奶牛瘤胃微生物移植研究進展

楊 卓 馬 勇 張力莉 徐曉鋒*

(1.寧夏大學農學院，銀川750021；2.碩騰(上海)企業管理有限公司，上海200050)

奶牛瘤胃微生物種類眾多，飼糧中的營養成分可在瘤胃微生物的作用下降解成揮發性脂肪酸、氨基酸、氨等，同時合成微生物蛋白和甲烷等[1-2]。研究發現，奶牛瘤胃微生物發酵可直接為機體提供約70%的能量[3]。穩定的瘤胃內環境和健康的瘤胃功能是維持奶牛機體健康的重要保障[4]。在牧場實際生產中，受飼糧原料的變化、環境應激和管理不當等因素的影響，奶牛瘤胃微環境容易發生改變，使奶牛繼發瘤胃酸中毒、真胃移位和酮病等疾病的風險顯著增加[5]。這些疾病的發生不僅降低了奶牛的生產性能，更增加了奶牛產后死亡和淘汰風險，給牧場造成嚴重的經濟損失[6-7]。因此，通過人為手段調控瘤胃微生物區系使之穩定，對維持奶牛生產性能的正常發揮具有重要意義。近年來，瘤胃微生物移植(rumen microbiota transplantation,RMT)技術在重建奶牛瘤胃微生物區系方面的作用逐漸被研究人員關注，并被證明有一定的效果[8-10]。本文將就RMT重建瘤胃菌群的可能作用機理及其在奶牛生產上的應用以及存在問題等方面的研究進展進行綜述，以期為進一步研究提供參考。

1 奶牛瘤胃微生物區系的主要調控措施

奶牛瘤胃微生物區系的穩定受到奶牛品種、年齡和生理狀況，飼糧類型，以及外源添加劑等多種因素的影響[4]。目前調控瘤胃微生物區系的方法主要有：1)通過調整奶牛飼糧結構來優化瘤胃的功能[11]。奶牛粗飼料的類型可以改變瘤胃內優勢菌群的種類[12]，精飼料可促進瘤胃乳頭的發育與分化，給瘤胃微生物定植創造良好的瘤胃內環境[13]。2)在飼糧中添加適宜的飼料添加劑[14]。例如益生菌、植物次級代謝物(皂苷、丹寧、植物精油)等，這些飼料添加劑可直接改變瘤胃中菌群的結構和豐度，益生菌可促進有益菌群的生長，有助于逆轉瘤胃菌群紊亂，提高奶牛免疫力[14]。皂苷等植物次級代謝物可加強瘤胃發酵，促進瘤胃微生物蛋白合成[15]。與上述傳統營養調控方案相比，RMT為調控奶牛瘤胃微生物區系開辟了新途徑，并取得了較好的應用效果[10,16]。然而，該技術目前尚未完全成熟，移植操作的專業性及繁瑣程度可能制約著它在奶牛生產中的大規模推廣和應用，但在小范圍治療奶牛真胃移位等疾病方面具有較好的應用前景[17]。

2 RMT在奶牛生產上的應用研究

2.1 RMT在奶牛疾病治療上的應用

RMT是將健康供體奶牛瘤胃內微生物菌群移植給受體瘤胃內的技術手段，在動物生產中已經被實踐了幾十年，最早可追溯至1776年，有文獻記載了將綿羊或山羊口中的食團取出飼喂給非反芻動物的做法[16]?，F有研究表明，RMT可調控奶牛瘤胃微生物區系的穩態[18]，對多種腸道疾病有較好的輔助治療效果[19]。例如，Bu等[20]在荷斯坦新生奶公犢出生后的第3、7、21、42和50天分別給接種100、200、300、400和500 mL成年牛的瘤胃液，犢牛斷奶前發生腹瀉的次數和持續時間相較于對照組分別降低了45.5%和50.9%。Pounden等[21]將健康犢牛瘤胃中的微生物移植給嚴重腹瀉的犢牛，改善了犢牛腹瀉并提高了犢牛存活率。Steiner等[22]給消化不良的奶牛移植健康牛的瘤胃液，消化不良癥狀明顯改善。Rager等[17]給真胃左側移位術后奶牛移植10 L健康牛的瘤胃液，術后3 d奶牛的干物質采食量和產奶量均提高，促進了奶牛術后的康復。有研究發現，RMT還可改善奶牛因飼糧導致的低乳脂癥狀[23]。此外，Jones等[24]在夏威夷牛瘤胃內分離培養出可降解含羞草素(一種在銀合歡屬植物中發現的有毒氨基酸[25])中的3-羥基-4-吡啶的瘤胃微生物，并移植給澳大利亞牛，結果發現，受體牛尿中基本不含3-羥基-4-吡啶。

2.2 RMT對奶牛生產性能的影響

關于RMT可改善奶牛生產性能的研究結果不一。Steiner等[22]給消化不良奶牛移植健康瘤胃液后，受體奶牛干物質采食量提高，瘤胃功能增強，體現在瘤胃原蟲數量顯著增加，亞甲基藍還原時間以及瘤胃內微粒物質漂浮的時間延長等方面。蔣濤[26]將處于泌乳高峰期的健康奶牛瘤胃液移植給圍產后期奶牛，受體奶牛干物質采食量提高，瘤胃發酵模式改變，菌群豐度和多樣性提高，這與Ji等[8]的研究結果一致。關于RMT使奶牛干物質采食量提高的原因，可能是由于受體牛的瘤胃微生物區系發生了顯著變化，刺激了奶牛反芻，進而食欲增強[26]。但也有一些研究證實，RMT在改善奶牛生產性能方面并沒有顯著效果。例如，Weimer等[27]將泌乳期荷斯坦奶牛的瘤胃內容物相互置換，置換后的奶牛產奶量并無顯著變化，雖然有2頭奶牛的瘤胃液pH在移植當天互換，但1 d以后均恢復到移植前的水平。Bu等[20]將荷斯坦成年牛瘤胃液移植給新生奶公犢，與對照組相比，奶公犢的采食量、飼料轉化效率以及體重、身高、心臟維度等生長指標無顯著差異，且受體牛的瘤胃液pH和總揮發性脂肪酸濃度無顯著變化。Cersosimo等[28]給荷斯坦公犢牛移植成年奶牛瘤胃液，犢牛采食量不受影響。

造成瘤胃液移植后受體動物生產性能變化不顯著的原因可能源于如下幾個方面：第一，瘤胃液移植的次數不足、試驗周期較短，移植以后對奶牛生產性能產生的有益影響還未顯現出來；第二，奶牛個體的遺傳差異；第三，瘤胃液中微生物移植的完整性。已有研究在給受體牛移植瘤胃液時，有將受體瘤胃內容物完全清空后再移植和未做清空處理移植的不同做法，受體牛的瘤胃內容物殘留量不同，而殘留在受體瘤胃內的菌群仍然會發揮作用，這或許是研究結果存在差異的又一可能原因[9,29-30]。

3 奶牛RMT的可能作用機理

通過RMT，供體奶?？蓪⒘鑫竷鹊奈⑸铩I養素及瘤胃液移植到受體奶牛的瘤胃中。Depeters等[16]認為，被移植的瘤胃微生物具有生態占位和定植抗力，它們可迅速在受體的瘤胃中定植，使患病牛只瘤胃菌群重建，恢復其瘤胃微生物區系的穩態，從而改善牛體健康。例如，奶牛瘤胃液中含有大量的原蟲，原蟲主要消耗淀粉，對穩定瘤胃液pH有重要影響，并促進瘤胃中其他微生物的生長[10]。向受體奶牛移植大量的瘤胃液，對受體牛瘤胃液有一定稀釋效果，影響受體牛的瘤胃液pH。移植給受體牛瘤胃液內的營養素對促進受體牛瘤胃微生物生長有積極作用[10]。一些消化不良的奶牛瘤胃通常表現出蠕動遲緩，移植瘤胃微生物時，對受體奶牛瘤胃壁的機械刺激會引起瘤胃壁的適度張力，這種張力可刺激位于瘤胃和網胃上的機械受體，使胃壁肌肉收縮，從而促進奶牛反芻和瘤胃蠕動。關于RMT的具體作用機理仍然不詳，有待進一步研究和探討。

4 RMT的常見問題

4.1 RMT的安全性

雖然RMT在治療奶牛消化不良等疾病方面已有應用，但仍存在安全風險。在移植過程中，一些細菌可能會經奶牛口腔和腸道交叉感染，如副傷寒分歧桿菌、沙門氏菌、隱孢子蟲和大腸桿菌等[16]。此外，瘤胃液移植對操作人員的技術要求很高，操作稍有不慎，就可能損傷奶牛的口腔、腸道及瘤胃等部位，若不慎將瘤胃中的大顆粒物移植，可能會堵塞胃管，引起奶牛窒息。移植過程中，奶牛容易出現反抗行為，在操作人員的安全方面也同樣存在著一定的風險。有研究報道，目前在奶牛上進行的RMT試驗中，未發現奶牛出現不適反應[21,28]，但在人類菌群移植試驗中，有受體出現腹痛、腹瀉、食欲下降等不適反應[31]，這些癥狀是否也會在奶牛上發生，其嚴重程度是否會給奶牛的生產性能造成威脅以及對奶牛的肉、奶產品是否存在安全隱患還需通過長期真實案例數據進一步探究。

4.2 瘤胃液獲取方法

目前獲取瘤胃液的方式主要有3種：一是通過瘤胃導管采集健康奶牛的瘤胃液，這種方式獲取量較少，對奶牛造成的應激相對較大；二是從被植入瘺管的奶牛瘤胃中直接獲取，這種方式獲取量較大，牛只應激相對較小，是目前比較常用的獲取方式[26,32]；三是采集屠宰后奶牛的瘤胃液，這種方式成本較高，且由于牛只被屠宰后停止進食和飲水，可能會對瘤胃液產生一定影響[33]。所有瘤胃液供體牛都需被嚴格篩選，最好選擇同一牧場、同一飼糧飼養條件的牛進行移植，這樣不僅利于供體牛瘤胃微生物在受體牛瘤胃內繼續增殖并發揮作用，也可以減少病原感染的風險[16,21]。目前，用于RMT的奶牛瘤胃液獲取量有限加之成本較高，研究瘤胃微生物的體外開發利用以期獲取足量、穩定的瘤胃菌群或許是RMT技術走向生產應用的重要一環。

4.3 移植劑量

目前針對瘤胃液的移植劑量并沒有統一標準，從給小牛移植1 L到給成年牛移植16 L不等。對成年牛來說，一次移植的理想劑量為8～16 L[16]。在臨床上，一般給成年奶牛每次移植10.0～11.4 L瘤胃液[26]。也有研究給奶牛移植較小的劑量，并取得良好的效果，例如Steiner等[22]將45頭消化不良的奶牛平均分為3組，依次移植1、5 L健康瘤胃液和5 L溫水，結果顯示移植1和5 L瘤胃液對奶牛消化不良的改善效果并無顯著差異。因此，關于移植劑量還有待進一步探究。

4.4 移植時間

瘤胃液從供體奶牛瘤胃中取出后，應在30 min內完成移植操作[18]。因為瘤胃液雖然可在室溫下保存數日，但若將其儲存在密封容器中，減少與空氣的接觸，容器的壓力可能會增加瘤胃液中CO2濃度并降低pH[34]。冷凍奶牛瘤胃液如果不能嚴格保證在厭氧條件下操作使用，會導致瘤胃液中原蟲數目減少，淀粉分解酶和纖維素降解酶活性降低[34]。此外，盡可能短的操作時間可以減少奶牛的不適和對瘤胃壁的損傷風險[9]。有研究稱，奶牛及其他反芻動物瘤胃中產甲烷菌、兼性厭氧菌、纖維菌、真菌和原蟲等在瘤胃內的定植時間不同[35]。因此，給奶牛移植不同生理階段的供體牛瘤胃液對移植效率的影響也不容忽視。

4.5 瘤胃液質量的鑒定

亞甲基藍試劑法是檢測瘤胃液質量的常用方法，瘤胃中的微生物會還原亞甲基藍，使其褪色。亞甲基藍應在2～6 min內褪色，如果褪色時間大于10 min，這種瘤胃液最好丟棄[16]。此外，瘤胃液pH應大于等于5.5，最好為6.0或更高，低pH會降低原蟲數量[36]。通常情況下，用高淀粉飼糧飼喂泌乳牛2～4 h，瘤胃液pH會降低。因此，當供體奶牛接受高濃縮飼糧后，避免在飼喂4 h內收集瘤胃液。對于飼喂高粗料飼糧的非泌乳階段奶牛，可在飼喂前或飼喂后的2～3 h收集瘤胃液，這個階段瘤胃液pH不會受到顯著影響[27]。

5 小 結

RMT可調控奶牛瘤胃微生物區系，具有輔助治療奶牛消化道疾病、改善真胃移位術后瘤胃功能以及提高奶牛生產性能的作用和潛力。然而，在RMT過程中，關于瘤胃液的移植量、移植時間和操作流程還需更多數據支持，且需要從生物安全角度對該技術做更深入和系統的評價。此外，供體奶牛瘤胃菌群與受體奶牛間獨特的互作機制仍未能完全闡明，未來可能需要從代謝、免疫和生理方面進一步闡明受體奶牛與瘤胃微生物區系重建之間的互作關系。