丁酸梭菌的生物学功能及其在家禽生产中应用的研究进展

冯 杰，杨 旸，周 莉，邹 波*

（ 1. 富顺县畜牧兽医技术推广中心，四川 自贡 643200 ； 2. 富顺县动物疫病预防控制中心，四川 自贡 643200 ）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）广泛存在于人和动物肠道、粪便以及酒窖泥、土壤和奶酪等厌氧环境中，因能够大量产生丁酸而得名[1]。丁酸梭菌具有良好的益生特性和抗逆性，是集芽孢杆菌和乳酸菌优点于一身的天然绿色菌种，也是新型绿色环保型饲料添加剂菌种的理想选择，在畜禽无抗养殖需求下拥有十分广阔的应用前景[2-3]。国内对于丁酸梭菌的研究起步较晚，最初研究领域主要为人医临床应用。2009年7月，农业部（现农业农村部）正式批准丁酸梭菌作为新饲料添加剂应用于畜禽生产，推动了丁酸梭菌作为饲料添加剂在我国的进一步研究和应用[4]。本文主要综述了丁酸梭菌的生物学功能及其在家禽养殖中应用效果的研究进展，以期为丁酸梭菌制剂研究及家禽养殖替抗提供理论基础和新思路。

1 丁酸梭菌的生物学特征

丁酸梭菌属厚壁菌门（Firmicutes）梭菌纲（Clostridia）、梭 菌 目（Clostridales）梭 菌 科（Clostridiaceae）梭 菌 属（Clostridium），为革兰氏阳性厌氧产芽孢短杆菌，菌体呈直杆状或稍有弯曲，两端钝圆，宽约0.5～1.7 μm，长约2.4～7.6 μm，周生鞭毛，能运动。平板培养基中菌落乳白色或奶油色、湿润，呈不规则圆形，直径为1～3 mm，培养过程中发酵产酸产气，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[5-6]。丁酸梭菌形成的芽孢为内生芽孢，具有耐热、耐酸、耐盐和易保存的生理特征，在温度20～41 ℃和pH 值4.0～9.8 条件下均能够生长，经90 ℃处理5 min 存活率在95.0%以上；在pH 值2.0 条件下处理3 h，存活率在94.8%以上，pH值为1.0时仍可生存；在0.3% 胆盐中处理12 h，存活率71.0%以上，在0.1%以下胆盐中几乎不受影响。丁酸梭菌的固体活菌制剂在干燥和室温环境下可保存3年以上[7-10]。丁酸梭菌发酵主要代谢产物为短链脂肪酸（丁酸、乙酸、乳酸、丁醇等），还可产生消化酶（淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶和蛋白酶等）、抗菌肽、B族维生素、维生素K和氢气等，但丁酸梭菌在发酵生产时存在酸胁迫效应，产量相对低于其他芽孢杆菌[11-13]。

2 丁酸梭菌的生物学功能

2.1 维持肠道黏膜屏障

肠道黏膜屏障是一个由肠上皮屏障、化学屏障、生物屏障、免疫屏障共同组成的立体防御系统，是机体防御外界病原物入侵的重要屏障[14]。丁酸梭菌在肠道内可产生以丁酸为主的短链脂肪酸，丁酸等可直接为肠黏膜细胞提供能量，对肠上皮细胞的修复和再生起到营养作用；也可以通过促进三叶肽的表达，间接帮助修复和维持小肠黏膜；还可通过激活蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白等信号通路介导的蛋白合成机制，上调紧密连接蛋白表达，降低肠道通透性。丁酸梭菌可能还可通过上调黏液层中黏蛋白（MUC2）的表达，增加黏液层厚度[15-19]，以此维持肠道黏膜屏障的完整性[20-21]。此外，丁酸梭菌可促进肠道蠕动，有助于减少有害菌和毒素与肠黏膜的接触时间[22]。

2.2 增强消化系统功能

肠道是动物消化和吸收营养物质的重要场所，营养物质消化吸收效率是机体健康状态的重要评价指标之一。丁酸梭菌可通过产生消化酶、增强肠道消化酶活性和改善肠绒毛状态等提高机体的消化系统功能。一方面，丁酸梭菌可通过产生消化酶和增强动物肠道消化酶活性，进而提高动物肠道对营养物质消化吸收效率。在动物肠道无氧环境中，丁酸梭菌产生的蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶和糖苷酶等可有效降解饲料中的抗营养因子，与动物肠道分泌的消化酶共同参与肠道内营养物质的消化吸收，特别是可协助畜禽消化靠自身消化酶难以利用的纤维素和果胶等营养物质[23]。丁酸梭菌还可通过增强肠道产生的淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性，提高食糜消化率[24]。

另一方面，丁酸梭菌还可通过改善肠绒毛的状态提高肠道对营养物质的消化吸收，产生的丁酸可作为肠道绒毛生长的直接能量来源，促进肠绒毛发育，降低肠绒毛隐窝深度，提高绒毛高度/隐窝深度比值，增大肠道对营养物质的消化吸收能力，从而影响肠道内营养物质消化吸收效率[25-26]。

2.3 调节肠道微生态平衡

肠道微生态区系是一个相对稳定的平衡状态，一旦打破这种平衡，即可能导致疾病发生，因此维持肠道微生态平衡十分重要。丁酸梭菌可通过增加肠道有益菌数量、减少病原菌黏附和增殖等方式调节肠道微生态平衡以维持机体的健康状态。首先，丁酸梭菌进入肠道可与其他有益菌协同，对有害菌产生拮抗作用，与有害菌竞争定植位点，减少其定植可能性；还可与有害菌竞争吸收养分，抑制其生长，起到维持肠道内微生态平衡的作用。其次，丁酸梭菌可通过代谢产生丁酸、丁酸梭菌素和抗菌肽等物质抑制肠道病原菌生长，从而维持肠道微生态平衡；如以丁酸为主的短链脂肪酸可有效降低肠道pH值，抑制病原菌生长；细菌素、抗菌肽等可有效减弱病原菌的黏附力或直接抑制病原菌生长[27-28]。再次，丁酸梭菌产生的丁酸、B 族维生素、维生素K 等营养物质可被肠道直接吸收利用，还可作用于肠道菌群，促进乳杆菌、双歧杆菌等有益菌的生长和增殖。最后，丁酸梭菌产生的消化酶能够将肠道菌群无法直接利用的多聚糖转化为可利用的低聚糖，提供必要的营养物质，有效提高肠道乳杆菌等有益菌的丰度，优化肠道微生物区系结构，维持肠道微生态平衡[29]。

2.4 调节机体免疫功能

丁酸梭菌可促进机体免疫器官发育，提高免疫器官指数；通过激活由Toll 样受体2（TLR2）、孤G 蛋白偶联受体（GPR）等介导的多个信号通路，使肠道黏膜处于免疫状态，提高对病原菌的识别和信号传递能力，增强肠道黏膜的先天性免疫和获得性免疫系统功能[15,30-32]。进入肠道的丁酸梭菌可通过诱导巨噬细胞分泌白细胞介素-10（IL-10）调节机体免疫应答[33]；可提高血清免疫球蛋白G（IgG）、免疫球蛋白M（IgM）和分泌型免疫球蛋白A（sIgA）含量，以增强动物抗病能力；还可显著提高血清中补体C3含量。C3在补体经典激活途径及旁路途径中发挥重要作用，提示丁酸梭菌还可能通过激活补体系统增强动物机体免疫力[34]。

2.5 提高机体抗炎和抗氧化水平

肠上皮细胞TLR2 受体可通过识别丁酸梭菌，激活NF-κB 信号通路，诱导IL-10、白细胞介素-8（IL-8）和肿瘤坏死因子-β（TNF-β）等分泌，抑制炎症反应的同时增强免疫力；丁酸作为信号分子可被肠道上皮细胞的G蛋白偶联受体识别，从而影响细胞因子的表达，减少炎症反应的发生[18,35-36]。丁酸梭菌还可提高血清谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）等的活性，清除体内在应激状态下产生的自由基和活性氧；增加结肠谷胱甘肽和降低血清丙二醛（MDA）含量，缓解机体氧化应激状态[37-38]。此外，丁酸梭菌产生的氢气还可能参与了选择性还原细胞内羟基自由基，与胞内毒性最大的活性氧簇反应，进一步防止氧化损伤[39]。

3 丁酸梭菌在家禽养殖中的应用

3.1 提高家禽生长性能

丁酸梭菌能够通过提高机体的消化系统功能，促进营养物质消化吸收，改善动物生长性能。Li 等[40]报道，日粮添加1.0×109CFU/kg 丁酸梭菌能够显著提高肉鸡体重和平均日增重。范磊[41]研究表明，在日粮中添加0.1%丁酸梭菌制剂可明显提高21～42日龄肉鸡生长性能，增加平均日增重和采食量，降低料重比，但对8～21日龄肉鸡的影响不显著。贾志新[42]研究表明，在日粮中添加不同剂量的丁酸梭菌均可显著提高1～21日龄樱桃谷肉鸭的平均日增重，且存在提高22～42日龄樱桃谷肉鸭的平均日增重的趋势。丁酸梭菌对提高家禽日增重可能与动物种类、生长阶段、机体状态、饲料营养配比、菌种及添加剂量有关。

3.2 提高家禽屠宰性能、产蛋性能

丁酸梭菌还可通过稳定肠道菌群结构、产生有益物质、促进营养物质消化吸收、增强抗氧化能力和调节机体脂质代谢等方式，提高家禽的屠宰性能、产蛋性能，改善家禽产品的品质和风味。黄翠翠等[43]报道，在爱拔益加肉鸡基础日粮中添加5.0×108CFU/kg 丁酸梭菌能够显著提高肉鸡屠宰率、肌间脂肪宽度、胸肌24 h 红度值及pH 值，显著降低胸肌24 h 亮度值和蒸煮损失。Liu 等[44]研究表明，添加丁酸梭菌能够显著提高北京鸭胸肌pH45min值、肉色红度值，增加胸肌肌苷酸、肌内脂肪、总氨基酸和总多不饱和脂肪酸等的含量，降低胸肌肉色的亮度值、剪切力和滴水损失；中剂量组和高剂量组包括谷氨酸和丙氨酸在内的风味氨基酸含量显著增加，且氨基酸和脂肪酸含量与丁酸梭菌添加量呈正相关。

王成森[45]发现，海兰褐蛋鸡基础日粮中添加丁酸梭菌可显著提高产蛋率、蛋壳厚度和蛋黄颜色，显著降低料蛋比和死淘率。Zhan等[46]发现，丁酸梭菌能够提高蛋鸡产蛋率和蛋壳硬度。也有研究表明，丁酸梭菌制剂能够显著提高种番鸭产蛋率和种蛋的受精率[47]。

3.3 增强家禽免疫功能

丁酸梭菌可促进机体免疫器官发育，激活淋巴细胞，提高机体免疫系统对疫苗的应答水平，增强机体免疫功能。宋孟泽[48]研究表明，灌服21 d丁酸梭菌可显著提高蛋鸡脾脏中CD4+T细胞亚群比例和IL-10的相对表达。贾志新[42]研究表明，日粮中添加5.0×108CFU/kg丁酸梭菌制剂能够显著提高樱桃谷肉鸭免疫器官指数，提高血清IgG、IgM、C3和C4含量，改善肉鸭免疫功能，增强机体抗病力。Zhang 等[49]报道，日粮中添加2.0×107CFU/kg 丁酸梭菌能够显著提升经1.0× 108CFU 的E. coliK88 剂量攻毒后3、7 d的肉鸡空肠黏膜sIgA含量以及攻毒后14 d血清IgA、免疫球蛋白Y（IgY）、C3的含量和攻毒后3、7、14 d血清C4含量。Abdel-Latif 等[50]报道，日粮中添加丁酸梭菌能够显著提高35 日龄肉鸡新城疫抗体滴度水平。Cai 等[51]报道，肉鸡经3.4×104个艾美球虫孢子化卵囊剂量攻虫后，对照组粪便每克卵囊数（OPG）高达9.11×107个，丁酸梭菌组和疫苗组OPG 分别为3.0×107和1.65×107个，而疫苗+丁酸梭菌组OPG 仅为8.38×106个，表明丁酸梭菌能够极显著降低攻虫后肉鸡粪便OPG；丁酸梭菌联合球虫疫苗使用能够增强球虫疫苗的作用效果，显著减少粪便OPG，缓解艾美球虫引起的肠道损伤。

3.4 改善家禽圈舍环境

丁酸梭菌能够通过提高肠道菌群对蛋白质的消化利用，特别是通过增强盲肠发酵作用和降低内容物pH 值提高肠道菌群丰度及其对氮的利用效率，使前段肠道未消化的氮更多地转化为细菌菌体蛋白，促进后段肠道对氮的利用，降低排泄物中尿氮比例；或降低家禽排泄物pH 值，抑制产脲酶细菌的生长，减少排泄物中氨态氮向氨气转化，减少氨气逸失，有助于改善圈舍环境，从而提高动物福利[52]。谭莉等[53]研究表明，丁酸梭菌显著降低盲肠21 d和粪便50 d尿酸含量，降低盲肠pH值，且在33 d达到显著水平；在不同类型芽孢杆菌制剂中，丁酸梭菌对降低排泄物氨逸失效果最优。Such等[54]研究表明，日粮中添加丁酸梭菌对肉鸡排泄物总氮量影响不大，但能够显著增加排泄物中干物质含量以及尿酸含量，减少排泄物中解脲细菌数量，排泄物氨排放更低。还有研究报道，丁酸梭菌能够改善肉鸡对钙、磷的吸收利用，显著降低21日龄肉鸡排泄物中钙、磷含量[55]。

4 展望

丁酸梭菌是一种绿色、安全、高效、多功能、抗逆性强、开发潜力大的饲料添加剂菌种，日粮中添加丁酸梭菌有助于维持家禽的肠道形态结构和菌群稳态，促进肠道营养物质消化吸收，增强家禽免疫力和抗逆能力，提高家禽生长和繁殖性能，改善家禽产品的品质和风味，降低家禽养殖成本，增加养殖业主经济收益。丁酸梭菌及其代谢产物的作用机制仍有待深入研究，今后丁酸梭菌将会在更多的领域发挥重要作用。