劉　虹　王　琪　劉作華　齊仁立

(重慶市畜牧科學(xué)院，農(nóng)業(yè)部養(yǎng)豬科學(xué)重點實驗室，養(yǎng)豬科學(xué)重慶市重點實驗室，重慶 402460)

近年來，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物逐漸成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。腸道微生物數(shù)量龐大、種類繁多、功能多樣化，大量研究揭示腸道微生物對于動物正常的生長發(fā)育是不可或缺的。腸道微生物的平衡主要受到遺傳背景、疾病和飲食結(jié)構(gòu)的影響。飼糧營養(yǎng)成分是影響動物腸道微生物組成和代謝的重要因素，營養(yǎng)素的來源、水平和不同營養(yǎng)素之間的配比對機體腸道微生物組成均有不同程度的影響。本文對豬腸道微生物的定植和特點及不同營養(yǎng)素對其調(diào)控的影響加以綜述，以期更好地理解飼糧營養(yǎng)成分調(diào)控腸道微生物區(qū)系形成與平衡的作用機制。

1　腸道微生物組成及其功能

單胃動物的消化道內(nèi)主要存在3種類型的微生物，分別是細菌、古菌和真核微生物。細菌在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢，且主要是厭氧細菌[1-2]。動物消化道區(qū)域不同微生物菌群的組成存在差異，微生物菌群的多樣性和密度從胃到后腸逐漸增加[3]。盲腸是單胃動物體內(nèi)微生物種類和含量最為豐富的場所，豬每克腸內(nèi)容物中的微生物數(shù)量為1012～1013CFU，由400～500種微生物組成，其中主要以擬桿菌屬(8.5%～27.7%)和厚壁菌門的梭菌ⅩⅣ群(10.8%～29.0%)、梭菌Ⅳ群(25.2%)為優(yōu)勢菌群[4-6]。

微生物通過對腸道內(nèi)特定營養(yǎng)環(huán)境的利用，依靠與宿主、種間以及種內(nèi)的相互作用，形成具有一定穩(wěn)定性的微生物菌群。穩(wěn)定的腸道微生物菌群可以在腸上皮細胞表面形成一層菌膜屏障，幫助宿主抵御外來有害菌，或通過爭奪營養(yǎng)等方式抑制腸道致病菌的侵入與繁殖[7]。同時，腸道內(nèi)穩(wěn)定的微生物菌群通過發(fā)酵、降解多糖及合成維生素等多種方式參與宿主營養(yǎng)代謝[8-9]。與普通動物相比，無菌動物的黏膜免疫器官發(fā)育遲緩，腸固有層淋巴細胞數(shù)量減少。而當無菌動物置于正常有菌條件下飼養(yǎng)后，這些指標得到了明顯改善[10]。這說明動物腸道免疫系統(tǒng)的發(fā)育與腸道微生物菌群有重要關(guān)系。在人和模擬動物上的研究認為，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與多種癌癥的產(chǎn)生、糖尿病和肥胖癥等代謝疾病的形成、腦和神經(jīng)的發(fā)育等都有密切關(guān)系[11]。

2　豬腸道微生物區(qū)系的建立

早期研究認為，仔豬胚胎時期在母體子宮內(nèi)處于一種無菌狀態(tài)，分娩后由于受到母體產(chǎn)道、糞便以及周圍環(huán)境微生物的影響其腸道開始定植微生物[12]。然而有研究認為仔豬在胚胎時期因吞飲母體羊水，其腸道已經(jīng)開始定植大腸桿菌、葡萄球菌等微生物[13]。哺乳期仔豬腸道中的優(yōu)勢菌群為乳酸桿菌和鏈球菌，這與哺乳仔豬的腸道生理特點相適應(yīng)，有利于更好地利用母乳中的營養(yǎng)成分。斷奶仔豬由于飼糧、環(huán)境等發(fā)生重大改變，其腸道微生物的組成也發(fā)生相應(yīng)變化。隨著豬日齡增長，其腸道微生物菌群的穩(wěn)定性逐漸增強，不同部位微生物菌群的組成存在差異，這與各腸段的結(jié)構(gòu)功能相適應(yīng)。最終形成了以雙歧桿菌、乳酸桿菌等為優(yōu)勢菌群的穩(wěn)定腸道微生物區(qū)系。

在豬腸道微生物區(qū)系建立的整個過程中，其腸道經(jīng)歷了從無菌→需氧菌→兼性厭氧菌→專性厭氧菌的定植過程。豬腸道內(nèi)起初充滿氧氣，隨著需氧菌、兼性厭氧菌如葡萄球菌、腸球菌、腸桿菌等的定植，氧氣逐漸被消耗殆盡，同時腸道內(nèi)pH和氧化還原電位被降低，為專性厭氧菌的定植與生存提供了有利條件。因此厭氧菌雖是最后定植，但在數(shù)量上占99%以上，剩余的不到1%為兼性厭氧菌和需氧菌。

不同品種、不同日齡豬腸道微生物的種類有較高相似性，但微生物菌群的分布與數(shù)量存在較大差異[14]。在長白豬與梅山豬結(jié)腸微生物菌群的對比研究中發(fā)現(xiàn)，梅山豬結(jié)腸總菌、厚壁菌門和擬桿菌門數(shù)量均顯著低于長白豬，但厚壁菌門占總菌的比例顯著高于長白豬。這可能是由于梅山豬更耐粗飼，對纖維的消化利用率較高，而結(jié)腸內(nèi)主要的纖維降解菌均屬于厚壁門菌[15]。隨著豬日齡的增長，腸道優(yōu)勢菌的數(shù)量和豐度會發(fā)生明顯變化(表1)[16]。有研究證實，豬對飼糧纖維的消化率隨體重增加而提高，不同日齡階段的豬對纖維利用率的差異主要取決于腸道微生物菌群的發(fā)酵能力，成年豬消化道中纖維分解菌的數(shù)量是生長豬的6.7倍[17-18]。與此同時，有研究表明豬腸道微生物的多樣性也與日齡密切相關(guān)(圖1)[19]。

表1　不同周齡豬糞樣中微生物含量

3　營養(yǎng)素對豬腸道微生物組成的影響

宿主動物的飼糧營養(yǎng)成分對腸道微生物的定植和動態(tài)變化的影響是十分巨大的。腸道微生物利用宿主動物無法直接消化吸收的飼糧營養(yǎng)成分為自身正常有序的生長與繁殖提供營養(yǎng)條件，同時將分解合成所得的葡萄糖、維生素、脂肪酸、微量元素等回饋于宿主動物。腸道微生物菌群與宿主動物對飼糧營養(yǎng)成分的消化吸收能力緊密相關(guān)[20]。反之，宿主動物飼糧營養(yǎng)成分的變化使得被腸道微生物分解利用的底物發(fā)生改變，腸道微生物組成也會受到重要影響。

3.1　碳水化合物對豬腸道微生物組成的影響

碳水化合物是豬代謝的主要能量來源。飼糧粗纖維是一類不能直接被豬腸道消化吸收的碳水化合物，主要包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。飼糧粗纖維對豬腸道微生物組成具有重要影響。Freire等[21]比較了4種不同來源粗纖維對斷奶仔豬盲腸揮發(fā)性脂肪酸含量的影響，發(fā)現(xiàn)大豆殼組的揮發(fā)性脂肪酸含量比麥麩、甜菜渣和苜蓿草粉3組分別增加了11.2%、30.5%和27.2%。同時，有研究發(fā)現(xiàn)飼喂高纖維水平飼糧的豬胃腸道微生物活性明顯高于飼喂低纖維水平飼糧[22]。以上結(jié)果表明，不同來源及不同水平的粗纖維對豬腸道微生物組成的調(diào)控作用具有明顯差異。不同來源粗纖維引起的效果差異可能主要與粗纖維本身的溶解性、木質(zhì)化程度和結(jié)構(gòu)有關(guān)。粗纖維的可溶性越強，越易被腸道微生物發(fā)酵利用，微生物活性也會相應(yīng)增加。而不同水平粗纖維引起的效果差異可能與影響腸道微生物菌群的方式不同有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，飼喂高水平非淀粉多糖飼糧后豬腸道大腸桿菌多樣性先降低后增加，飼喂低水平非淀粉多糖飼糧后得到與之相反的結(jié)果[23]。

*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。

* mean significant difference (P<0.05), ** mean extremely significant difference (P<0.01).

圖1不同日齡豬腸道操作分類單位數(shù)量

Fig.1The operational taxonomic units (OTUs) number in pigs’ gut at different days of age

淀粉作為另一類主要的碳水化合物，可以分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。淀粉的生物來源、直鏈與支鏈淀粉的比例、淀粉顆粒組成、淀粉的糊化程度等均會影響淀粉的生化特性。其中，直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例是飼料原料選擇時考慮的主要因素之一。Regmi等[24]用4種淀粉飼糧(淀粉占飼糧70%，飼糧淀粉中直鏈淀粉含量依次為<5%、20%、28%和63%)飼喂仔豬，發(fā)現(xiàn)飼喂63%直鏈淀粉含量的飼糧后，豬糞便中雙歧桿菌的數(shù)量以及總短鏈脂肪酸與總丁酸產(chǎn)量均顯著高于其他3組。直鏈淀粉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定難以降解，并且易與油脂等化合物結(jié)合，故其可消化性低于支鏈淀粉。未被降解的直鏈淀粉逃離小腸后進入后腸，作為底物被微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸。因此，與支鏈淀粉相比，腸道微生物更易受到直鏈淀粉的影響。

此外，碳水化合物中多種低聚糖對于腸道微生物的平衡具有獨特的調(diào)控作用。不同的試驗證明，低聚果糖、低聚木糖、大豆低聚糖、菊粉等對豬腸道健康具有不同的促進作用，它們作用的主要差異在于被腸道菌群利用程度不同，具體表現(xiàn)在對不同有益菌的增殖程度、有害菌受抑制程度、產(chǎn)酸量和產(chǎn)氣量等方面的差異[25-26]。

3.2　蛋白質(zhì)對豬腸道微生物組成的影響

研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼糧蛋白質(zhì)水平的增加，未被前腸消化吸收的蛋白質(zhì)通過水解作用常以肽或氨基酸的形式進入大腸，被微生物發(fā)酵利用，合成微生物蛋白質(zhì)和揮發(fā)性脂肪酸等代謝產(chǎn)物。支鏈脂肪酸嚴格由微生物利用異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸生成，所以支鏈脂肪酸可以作為微生物利用蛋白質(zhì)的標記[27]。Cho等[28]研究發(fā)現(xiàn)，與高蛋白質(zhì)飼糧組(20%)相比，低蛋白質(zhì)飼糧組(15%)豬糞樣中酚、吲哚、短鏈脂肪酸和支鏈脂肪酸的含量減少了35%～40%，這提示腸道內(nèi)微生物對蛋白質(zhì)營養(yǎng)的利用與飼糧蛋白質(zhì)水平緊密相關(guān)。而高蛋白質(zhì)水平飼糧會增加后腸含氮物質(zhì)的含量，提高腸道內(nèi)pH，進一步抑制了乳酸桿菌的生長，促進了致病性微生物的增殖[29]。羅振等[30]在低蛋白質(zhì)水平飼糧上的研究發(fā)現(xiàn)，與正常蛋白質(zhì)水平飼糧(16%)相比，低蛋白質(zhì)水平飼糧(10%)顯著影響了育肥豬盲腸食糜微生物種類，但盲腸食糜擬桿菌門、厚壁菌門等優(yōu)勢菌的數(shù)量并未受到顯著影響，而盲腸黏膜微生物的種類與數(shù)量均未發(fā)生明顯變化。這可能是由于腸道黏膜微生物菌群組成相對比較穩(wěn)定，不容易受到外界環(huán)境影響。并且，與食糜微生物相比，黏膜微生物菌群由宿主動物選擇形成，宿主動物遺傳因子的作用可能超過了環(huán)境影響[31]。

飼糧蛋白質(zhì)的不同來源對腸道微生物菌群的組成與代謝具有一定選擇性作用。有研究表明，腸道微生物合成B族維生素受到腸道內(nèi)飼糧蛋白質(zhì)的降解速度、降解量以及降解生物氨與微生物可利用物質(zhì)的平衡影響[32]。俞曉輝等[33]研究了飼糧中2種大豆發(fā)酵蛋白質(zhì)分別替代部分魚粉對斷奶仔豬腸道主要菌群的影響，結(jié)果表明2種大豆發(fā)酵蛋白質(zhì)具有促進后腸乳酸桿菌的增長和抑制大腸桿菌的作用，但以枯草芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌為主發(fā)酵的大豆蛋白質(zhì)明顯優(yōu)于以枯草芽孢桿菌、酵母菌和曲霉菌為主發(fā)酵的大豆蛋白質(zhì)。這主要與大豆中大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白(過敏蛋白質(zhì))的含量有關(guān)，過敏蛋白質(zhì)進入仔豬腸道后可引起過敏反應(yīng)。

因此，出于植物源蛋白質(zhì)抗營養(yǎng)性與動物源蛋白質(zhì)安全性等方面的考慮，在豬的實際生產(chǎn)中飼糧蛋白質(zhì)源的選擇應(yīng)當慎重。同時，與高蛋白質(zhì)水平飼糧相比，在限制性氨基酸滿足需要的前提下，適當?shù)慕档惋暭Z蛋白質(zhì)水平更有利于腸道健康并能減少含氮排放物的產(chǎn)生。

3.3　脂肪對豬腸道微生物組成的影響

豬飼糧中脂類物質(zhì)主要來自于植物油脂，常見的有豆油、椰子油、玉米油等。油脂中的甘油三酯是由1分子甘油和3分子脂肪酸構(gòu)成。進入消化系統(tǒng)的游離脂肪酸能夠穿過微生物的細胞膜，進而影響腸道微生物的生存。Boyen等[34]用不同脂肪酸飼喂感染鼠傷寒沙門氏菌的仔豬，結(jié)果表明被包裹的丁酸能夠降低仔豬糞中鼠傷寒沙門氏菌的數(shù)量，減少其在腸道內(nèi)的定植。以豬盲腸為模型研究中鏈脂肪酸(乙酸鈉、辛酸鈉和葵酸鈉)對腸道內(nèi)鼠傷寒沙門氏菌以及其他細菌的影響，結(jié)果顯示添加15 mmol/L的辛酸鈉能夠顯著降低大腸桿菌和沙門氏菌的數(shù)量，但是對其他細菌數(shù)量的影響不顯著[35]。不同脂肪酸的差異作用可能與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。中鏈脂肪酸可以通過細胞膜進入微生物細胞內(nèi)，降低pH，嗜偏堿性的致病性微生物為了保持正常pH而消耗大量能量，最終衰竭致死[36]。而短鏈脂肪酸在一定程度上有助于維護腸黏膜屏障的完整性[37]。

飼糧脂肪對豬腸道微生物的作用同樣受到脂肪來源與水平的影響。Li等[38]研究了豆油、椰子油單獨使用以及以不同比例混合使用對斷奶仔豬腸道的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)豆油和椰子油按1∶1混合使用比各自單獨使用提高了仔豬腸道絨毛高度，增加了腸道內(nèi)中鏈脂肪酸的消化率。不同油脂的差異作用可能與脂肪酸的組成有關(guān)。椰子油中50%以上脂肪酸是飽和中鏈脂肪酸，高比例的飽和脂肪酸不易腐敗。與長鏈脂肪酸相比，中短鏈脂肪酸更易與微生物作用。飼糧中添加適當來源的脂肪雖然能促進腸道優(yōu)勢菌的增殖，但其添加量也應(yīng)該有所考究。在人源細菌移植小鼠上的試驗結(jié)果表明，高脂飼糧會損傷腸道結(jié)構(gòu)，降低腸道菌群的多樣性，導(dǎo)致腸道微生態(tài)失調(diào)[39]。Hekmatdoost等[40]也發(fā)現(xiàn)，高脂飼糧增加了糞便中擬桿菌的數(shù)量，減少了益生菌的數(shù)量。這可能是由于過多的脂肪加速腸道代謝功能障礙，打破了腸道內(nèi)正常氧化-抗氧化還原系統(tǒng)的平衡，造成氧化應(yīng)激，影響腸道菌群穩(wěn)態(tài)[41-42]。

3.4　礦物質(zhì)和維生素對豬腸道微生物組成的影響

礦物質(zhì)和維生素是動物機體維持正常生理功能所必需的微量物質(zhì)，但是它們對于腸道菌群的影響還不十分清楚。有試驗研究表明，高鋅在抗仔豬腹瀉方面有顯著效果，這一效果與糞便中大腸桿菌數(shù)量的顯著降低有密切聯(lián)系，鋅離子可以通過抑制大腸桿菌的呼吸鏈而降低其有害作用[43]。然而也有研究認為，在斷奶仔豬飼糧中添加高鋅會提高大腸桿菌和腸球菌的數(shù)量，而添加高銅能抑制仔豬腸道有害菌的生長[44]。雖然近年來多種有機鋅和有機銅已經(jīng)逐步替代無機金屬化合物開始在養(yǎng)殖行業(yè)使用，但在生產(chǎn)實際中依然難以避免高銅、高鋅在畜產(chǎn)品中的殘留可能會給人類健康帶來危害的問題。同時，畜牧養(yǎng)殖過程中過量的銅、鋅和其他金屬元素的排放還會造成環(huán)境污染。由于這些金屬元素的使用本身還存在許多不確定問題，所以目前還難以徹底明確它們對于腸道微生物組成的影響。目前關(guān)于維生素的添加對豬腸道微生物影響的研究報道比較匱乏。這可能是因為腸道微生物本身就可以大量合成多種維生素，試驗難以準確衡量維生素的種類和劑量對腸道微生物的影響。但有研究指出，維生素D可以通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)改善仔豬的腸道健康[45]，這提示維生素可能對仔豬腸道微生物組成有一定影響。

3.5　微生態(tài)制劑及其他物質(zhì)對豬腸道微生物組成的影響

由于抗生素的長期泛濫使用，動物機體耐藥性細菌急劇增加，腸道微生物平衡也受到抗生素的干擾。微生態(tài)制劑作為主要的抗生素替代品應(yīng)用廣泛，其中備受矚目的就是各種益生菌。大量研究表明，乳酸桿菌、雙歧桿菌、屎腸球菌、芽孢桿菌等多種益生菌單一使用或聯(lián)合使用都能較好地改善豬胃腸道健康，優(yōu)化腸道微生物結(jié)構(gòu)，抑制腸道大腸桿菌和沙門氏菌等有害菌的增殖，降低仔豬腹瀉和腸炎的發(fā)生[46]。但益生菌使用中也存在作用不穩(wěn)定、添加劑量不確定、不同菌之間存在拮抗等實際問題。除微生態(tài)制劑以外，一些功能性添加劑如酶制劑、酸化劑、植物提取物等在改善豬腸道健康和調(diào)節(jié)腸道微生物平衡的過程中也發(fā)揮了重要作用，但普遍存在效果穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高等不足。目前，研發(fā)綠色高效的添加制劑仍然任重而道遠。

3.6　營養(yǎng)素比例對豬腸道微生物組成的影響

不同營養(yǎng)素在動物腸道內(nèi)并不是簡單地獨立存在，而是在各自發(fā)揮作用的同時還會相互影響，尤其是三大主要營養(yǎng)素相互之間的影響。Jha等[47]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧粗蛋白質(zhì)和非淀粉多糖的比例與生長豬結(jié)腸內(nèi)容物中氨氣(NH3)濃度呈正相關(guān)，而與短鏈脂肪酸含量呈負相關(guān)。這提示飼糧蛋白質(zhì)水平與纖維水平存在互作關(guān)系。類似的研究也證實，飼糧較高的蛋白質(zhì)水平(20%)與仔豬結(jié)腸中更多的蛋白質(zhì)發(fā)酵相關(guān)，而當同步提高纖維水平時可減弱蛋白質(zhì)發(fā)酵，減少糞便中腸桿菌的數(shù)量，并且促進碳水化合物發(fā)酵[48]。此外，有研究表明隨著飼糧碳水化合物與植物性脂肪能值比的降低，仔豬盲腸、結(jié)腸pH提高，揮發(fā)性脂肪酸含量降低，乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量降低，而大腸桿菌數(shù)量增加[49]。碳水化合物能值減少使得腸道微生物菌群可獲得的養(yǎng)料來源也相應(yīng)減少，盲腸、結(jié)腸微生物菌群失衡[50]；而油脂添加量的增加可引起腸道炎癥，增加促炎性腸道微生物數(shù)量，破壞腸道微生態(tài)平衡[51]。以上研究提示在飼料配制過程中，綜合考慮各營養(yǎng)素對豬腸道微生物菌群的相互作用，優(yōu)化營養(yǎng)素比例，更有利于改善豬腸道微生物菌群，促進腸道健康發(fā)育。

3.7　其他因素對豬腸道微生物組成的影響

豬腸道微生物菌群還受到飼養(yǎng)環(huán)境、采食方式以及食物形態(tài)等的影響。仔豬斷奶時，與母豬分離飼養(yǎng)環(huán)境發(fā)生改變，食物來源從母乳為主變?yōu)橥耆墓腆w飼料，采食方式與食物形態(tài)發(fā)生改變。這種環(huán)境、心理和營養(yǎng)上的應(yīng)激使得仔豬腸道內(nèi)大腸桿菌等有害細菌數(shù)量增加，嚴重時發(fā)生腹瀉。有研究表明，與哺乳仔豬相比，斷奶仔豬腸道中有益菌如乳酸桿菌數(shù)量顯著下降，而有害菌尤其是大腸桿菌數(shù)量卻顯著增加，仔豬腸道健康受到嚴重威脅[52]。因此，加強飼養(yǎng)管理，做好斷奶階段的過渡是養(yǎng)豬生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一。

4　小　結(jié)

腸道微生物菌群在豬的健康生長發(fā)育中扮演了重要角色，但是腸道微生物容易受到環(huán)境、應(yīng)激、疾病和營養(yǎng)等多種因素影響，導(dǎo)致腸道微生態(tài)變化或失衡。營養(yǎng)素是影響豬腸道微生物菌群平衡的關(guān)鍵因素，在實際生產(chǎn)中需根據(jù)豬的品種、日齡等綜合考慮，選擇適當?shù)臓I養(yǎng)搭配(包括不同營養(yǎng)素的來源、水平及比例)才能夠使腸道環(huán)境和腸道菌群達到最優(yōu)狀態(tài)。人與豬的腸道發(fā)育、生理結(jié)構(gòu)和代謝特點十分相似，深入研究營養(yǎng)素對豬腸道微生物組成影響的機制不僅可以提高豬的生產(chǎn)效率，也可為人類的腸道健康和相關(guān)疾病的診治提供理論依據(jù)。