丁 酸 梭 菌 的 特 性 及 其 生 物 学 功 能

■阳田恬 刘梦瑶 张 静 程 强 张日俊 斯大勇

（中国农业大学动物科学技术学院，饲料 生物技术实验室，动物 营养学国家重点实验室，北京 100193）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）于1933 年被日本千叶医科大学宫入近治博士首次发现并报道，其存在于动物肠道及其粪便、反刍动物瘤胃、土壤、河水污泥等厌氧环境和奶酪等发酵食品中。丁酸梭菌可产生内生孢子，这是其对抗菌物质、胃酸、胆盐的高度耐受性的关键特征。丁酸梭菌广泛应用于畜禽生产、医学、食品及工业发酵等多个领域，具有治疗及预防疾病、增强机体免疫性能、抵抗氧化应激等多种功能。文章对丁酸梭菌的特性及其生物学功能进行综述，以期为丁酸梭菌益生效应的进一步研究及其在生产实践中的开发应用提供参考。

1 丁酸梭菌概述

丁酸梭菌属于梭状芽孢杆菌属(Clostridiumsp.)，由于其发酵代谢的主要产物为丁酸，故而得名丁酸梭菌。丁酸梭菌为革兰氏阳性菌，在培养的后期可能会表现为革兰氏阴性菌，此时菌体在革兰氏染色后镜检为红色，呈单个或成对存在，菌落形态为直径1～3 mm、呈圆形或稍不规则，表面光滑、湿润、稍突且边缘整齐、中间稍凸、菌落颜色为白色或奶油色。细菌表面周生鞭毛，可运动，其细胞笔直或稍弯曲，中间略微膨大，两端钝圆呈梭形，并能够形成内生孢子，孢子卵圆、次端生。

丁酸梭菌是一种严格厌氧的异养菌，在有氧的环境中停止生长，处于休眠状态。当培养基中的氧气含量较低甚至不存在氧气时，丁酸梭菌可良好生长。梭状芽孢杆菌的细胞中缺乏产生能量的呼吸链，环境必须为厌氧状态，才能满足其生存的条件。丁酸梭菌细胞内的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotide，NADH）氧化酶、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），构成了其抵抗氧化损伤的功能系统。

丁酸梭菌的抗逆性较强，在30～37 ℃内均能较好地生长，耐酸碱，在pH 5.2～9.0的范围内，产氢性能较佳，最佳的培养条件是37 ℃、pH 7.0。由于丁酸梭菌内生芽孢，因此其可在短时间内耐受高温，并对胃肠道环境具有良好的耐受性，耐受胃酸和胆盐的能力极强。丁酸梭菌能够有效地利用多种碳水化合物：能将甘油转化为1，3-丙二醇，而且能发酵产生短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）（主要是乙酸、丁酸），代谢产生的乙酸和丁酸会导致肠道环境呈酸性，从而抑制肠道中部分细菌的生长。丁酸梭菌具有特异性的电子转移性黄素蛋白复合物，在与其他产乳酸、乙酸的细菌共培养时，能够将乳酸和乙酸转化为丁酸和乙醇。丁酸梭菌的特有代谢产物与其广泛的功能具有密不可分的关系。此外，丁酸梭菌可利用葡萄糖产生CO2和H2等气体，见公式（1、2）。丁酸梭菌能产生多种酶，包括消化酶（淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶等）和抗氧化酶（SOD、NADH 氧化酶），因此，可有效降解肠道中未能被宿主消化的物质，部分菌株对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等肠道病原菌具有抑制作用。

目前发现的丁酸梭菌菌株表现的性质不一，其中，具备益生效应的菌株丁酸梭菌MIYAIRI 588已被广泛应用于医学治疗、畜禽生产等多个领域，然而也有文献报道，部分丁酸梭菌具有致病性，其会产生肉毒杆菌神经毒素等，从而导致宿主食源性肉毒中毒、坏死性小肠结肠炎和腹泻等。这些发现凸显了探索丁酸梭菌在益生菌生产、食品制造以及工业发酵中应用时安全性评估的重要性。

2 丁酸梭菌的特性

2.1 丁酸梭菌产丁酸特性

丁酸梭菌主要有两条产生丁酸的途径：丁酸激酶途径和丁酰辅酶A（coenzymeA，CoA）∶乙酸CoA转移酶途径，并且大多数以后者为主。丁酸激酶途径：葡萄糖经糖酵解代谢为丙酮酸，丙酮酸经丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶的催化转化为乙酰CoA，乙酰CoA在一系列酶的催化作用下转化为丁酰CoA，丁酰CoA在丁酸激酶的作用下，通过丁酰磷酸生成丁酸。丁酰CoA∶乙酸CoA 转移酶途径：当底物中存在外源乙酸时，丁酰CoA∶乙酸CoA 转移酶会将丁酰CoA中的CoA 转运给外源乙酸，从而导致丁酸和乙酰CoA 的释放。此外，琥珀酸也可通过多种特定酶催化转化为巴豆酰CoA，进而经丁酰CoA 脱氢酶合成丁酸；而利用乳酸时，则先经乳酸脱氢酶的作用形成丙酮酸，再经上述两种途径合成丁酸。

丁酸是结肠保持完整性和健康的关键调节物质，与增强肠道屏障有关。作为结肠细胞的主要和首选能量底物，丁酸的细胞代谢优先于葡萄糖或谷氨酰胺，占结肠黏膜总能量需求的70%。此外，丁酸能刺激表皮生长因子和抗炎细胞因子的产生，减少炎性细胞因子的产生，并具有抑制核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）活化的能力。丁酸的生理功能还包括增强肿瘤细胞的免疫原性、调节细胞凋亡相关蛋白质的活性、增加机体的抗氧化活性、刺激抗菌肽等分泌、抑制组蛋白脱乙酰化和环氧化酶（cyclooxygenase-2，COX-2）的激活。因此，丁酸梭菌的多种生物学功能离不开丁酸的效应。

基因组测序和功能注释以及比较基因组学加快了微生物的研究进展，为复杂的微生物群落序列分析和宏基因组学开辟了新的途径，有利于积累微生物的遗传信息。根据Zou 等（2021）对丁酸梭菌的全基因组分析，发现其核心基因组中，与丁酸合成、产氢的相关基因是保守序列，碳水化合物代谢相关基因占最大的类别，而且大多数与生命活动的基本功能有关，如生物起源、转录、翻译、氨基酸转运和代谢以及碳水化合物的运输和代谢，这一点与辅助基因组相似。据报道，缺乏编码α-羟基丁酰-CoA脱氢酶基因的野生型菌株，其丁酸形成途径会受到抑制。丁酸产生的生化途径见图1，同时也解释了丁酸的形成会有利于产生H2。

图1 丁酸梭菌的丁酸代谢途径

Atasoy 等（2020）将丁酸梭菌与其他细菌在碱性条件下混合培养，与单独培养和非生物强化的混合培养相比，这种生物增强作用产生的丁酸更多。此外，由于生物强化培养的作用，挥发性脂肪酸（volatile fatty acid，VFA）的总产量得到提升，其中，VFA主要为丁酸，丁酸的产生受丁酸梭菌生长速率的影响，低生长率导致更多的丁酸生产，由于必需化合物的产生，混合培养提高了丁酸梭菌的生长速度，并且这种同养关系增强了乙酸、戊酸和丙酸的产生。由此可知，丁酸梭菌在生物强化的作用下，更有利于丁酸的生产，并且能有效替代传统的单一培养模式。

2.2 丁酸梭菌的产氢特性

H2被报道能抑制炎症、选择性地抗氧化应激，调节内质网应激、线粒体及免疫功能，并在细胞程序性死亡中具有抑制细胞凋亡、调节细胞自噬等多种生物学效应，这些丰富的功能决定了H2用于治疗全身多种疾病的良好效果。H2的抗氧化功效突出，它能迅速扩散到组织和细胞中，与细胞内的羟基自由基等发生反应，并且在体内作用温和，因此不会影响活性氧（reactive oxygen species，ROS）的信号传导，也能避免对氧化还原反应的干扰。除了直接中和高反应性氧化剂外，H2还可以通过调节各种基因的表达来间接降低氧化应激。

丁酸梭菌利用碳水化合物产氢的过程主要分为两种途径：一是丙酮酸经丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶转化为乙酰CoA 和CO2，同时生成还原型铁氧还蛋白，H2经氢化酶的作用产生。第二种途径是在糖酵解过程中，由NADH-铁氧还蛋白氧化还原酶对部分NADH 进行再氧化，继而产生H2。Cai 等（2011）研究发现，丁酸梭菌菌株在缺乏催化NADH氧化酶基因的情况下，不会发生铁氧还蛋白还原反应，并且只能使用丙酮酸氧化产生的还原性铁氧还蛋白来产生H2，与野生型相比，这种基因缺陷型菌株的产氢量较低，而乙醇产量异常增加。在低的H2分压下，由于丁酸梭菌存在潜在的分叉氢化酶，产生的H2会与NADH 竞争，因此导致形成乙醇的量减少，产H2的量则会增多。

在严格厌氧的条件下，细菌代谢葡萄糖主要为糖酵解途径，首先生成丙酮酸，丙酮酸再通过还原型铁氧还蛋白转化为乳酸或乙酰CoA，进一步转化为乙酸、丁酸和乙醇等其他副产物，也会形成少量的草酰乙酸和α-酮戊二酸，并通过加氢酶的作用直接形成H2。研究表明，丁酸梭菌W5 菌株对pH 非常敏感，在pH为6.0时获得的产氢率最高；而培养基初始葡萄糖浓度对其产氢量的影响较小。此外，乙酰CoA是氢合成网络中的一个重要节点。菌株的产氢能力与细菌的细胞生长相关。

当碳源底物为葡萄糖时，葡萄芽孢乳杆菌会利用葡萄糖转化为乳酸，且不会产H2，然而，丁酸梭菌与芽孢乳杆菌共培养倾向于消耗乳酸，并且能激活促进与产丁酸途径相关的丙酮酸激酶、L-乳酸脱氢酶、丙酮酸铁氧还蛋白/黄酮毒素氧化还原酶的基因表达，从而提高丁酸的产率，同时，增强与产氢气相关基因的表达，在培养条件适宜、共培养细菌的相对比例合适时，产氢具有最高峰值。

3 丁酸梭菌的生物学功能

3.1 丁酸梭菌改善肠道微生态平衡

肠道菌群就像一个器官，平衡稳定机体的新陈代谢。细菌的共生关系是维持这种现象的主要原因。肠道菌群失衡已被证明与糖尿病、肥胖症和癌症等多种疾病有关。肠道菌群结构的改变可引起肠道环境的变化，这是由于SCFA 等各种细菌代谢产物的浓度和分布发生变化引起的。一个完善的肠道微生物平衡系统，有助于宿主对营养物质的消化、吸收及生理功能的正常维持。

肠道优势菌群的定植及其生理活动对宿主的健康起到至关重要的作用。丁酸梭菌可以使乳酸菌增加，因而肠道内乳酸的含量增加，而产丁酸细菌能够利用乳酸转化为丁酸，能加速黏蛋白的产生，降低丙酸和乙酸水平，以防止上皮黏蛋白的破坏，从而使肠道保持健康状态。与此类似的是，丁酸梭菌能够减少断奶仔猪肠道中毛螺菌的数量，促进产丁酸的梭菌及产乙酸的巨型球菌增殖，有利于乙酸向丁酸的转化，从而维持断奶仔猪的肠道微环境稳定。烧伤会导致动物肠道菌群结构失调，同时会引起肠道屏障功能障碍和肠道总通透性增加。烧伤小鼠通过口服丁酸梭菌，能够恢复丁酸在体内的正常水平，并能降低肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）和白细胞介素-6（interlukin-6，IL-6）的水平，这有利于抑制肠道损伤引起的病理变化。给予溃疡性结肠炎患者和患结肠炎的小鼠丁酸梭菌活菌制剂治疗，均能提高拟杆菌的含量，并降低厚壁菌门的含量。

肠道菌群的总体变化和干预结果极其复杂，微生物之间的互作与微生物的自身代谢等都会影响肠道菌群的结构与组成。丁酸梭菌优化菌群结构的能力与丁酸密不可分，丁酸梭菌不仅能够通过自身产生丁酸，还能够利用其他微生物的代谢产物来产生丁酸，以上都表明丁酸梭菌对于维持平衡和安全的肠道生理环境具有重要意义。

3.2 丁酸梭菌能改善机体免疫功能

免疫系统被认为是宿主塑造正常微生物群落的最重要力量之一。因此，免疫系统与微生物组之间的互作对于宿主免疫至关重要。微生物通过多种方式维持正常的免疫环境，这些机制包括通过微生物代谢产物调节Toll 样受体（toll-like receptors，TLR）等信号传导和促进分泌性IgA的降解等。

Liang 等（2020）在断奶仔猪日粮中添加丁酸梭菌，降低了血浆中TNF-α等炎性细胞因子的浓度，血浆中的黑色素水平与丙二醛（malondialdehyde，MDA）呈正相关，丁酸梭菌促使仔猪的黑色素分解代谢，降低MDA水平，促进牛磺酸的生物合成，从而使其免疫水平处于稳态。饲料生物技术实验室发现，丁酸梭菌在肉仔鸡肠道的定植，可能抑制了肠道病原体引起的炎症及其相关的氧化损伤，并且可提高肉仔鸡血清中免疫球蛋白M（IgM）浓度，从而有利于建立有效的免疫系统。在卵清蛋白诱导的过敏性炎症小鼠模型中，使用特异性免疫疗法和丁酸梭菌联合使用的方法可有效改善过敏性炎症。由于丁酸的存在激活了B 细胞受体，促使了产白细胞介素-10（IL-10）的特异性B细胞的分化，促使IL-10 的分泌，进一步增强了特异性免疫疗法对肠道过敏性炎症的抑制作用。与丁酸梭菌和一些治疗方法联合使用相比，与其他益生菌联用的抗炎效果更加明显。在体外试验中，丁酸梭菌与枯草芽孢杆菌共培养可促进人结肠癌细胞HCT116细胞和SW1116 细胞凋亡并诱导其周期停滞，并且能降低SW1116 细胞中NF-κB 的表达水平。在体内试验中，丁酸梭菌能促进小鼠胃黏膜中MyD88 的上调，进而激活多种转录因子，降低NF-κB 的含量，此外，还能抑制细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）的磷酸化，影响细胞外信号调节激酶-丝裂原活化蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase-mitogen activated protein kinase，ERKMAPK）途径，从而降低炎症反应。Chen 等（2019）给小鼠灌注5.0×106CFU/mL 丁酸梭菌用于治疗小鼠的实验性自身免疫性脑脊髓炎，发现小鼠胃肠道和胃肠外器官系统中Th17 反应降低、调节性T 细胞反应增强，脾脏中Th1细胞的比例降低，且脊髓中p38 MAPK和c-Jun N 端激酶信号转导活性降低。综上可知，丁酸梭菌通过调节体内细胞因子、抗体的水平以及免疫细胞的比例，促使免疫水平处于稳态。

3.3 丁酸梭菌的抗氧化能力

氧化应激是由于体内活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生不平衡引起的，在分子层面上会导致DNA 羟基化、蛋白质变性失活、脂质过氧化，在系统层面上会致使细胞凋亡，甚至对器官也会造成损害，并与许多疾病有联系，包括癌症、缺血/再灌注损伤、神经退行性疾病等。丁酸梭菌菌体及其代谢产物均具有一定的抗氧化性能，能有效缓解机体的氧化应激水平。

丁酸应用于多种试验模型，体内外试验均体现了其潜在的抗氧化特性。作为丁酸梭菌的代谢产物之一，丁酸具有穿过血脑屏障并调节中枢神经系统的功能，被认为是一种抗氧化调节剂。在热应激诱导的肉仔鸡氧化应激模型中，添加丁酸钠可增加肝脏和腿肌中SOD 及CAT 的活力，并且可减少血清及腿肌中的MDA 含量。此外，丁酸可以提升结肠腺癌细胞中SOD的表达和活性水平升高，并诱导正常结肠上皮细胞CAT 的mRNA 和蛋白质的表达。丁酸梭菌的另一代谢产物H2，在预防和治疗缺血/再灌注损伤、大脑缺血/再灌注损伤、神经性退化等多种疾病已有大量报道，它能选择性地降低诱导细胞毒性的羟基自由基，从而有效地保护细胞。作为产氢极强的细菌，理论上，丁酸梭菌的抗氧化能力与这种特性有一定关系，然而，目前鲜有研究报道直接表明两者的关联性。

食源性醛类物质接触肠道会引起肠道上皮细胞发生一系列异常反应。Nod样受体吡啶结构域蛋白6（nod-like receptor pyrin domain-containing protein 6，NLRP6）与核因子红血球2 相关因子2（nuclear factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）是机体应对氧化还原反应中的两种重要调节剂。其中，NLRP6可通过抑制NF-κB 和ERK 通路的激活，提高IL-10 的表达，降低IL-6 的表达，Nrf2 是氧化传导信号中的重要枢纽，有缓解炎症的作用。丁酸梭菌可以通过维持这两种细胞因子之间的平衡，缓解氧化应激引起的炎症反应、细胞自噬水平及其活力。此外，丁酸梭菌能提高断奶仔猪血浆中R-章鱼胺、氨基萘甲酸的含量，减少过氧化物反应，从而增强机体的抗氧化水平。脑损伤也被认为与氧化应激、细胞凋亡有关，Sun等（2016）研究发现，丁酸梭菌可通过降低脑损伤小鼠的大脑组织中MDA 含量和增加SOD 活性，降低半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3 基因和Bax 的表达，增加Bcl-2/Bax 比值及丁酸含量，改善小鼠的神经功能缺损，缓解组织病理学变化。饲料生物技术实验室前期筛到一株具有抗氧化性能和产酸能力强的丁酸梭菌菌株（CGMCC No.8187），通过肉仔鸡饲养试验发现，饲粮中添加剂量为2.5×108、5×108、1×109CFU/kg的丁酸梭菌均可促进肉仔鸡肝脏和血清的抗氧化状态，其中，在血清中低剂量、中剂量组的效果更好，在肝脏中高剂量组能促进肝脏中SOD的活性升高，MDA的含量降低，并且这种抗氧化防御能力增强使得肌肉中多不饱和脂肪酸浓度升高，改善了肉品质。由此可知，丁酸梭菌可通过激活宿主体内多种抗氧化酶的表达，调节抗氧化物质的水平与细胞凋亡基因的表达，维持机体氧化还原的稳态。

目前对丁酸梭菌的抗氧化性能的研究侧重于机体表型上的改变，尽管其代谢产物也能发挥抗氧化的作用，但是仍然缺乏两者起作用的具体机理探究及其相互之间的联系等方面的研究。

3.4 丁酸梭菌在畜牧生产上的应用

在饲料禁抗的条件下，用好各种抗生素替代产品养活并养好猪、肉鸡是畜牧业需要解决的难题。在我国进入中等收入国家后，国民对安全又好吃的畜禽肉的需求愈来愈高，进行这方面的研究愈显紧迫和重要。作为一种产芽孢菌，丁酸梭菌的抗逆性较强，足以耐受饲料制粒中的高温以及宿主胃肠环境中的酸、胆盐。目前丁酸梭菌已在畜禽养殖中被广泛应用。丁酸梭菌代谢能产生乙酸、丁酸和乳酸等，促进有益菌的定植，抑制病原菌的增殖，从而维持动物肠道内的微环境处于健康水平；丁酸梭菌产生的多种消化酶还能促进动物对饲料中营养物质的吸收，提高饲料转化率，进而提高动物的生长性能；此外，丁酸梭菌的抗氧化性能优异，对改善肉品质具有积极效应。

在用沙门氏菌给肉仔鸡攻毒之后，在基础日粮中添加106CFU/mL 的丁酸梭菌能降低沙门氏菌攻毒后鸡的肝脏、脾脏和盲肠内容物中沙门氏菌的数量，降低其肝脏、脾脏和盲肠中干扰素-γ、IL-1β、IL-8 和TNF-α的产生，丁酸梭菌通过下调TLR4、髓样分化因子（myeloiddifferentiationfactor88，MyD88）和NF-κB 依赖通路缓解了试验组鸡的炎症反应。在肉鸡的饲粮中添加丁酸梭菌，能够减少大肠杆菌的数量，并且能提高鸡盲肠中的丁酸含量，这有利于为肠细胞提供能量，从而提升鸡的生长性能和维持其肠道健康。Han等（2020）在断奶仔猪日粮中添加2.5×108CFU/kg 丁酸梭菌，能增加其结肠中短链脂肪酸的含量和空肠绒毛高度，从而促进断奶仔猪对饲料中营养物质的消化，改善其肠道健康，进而提高生长性能；增加血清中免疫球蛋白IL-2的水平，降低IL-1β、IL-6的水平，从而改善机体免疫功能；提高血清中GSH-Px 的活性，因此，对缓解仔猪的断奶应激也具有一定作用。Xiang等（2019）给予蛋鸡0.5 g/kg的丁酸梭菌，能降低蛋鸡回肠和盲肠中ROS 的水平，降低血清中MDA 的水平，有利于降低蛋鸡肠道内的氧化应激，从而提高其生产性能和蛋品质。

综上所述，尽管不同研究之间使用的丁酸梭菌菌株、添加剂量以及添加方式有一定差异，然而对于猪、鸡等不同物种，均有一定的益生效果。

4 展望

丁酸梭菌是一种对氧气极其敏感的厌氧菌，与需氧菌简单的培养条件相比，厌氧菌的严格培养始终是诸多研究者面对的一大难题，从而导致对丁酸梭菌生长的全过程、各个阶段的营养需求以及完整的菌体新陈代谢途径尚不明确。作为人或动物肠道中生存的常驻菌，丁酸梭菌能给宿主带来益处，是稳定肠道菌群、塑造稳定的肠道微生态环境的强大助手，同时，丁酸梭菌的抗氧化性能也进一步凸显了其在畜禽养殖、医学及食品加工等领域的利用价值。由上述研究可知，丁酸梭菌的代谢产物可能是赋予其广泛益生潜能的关键因素，因此，有必要通过代谢组学等手段进一步挖掘其在宿主生理环境中发挥作用的机制。此外，针对畜禽养殖中存在的问题，丁酸梭菌的添加剂量和跨菌株效应问题还有待完善，对菌株水平差异的更深入了解有助于“对症下药”，扩大丁酸梭菌的实际使用益处。基因组学的应用能加快菌株研究的步伐，尽管已经有学者对部分丁酸梭菌菌株的全基因组进行过分析，仍然存在广阔的空间研究丁酸梭菌的特有基因，以揭示更多新的功能，扩大应用范围。目前，涉及丁酸梭菌功能研究的试验对象主要集中于小鼠，尚且缺乏系统性的体外试验探究，体外试验对于功能机理的探究极为重要，因此，需加强体外模型的研究，同时，大部分研究未探究丁酸梭菌作用的深层机理。