg-1组的空肠IL-6基因mRNA表达水平显著降低，从而降低炎症的发生[35]。史焕等研究表明，育肥猪饲粮中添加丁酸梭菌，能有效降低血清中皮质醇含量，说明丁酸梭菌具有一定的抗应激作用，同时发现尿素氮含量低于对照组，说明丁酸梭菌对育肥猪体内氨基酸平衡有促进作用[36]。Takanori等研究表明，丁酸梭菌可以诱导肠道巨噬细胞分泌IL-10，进而抑制实验性结肠炎的发生[37]。Han等对比研究丁酸梭菌对肉仔鸡肠道免疫功能的影响，结果显示，21 d时，丁酸梭菌组血清IgM显著高于对照组，血清IgA与IgG在整个42 d饲养周期中都高于对照组，差异不显著[38]。Masayuki等研究在荷斯坦奶牛临产前后添加活性蛋清（AEWP）和丁酸梭菌Miyairi 588对外周血白细胞数量的影响，分别在临产前1个月、1周和产后1个月取血样，结果表明，AEWP组和Miyairi 588组与对照组相比，在临产前后均能提高CD4+T细胞数量，增强免疫机能[39]。Zhuang等研究丁酸梭菌对樱桃谷肉鸭免疫性能的影响，试验分两组，对照组饲粮中添加杆菌肽锌40mg·kg-1，试验组添加丁酸梭菌1.0×109cfu·kg-1，试验周期42 d，结果发现，胸腺、脾脏和法氏囊等免疫器官重量两组差异不显著，与对照组相比，21 d时，丁酸梭菌组血清IgM含量显著高于对照组，说明丁酸梭菌可以替代杆菌肽锌应用于家禽生产[40]。邢帅等以断奶仔猪为研究对象，设计4组试验，对照组和试验1组饲喂基础日粮，试验2组和试验3组日粮中添加丁酸梭菌0.05%（活菌数1.0×1010cfu·kg-1），饲喂2周后，对试验1组和试验3组攻毒大肠杆菌，24 h后采样测定血清指标，结果显示，与对照组相比，试验2组平均日增重和平均日采食量39.03%和31.13%，攻毒大肠杆菌后，试验3组和试验2组相比，乳酸脱氢酶和血糖含量分别升高了41.20%（P＜0.01）和44.60%，说明丁酸梭菌增强了断奶仔猪的抗应激能力[41]。王柳懿等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，发现丁酸梭菌可以适度激活机体免疫应答，回肠TLR2/4、下游接头蛋白MyD88、负调控因子Bcl3和Tollip基因表达量增加，使机体免疫水平维持在稳定状态，血清中的IL-8和TNF-α升高[42]。

3.4 抗氧化，改善畜产品品质

正常情况下，动物机体自由基的生成与机体抗氧化防御系统之间处于良好的动态平衡，动物受到外界不良环境影响时，产生的过量自由基对机体造成氧化损伤。超氧化物歧化酶（SOD）和还原性谷胱甘肽（GSH）是生物体内重要的抗氧化酶，而丙二醛（MDA）的高低反应了自由基对机体脂质氧化损伤程度的高低。涂杜等研究丁酸梭菌和荔枝多酚联合应用对腹泻小鼠机体氧化还原状态的调节功能，配制成的丁酸梭菌和荔枝多酚浓度分别为10、20和40 mg·mL-1，发现不同浓度混合液均能提高小鼠体内SOD活性，促进还原性GSH的产生，其中以中剂量组效果最好[43]。李可等在肉仔鸡日粮中添加丁酸梭菌，研究丁酸梭菌对肉仔鸡胴体性状和肉品质的影响，结果表明，丁酸梭菌能显著提高肉仔鸡胸肌率，显著降低肉仔鸡腹脂率，并显著降低滴水损失率和蒸煮损失率[44]。Liao等研究表明，肉仔鸡丁酸梭菌添加组SOD活性显著高于对照组，MDA含量显著低于对照组，试验组血清中胆固醇和腹部脂肪含量显著低于对照组，胸肌重量显著高于对照组，说明肉仔鸡日粮添加丁酸梭菌能够促肝脏抗氧化功能，改善肌肉品质，提高胸肌瘦肉率[45]。Zhao等研究丁酸梭菌对脂质代谢的影响，结果显示，日粮中添加丁酸梭菌可以显著提高肌内脂肪含量、肝脏中脂肪酶含量和胸肌中脂蛋白脂肪酶含量[28]。Hossain等研究发现，肉仔鸡日粮中添加丁酸梭菌三联菌（TSP）能够降低肌肉亮度（L*），增加肌肉感官品质[26]。Zhang等试验证实，丁酸梭菌能够显著增加肉仔鸡腹部脂蛋白脂肪酶的活性，同时能激活肝脏脂肪酸连接蛋白基因的表达，最终结果导致加速肝脏脂肪的消耗和减少肝脏脂肪合成，增加胸肌肌内脂肪含量，改善肉品质[46]。贾聪慧等研究丁酸梭菌对罗斯肉鸡308抗氧化能力的影响，结果表明，丁酸梭菌组血清谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和总超氧化物歧化酶（T-SOD）活性显著高于对照组，表明丁酸梭菌增强了肉鸡血清的抗氧化能力[47]。

4 小结

丁酸梭菌作为微生态制剂具有多种功能，能够分泌蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等多种酶制剂促进动物消化吸收，同时维生素、氨基酸、丁酸等营养物质修复并为肠道上皮细胞提供能量，产生的抑菌物质丁酸梭菌素可抑制多种其他梭菌所引起的肠道感染，丁酸梭菌通过提高动物血清抗氧化能力来改善肉品质。因此，随着丁酸梭菌在饲料领域的广泛应用，丁酸梭菌将成为无抗时代极具潜力的抗生素替代品。