丁酸梭菌的生理功能及其在反刍动物生产中的应用

摘 要：丁酸梭菌(Clostridium butyricum)是一种广泛存在于土壤、动物肠道等环境中的革兰氏阳性厌氧芽孢杆菌，具有产丁酸、调节肠道菌群、增强免疫及维护肠道屏障等多种生理功能。作为天然的微生态制剂，丁酸梭菌在反刍动物生产中具有良好的应用前景。其精准鉴定有赖于16S rRNA基因测序与生理生化特征相结合的系统方法。该菌的核心益生机制在于其通过产生丁酸，直接为肠上皮供能、增强紧密连接蛋白表达以巩固物理屏障，并能通过抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)等表观遗传途径促进蛋白分泌与调节性T细胞(regulatory T cells,Tregs)分化，从而协同维护肠道稳态与免疫平衡。这些益生作用在反刍动物体内可显著优化瘤胃发酵，提升总挥发性脂肪酸产量与纤维消化率，并促进纤维降解菌增殖。笔者系统综述了丁酸梭菌的益生机制及其在反刍动物生产中的应用，重点分析了其优化瘤胃发酵、改善生产性能与维护肠道健康的作用规律，旨在为构建以丁酸梭菌为核心的健康养殖与高效生产调控体系提供理论支持，以助力反刍畜牧业实现提质增效与绿色发展。

关键词：丁酸梭菌；生理功能；反刍动物；瘤胃发酵；生产性能

反刍动物的健康和生产性能与其消化道内复杂的微生物生态系统息息相关，其中微生物代谢产生的短链脂肪酸发挥着核心调控作用。在众多微生物中，丁酸梭菌作为一种革兰氏阳性厌氧芽孢杆菌，因其独特的生理特性与益生功能，在畜禽养殖中已成为一种重要的微生态制剂。该菌最显著的生物学优势在于其芽孢结构赋予的极强的环境耐受性，能够稳定存活于饲料加工、胃肠道酸性环境以及抗生素压力之下，从而高效定植于肠道并发挥益生作用。丁酸梭菌的核心功能在于其能够发酵膳食纤维，产生丁酸、乙酸等关键短链脂肪酸。其中丁酸不仅是肠黏膜细胞的主要能量来源，对维持肠道上皮屏障的完整性、调节局部免疫反应以及抑制炎症过程至关重要。与此同时，其所创造的微环境还能选择性促进乳酸杆菌等有益菌群的增殖，抑制病原菌生长，从而优化肠道微生态平衡。正因如此，丁酸梭菌作为饲料添加剂被广泛应用于调控动物肠道健康。研究表明，丁酸梭菌作为一种重要的益生菌，对炎症性肠病、结肠癌、肥胖、糖尿病、腹泻及败血症(等多种疾病方面展现出潜在价值。作为天然的微生物饲料添加剂，丁酸梭菌在反刍动物生产中也具有良好的应用前景。本文就丁酸梭菌的分离与鉴定、生理功能、对瘤胃发酵的调节作用及其在反刍动物生产中的应用进展进行综述，以期为丁酸梭菌在反刍动物生产应用中提供理论依据。

1 丁酸梭菌的分离与鉴定

丁酸梭菌的分离与鉴定依赖于一套多层次、相互验证的技术体系。其分离主要通过厌氧选择性培养法实现，旨在从复杂的微生物群落中获取纯培养物。鉴定则遵循由表型到基因型的综合路径：表型鉴定包括基于菌落与细胞形态(如革兰氏阳性杆菌及末端芽孢)的形态学观察和以代谢产物(如丁酸)分析为核心的生理生化实验。基因型鉴定则以16S rRNA基因测序为黄金标准，并辅以特异性PCR进行快速筛查，以及采用多位点序列分型(MLST)进行高分辨率的菌株分型。各类方法因其原理与特点的不同，各有其明确的适用场景与局限性(详见表1)。在实际研究中，需根据菌株来源、鉴定深度、技术条件与研究目标，对这些方法进行灵活选择与组合，以确保结果的准确性与科学性。

表1丁酸梭菌的分离与鉴定方法

2 丁酸梭菌的生理功能

2.1 维护肠道屏障

作为重要的产丁酸菌，丁酸梭菌通过多靶点机制协同维护肠道屏障功能的完整性，其核心作用紧密围绕其特征性代谢产物－丁酸展开，主要涵盖物理屏障与化学屏障两大维度。在物理屏障层面，丁酸梭菌的核心作用主要体现在两方面。首先，丁酸作为结肠上皮细胞的首要能量来源，通过β-氧化途径为肠上皮细胞的增殖、更新与修复提供充沛能量，此为维持屏障结构的基础。其次，丁酸能特异性上调紧密连接相关蛋白的表达与正确组装，包括闭锁蛋白(Occludin)、闭合蛋白(Claudin-1)及紧密连接蛋白-1(ZO-1)，从而显著增强上皮细胞间的紧密性，降低肠道通透性，有效阻止有害物质的细胞旁(paracellular)转运。在化学屏障层面，丁酸梭菌的调控作用同样至关重要。其产生的丁酸通过抑制HDAC的表观遗传调控机制，能有效促进杯状细胞合成与分泌黏蛋白2(MUC2)，从而增强黏液层的厚度、稳定性与连续性，构筑起抵御病原体定植与入侵的首道化学防线。此外，丁酸梭菌还能刺激肠道抗菌肽(AMPs)的表达，并通过代谢产生其他短链脂肪酸，共同营造一个不利于病原菌生长的酸性微环境，进一步巩固化学屏障功能。因此，丁酸梭菌通过能量供应以保障肠道上皮活力、结构强化以增强物理屏障，以及化学增防以巩固黏液与抗菌防线等多重途径，从多维度协同维护肠道屏障的完整性与功能稳态。此外，其介导的免疫调节与微生物群落重塑，为屏障功能的长期稳定提供了不可或缺的微环境支持。这些机制紧密关联，共同构成了一个协同互作的综合防护网络。

2.2 调控免疫反应

丁酸梭菌对宿主免疫系统的精密调控，是其发挥益生功能的核心环节。这一作用并非简单地增强或抑制免疫力，而是通过多种机制主动引导免疫系统趋向耐受与平衡的状态，其效应始于肠道局部，并延伸至全身系统。丁酸梭菌免疫调节的核心在于其代谢产物丁酸。作为重要的HDAC抑制剂，丁酸通过表观遗传重编程方式，深刻影响免疫细胞的分化与功能。其中最关键的机制是促进肠道固有层中调节性T细胞的分化与增殖。Treg细胞作为关键的负向免疫调节细胞，通过分泌白细胞介素-10(IL-10)和转化生长因子-β(TGF-β)等抗炎细胞因子，并通过细胞接触依赖机制，有效抑制效应T细胞的过度活化和增殖，从而诱导并维持对肠道内无害抗原(如食物蛋白和共生菌)的免疫耐受。这对于预防食物过敏、自身免疫性肠病等至关重要。与此同时，丁酸梭菌及其代谢产物能够平衡促炎与抗炎反应。它们可以抑制核因子κB(NF-κB)等关键促炎信号通路的活化，从而下调肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)和白细胞介素-1β(IL-1β)等促炎因子的过度表达。这种对炎症反应的精确调控，不仅直接缓解肠道炎症，也为肠道屏障的稳定修复创造了有利的免疫微环境。值得注意的是，丁酸梭菌的免疫调节具有系统性影响。在肠道局部被激活的Treg细胞可迁移至全身循环，而进入血液循环的丁酸也能直接作用于外周免疫器官和组织中的免疫细胞。这使得丁酸梭菌的作用超越了肠道，对全身性的低度炎症(如与肥胖和代谢综合征相关的炎症)及远端器官的免疫状态产生积极调节。此外，研究表明，丁酸梭菌能够作为免疫佐剂，增强疫苗接种后的特异性抗体应答，并可能通过调节肠-脑轴，影响神经免疫互动。综上可知，丁酸梭菌通过以丁酸为核心的多靶点作用，主导了一个从诱导Treg细胞、平衡细胞因子到产生系统性效应的精密免疫调节网络。这种主动引导免疫系统回归稳态的能力，是其应用于炎症性疾病防治、过敏干预及提升整体免疫健康的理论基础。

2.3 调控肠道微生物

丁酸梭菌对肠道微生态的调节作用，是其发挥益生功能的核心体现，该作用通过直接与间接途径在群落结构、种间互作及理化环境等多个层面协同实现，共同驱动微生物群落向稳态平衡。首先，在直接干预层面，丁酸梭菌通过特异性拮抗与生态位竞争，有效抑制病原体及条件致病菌的过度增殖。其分泌的细菌素等抗菌物质能够靶向作用于艰难梭菌、沙门氏菌等特定病原体的细胞结构，实现对有害菌群的选择性抑制。与此同时，丁酸梭菌凭借其高效的营养代谢与黏膜定植能力，与病原体竞争有限的碳源、氮源及肠道上皮表面的附着位点，从而施加显著的定植抗力，从生态学上限制其种群规模。其次，在代谢调控层面，丁酸梭菌以其特征性代谢产物为核心，塑造利于宿主健康的微环境并支持有益菌群。其发酵膳食纤维产生的大量短链脂肪酸，尤其是丁酸，能显著降低肠道腔内pH，形成普遍抑制多种病原菌生长的酸性环境。更为关键的是，丁酸可作为关键的交叉喂养底物，被其他共生菌(如普拉梭菌，Faecalibacterium prausnitzii)进一步利用，从而在微生物网络中发挥代谢支持作用，促进以产丁酸菌为核心的有益菌群的功能稳定。此外，丁酸梭菌通过强化宿主屏障功能与诱导免疫耐受，为微生物群落的长期稳定提供了不可或缺的宿主内环境。如前文所述，其增强的物理屏障有效阻断了病原体易位，而其诱导的抗炎免疫微环境则能精准遏制由菌群失调触发的过度炎症。炎症的消退消除了病原体扩张所依赖的生态条件，因而从更深层次巩固了微生态调节的效应，形成了一个自我维持的稳态循环。综上所述，丁酸梭菌通过整合直接抑制、代谢支持与宿主调控等多重机制，作为一个关键的生态驱动因子，动态维持着肠道微生态的结构平衡与功能健康，这为其在菌群失调相关疾病的生态疗法中的应用提供了坚实的理论依据。

2.4 其他生理功能

丁酸梭菌的益生效应并不仅限于肠道局部，其通过代谢产物、免疫调节及神经内分泌等多重途径，将影响延伸至全身系统，尤其在调控肿瘤发生发展与介导肠-脑轴双向通讯中展现出重要作用，这极大地拓展了其作为下一代益生菌的应用外延。在抗肿瘤领域，丁酸梭菌的功能具有多机制协同的特点。其核心机制与代谢产物丁酸的直接抗肿瘤活性密切相关，丁酸作为HDAC高效抑制剂，能够在肿瘤细胞内引发组蛋白高度乙酰化，进而激活凋亡相关基因的表达并阻滞细胞周期进程，从而直接诱导多种消化道肿瘤细胞的程序性死亡与分化。此外，该菌的抗肿瘤效应与免疫调节功能紧密耦合，通过促进调节性T细胞分化及诱导抗炎因子环境，丁酸梭菌有助于重塑肿瘤免疫微环境，可能增强细胞毒性T细胞等免疫效应细胞对肿瘤的识别与清除能力，临床研究亦提示其可能增强免疫检查点抑制剂疗法的应答效率。与此同时，其通过强化肠道屏障完整性所实现的降低系统性炎症水平的作用，亦能从源头上削弱慢性炎症驱动肿瘤发生与发展的风险。此外，丁酸梭菌亦是肠-脑轴双向调控的关键节点。其介导的神经调节作用主要依托于“微生物-肠-脑轴”的多元通路。一方面，丁酸等短链脂肪酸可通过循环系统穿越血脑屏障，或通过激活迷走神经传入信号，直接调节中枢神经系统功能。另一方面，其通过平衡外周免疫状态，能有效抑制小胶质细胞－中枢神经系统的核心免疫细胞的－过度活化，从而缓解神经炎症。这些机制共同解释了为何补充丁酸梭菌在动物模型中能显著改善应激诱导的行为异常、缓解焦虑与抑郁样症状，并表现出神经保护潜力。综上所述，丁酸梭菌在抗肿瘤与肠-脑轴调节方面的功能，并非独立存在，而是深度植根于其维持肠道稳态、调控免疫平衡及产生特定代谢物这三大核心生理基础之上。这些新兴的全身性效应，不仅系统揭示了肠道微生物群落对宿主生理的深远调控能力，也为开发基于丁酸梭菌的肿瘤辅助疗法与神经精神疾病干预策略提供了理论依据与极具前景的研究方向。

3 丁酸梭菌在反刍动物生产中的应用

丁酸梭菌作为一种重要的微生物益生制剂，其在反刍动物生产中的应用效果，植根于其对瘤胃这一核心消化器官的深刻调控。具体而言，丁酸梭菌首先通过优化挥发性脂肪酸谱与氨氮水平、重塑纤维降解与淀粉代谢功能菌群，从发酵动力学与微生态结构两方面，为机体的高效代谢奠定物质与能量基础。随后，将这些上游的代谢优势高效转化为实际的生产效益，直接表现为动物生长速率与饲料报酬的提升，以及肉品质与营养价值的改善。最终，其作用进一步外延至整体健康层面，通过免疫调节等途径增强机体抵抗力，系统性地体现出对生产系统稳定性的维护作用。

3.1 对瘤胃发酵参数及瘤胃微生物的影响

反刍动物瘤胃发酵过程中，饲粮可发酵成分经微生物分解生成挥发性脂肪酸(VFA)并合成微生物蛋白，二者分别满足宿主约80%的能量需求与65%～85%的蛋白质需求，构成反刍动物营养代谢的核心(MCP)基础。然而，高碳水化合物饲粮的快速发酵会诱导瘤胃pH降低，影响发酵动力学及微生物群落平衡。在此背景下，丁酸梭菌作为一种可产丁酸、乳酸及多种消化酶的有益菌，不仅能作为直接芽孢抵达瘤胃，更可通过其代谢产物优化发酵微环境，提升瘤胃pH、有效预防酸中毒，从而在保障发酵效率的同时，增强瘤胃对高负荷饲粮的耐受性与稳定性。卢俊言等通过体外发酵试验发现，底物中丁酸梭菌添加量为6×108CFU/kg时，可以提高产气量、NH3-N、乙酸、丙酸、总挥发性脂肪酸(TVFA)含量。王璐菊等研究表明，在奶牛体外瘤胃发酵中，添加丁酸梭菌(活菌数为10×108CFU/g、添加量30g/d·头)时，可提高瘤胃体外发酵液的NH3-N和TVFA浓度。Cai等报道，在山羊的饲粮中添加占基础饲粮干物质重量0.05%的丁酸梭菌(1×108CFU/g)时，瘤胃pH、NH3-N、TVFA、乙酸、丙酸浓度均显著上升。综上所述，丁酸梭菌作为益生菌制剂，通过其定向代谢产物(丁酸、乳酸等)协同调控瘤胃微环境，不仅有效缓冲pH波动、维护发酵稳态，更可重塑微生物群落结构，进而系统性提升养分利用率、促进挥发性脂肪酸与微生物蛋白的同步合成，优化瘤胃能氮代谢平衡，最终实现瘤胃发酵效率与机体健康水平的协同优化。

反刍动物瘤胃内的微生物群落通过生物降解与发酵作用，将宿主摄入的饲粮转化为可吸收的营养物质，从而满足宿主动物的核心营养需求。这种微生物与宿主之间形成的协同共生机制，本质上构成一种代谢互惠关系，共同维系反刍系统的生理稳态。Li等研究发现，在荷斯坦奶牛的基础饲粮中添加2×108CFU/kg丁酸梭菌时，可提高白瘤胃球菌(Ruminococcus albus)、嗜淀粉瘤胃杆菌(Ruminobacter amylophilus)、黄瘤胃球菌(Ruminococcus flavefaciens)、牛密球菌(Sharpea azabuensis)的相对丰度增加。这一结果初步证实，丁酸梭菌能够定向富集瘤胃中参与纤维降解与淀粉代谢的核心功能菌群。Zhang等研究进一步揭示了丁酸梭菌对微生物群落结构的重塑作用，其在山羊饲粮中添加2×108CFU/kg丁酸梭菌后，不仅延续了对纤维分解菌群的促进作用，表现为显著提升与碳水化合物降解相关的Prevotella_1、Christensenellaceae_AE_R-7_Group 和 Prevotellaceae_AE_UCG-003的相对丰度，同时显著降低了Muribaculaceae_unclassified 的丰度，体现出其在优化整体微生物生态方面的潜力。Zhang 等研究表明，体外瘤胃发酵中，丁酸梭菌在2×106CFU添加量时，增加了属水平上Rikenellaceae_RC9_gut_ group、Christensenellaceae_R-7_group和NK4A214_group的相对丰度。综上可知，丁酸梭菌对反刍动物瘤胃微生物区系具有系统性调控功能。其不仅可定向促进纤维降解菌与淀粉代谢相关菌群的增殖，还能整体优化微生物群落结构，增强碳水化合物代谢效率。其对功能菌群的稳定富集效应，表明丁酸梭菌可作为调控瘤胃微生态、改善发酵功能的重要益生菌制剂，为反刍动物营养调控提供有效策略。

3.2 提高生长性能

丁酸梭菌在提高反刍动物的体重增长和饲料转化效率方面具有显著效果。陈晓雨等研究发现，在绵羊饲粮中补充5g/d丁酸梭菌(5×108CFU/g)，可以显著提高终末体重和平均日增重，同时显著降低料重比。这表明丁酸梭菌提高了绵羊对营养物质的吸收利用率。其机制在于，丁酸梭菌代谢所产生的丁酸等短链脂肪酸，能够调节肠道pH值，从而抑制有害菌增殖，同时增强消化酶的活性。通过这一途径，营养物质在肠道的消化吸收过程得到显著改善。何家俊等研究表明，在犊牛的基础饲粮中添加8g/d丁酸梭菌(5×108CFU/g)，犊牛终末体重和平均日增重分别提高3.5kg和120g。研究报道，山羊的饲粮中添加占基础饲粮干物质重量0.05%的丁酸梭菌(1×108CFU/g)时，山羊的干物质采食量、平均日增重，以及干物质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的消化率均产生了积极影响。丁酸梭菌对生长性能的影响可能归因于其为动物提供氨基酸、短链脂肪酸和维生素B的能力。此外，它还可以产生多种消化酶，包括淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶，可以促进营养物质的消化率。由此可见，在反刍动物饲粮中添加适量丁酸梭菌，可协同提升生长性能、改善饲料转化效率，并增强肠道健康水平。

3.3 改善肉品质

反刍动物的肉品质受遗传与非遗传因素的共同调控。内在因素主要包括品种、年龄、物种和性别，而外在因素则以饲粮为核心，涵盖气候条件及反刍行为等。作为最关键的外在因素，饲粮通过改变胴体形态、理化特性及脂肪酸组成等，直接影响肉的嫩度、色泽等感官性状。在诸多肉品质指标中，肌肉颜色是核心评价指标之一，其主要由肌红蛋白含量、化学状态、亚型构成以及宰后肌肉微环境的pH值和成熟进程共同决定。饲粮中添加丁酸梭菌可改善反刍动物的肉品质。Dou等研究表明，在羔羊基础饲粮中补充5g/d丁酸梭菌(2.5×108CFU/g)，可显著改善肌肉质量、增加肌纤维直径和横截面积，并有效降低剪切力。与之相应，王威皓等研究报道，在小尾寒羊的基础饲粮中添加5g/d丁酸梭菌(5×108CFU/g)，显著提升了羊肉的亮度(L*值)、红度(a*值)、Ph24h及肌内脂肪含量，并显著降低了剪切力，表明其有效改善了肉的色泽、系水力和嫩度。此外，在脂肪酸组成上，丁酸梭菌处理显著降低了棕榈酸和硬脂酸比例，同时提高了油酸、α－亚麻酸和二十碳五烯酸(EPA)的比例，表明肌肉中不饱和脂肪酸比例得以优化，赋予了羊肉更佳的营养价值。因此，饲粮添加丁酸梭菌通过改善物理性状与优化脂肪酸组成，为系统提升反刍动物肉品质提供了有效路径。

3.4 其他方面

腹泻是制约反刍动物健康养殖的关键瓶颈，尤其对幼龄犊牛与羔羊的成活率与后期发育构成严重威胁。该病症的发生是病原微生物感染、消化系统发育不全、饲养管理及环境应激等多因素交织作用的结果。尽管传统防治手段已广泛应用，其局限性仍日益凸显。李正猛等研究表明，在荷斯坦犊牛的基础饲粮中添加0.8 g/d丁酸梭菌(1×108 CFU/g)，可显著降低犊牛腹泻频率。这可能是丁酸梭菌及其代谢产物能够调节肠道免疫应答，通过增强免疫球蛋白A(IgA)的分泌和促进抗炎因子(如IL-10)的产生，缓解由病原感染引发的肠道过度炎症反应，从而减轻腹泻症状。李文茜等研究报道，在犊牛的饲粮中添加2×108CFU/kg丁酸梭菌可使腹泻率降低3.62%。该研究进一步指出，丁酸梭菌的补充显著提升了犊牛血清中的总蛋白和球蛋白水平，这提示丁酸梭菌可能通过改善机体的整体蛋白质代谢与免疫机能，从而增强了犊牛对抗病原侵袭的内在能力。综上所述，饲粮补充丁酸梭菌可通过调节免疫、改善蛋白代谢等多重机制，有效降低犊牛腹泻发生率，为其在反刍动物健康养殖中的实践应用提供了有益依据。

4 小结与展望

本文综述了丁酸梭菌的分离鉴定方法、生理功能及其在反刍动物生产中的应用研究进展。丁酸梭菌作为一种产丁酸的厌氧芽孢杆菌，在反刍动物养殖中具有重要的应用价值。在瘤胃发酵方面，丁酸梭菌能够提高TVFA和NH3-N浓度，并富集白色瘤胃球菌、黄色瘤胃球菌等纤维降解菌，优化发酵模式。在生产应用中，补充丁酸梭菌可显著提高山羊、绵羊和犊牛的平均日增重，降低料重比。同时能够改善羊肉品质，表现为肌内脂肪含量增加、剪切力降低以及油酸和α-亚麻酸等不饱和脂肪酸比例的提升。在机体健康方面，丁酸梭菌可通过促进免疫球蛋白A和抗炎因子IL-10的分泌，有效降低犊牛腹泻率。然而，当前关于丁酸梭菌在反刍动物生产中的应用研究仍存在不足。首先，现有研究多集中于生长育肥期，针对围产期奶牛、育成期羔羊等关键生理阶段的适宜添加剂量研究匮乏，且不同试验的添加量差异显著，缺乏统一标准。其次，丁酸梭菌调控瘤胃微生物群落进而影响后肠道养分吸收与机体免疫的具体分子机制，如与丁酸受体的互作、对紧密连接蛋白表达的调控途径等，尚未完全阐明。此外，丁酸梭菌与酵母培养物、乳酸菌等其他常用益生菌或添加剂的协同效应，及其对反刍动物繁殖性能、乳成分和长期经济效益的影响，亦有待系统评估。未来研究应重点关注以下方面：1通过长期、大规模的饲养试验，建立针对不同畜种(如奶牛、肉羊、山羊)、不同生理阶段(如犊牛、围产期、育肥期)的丁酸梭菌精准添加方案。2综合利用宏基因组学、代谢组学及体外细胞模型，深入解析丁酸梭菌及其代谢产物(如丁酸)调控瘤胃功能、肠道屏障和宿主免疫的分子靶点与信号通路。3系统评估丁酸梭菌在全混合饲粮和精料补充料等不同饲粮背景下的应用效果，并探索其与莫能菌素等传统添加剂的配伍关系，开发高效的复合微生态制剂。上述工作的深入开展，对于制定丁酸梭菌的精准应用方案、阐明其深层作用机理具有重要意义。

参考文献：略。

作者：关银香，郭国庆等2025年12月26日网络首发于《中国畜牧兽医》