丁酸梭菌的生物學功能及其在養豬生產中的研究與應用進展

祖立闖，李 嬌，李 峰，沈志強，

（1.山東綠都生物科技有限公司，山東 濱州 256600；2.山東省濱州畜牧獸醫研究院，山東 濱州 256600）

過去抗生素的應用對養豬產業的規模化、集約化快速發展發揮了巨大的促進作用，但抗生素過度濫用導致的豬群內源性感染和二重感染、耐藥性菌株產生、動物機體免疫力下降等諸多安全性問題日益突出，“無抗養殖”、“綠色飼料”已成為養豬產業健康發展的必然趨勢。丁酸梭菌是一種以丁酸、乳酸和乙酸為主要代謝產物的專性厭氧革蘭氏陽性芽孢桿菌，廣泛分布于動物和人的腸道中，最早于1933年由日本的千葉醫科大學宮入近治博士首先發現并進行研究，是一種具有調節腸道微生態平衡、促進生長發育、提高免疫力、抗氧化等多種生物學功能的微生態制劑，具有較高的開發應用價值[1-4]。早在2003年歐盟就批準丁酸梭菌可以作為肉雞和斷奶仔豬的飼料添加劑，我國對丁酸梭菌的研究與開發才剛剛起步，但發展較快，于2013年將其納入《中國飼料添加劑品種目錄（2013）》的《附錄二》中。當前，將丁酸梭菌作為新型飼料添加劑在養殖生產中推廣應用對于減少我國當前飼料中抗生素大量濫用、減少藥物殘留、降低動物細菌的耐藥性和保障動物健康方面有著重要的意義。文章就丁酸梭菌的形態特征與生物學特性、生物學功能及其在養豬生產中的研究與應用現狀進行綜述，為丁酸梭菌更好地推廣應用于養豬生產提供參考。

1 丁酸梭菌的形態特征與生物學特性

丁酸梭菌在生物分類學上屬于硬壁菌門（Firmicutes），梭菌綱（Clostridia），梭菌目（Clostridales），梭菌科（Clostridiaceae），梭菌屬（Clostridium），菌體為為革蘭氏陽性厭氧芽孢桿菌，寬0.5～1.7μm，長2.4～7.6μm，偶爾可見到絲狀菌體，周身鞭毛，具有運動性。菌種培養后中間略飽滿，菌體兩端呈卵圓形或圓形，易形成白色或乳白色的不透明菌落，邊緣不規則，濕潤，直徑為1～3mm，有酸臭味，培養后期產生孢子，芽孢呈圓形或卵圓形，使菌體偏末端部位膨大呈梭狀。同其他芽孢桿菌一樣，丁酸梭菌以孢子的形式存在，對外界環境的抵抗力較強，具有很強的穩定性和抗逆性。耐高溫，丁酸梭菌芽孢90℃處理10min，100℃處理5min都不會失活；在溫度為16～44℃仍可保持活性，其最適生長溫度為36℃。耐酸堿，在pH為1.0時仍能存活，在pH為4.0～9.8時能較好地生長，最適生長pH為7.2。在胃腸道內，能耐受胃液、膽汁酸和消化液，通過消化道不失活，在體外室溫干燥情況下可保存3年以上。這些生物學特性使丁酸梭菌能夠對飼料加工過程中的高溫、高濕、酸堿、機械摩擦和擠壓環境以及對動物胃腸道環境均具有較好的耐受性，使得丁酸梭菌成為一種適合在畜禽飼糧中添加且能被動物有效利用的、抗逆性強的益生菌飼料添加劑。

2 丁酸梭菌的生物學功能

2.1 改善腸道功能

2.1.1 調節腸道微生物菌落平衡 歷經長久的生物進化演變，任何動物腸道中的微生態區系達到了一個相對穩定的平衡狀態，一旦外界環境發生改變或生物體內部疾病的發生，各種有害菌或機體自身的有害菌迅速增殖，打破原有的腸道微生態平衡，導致多種疾病的發生，因此維持腸道微生物菌落平衡十分必要。丁酸梭菌作為一種益生菌制劑能夠調節腸道微生物菌落平衡，首先，丁酸梭菌進入動物機體后與致病菌競爭定植位點，減少致病菌對腸黏膜黏附和定植的機會，降低致病菌的黏附能力，抑制大腸桿菌、沙門氏菌等有害菌的生長，促進雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌的生長。其次，丁酸梭菌可在腸道中發酵糖類產生丁酸、乙酸、丙酸的酸化劑，能夠降低腸道pH，低pH可對大腸桿菌、沙門氏菌等致病菌起到抑制作用，為腸道益生菌的生長提供良好的環境。梁明振等[5]研究表明，在斷奶仔豬飼糧中添加0.8×107CFU/kg丁酸梭菌能夠顯著降低空腸、回腸、盲腸和結腸的pH，提高斷奶仔豬十二指腸、空腸、回腸、盲腸和結腸內丁酸梭狀芽孢桿菌的含量，顯著增加斷奶仔豬空腸、回腸、盲腸和結腸內的乳酸桿菌數，顯著減少斷奶仔豬盲腸和回腸內大腸桿菌數，說明在斷奶仔豬飼糧中添加適量的丁酸梭狀芽孢桿菌，可降低腸道pH和提高腸道內丁酸梭狀芽孢桿菌和乳酸桿菌的含量，降低大腸桿菌的含量。肖英平等[6]研究表明，肉仔雞基礎飼糧中添加3×107CFU/kg丁酸梭菌可顯著降低肉仔雞腸道中優勢菌群如丁酸菌屬的相對豐度提高，使致病菌如鏈球菌屬的相對豐度降低，改善腸道菌群結構。

2.1.2 維護腸黏膜健康 腸道黏膜是動物體內具有保護作用的組織學屏障，丁酸梭菌可加速腸黏膜上皮細胞的生長和幼畜腸道發育成熟。丁酸梭菌的主要代謝產物之一是丁酸，而丁酸是腸道上皮細胞的主要供能物質，可通過供給能量促進上皮細胞的增殖，對腸道上皮組織的再生和修復具有重要的作用。Ling等[7]研究丁酸梭菌對腹瀉的治療效果時發現，丁酸梭菌能夠明顯修復腸道黏膜損壞，上皮細胞腫脹脫落等癥狀。劉亭婷等[8]研究表明，在蛋雞飼糧中添加250、500、750、1 000 mg/kg丁酸梭菌均可顯著增加空腸黏膜厚度，維護腸黏膜健康。

2.1.3 改善腸道形態結構 腸道是消化和吸收營養物質的重要場所，而腸道的絨毛高度、隱窩深度、絨毛高度與隱窩深度的比值是衡量腸道消化吸收功能的重要指標。腸絨毛高度越高則腸上皮細胞的數量越多，腸上皮細胞數量越多，則小腸對營養物質的吸收能力越強。隱窩是腸絨毛根部向固有層下陷形成的管狀小管腔，隱窩變淺，說明腸上皮細胞的成熟率上升，吸收能力增強。若隱窩變深則說明機體代謝增強，維持需要增多，生產性能低。因此，絨毛高度與隱窩深度的比值很好地反映小腸的功能情況。劉亭婷等[8]研究表明，在蛋雞飼糧中添加250、500、750、1 000mg/kg丁酸梭菌均可顯著增加十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度以及絨毛高度與隱窩深度的比值。鄭有秀等[9]研究表明在斷奶仔豬飼糧中添加250、500、1 000和2 000mg丁酸梭菌不僅可顯著提高空腸絨毛高度，還可顯著提高空腸絨毛高度與隱窩深度的比值，改善腸道形態。

2.1.4 提供營養元素 丁酸梭菌能較好利用葡萄糖發酵產氫氣，同時能夠利用多種碳水化合物，如蔗糖、麥芽糖、棉籽糖、果糖、甘露糖、乳糖和淀粉，代謝產物有丁酸、乙酸、乳酸、丁醇等，同時還可產生淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶等多種消化酶制劑以及合成葉酸、吡哆醇、維生素B1等多種維生素和氨基酸，這有助于提高機體的營養物質消化吸收利用率，提高飼料轉化利用率，降低料重比，改善動物生長性能。賈聰慧等[10]研究表明，在肉仔雞基礎飼糧中添加3×108CFU/kg丁酸梭菌可顯著降低肉雞的料重比，增加肉仔雞的體重和平均日增重，提高生長性能。趙強等[11]研究表明，在基礎飼糧中添加100、200、400、600 g/t丁酸梭菌均可在一定程度上提肉仔雞的日增重和降低料重比，且隨著丁酸梭菌添加量的增加，日增重呈明顯的下降趨勢，表明動物機體對丁酸梭菌的利用并不是越多越好，而是有一個最佳吸收利用水平，超過這個水平，添加更多的丁酸梭菌也不能被動物機體利用。

2.2 提高免疫功能

丁酸梭菌在激活免疫系統和調節機體免疫功能方面發揮著調控作用。動物機體的免疫功能直接通過免疫器官功能的強弱體現出來，免疫器官指數的變化直接反映動物機體的免疫功能。免疫球蛋白（IgG、IgA、IgM等）是動物免疫細胞分泌的抗感染成分，主要存在血清中，由特異性抗體和非特異性抗體組成，具有抗菌、抗病毒等多種功能。其中，IgG為單體免疫球蛋白，血清中含量最高，作用時間較長，在機體抗感染中起主要作用。IgM產生時間最早，殺菌作用也最強，但是作用時間較短，主要在感染早期起作用。IgA主要存在于呼吸道、腸道等的分泌液中，在抵抗微生物入侵方面起重要作用。補體（C）為一種血清蛋白質，是介導免疫應答和炎癥反應的主要媒介。其中，C3是血清中含量最高的補體成分，在補體經典激活途徑和旁路激活途徑中均發揮重要作用，C4是一種多功能球蛋白，在補體活化和中和病毒等方面發揮作用。細胞因子為一類在細胞間傳遞信息的蛋白質或小分子多肽，其在免疫應答的調節和效應中起著重要作用。何菊等[12]研究表明，肉仔雞基礎飼糧中添加100 g/t和200 g/t可將肉仔雞的法氏囊指數分別提高347.37%和520.0%，將脾臟指數分別提高61.11%和46.67%。劉硯涵等[13]研究表明，填飼北京鴨基礎飼糧中添加200mg/kg丁酸梭菌可顯著提高血清中IgG、IgA、C3和C4的含量，降低填飼北京鴨血清中IL-6和IL-17的含量。李文茜等[14]研究表明，斷奶期犢牛基礎飼糧中添加2.0×108CFU/kg丁酸梭菌可顯著增加犢牛IgA、IgM、IgG含量。耿正穎等[15]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加5.0×109CFU/kg的丁酸梭菌可以顯著降低仔豬血清中腫瘤壞死因子-α和白細胞介素-6的含量，顯著提高血清中白細胞介素-4含量，表明飼糧中添加丁酸梭菌可以提高斷奶仔豬免疫功能，有助于提高仔豬斷奶階段的健康水平。丁酸梭菌可以促進免疫器官發育，提高免疫球蛋白含量，激活機體補體系統，調節細胞因子含量，提高機體免疫力，這對于促進動物健康是有積極意義的。

2.3 抗氧化功能

正常情況下，動物機體自由基的生成與機體抗氧化防御系統之間處于良好的動態平衡，動物受到外界不良環境影響時，產生的過量自由基對機體造成氧化損傷。總抗氧化能力是衡量機體整體抗氧化能力的綜合指標，超氧化物歧化酶（SOD）和還原性谷胱甘肽（GSH）是生物體內重要的抗氧化酶，而丙二醛（MDA）含量的高低反映了自由基對機體脂質氧化損傷的程度。耿正穎等[15]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加1×109CFU/kg和5.0×109CFU/kg的丁酸梭菌均能顯著提高斷奶仔豬血清中總超氧化物歧化酶的含量，并且斷奶仔豬血清中的總超氧化物歧化酶水平隨丁酸梭菌添加量的增加呈線性顯著提高。賈聰慧等[10]研究表明，在肉仔雞基礎飼糧中添加3×108CFU/kg丁酸梭菌可顯著提高肉雞血清谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和總超氧化物歧化酶（T-SOD）活性。劉硯涵等[13]研究表明，填飼北京鴨基礎飼糧中添加200 mg/kg丁酸梭菌可顯著提高北京鴨血清中SOD活性，顯著降低血清中MDA的含量，丁酸梭菌可以有效緩解填飼應激引起的機體氧化應激和炎性反應。這些研究結果表明丁酸梭菌可提高動物的抗氧化能力，其作用機理可能歸因于丁酸梭菌可以產生T-SOD和還原型輔酶Ⅰ/還原型輔酶Ⅱ（NADH/NADPH）過氧化酶，清除體內的活性氧，同時能產生的一些消化酶類、丁酸和氫氣（H2），從而影響抗氧化酶的活性，還可能與丁酸梭菌能夠抑制病原微生物的生長，從而降低炎癥發生有關。

3 丁酸梭菌在養豬生產中的應用

3.1 仔豬生產

丁酸梭菌在仔豬生產中的應用主要在提高仔豬生長性能、腸道功能、免疫應激和抗氧化等方面。劉韶娜等[16]將144頭21日齡斷奶的滇陸豬隨機分為2組，分別飼喂基礎飼糧和添加丁酸梭菌為105個/g的基礎飼糧，試驗結果表明，試驗組平均日增重高于對照組，試驗組料重比低于對照組，試驗組血清中C3、C4、IgA、IgG、IgM水平高于對照組，試驗組盲腸大腸桿菌數量低于對照組，雙歧桿菌和乳酸桿菌數量高于對照組，盲腸內容物中氨氮的含量低于對照組。張秀江等[17]研究表明，仔豬飼糧中添加丁酸梭菌可使仔豬日增重平均提高0.69%，采食量平均減少20.53%，飼料效率平均提高20.32%，仔豬腹瀉率平均降低20.51%。孫健等[18]研究表明，基礎飼糧中添加丁酸梭菌1.0×108CFU/kg可顯著降低料重比，顯著降低糞便中乳桿菌科微生物的比例，提高普雷沃菌科和韋榮菌科微生物比例，說明丁酸梭菌可有效改善仔豬腸道菌群結構，從而提高飼料轉化效率。鄭有秀等[9]研究表明，斷奶仔豬基礎飼糧中添加250和500 mg/kg丁酸梭菌可將仔豬腹瀉率分別降低40.99%和44.32%，添加250、500、1 000和2 000mg/kg丁酸梭菌可將斷奶仔豬的空腸絨毛高度分別提高32.23%、35.71%、33.59%和47.36%，空腸絨毛高度/隱窩深度分別提高47.24%、48.03%、19.69%和22.83%，表明25～55日齡斷奶仔豬飼糧添加250～2 000mg/kg丁酸梭菌可改善斷奶仔豬腸道結構。耿正穎等[15]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加5.0×109CFU/kg丁酸梭菌可以提高斷奶仔豬抗氧化能力和免疫功能，有助于提高仔豬斷奶階段的健康水平和抗應激能力。李玉鵬等[19]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加5.0×105CFU/kg丁酸梭菌可將仔豬平均日增重顯著提高7.83%、料重比降低5.26%，空腸中大腸桿菌數量降低2.49%，仔豬血清白細胞介素-1β含量降低5.47%，IL-10含量提高25.43%，表明飼糧中添加丁酸梭菌能提高仔豬小腸屏障功能，調節機體免疫和腸道菌群平衡，促進仔豬生長。

3.2 肥育豬生產

丁酸梭菌在肥育豬生產中的應用主要在提高肥育豬生長性能、提高飼料轉化率、增加養殖經濟效益等方面。孫華等[20]研究表明，肥育豬基礎飼糧中添加0.5×108CFU/kg、1.0×108CFU/kg和2.5×108CFU/kg丁酸梭菌均可在一定程度上具有提高肥育豬日增重和飼料轉化率的作用，對于養豬行業而言具有直接的經濟效益，在提高保育豬日增重方面，該研究中以高劑量添加（2.5×108CFU/kg丁酸梭菌）為最優，在提高保育豬飼料轉化率方面，以中劑量添加（1.0×108CFU/kg丁酸梭菌）為最優。張秀江等[17]研究表明，肥育豬飼糧中添加丁酸梭菌將生長肥育豬日增重提高了7.5%，日采食量提高了5.3%，料重比下降了2.2%，養殖經濟效益提高了0.6%。

3.3 種豬生產

丁酸梭菌在種豬生產中的應用主要在提高種豬繁殖性能方面。趙雷等[21]為研究復合丁酸梭菌制劑對長大二元和大長二元兩個品種母豬繁殖性能的影響，選擇生長年限、孕期相近的兩個品種的母豬36頭（長大二元和大長二元各18頭）隨機分成4組，4組均選用相同基礎飼糧，試驗組前2周添加0.2%的復合丁酸梭菌制劑，2周后添加0.1%的復合丁酸梭菌制劑，進行飼養對比試驗，母豬產后21 d結束，試驗結果表明，臭味評分對照1、2組比試驗1、2組分別高64.12%、86%，糞便形態試驗組明顯好于對照組，采食量試驗1組比對照1組高8.73%，試驗2組比對照2組高8.37%，試驗1、2組比相對應的對照1、2組產活仔數分別高7.67%、6.10%，仔豬初生重分別高7.56%、6.33%，仔豬21日齡體重分別高9.33%、7.35%，死胎數低50.75%、43.59%，表明復合丁酸梭菌制劑可顯著提高長大二元和大長二元母豬的繁殖性能。

4 小結與展望

當前，環保壓力、禁抗歷史使命和飼料原料價格上漲等諸多因素為新型飼料添加劑的發展提供了歷史機遇，純天然性、無毒性、無殘留、綠色環保的具有多種生物學功能的丁酸梭菌有望成為飼料行業的新寵兒，其在仔豬生產、肥育豬生產、種豬生產均剛剛處于起步階段，但已經表現出了理想的研究與應用價值，其在未來養豬生產中將發揮更加積極的作用，進而有效促進我國養豬產業實現高效、綠色、健康發展。