奶牛瘤胃微生物移植研究进展

杨 卓 马 勇 张力莉 徐晓锋*

(1.宁夏大学农学院，银川750021；2.硕腾(上海)企业管理有限公司，上海200050)

奶牛瘤胃微生物种类众多，饲粮中的营养成分可在瘤胃微生物的作用下降解成挥发性脂肪酸、氨基酸、氨等，同时合成微生物蛋白和甲烷等[1-2]。研究发现，奶牛瘤胃微生物发酵可直接为机体提供约70%的能量[3]。稳定的瘤胃内环境和健康的瘤胃功能是维持奶牛机体健康的重要保障[4]。在牧场实际生产中，受饲粮原料的变化、环境应激和管理不当等因素的影响，奶牛瘤胃微环境容易发生改变，使奶牛继发瘤胃酸中毒、真胃移位和酮病等疾病的风险显著增加[5]。这些疾病的发生不仅降低了奶牛的生产性能，更增加了奶牛产后死亡和淘汰风险，给牧场造成严重的经济损失[6-7]。因此，通过人为手段调控瘤胃微生物区系使之稳定，对维持奶牛生产性能的正常发挥具有重要意义。近年来，瘤胃微生物移植(rumen microbiota transplantation,RMT)技术在重建奶牛瘤胃微生物区系方面的作用逐渐被研究人员关注，并被证明有一定的效果[8-10]。本文将就RMT重建瘤胃菌群的可能作用机理及其在奶牛生产上的应用以及存在问题等方面的研究进展进行综述，以期为进一步研究提供参考。

1 奶牛瘤胃微生物区系的主要调控措施

奶牛瘤胃微生物区系的稳定受到奶牛品种、年龄和生理状况，饲粮类型，以及外源添加剂等多种因素的影响[4]。目前调控瘤胃微生物区系的方法主要有：1)通过调整奶牛饲粮结构来优化瘤胃的功能[11]。奶牛粗饲料的类型可以改变瘤胃内优势菌群的种类[12]，精饲料可促进瘤胃乳头的发育与分化，给瘤胃微生物定植创造良好的瘤胃内环境[13]。2)在饲粮中添加适宜的饲料添加剂[14]。例如益生菌、植物次级代谢物(皂苷、丹宁、植物精油)等，这些饲料添加剂可直接改变瘤胃中菌群的结构和丰度，益生菌可促进有益菌群的生长，有助于逆转瘤胃菌群紊乱，提高奶牛免疫力[14]。皂苷等植物次级代谢物可加强瘤胃发酵，促进瘤胃微生物蛋白合成[15]。与上述传统营养调控方案相比，RMT为调控奶牛瘤胃微生物区系开辟了新途径，并取得了较好的应用效果[10,16]。然而，该技术目前尚未完全成熟，移植操作的专业性及繁琐程度可能制约着它在奶牛生产中的大规模推广和应用，但在小范围治疗奶牛真胃移位等疾病方面具有较好的应用前景[17]。

2 RMT在奶牛生产上的应用研究

2.1 RMT在奶牛疾病治疗上的应用

RMT是将健康供体奶牛瘤胃内微生物菌群移植给受体瘤胃内的技术手段，在动物生产中已经被实践了几十年，最早可追溯至1776年，有文献记载了将绵羊或山羊口中的食团取出饲喂给非反刍动物的做法[16]。现有研究表明，RMT可调控奶牛瘤胃微生物区系的稳态[18]，对多种肠道疾病有较好的辅助治疗效果[19]。例如，Bu等[20]在荷斯坦新生奶公犊出生后的第3、7、21、42和50天分别给接种100、200、300、400和500 mL成年牛的瘤胃液，犊牛断奶前发生腹泻的次数和持续时间相较于对照组分别降低了45.5%和50.9%。Pounden等[21]将健康犊牛瘤胃中的微生物移植给严重腹泻的犊牛，改善了犊牛腹泻并提高了犊牛存活率。Steiner等[22]给消化不良的奶牛移植健康牛的瘤胃液，消化不良症状明显改善。Rager等[17]给真胃左侧移位术后奶牛移植10 L健康牛的瘤胃液，术后3 d奶牛的干物质采食量和产奶量均提高，促进了奶牛术后的康复。有研究发现，RMT还可改善奶牛因饲粮导致的低乳脂症状[23]。此外，Jones等[24]在夏威夷牛瘤胃内分离培养出可降解含羞草素(一种在银合欢属植物中发现的有毒氨基酸[25])中的3-羟基-4-吡啶的瘤胃微生物，并移植给澳大利亚牛，结果发现，受体牛尿中基本不含3-羟基-4-吡啶。

2.2 RMT对奶牛生产性能的影响

关于RMT可改善奶牛生产性能的研究结果不一。Steiner等[22]给消化不良奶牛移植健康瘤胃液后，受体奶牛干物质采食量提高，瘤胃功能增强，体现在瘤胃原虫数量显著增加，亚甲基蓝还原时间以及瘤胃内微粒物质漂浮的时间延长等方面。蒋涛[26]将处于泌乳高峰期的健康奶牛瘤胃液移植给围产后期奶牛，受体奶牛干物质采食量提高，瘤胃发酵模式改变，菌群丰度和多样性提高，这与Ji等[8]的研究结果一致。关于RMT使奶牛干物质采食量提高的原因，可能是由于受体牛的瘤胃微生物区系发生了显著变化，刺激了奶牛反刍，进而食欲增强[26]。但也有一些研究证实，RMT在改善奶牛生产性能方面并没有显著效果。例如，Weimer等[27]将泌乳期荷斯坦奶牛的瘤胃内容物相互置换，置换后的奶牛产奶量并无显著变化，虽然有2头奶牛的瘤胃液pH在移植当天互换，但1 d以后均恢复到移植前的水平。Bu等[20]将荷斯坦成年牛瘤胃液移植给新生奶公犊，与对照组相比，奶公犊的采食量、饲料转化效率以及体重、身高、心脏维度等生长指标无显著差异，且受体牛的瘤胃液pH和总挥发性脂肪酸浓度无显著变化。Cersosimo等[28]给荷斯坦公犊牛移植成年奶牛瘤胃液，犊牛采食量不受影响。

造成瘤胃液移植后受体动物生产性能变化不显著的原因可能源于如下几个方面：第一，瘤胃液移植的次数不足、试验周期较短，移植以后对奶牛生产性能产生的有益影响还未显现出来；第二，奶牛个体的遗传差异；第三，瘤胃液中微生物移植的完整性。已有研究在给受体牛移植瘤胃液时，有将受体瘤胃内容物完全清空后再移植和未做清空处理移植的不同做法，受体牛的瘤胃内容物残留量不同，而残留在受体瘤胃内的菌群仍然会发挥作用，这或许是研究结果存在差异的又一可能原因[9,29-30]。

3 奶牛RMT的可能作用机理

通过RMT，供体奶牛可将瘤胃内的微生物、营养素及瘤胃液移植到受体奶牛的瘤胃中。Depeters等[16]认为，被移植的瘤胃微生物具有生态占位和定植抗力，它们可迅速在受体的瘤胃中定植，使患病牛只瘤胃菌群重建，恢复其瘤胃微生物区系的稳态，从而改善牛体健康。例如，奶牛瘤胃液中含有大量的原虫，原虫主要消耗淀粉，对稳定瘤胃液pH有重要影响，并促进瘤胃中其他微生物的生长[10]。向受体奶牛移植大量的瘤胃液，对受体牛瘤胃液有一定稀释效果，影响受体牛的瘤胃液pH。移植给受体牛瘤胃液内的营养素对促进受体牛瘤胃微生物生长有积极作用[10]。一些消化不良的奶牛瘤胃通常表现出蠕动迟缓，移植瘤胃微生物时，对受体奶牛瘤胃壁的机械刺激会引起瘤胃壁的适度张力，这种张力可刺激位于瘤胃和网胃上的机械受体，使胃壁肌肉收缩，从而促进奶牛反刍和瘤胃蠕动。关于RMT的具体作用机理仍然不详，有待进一步研究和探讨。

4 RMT的常见问题

4.1 RMT的安全性

虽然RMT在治疗奶牛消化不良等疾病方面已有应用，但仍存在安全风险。在移植过程中，一些细菌可能会经奶牛口腔和肠道交叉感染，如副伤寒分歧杆菌、沙门氏菌、隐孢子虫和大肠杆菌等[16]。此外，瘤胃液移植对操作人员的技术要求很高，操作稍有不慎，就可能损伤奶牛的口腔、肠道及瘤胃等部位，若不慎将瘤胃中的大颗粒物移植，可能会堵塞胃管，引起奶牛窒息。移植过程中，奶牛容易出现反抗行为，在操作人员的安全方面也同样存在着一定的风险。有研究报道，目前在奶牛上进行的RMT试验中，未发现奶牛出现不适反应[21,28]，但在人类菌群移植试验中，有受体出现腹痛、腹泻、食欲下降等不适反应[31]，这些症状是否也会在奶牛上发生，其严重程度是否会给奶牛的生产性能造成威胁以及对奶牛的肉、奶产品是否存在安全隐患还需通过长期真实案例数据进一步探究。

4.2 瘤胃液获取方法

目前获取瘤胃液的方式主要有3种：一是通过瘤胃导管采集健康奶牛的瘤胃液，这种方式获取量较少，对奶牛造成的应激相对较大；二是从被植入瘘管的奶牛瘤胃中直接获取，这种方式获取量较大，牛只应激相对较小，是目前比较常用的获取方式[26,32]；三是采集屠宰后奶牛的瘤胃液，这种方式成本较高，且由于牛只被屠宰后停止进食和饮水，可能会对瘤胃液产生一定影响[33]。所有瘤胃液供体牛都需被严格筛选，最好选择同一牧场、同一饲粮饲养条件的牛进行移植，这样不仅利于供体牛瘤胃微生物在受体牛瘤胃内继续增殖并发挥作用，也可以减少病原感染的风险[16,21]。目前，用于RMT的奶牛瘤胃液获取量有限加之成本较高，研究瘤胃微生物的体外开发利用以期获取足量、稳定的瘤胃菌群或许是RMT技术走向生产应用的重要一环。

4.3 移植剂量

目前针对瘤胃液的移植剂量并没有统一标准，从给小牛移植1 L到给成年牛移植16 L不等。对成年牛来说，一次移植的理想剂量为8～16 L[16]。在临床上，一般给成年奶牛每次移植10.0～11.4 L瘤胃液[26]。也有研究给奶牛移植较小的剂量，并取得良好的效果，例如Steiner等[22]将45头消化不良的奶牛平均分为3组，依次移植1、5 L健康瘤胃液和5 L温水，结果显示移植1和5 L瘤胃液对奶牛消化不良的改善效果并无显著差异。因此，关于移植剂量还有待进一步探究。

4.4 移植时间

瘤胃液从供体奶牛瘤胃中取出后，应在30 min内完成移植操作[18]。因为瘤胃液虽然可在室温下保存数日，但若将其储存在密封容器中，减少与空气的接触，容器的压力可能会增加瘤胃液中CO2浓度并降低pH[34]。冷冻奶牛瘤胃液如果不能严格保证在厌氧条件下操作使用，会导致瘤胃液中原虫数目减少，淀粉分解酶和纤维素降解酶活性降低[34]。此外，尽可能短的操作时间可以减少奶牛的不适和对瘤胃壁的损伤风险[9]。有研究称，奶牛及其他反刍动物瘤胃中产甲烷菌、兼性厌氧菌、纤维菌、真菌和原虫等在瘤胃内的定植时间不同[35]。因此，给奶牛移植不同生理阶段的供体牛瘤胃液对移植效率的影响也不容忽视。

4.5 瘤胃液质量的鉴定

亚甲基蓝试剂法是检测瘤胃液质量的常用方法，瘤胃中的微生物会还原亚甲基蓝，使其褪色。亚甲基蓝应在2～6 min内褪色，如果褪色时间大于10 min，这种瘤胃液最好丢弃[16]。此外，瘤胃液pH应大于等于5.5，最好为6.0或更高，低pH会降低原虫数量[36]。通常情况下，用高淀粉饲粮饲喂泌乳牛2～4 h，瘤胃液pH会降低。因此，当供体奶牛接受高浓缩饲粮后，避免在饲喂4 h内收集瘤胃液。对于饲喂高粗料饲粮的非泌乳阶段奶牛，可在饲喂前或饲喂后的2～3 h收集瘤胃液，这个阶段瘤胃液pH不会受到显著影响[27]。

5 小 结

RMT可调控奶牛瘤胃微生物区系，具有辅助治疗奶牛消化道疾病、改善真胃移位术后瘤胃功能以及提高奶牛生产性能的作用和潜力。然而，在RMT过程中，关于瘤胃液的移植量、移植时间和操作流程还需更多数据支持，且需要从生物安全角度对该技术做更深入和系统的评价。此外，供体奶牛瘤胃菌群与受体奶牛间独特的互作机制仍未能完全阐明，未来可能需要从代谢、免疫和生理方面进一步阐明受体奶牛与瘤胃微生物区系重建之间的互作关系。