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飼料營養水平對家畜腸道微生物和疾病的影響

  作者: 來源: 日期:2004-09-13  
   摘要 腸道的營養、健康與動物體的健康息息相關。胃腸道是病原菌侵染動物的一個直接途徑。如果這些器官的保護機制失效,病原菌就能夠建群并且進入宿主細胞和組織。腸道對抗病原菌侵入的機制包括IgA的分泌、共生微生物區系的維持、生理抑制條件的維持、粘蛋白屏障和蠕動機制的形成。文章就以上幾個方面闡述了飼料中營養水平和組成對家畜腸道微生物、疾病的影響,并對進一步的研究作了展望。
    關鍵詞 腸道微生物 益生菌 粘蛋白 揮發性脂肪酸
    中圖分類號:S852.6文獻識別碼:A 文章編號:1007-9157(2003)04-0031-03
    飼料的營養水平可以影響與家畜共生的微生物區系、免疫球蛋白IgA的分泌、機體粘蛋白屏障的形成以及腸道蠕動機制的形成。同樣的,微生物區系的活性也可以直接影響抗體的分泌、腸道的環境、腸道粘蛋白甚至腸蠕動。分離健康動物腸道病原菌(包括許多腸沙門氏菌)時,經常發現血清型改變菌株[1]。在腸道中,這些物質可能保持較低的數量,這時的病原菌對動物來說不足以致病。但當外界或本體因素引起病原菌的數量快速增長時,則會導致家畜疾病的發生。至于導致腸道內抗菌力的降低或是病原菌毒性增加的因素以及其快速定植機會的獲得還有待于進一步研究。小腸不僅是營養物質吸收的重要器官,而且也是許多腸道病原菌定植的場所,因而對腸道功能的維持和其疾病控制特別重要。通常,病原菌毒素的分泌、腸囊腫粘膜的破壞、電解質失調和出血可直接引起腸道疾病。此外,它也間接引起動物對營養物質吸收的降低甚至影響動物的健康。許多試驗證明斷奶后日糧的改變是影響幼畜腸道微生物的一個關鍵因素。據報道,日糧的類型和采食量在由大腸桿菌引起的斷奶仔豬水腫病的發生上扮演了重要的角色[2]。此外,由于飼料直接影響了腸道內食糜這一細菌主要培養物的構成,因而通過日糧影響微生物區系以至其它組織器官也是可能的。
    1 胃腸道的pH值
    胃腸道食糜pH值不但可以直接影響各種消化酶的活性和日糧消化率,而且它也能影響腸道微生物區系的菌種組成和病原菌電勢的傳導。胃液低的pH值可以作為宿主抵抗病原菌的屏障。然而,pH值在胃腸道其它區域也具有重要作用,它不僅影響中段和下段腸道的消化酶的活性,而且影響病原菌的定植能力。有機體(包括大腸桿菌和沙門氏菌等病原菌)的生長多偏喜近中性的pH值,然而,低的pH值卻有利于包括乳酸桿菌在內的家畜常住菌的生長。日糧既能通過飼料所固有的緩沖能力來改變胃腸道的pH值,也可通過緩沖因子的迭加性和產酸添加劑、微生物產生的短鏈脂肪酸來影響胃腸道pH值。胃和小腸前段以外的緩沖或產酸因子效應一般來說對改變pH值沒有意義,很少影響pH值的變化。另一方面,提供揮發性脂肪酸的飼料的組成卻能影響大多數胃腸道遠端區域的pH值,包括盲腸和大腸。許多種類的寡糖也能夠引起胃腸道pH值的改變。Campbell等[3]報道當飼料中添加果聚寡糖、木聚寡糖時,與添加微晶纖維素的對照組相比,盲腸內容物的pH值有所降低,而短鏈脂肪酸則有所升高。采食量的減少也可致使腸道pH值發生變化。Mathew等[4]報道斷奶后采食量臨時減少可以引起豬回腸內容物PH值的升高,并且依次可使大腸桿菌濃度升高和乳酸桿菌濃度降低。此外,回腸揮發性脂肪酸的濃度有顯著的降低。
    2 揮發性脂肪酸的作用
    因為短鏈脂肪酸還沒有作為單胃動物的一種重要能量來源,因而它在單胃動物上的研究沒有反芻動物深人。許多研究表明短鏈脂肪酸在抵抗病原菌上扮演著重要的角色,揮發性脂肪酸和其它短鏈脂肪酸可以增強機體對包括胃腸道內病原菌大腸桿菌在內的異物的抵抗力。Hentges[5]報道在體外試驗中,脆弱擬桿菌(Bacteriodes heilis)產生的乙酸和丙酸可以抑制弗氏志賀氏菌( Shopllafiexneri)的生長。其它體外試驗表明在厭氧裝置中,高濃度的揮發性脂肪酸可以抑制傷寒沙門菌(almonellamph)[6]。利用豬腸管套可以觀察到回腸揮發性脂肪酸濃度在斷奶后的一段時期有顯著降低,這與回腸大腸桿菌的增長和乳酸桿菌濃度的降低相符合[7]。揮發性脂肪酸除了對病原菌的直接影響外,還通過提供能量和其它代謝物對腸道及整個動物體的健康起有益作用。腸道內對能量的需要與其它組織相比相對較高。Britton和Krehbiel報道[8],腸道內物質對氧的消耗可達到25%,進一步的研究表明了揮發性脂肪酸提供了大部分其它器官新陳代謝所需能量。Waechtershaeuser和Stein[9]提出,短鏈脂肪酸主要是丁酸鹽在腸道粘膜的屏障維持上起了一定的作用,這些酸性物質的缺乏可以導致潰瘍性結腸炎和其它炎癥反應。Malbert等[10]報道,豬回腸的揮發性脂肪酸濃度可影響胃的排空模式和回腸的收縮性能。在其研究中,將揮發性脂肪酸注入回腸降低了胃的收縮性,而回腸的收縮性卻得到了加強。這樣,斷奶仔豬上回腸揮發性脂肪酸濃度的降低便導致了在那一段腸道中飼料消化的減慢,也可引起食糜的滯留,這樣更有利于病原菌的定植。因此,采食量的減少與腸道的不良性狀如反常的高pH值通常相關連。單胃動物胃腸道后段揮發性脂肪酸的濃度可與牛瘤胃內的水平相當,飼喂斷奶仔豬以碳水化合物為主的日糧時,盲腸和結腸內總的揮發性脂肪酸濃度在128-178 mmol/L的范圍內,其中乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽分別為總量的55%、25%和15%,剩余的為戊酸鹽、異戊酸鹽、異丁酸鹽等[11]。此外,揮發性脂肪酸的重要性在回腸[7],小腸的中部和前部[12]也有體現。Tortuero等[12]以纖維素或其它不宜消化的碳水化合物為試驗材料,證實了日糧能夠影響胃腸道揮發性脂肪酸的濃度,且這樣的日糧組成也能影響腸道的健康,而在單胃動物的日糧中添加過多的纖維還會影響飼料的消化率。另一方面,在斷奶或其它應激存在時,腸道疾病的控制就成為首要的問題,在這一方面需要進一步的研究。
    3 腸道粘蛋白的作用
粘蛋白是一類由腸道和其它粘膜表面的上皮細胞分泌的糖蛋白,它可保護腸道粘膜免受飼料的磨損和細菌定植的影響。腸道的粘蛋白可以特異地結合病原菌的粘附素,這樣減少了與宿主細胞相似受體粘連的危害性。Schroten等[13]報道,粘蛋白包含有抑制大腸桿菌S菌毛的主要物質。Dean-Nystrom和Samuel[14]發現具有987P粘蛋白的大腸桿菌能粘附在從初生乳豬到斷奶仔豬的腸囊腫上,然而,成年豬粘液內發現的糖脂也能結合987P粘附素。因此推測,由于與成年豬粘液內粘附素的結合而減少了粘附素與劇狀緣的接觸,以此解釋在成年豬上由987P介導的感染病癥的減少。BlombeTg等[15]在豬上發現類似的結合,即K88粘附素與回腸粘液的結合,這樣提供了腸毒源菌株在生長豬中的定植抑制機制。
    這些試驗表明了腸道粘液在抵抗腸道病原菌上具有重要的地位。粘蛋白和其它糖蛋白在腸道中可以被微生物發酵而降解,因而為各種微生物提供了可以利用的培養基。Gustafsson和Carlstedt-Duke[16]觀察了具有活性的菌落對粘蛋白的影響,發現無菌動物體內粘蛋白相當穩定,但在正常菌群已經定植的動物腸道內粘蛋白則可被降解。腸道菌種可以特異地選擇具有糖蛋白組分的碳水化合物作為營養物質,這樣,在腸道內腸粘蛋白和微生物間存在著一種復雜的平衡,這種平衡隨著動物的健康狀況、日糧的組成、斷奶以及其它應激因素而有所變動。在豬的回腸上應用瘺管,可以觀察到隨著斷奶這一應激因素的發生,腸道粘蛋白具有顯著的變化,此外,通過在日糧中加入半乳糖,粘蛋白減少的程度可以減輕[17]。Pooh和Bezkorovainy[18]觀察到豬胃內的粘蛋白對于許多培養在無其它碳源的胰蛋白陳酵母膏培養基(TPY)上的雙歧桿菌來說是一種有效的促生長添加劑,這樣,粘蛋白上的半乳糖基便提供了雙歧桿菌生長所需要的碳源和能源,這解釋了半乳糖可以緩沖對斷奶后豬胃腸道內粘蛋白降解的作用機理。從粘蛋白在保護腸道上皮粘膜層的重要性考慮,斷奶后這些糖蛋白降解程度的增加將對病原菌定植和腸道健康有深刻的意義。
    4 微生物區系的保護機制許多試驗研究都表明,寄生在宿主內的微生物區的穩定有助于抑制腸道病原菌。具體的保護機制很早就已經開始研究。Bohnoff等[19]報道,飼喂鏈霉素后的小鼠更易被腸炎沙門氏菌感染,其推測抗生素的使用造成了寄生微生物區系的變動,因此增加了病原菌感染的幾率。Blomberg等[20]報道,分離于豬體內的乳酸菌可以抑制大腸桿菌K88ac菌株的粘附,以35日齡豬回腸粘液為研究對象,大腸桿菌K88ac菌株對其的粘附力減少到原來的36%-48%,這說明乳酸菌束縛了K88ac的粘附受體,因而防止了其在腸道刷狀邊緣的定植。詳細的機制還有待于進一步的研究。許多的研究表明在宿主體內長期寄生的微生物群可以刺激免疫因子的形成,包括 IgA和炎癥反應效應物。Perdigon等[21]報道,當飼喂小鼠乳桿菌時,結果顯示通過IgA的形成,提高了對鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌的抵抗力。Maassen等[22]的研究表明,飼喂小鼠乳桿菌后增加了細胞免疫因子的量。此外,宿主微生物群的其它活動包括揮發性脂肪酸的產生和適宜的PH值的維持對抵制腸道病原菌也是很重要的因素。許多試驗表明,日糧能夠影響宿主內寄主細菌的數量和菌群的組成。但是如果通過日糧來調控,則必需保證足夠的可以提供動物適應市場需求的快速、有效生長發育所需的能量。這樣,日糧中的谷物就占很大一部分比例,因而腸道的食糜中淀粉成為主要的碳水化合物。此外,可以作為微生物食物而沒有被動物消化的食糜中的蛋白質和能量成分,也應額外添加到家畜日糧總量中,這樣益生元添加劑就只能以占日糧的很少比例(一般少于1%)來添加。對于相當數量的家畜來說,日糧的類型也能夠影響腸道微生物組成和數量。Bedbury和Duke報道[23],火雞盲腸微生物區系隨著纖維在日糧中的含量改變而相應地發生變化,飼喂低纖維日糧,腸道內大腸桿菌的數量將有所升高。以上的研究為開發可以提高腸道有益菌生長和存活力的益生元類物質提供了基礎理論依據。
    5 研究展望
    要開發一種有效的抗生素替代物來維持動物現有的健康和生產力,深入研究腸道菌群間的相互作用、日糧的組成和疾病來源是關鍵的環節。對于對動物機體具有保護作用的關鍵菌種的特性研究以及對菌株發揮最大效應的營養和環境因素的深入理解控制還有待于進一步探求。隨著科學技術日新月異的發展,更先進的腸道菌株鑒定和分離技術將溶入這一研究領域。在生存環境與自身健康情況發生變化時,動物以及其共生的細菌也不斷發生適應性改變。為了能夠更好地詳細說明它們之間的共生關系,以DNA為基礎的分子生物學手段如
16SrDNA寡核苷酸序列分析、PCR技術、基因探針技術、分子雜交等對于腸道菌群的特性分析是必需的,這些分析技術將彌補傳統的微生物研究手段的不足。此外,隨著更加詳盡地研究不同條件下主要菌種生理和代謝途徑,更有效的益生元添加劑將應用于實際生產中,最終達到提高動物和人類健康的目的。
 
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