丁酸梭菌的来源、功能及其在畜禽生产中的应用

黄秋连，王立超，周昕，王健，张嘉宾，曹阳

（1.黑龙江八一农垦大学动物科技学院，大庆 163319；2.粮食副产物加工与利用教育部工程研究中心；3.黑龙江省寒区饲料资源高效利用与营养调控重点实验室）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum CB），又被称作宫入菌、酪酸菌、酪酸梭菌和丁酸梭状芽孢杆菌[1]。是由日本千叶医科大学宫入近治博士在1933年从粪便中分离[2]。CB是常见的益生菌之一，在抗生素危害日益严重时，益生菌作为替代品已经被广泛应用在饲料中，能够起到促进动物健康生长，减少环境污染，从而提高畜牧业的经济效益等作用[3]。对CB的功能及其用途等研究进行综述。

1 来源

CB目前的主要来源有动物肠道、动物粪便、泥土等[4]。但牧草或饲料作物的青贮在发酵过程中，由于水分过多，压窖不实等问题，导致不利于乳酸菌的发酵环境，难以产生足够的乳酸，pH较高，包括CB等许多微生物都可以存活下来，在这样的青贮样品中会培养出一定数量的CB[5-8]。

1.1 动物肠道

王腾浩等[9]采用厌氧培养法从仔猪盲肠内容物中分离出6株CB，经多重抑菌实验筛选鉴定得到产高活性抑菌蛋白的CB菌株ZJU-F1，具有良好的抗逆性和益生性，作为饲料益生菌制剂，有很大的应用潜力。欧阳志周等[10]从仔猪盲肠内容物中分离获得1株CB，进一步研究表明，该菌株无毒且耐受高温、酸和胆汁，同时可以促进猪肠道绒毛发育，具有作为微生态制剂的潜力。刘逸凡等[11]利用改良CB筛选培养基，从鸡肠道中筛选鉴定出1株高产胞外多糖的CB，并命名为RO-07，研究表明该菌株对胆盐、人工胃液和人工肠液都具有良好的耐受性，并且耐受氨基糖苷类抗生素。李圣杰等[12]从鸡的肠道粘液中分离筛选获得1株既高产淀粉酶又产酸的CB，且该菌株能产生芽孢，具有耐热性能。

1.2 动物粪便

迟雪等[13]以牛粪、猪粪堆肥、玉米地土壤和腐木等混合物为分离源，筛选鉴定出1株可以降解纤维素产生丁酸的CB。李雯静等[14]从羊粪中提取出1株具有较强的益生性和抗逆性的CB。赵建新等[15]从32位健康人的粪便中分离出4株CB，进行发酵能力试验筛选出1株CB Z-10，产酸能力强、生长速度快且无毒，可以用于制造CB微生态制剂。杨帆等[16]从健康女性粪便中筛选出1株耐氧性CB菌株TK52，该菌株在限氧条件下，菌体浓度仍能达到较高的水平。

1.3 泥土

俄罗斯Kingi miyairi博士于1935年从人的粪便和土壤中成功分离出CB，并发现其代谢产物丁酸还能产生短链脂肪酸和氢气，丁酸的产生被认为是益生菌的有益影响之一[17]。李清扬等[18]从东北的土壤样品中分离筛选出1株耐低温淀粉酶产生菌C-9，对菌株进行形态学、生理生化、16SrDNA测序鉴定为CB。夏会丽等[19]从河畔污泥中分离获得1株CBHBUT-01，并对培养基进行优化，提高了CB生长效率。

1.4 酒窖

袁华伟等[20]从酒厂窖池中分离筛选出1株高产丁酸菌株YD-4，经16SrDNA测序鉴定为CB，其最适生长温度和pH值分别为37℃和7.0，最适接种量为2%，菌体浓度达1.64×108个·mL-1，产丁酸量可达3.44 g·L-1。谢树贵等[21]通过厌氧培养法、生理生化实验和16SrDNA测序，从酒窖底泥中筛选出1株具有优良益生特性的CB，有较强的抗酸、抗胆汁和抗生素能力，能显著抑制肠道常见病原菌的生长，具有作为饲料微生态制剂的潜力。

2 分类

CB分类归属于梭菌属，有芽孢，孢子卵圆，偏心或次端生，有鞭毛，能运动，为革兰氏阳性厌氧杆菌[22]。梭菌属可以分为嗜热菌，嗜冷菌和嗜温菌，其中CB属于嗜温菌。

3 形态及特性

CB一般单个或成对存在，通常为直杆状或略微弯曲，宽0.6～1.2μm，长3.0～7.0μm。菌落颜色一般是乳白色或白色，表面形态直径大约1～3 mm，呈略微不规则的圆形[23-24]。CB具有非常强的生存能力[25]，耐高温，90℃不会使CB失活，温度为36℃时最适合CB生长[26]；CB在酸性条件下能生存，即使在pH是1.0时仍能生存，但在pH为7.2时最适合CB生长[27]，所以CB在人工胃液、肠液和胆盐中有较强的耐受性，不会失活[9]。

4 功能

4.1 增强免疫力

CB可激活机体免疫系统，提高免疫力，从而维持动物健康[28-29]。灭活的CB可激活小鼠自然杀伤细胞和巨噬细胞的细胞毒性围产期奶牛的白细胞数量，结果显示添加组中CD4+T细胞的数量显著高于对照组。从而证明了把CB添加在饲料中，可以增加围产期奶牛CD4+T细胞数量，提高小鼠的免疫能力[30]。Kohiruimaki等[31]在荷斯坦奶牛饲粮中添加CB后，对比细胞的数量，增强了奶牛免疫力。Li等[32]研究CB对肠屏障功能的影响，发现CB降低了感染产肠毒素大肠杆菌（ETEC）K88的猪的血清二胺氧化酶活性和d-乳酸浓度。而且，CB降低了血清和肠道中的IL-1β和IL-18水平，增加了IL-10水平。此外，CB还下调了NLRP3和caspase-1表达，但不影响凋亡相关的斑点样蛋白表达。结果表明，在感染ETECK88后，CB增强了肠屏障功能，抑制了断奶仔猪中与凋亡相关的斑点样蛋白非依赖性NLRP3炎性体信号通路。证明了CB可能是通过提高肠屏障功能和减轻炎症反应对肠道健康产生有益作用。Qadis等[33]研究益生菌与外周血单个核细胞（PBMC）的功能的相互作用。结果表明，健康小牛的外周血白细胞可能通过胃肠道微生物群而受到刺激，口服益生菌治疗后，瘤胃菌群总体稳定。基于细菌的益生菌的5天重复给药可以增强断奶小牛的细胞免疫功能。

4.2 改善胃肠道黏膜

CB具有改善和修复胃肠道黏膜的作用[34]。Wang等[35]研究CB对小鼠实验性胃溃疡（GUs）的影响，结果显示，CB显著减少了胃黏膜损伤面积并改善了胃黏膜的病理状况。在研究中使用的三种GU模型中，CB不仅降低了超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性，而且降低了MDA的水平。三种GU模型中的IL-1β，TNF-α和LBT4的积累均减少，而6-酮-PGF-1α则随着CB的预处理而增加。证明了CB预处理对小鼠不同类型GU模型的抗氧化和抗炎症作用。Zhang等[36]研究了肉鸡中膳食脂质和CB补充剂对循环脂质和参与脂质代谢的所选基因转录的影响，发现CB的添加显著增加了空肠黏膜中腹部脂肪的脂蛋白脂酶（LPL）活性，同时也增加了肝型脂肪酸结合蛋白基因的表达。研究结果表明，饲喂CB的肉鸡，其胸肌中脂肪含量增加可能是脂肪酸摄取增加的结果。

4.3 促进生长

CB不仅可以减少肠道中有害菌群的生长，还可以增加有益菌群，并且减少肠毒素。CB添加在饲料中，有提高饲料利用率的价值，其原理是减少抗营养因子，增加吸收效率。Takahashi等[37]把CB添加在断奶仔猪和肉鸡的饲料中，结果显示CB可以显著增加肉鸡和断奶仔猪的平均日增重（ADG）和饲料效率。廖秀冬等[4]在肉鸡日粮添加CB，研究CB对其生长性能、抗氧化和免疫功能的影响，发现在1～21 d期间，所有补充CB的组都具有较高的ADG，并且添加CB组在21 d和42 d时的IgM浓度都高于对照组。可见饲料中添加CB，不但可以增强肉鸡的抗氧化能力和免疫功能，还能够改善其生长性能。

4.4 调节肠道菌群

CB在肠道中会产生丁酸，具有调节pH的作用，从而影响有害细菌的繁殖[38]。但CB不能长期定植于肠道，需要经常补充[39]。Araki等[40]研究表明CB有很强的粘附力，可以很快定植在肠道内，迅速发挥作用，但是要经常补充。贾丽楠等[41]研究发现CB经肠道消化酶处理后，其活菌数显著降低，说明要经常补充CB才能更好地发挥效果。Miao等[42]研究CB补充剂是否在新生小鼠肠道菌群的调节和免疫系统的发育中起作用。结果显示，补充CB组的子代与对照组相比，粪便中肠球菌属的菌落数显著减少，双歧杆菌和乳酸杆菌菌落数显著增加，肠道中分泌免疫球蛋白（sIgA）的水平和血清细胞因子的水平都没有发现显著差异。总之，给母乳喂养的母体小鼠使用CB能够调节其后代的肠道菌群平衡。虽然，由于对sIgA水平和相关细胞因子影响不显著，CB对1型与2型辅助性T细胞的平衡影响有限。但是，补充CB可能是改善后代肠道菌群和相关过程的安全方法。Long等[43]研究CB Sx-01和唾液乳杆菌C-1-3的联合使用是否能改善小鼠血清的肠道健康，降低其血脂水平的实验过程中，发现生长期小鼠的ADG在短时间内趋于增加，其粪便中的总挥发性脂肪酸（VFA）和丁酸在14 d时均显著增加，绒毛长度、结肠和盲肠黏膜厚度明显改善，具有抗氧化能力、分解胆固醇能力、丁酸盐产生能力的一些细菌的相对丰度增加，而一些病原菌的相对丰度在结肠中减少。此外，结果表明，两种菌株联合使用的有益效果高于单独使用。总体而言，联合使用CB Sx-01和唾液乳杆菌C-1-3可以显著改善小鼠肠道健康并减少血清中的脂含量。这些影响的原因可能是除了它们自身的益生菌作用外，两种菌株的联合使用可以调节肠道菌群。

5 畜禽生产中的应用

5.1 丁酸梭菌制剂开发

CB不但可以单独作为饲料添加剂使用，还可以与其他益生菌组合成复合菌使用。范磊等[44]在研究中发现CB制剂可以提高肉鸡的ADG和采食量，减少料重比和肠道内有害菌群（大肠杆菌），同时增加有益菌群（双歧杆菌）。凌欣华等[45]试验表明，把复合CB制剂添加在仔猪的饲料内，增加了仔猪的增重比和料肉比。结果证明了在饲料中添加复合CB制剂能提高仔猪的生长性能，提高仔猪饲料的性价比，证实CB制剂可作为绿色添加剂进一步推广使用。Imase等[46]研究表明CB制剂可以预防幽门螺杆菌和由于肠道微生物群异常引起的抗生素相关性腹泻。

5.2 反刍动物的应用

CB作为一种饲料添加剂，广泛应用于动物生产中。CB添加在饲料中不但可以改善动物肠道内微生态环境，增强机体免疫功能，还可以减少动物腹泻等肠道疾病的发生[47]。同时，CB可以产生丁酸，调节肠道菌群，促进肠道发育，增强机体的免疫力和抗氧化能力[48]。Qadis等[49]研究植物乳杆菌、屎肠球菌和CB组成的益生菌对荷斯坦奶牛瘤胃成分的影响试验中，两个益生菌组的瘤胃乳酸浓度均显著低于对照组，对瘤胃VFA浓度无影响。在增加益生菌的情况下，小牛瘤胃中未检测到植物乳杆菌和CB，而肠球菌属保持不变。这些结果表明饲喂益生菌的小牛具有稳定的瘤胃pH水平（6.6～6.8），可能是由于益生菌对瘤胃中优势菌的稳定作用，这些细菌在瘤胃中消耗更多的乳酸。

5.3 单胃动物的应用

郑有秀等[50]研究表明，CB可以增加断奶仔猪的空肠绒毛高度、隐窝深度，显著提高其血清Ig A和Ig G的含量，证明了饲喂CB可以改善断奶仔猪肠道结构，并且有增强机体免疫功能的能力。Hayakawa等[51]向母猪使用CB，发现分娩时的窝重和恢复发情的比率分别显著提高了17%和24%。此外，在泌乳后期，饲喂CB的母猪的采食量大于对照母猪的采食量。通过向新生仔猪使用益生菌改善断奶后腹泻发生率和生长性能，CB的使用改善了分娩母猪和断奶仔猪的猪繁殖性能和应激时长。

5.4 家禽的应用

CB能够改善畜禽肠道屏障功能，调节畜禽肠道菌群平衡，促进畜禽肠道发育，增强机体免疫功能，提高畜禽抗氧化力等[52]。

5.4.1 鸭的应用

Liu等[53]在研究CB对北京鸭的生长性能、血脂代谢、肌肉形态、肉质和脂肪酸的影响试验中发现，日粮中补充CB增加了ADG，增加了抗氧化酶的活性，而丙二醛（MDA）和脂质代谢物浓度降低，同时，补充CB可以增加鸭肉中的必需氨基酸、风味氨基酸、花生四烯酸（AA）、二十二碳六烯酸（DHA）、二十碳五烯酸（EPA）和总多不饱和脂肪酸（PUFA）的浓度。日粮中CB可以有效地改善生长性能、脂质代谢、肉质、氨基酸和脂肪酸组成。因此，证明了CB作为可行的替代饲料添加剂，用于生产具有良好性质。

5.4.2 鸡的应用

Liao等[54]在研究CB对肉鸡抗氧化特性、肉质和脂肪酸组成的影响试验中发现，日粮中添加CB的雏鸡与对照组相比，其肝脏中SOD活性较高，MDA浓度较低，腹脂率较低，而胸肌率较高。CB的补充增加了C20（1n-9）、C20（2n-6）、C20（3n-6）、C20（3n-3）、C20（4n-6）、C20（5n-3）、C22（6n-3）、总PUFA的浓度以及PUFA与饱和脂肪酸在胸肌中的比例。从而证明了CB可促进肝脏抗氧化状态，降低血清胆固醇含量和腹脂率，改善肉鸡的肉质和脂肪酸组成。Zhao等[55]研究CB对肉鸡肠炎沙门氏菌（SE）定植保护机制的试验中，给试验组喂食基础饮食，口服CB（106cfu·mL-1）并感染SE（2×105cfu·mL-1）。结果表明，与阳性对照相比，试验组鸡肝脏、脾脏和盲肠内容物的肉鸡SE活菌数均显著降低，感染2天后脾脏除外；试验组的肝脏、脾脏和盲肠内容物中IFN-γ、IL-1β、IL-8和TNF-α的产生均有不同程度的降低。定量实时聚合酶链反应的结果进一步揭示了试验组鸡的炎症通过下调TLR4、MyD88和NF-KB依赖性途径而被CB减轻。这些研究表明饲喂CB可能是预防肉鸡SE感染的合适替代品。Zhao等[56]在研究CB和屎肠球菌对肉鸡生长性能、脂质代谢和盲肠菌群的影响试验中发现，补充CB增加了平均日采食量和ADG，增加了21日龄时血清胰岛素水平，增强了42日龄时的肌内脂肪含量、肝脏FAS活性，胸肌LPL活性和肝脏FAS、ME、ACC、胸肌LPL的mRNA表达。该研究表明，饲喂CB的肉鸡肌肉内脂肪含量增加可能是脂肪生成增强的结果。

5.5 改善环境卫生

现在环境污染问题已经被重视起来，其中畜禽粪便的排泄是主要的污染源之一[57]。无论是大型养殖场还是庭院家禽排出的粪便中都会含有大量的N、P、K和其他有机物。这些物质随着雨水和污水排到河流中，造成严重的水质污染[58]。CB被添加在饲料中，不仅会增加肠道绒毛长度，还会产生多种有益于消化的酶类，增加了饲料的吸收率，减少了粪便中N、P、K的排放[59]。CB是一种更健康、绿色的添加剂，并且在减少对环境中土壤、水质等污染的同时，也减少了药物残留等食品安全问题，对人类健康的保护具有重要意义[26]。

6 应用前景

CB已经被人们所重视起来，CB的产品也应用在各个方面。在东北地区，青贮发酵过程中会产生CB，可以分离这些CB，制成添加剂应用在饲料业中。CB作为新一代微生态制剂具有较强的稳定原和适应原，在饲料业具有较强的应用前景。