动物胃肠道微生物区系与营养的相互关系

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楼主 2019-04-12 00:16:11
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动物胃肠道微生物区系与营养的相互关系

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胃肠道作为动物机体的一个重要组成部分,人们对它的认识长期以来都集中在消化吸收功能上。动物胃肠道微生物区系的平衡对维持健康起着重要作用。随着分子技术的发展,人们开始对动物胃肠道营养与微生物区系相互影响的研究也逐渐增多。充分了解营养与动物肠道微生物群落的关系,对改善动物生产、提高抗病能力有重要的参考价值。本文对肠道微生物系统和营养素对肠道微生物区系影响的研究做一综述,探讨其规律和存在的问题。

1.动物的肠道微生物

动物的胃肠道微生物系统是由细菌组成的多种群有机整体。肠道内的这些细菌种群可以分为有害的微生物系统和共生的微生物两种。有害微生物系统包括能诱发感染、对肠道的腐烂作用和产生毒素;共生微生物系统包括维生素产物、非病原菌对免疫系统的刺激作用和对有害菌的抑制作用。细菌群体也可分类为腔微生物系统和粘膜微生物系统,其中粘膜微生物系统可进一步分为上皮微生物系统和隐窝微生物系统。腔微生物系统受从日粮中摄入的营养素、肠内容物通过的比率、抗微生物物质的水平和活性的调节。粘膜微生物系统受结合肠上皮细胞的能力、粘蛋白合成的比率、杯状细胞的分泌、分泌型IgA的水平和特异性的调节。腔和粘膜微生物系统受限饲、抗生素治疗和疾病等应激原的直接影响。

另外,在胃肠道特定的解剖学区域,细菌的种群存在多样性,因而认为整个胃肠道细菌的种群也有相当大的差异。目前,在动物上许多研究主要集中在盲肠微生物群的相互影响上。但是细菌和动物营养在小肠段的相互作用对动物的健康和生产性能也相当重要。在任一区域,细菌总是与动物竞争营养素,并产生毒素,调节分泌性蛋白质的产生(如粘蛋白),因而影响局部的营养素需要量。

2.胃肠道微生物区系与宿主之间的关系

2.1 协作和有益作用

肠道微生物中大多数是有益的,肠道微生物与动物间存在着共生关系。微生物区系对动物胃肠道的作用可以分为3个方面:

2.1.1 促进营养吸收

胃肠道微生物区系可以促进营养物质的消化,通过分泌营养素提供营养给宿主,为宿主提供维生素(尤其是B族维生素和维生素K)、氨基酸和短链脂肪酸(乳酸盐、醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐)。而这些营养素有助于动物的能量供应,也能影响肠道微生物群体。这些短链脂肪酸在大肠内以被动扩散的方式被吸收,能用于酮体的合成(如丁酸盐)、葡萄糖的合成(如丙酸盐)、脂类的合成(如醋酸盐)。SCFA对宿主有着重要的生理功能,如调节肠道菌群,维持体液和电解质的平衡,给宿主提供能量,给肠道上皮细胞提供营养等。SCFA代谢产物也有很重要的作用,尤其丁酸,对结肠上皮细胞有很大的意义,其主要功能有:

①能量来源;

②细胞膜脂类合成的基质;

③促进消化道细胞生长;

④诱导细胞分化;

⑤与细胞骨架构建改变有关;

⑥增加组蛋白乙酰化等。

2.1.2 提供屏障作用

正常的肠道菌群共同占据肠粘膜表面形成一个生物学屏障,阻止致病菌、条件致病菌的定殖、入侵,对胃肠道起重要的保护作用。正常微生物区系可以降解胃肠道中的有害物质和促进粘膜层的发育,从而促进胃肠道健康。

2.1.3 提高免疫功能

肠道微生物对免疫机能的影响有两个方面:一方面,肠道微生物可作为抗原引发局部和系统的特异性免疫反应;另一方面,肠道微生物对胃肠道粘膜相关淋巴组织(GALT)免疫细胞的数量和分布影响相当大,对免疫反应具重要调节作用。无菌鸡回盲部的淋巴结比普通鸡小4/5,体液免疫、细胞免疫功能均低于普通鸡。这说明正常微生物不仅能刺激机体免疫器官的发育,而且对增强机体特异性细胞和体液免疫是不可缺少的。

2.2 竞争和有害作用

胃肠道微生物区系提供营养给动物的同时,也能与宿主竞争营养素或产生毒性代谢产物。例如,胃肠道微生物区系通过调整脂肪酶的活性或未结合的胆汁盐水平来影响脂类的消化作用,这样会限制脂质和脂溶性维生素的吸收,从而直接影响动物的生产性能。

3.日粮对肠道微生物区系的调控

根据以前的报道,胃肠道的细菌群体对动物的生理会产生极大的影响。这些细菌种群会被几种途径调节,反过来,细菌菌群也可以影响动物肠道的生理和营养。肠道微生物区系一方面随年龄的不同而不同,另外日粮也影响动物胃肠道微生物菌群的变化,而且不同日粮组成可调节微生物区系的组成。谷物类饲料不仅影响肠道中细菌数,而且影响到细菌的定居与繁殖。Apajalathi等(2003)用黑麦代替小麦饲喂雏鸡,结果发现链球菌和大肠杆菌数量显著增加,而乳酸杆菌数量显著降低。王金全等(2005)研究发现,小麦非淀粉多糖显著增加了回肠厌氧菌总数,其他菌类(乳酸菌、大肠杆菌、粪链球菌)只表现出增加趋势。乳糖可以降低盲肠中沙门氏菌数,可能是通过促进乳酸杆菌的增殖而抑制伤寒沙门氏菌的生长。臧素敏等(2005)发现在樱桃谷鸭日粮中添加甘露寡糖,盲肠乳酸杆菌数量显著增高,大肠杆菌和pH显著降低。这说明日粮中添加甘露寡糖后促进里乳酸杆菌的繁殖,抑制了大肠杆菌的繁殖,而乳酸杆菌活动的加强使其他挥发性脂肪酸的含量增加,形成了乳酸杆菌繁殖和物质吸收良好的微生态环境。除了日粮营养物质以外,许多非营养性添加剂,如抗生素、益生素、益生元、酸化剂、矿物质等,都可以调控家禽胃肠道微生物区系。

3.1 抗生素

抗生素原称抗菌素,由微生物产生,在低浓度下具有抑制或杀死其它微生物的化学物质。向饲料中添加抗生素,当一定浓度(达到有效的药物抑菌浓度)的抗生素在肠道内存在,肠道内的细菌总数保持在合理的、可以被接受的范围内,因此肠道内的营养流失就少,肠道内的异常发酵发生率低,从而饲料效率得到提高,动物健康状况也就得到了保证。解释抗生素对动物生产性能的有益效应的主要前提是:

①抑制或降低临床症状不明显的感染;

②调节或减少微生物毒素产物;

③减少动物和微生物对营养的竞争;

④小肠绒毛的稀细加强营养素的吸收。

但是抗生素的使用存在严重的残留问题,抗生素滥用会导致有害菌定殖增加,并产生耐药性。因此在饲料中长期添加低剂量的抗生素作为微生物区系调节剂已经不再受到欢迎。在欧洲,许多抗生素已经禁止在动物饲料中使用,所以需要寻求抗生素的替代品来调节微生物区系和维持动物肠道健康。

3.2 益生素

益生素有助于胃肠道正常栖居菌的生长和定居,直接或间接影响其他微生物种群。人们对益生素已经研究多年,近来的研究主要集中于益生素对生长雏鸡的功效,但是实验结果却变化很大。这种差异有可能是由所选择的益生素的菌种不同和动物的饲养条件不同造成的。作为益生素的细菌必须满足以下几个条件:

①对宿主动物有益,没有致病性,不产生毒素和诱变作用;

②细菌必须能在胃酸里存活,且有抗胆汁酸的能力,然后定居在小肠内;

③容易繁殖,在饲料加工和保存中不易失活。

很多益生素看上去对动物的生产还是很有效的。乳酸细菌(LAB)是鸡肠内微生物菌丛的主要代表,盲肠内容物中可达109个菌落形成单位/g(培养法测得),实现益生素菌种的第一功能(胃肠道的正常栖居菌)。乳酸细菌菌株直接或间接影响其他微生物种群,能减少其他细菌在肠道内的定居,如大肠杆菌、梭状芽胞杆菌和沙门氏菌。通过调节微生物系统,能显著减少有害细菌的致病菌株。乳酸细菌和其他益生菌还能增强饲料的安全性。在动物上研究都表明,益生素的添加会对沙门氏菌产生显著影响。乳杆菌也能影响微生物群体,在长期饲养过程中,能减少盲肠内氨的量,增加短链脂肪酸的产生。张春扬等(2002)研究发现,用产蛋白酶的益生菌制成益生菌剂饲喂肉鸡时,能明显提高增重,显著降低料肉比,因为益生菌在肉鸡消化道内生长繁殖、代谢过程中能够分泌大量的蛋白酶,促进饲料中蛋白质成分的降解和利用,提高了饲料的消化利用率。

3.3 益生元

益生元作为支持某一微生物种群而被广泛应用。最基本的益生元为碳水化合物,但定义并不排除被用作益生元的非碳水化合物物质。理论上来讲,任何可以减少现在有害菌种而有益于促进健康的菌种或活动的抗生素都可以叫做益生元。即:能增加有益菌或增加碳水化合物代谢的都可称为益生元。益生元一般应符合下列条件:

①在消化道上部不能被消化酶消化;

②能刺激定植于肠道的一种或几种有益菌的生长或活化及其代谢;

③使肠道菌群向有利于宿主健康的方向转化;

④能诱导有利于宿主健康的肠道局部免疫或全身免疫反应。

常见的益生元有:低聚果糖、大豆低聚糖、异麦芽低聚糖、低聚乳果糖、低聚半乳糖、低聚甘露糖、低聚龙胆糖、低聚木糖等。益生元能调节肠道内的细菌群体,从而影响动物营养。非消化性碳水化合物的生理效应包括代谢物的增加、短链脂肪酸产物的增加、细菌种群的变更、血清化学性质的改变(如胆固醇和三酰基甘油的减少)。研究表明,益生元(包括菊糖和寡聚果糖)具有显著效应,能增加下部分肠道内的双歧杆菌数,促进细菌产生能被动物利用的短链脂肪酸。占秀安等(2003)在肉鸡饲粮中添加4000mg/kg果寡糖后,发现盲肠中双歧杆菌和总厌氧菌数分别增加了257.65%和100%,梭状芽孢杆菌数下降了79.36%,使盲肠中乳酸杆菌数增加了67.97%,大肠杆菌数下降了71.35%,盲肠中丙酸含量提高了73.22%,短链脂肪酸含量增加了58.31%。果寡糖作为双歧杆菌和乳酸杆菌的特异性营养机质,能促进单胃动物肠道内有益微生物菌群的形成,增加动物机体对外源性病原菌的低抗作用。易中华等(2006)在饲粮中添加果寡糖和枯草芽孢杆菌,研究发现果寡糖对肉鸡盲肠大肠杆菌和总需氧菌的抑制作用在3周龄以前并不明显,而在肉鸡生长后期才表现出来,可能是由于果寡糖对宿主消化道微生物区系的调控需要一定的时间。益生元与其他促生长物质如抗生素和益生素相比有着不可替代的优点,它无药残,细菌不会产生抗性,无污染、耐高温、性质稳定、加工储运过程中损失少,是一种天然的食品添加剂

3.4 酸化剂

酸化剂主要用于降低动物胃肠道内容物的pH值,使其维持相对稳定,同时通过破坏革兰氏阴性菌的细胞壁的作用,进而改善消化道内酶的活性,降低病原微生物感染,提高营养物质消化率等作用。在日粮中添加酸化剂可以改善胃肠道微生物区系,促进有益菌生长,抑制或杀灭有害菌。谢欣梅等(2005)在日粮中添加0.5%的延胡索酸和柠檬酸,发现21日龄肉仔鸡回肠中大肠杆菌数量比对照组分别下降了15.72%和10.99%,乳酸杆菌数量分别增加了15.25%和7.28%,抑制鸡肠道中大肠杆菌的增殖,同时促进乳酸杆菌的增殖,改善了肉仔鸡消化道微生物区系的平衡,提高了肉鸡的生产性能和饲料报酬,还发现延胡索酸的抑菌作用优于柠檬酸。

3.5 矿物质

日粮中添加铜、锌等,可以调节胃肠道微生物区系。为了增强肠道内的抗菌特性,提高动物机体的免疫能力,单胃动物日粮中铜和锌添加的水平要比促生长的需要量来得高。铜对肠道微生物的作用机制主要是:

①铜对大肠杆菌K88有很强的致死作用;

②Cu2+易穿透细胞膜并进入细胞内,与细胞内蛋白质中的-SH等有机官能团结合,使蛋白质变性,从而使细菌死亡;

③铜可诱导K+从细胞中释放出来;

④Cu2+对细菌细胞中的一些酶和代谢路径具有抑制作用。

矿物的来源不同,其效应也不同。日粮铜源在胃肠道内可溶性的铜多主要影响小肠前段的微生物区系,而可溶性铜少则影响小肠后段的微生物区系。

4.胃肠道微生物群体的研究手段

由于培养方法技术的限制,用传统方法研究微生物只能获得肠道环境中微生物的部分信息和分离得到很少一部分的微生物,而且得到的微生物大多集中在某些常见属种,只可培养的微生物仅占微生物总数的1%左右。不能全面客观地认识肠道中微生物群落,而用16SrRNA/DNA序列分析,基因型指纹图谱分析等分子方法能客服培养法带来的缺点。

近年来,随着分子生物学技术的不断发展,出现了许多能够鉴定不可培养微生物的新技术。这些新技术包括16SrRNA/DNA序列分析、基因型指纹图谱分析等。而基因型指纹图谱分析又包括PCR-SSCP、PCR-RFLP、PCR-DGGE、PCR-TGGE等。而DGGE技术能有效分析肠道复杂微生物群落及其多样性,从而可以知道微生物菌群的组成及其优势菌群。目前利用DGGE技术在家禽上对鸡的研究比较多。王金全等(2005)利用PCR-DGGE法,分别饲喂玉米-豆粕型、小麦-豆粕型和小麦-豆粕型添加木聚糖酶3种日粮,针对肠道内几种微生物的数量和优势菌的多样性进行研究,小麦非淀粉多糖降低了肠道内微生物的菌群种属数量,这是因为动物肠道内的微生态系统存在着一种菌群平衡关系,如果某一种菌群大量繁殖,势必会对其他种群的生长产生竞争和影响,甚至抑制了其他菌群的生长。Smits等(1998)和Vahjen等(1998)研究了碳水化合物对鸡肠道微生物区系的影响。随后,Knarreborg等(2002)用PCR-DGGE法研究了给7d、14d、21d、35d的雏鸡饲喂不同水平的脂肪含量以及抗生素水平,探讨对雏鸡回肠的影响。Lan等(2007)也利用了PCR技术,发现大豆粉低聚糖对雏鸡具有阻止病原体侵入的作用,即大豆粉低聚糖是一种有效的抗生素替代品。可见利用PCR-DGGE法可以通过发现微生物菌群的变化,从而发现饲喂何种饲料会增加肠道微生物的有益菌群,减少其有害菌群,提高饲料的利用率,获得更高的饲料报酬和经济效益,以及可以更好地从肠道微生物角度来探讨动物的肠道消化机制。

5.小结

动物肠道微生物平衡对于动物健康极其重要,利用分子研究手段(如PCR-DGGE),结合调控日粮中营养素或添加非营养性添加剂,可以改变动物肠道微生物区系,从而使动物更好地发挥生产性能,以及减少药物残留和营养素损耗。



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