丁酸梭菌的生物學功能及其在家禽生產中應用的研究進展

馮 杰，楊 旸，周 莉，鄒 波*

（ 1. 富順縣畜牧獸醫技術推廣中心，四川 自貢 643200 ； 2. 富順縣動物疫病預防控制中心，四川 自貢 643200 ）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）廣泛存在于人和動物腸道、糞便以及酒窖泥、土壤和奶酪等厭氧環境中，因能夠大量產生丁酸而得名[1]。丁酸梭菌具有良好的益生特性和抗逆性，是集芽孢桿菌和乳酸菌優點于一身的天然綠色菌種，也是新型綠色環保型飼料添加劑菌種的理想選擇，在畜禽無抗養殖需求下擁有十分廣闊的應用前景[2-3]。國內對于丁酸梭菌的研究起步較晚，最初研究領域主要為人醫臨床應用。2009年7月，農業部（現農業農村部）正式批準丁酸梭菌作為新飼料添加劑應用于畜禽生產，推動了丁酸梭菌作為飼料添加劑在我國的進一步研究和應用[4]。本文主要綜述了丁酸梭菌的生物學功能及其在家禽養殖中應用效果的研究進展，以期為丁酸梭菌制劑研究及家禽養殖替抗提供理論基礎和新思路。

1 丁酸梭菌的生物學特征

丁酸梭菌屬厚壁菌門（Firmicutes）梭菌綱（Clostridia）、梭 菌 目（Clostridales）梭 菌 科（Clostridiaceae）梭 菌 屬（Clostridium），為革蘭氏陽性厭氧產芽孢短桿菌，菌體呈直桿狀或稍有彎曲，兩端鈍圓，寬約0.5～1.7 μm，長約2.4～7.6 μm，周生鞭毛，能運動。平板培養基中菌落乳白色或奶油色、濕潤，呈不規則圓形，直徑為1～3 mm，培養過程中發酵產酸產氣，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[5-6]。丁酸梭菌形成的芽孢為內生芽孢，具有耐熱、耐酸、耐鹽和易保存的生理特征，在溫度20～41 ℃和pH 值4.0～9.8 條件下均能夠生長，經90 ℃處理5 min 存活率在95.0%以上；在pH 值2.0 條件下處理3 h，存活率在94.8%以上，pH值為1.0時仍可生存；在0.3% 膽鹽中處理12 h，存活率71.0%以上，在0.1%以下膽鹽中幾乎不受影響。丁酸梭菌的固體活菌制劑在干燥和室溫環境下可保存3年以上[7-10]。丁酸梭菌發酵主要代謝產物為短鏈脂肪酸（丁酸、乙酸、乳酸、丁醇等），還可產生消化酶（淀粉酶、纖維素酶、脂肪酶和蛋白酶等）、抗菌肽、B族維生素、維生素K和氫氣等，但丁酸梭菌在發酵生產時存在酸脅迫效應，產量相對低于其他芽孢桿菌[11-13]。

2 丁酸梭菌的生物學功能

2.1 維持腸道黏膜屏障

腸道黏膜屏障是一個由腸上皮屏障、化學屏障、生物屏障、免疫屏障共同組成的立體防御系統，是機體防御外界病原物入侵的重要屏障[14]。丁酸梭菌在腸道內可產生以丁酸為主的短鏈脂肪酸，丁酸等可直接為腸黏膜細胞提供能量，對腸上皮細胞的修復和再生起到營養作用；也可以通過促進三葉肽的表達，間接幫助修復和維持小腸黏膜；還可通過激活蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白等信號通路介導的蛋白合成機制，上調緊密連接蛋白表達，降低腸道通透性。丁酸梭菌可能還可通過上調黏液層中黏蛋白（MUC2）的表達，增加黏液層厚度[15-19]，以此維持腸道黏膜屏障的完整性[20-21]。此外，丁酸梭菌可促進腸道蠕動，有助于減少有害菌和毒素與腸黏膜的接觸時間[22]。

2.2 增強消化系統功能

腸道是動物消化和吸收營養物質的重要場所，營養物質消化吸收效率是機體健康狀態的重要評價指標之一。丁酸梭菌可通過產生消化酶、增強腸道消化酶活性和改善腸絨毛狀態等提高機體的消化系統功能。一方面，丁酸梭菌可通過產生消化酶和增強動物腸道消化酶活性，進而提高動物腸道對營養物質消化吸收效率。在動物腸道無氧環境中，丁酸梭菌產生的蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶和糖苷酶等可有效降解飼料中的抗營養因子，與動物腸道分泌的消化酶共同參與腸道內營養物質的消化吸收，特別是可協助畜禽消化靠自身消化酶難以利用的纖維素和果膠等營養物質[23]。丁酸梭菌還可通過增強腸道產生的淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性，提高食糜消化率[24]。

另一方面，丁酸梭菌還可通過改善腸絨毛的狀態提高腸道對營養物質的消化吸收，產生的丁酸可作為腸道絨毛生長的直接能量來源，促進腸絨毛發育，降低腸絨毛隱窩深度，提高絨毛高度/隱窩深度比值，增大腸道對營養物質的消化吸收能力，從而影響腸道內營養物質消化吸收效率[25-26]。

2.3 調節腸道微生態平衡

腸道微生態區系是一個相對穩定的平衡狀態，一旦打破這種平衡，即可能導致疾病發生，因此維持腸道微生態平衡十分重要。丁酸梭菌可通過增加腸道有益菌數量、減少病原菌黏附和增殖等方式調節腸道微生態平衡以維持機體的健康狀態。首先，丁酸梭菌進入腸道可與其他有益菌協同，對有害菌產生拮抗作用，與有害菌競爭定植位點，減少其定植可能性；還可與有害菌競爭吸收養分，抑制其生長，起到維持腸道內微生態平衡的作用。其次，丁酸梭菌可通過代謝產生丁酸、丁酸梭菌素和抗菌肽等物質抑制腸道病原菌生長，從而維持腸道微生態平衡；如以丁酸為主的短鏈脂肪酸可有效降低腸道pH值，抑制病原菌生長；細菌素、抗菌肽等可有效減弱病原菌的黏附力或直接抑制病原菌生長[27-28]。再次，丁酸梭菌產生的丁酸、B 族維生素、維生素K 等營養物質可被腸道直接吸收利用，還可作用于腸道菌群，促進乳桿菌、雙歧桿菌等有益菌的生長和增殖。最后，丁酸梭菌產生的消化酶能夠將腸道菌群無法直接利用的多聚糖轉化為可利用的低聚糖，提供必要的營養物質，有效提高腸道乳桿菌等有益菌的豐度，優化腸道微生物區系結構，維持腸道微生態平衡[29]。

2.4 調節機體免疫功能

丁酸梭菌可促進機體免疫器官發育，提高免疫器官指數；通過激活由Toll 樣受體2（TLR2）、孤G 蛋白偶聯受體（GPR）等介導的多個信號通路，使腸道黏膜處于免疫狀態，提高對病原菌的識別和信號傳遞能力，增強腸道黏膜的先天性免疫和獲得性免疫系統功能[15,30-32]。進入腸道的丁酸梭菌可通過誘導巨噬細胞分泌白細胞介素-10（IL-10）調節機體免疫應答[33]；可提高血清免疫球蛋白G（IgG）、免疫球蛋白M（IgM）和分泌型免疫球蛋白A（sIgA）含量，以增強動物抗病能力；還可顯著提高血清中補體C3含量。C3在補體經典激活途徑及旁路途徑中發揮重要作用，提示丁酸梭菌還可能通過激活補體系統增強動物機體免疫力[34]。

2.5 提高機體抗炎和抗氧化水平

腸上皮細胞TLR2 受體可通過識別丁酸梭菌，激活NF-κB 信號通路，誘導IL-10、白細胞介素-8（IL-8）和腫瘤壞死因子-β（TNF-β）等分泌，抑制炎癥反應的同時增強免疫力；丁酸作為信號分子可被腸道上皮細胞的G蛋白偶聯受體識別，從而影響細胞因子的表達，減少炎癥反應的發生[18,35-36]。丁酸梭菌還可提高血清谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）等的活性，清除體內在應激狀態下產生的自由基和活性氧；增加結腸谷胱甘肽和降低血清丙二醛（MDA）含量，緩解機體氧化應激狀態[37-38]。此外，丁酸梭菌產生的氫氣還可能參與了選擇性還原細胞內羥基自由基，與胞內毒性最大的活性氧簇反應，進一步防止氧化損傷[39]。

3 丁酸梭菌在家禽養殖中的應用

3.1 提高家禽生長性能

丁酸梭菌能夠通過提高機體的消化系統功能，促進營養物質消化吸收，改善動物生長性能。Li 等[40]報道，日糧添加1.0×109CFU/kg 丁酸梭菌能夠顯著提高肉雞體重和平均日增重。范磊[41]研究表明，在日糧中添加0.1%丁酸梭菌制劑可明顯提高21～42日齡肉雞生長性能，增加平均日增重和采食量，降低料重比，但對8～21日齡肉雞的影響不顯著。賈志新[42]研究表明，在日糧中添加不同劑量的丁酸梭菌均可顯著提高1～21日齡櫻桃谷肉鴨的平均日增重，且存在提高22～42日齡櫻桃谷肉鴨的平均日增重的趨勢。丁酸梭菌對提高家禽日增重可能與動物種類、生長階段、機體狀態、飼料營養配比、菌種及添加劑量有關。

3.2 提高家禽屠宰性能、產蛋性能

丁酸梭菌還可通過穩定腸道菌群結構、產生有益物質、促進營養物質消化吸收、增強抗氧化能力和調節機體脂質代謝等方式，提高家禽的屠宰性能、產蛋性能，改善家禽產品的品質和風味。黃翠翠等[43]報道，在愛拔益加肉雞基礎日糧中添加5.0×108CFU/kg 丁酸梭菌能夠顯著提高肉雞屠宰率、肌間脂肪寬度、胸肌24 h 紅度值及pH 值，顯著降低胸肌24 h 亮度值和蒸煮損失。Liu 等[44]研究表明，添加丁酸梭菌能夠顯著提高北京鴨胸肌pH45min值、肉色紅度值，增加胸肌肌苷酸、肌內脂肪、總氨基酸和總多不飽和脂肪酸等的含量，降低胸肌肉色的亮度值、剪切力和滴水損失；中劑量組和高劑量組包括谷氨酸和丙氨酸在內的風味氨基酸含量顯著增加，且氨基酸和脂肪酸含量與丁酸梭菌添加量呈正相關。

王成森[45]發現，海蘭褐蛋雞基礎日糧中添加丁酸梭菌可顯著提高產蛋率、蛋殼厚度和蛋黃顏色，顯著降低料蛋比和死淘率。Zhan等[46]發現，丁酸梭菌能夠提高蛋雞產蛋率和蛋殼硬度。也有研究表明，丁酸梭菌制劑能夠顯著提高種番鴨產蛋率和種蛋的受精率[47]。

3.3 增強家禽免疫功能

丁酸梭菌可促進機體免疫器官發育，激活淋巴細胞，提高機體免疫系統對疫苗的應答水平，增強機體免疫功能。宋孟澤[48]研究表明，灌服21 d丁酸梭菌可顯著提高蛋雞脾臟中CD4+T細胞亞群比例和IL-10的相對表達。賈志新[42]研究表明，日糧中添加5.0×108CFU/kg丁酸梭菌制劑能夠顯著提高櫻桃谷肉鴨免疫器官指數，提高血清IgG、IgM、C3和C4含量，改善肉鴨免疫功能，增強機體抗病力。Zhang 等[49]報道，日糧中添加2.0×107CFU/kg 丁酸梭菌能夠顯著提升經1.0× 108CFU 的E. coliK88 劑量攻毒后3、7 d的肉雞空腸黏膜sIgA含量以及攻毒后14 d血清IgA、免疫球蛋白Y（IgY）、C3的含量和攻毒后3、7、14 d血清C4含量。Abdel-Latif 等[50]報道，日糧中添加丁酸梭菌能夠顯著提高35 日齡肉雞新城疫抗體滴度水平。Cai 等[51]報道，肉雞經3.4×104個艾美球蟲孢子化卵囊劑量攻蟲后，對照組糞便每克卵囊數（OPG）高達9.11×107個，丁酸梭菌組和疫苗組OPG 分別為3.0×107和1.65×107個，而疫苗+丁酸梭菌組OPG 僅為8.38×106個，表明丁酸梭菌能夠極顯著降低攻蟲后肉雞糞便OPG；丁酸梭菌聯合球蟲疫苗使用能夠增強球蟲疫苗的作用效果，顯著減少糞便OPG，緩解艾美球蟲引起的腸道損傷。

3.4 改善家禽圈舍環境

丁酸梭菌能夠通過提高腸道菌群對蛋白質的消化利用，特別是通過增強盲腸發酵作用和降低內容物pH 值提高腸道菌群豐度及其對氮的利用效率，使前段腸道未消化的氮更多地轉化為細菌菌體蛋白，促進后段腸道對氮的利用，降低排泄物中尿氮比例；或降低家禽排泄物pH 值，抑制產脲酶細菌的生長，減少排泄物中氨態氮向氨氣轉化，減少氨氣逸失，有助于改善圈舍環境，從而提高動物福利[52]。譚莉等[53]研究表明，丁酸梭菌顯著降低盲腸21 d和糞便50 d尿酸含量，降低盲腸pH值，且在33 d達到顯著水平；在不同類型芽孢桿菌制劑中，丁酸梭菌對降低排泄物氨逸失效果最優。Such等[54]研究表明，日糧中添加丁酸梭菌對肉雞排泄物總氮量影響不大，但能夠顯著增加排泄物中干物質含量以及尿酸含量，減少排泄物中解脲細菌數量，排泄物氨排放更低。還有研究報道，丁酸梭菌能夠改善肉雞對鈣、磷的吸收利用，顯著降低21日齡肉雞排泄物中鈣、磷含量[55]。

4 展望

丁酸梭菌是一種綠色、安全、高效、多功能、抗逆性強、開發潛力大的飼料添加劑菌種，日糧中添加丁酸梭菌有助于維持家禽的腸道形態結構和菌群穩態，促進腸道營養物質消化吸收，增強家禽免疫力和抗逆能力，提高家禽生長和繁殖性能，改善家禽產品的品質和風味，降低家禽養殖成本，增加養殖業主經濟收益。丁酸梭菌及其代謝產物的作用機制仍有待深入研究，今后丁酸梭菌將會在更多的領域發揮重要作用。