动物肠道菌群结构与代谢化学成分的相互关系

        机体肠道对营养素的消化吸收以及抗病保健能力部分依赖于寄居其中的菌群结构。消化道正常菌群种类多、数量大,能产生多种酶类(消化酶和非消化酶类),协助机体对营养素的消化吸收。此过程中可产生许多不同的化学成分(有益和有害成分)。本文主要综述机体肠道菌群结构与其内容物化学成分的相互关系。

1 影响肠道菌群结构的因素

动物肠道的微生物是由500—1000种细菌组成的一个复杂的微生态系统。按各类细菌在肠道中的作用不同,可分为有益菌、有害菌和兼性菌。定植于机体肠道内的各种微生物之间、微生物与宿主之间既相互制约又彼此依赖,正常情况下彼此之间保持着动态的平衡,且优势菌群是有益菌。肠道菌群结构即是指定植于机体肠道内的微生物种类和数量。影响肠道菌群结构的因素很多,如日龄、肠道生理部位、环境因素以及日粮成分等。

1.1 日龄对于家禽,刚出壳时一般处于无菌状态,之后通过呼吸、饮水和采食等途径,并进入嗉囊,就在消化道前部开始了细菌的定植。然后向消化道后段推移。随日龄增长,在30日龄左右,肉仔鸡肠道菌群达到稳定⋯ 。

1.2 肠道生理部位动物消化道中微生物区系的结构和功能受肠道生理结构的影响,同时还受胃肠生态环境的影响,如养分的可得到程度、pH值、氧化还原能力以及微生物间的相互影响。对于单胃动物,小肠优势细菌为兼性厌氧菌,并且前段细菌少,后段细菌逐渐增多。大肠是细菌量最大的部位,优势菌由严格厌氧菌组成。

1.3 环境因素如果环境条件发生变化(如饲料变更、应激、断乳、运输等),可引起动物肠道内环境中菌群结构的变化,当变化超过生理范围时,则引起消化道菌群紊乱,微生态平衡破坏,从而导致一系列负面后果。

1.4 日粮成分饲料的营养组成和化学结构是影响肠道微生物菌群结构的一个重要因素。饲料的组成直接影响肠道菌群的平衡,主要包括益生素类、寡糖类、中草药类以及抗生素类等。

1.4.1 益生素益生素是指摄入动物体内参与肠内微生物平衡的具有直接通过增强动物对肠内有害微生物群落的抑制作用,或者通过增强非特异性免疫功能来预防疾病,并起到促进动物生长作用和提高饲料转化率的活性微生物培养物。益生素使用后1—2 hil1]可发挥作用,进入肠道中后创造的环境更适宜于其他有益菌的繁殖,加强有益菌的优势地位并抑制病原菌,如啤酒酵母能刺激肠道乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌群的增殖。MARUTA的研究发现,猪采食含10 CFU/g枯草芽胞杆菌的饲粮3周后,粪中双歧杆菌数量显著上升,而链球菌和梭菌的数量显著下降,并且这种趋势在仔猪较母猪更明显。微生态制剂(乳酸杆菌、蜡样芽胞杆菌、双歧杆菌和粪链球菌)能明显增加雏鸡消化道乳酸杆菌、双歧杆菌、肠球菌和稍化球菌等有益菌的数量。

1.4.2 寡糖类又称化学益生素,是由2—10个单糖通过糖苷键连接而成的具有直链或支链结构的糖类小聚合物。主要包括寡果糖、寡甘露糖、异麦芽寡糖、寡乳糖以及寡木糖等。寡果糖、异麦芽低聚糖是有益菌选择性发酵的良好基质,甘露寡聚糖类化学益生素在肠道中不易被微生物发酵,但具有吸附和清除病原菌的能力,同时也能提高动物机体的免疫力。肉仔鸡13粮添加0.1%甘露寡糖,盲肠中双歧杆菌显著高于对照组;SPRING等的研究表明甘露寡糖能有效抑制大肠埃希菌的生长。另外,除了寡糖类物质外,一些中草药如人参、党参、黄芪及茶叶等的提取物也具有与寡糖相似的作用。

1.4.3 抗生素抗生素能抑制肠道内的微生物生长和活性;减少微生物对能量和养分的吸收利用,从而增加宿主的可利用养分,因而可促进动物生长和改善饲料报酬。赵献军等的研究表明,环丙沙星可使鸡消化道乳酸杆菌、大肠埃希菌、肠球菌、棒状杆菌数量明显减少,嗉囔、十二指肠、空肠、盲肠、直肠绝大部分细菌显著减少;对类杆菌、双歧杆菌、消化球菌、梭菌无明显影响。抗生素的使用不仅抑制或杀灭了病原微生物,同时也抑制或杀灭了体内的有益菌,破坏了体内的微生态平衡,还可导致动物发病死亡。通过调整13粮的方式来控制肠道微生态平衡是一种行之有效的方法,尤其是在动物消化道的微生态失衡或幼畜禽体内的微生态平衡尚未建立之前,此调节作用最大。所以,消化道的菌群结构可以通过改变13粮成分来建立和维持。

2 肠道菌群与代谢产物

2.1 肠道菌群及其酶类

2.1.1 肠道菌群与消化酶某些细菌可以产生淀粉酶、纤维分解酶和果胶分解酶等。例如放线菌、霉菌和部分地衣芽胞杆菌、枯草芽胞杆菌能产生淀粉酶,可将淀粉水解为麦芽糖或其他双糖;乳杆菌、双歧杆菌、链球菌、拟杆菌、梭状芽胞杆菌等菌属的部分菌种可产生糖化型淀粉酶,能将淀粉水解成麦芽糖或葡萄糖。几乎所有细菌都有肽酶,而具有蛋白酶的细菌则较少。目前研究较多的是芽胞杆菌,SAGARRD报道枯草芽胞杆菌和地衣芽胞杆菌具有较强的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活性,同时还具有降解植物性饲料中复杂碳水化合物的酶,如果胶、葡聚糖、纤维素等酶,其中很多酶是哺乳动物和禽类在体内不能合成的酶。饲喂不同动物(猪、鱼、鸡)微生态制剂的实验均表明某些消化酶活性可不同程度地提高。张晓梅等用微生态制剂(双歧杆菌、乳杆菌、优杆菌和土壤中的地衣芽胞杆菌)饲喂1 13龄雏鸡,30 13龄时各实验组血清与肠道淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶活性均显著或极显著高于对照组;JIN采用从鸡肠道分离12种乳酸杆菌或嗜酸性乳杆菌饲喂肉仔鸡,均可显著增加40 13龄的肠道淀粉酶活性 。在宿主自身和某些细菌分泌消化酶的作用下,营养物质可被更好地消化、吸收、利用。因而可通过优化菌群结构来提高饲料效率,促进动物生长。

2.1.2 肠道菌群与代谢酶肠道细菌可以产生各种代谢酶,主要有水解酶、氧化还原酶、裂解酶和转移酶等。这些酶类对机体产生毒害作用。在肠道细菌的研究中,大肠埃希菌能产生相当于其他属细菌l5.4倍的B,葡糖苷酸酶,有超过90%的大肠埃希菌产生B.葡糖苷酶,而乳酸杆菌则不到40% 的属有产生B.葡糖苷酶的能力;严格厌氧菌(拟杆菌、真菌、梭菌)比其他(乳酸菌类和放线菌类)有较高的B-葡糖苷酸酶、偶氮(胺)还原酶和硝基还原酶;梭状芽胞杆菌中的偶氮(胺)还原酶及B.葡糖苷酸酶的活性最高,在乳杆菌、真菌和消化链球菌中其活性较低,在双歧杆菌几乎没有活性。水解酶中研究较多的有B-葡糖苷酶和 -葡糖苷酸酶。植物中包含有许多不同的糖苷,很少被吸收,但经细菌糖苷酶的作用后能生成有毒的致癌物(氰化物)或者诱变剂糖苷配基,容易引起中毒。 α-葡糖苷酶可以将外源性的糖苷类转化为相应的糖苷配基和糖,杏苷(一种主要的生氰的葡糖苷)在肠道被细菌α-葡糖苷酶水解产生苯乙醇腈,不稳定,水解后产生有毒的氰化物。而许多复合物在肝脏可以糖苷酸的形式解

毒,继而通过胆汁进入肠。α-葡糖苷酶在肠道α-葡糖苷酸酶的作用下产生有毒致癌物糖苷配基,即有毒的糖苷配基在肠道细菌α-葡糖苷酸酶的作用下再生。在鸡、猪、人和小鼠方面均有乳酸菌影响 .葡糖苷酶活性的报道。还原酶主要包括硝酸还原酶、硝基还原酶和偶氮还原酶(胺还原酶)。硝酸盐可被硝酸还原酶转变成亚硝酸盐类致癌物质。硝酸还原酶类和偶氮还原酶类均为黄素蛋白酶类,还原的产物为胺,如硝基苯在硝基还原酶催化下加氢还原生成苯胺,偶氮苯在偶氮还原酶催化下还原生成苯胺。JIN饲喂肉仔鸡嗜酸性乳杆菌或l2株乳酸菌培养物40天后,和对照组相比,α-葡糖苷酶活性在粪中显著降低,但在小肠中不受影响;α-葡糖苷酸酶的活性在小肠和粪中均显著下降 。在小种猪高脂肪、高胆固醇日粮中补充3周益生菌(乳酸菌)后,粪样中厌氧菌数目升高,而总需氧菌没有变化,. 葡糖苷酸酶和偶氮还原酶活性显著下降;恢复日粮2周后,. 葡糖苷酸酶和偶氮还原酶活性上升,基本恢复到饲喂益生素之前的状态 。相关人类医学资料显示,粪中各种细菌酶活性通常可用来表示随日粮变化结肠菌群变化以及研究结肠代谢和不同疾病的关系。细菌酶活性高低可在一定程度反映肠功能的强弱。乳酸菌类可降低某些细菌酶活性,减少其有毒致癌产物在肠道内、血液甚至体内的沉积,从而增强机体健康,起到抗病保健的作用。

2.2 肠道茵群与某些代谢化学成分营养素在动物机体自身消化系统和菌群的作用下可分解产生一些化学成分,其中有益成分如有机酸,有害成分如氨、生物胺、硫化氢、吲哚和酚类等。

2.2.1 有益成分(有机酸) 部分碳水化合物在肠内被菌群代谢后,生成各种有机酸(乳酸、琥珀酸、乙酸、丙酸、戊酸),其中相当大一部分被吸收后进行代谢。有益菌产生的活性物质,如乙酸、丙酸、乳酸、细菌素等,在消化道可形成生物屏障和化学屏障,阻止致病菌的定植和繁殖。乳酸菌和链球菌其代谢产生的乳酸、丙酸等有机酸,使消化道内pH降低,能抑制包括很多革兰阳性菌在内的病原菌的存活与繁殖,而使肠道内有益菌重新占据优势地位,建立起良好的微生物群系;此外,有机酸可加强肠道的蠕动和分泌,促进饲料消化,提高营养物质的吸收。在肠道研究中关于挥发性脂肪酸(VFA)的报道较多。挥发性脂肪酸是肠道微生物的发酵产物,限制病原菌生长的主要环境因素,它们的含量能间接反映肠道微生物菌群状况” 。单胃动物肠道中挥发性脂肪酸主要包括乙酸、丙酸、丁酸等,乙酸是在外周血液中所发现的公有的短链脂肪酸,对于维持正常的结肠上皮组织具有重要意义;丙酸主要参与肝脏内的吸收与代谢,它的影响主要体现在对碳水化合物和胆固醇的代谢方面;丁酸能明显抑制肿瘤细胞的生长,延长倍增时间。BARNES等指出,粪链球菌和屎链球菌可通过除去氧化还原电位而促进厌氧菌早期固着,使挥发性脂肪酸浓度升高,pH下降,从而抑制有害细菌的生长;猪饲喂芽胞杆菌后,pH和氨含量下降,挥发性脂肪酸上升18% ,丙酸和乙酸的产量也上升。

2.2.2 腐败物质成分(氨、生物胺、吲哚、酚类、糖苷配基等)肠道内的腐败菌、大肠埃希菌等有害菌分解肠道内容物,会产生一些有害物质,如氨、生物胺、硫化氢、吲哚、酚类以及糖苷配基等物质,在动物肠道黏膜对细胞有明显的毒害作用,引起肠功能紊乱,增加肝脏、肾脏负担,引起损伤,抑制生长,甚至具有潜在的致癌作用。某些有益菌如芽胞杆菌类,在肠道内可产生氨基氧化酶、氨基转移酶及分解硫化物的酶,将臭源吲哚化合物完全氧化,将硫化物氧化成无臭无毒物质;另一方面,有益菌如乳酸菌类不会使蛋白质腐败,通过产生H202、抑菌素、有机酸等物质,可有效抑制致病菌和肠内固有腐败菌的生长、繁殖,减少内毒素及腐败产物的含量,净化肠道环境,改善肠功能,从而可降低肠道内容物、粪便以及血液中有害物质的浓度继而保持机体健康,减轻环境污染。

氨是公认的应激源和动物圈舍中最有害的气体,可诱导家禽、猪及实验动物多种呼吸道疾病的发生,肠氨浓度可能会影响动物氨圈舍环境氨浓度。JINMO YEO等分别用抗生素、乳酸菌和酵母培养物日粮饲喂肉仔鸡,结果发现,乳酸菌日粮组在3周龄时小肠内容物的脲酶活性显著降低,氨产量在数值上有所下降,但处理组之间差异无显著性 ;分别用芽胞杆菌、EM和乳杆菌饲喂肉仔鸡,粪便氨产量显著减少。有机酸物质的产生,氨含量的下降,有利于乳酸菌等优势菌群的生长繁殖,维持肠道微生态平衡。其他腐败成分如生物胺、硫化氢、吲哚和酚类物质以及糖苷配基等,由于肠道内其含量的检测方法尚不完善,相关报道并不多。曹兵海等用半纯合日粮添加茶多酚和果寡糖饲喂28日龄雄性AA肉仔鸡,42日龄时发现,茶多酚组显著降低了盲肠菌群的总数、各菌群的数量以及细菌代谢产物(VFA、吲哚和酚类)的总量;果寡糖组选择性地增加了双歧杆菌、真菌,降低了其他菌群数量以及吲哚和酚类的含量 。细菌的主要代谢功能是厌氧酵解有机物来为菌群的维持和生长提供能量,同时有许多物质被吸收或通过胆汁进入小肠或细菌代谢物直接进入血液循环。因而如果肠道菌群结构中腐败菌过多,其产生的腐败成分进入血液循环后,就有可能沉积到动物产品(肉、蛋、奶)中,继而影响产品的品质及风味。腐败物质的沉积对动物机体健康、畜牧生产成本甚至动物产品品质均会有不良影响,如细菌代谢产物吲哚、粪臭素等可使肉产品具有膳味。动物的肠道菌群结构对营养素的消化吸收以及机体代谢化学成分存在着密切关系,优化的肠道菌群结构,其有益菌多而潜在的致病菌少,故机体排泄物、分泌物以及代谢物中的有益成分增加,有害成分减少,从而能净化体内外环境,促进机体营养素的消化吸收,减少疾病的发生,并且可以作为提高畜产品品质的一种新途径,具有很大的发展空间。

 

 

 

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