反芻動物瘤胃微生物菌群結構影響因素的研究進展

崔浩然，郭雪峰,2*，金 巍

（1.塔里木大學動物科學學院，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木畜牧科技兵團重點實驗室，新疆阿拉爾8 433002；3.南京農業大學動物科技學院，江蘇南京 210032）

牛羊養殖是我國重要的產業支柱，對于我國脫貧攻堅和提高人民生活水平有著舉足輕重的作用，在過去35 年間我國的牛肉產量增加25.03 倍，羊肉產量增加8.93 倍，我國現已是世界羊肉生產第一大國，牛肉生產第三大國[1]。我國未來在發展規模飼養的同時，還要推動綠色養殖，減少畜牧養殖對環境的壓力，對牛羊養殖提出了更高的要求和更嚴格的規范[2]。

瘤胃作為反芻動物重要的消化器官，是天然的發酵罐，內部含有豐富的瘤胃微生物。瘤胃微生物菌群的結構和相對豐度處于相對穩定的動態平衡，該平衡對于維持瘤胃內環境穩定、在反芻動物的消化和吸收營養物質過程中起著重要的作用[3-4]。隨著現代分子生物技術的發展，對反芻動物瘤胃微生物的研究也日益深入。眾多研究指出，合理地調控瘤胃微生物菌群結構能夠改善瘤胃發酵、減少飼料浪費，對于畜牧生產有十分重要的意義[5-6]。本文介紹國內外關于影響反芻動物瘤胃微生物因素的相關研究進展，旨在為畜牧養殖中合理調控瘤胃微生物菌群結構、綠色高效養殖提供參考依據。

1 瘤胃微生物的組成與功能

瘤胃內部存在著復雜多樣的微生物，包括細菌、原蟲、厭氧真菌以及少量噬菌體等，這些微生物與反芻動物機體存在互作關系。如反芻動物利用纖維素降解菌產生的纖維降解酶將飼糧中的纖維素消化降解轉化為揮發性脂肪酸（VFA）等物質；瘤胃真菌產生多種酶參與纖維素和半纖維素的降解過程；原蟲能參與瘤胃中纖維素和淀粉的消化；因此，瘤胃內的細菌、真菌和原蟲等相互協調、相互制約共同維持著瘤胃內環境的平衡與穩定[7-9]。穩定的瘤胃微生物區系在維持機體的健康、提高動物生產性能、改善動物產品質量等方面有重要意義。

2 影響反芻動物瘤胃微生物區系的因素

反芻動物的瘤胃微生物菌群結構會在與外界環境接觸和交流中發生改變，同時會受日齡、品種、飼糧、飼養方式、飼料添加劑等因素的影響。Henderson 等[10]對來自35 個國家的32 種不同品種的742 頭反芻動物（包括水牛、野牛、綿羊、山羊、鹿科、駱駝科）瘤胃微生物的研究發現，動物的品種、地區以及飼糧均會影響瘤胃中微生物菌群結構。

2.1 動物因素

2.1.1 日齡 幼畜的瘤胃微生物會在出生后吮吸母乳和

接觸外界環境過程中迅速定殖，其豐度會隨著日齡的增長而發生變化。Fonty 等[11]研究發現，纖維降解菌和產甲烷菌在羔羊出生后3～4 d 便可以在瘤胃內觀察到，且這些細菌的相對數量在出生后1 周左右就接近成熟瘤胃中觀察到的水平。Jami 等[12]研究發現，犢牛的瘤胃微生物菌群在出生后1 d 便開始逐步建立，隨著日齡的增長瘤胃內乳酸桿菌（Lactobacillus）的豐度逐漸降低，而與纖維素降解相關的產琥珀酸絲狀桿菌（F.succinogenes）、白色瘤胃球菌（R.albus）、黃色瘤胃球菌（R.flavefaciens）的相對數量有增加趨勢，在斷奶后其瘤胃微生物的多樣性逐漸趨于穩定。韓旭峰[13]研究發現，幼畜早期瘤胃內的優勢菌群主要以蛋白降解菌為主，在飼喂開食料之后參與淀粉代謝和纖維素降解的菌群開始增殖，與幼畜相比，成年動物瘤胃牛鏈球菌（Streptococcus bovis）和脂解厭氧弧桿菌（Anaerovibrio lipolytica）的相對含量更高，其中脂解厭氧弧桿菌是瘤胃內重要的脂肪降解菌，牛鏈球菌是反芻動物瘤胃內主要的淀粉降解菌，二者的相對含量與精飼料代謝能力相關。眾多研究表明，日齡是影響反芻動物瘤胃微生物菌群結構的重要因素，其主要原因是幼畜的瘤胃處于逐漸發育的過程。

2.1.2 母體效應 反芻動物幼畜的瘤胃微生物菌群不僅會受外界環境和飼養條件的影響，母體效應也是影響幼畜瘤胃微生物的重要因素之一。De Barbieri 等[14]以不同結構的飼糧飼喂懷孕的美利奴羊直至羔羊斷奶，發現改變母羊的飼糧能夠改變羔羊瘤胃內菌群結構的變化，其中椰子油飼糧組母羊的羔羊瘤胃內普雷沃氏菌（Prevotella）的相對數量顯著高于蜂蜜飼糧組，但母體效應的影響會在斷奶后隨著幼畜日齡的增長逐漸減弱。關于母體效應的研究較少，其作用機理尚不明確。

2.1.3 品種 動物的品種差異是影響瘤胃微生菌群結構的重要因素。不同品種之間瘤胃微生菌群結構具有相似性，但不同菌群的相對豐度存在一定差異。King 等[15]研究發現，在相同飼養條件下，娟姍牛和荷斯坦牛的瘤胃菌群結構相似度很高，而娟姍牛瘤胃內產甲烷短桿菌的相對豐度顯著高于荷斯坦牛。韓帥[16]研究發現，呼杜雜一代羔羊瘤胃內總產甲烷菌、脂解厭氧弧桿菌、反芻月型單胞菌（Selenomonas ruminantium）、牛鏈球菌數目群高于呼倫貝爾羔羊。Cersosimo 等[17]研究指出，奶牛的瘤胃微生物菌群結構受飼糧因素的影響更大。以上研究表明，不同品種動物間存在的遺傳學差異會引起瘤胃內部分菌落相對含量的差異，因此對不同品種的動物采取不同的飼養管理是實際生產的關鍵，而且由動物性因素造成的瘤胃菌群差異是可以在飼養過程中改變的。

2.2 飼糧因素

2.2.1 飼糧結構 Yá?ez-Ruiz 等[18]研究發現，羔羊的瘤胃微生菌群結構受飼糧結構的影響，產生的變化可以持續到動物成年。Li 等[19]發現，飼糧的精粗比能夠影響反芻動物的瘤胃微生物菌群結構，飼喂高精料飼糧能夠促使綿羊瘤胃內淀粉降解菌和蛋白質降解菌的增殖，而纖維降解菌的生長受到抑制，其中脂解厭氧弧桿菌、反芻月型單胞菌、牛鏈球菌數顯著增加，而產甲烷短桿菌相對含量下降最明顯。瘤胃內甲烷的產生量與飼料中的粗飼料比例呈正相關，大量的甲烷產生不僅會造成飼料資源浪費也會給環境帶來一定壓力。王海榮[20]研究表明，不同精粗比的飼糧對蘇尼特綿羊瘤胃真菌、細菌的濃度和數量影響差異不顯著，但是纖維降解菌的相對含量隨精料增加呈下降趨勢，其中精粗比對產琥珀酸絲狀桿菌影響不顯著，對白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌的影響更加顯著。產琥珀酸絲狀桿菌不僅是瘤胃內重要的纖維降解菌，也參與部分淀粉的降解過程，因此產琥珀酸絲狀桿菌在高精比的飼糧結構中其相對含量也不會顯著降低。胡紅蓮等[21]發現，隨著飼糧中非纖維性碳水化合物與中性洗滌纖維的比例（NFC/NDF）增高，奶山羊瘤胃細菌總數量有增加趨勢，其中嗜淀粉瘤胃桿菌（R.amylophilus）、牛鏈球菌、乳酸桿菌增加明顯，白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌數量呈下降趨勢。李嵐捷[22]研究發現，隨著NFC/NDF 比例下降，犢牛瘤胃內VFA中乙酸比例增加，丙酸比例降低，當飼糧NFC 含量高時犢牛瘤胃內優勢菌群為厚壁菌門和擬桿菌門，并指出犢牛的瘤胃尚在發育階段，瘤胃內的微生物以蛋白降解菌為主對纖維物質的消化能力較弱。普宣宣等[23]研究發現，當NFC/NDF 比例變大時卡拉庫爾羊瘤胃內參與淀粉降解的微生物為鏈球菌屬和產琥珀酸絲狀桿菌的相對豐度會增加。有研究表明，在高精料飼糧下反芻動物瘤胃內牛鏈球菌、嗜淀粉瘤胃桿菌、乳酸桿菌、反芻月形單細胞菌和埃氏巨型球菌的相對數量會顯著增加，尤其是牛鏈球菌、乳酸桿菌的活躍會產生大量乳酸，引起反芻動物的亞急性瘤胃酸中毒（Subacute Reminal Acidosis，SARA），而纖維降解菌（如黃色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌和產琥珀酸絲狀桿菌）的數量會因缺少纖維素作為底物和瘤胃內pH 下降而減少[24-26]。綜上所述，高精料的飼糧結構會引起產酸菌的活躍，使瘤胃內環境的pH 下降，微生物多樣性減少，并有可能引起瘤胃酸中毒，為實際產生中合理配比飼糧提供參考。

2.2.2 飼糧蛋白質水平和來源 飼糧中蛋白質水平和來源也會影響反芻動物的瘤胃微生物區系相對結構。Renata 等[27]以3 種不同蛋白水平飼糧飼喂內洛爾牛，發現高蛋白水平飼糧能夠引起瘤胃內產琥珀酸絲狀桿菌和纖溶芽孢桿菌的相對數量和豐度增加，而白色瘤胃球菌的相對數量和豐度減少。但是，唐鵬[28]研究表明，陜北白絨山羊的瘤胃微生物豐度會隨著飼糧中蛋白水平的提高而降低，擬桿菌門的豐度顯著高于對照組，其中普雷沃氏菌增加最顯著。王海榮[20]研究發現，不同氮源飼糧對瘤胃內原蟲數量影響更加顯著。以上研究表明，高蛋白水平飼糧能夠引起纖維降解菌（如黃色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌等）相對含量降低，而產琥珀酸絲狀桿菌、纖溶芽孢桿菌和普雷沃氏菌等相對含量會增加，其中普雷沃氏菌參與淀粉和蛋白質的分解作用，受蛋白質水平的影響最為顯著。

2.2.3 飼糧中粗飼料種類 反芻動物飼喂不同種類的粗飼料能夠影響反芻動物的瘤胃菌群結構。李玲玉[29]研究發現，微貯稻草組西門塔爾雜交牛瘤胃液中細菌的平均菌群豐度和多樣性高于新鮮玉米秸稈組，而真菌菌群豐度和多樣性低于新鮮玉米秸稈組。張畢陽[30]發現，在飼糧中添加燕麥干草可以提高纖維降解菌的相對含量，而以淀粉為發酵底物的瘤胃原蟲相對數量會減少。張冬強[31]研究發現，改變飼糧中苜蓿草粉的比例不會改變波爾山羊瘤胃微生物擬桿菌門和厚壁菌門的優勢，其微生物的多樣性和豐度會隨著飼糧中苜蓿草粉比例的增加而增加，其原因可能是飼料中特有的活性物質產生的影響，如苜蓿草粉中含有苜蓿皂苷、苜蓿葉蛋白等活性物質，對瘤胃微生物的增殖有一定促進作用。以上研究表明，飼喂不同類型的粗飼料會影響反芻動物瘤胃微生物菌群結構的變化，其原因與飼糧類型及其所含的活性物質密切相關。

2.3 飼料添加劑

2.3.1 益生菌 益生菌作為一種綠色、安全、可靠的飼料添加劑已經在生產實踐中得到廣泛應用，在飼糧中添加益生菌是能夠影響瘤胃微生物菌群結構的重要因素[32]。丁赫等[33]研究發現，在杜×寒雜交羊的飼糧中添加復合益生菌制劑夠增加瘤胃微生物菌群的多樣性，瘤胃液中擬桿菌門、疣微菌門和互養菌門的相對豐度增加，而變形菌門的相對豐度降低。李常瑞[34]研究發現，在低精料飼糧中添加復合益生菌能使綿羊瘤胃內總細菌數及產琥珀酸絲狀桿菌、黃色瘤胃球菌、乳酸桿菌相對豐度增加，其中纖維降解菌（產琥珀酸絲狀桿菌、黃色瘤胃球菌）相對豐度的增加能夠促進高纖維飼糧消化；而在高精料飼糧中添加復合益生菌能使綿羊瘤胃內厭氧真菌、產琥珀酸絲狀桿菌、嗜淀粉瘤胃桿菌的相對豐度升高，而牛鏈球菌、總產甲烷菌的相對豐度降低，其中產琥珀酸絲狀桿菌、嗜淀粉瘤胃桿菌、牛鏈球菌參與瘤胃內的淀粉降解過程，牛鏈球菌是瘤胃內主要的乳酸生成菌，牛鏈球菌數量的減少能夠減少反芻動物瘤胃乳酸中毒的風險；在不同飼糧中添加復合益生菌能夠提高瘤胃pH、降低氨態氮（NH3-N）濃度、提高VFA 濃度。上述研究表明，在不同飼糧中添加復合益生菌對反芻動物瘤胃微生物的多樣性有促進作用，有利于營養物質的消化吸收，而且在高精料飼糧下添加益生菌能夠提高瘤胃液pH，減少反芻動物瘤胃酸中毒的風險。

2.3.2 其他添加劑 陳丹丹[35]發現，在綿羊飼糧中添加桑葉黃酮（MLF）、白藜蘆醇（Res）、大蒜素（AL）和茶皂素（TS）能夠提高瘤胃揮發性脂肪酸濃度，添加MLF、Res 能夠提高瘤胃NH3-N 濃度，添加AL、TS 能夠降低瘤胃NH3-N 濃度，4 種添加物均能夠使瘤胃液總細菌數量增加，纖維分解菌（如產琥珀酸絲狀桿菌、黃色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌、溶纖維丁酸弧菌）的相對豐度增加，產甲烷菌和原蟲數量減少，促進纖維飼料在瘤胃內的降解。有研究發現，在飼糧中添加牛至精油能夠降低瘤胃中瘤胃內總細菌數量增加，白色瘤胃球菌的相對數量會增多，而產琥珀酸絲狀桿菌數量降低，瘤胃內NH3-N 濃度降低，而且具有抗氧化功能和免疫功能的牛至精油能夠促進羔羊的胃腸道發育[36-37]。Song 等[38]發現，在飼糧中添加外源性纖溶酶能夠提高樂至黑山羊飼料酸性洗滌纖維（ADF）和中性洗滌纖維（NDF）的消化率，降低瘤胃NH3-N 濃度，增加瘤胃VFA 的濃度，在高NDF 飼糧中添加纖維素酶會使瘤胃產琥珀酸絲狀桿菌的豐度降低，主要原因可能是纖維素酶會參與纖維素的降解過程，會與纖維降解菌形成競爭關系。張智安等[39]發現，在湖羊的基礎飼糧中添加蜜蜂肽能夠顯著提高湖羊的日增重，提高湖羊瘤胃中反芻獸新月形單胞菌的數量，反芻獸新月形單胞菌是乳酸利用菌，反芻獸新月形單胞菌在瘤胃內的相對豐度與瘤胃酸中毒密切相關。高雨飛[40]發現，在高精料飼糧中添加煙酸能夠使瘤胃細菌的豐富度和多樣性降低，但會使原蟲數量增加，抑制丁酸產生菌的增殖，使瘤胃pH 升高，減少瘤胃酸中毒的風險。以上研究表明，適當的添加劑可以改善瘤胃微生物群落的組成，能夠提高飼料消化率，促進揮發性脂肪酸的產生，增強免疫力，維持動物機體健康，其中煙酸、蜜蜂肽等添加劑能夠提高瘤胃pH，減少反芻動物瘤胃酸中毒的風險。

2.4 飼養管理模式 我國畜牧生產中常見的飼養模式主要有舍飼、定時散放、全生態散養和放牧后補飼等，不同的飼養方式也是影響瘤胃微生物區系的重要因素之一[41]。張娟等[42]研究發現，阿爾巴斯白絨山羊舍飼育肥可增加部分瘤胃微生的相對豐度，其中產琥珀酸絲狀菌、脂解厭氧弧桿菌數量的增加最顯著。Cui 等[43]研究發現，舍飼燕麥干草組綿羊瘤胃細菌群落豐富度和多樣性顯著高于自然放牧組，且僅在舍飼組瘤胃內發現了放線菌。韓帥[16]研究發現，在放牧補飼羔羊瘤胃內脂解厭氧弧桿菌相對豐度較放牧組顯著增加，總細菌、黃色瘤胃球菌、反芻月型單胞菌、牛鏈球菌和嗜淀粉瘤胃桿菌的數量高于放牧組。孫國平[44]研究發現，舍飼方式下成年絨山羊瘤胃中產琥珀酸絲狀桿菌和原蟲的數量和瘤胃液中總細菌數量均高于放牧組。脂解厭氧弧桿菌是瘤胃內唯一的脂肪降解菌，其數量與飼料營養品質密切相關，牛鏈球菌、嗜淀粉瘤胃桿菌是瘤胃內主要的淀粉降解菌，其數量會隨飼糧結構中的精料比例增加而增加[45]。因此，由飼養管理方式引起的瘤胃菌群結構的差異，其原因可能是舍飼模式下能夠提供良好的飼養管理、豐富合理的飼糧，能更好地維持反芻動物的瘤胃微生物菌群的多樣性。

3 小 結

瘤胃微生物在反芻動物消化營養物質和維持機體健康方面都扮演著十分重要的角色，而瘤胃微生物菌群結構會受諸多因素的影響，合理的調控瘤胃微生物菌群結構，不僅能夠提高反芻動物的健康水平，還能改善反芻動物產品更好地滿足生產生活的需求。目前對瘤胃微生物菌群的調控尚在探索階段，而且瘤胃內微生數量十分巨大，且結構復雜，尚有許多微生物的功能和相互作用尚不明了，對瘤胃微生物菌群的調控是否能廣泛應用生產實踐，尚需進一步深入研究。