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丁酸梭菌的生物學功能及研究進展

分類:

作者:

昕大洋技術經理-段浩楠

來源:

發布時間:

2024-07-15

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丁酸梭菌是一種嚴格厭氧的革蘭氏陽性芽孢桿菌,具有較強的耐熱、耐酸堿、耐膽鹽能力,為其在飼料工業中應用奠定了基礎。在當前禁抗的背景下,丁酸梭菌由于可以產生丁酸等短鏈脂肪酸來促進動物消化吸收、改善腸道健康、提高機體免疫,成為益生菌研究和應用的熱點。

1.丁酸梭菌的介紹

丁酸梭菌又名宮入菌、酪酸菌,屬于厚壁菌門、梭菌綱、梭菌目、梭菌科、梭菌屬,為嚴格厭氧革蘭氏陽性菌,菌體呈直桿狀或稍有彎曲,兩端鈍圓,寬0.6-1.2μm,長3.0-7.0μm,周生鞭毛,能運動,為內生芽孢,在溫度 20-41 ℃和 pH  4.0-9.8 條件下均能夠生長,具有耐酸、耐堿、耐膽鹽的特性[1-2]。丁酸梭菌在生長過程中可產生大量維生素、消化酶、氨基酸、細菌素,同時代謝產生的丁酸等短鏈脂肪酸可直接為腸上皮細胞提供能量,對于改善腸道健康、促進消化吸收具有重要作用。

2.丁酸梭菌的益生作用

2.1維持腸道屏障完整性

腸道屏障是由微生物屏障、物理屏障、化學屏障、免疫屏障構成,腸道屏障的完整性對于營養物質的消化吸收至關重要。丁酸梭菌在動物腸道內可通過發酵糖類產生以丁酸為主的短鏈脂肪酸,丁酸等可直接為腸上皮細胞的修復和再生提供能量;丁酸梭菌還能促進黏蛋白(MUC2)的表達,增加黏液層的厚度,進而維持腸黏膜的完整性;Lu[3]研究發現丁酸梭菌能顯著上調仔豬腸道ZO-1Occludin相關緊密連接蛋白基因的表達。Fu[4]研究表明,飼喂含丁酸梭菌日糧的仔豬腸道中MUCsMUC1MUC4MUC20)的基因表達量顯著增加。

2.2促進消化吸收

腸道是營養物質消化和吸收的主要場所,丁酸梭菌代謝過程中產生的蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、纖維素酶、糖苷酶等,不僅能提高營養物質利用率,還能有效分解飼料中的纖維素和果膠等抗營養因子,促進動物消化吸收;此外丁酸梭菌還能促進腸絨毛的發育,提高腸道絨毛高度/隱窩深度比值,促進腸道對營養物質的吸收利用。Hu[5]從健康豬的腸道內容物中分離出丁酸梭菌LY33菌株,并將其飼喂斷奶仔豬,結果表明,丁酸梭菌有效增強了豬十二指腸淀粉酶和蛋白酶的活性,以及空腸淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶的活性。Wang[6]研究發現,與對照組相比,飼喂6×109CFU/kg丁酸梭菌仔豬的空腸絨毛高度和絨隱比顯著增加,空腸隱窩深度顯著降低。

2.3改善腸道微生態平衡

丁酸梭菌具有極強的黏附定植能力,進入腸道中可通過空間點位競爭、營養競爭等作用抑制有害菌在腸道內定植[7];其次丁酸梭菌代謝過程中會產生有機酸、丁酸梭菌素和抗菌肽等物質,抑制病原菌的生長[8];此外丁酸梭菌產生的丁酸、維生素B、維生素K等物質不僅可以被腸道直接利用,還可以為腸道有益菌群(乳酸菌、雙歧桿菌等)供能;同時丁酸梭菌產生的纖維素酶、糖苷酶等消化酶能將多聚糖降解為低聚糖[9],為腸道菌群提供營養物質,優化腸道菌群結構,改善腸道微生態平衡。劉韶娜等[10]研究發現,丁酸梭菌能促進仔豬腸道乳酸菌和雙歧桿菌的增值,抑制大腸桿菌的增值。胡等[5]通過單培養和共培養研究發現,丁酸梭菌能顯著抑制大腸桿菌和沙門氏菌的數量,同時乳酸菌的數量顯著增加。

2.4增強免疫力

丁酸梭菌作為一種新型生物活性細菌制劑,首先可通過促進免疫器官的發育、提高免疫器官指數來改善機體免疫[11];其次丁酸梭菌還能激活Toll樣受體(TLR2-TLR4-髓系分化因子88(MyD88)-核轉錄因子-KBNFKB)信號通路刺激腸道黏膜免疫[6,12,13],增強腸黏膜的先天性免疫和獲得性免疫功能,此外丁酸梭菌能誘導巨噬細胞分泌白介素-10來調節機體免疫應答和炎癥反應[4];最后丁酸梭菌可通過提高血清中免疫球蛋白GIgG)、免疫球蛋白MIgM)和分泌型免疫球蛋白AsIgA)含量,來增強機體抗病力[14]

3.研究展望

 丁酸梭菌是一種綠色、安全、高效、抗性強、開發潛力大的益生菌,日糧添加丁酸梭菌能改善動物腸道結構和微生態平衡,促進營養物質的消化吸收利用,增強動物的免疫力和抗病力,進而提高動物生產性能,增加養殖經濟效益。隨著丁酸梭菌及其代謝產物作用機制的深入研究,今后必將在更多領域綻放光彩。

 

參考文獻:

[1]馮杰,楊旸,周莉,.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[J].現代畜牧獸醫,2023,(06):79-83.

[2]楚云開,李建濤,韓淑敏.丁酸梭菌在改善畜禽腸道健康方面的研究進展[J].飼料研究,2023,46(11):176-178.

[3]Lu J, Yao J, Xu Q, et al. Clostridium butyricum relieves diarrhea by enhancing digestive function, maintaining intestinal barrier integrity, and relieving intestinal inflammation in weaned piglets[J]. Livestock Science, 2020, 239: 104112.

[4]Fu J, Wang T, Xiao X, et al. Clostridium butyricum ZJU-F1 benefits the intestinal barrier function and immune response associated with its modulation of gut microbiota in weaned piglets[J]. Cells, 2021, 10(3): 527.

[5]Hu X, Lin B, Luo M, et al. The isolation, identification, physiological property of pig-isolate Clostridium butyricum LY33 using lactic acid and its effects on intestinal function of weaned piglets[J]. Italian Journal of Animal Science, 2019,18:910–921. 

[6]Wang K, Cao G, Zhang H, et al. Effects of Clostridium butyricum and Enterococcus faecalis on growth performance, immune function, intestinal morphology, volatile fatty acids, and intestinal flora in a piglet model[J]. Food & function, 2019, 10(12): 7844-7854.

[7]Wang J, Zeng Y, Wang S, et al. Swine-derived probiotic Lactobacillus plantarum inhibits growth and adhesion of enterotoxigenic Escherichia coli and mediates host defense[J]. Frontiers in microbiology, 2018, 9: 1364.

[8]Chen D, Jin D, Huang S, et al. Clostridium butyricum, a butyrate-producing probiotic, inhibits intestinal tumor development through modulating Wnt signaling and gut microbiota[J]. Cancer letters, 2020, 469: 456-467.

[9]Duan Y, Zhang J, Huang J, et al. Effects of dietary Clostridium butyricum on the growth, digestive enzyme activity, antioxidant capacity, and resistance to nitrite stress of Penaeus monodon[J]. Probiotics and antimicrobial proteins, 2019, 11: 938-945.

[10]劉韶娜,朱石安,趙彥光,.丁酸梭菌對滇陸豬斷奶仔豬日增重、血清生化免疫和腸道菌群的影響[J].中國飼料,2018,(24):49-53.

[11]李洪濤,李愛軍,莊佳榮,.丁酸梭菌對商品肉雞生長性能、屠宰性能、免疫器官指數和經濟效益的影響[J].飼料工業,2023,44(15):19-24.

[12]康坤,牛志鵬,胡元森.丁酸梭菌的生物學特性及其對仔豬的益生影響與作用機制的研究進展[J].飼料研究,2024,47(07):168-172.

[13]Li H H, Li Y P, Wang L Y, et al. Effects of Clostridium butyricum on intestinal barrier function of piglets with two genetic backgrounds and its molecular mechanism[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2019, 31(10): 4647-4658.

[14]Wang K, Chen G, Cao G, et al. Effects of Clostridium butyricum and Enterococcus faecalis on growth performance, intestinal structure, and inflammation in lipopolysaccharide-challenged weaned piglets[J]. Journal of animal science, 2019, 97(10): 4140-4151.

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