胃肠道微生物与宿主营养素的吸收和代谢研究

胃肠道微生物与宿主营养素的吸收和代谢研究[作者：admin来源：畜牧科技网时间：2008-4-129:02:48人气：720]人、猪、家禽、兔、马、犬、大鼠、小鼠等单胃动物的消化道中寄居有大量的活细菌。据LucKey估计，人类消化道中含1014细菌细胞(而人体或动物体细胞仅为1013)，不管是单胃哺乳动物(如人、猪、兔)或是禽类，其粪便中的细菌含量在5×109～5×1010/g粪便湿重之间，即粪便湿重的40%以上是细菌细胞。据Gustafsson(1984)研究表明，人体携带的微生物总量约为1271克，其中肠道占1000克，肺20克，皮肤200克，口腔20克，阴道20克，鼻10克，眼1克，即胃肠道的微生物占人体总微生物量的78.7%。肠道微生物可分为三类，(1)共生性细菌：為主要菌群(90%)，包括球菌、丙酸菌、乳酸菌及双歧杆菌等。這类細菌可以自營同時又可利他(宿主)，細菌將复杂的碳水化合物(纤维素或非淀粉多糖)发酵成为乳酸或挥发性脂肪酸(如丙酸)。乳酸在肠道形成酸性环境，对其它致病菌可產生“竞爭排除作用”，但乳酸堆积多也會刺激肠道蠕動，使肠道内容物排空加快。(2)机会性细菌：約占10%，包括无病原性的大肠杆菌、链球菌及肠球菌等。這些机会性细菌視肠道环境而改变停留在肠道的数量及時间。(3)致病性细菌：含量极少(0.01%)的致病性菌群，包括梭菌、葡萄球菌、伪单胞菌、病原性大腸杆菌、曲型菌及部分真菌。這类菌群不仅具有致病性，同時他們也会消耗宿主的能量，而其发酵產物（如氨气、H2S等）也可能对宿主有害。1消化道微生物菌群消化道是一系列不同的群落生境如口腔、胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠和结肠以及粪便组成的，每一生境具有处于平衡态的独特菌群。(1)胃：胃是食物停滞的第一个部位，也是细菌繁殖的重要场所。胃为酸性环境，食物还会带来氧气，从而进行了自然筛选，因此优势菌为耐酸菌和兼性厌氧菌，主要为乳杆菌和链球菌。也有少量酸敏感菌和严格厌氧菌。如存在于口腔芽板上的大量可引起龋齿的兼性厌氧菌的繁殖产生了还原性的微环境，从而允许严格厌氧菌的生长。在家禽，刚出壳时也是无菌的，但只要开始采食或饮水，饲料或饮水一旦进入嗉囊，细菌就开始繁殖。主要优势菌为乳酸杆菌(约每克胃内容物有109个)，其次是肠杆菌与链球菌(105/g左右)，嗉囊内未见到像盲肠内的专性厌氧菌。嗉囊内由细菌产生的有机酸，主要是乳酸，其次是醋酸和琥珀酸。饲料摄入后，乳酸杆菌为105/g，3小时后就增加到108.5/g，到12小时增加至10mg/g，而后，嗉囊渐渐排空。饲料进入腺胃，受胃酸作用，pH值下降，细菌数减少。到肌胃pH值在2.0～4.0之间，细菌数下降到106/g以下。(2)十二指肠：从胃以后，细菌总数随小肠长度的增加而减少，十二指肠的微生物比较少。实验证明，凡能降低蠕动速率的物质皆可引起某些菌的生长和数量的增加，在小肠下部，食糜的蠕动较慢，细菌的繁殖量就增大。(3)空肠和回肠：在十二指肠之后，进入空肠，随着肠段的延续细菌数量不断增加。据报道，猪的空肠内容物(湿重)每克所含细菌数的对数值为乳酸杆菌7.3±0.6,双歧杆菌7.2±0.7，消化球菌5.8±1.2，肠杆菌5.7±1.3，小梭菌5.5±1.4，葡萄球菌5.4±1.0，肠球菌4.9±1.5，优杆菌2.9±0.2，拟杆菌2.8±0.4，酵母菌2.1±0.4；回肠的双歧杆菌为7.6±0.8，乳酸杆菌7.4±0.6,消化球菌6.2±1.4，肠杆菌6.1±1.6，肠球菌6.0±1.1，小梭菌5.7±1.5，拟杆菌5.3±1.1，葡萄球菌5.1±0.4，优杆菌4.0±1.2，酵母菌2.4±0.8。很显然，乳酸杆菌和双歧杆菌是小肠的最优势菌，其次为消化球菌、肠杆菌、小梭菌和葡萄球菌。鸡的小肠为兼性厌氧菌，如链球菌、大肠杆菌、葡萄球菌和芽孢杆菌，而且小肠前段细菌少，后段数量逐渐增加。人的空肠和回肠内容物中含有的细菌数(logn/g)分别有0～5和3～5，主要是肠杆菌、肠球菌、葡萄球菌、乳杆菌、酵母菌、类杆菌、双歧杆菌等。随着年龄的变化有所不同，儿童时期，双歧杆菌与乳杆菌居多，而肠杆菌、肠球菌与梭菌少；青年期，在生理条件下其菌群数量较稳定，以类杆菌、优杆菌、厌氧乳杆菌、双歧杆菌为主；老年时期，肠杆菌、肠球菌、梭菌增多，双歧杆菌和乳杆菌减少。(4)盲肠和结肠：盲肠和结肠是食物停滞的主要部位，也是细菌量最大的部位，优势菌由严格厌氧菌组成，同厌氧菌相比，兼性厌氧菌一般少10～100倍。如从成年大鼠盲肠中分离的细菌有28个种属(Dueluzeau,1990)，其中兼性厌氧菌有8属(G+6属，G-2属)，主要有乳杆菌属、链球菌属、葡萄球菌属、微球菌属、棒杆菌属、芽孢杆菌属、放线菌属和肠杆菌属；严格厌氧菌有真杆菌属、链条杆菌、枝杆菌属、运动杆菌属、丁酸杆菌属、发酵杆菌属、双歧杆菌属、消化链球菌属、消化球菌属、梭菌属、韦尔奇氏菌属、鼓胀菌属、针形菌属、槌形菌属、韦荣氏菌属、瑞斯特氏菌属、巴斯德氏菌属、产球菌属、内孢菌属、副锤形菌属共20属(G+14属，G-6属)。仔猪断奶15天后，盲肠和结肠的双歧杆菌分别为6.62±0.56、7.72±0.35,乳杆菌为8.55±0.10、9.10±0.32,肠球菌为8。58±0.16、9.55±0.59,梭菌为8.33±0.43、9.19±0.34,类杆菌为5.66±0.67、6.35±1.03,大肠杆菌为6.12±0.65、6.67±0.57,沙门氏菌为5.49±0.44、6.06±0.24,葡萄球菌为4.43±0.15、4.89±0.75(禹慧敏等,1999)。普通笼养肉仔鸡42日龄时空肠和直肠的大肠杆菌分别为6.93±0.14、7.55±0.21，乳酸杆菌为7.80±0.12、7.71±0.06(张日俊等,1999b)。(5)粪便：粪便中的所有细菌来自消化道的不同部位。粪便中细菌的平衡关系并不能反映消化道中不同生态系统中细菌总的自然平衡关系，而较类似于下消化道部位即盲肠和结肠中的平衡关系。在消化道中，除了细菌之外，还必须加上原生动物(个体大而数量少)、酵母、支原体或相近的微生物、大量的噬菌体(从溶源菌细胞中释放出来的)、还有肠病毒。因此，人类已对对消化道微生物菌群已经有了深刻的认识。2消化道菌群与动物的代谢关系近年来通过无菌动物与悉生动物的模型进行的研究表明，正常微生物的确参与了宿主的营养素的消化、吸收与合成。超微结构研究表明，肠道正常微生物群与肠粘膜上皮细胞是密切接触的，说明微生物与宿主细胞基本融为一体。代谢是指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程，是生物活动的基本动力，也是细菌的基本特征之一。细菌代谢也是分解与合成两个过程，即它一方面从外界摄取营养物质，在细胞内经过各种化学变化，把这些物质变为细菌本身的组织，另一方面细菌的组织又不断分解为不能再利用的物质排出体外。新陈代谢过程包括营养物质的消化、吸收、中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段。2.1菌群对能量和脂类代谢的调控2.1.1菌群与能量代谢Williams(1987)认为，由于在母猪日粮中添加细菌培养物或酵母培养物，刺激了后肠的发酵，从而导致挥发性脂肪酸产量和细菌发酵终产物增加，这样就可为母猪多提供30%的能量需要，结果提高了母猪的养分利用率和产奶量。脂肪分解菌在动物和人的消化道中均有发现。这类细菌的存在可能不利于动物吸收饱和与非饱和脂肪酸。试验证明，无菌大鼠比普通大鼠能更好地吸收脂肪。无菌鸡对脂肪的消化率也高于普通鸡。在研究抗生素的试验中发现，在卫生条件恶劣的环境中，在饲料中添加抗生素，可促进脂肪酸的吸收。如果给无菌鸡接种粪链球菌和魏氏梭菌则产生对高级饱和脂肪酸的吸收不良。还有证据表明，乳酸菌类具有将胆固醇转化为粪固醇的作用，这有可能会影响动物的胆固醇代谢。看来，微生物对脂肪的作用与微生物的种类有关。张日俊等(1999)以肉仔鸡为试验动物，分别给1～6周龄的肉仔鸡饮用由乳酸菌、酵母菌和芽孢杆菌组成的微生态制剂——益生康，结果表明，随水饮用0.1%和0.2%组鸡的血清脂肪酶活性显著高于对照组(p0.05)，而且0.2%组的酶活高于0.1%组；与此相反，血清中的总胆固醇和甘油三酯含量以及腹脂率均随益生康用量的增加而降低，均与对照组差异显著(p0.05)。这是因为脂肪酶具有自动寻找体内多余脂肪并进行分解的特性，进而将其降解为脂肪酸和甘油，并抑制脂肪的合成。通过上述途经提高了鸡体内脂肪的沉积。这里脂肪酶活性的提高与微生物分泌的脂肪酶和通过酸化作用提高体内脂肪酶的活性有关。在作者进行的另一个试验中，也发现益生康对脂肪代谢有显著的作用。试验将6周龄的肉仔鸡分成3组，分别为对照组(日粮浓度为3100大卡/kg)，高能组(有7%的大豆油，日粮能量浓度为3300大卡/kg)，高能+益生康饮水组(3300大卡/kg)。结果表明，高能组鸡(对照组)拉稀不止，粪稀如水，奇臭无比；高能+益生康组则不再拉稀，且粪便成形；从体重来看，高能+益生康组显著高于高能组(张日俊，1999c)。这个试验说明，微生态制剂-益生康能明显提高脂肪的的吸收和利用率。2.1.2菌群与脂类代谢无菌动物研究证明，微生物对肠道的脂质(lipid)与固醇类(sterol)的代谢起着重要的作用。肠道微生物可通过直接作用于食物脂质和内源脂类，或间接改变胆固醇和其主要衍生物——胆盐的代谢，消化道菌群也可以参加脂类代谢。胆固醇和胆盐存在着肠—肝循环，在其通过肠道时就暴露于菌群的作用。菌群活动生成了大量的胆固醇代谢物，其吸收方式不同于胆固醇。总的来说，无菌大鼠所分泌的胆固醇量少于普通动物所分泌的胆固醇和细菌代谢物之和,即利用多，排出少。胆囊所分泌的胆酸盐也受菌群的多种作用，其代谢物是可再吸收的，其中有些对机体有毒性，但可通过肝脏解除。总的来说，无菌大鼠胆和肠中胆酸盐多于普通动物，因此，有人假设：对于消化来说，胶体分子团的形成是一个重要的途径，它在很大程度上取决于菌群的性质。实际上，已证实脂肪物质的消化依赖于菌群的存在。普通动物(如大鼠、兔子、鸡)对脂类，特别是富含饱和脂肪酸的脂类物质的吸收较弱。普通小鸡对含6%动物油脂食物的消化利用系数为70%，同种无菌小鸡则为85%。无菌大鼠较普通大鼠能更好地吸收不饱和的与饱和的脂肪酸。这两种动物大便内的脂肪酸类型是不同的。无菌动物只含有正常在组织内的脂肪酸，但普通动物比较复杂，包括细菌来源的侧链脂肪酸。一个明显的特点是，无菌动物亚油酸高、硬脂酸低，而普通大鼠这个关系正相反。尽管尚未分离出能将亚油酸转化为硬脂酸的菌，但在试管内已证明有许多菌的混合物具有此种转化作用。已确定优杆菌有这种转化作用，亦已证明链球菌与因饲喂高蔗糖饲料而发生的鸡的脂质吸收不良综合征有关系。这种综合征在无菌鸡中可通过饲喂粪链球菌再出现，即粪链球菌阻碍脂肪的利用。微生物影响胆固醇和胆汁酸的代谢(如图1所示)。无菌动物大便内的固醇成分与普通动物的也不同。无菌大鼠的大便含胆固醇和未变化的食饵性固醇，而普通大鼠大便则含有如粪固醇等的氢化衍生物。能够把胆固醇转化为粪固醇的细菌可以从大鼠盲肠内分离出来，如优杆菌(Eubacteriumsp.)就绝对需要胆固醇及其有关化合物。分泌到肠道内的胆汁酸是抱合型(conjugatedform)的。在无菌动物肠道内这种胆汁酸无变化地混入大便内，而在普通动物肠道则被脱抱合型和脱羟基或发生其它变化。梭菌、链球菌、类杆菌、双歧杆菌、韦荣氏球菌、乳杆菌、优杆菌、链条杆菌(catenabacterium)、枝杆菌(ramibacterium)、丁酸杆菌(butylbacterium)、产碱杆菌与变形杆菌、穿透梭菌(clostriumperfringens)等已被证明在悉生动物体内有胆汁脱抱合作用。胆固醇和胆汁酸存在着所谓的肠肝循环，因为它们由胆管分泌到肠道，并沿着肠道再吸收(图1)。在无菌动物，这些化合物不被细菌改变，因而比较易吸收。体内总胆固醇易增高，一方面因为未改变的胆固醇数量大，另一方面随着胆汁酸的增加反馈抑制组织内胆固醇分解代谢。因此不论肝脏或血清内的胆固醇水平