豬胃腸道微生物菌群的研究現狀淺析

摘要：動物胃腸道微生物菌群與宿主胃腸道環境和宿主所處的外界環境密切相關，形成統一的整體。本文對豬胃腸道微生物菌群的組成和分布、菌群的作用、影響菌群的因素以及菌群的研究手段和調控等進行了淺析，為豬胃腸道微生態區系的研究和調控提供參考。

關鍵詞：豬；胃腸道微生物菌群

中國分類號：S828.1－1 文獻標識號：A 文章編號：1001—4942(2011)10—0090—05

動物胃腸道正常微生物區系在動物營養、健康、防病、免疫等方面發揮著重要作用。從19世紀法國微生物學家巴斯德提出正常菌群對宿主是有益的學說以來，人們對畜禽胃腸道正常微生物群的組成、定殖規律及其與宿主關系有了越來越多的了解。畜禽胃腸道微生物在正常情況下，各種菌群處于穩定的平衡狀態，保證其胃腸道正常的消化和吸收。同時，有益菌群定殖于胃腸道內壁黏膜，形成非特異性生物保護屏障，抑制病原菌在消化道壁的定殖，維持胃腸道正常的微生態平衡。當外界環境發生變化或餌料變更等應急狀態時，這種理想的微生物區系平衡會受到沖擊，消化道內的有害菌群增多，將會導致細菌性疾病的暴發。由此可見，動物胃腸道微生物區系的理論平衡是宿主動物保持良好的健康狀況和發揮正常生產性能所必須的條件。因此，如何利用益生素、化學益生素等調控動物胃腸道微生物組成，保持動物胃腸道微生物區系平衡、維持動物健康成為國際上的研究熱點。

1 豬胃腸道微生物的組成和分布

研究表明，動物出生前胃腸道中是無菌的，但是出生后3-4 h，腸道內開始檢測出細菌。微生物菌群在消化道內的定殖順序首先是需氧菌，然后是兼性厭氧菌，最后是專性厭氧菌。蘇勇等(2006)研究結果顯示，哺乳期仔豬胃中細菌數量較低，Pluske等(2003)認為，哺乳期仔豬胃和小腸中的優勢菌群為乳酸桿菌和鏈球菌。斷奶仔豬胃腸道微生物環境很不穩定，斷奶應急和日糧成分的變化，使胃腸道內環境發生了改變，因而胃腸道中微生物的數量及定殖位點也會隨著發生改變。有研究顯示，無菌采集斷奶仔豬(30日齡)胃、十二指腸、回腸、盲腸和直腸各腸段及內容物測定菌群數量，結果發現，胃、十二指腸、回腸、盲腸和直腸中雙歧桿菌(Bifidobacterium)均為優勢菌，胃中雙歧桿菌最多，其次是乳酸桿菌。十二指腸中雙歧桿菌最多，其次是腸桿菌(Enter-obacter)、乳酸桿菌(LactobaciIlus)。回腸中雙歧桿菌最多，其次是腸球菌(Enterococcus)、小梭菌(Clostridium)、腸桿菌；盲腸中雙歧桿菌最多，其次是小梭菌；直腸中雙歧桿菌最多，其次是小梭菌、乳酸桿菌。而數量上，雙歧桿菌在十二指腸中最多，乳酸桿菌在胃、直腸中最多，腸桿菌在回腸中最多，腸球菌在回腸、直腸中最多，小梭菌在盲腸中最多。

2 豬胃腸道微生物菌群的作用

2.1 營養作用

動物胃腸道菌群依賴動物體自身營養或分解動物胃腸道內食物而賴以生存，同時，菌群及其代謝過程產生的維生素及胞外酶產物可被動物機體吸收，在營養、消化和吸收方面具有重要作用。研究表明，非反芻動物以豬為例，胃腸道菌群在體內能合成B族維生素并為宿主所利用；單胃動物盲腸中菌群可以產生有機酸，為動物機體提供營養的同時，還間接提高了蛋白質和能量利用率，乳酸菌產生的乳酸能抑制植酸對腸道中鈣和磷的絡合，增加機體對鈣和磷的吸收。

2.2 拮抗作用

定殖在豬胃腸道內的細菌可以抑制外源菌生長與定殖，對豬健康生長、預防病害有積極意義。專性厭氧菌在代謝過程產生揮發性脂肪酸和乳酸，降低胃腸道pH和氧化還原電勢，從而抑制外源菌的生長和繁殖，同時大量酸使腸內容物變酸，促進腸蠕動，從而使外源菌未與胃腸道黏膜表面接觸、粘附就被排出；另外占優勢的腸道菌還通過與黏膜上皮細胞緊密結合，起到對宿主細胞占位性保護作用。此外微生物代謝產生一些抗菌的活性物質，乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)能分泌具有廣譜抗菌活性的類細菌素物質，對大腸桿菌(Escherichia coil)等革蘭氏陰性菌具有抑制作用。

2.3 免疫作用

胃腸道菌群與宿主之間是相互影響、相互作用的復雜系統。宿主將這些細菌當作自身免疫的一部分，一般不引起或僅產生低水平的免疫反應。無菌動物的研究中，當腸道菌群缺乏時，往往造成腸道免疫系統發育不良，腸道的形態也受到破壞，免疫球蛋白水平處于較低水平。研究認為，動物胃腸道穩定的菌群結構能協助動物免受感染，特別是胃腸道感染。乳酸菌在胃腸道中定殖可以抵抗致病菌、增強抗感染能力的同時，還可以增加腸黏膜的免疫調節活性。

2.4 致病作用

動物胃腸道菌群正常條件下，處于動態平衡，維持動物胃腸道正常的生理功能，但當胃腸道內外環境變化時，胃腸道的平衡遭到破壞，使病原菌或條件致病菌異常增殖，導致動物疾病的發生。

3 影響動物胃腸道菌群的因素

3.1 生長階段

仔豬胚胎處于無菌狀態，出生3-4 h后腸道內可檢測到大腸桿菌和鏈球菌。仔豬從出生到斷奶后胃腸道菌群的組成一直在發生連續的變化，一般認為直到育肥期才趨于平衡。仔豬前兩周內胃腸道微生物主要來源于母豬。斷奶后仔豬，由于斷奶應激降低了自身循環抗體水平并抑制細胞免疫力和免疫水平，使仔豬抗病力弱易感染病原微生物。另一方面，斷奶后消化酶活力下降，消化和吸收能力下降，使未消化的營養物質被病原菌利用而大量增殖，從而使仔豬消化道微生物區系發生紊亂。研究發現，仔豬斷奶后營養供應由母乳轉向飼料，胃腸道微生物菌群結構由乳酸菌為主的多樣性程度較低的簡單區系到以厚壁菌門和擬桿菌門細菌為主的高度多樣化的復雜區系的重建過程。

3.2 環境因素

外界環境如氣溫劇變會引起豬胃腸道菌群的數量變化。應激能破壞已建立的腸道保護性微生物群系。應急條件下，腸道微生物區系中乳酸菌減少，大腸桿菌數量增加，使腸腔積水，上皮細胞破壞，甚至導致腹瀉。

3.3 日糧

日糧發生變化時，動物胃腸道菌群也出現相應改變。日糧中的營養成分可以選擇性地刺激特定細菌生長。改變日糧中纖維數量可以調控胃腸道微生物群落結構。高纖維日糧顯著增加動物胃腸道中纖維分解菌數目。日糧類型對豬胃腸道微生物區系也有影響。飼喂液態飼料與飼喂干態日糧相比，豬胃腸道內容物大腸桿菌顯著降低，乳酸桿菌升高，但差異不顯著。可能因為液體飼料發酵過程中產生大量乳酸，使胃腸道pH值低于5.8，從而明顯抑制了大腸桿菌的生長，使乳酸桿菌與大腸桿菌的比值幅度增大。另外，許多非營養添加劑，如抗生素、益生素和中草藥等，都會影響胃腸道微生物區系。

3.4 豬的生理狀態

動物處于不同生理狀態，其胃腸道菌群數量和種類也呈現不同的結構特征。研究發現，健康仔豬糞便中存在大腸桿菌但不表現為優勢菌，而腹瀉仔豬糞便中，大腸桿菌為優勢菌，顯示仔豬腹瀉與大腸桿菌的過度繁殖成為腸道優勢菌有很大關系。

4 胃腸道菌群的研究手段

生態系統是由宿主、微生物和環境之間相互作用構成的統一整體，由各個層次、環節相互結成的立體交叉網絡，該網絡就是微生態系統的多維空間結構。

動物胃腸道微生物菌群與動物胃腸道環境和動物所處的外界環境密切相關，形成一個有機整體。動物胃腸道菌群與動物生長健康之間有密切的關系，隨著科學技術的不斷發展，研究胃腸道菌群的手段不斷創新。目前，研究手段主要為常規的分離培養技術和分子生物學方法。

4.1 常規分離培養技術

常規分離培養技術是將樣品直接接種于不同種類的培養基或培養液中，通過生物化學方法將分離純化到的不同微生物進行分類學鑒定和數量分析。分離培養技術是研究動物胃腸道微生態不可或缺的方法，通過分離培養技術可以獲得純培養物，并對微生物的組成、數量及其特性進行研究，獲得比較全面的信息，為理論研究和生產實踐提供重要的依據。

然而該方法同時也存在局限性，環境微生物很多是不可培養的，大多數厭氧微生物未被鑒定和描述，而且常規分離培養技術操作過程繁冗。其缺陷概括為以下幾個方面：(1)大部分微生物不能通過人工培養，可培養的細菌中也近有20％無法定性分析；(2)體外培養的微生物與其在自然狀態下的形態和特征存在差異；(3)分離培養技術操作過程繁冗。傳統分離培養方法鑒定細菌生長至少要12-24 h，而一些細菌生長較慢，營養要求高，鑒定所需時間更長。純化需要時間更長，至少需要3 d，多則15 d以上。細菌生化鑒定過程，生化試劑較多，鑒定后對比工作較為繁雜，而且鑒定結果與人的主觀因素有很大關系。

因此，常規分離培養方法無法獲取消化道菌群的全面信息，必須結合其他有效的方法更加全面的深入研究。

4.2 分子生物學方法

微生態區系的研究及其群落多樣性分析是微生物生態學研究內容，能準確、方便、快速地鑒定環境中的微生物個體，并對復雜群落結構和演替規律進行評價和分析。現今較成熟的技術有遺傳指紋、基因序列分析、全細胞原位雜交和定時定量PCR技術等。

4.2.1 16S rRNA技術在生物進化過程中，生物的核糖體RNA保持恒定的生物學功能和保守的堿基排列順序，與進化過程突變頻率一致，在結構上分為保守區和可變區。而原核生物核糖體小亞基的16S rRNA片段長度和堿基排列復雜程度適中，序列分析比較起來較為容易，利用通用引物對保守區部分或全部16S rDNA序列PCR擴增，通過對可變區設計特異性引物或探針進行屬、種和株系的區分。

4.2.2 核酸分子雜交技術該技術是利用DNA分子堿基互補配對原理，用特異性的核酸探針與待測樣品的DNA或RNA進行雜交，從而來檢測特定微生物類群的數量和組成。微生物的檢測范圍是由探針的特異性來決定的，例如用專一性探針對某一類微生物進行雜交，便可檢測出該類群微生物的存在。目前常用的核酸分子雜交技術主要是斑點雜交、熒光原位雜交技術和基因芯片技術。

4.2.3 實時熒光定量PCR技術該技術是指將熒光集團加入到PCR反映體系，利用熒光信號積累實時檢測整個PCR過程，結合標準曲線對未知模板進行分析的方法。該方法測定的并非是PCR產物，而是由本底進入指數增長階段的拐點所對應的循環次數(Ct值)，Ct值與模板DNA的起始拷貝數呈反比，能準確定量并反映出真實情況。該技術與其它分子生物學技術相結合，可以定性、定量的研究微生物區系的變化，深入了解微生物菌群與環境之間的相互作用及其動態變化過程，為全面、快速、準確分析鑒定復雜環境中微生物菌群提供了一種新的技術手段。

4.2.4 遺傳指紋技術該技術被引入到微生態研究中，逐步克服傳統分離培養方法的不足。其中變形梯度凝膠電泳(denatufing gradient gel elec—trophoresis，DGGE)和溫度梯度凝膠電泳(tern-perature gradient gel electrophoresis，TGGE)技術是直接利用DNA或RNA對微生物遺傳多樣性進行分析，可以鑒定出傳統方法不能分離到的細菌。該方法能方便、快捷地鑒定環境中微生物個體，并能進行復雜微生物演替規律、種群動態性、基因定位、表達和調控的評價分析。

細菌16S rDNA中有多個片段高度保守，該區域可變區的差異，可以設計細菌通用引物，來擴增細菌16S rDNA片段，區分不同的菌種。16SrDNA是菌群結構分析常用的分子標記技術。

PCR／DGGE技術廣泛用于土壤、人類、豬胃腸道、海面、蝦及魚類等菌群結構的研究中，該技術包括樣品細菌總DNA的提取、引物及探針的設計、PCR擴增、梯度凝膠電泳、基因文庫的篩選、序列測定和序列分析等。

5 豬胃腸道微生物的調控

豬消化道正常菌群的建立對于消化系統的正常發育具有重要的作用，而且正常菌群的建立能夠作為生物屏障阻止致病菌的入侵，同時提高豬的免疫力。因此，加強豬胃腸道微生物菌群的研究，在此基礎上開發出綠色高效的益生素和化學益生素等調控豬胃腸道微生物菌群，保持胃腸道微生物區的穩定，有望提高豬的抗病力和生產性能。

5.1 益生素

益生素(Probiotics)是一類通過促進腸道微生物平衡對宿主動物產生有益影響的活的微生物飼料添加劑，最早應用于陸生動物。益生素通過產生抑菌物質，如產生細菌素、類細菌素達到抑菌作用；益生素粘附在胃腸道菌(Lactococcus lactis)膜上皮細胞，形成保護性生物膜，有效減少病原菌的定位轉移、日糧和黏膜抗原經腸道的轉移，避免局部炎癥或者是自身免疫感染性疾病的發生，從而促進腸道的修復；另外，益生素有提高機體免疫機能、促進機體營養吸收等作用。研究表明，乳酸菌、芽孢桿菌(Bacillus)、酵母菌等均可作為益生素調控胃腸道微生物的組成。

益生素產品在調控仔豬腹瀉疾病中效果較好，但到目前為止，對益生素的研究絕大多數還在使用效果上，對其作用機理研究還不夠。專門化和序列化菌種的研制生產，研究益生素對胃腸道菌群的定性、定量和定位的作用機理，對針對性更好的菌種的尋找十分有益。總之，益生素作為一種天然綠色飼料添加劑，沒有抗生素的副作用，今后在畜牧業上的應用將更加廣泛。

5.2 益生元

益生元(Prebiofics)，狹義來講益生元主要是寡糖類產品，如果寡糖(FOS)、甘露寡糖(MOS)、異麥芽寡糖(a—GOS或IMO)等。MOS是從啤酒酵母中分離得到，不能被病原菌利用，但卻可以激活有益菌，促進腸道菌群向更加有益的細菌和類型轉變。日糧中添加MOS能顯著改善仔豬生產性能，對仔豬免疫機能也有一定影。FOS是一種非消化性寡糖，在小腸中有選擇性吸收能力，可以破壞有害微生物，增加小腸有益菌密度，對揮發性脂肪酸的產生也有一定效果。總之，益生元作為飼料添加劑能調節豬消化道微生物組成，提高豬抗病力和生產性能，但益生元對豬胃腸道微生物菌群的調控機制尚需進一步研究。

5.3 酸化劑(Acidic Agents)

畜禽胃腸道內乳酸菌等有益菌適宜在酸性環境中繁殖，致病菌生長的適宜pH值大多呈中性或偏堿性，因此酸化劑主要是通過降低胃腸道pH值，從而抑制有害微生物繁殖，減少營養物質的消耗和抗生長毒素的產生，同時促進有益菌的增殖。目前，生產中常用酸化劑主要包括單一酸化劑、以磷酸為基礎的復合酸化劑和以乳酸為基礎的復合酸化劑3種。單一酸化劑中延胡索酸和檸檬酸效果佳；復合酸化劑中以乳酸為基礎的復合酸顯著優于以磷酸為基礎的復合酸。

5.4 其它

日糧、飼喂方式等日常管理上進行胃腸道微生物調控，也可以有效維持動物胃腸道微生態平衡，從而提高豬的生長性能，降低豬發病率，從根本上提高養豬經濟效益。

6 展望

雖然豬胃腸道微生態的研究成為當前一個前沿領域，關于胃腸道微生態區系及其調控的研究還較薄弱。這也間接導致了生產中益生素和化學益生素的使用效果不穩定，限制了在豬禽養殖中的應用。因此加強豬胃腸道微生物組成和結構的研究，指導高效益生素、化學益生素和中草藥的開發和應用，促進我國畜禽養殖業的同時，還有助于從根本上解決養殖行業中抗生素和其他化學藥物的長期大量使用所帶來的負面效應，具有重要而深遠的意義。

參考文獻：

[1]高巍，孟慶翔.生長育肥豬胃腸道正常厭氧菌群的數量和分區[J].中國農業大學學報，2000，5(5)：88—93

[2]臧建軍，車向榮，岳文斌.豬禽腸道微生物調控的研究[J].中國飼料，2002，16：10—12

[3]付國兵，張麗明.仔豬腸道微生態的研究進展[J].營養與日糧，2009，11：24—26

[4]李德發.豬的營養(第2版)[M].北京：中國農業科學技術出版社.2003