張春華，艷 城，金 鹿，李勝利，桑 丹，張崇志，那順烏日?qǐng)D，孫海洲★

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 010031；2.蘇尼特右旗畜牧工作站 011200）

在首次描述反芻動(dòng)物瘤胃微生物近100 年后，劍橋大學(xué)進(jìn)行了開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）大部分直接被前胃壁吸收[1]。 這一創(chuàng)舉更新了人們對(duì)瘤胃的認(rèn)識(shí)，瘤胃不僅僅是一個(gè)單純的發(fā)酵室，還是動(dòng)物機(jī)體的一個(gè)非常重要的吸收器官。 如今，人們普遍認(rèn)為，反芻動(dòng)物瘤胃產(chǎn)生的50%～85%的SCFA 直接被網(wǎng)狀細(xì)胞壁吸收，只有15%～50%的SCFA 進(jìn)入消化系統(tǒng)的末端。 未被網(wǎng)狀組織吸收而直接進(jìn)入消化系統(tǒng)末端部位的SCFA 因物種的不同而不同，其中綿羊?yàn)?5%、犢牛為15%～20%、奶牛和閹牛為29%～39%[2]。

雖然網(wǎng)狀細(xì)胞壁吸收的SCFA 絕對(duì)量取決于日糧能量攝入量，但研究發(fā)現(xiàn)瘤胃內(nèi)產(chǎn)生的SCFA 量與進(jìn)入瓣胃的SCFA 量之間沒有線性關(guān)系[3,4]。 此外，研究發(fā)現(xiàn)極端能量攝入（4 倍維持）反而會(huì)提高未被吸收進(jìn)入瓣胃的SCFA 比例[5]。 為了提高反芻動(dòng)物的產(chǎn)奶量或體重， 通常會(huì)在日糧配方中配制一定比例的可發(fā)酵碳水化合物，反芻動(dòng)物瘤胃中碳水化合物發(fā)酵所產(chǎn)生的SCFA 是反芻動(dòng)物的主要能量底物。 因此，高度可發(fā)酵的碳水化合物日糧為反芻動(dòng)物的維持和生產(chǎn)提供了更多的潛在能量， 但同時(shí)也增加了瘤胃液中的酸的積累和滲透壓， 從而增加了瘤胃酸中毒的風(fēng)險(xiǎn)。 反芻動(dòng)物瘤胃上皮或獨(dú)立地或同時(shí)暴露于高滲和酸性條件下均會(huì)降低瘤胃上皮的吸收功能和屏障功能。SCFA 積累導(dǎo)致的反芻動(dòng)物酸中毒會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生很多負(fù)面影響， 但瘤胃上皮對(duì)SCFA 的吸收作用會(huì)對(duì)瘤胃液pH 值的調(diào)節(jié)有很大貢獻(xiàn)。因此，需要全面了解影響瘤胃上皮SCFA 吸收和屏障功能的調(diào)節(jié)因素。本文主要就高非纖維性碳水化合物 （non-fibrous carbohydrates，NFC）日糧對(duì)瘤胃上皮結(jié)構(gòu)和功能、瘤胃pH 和瘤胃上皮SCFA 吸收的影響進(jìn)行綜述。

1 高NFC 日糧對(duì)瘤胃上皮結(jié)構(gòu)和功能的影響

瘤胃是反芻動(dòng)物日糧營養(yǎng)素發(fā)酵和吸收的最重要器官。 瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物主要是SCFA，即乙酸、丙酸和丁酸，這些酸在瘤胃中的比例分別為45%～70%、15%～40%和5%～20%。這三種SCFA 占瘤胃中總產(chǎn)酸量的95%以上， 瘤胃液中SCFA 的累積濃度可達(dá)60～150mmol/L。 SCFA 是反芻動(dòng)物機(jī)體的主要能量來源，能滿足反芻動(dòng)物大約60%～75%的能量需求。 因此，SCFA 在維持反芻動(dòng)物能量穩(wěn)態(tài)中起著重要作用[6，20]。 精料是動(dòng)物日糧中一類可快速發(fā)酵的物質(zhì)， 為瘤胃微生物群和瘤胃上皮細(xì)胞的活動(dòng)提供了大部分能量。 研究表明，提高精料在日糧中的比例（從10%增加到35%）可促進(jìn)瘤胃上皮細(xì)胞增殖并增加幼仔山羊的瘤胃乳頭尺寸[7]，增大的瘤胃乳頭可使瘤胃上皮表面區(qū)域最大化以增加吸收表面積。 此外，高精料日糧還有助于日糧營養(yǎng)和離子的吸收[8]，通過刺激瘤胃上皮中相應(yīng)載體的表達(dá)[9]，以達(dá)到維持瘤胃中的免疫穩(wěn)態(tài)[10]。 但當(dāng)日糧精料進(jìn)一步增加至65%～85%時(shí)， 可導(dǎo)致瘤胃SCFA 產(chǎn)量過高，并降低瘤胃pH。 高SCFA 和低pH 可協(xié)同誘發(fā)瘤胃乳頭角化不全， 并加速瘤胃上皮的復(fù)層鱗狀細(xì)胞的脫落和分層[11]。 這些形態(tài)變化最終將破壞瘤胃上皮細(xì)胞的緊密連接，并增加從瘤胃管腔到瘤胃上皮組織的有毒物質(zhì)的滲透性或細(xì)胞旁轉(zhuǎn)運(yùn)[12]，從而對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能和健康狀況產(chǎn)生負(fù)面影響[13]。 微生物代謝物的改變和瘤胃上皮的損傷是對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能產(chǎn)生負(fù)面影響的重要原因。

2 高NFC 日糧對(duì)瘤胃pH 的影響

日糧中有機(jī)物質(zhì)的微生物發(fā)酵會(huì)引起作用于微生物生態(tài)系統(tǒng)的pH 發(fā)生變化，從而決定瘤胃內(nèi)某些微生物物種的選擇性生長以及瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物的類型和數(shù)量[14]。碳水化合物發(fā)酵會(huì)釋放有機(jī)酸，這些有機(jī)酸很容易分解以降低瘤胃pH[14]。 相比之下，日糧中蛋白質(zhì)或非蛋白氮（non-protein nitrogen，NPN）的發(fā)酵可能會(huì)釋放過量的氨，這種氨容易與質(zhì)子結(jié)合以提高瘤胃pH。 因此，日糧營養(yǎng)物的發(fā)酵（通常在pH＜7 時(shí)進(jìn)行）會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子的釋放，從而降低瘤胃pH。

反芻動(dòng)物瘤胃是用于供給機(jī)體營養(yǎng)的最精細(xì)的體內(nèi)發(fā)酵罐之一[14]。 這個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)的pH 穩(wěn)態(tài)不僅決定了反芻動(dòng)物瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和最終產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值， 還決定了動(dòng)物的機(jī)體健康，因?yàn)閴A性和酸性偏差都可能導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生健康失調(diào)。 采食過量的蛋白質(zhì)可能會(huì)引起反芻動(dòng)物pH 的堿性紊亂。 然而，對(duì)反芻動(dòng)物堿中毒的描述僅限于極少數(shù)的報(bào)道[15]。而酸中毒是一個(gè)廣為人知的問題， 因?yàn)槟壳暗募s化生產(chǎn)系統(tǒng)依賴大量碳水化合物的攝入來滿足動(dòng)物的能量需求。因此，長期飼喂高NFC 日糧會(huì)顯著降低瘤胃pH， 而長時(shí)間低于生理狀態(tài)的pH 則會(huì)導(dǎo)致反芻動(dòng)物產(chǎn)生亞急性或急性酸中毒。

3 高NFC 日糧對(duì)瘤胃上皮SCFA 吸收的影響

瘤胃對(duì)SCFA 的吸收量約占其產(chǎn)生量的50%～85%[2]。然而，瘤胃吸收的SCFA 不能作為評(píng)價(jià)影響瘤胃pH 穩(wěn)態(tài)的重要影響因素。 早期的研究發(fā)現(xiàn)瘤胃對(duì)SCFA 的吸收取決于SCFA 鏈長、吸收的pH 依賴性、吸收過程中SCFA 的部分代謝、SCFA 吸收對(duì)瘤胃pH 穩(wěn)定的貢獻(xiàn)、以及SCFA 吸收時(shí)瘤胃中出現(xiàn)碳酸氫鹽等因素。 過去50 年的研究拓展了這些早期發(fā)現(xiàn)，并通過體外技術(shù)和分子技術(shù)提供了功能性解釋。 因此，我們今天認(rèn)識(shí)到，瘤胃對(duì)SCFA 的吸收并不是完全由能量輸入、微生物動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)因素決定的，瘤胃上皮本身也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵因素，對(duì)降低瘤胃pH 和質(zhì)子負(fù)荷也起著至關(guān)重要的作用。

以前對(duì)瘤胃上皮適應(yīng)的機(jī)制研究主要集中在通過逐漸增加日糧的可發(fā)酵性來促進(jìn)瘤胃吸收表面積的擴(kuò)大，但實(shí)際上，這種上皮適應(yīng)能力不僅僅涉及反芻動(dòng)物上皮細(xì)胞的肥大和增生。雖然反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵的開始和SCFA 的產(chǎn)生似乎與斷奶后胃腸屏障功能的建立有關(guān)[16]， 但高NFC 日糧誘導(dǎo)的極高濃度的SCFA 則損害了反芻動(dòng)物瘤胃上皮屏障（rumen epithelial barrier，REB）功能[17]。 此外，反芻動(dòng)物瘤胃pH 和SCFA 總量也會(huì)損壞瘤胃屏障功能[18]。研究表明，當(dāng)反芻動(dòng)物采食發(fā)酵性更強(qiáng)的日糧時(shí)，還會(huì)增加參與SCFA 吸收、代謝和調(diào)節(jié)瘤胃組織細(xì)胞內(nèi)pH 的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和酶的基因表達(dá)[19]?？偟膩碚f，這些研究表明，瘤胃上皮的最初適應(yīng)性反應(yīng)是由形態(tài)學(xué)改變介導(dǎo)了個(gè)體細(xì)胞的功能性改變。 然而，這一適應(yīng)過程所涉及的時(shí)間還未被準(zhǔn)確定義，迄今為止，只對(duì)鈉離子（Na+）的吸收進(jìn)行了調(diào)查。

保持選擇性滲透是促進(jìn)離子定向運(yùn)動(dòng)的一個(gè)非常重要的參數(shù)。 在沒有濃度梯度的情況下，Na+的黏膜-漿膜通量常常會(huì)高于凈吸收的漿膜-黏膜通量。 然而，瘤胃屏障功能的損壞則會(huì)增加黏膜到漿膜之間的流量，從而減少凈吸收。 此外，選擇性滲透對(duì)于調(diào)節(jié)潛在有害分子如脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）和組胺（Histamine）進(jìn)入動(dòng)脈循環(huán)也是必不可少的。 當(dāng)反芻動(dòng)物采食發(fā)酵性更強(qiáng)的日糧時(shí)，瘤胃上皮的屏障功能是增加還是減少，文獻(xiàn)中存在差異。 部分差異可能是基于采食的精料的水平和類型，以及動(dòng)物在評(píng)估瘤胃屏障功能之前采食精料的持續(xù)時(shí)間。 因此，了解瘤胃上皮屏障功能適應(yīng)時(shí)間表對(duì)于理解反芻動(dòng)物胃腸生理學(xué)非常重要。

SCFA 的吸收主要通過瘤胃上皮頂膜的吸收途徑而被動(dòng)擴(kuò)散的，以電中性促進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的碳酸氫鹽進(jìn)行交換，并通過硝酸鹽敏感途徑促進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)[19]。 因此，至少50%的SCFA 攝取是通過蛋白質(zhì)過程介導(dǎo)而發(fā)生的，并且隨著SCFA 濃度的增加，對(duì)SCFA/HCO3交換的依賴也在增加。 考慮到日糧轉(zhuǎn)變過程中反芻動(dòng)物pH 降低的風(fēng)險(xiǎn)[20]，以及SCFA 吸收途徑對(duì)反芻動(dòng)物pH 的穩(wěn)定有不同貢獻(xiàn)， 我們需要弄明白個(gè)體途徑在適應(yīng)發(fā)酵性更強(qiáng)的日糧的過程中是如何受到影響的是非常重要的。

4 小結(jié)與展望

反芻動(dòng)物以高發(fā)酵性飼料喂養(yǎng)時(shí)，會(huì)在瘤胃中產(chǎn)生大量的SCFA。 SCFA 在瘤胃上皮主要通過親脂性擴(kuò)散的方式被吸收入血，所以SCFA 是瘤胃酸堿平衡的關(guān)鍵因素。 但是不同反芻動(dòng)物瘤胃吸收SCFA 的能力是導(dǎo)致動(dòng)物個(gè)體患酸中毒的關(guān)鍵決定因素。 為了更好地了解瘤胃的酸堿狀態(tài)，在未來評(píng)估不同瘤胃pH下對(duì)回收的H+的數(shù)量以及鈉氫交換（Na+/H+exchanger，NHE）進(jìn)行評(píng)估也是至關(guān)重要的。 因此， 未來的研究中還需加強(qiáng)研究SCFA 吸收、尿素分泌和NH4+吸收之間的相互作用。