热应激对鸡肠道微生物的影响及调控措施

杨智国

热应激对鸡肠道微生物的影响及调控措施

杨智国

（山东省饲料质量检验所 山东 济南 250022）

随着集约化养殖发展成为我国乃至世界养殖的主要趋势，整个行业向着高密度、高效率、高产出的目标迅速发展[1, 2]。在集约化养殖环境中的畜禽生长速度快，活动空间小，致使家禽极易受到应激原刺激引发一系列的应激反应(如畜禽免疫力降低等)，进而促进各种疾病的发生和发展[3]。许多研究已经证明应激与动物生产性能下降之间的关系(如体重、饲料转化率、产蛋率降低等)[4-6]。而热应激是最为常见的应激原之一，特别是夏季外界温度高，湿度大，室外温度可达40℃以上[7]。若降温不当，舍内的温度比室外更高，该环境对养殖业是一个巨大的挑战[6-8]。且现代家禽品系代谢活动更活跃体温更高，对热应激反应更敏感[3]。

大量研究表明，热应激会改变机体代谢反应、采食行为、免疫性能等，而这些后果可能与其影响肠道菌群多样性及肠道完整性有关[9]。随着生物医学研究的进步，对微生物的检测从经典的微生物培养技术发展为基因组测序技术，实现了对微生物群落的深度认知及早期预测，微生物对动物的多种生理功能随之被大量解析(如：代谢、免疫、内分泌等)[10]。与机体其他部位相比，肠道微生物群的数目和种类最多，这些微生物按一定比例组合，相互制约、相互依存，在质和量上形成一种生态平衡[11, 12]。当机体受到热应激时，这种生态平衡被打破，极易导致各种疾病的发生[13]。本文就热应激对家禽肠道微生物影响的研究进展进行综述，并提出改善措施。

1 热应激的代谢生理学

（1）热应激是机体为降低体内深部温度而发生的生理反应。热应激导致机体血液流向体表和四肢进行散热，内脏、肠道血流量明显减少，造成肠道缺氧、缺血，血液代谢发生变化，产生大量活性氧自由基，超氧阴离子、过氧化氢等氧自由基可以攻击细胞膜造成肠上皮的损伤[14]。正常条件下，细胞与细胞之间紧密排列，肠道内的微生物不会进入血液，热应激时该屏障被破坏，细菌和内毒素会进入血液，引起内毒素血症和败血症，导致免疫力、生产性能等各方面的变化，甚至死亡[15]。（2）鸡群的正常生长环境温度约为22~26℃，此环境下机体饲料利用率较高[16]。当环境温度超过26℃时，鸡体增重和采食量明显降低，盲肠微生物多样性明显改变[17, 18]。环境温度超过32℃时，会引起鸡生理及精神上一系列不良反应，鸡群处于热应激状态，主要表现为喘气加重、饮水增多和双翅下垂甚至引起死亡，部分鸡尽管未死亡，但其生长发育和生产性能严重受损[19, 20]。热应激的严重程度会随舍温的升高而加大，当舍温超过39℃时，可迅速导致热应激而造成鸡群的大批死亡[21]。从生理上来看，鸡没有汗腺，有比较高的深部体温，且全身被覆羽毛导致降温效果差。热应激发生时，鸡的呼吸加快以散热，大量排出二氧化碳，易导致呼吸性碱中毒。随着夏季的来临，外界环境温度越来越高，湿帘的使用不当加上机体自身产热，鸡易产生热应激，经济损失严重。因此，夏季做好鸡的防暑降温工作极为重要。

2 肠道微生物

2.1 宿主-肠道微生物 机体微生物群系包括细菌、真菌、古菌和病毒等，其最集中的居住地是肠道，被统称为“肠道微生物群”[22]。机体中微生物细胞总量是体细胞的10倍以上，体细胞中的线粒体也被普遍认为来源于寄生的细菌，在进化过程中与宿主形成了共生关系[23, 24]。胃肠道菌群多样性和动态性在宿主健康中起着至关重要的作用，宿主和肠道菌群之间的共生关系依赖于复杂的分子“对话”。细菌相关代谢物介导与宿主的互作并通过血液循环进入不同的靶器官影响局部及远端器官的健康状态。异常的肠道细菌群落结构促进疾病的发生和发展，降低生产性能[25]。

2.2 家禽肠道微生物 家禽肠道微生物是寄居在家禽消化道内微小生物的总称，包括原籍菌(属于专性厌氧菌，占95%)、共生菌(兼性厌氧菌，占1%)和过路菌(具有一过性，不会长期存活在体内)[26, 27]。家禽肠道微生物多样性及功能受机体发育阶段(如蛋鸡育雏期、产蛋期等)、饲养模式、舍内环境等影响。湖南农大研究团队对鸡肠道微生物宏基因集进行大规模研究，并于2018年完成该研究。鸡肠道宏基因集是继人、小鼠、猪和狗的肠道微生物基因集之后的又一个动物肠道微生物参考宏基因集[11]，鸡，猪和人的微生物优势菌群基本一致。鸡肠道中超过88%的微生物属于厚壁菌门、放线菌门、变形菌门、拟杆菌门，产短链脂肪酸的属(如拟杆菌属、鲍氏菌属、瘤胃球菌属等)都是人、猪和鸡肠道中丰度较高的属，表明这些微生物在家禽和哺乳动物肠道中都发挥重要作用[11, 28, 29]。

3 热应激对鸡肠道微生物及微生物代谢产物的影响

3.1 热应激对鸡肠道微生物组成的影响 家禽生长发育过程中，热应激导致动物肠道微生物组成与功能受损。厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门是鸡肠道微生物中的优势菌门，热应激降低厚壁菌门的丰度，增加拟杆菌门和放线菌门的丰度[30]。厚壁菌门是后肠微生物区系中的优势菌群，其含量大约占60%~70%，而其中梭状杆菌类群(如：Clostridium termitidis)中大部分可产生丁酸，丁酸作为主要营养物质，可使肠上皮细胞再生和修复，同时能抑制肠道内致病菌的生长，促进益生菌生长，有利于肠上皮细胞的能量代谢和发育[31]。循环热应激降低了小肠内乳酸杆菌和双歧杆菌的数量[32, 33]，乳酸杆菌和双歧杆菌作为肠道中的益生菌，可以有效排斥和抑制有害菌定殖，维持肠道微生态稳定。31℃偏热持续刺激降低肉鸡盲肠菌群丰度以及细菌间的相似性，热应激抑制梭状芽胞杆菌(Clostridium termitidis)的生长，降低Holdemanella biformis和瘤胃菌科(Ruminococcus faecis)的丰度[31]，丁酸盐产生菌丰度的减少导致病原菌丰度增加，可能预示着肠道PH值升高。肉鸡长期暴露于34~38℃时，导致拟杆菌属、柔嫩梭菌属、颤螺菌属、梭菌属、考拉杆菌属、萨特氏菌属、Dorea丰度降低，而毛螺杆菌科和瘤胃菌科的瘤胃球菌属、厌氧原体属、Anaero-truncus、Blautia、Eubacterium、Butyricimonas丰度增加，同时肠绒毛断裂严重[34]，导致营养物质消化吸收障碍。急性热应激状态下肉鸡十二指肠的致病沙门氏菌繁殖旺盛，且肠道的屏障功能受损最终显著增加了沙门氏菌进入机体的数量[33]。

3.2 热应激对鸡肠道微生物代谢产物的影响 短链脂肪酸(SCFAs)是肠道菌群发酵饲粮中纤维产生的代谢产物，主要包括乙酸、丙酸、丁酸，为肠道菌群提供能量和养分[22]。肠道中的拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)是产生SCF As的两门优势菌，分别占肠道菌群总量的20%和60%左右，变形菌门(Proteobacteria) (5%~ 10%)和放线菌门(Actinobacteria)(3%)相对较少[35, 36]。厚壁菌门(如柔嫩梭菌和真杆菌)和拟杆菌门(如紫单胞菌属)均可以产生丁酸。韦荣球菌科(Veillonel-laceae)可以将乳酸转化成丙酸，硫酸还原性细菌(变形菌门)可以利用乳酸和氢气产生乙酸和硫化氢和甲烷[37]。拟杆菌门的丰度和肠道中SCFAs的浓度呈正比，其可将琥珀酸转化成丙酸。拟杆菌属主要参与嘌呤代谢，嘧啶代谢，氨基酸生物合成等过程[38]。有研究发现，长期热环境会影响鸡肠道微生物结构，使大肠杆菌和沙门氏菌等致病菌数量增加[4]。而近年的试验结果进一步发现，沙门氏菌感染能够改变肠上皮细胞能量代谢类型，从以丁酸为主要能量来源的有氧分解转变为以乳酸为主要能量来源的无氧酵解，导致肠道内环境氧气浓度升高，进而益生性厌氧菌丰度或活力降低，短链脂肪酸的产生减少，机体肠道健康状况进一步恶化[39, 40]。另外，也有研究证明热应激导致产酸菌Stomatobaculum longum strain的丰度增加，Stomatobaculum longum strain可发酵葡萄糖代谢终产物为乙酸、丁酸和异戊酸等，导致肠道丁酸含量显著高于其他组[41]，推测这可能是由于热应激促使部分微生物代偿性产生丁酸来缓解可能的肠道损伤，从而达到自我保护的目的。此外，SCFAs也是新型信号分子，研究发现其同时参与肠道菌群对机体细胞增殖和分化、能量代谢、免疫防御等生理过程的调控。热应激对肠道菌群的多样性以及SCFAs的产生有较大影响，饲粮结构可以通过影响发酵底物、肠道蠕动等影响肠道菌群各菌门丰度，最终影响SCFAs的种类和数量[32, 42]。因此，在特定条件下通过调整饲粮结构来改善肠道菌群组成，从而预防热应激造成的肠道应激对养殖业具有重要意义。

4 调控措施

（1）热应激与肠道功能密切相关。机体受热应激影响，肠道好氧菌数量增加，乳酸菌等有益菌数量显著减少，使得肠道菌群失衡、肠道屏障和黏膜免疫受损，肠道微生物产生的内毒素易侵入机体，这是由于肠道微生物区系改变和屏障功能改变所致[42, 43]。这二者若能得到改善，可有效缓解家禽热应激。长期的试验证实，益生菌和益生元等添加剂可以有效缓解肠道菌群失调，影响机体健康[12]。（2）热应激环境下，肉鸡饲粮中添加乳酸杆菌，可以增加肉鸡空肠盲肠乳酸杆菌丰度，并降低回肠大肠杆菌丰度，表明益生菌可以恢复热应激导致的微生态失衡[12, 15, 44]。蛋鸡饲粮中添加地衣芽孢菌能够缓解热应激的不良影响，显著降低促肾上腺和皮质酮水平，提高促卵泡激素水平与孕酮水平，对血液激素水平产生有益影响，同时可以维护肠道健康，改善热应激造成的蛋鸡生产障碍，提高产蛋率[44-46]。热应激存在时，肉鸡饲粮中添加枯草芽孢杆菌增加肠道乳酸杆菌与双歧杆菌数量，增加日增重、日采食量、十二指肠和回肠绒毛高度、隐窝深度、绒毛表面积、上皮细胞面积，维持肠道微生态平衡[47, 48]。（3）纤维寡糖作为一种功能性寡糖，其与益生菌组成的合生素添加至饲粮可以增加乳酸杆菌丰度，改善热应激给肉鸡带来的不良影响[49]。此外，除了微生态制剂，有机酸、酶制剂、植物提取物等作为提高消化率和调节肠道菌群平衡的添加剂也可以通过调节肠道菌群结构改善机体热应激状态[50]。

5 小结

夏季高温高湿的环境对鸡肠道菌群结构影响极为显著，饲粮中添加地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等有益微生物可以抑制致病菌生长繁殖，提高肠道抗应激能力，维持肠道正常微生物群结构。同时，夏季控制饲粮的营养组成，及时调整饲粮结构和保证舍内环境也是抗热应激必的必要手段。综上所述，饲粮中添加益生素、益生菌等微生态制剂可以通过调节肠道菌群结构改善热应激造成的肠道功能障碍，保障了消化道的正常营养吸收功能。本文通过饲粮中添加益生素、益生菌，将热应激与肠道微生物结构及代谢产物功能联系起来，为养殖业提供了新的抗热应激策略。

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（2019–06–01）

S831.4

A

1007-1733(2019)09-0061-05