馬 晨，馬 健,2*，范 雪，張文杰

（1.新疆農業(yè)大學動物科學學院，新疆烏魯木齊 830052；2.四川農業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，四川成都 611130）

動物消化道中的微生物種類眾多，這些微生物具有復雜的群落結構，在不斷進化的過程中與宿主機體呈現(xiàn)互利共存的聯(lián)系[1]。動物消化道微生物群落結構的穩(wěn)定有利于機體自身健康，維持動物生產性能的發(fā)揮。瘤胃是反芻動物獨有的器官，瘤胃微生物對飼糧的降解和發(fā)酵是反芻動物蛋白質和能量需要的主要來源[2]。Turnbaugh等[3]研究表明，人為干預消化道微生物可以對微生物宿主的代謝進行調控。很多研究者認為通過益生菌、飼糧以及微生物移植等均可以調控消化道菌群，在一些人類疾病治療方面已經得到了臨床驗證[4]。在反芻動物生產中，Ribeiro等[5]研究表明，重塑牛的瘤胃微生物群落可以改善瘤胃發(fā)酵，提高牛的采食量。隨著科學技術的進步，消化道微生物調控技術在反芻動物中的應用越來越廣泛，已經初步被證實可以有效地調控消化道微生物組成。本文闡述了反芻動物消化道微生物的功能及影響因素，綜述了國內外對反芻動物消化道微生物調控的研究現(xiàn)狀，以供該領域的相關從業(yè)者參考。

1 反芻動物消化道微生物的功能

1.1 消化道微生物的組成 對反芻動物而言，瘤胃微生物區(qū)系是研究的熱點。幼齡反芻動物瘤胃內的微生物與成熟動物有差異，通常情況下，在動物健康及外界環(huán)境不發(fā)生巨大變化時，將3～4周齡以后的瘤胃定義為成熟的瘤胃微生物區(qū)系[6-7]。但也有研究指出，反芻動物瘤胃微生物在2周歲以內都有可能發(fā)生較大變化[8]。雖然存在爭議，但不可否認的是，幼齡反芻動物瘤胃微生物區(qū)系還處在不穩(wěn)定的狀態(tài)。Jami等[9]研究發(fā)現(xiàn)奶牛瘤胃的優(yōu)勢菌豐度雖然隨著年齡的變化而出現(xiàn)顯著變化，但在組成上優(yōu)勢菌主要還是以變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門為主。對成熟的反芻動物來說，瘤胃的主要細菌比例為變形菌門4%、擬桿菌門31%和厚壁菌門56%[10]。雖然幼齡動物瘤胃也存在這3類細菌，但所占比例不同。Henderson等[11]研究了全世界不同國家共計742頭反芻動物的瘤胃微生物，發(fā)現(xiàn)各國反芻動物的核心菌群相同，優(yōu)勢細菌為梭菌和擬桿菌目，瘤胃球菌和毛螺菌科，丁酸弧菌、普氏菌和瘤胃球菌屬。

腸道是機體重要的消化吸收及免疫器官，反芻動物的腸道微生物結構與瘤胃有著明顯的區(qū)別，主要在于腸道和瘤胃的功能差異。Mao等[12]研究指出，奶牛糞便中的優(yōu)勢細菌所占比例分別為厚壁菌門63.7%、變形菌門18.3%、擬桿菌門7.6% 和放線菌門6.8%。Deoliveira等[13]分析發(fā)現(xiàn)在門水平上牛的各腸段都是以厚壁菌門和變形菌門為主，但在科水平上差異較為明顯；此外，相比于瘤胃中的優(yōu)勢菌，腸道中的變形菌門和厚壁菌門的豐度更高，而螺旋菌門和擬桿菌門較少。

1.2 消化道微生物的功能

1.2.1 微生物與消化代謝 對反芻動物來說，消化道微生物可以調節(jié)宿主消化代謝。Rubino等[14]指出，瘤胃內的微生物在植物纖維性物質降解過程中發(fā)揮關鍵作用，其中，普氏菌主要降解半纖維素，而纖維素的降解主要是梭菌屬參與。此外，Jewell等[15]研究表明，瘤胃中的某些優(yōu)勢菌與飼料利用率具有相關性，如毛螺菌科與飼料利用率呈正相關關系，而纖維桿菌科、瘤胃菌科及普氏菌科則與飼料利用率負相關。在肉牛上研究也顯示瘤胃菌群與飼料轉化率相關，韋榮球菌科和乳桿菌科在飼料轉化率低的肉牛中豐度更高[16]。以上研究揭示了消化道微生物與飼料利用率的關系可能比傳統(tǒng)的看法更加復雜，需要做進一步研究。

1.2.2 微生物與生產性能 在反芻動物上，研究主要集中在消化道微生物對采食行為的調控上，微生物對宿主采食量的調節(jié)被越來越多的研究者認可[17]。Rager等[18]研究表明，通過菌群移植可以有效提高真胃移位術后奶牛的采食量。此外，消化道微生物與產奶量有一定相關性。Xue等[19]指出，瘤胃微生物多樣性與產奶量密切相關，核心瘤胃菌群對產奶量的貢獻為53.9%。Jewell等[15]研究發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物多樣性隨著產奶量的變化而變化，瘤胃內的核心菌群變化趨勢與產奶量的高低相關。Wallace等[20]研究了英國、意大利、瑞典和芬蘭7個牧場的1 016頭奶牛，鑒定出含512種瘤胃菌群成員的核心菌群，富含擬桿菌目、螺旋體目和WCHB1-41目，具有保守的層級結構，與甲烷排放、產奶量及瘤胃發(fā)酵相關。

1.2.3 微生物與機體健康 消化道中的微生物數(shù)量眾多，不是所有的微生物都有利于宿主的健康。Ma等[21]試驗表明，乳房炎奶牛與健康奶牛的腸道菌群存在差異，移植乳房炎奶牛的糞便給無菌小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠也感染乳房炎，預示著腸道菌群紊亂可能是導致乳房炎發(fā)病的原因之一。此外，有研究表明，有菌動物的腸道上皮細胞更新速度是無菌動物的2倍，同時杯狀細胞數(shù)量提高，并指出腸道內的多種細菌均能調控上皮基因的表達[22]。微生物群落的改變還會影響消化道脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）通透性，使機體出現(xiàn)炎癥，消化道微生物還可以代謝對機體有害的外源物質，對宿主健康具有保護作用。

2 影響反芻動物消化道微生物群落的因素

2.1 動物年齡 微生物的種類及組成會隨著動物年齡的增加而發(fā)生變化。Li等[8]研究指出，對犢牛瘤胃微生物而言，豐度較高的細菌依次為擬桿菌門74.8%、厚壁菌門12% 和變形菌門10.4%，瘤胃微生物群落結構在不同年齡段差異較大。Georgios等[23]研究犢牛糞便微生物發(fā)現(xiàn)，糞便中豐度較高的細菌依次為厚壁菌門63.84%、擬桿菌門8.36% 和變形菌門3.72%，微生物多樣性隨著年齡增加而增加。Jami等[9]研究同樣表明，瘤胃細菌種類隨年齡增加而增加，瘤胃厭氧菌種類增多，而好氧菌則逐漸減少。

2.2 動物生理狀況 圍產期是反芻動物生理狀況比較敏感的一個時期。Derakhshani等[24]分析發(fā)現(xiàn)奶牛圍產前期瘤胃菌群中可降解纖維的丁酸弧菌屬和瘤胃球菌屬增加，而圍產后期瘤胃菌群中與蛋白質和淀粉分解及泌乳相關的細菌增加。對優(yōu)勢菌進行分析發(fā)現(xiàn)，從圍產前期進入到泌乳階段后，奶牛瘤胃微生物中的擬桿菌門∶厚壁菌門從6:1變?yōu)?2:1[25]。Lima等[26]研究表明，初產、經產及產前、產后奶牛瘤胃微生物多樣性差異較大，產前真菌含量高于產后，菌群變化與產奶量高度相關。反芻動物消化道微生物在圍產期變化較為劇烈，微生物的差異為通過微生物移植調控群落組成提供了研究基礎。此外，疾病通常會改變消化道微生物群落結構。Nagashima等[27]研究認為，新生犢牛腸道內的微生物數(shù)量很少，同時指出外源添加植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）能有效調控腸道微生物結構，降低犢牛腹瀉發(fā)病率。瘤胃酸中毒大多是因為飼喂谷物精料過多造成。Plaizier等[28]研究表明，瘤胃酸中毒會降低瘤胃和糞便細菌豐度及多樣性，同時降低擬桿菌門豐度，但對盲腸微生物影響不大。另有研究指出，真胃移位會改變瘤胃微生物群落結構，同時會顯著降低糞便微生物多樣性，造成糞便螺旋體門缺失[29]。由此可見，消化道微生物在治療動物疾病方面可能發(fā)揮重要作用。

2.3 飼糧 飼糧中的營養(yǎng)成分以及一些功能性成分不僅可以為機體提供養(yǎng)分，還可以影響消化道微生物群落。Fernando等[30]研究指出，高粗飼料飼喂奶牛時，瘤胃中的纖維菌門豐度更高，高精料飼喂時，擬桿菌門豐度更高，而當飼糧由高粗轉變?yōu)楦呔珪r，瘤胃中的牛鏈球菌和埃氏巨型球菌顯著升高。另有研究證實，飼糧中纖維和淀粉比例不同時，雖然瘤胃中的優(yōu)勢菌不受影響，但瘤胃微生物組成會發(fā)生變化，當?shù)矸酆扛邥r，多聚糖降解菌豐度變高，當纖維含量高時，纖維降解菌豐度變高[31]。Rico等[32]試驗顯示，奶牛瘤胃微生物區(qū)系在飼喂高脂肪低纖維飼糧8 h后發(fā)生變化，普氏菌（與淀粉降解相關）和產琥珀酸絲狀桿菌（與纖維降解相關）豐度分別降低66% 和97%，但反芻新月形單胞菌和埃氏巨型球菌（與乳酸利用相關）升高170%。Auffret等[33]報道，肉牛飼糧中谷物濃縮料含量高時，瘤胃菌群中耐藥性和致病性相關細菌的豐度和多樣性較高。在后腸道中，Liu等[34]研究發(fā)現(xiàn)高能飼糧會改變山羊結腸的微生物結構，引起結腸損傷。

2.4 抗生素及飼料添加劑 一些抗生素及飼料添加劑的使用也會影響消化道微生物的組成。Shen等[35]試驗表明，乳酸鏈球菌和莫能菌素均可以降低瘤胃內細菌和真菌數(shù)量，莫能菌素降低原蟲效果更加明顯，但乳酸鏈球菌在維持瘤胃微生態(tài)方面更有優(yōu)勢。Li等[36]試驗也表明，飼喂巴氏殺菌抗生素牛奶可以降低犢牛瘤胃中的擬桿菌門豐度，提高厚壁菌門豐度。雖然在抗生素功能強大，但其殘留問題不容忽視，在生產中要控制抗生素的使用。

生產中常使用一些飼料添加劑提高動物的生產性能。Foditsch等[37]研究發(fā)現(xiàn)，普拉梭菌處理組腹瀉犢牛腸道中普拉梭菌豐度顯著高于對照組，有效治療了犢牛腹瀉。Malekkhahi等[38]研究了飼糧中添加鈉蘋果酸鈣和活性干酵母對正常奶牛以及瘤胃酸中毒奶牛瘤胃微生物區(qū)系的影響，發(fā)現(xiàn)添加鈉蘋果酸鈣和活性干酵母均能提高瘤胃中纖維桿菌和大腸桿菌屬，但在瘤胃酸中毒時，活性干酵母組的埃氏巨型球菌豐度要更高。

3 反芻動物消化道微生物調控技術

3.1 飼糧 在反芻動物上，飼糧的組成結構及成分均可以有效調控消化道微生物群落。Chen等[39]試驗表明，肉牛瘤胃微生物結構會隨著飼糧變化而轉變，使宿主更好地消化飼糧。Lettat等[40]研究指出，飼糧中青貯飼料比例高時可以增加奶牛瘤胃總細菌數(shù)，減少原蟲數(shù)量，同時降低了產甲烷菌代謝活性，降低甲烷排放。飼糧中添加一些特定成分對消化道菌群也可以起到調控作用。Abecia等[41]在羔羊3月齡之前的飼糧中添加溴甲烷，羔羊瘤胃內的產甲烷菌數(shù)量在6月齡時顯著減少，降低了甲烷產量，提高了羔羊的日增重。另有研究指出，給幼齡羔羊（2～6周齡）飼糧中添加亞麻籽油可以顯著降低16周齡羔羊瘤胃內甲烷短桿菌屬豐度，并且不影響羔羊的健康[42]。在犢牛上的研究發(fā)現(xiàn)，給犢牛飼喂牛奶后再飼喂普氏棲糞桿菌，犢牛糞便中的普氏棲糞桿菌數(shù)量增多，顯著降低犢牛的腹瀉率，提高了日增重[37]。對成年動物消化道微生物進行調控可以提高其生產性能。Xu等[43]研究指出，泌乳奶牛飼糧中添加益生菌（干酪乳桿菌和植物乳桿菌1:1混合）可以增加糞便中瘤胃發(fā)酵細菌和柔嫩梭菌，抑制一些致病菌，提高泌乳性能。

3.2 微生物移植

3.2.1 糞便微生物移植 健康機體糞便中的微生物結構正常，處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，移植給患病個體消化道內可以重建微生物結構，使患病機體恢復健康。吳兆海[44]利用糞菌移植技術來治療被動免疫失敗的犢牛，發(fā)現(xiàn)糞菌移植可以有效改善犢牛腸道微生物結構，并能維護腸道上皮屏障功能，對犢牛的生長和健康有積極影響。Ma等[21]試驗表明，奶牛糞菌移植給小鼠，可以在小鼠腸道內定植，并且乳房炎奶牛的糞便可以使小鼠患乳房炎。相對于單胃動物，反芻動物上的糞菌移植研究還處在起步階段，仍需要做進一步的研究。但在生產一線，一些牧場會將正常牛的糞便浸泡在水中，經過濾后灌注給病牛，對牛胃腸代謝疾病可以起到治療的目的。

3.2.2 瘤胃微生物移植 瘤胃作為反芻動物特有的器官，很多研究證實瘤胃微生物移植對反芻動物有著重要作用。用于移植的瘤胃液或內容物要滿足以下要求[45]：①因pH較低時，原蟲數(shù)量會減少，因此瘤胃液pH最好在6以上；②應該禁止移植泡沫較多的瘤胃液，最好能對原蟲活性進行檢測；③采集后的瘤胃液最好30 min內完成移植；④犢牛和羊移植所需瘤胃液體積為1 L，成年牛在8～16 L。

瘤胃微生物對反芻動物的消化代謝及生產性能等都有重要影響，已有研究證明瘤胃微生物移植是治療動物消化不良等疾病的有效方法[18]。Depeters等[17]研究表明，通過瘤胃微生物移植技術可使奶牛的采食量短時間恢復。Ribeiro等[5]將70%的野牛瘤胃內容物與肉牛進行互換，發(fā)現(xiàn)肉牛瘤胃微生物群落得以改變，并提高了蛋白質消化率以及干物質采食量。在幼齡動物上，瘤胃微生物移植也表現(xiàn)出良好的前景。有研究表明，給羔羊移植母羊瘤胃液可以顯著提高其瘤胃微生物數(shù)量，并提高了羔羊的生長性能和營養(yǎng)物質消化率[46]。

此外，瘤胃微生物移植在其他方面也發(fā)揮著重要作用。Ji等[47]試驗表明，瘤胃微生物移植能有效恢復抗生素所導致消化道微生物紊亂。Rager等[18]將健康牛的瘤胃液移植給手術后奶牛的研究發(fā)現(xiàn)，移植組的奶牛采食量和產奶量都顯著高于未移植組。有研究指出，產后50 d的奶牛瘤胃核心菌群豐度相比于產后7 d更高，將泌乳高峰期奶牛的瘤胃液移植給圍產后期奶牛，可以重塑其瘤胃微生物群落，提高了采食量，有利于緩解能量負平衡[45]。Zhou等[48]分析了肉牛瘤胃微生物移植后對受體菌群重建及飼料轉化率的影響，發(fā)現(xiàn)移植對糞球菌屬及乳桿菌屬的響應最大，其中有18個細菌種系與飼料轉化率相關。在反芻動物生產中，微生物移植可以發(fā)揮重要的作用，這些研究證實了微生物移植是維持反芻動物健康水平的有效方法。

4 小 結

消化道微生物在反芻動物營養(yǎng)物質消化和健康維持中起著重要作用，同時，很多因素都可以影響消化道微生物群落，有效調控消化道微生物可以更好地發(fā)揮動物生產性能，維持動物健康。但由于消化道微生物種類復雜，目前研究還處在初級階段，隨著科技的進步，利用代謝組學對消化道微生物的代謝進行研究，能更好地調控消化道微生物。此外，作為反芻動物，尤其是成年奶牛，其瘤胃微生物移植所需要的量較大，因此體外培養(yǎng)微生物用于移植的相關研究值得開展。