單胃動(dòng)物腸道細(xì)菌群落及其產(chǎn)臭機(jī)制研究進(jìn)展

鐘智康，王 燕,2*，吳銀寶,2，廖新俤,2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642)

畜禽臭氣不僅影響畜禽健康和降低生產(chǎn)性能，還會(huì)影響周邊居民與養(yǎng)殖場工作人員的健康和生活質(zhì)量[1]。研究表明，腸道細(xì)菌群落與臭氣的產(chǎn)生有關(guān)[2-5]。本文以我國存欄量與出欄量最高的單胃動(dòng)物——豬和雞為模型[6]，通過了解腸道細(xì)菌群落的種類、性質(zhì)、影響因素及其在產(chǎn)生臭氣物質(zhì)過程中的作用，分析單胃動(dòng)物腸道細(xì)菌群落與臭氣產(chǎn)生的關(guān)系，闡明臭氣產(chǎn)生的機(jī)制，為有針對(duì)性地研究與選擇臭氣減排調(diào)控措施提供理論基礎(chǔ)。

1 單胃動(dòng)物腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

1.1 腸道細(xì)菌群落的定植

腸道內(nèi)細(xì)菌群落在單胃動(dòng)物的整個(gè)生長期間，呈一定的變化規(guī)律性[7]。一般認(rèn)為，微生物在豬腸道內(nèi)的定植始于胚體階段，胚體通過吞飲母體羊水獲得胃腸道微生物[8]，而剛孵化的雛雞則是腸道無菌的[9]。初生動(dòng)物接觸外界環(huán)境，微生物進(jìn)入腸道并開始定植到形成穩(wěn)定的腸道細(xì)菌群落是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程。初生動(dòng)物胃腸道內(nèi)充滿氧氣，首先由需氧菌及兼性厭氧菌如：腸桿菌、鏈球菌和葡萄球菌等在腸道定植，它們消耗腸道中的氧氣，造成pH降低和厭氧環(huán)境，為專性厭氧菌的定植和生存提供了一定條件。隨后厭氧菌如：乳酸桿菌和雙歧桿菌開始定植[10]，形成以厭氧菌占大多數(shù)的復(fù)雜而穩(wěn)定的腸道細(xì)菌群落。豬和雞腸道中的優(yōu)勢菌為擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門，三者共占腸道細(xì)菌群落總數(shù)的90%以上[11-12]。動(dòng)物的腸道細(xì)菌群落發(fā)育成熟是從短時(shí)間的單一結(jié)構(gòu)向復(fù)雜逐漸演變的過程[13]。

1.2 各腸段細(xì)菌群落多樣性的差異

動(dòng)物腸道內(nèi)的細(xì)菌群落組成有明確界限。宏基因組比較分析表明小腸和大腸細(xì)菌群落的多樣性和物種豐度存在顯著差異[14-15]，其原因與小腸在生理上主要進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收而大腸主要起發(fā)酵和水分重吸收的作用有關(guān)。相應(yīng)地，小腸細(xì)菌群落在小分子營養(yǎng)物的代謝中起重要作用，而盲腸細(xì)菌群落有超過200種不同的非淀粉多糖(non-starch polysaccharides, NSP)降解酶[16]，具備更強(qiáng)的降解木聚糖、果膠和纖維素的能力。

從十二指腸到盲腸，隨著pH逐漸增加和氧氣含量不斷減少，厭氧菌相對(duì)豐度、細(xì)菌數(shù)量和相對(duì)多樣性隨之不斷增加[17]。盲腸具有pH較高、高度厭氧和內(nèi)容物停留時(shí)間最長(12～20 h)的特點(diǎn)，創(chuàng)造了利于微生物增殖與發(fā)酵的環(huán)境，所以盲腸內(nèi)容物具有腸道中最高的微生物細(xì)胞密度，為1010～1011個(gè)/g，且以厭氧菌為主[18]。盲腸是微生物發(fā)酵有機(jī)物產(chǎn)生臭氣的重要場所，也是臭氣減排研究的主要對(duì)象[19-20]。豬和雞小腸相對(duì)豐度最高的兩個(gè)門類細(xì)菌是壁菌門和變形菌門，盲腸相對(duì)豐度最高的兩個(gè)門類細(xì)菌是厚壁菌門與擬桿菌門，在屬水平上，大腸細(xì)菌群落的相對(duì)豐度與多樣性顯著高于小腸[21-22]。關(guān)于雞和豬的小腸與大腸在屬水平上的優(yōu)勢細(xì)菌群落報(bào)道不盡相同。據(jù)報(bào)道，雞小腸細(xì)菌群落以乳桿菌屬為主，占細(xì)菌群總量的80%～90%，其余部分主要由腸桿菌屬與腸球菌屬組成[23]。但也有報(bào)道認(rèn)為雞小腸細(xì)菌群落以乳桿菌屬、梭菌屬、埃希氏菌屬和腸球菌屬為主，而大腸以梭菌屬、擬桿菌屬和梭桿菌屬為主[18,24]，豬的小腸優(yōu)勢細(xì)菌群落為雙歧桿菌屬、乳桿菌屬和腸球菌屬，大腸優(yōu)勢細(xì)菌群落為梭菌屬與雙歧桿菌屬[25]，但也有研究表明，豬的小腸以埃希氏菌屬、不動(dòng)桿菌屬和腸桿菌屬為優(yōu)勢細(xì)菌群落，而大腸則以梭菌屬和瘤胃球菌屬為優(yōu)勢細(xì)菌群落[26]。不同研究結(jié)果的屬水平優(yōu)勢細(xì)菌群落差異可能與動(dòng)物品種、日糧與日齡有關(guān)。

2 影響單胃動(dòng)物腸道細(xì)菌群落的因素

2.1 品種和年齡因素

宿主的遺傳因素對(duì)腸道細(xì)菌群落多樣性的組成差異有不可忽視的影響力[27]。有研究對(duì)比不同品種蛋雞的腸道細(xì)菌群落與臭氣排放的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同品種蛋雞的臭氣產(chǎn)生量差異與腸道細(xì)菌群落組成不同有關(guān)[28]。對(duì)兩個(gè)存在遺傳差異的肉雞品系進(jìn)行腸道細(xì)菌定植和發(fā)育研究，結(jié)果也表明遺傳背景能影響腸道細(xì)菌組成，遺傳差異對(duì)腸道細(xì)菌群落組成差異的影響隨著時(shí)間推移逐漸明顯[29]。

年齡同樣能影響腸道細(xì)菌群落的多樣性，單胃動(dòng)物從出生時(shí)腸道處于無菌或少菌的狀態(tài)發(fā)展至成熟的腸道細(xì)菌群落是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。Zhao等[26]研究豬腸道微生物在不同年齡段的變化，發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，細(xì)菌群落多樣性顯著增加，整個(gè)生長階段擬桿菌門豐度都呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的過程，且成年豬腸道中的厚壁菌門相對(duì)豐度顯著高于1月齡豬。

2.2 飼養(yǎng)模式

飼養(yǎng)模式是影響畜禽腸道細(xì)菌群落組成的重要外部環(huán)境因素。研究表明，在自由放養(yǎng)和籠養(yǎng)這兩種飼養(yǎng)模式下，大骨雞盲腸細(xì)菌群落的多樣性和功能之間存在顯著差異[30]。不同飼養(yǎng)模式對(duì)腸道細(xì)菌群落相似性的影響從腸道近端到遠(yuǎn)端逐漸增大，即不同飼養(yǎng)模式對(duì)大腸的細(xì)菌群落影響最大[31]。不同飼養(yǎng)模式導(dǎo)致腸道細(xì)菌多樣性差異的主要原因在于，籠養(yǎng)一類集約化飼養(yǎng)模式下，飼養(yǎng)密度較高，動(dòng)物往往處于長期應(yīng)激狀態(tài)，會(huì)降低腸道細(xì)菌的豐度和多樣性[32]，另外，在動(dòng)物能直接接觸外界環(huán)境的自由放養(yǎng)模式下，動(dòng)物經(jīng)墊料和土壤等攝入大量的微生物，增加了腸道微生物的豐度和多樣性。

2.3 日糧組成

通過調(diào)控日糧的蛋白質(zhì)與纖維素比例是改善單胃動(dòng)物腸道細(xì)菌群落從而達(dá)到減少臭氣排放的一種有效措施。當(dāng)日糧中含有適當(dāng)比例的纖維素時(shí)，日糧纖維在減少氨氣排放和改善腸健康方面發(fā)揮重要作用。盲腸細(xì)菌群落發(fā)酵日糧纖維素，能產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，SCFAs降低腸道pH，利于腸道中有益菌的生長并抑制有害菌的增殖[33]。同時(shí)纖維素能刺激微生物增殖，增強(qiáng)細(xì)菌對(duì)氮的同化作用和利用氨基酸合成蛋白質(zhì)的能力，促進(jìn)不穩(wěn)定的銨態(tài)氮和尿素氮轉(zhuǎn)化成較為穩(wěn)定的細(xì)菌蛋白氮，減少氨氣的排放。當(dāng)前普遍存在著畜禽飼料粗蛋白含量過高的現(xiàn)象，多余部分的蛋白質(zhì)被大腸桿菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌等有害菌發(fā)酵產(chǎn)生有害氣體。研究表明，適當(dāng)降低日糧粗蛋白含量，同時(shí)補(bǔ)充必需氨基酸，能有效減少有害菌，降低尿素、氨氣和總氮排泄量[34]。適當(dāng)降低飼糧粗蛋白水平(20.00%降至15.30%)，能顯著增加豬后腸細(xì)菌群落多樣性和有益菌數(shù)量[35]。大量研究表明，適當(dāng)降低粗蛋白水平和增加纖維素含量并不影響畜禽的生長性能和胴體質(zhì)量，同時(shí)起到減排氨氣的作用[36]。

隨著飼料加工工藝的進(jìn)步，更多的新型日糧被應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)，主要包括發(fā)酵豆粕和液態(tài)發(fā)酵飼料等。發(fā)酵豆粕是指將豆粕進(jìn)行微生物發(fā)酵處理，去除豆粕中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，并降解大分子蛋白質(zhì)生成小肽，同時(shí)還生成多種益生菌和有益微生物代謝產(chǎn)物，得到具有多種功能的優(yōu)質(zhì)蛋白飼料[37]。日糧中添加10%的發(fā)酵豆粕能顯著降低腸道pH，抑制有害細(xì)菌如大腸桿菌的增殖和降低氨氣排放[38]。液態(tài)發(fā)酵飼料是指將飼料原料與水按一定比例(1∶1.5～1∶4)混合，經(jīng)充分發(fā)酵后形成穩(wěn)定狀態(tài)的液體飼料。液體發(fā)酵飼料能顯著降低動(dòng)物胃腸道pH，并防止病原體如大腸桿菌和沙門氏菌在胃腸道中增殖，減少氨氣排放[39]。但新型日糧存在生產(chǎn)技術(shù)與利用仍不成熟的缺點(diǎn)，并未大量投入使用。

2.4 飼料添加劑

2.4.1 微生態(tài)制劑 微生態(tài)制劑是在微生態(tài)學(xué)的理論指導(dǎo)下，調(diào)整微生態(tài)失調(diào)、保持微生態(tài)平衡、提高動(dòng)物健康水平或增進(jìn)健康狀態(tài)的益生菌及其代謝產(chǎn)物和生長促進(jìn)物質(zhì)的制品。微生態(tài)制劑包括益生元、益生菌和合生元。

益生元是指宿主不能消化吸收，但可以被腸道菌群發(fā)酵的食物成分，它能特異性地刺激有益菌的生長和代謝活動(dòng)。在畜禽生產(chǎn)中應(yīng)用的益生元主要是非消化性的可發(fā)酵碳水化合物，包括低聚糖類和NSP。低聚糖包括低聚木糖、低聚半乳糖和低聚甘露糖等，而NSP根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為纖維素、半纖維素和果膠多糖，而目前被歸類為益生元的NSP主要是菊粉[40]。研究表明，在基礎(chǔ)日糧中添加0.2%的乳果糖，能有效降低雞腸道中的大腸桿菌比例并增加乳桿菌的比例，減少氨氣和硫化氫的排放，改善生產(chǎn)性能[41]。在日糧中補(bǔ)充適量菊粉，有利于雙歧桿菌和乳桿菌的快速增殖并抑制致病微生物的生長[42]。但大多數(shù)益生元具有一定的抗?fàn)I養(yǎng)性作用，使用時(shí)應(yīng)注意添加量。

益生菌是定植于宿主腸道，能產(chǎn)生確切健康功效從而改善宿主微生態(tài)平衡、發(fā)揮有益作用的活性有益微生物的總稱。在肉雞飼料中添加枯草芽孢桿菌C-3102能抑制大腸桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌和沙門氏菌一類有害產(chǎn)氨菌的增殖，有利于乳桿菌增殖并改善腸道微生物菌群，減少氨氣排放[43]。添加益生菌能促進(jìn)非淀粉多糖的發(fā)酵，產(chǎn)生的有機(jī)酸能降低腸道內(nèi)pH，抑制病原菌增殖，減少臭氣。但益生菌制劑由于具有菌種組成及比例的不確定性和在腸道內(nèi)外環(huán)境的不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，使其推廣受限。

合生元指益生元和益生菌復(fù)合的生物制劑。研究發(fā)現(xiàn)，果寡糖和益生菌配合使用對(duì)腸道細(xì)菌群落的改善和氨氣減排效果顯著優(yōu)于單獨(dú)使用果寡糖或益生菌，呈現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)[44]。但有研究表明，益生菌和寡糖合用對(duì)腸道細(xì)菌群落的改善效果不如單獨(dú)添加顯著[45]。說明合生元是否能呈現(xiàn)協(xié)同效果與復(fù)合益生元和益生菌的種類及其復(fù)合比例有關(guān)。

2.4.2 酶制劑 飼料中往往存在部分物質(zhì)不能被單胃動(dòng)物胃腸道分泌的內(nèi)源性消化酶有效降解或者完全不能被降解，例如NSP和植酸等。飼料中添加酶制劑可以促進(jìn)部分難消化營養(yǎng)物質(zhì)的降解，提高飼料的利用率。常用的飼料酶制劑有植酸酶和NSP復(fù)合酶(一般包含有木聚糖酶、β-葡聚糖酶、果膠酶等)。

植酸具有抗?fàn)I養(yǎng)作用，植酸與蛋白質(zhì)或其他營養(yǎng)物質(zhì)能結(jié)合成難以被動(dòng)物小腸消化吸收的復(fù)合物，使進(jìn)入后腸被微生物發(fā)酵的蛋白質(zhì)增加，產(chǎn)生的氨氣隨之增多，加重內(nèi)源氮的損失。植酸酶可以促進(jìn)植酸分解，減少蛋白質(zhì)進(jìn)入后腸，從而發(fā)揮調(diào)控腸道微生物菌群，降低微生物發(fā)酵蛋白質(zhì)產(chǎn)生臭氣的作用[46]。NSP是單胃動(dòng)物飼料的主要成分之一。NSP酶制劑催化多糖降解生成的功能性寡糖能刺激乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌增殖，產(chǎn)生的有機(jī)酸能抑制大腸桿菌等病原菌，改善腸道細(xì)菌群落。此外，NSP酶制劑還能降低食糜黏度，加快食糜的排空速度，減少有害菌利用食糜營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)氨的時(shí)間。研究表明，日糧中添加NSP復(fù)合酶可以降低23%氨氣產(chǎn)量[47]。但酶制劑的使用效果容易受到pH、溫度和運(yùn)輸條件等因素的影響，限制了應(yīng)用推廣。

2.4.3 酸化劑 酸化劑從性質(zhì)上分為有機(jī)酸(檸檬酸、乳酸和丁酸等)和無機(jī)酸(磷酸)，它具有調(diào)控動(dòng)物腸道微生物平衡、增殖有益菌、抑制有害菌、提高消化酶活性和營養(yǎng)物質(zhì)消化率等功能[48]。研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加緩釋復(fù)合酸化劑，能有效抑制大腸桿菌并促進(jìn)乳酸菌增殖，降低舍內(nèi)氨氣濃度[49]。乳酸和磷酸的復(fù)合酸化劑能降低腸道pH，提高小腸消化酶活性從而減少蛋白質(zhì)進(jìn)入后腸發(fā)酵產(chǎn)生臭氣，促進(jìn)雙歧桿菌的增殖并抑制大腸桿菌[50]。但由于飼料具有酸結(jié)合能力與含有堿性物質(zhì)，會(huì)影響酸化劑的效果，而且酸化劑釋放過快無法在后腸發(fā)揮作用，雖然包被技術(shù)可以解決以上問題，但包被的成本較高。此外，不同種類和配比的酸化劑對(duì)動(dòng)物腸道微生物區(qū)系的影響也不盡相同，在使用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況考慮酸化劑的種類與配比。

2.4.4 植物提取物 植物提取物指從植物中獲取的能添加到飼糧中，促進(jìn)畜禽生長的安全無污染的綠色添加劑。植物的提取物成分是其次級(jí)代謝產(chǎn)物，主要包括黃酮類、生物堿類、糖苷類、甾體類、萜類、醌類、苯丙素類、脂質(zhì)類和揮發(fā)性油類等多種類型[51]。植物提取物具有抗菌活性，添加到飼料中能抑制有害菌增殖，改善腸道微生物菌群[52]。研究發(fā)現(xiàn)，樟樹和絲蘭屬植物提取物能抑制細(xì)菌脲酶活性，減排氨氣[53]。大蒜素能抑制脲酶產(chǎn)生菌增殖和脲酶活性，減少動(dòng)物體氨氣排放[54]?？梢娭参锾崛∥锞哂懈纳颇c道微生物菌群和減排臭氣的功能，但也存在成本較高、原材料來源不穩(wěn)定、作用與代謝機(jī)制不明、缺乏產(chǎn)品使用和參照標(biāo)準(zhǔn)等問題。

3 單胃動(dòng)物體主要臭氣及其產(chǎn)生機(jī)制

未消化的纖維素、脂質(zhì)和部分未被小腸吸收的蛋白質(zhì)與內(nèi)源性分泌物進(jìn)入大腸被微生物發(fā)酵產(chǎn)生臭氣[55]。

3.1 臭氣的組成

動(dòng)物體臭氣根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)一般分為四類：氨和揮發(fā)性胺類、揮發(fā)性含硫化合物類、吲哚類和酚類、揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)[56]。氨氣在臭氣物質(zhì)中所占的比例最高，危害較大[40]。腸道中的一部分氨氣被微生物用作氮源合成蛋白質(zhì)，但大部分氨氣被排出體外，釋放到空氣中。揮發(fā)性含硫化合物類主要有硫化氫、硫醇類、硫醚類等，臭氣中的硫化氫含量僅次于氨[57]，而且含硫化合物的臭氣檢測閾值都比較低(臭氣檢測閾值：人對(duì)臭氣成分能感到有臭味的最低濃度，臭氣閾值越低，在相同濃度下其引起的臭味強(qiáng)度越強(qiáng))。吲哚類和酚類主要包括糞臭素、對(duì)甲酚、4-乙基酚和苯乙酸等，其臭氣閾值均較低。VFAs以臭氣閾值較高的乙酸、丙酸和丁酸為主，另外還有部分閾值較低的長鏈和支鏈脂肪酸如戊酸、己酸和異戊酸等。

3.2 臭氣產(chǎn)生機(jī)制

動(dòng)物體排放的臭氣主要來源于細(xì)菌對(duì)有機(jī)物的發(fā)酵降解[40]。

3.2.1 碳水化合物型發(fā)酵 參與碳水化合物發(fā)酵的細(xì)菌以乳桿菌和雙岐桿菌等一類有益菌為主。腸道細(xì)菌發(fā)酵碳水化合物存在分級(jí)利用的情況，即首先部分細(xì)菌發(fā)酵利用碳水化合物，產(chǎn)生的單糖和寡糖繼續(xù)被其他微生物發(fā)酵利用，產(chǎn)生乳酸、琥珀酸和SCFAs等小分子化合物，其中乳酸和琥珀酸等小分子物質(zhì)繼續(xù)作為其他細(xì)菌的發(fā)酵底物，被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為SCFAs[58]，所以這些中間產(chǎn)物的含量一般較少。SCFAs(乙酸、丙酸和丁酸等)和氣體(二氧化碳、氫氣和甲烷)是腸道細(xì)菌群落碳水化合物型發(fā)酵的主要終產(chǎn)物[59]。

3.2.2 含氮化合物型發(fā)酵 一般情況下，腸道細(xì)菌主要通過酵解碳水化合物獲能，而蛋白質(zhì)則被細(xì)菌分泌的蛋白酶分解成肽類和氨基酸，再被同化合成菌體蛋白。遠(yuǎn)端大腸缺乏碳水化合物時(shí)，腸道細(xì)菌群落發(fā)酵氨基酸獲能，并產(chǎn)生氨氣、胺類、硫化氫、吲哚類、酚類和VFAs等物質(zhì)[60]。發(fā)酵氨基酸的脫氨基和脫羧作用分別產(chǎn)生氨氣和胺，另外細(xì)菌分泌脲酶能分解尿素產(chǎn)生氨氣[5]。細(xì)菌發(fā)酵氨基酸產(chǎn)生VFAs，其中支鏈氨基酸(纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸)產(chǎn)生相應(yīng)的支鏈脂肪酸(異丁酸、戊酸、異戊酸等)[61]。細(xì)菌發(fā)酵芳香族氨基酸(苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)產(chǎn)生酚類和吲哚類[62]。含硫氨基酸(半胱氨酸和蛋氨酸)經(jīng)細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生硫化氫和甲硫醇[63]。因?yàn)榘睔?、酚類、吲哚類和揮發(fā)性含硫化合物對(duì)宿主是有害物質(zhì)[4-5]，故一般認(rèn)為腸道細(xì)菌的含氮化合物型發(fā)酵不利于宿主的健康。

3.2.3 兩種發(fā)酵類型對(duì)臭氣生成的影響 單胃動(dòng)物體產(chǎn)生的臭氣主要來自于含氮化合物的發(fā)酵，包括氨、揮發(fā)性含硫化合物類、吲哚類和酚類等有害氣體。碳水化合物型發(fā)酵的代謝產(chǎn)物主要是4碳以內(nèi)的SCFAs，臭氣檢測閾值較高，且大部分被宿主大腸吸收并為宿主供能，對(duì)動(dòng)物體臭氣排放的貢獻(xiàn)值不大。另外，碳水化合物型發(fā)酵產(chǎn)生的大量SCFAs和其他有機(jī)酸能降低腸道pH，抑制大腸桿菌等產(chǎn)氨菌的增殖，減少臭氣產(chǎn)生。當(dāng)細(xì)菌以碳水化合物型發(fā)酵作為主要獲能途徑時(shí)，會(huì)大量同化含氮物質(zhì)用于自身蛋白質(zhì)的合成，減少了微生物對(duì)含氮化合物的異化作用，有利于養(yǎng)殖臭氣減排。碳水化合物型發(fā)酵不僅產(chǎn)生的臭氣物質(zhì)較少，而且還能減少含氮化合物型發(fā)酵產(chǎn)生的臭氣。因此，碳水化合物型發(fā)酵是理想的減少動(dòng)物體臭氣產(chǎn)生的腸道細(xì)菌群落發(fā)酵類型。使腸道細(xì)菌群落的發(fā)酵以碳水化合物型為主，減少含氮化合物型發(fā)酵的發(fā)生，是調(diào)控動(dòng)物體臭氣排放的重要思路。

4 細(xì)菌群類型與臭氣產(chǎn)生的關(guān)系

氨氣主要來源于細(xì)菌對(duì)氨基酸的脫氨基作用和脲酶對(duì)尿素的分解?？死撞蠗U菌屬和變形桿菌屬具有較高的脲酶活性，是腸道中的主要尿素分解菌[64]。關(guān)于產(chǎn)生氨氣的主要菌種，不同學(xué)者的研究結(jié)果不盡相同，包括如產(chǎn)氣莢膜梭菌、志賀氏菌、大腸桿菌、克雷伯氏桿菌屬、彎曲菌屬、鏈球菌屬、 艱難梭狀芽胞桿菌和脆弱擬桿菌[55,65-66]，但對(duì)于何種細(xì)菌是主要產(chǎn)氨菌仍沒有定論。

揮發(fā)性含硫化合物由兩條途徑產(chǎn)生，途徑一是含硫氨基酸在腸道細(xì)菌的脫巰基酶作用下發(fā)酵產(chǎn)生[5]，該代謝能力并不是特定的某些細(xì)菌類型所特有。但目前已經(jīng)證明大腸桿菌、幽門螺旋桿菌、沙門氏菌、梭菌屬某個(gè)亞種和產(chǎn)氣腸桿菌這一類大量存在于大腸中的細(xì)菌具有發(fā)酵含硫氨基酸產(chǎn)生揮發(fā)性含硫化合物的能力[5,67]，同時(shí)上述的細(xì)菌類型還跟氨氣的產(chǎn)生有密切關(guān)系，可見上述病原細(xì)菌的發(fā)酵作用是臭氣物質(zhì)的重要源頭。途徑二是硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria,SRB)在厭氧降解利用有機(jī)質(zhì)時(shí)，還原硫酸根離子產(chǎn)生揮發(fā)性含硫化合物。腸道中大部分SRB屬于Δ-變形菌綱的脫硫腸狀菌屬、脫硫葉菌屬、脫硫桿菌屬和脫硫弧菌屬，其中以脫硫弧菌屬的豐度最高[68]。

腸道中厭氧細(xì)菌降解芳香族氨基酸產(chǎn)生一系列吲哚類和酚類臭氣物質(zhì)[61]，其中發(fā)酵酪氨酸的主要產(chǎn)物是酚、對(duì)甲酚、苯丙酸和4-乙基苯酚，丙氨酸發(fā)酵的主要產(chǎn)物是苯乙酸和苯丙酸，而色氨酸發(fā)酵的主要產(chǎn)物是吲哚、吲哚丙酸和糞臭素。有研究表明大約10%的厭氧細(xì)菌能降解芳香族氨基酸產(chǎn)生酚類和吲哚類物質(zhì)，它們包括擬桿菌屬、乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、梭菌屬和消化鏈球菌屬[69]。在酚類和吲哚類臭氣物質(zhì)中以糞臭素即3-甲基吲哚研究較多，但很少有菌株能產(chǎn)生糞臭素，目前已知6種腸道細(xì)菌與糞臭素的產(chǎn)生相關(guān)：糞味梭菌、疾病梭菌、假單胞菌、瑞士乳桿菌、乳酸桿菌1120和根瘤菌[70]。近來的研究發(fā)現(xiàn)嗜氨基酸梭菌、約氏乳桿菌、雙胞梭菌和毛螺菌可能與糞臭素產(chǎn)生有關(guān)[71]。

單胃動(dòng)物腸道細(xì)菌發(fā)酵日糧中的碳水化合物和含氮化合物產(chǎn)生VFAs，受細(xì)菌群落構(gòu)成、發(fā)酵底物類型和腸道內(nèi)pH等因素影響。擬桿菌門細(xì)菌發(fā)酵碳水化合物的主要終產(chǎn)物是乙酸和丙酸，而厚壁菌門的主要終產(chǎn)物則為丁酸[72]。種類眾多的微生物能發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生SCFAs，但以雙歧桿菌這一類優(yōu)勢菌為主。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大腸中可發(fā)酵膳食纖維有限時(shí)，管腔pH增加到6.5，產(chǎn)丁酸細(xì)菌幾乎完全消失，而產(chǎn)生乙酸和丙酸的相關(guān)擬桿屬細(xì)菌則成為主導(dǎo)[73]，pH對(duì)SCFAs的產(chǎn)生有顯著的影響。與發(fā)酵碳水化合物相比，細(xì)菌發(fā)酵含氮化合物產(chǎn)生更多的長鏈或支鏈VFAs，參與的微生物包括擬桿菌、真桿菌屬、梭菌屬、消化鏈球菌屬等[40]。

5 展 望

臭氣的排放已經(jīng)成為單胃動(dòng)物規(guī)?；B(yǎng)殖不可忽視的問題，動(dòng)物體臭氣主要由腸道細(xì)菌的發(fā)酵代謝活動(dòng)所產(chǎn)生。單胃動(dòng)物的大腸是發(fā)酵產(chǎn)臭的主要腸段，而盲腸又是其中臭氣產(chǎn)生的主要位點(diǎn)，但大腸其他部分(結(jié)腸和直腸)的產(chǎn)臭情況缺乏相關(guān)的研究，需進(jìn)一步研究。臭氣的組成成分復(fù)雜，目前的臭氣減排研究對(duì)象主要為氨氣和硫化氫，所占比例少，但臭氣閾值更低的糞臭素和甲硫醇對(duì)感官影響可能更大但研究較少，加強(qiáng)對(duì)糞臭素和甲硫醇的減排研究，或許能更好地降低養(yǎng)殖場臭氣對(duì)人的感官影響。目前以營養(yǎng)途徑調(diào)控臭氣產(chǎn)生，因受諸多因素影響，難以保證營養(yǎng)調(diào)控措施的效果。單胃動(dòng)物臭氣的產(chǎn)生主要來源于腸道細(xì)菌的含氮化合物型發(fā)酵，可針對(duì)此特點(diǎn)調(diào)控腸道細(xì)菌群落進(jìn)行動(dòng)物體臭氣減排。

參考文獻(xiàn)：

[1] BIBBIANI C,RUSSO C.Odour emission from intensive livestock production system:approaches for emission abatement and evaluation of their effectiveness[J].Large Animal Review,2012,18(3):135-138.

[2] 籍景淑.豬場氨氣控制研究[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[3] 朱偉云,余凱凡,慕春龍,等.豬的腸道微生物與宿主營養(yǎng)代謝[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2014, 26(10):3 046-3 051.

[4] WILLIAMS B A,VERSTEGEN M W A,TAMMINGA S.Fermentation in the large intestine of single-stomached animals and its relationship to animal health[J].Nutrition research reviews,2001,14(2):207-228.

[5] DAVILA A M,BLACHIER F,GOTTELAND M,et al.Intestinal luminal nitrogen metabolism:Role of the gut microbiota and consequences for the host[J].Pharmacological research,2013,69(1):114-126.

[6] 雷劉功,袁慧民.中國農(nóng)業(yè)年鑒2015[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2016:244-245.

[7] 孫笑非,鐘米珈,孫冬巖,等.雞腸道微生物區(qū)系及影響其穩(wěn)定性的因素[J].飼料研究,2012(1):43-45.

[8] 宋連喜,鄂祿祥,高明,等.豬和兔胚胎胃腸道菌群的初步研究[J].中國獸醫(yī)雜志,2007,43(10):24-26.

[9] 齊廣海,張海軍,武書庚.家禽腸道微生態(tài)系統(tǒng)及其調(diào)控的研究進(jìn)展[J].飼料與畜牧(新飼料),2006(2):5-8.

[10] 孫笑非,孫冬巖,王文娟,等.豬腸道微生物定植規(guī)律和生理功能[J].飼料研究,2011(9):70-72.

[11] POLANSKY O,SEKELOVA Z,FALDYNOVA M,et al.Important metabolic pathways and biological processes expressed by chicken cecal microbiota[J].Applied and Environmental Microbiology,2016,82(5):1 569-1 576.

[12] LOOFT T,ALLEN K,CANTAREL L,et al.Bacteria,phages and pigs:the effects of in-feed antibiotics on the microbiome at different gut locations[J].ISME,2014,8(8):1 566-1 576.

[13] HU J,NIE Y,CHEN J,et al.Gradual changes of gut microbiota in weaned miniature piglets[J].Frontiers in Microbiology,2016,7:1 727-1 741.

[14] CHOI J H,KIM G B,CHA C J.Spatial heterogeneity and stability of bacterial community in the gastrointestinal tracts of broiler chickens[J].Poultry Science, 2014, 93(8):1 942-1 950.

[15] 趙文靜,劉書云,丁金梅,等.小鼠不同腸道段內(nèi)容物和糞便中微生物的宏基因組測序和比較分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)科學(xué)版),2016,34(3):15-21.

[16] SERGEANT M J,CONSTANTINIDOU C,COGAN T A,et al.Extensive microbial and functional diversity within the chicken cecal microbiome[J].Plos One,2014,9(3):91-94.

[17] ISAACSON R,KIM H B.The intestinal microbiome of the pig[J].Animal Health Research Reviews,2012,13(1):100-109.

[18] YEOMAN C J,CHIA N,JERALDO P,et al.The microbiome of the chicken gastrointestinal tract[J].Animal Health Research Reviews,2012,13(1):89-99.

[19] WAITE D,TAYLOR M.Characterising the avian gut microbiota:membership,driving influences and potential function[J].Front Microbiol,2014,5(4):223-234.

[20] QAISRANI S N,VAN KRIMPEN M M,KWAKKEL R P,et al.Dietary factors affecting hindgut protein fermentation in broilers:a review[J].World's Poultry Science Journal,2015,71(1):139-160.

[21] YANG H,HUANG X,FANG S,et al.Uncovering the composition of microbial community structure and metagenomics among three gut locations in pigs with distinct fatness[J].Scientific reports,2016,6:27 427-27 437.

[22] 柳洪潔.雞消化道正常菌群生態(tài)平衡的研究[D].山東泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[23] RINTTILT,APAJALAHTI J.Intestinal microbiota and metabolites-Implications for broiler chicken health and performance1[J].Journal of Applied Poultry Research,2013,22(3):647-658.

[24] 蔡中梅,楊海明,謝燕娟,等.家禽腸道微生物菌群多樣性的研究進(jìn)展[J].中國飼料,2014(15):11-13.

[25] 凌澤春,郭立輝,任素芳,等.豬胃腸道微生物菌群的研究現(xiàn)狀及調(diào)控技術(shù)進(jìn)展[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào),2011,32(5):5-9.

[26] ZHAO W,WANG Y,LIU S,et al.The dynamic distribution of porcine microbiota across different ages and gastrointestinal tract segments[J].PloS One,2015,10(2):e0117441.

[27] 譚振,翟麗維,陳少康,等.腸道微生物與宿主遺傳背景互作關(guān)系的研究進(jìn)展[J].中國畜牧雜志,2016,52(5):84-88.

[28] 陸東東.低產(chǎn)臭蛋雞品種的篩選及其機(jī)制研究[D].廣州:華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2017.

[29] SCHOKKER D,VENINGA G,VASTENHOUW S A,et al.Early life microbial colonization of the gut and intestinal development differ between genetically divergent broiler lines[J].Bmc Genomics,2015,16(1):418-430.

[30] XU Y,YANG H,ZHANG L,et al.High-throughput sequencing technology to reveal the composition and function of cecal microbiota in Dagu chicken[J].BMC microbiology,2016,16(1):259-267.

[31] 王圣.不同飼養(yǎng)模式及調(diào)控劑對(duì)肉雞腸道微生物及黏膜免疫的影響[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[32] BAILEY M T,DOWD S E,PARRY N M,et al.Stressor exposure disrupts commensal microbial populations in the intestines and leads to increased colonization by Citrobacter rodentium[J].Infection and immunity,2010,78(4):1 509-1 519.

[33] PIEPER R,JHA R,ROSSNAGEL B,et al.Effect of barley and oat cultivars with different carbohydrate compositions on the intestinal bacterial communities in weaned piglets[J].FEMS Microbiology Ecology,2008,66(3):556-566.

[34] HANSEN M J,N?RGAARD J V,ADAMSEN A P S,et al.Effect of reduced crude protein on ammonia,methane,and chemical odorants emitted from pig houses[J].Livestock Science,2014,169:118-124.

[35] 彭宇,余凱凡,車煉強(qiáng),等.梯度降低飼糧粗蛋白對(duì)生長豬腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響[C]//中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)分會(huì)第十二次動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.武漢:中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)分會(huì),2016:50.

[36] HAYES E T,LEEK A B G,CURRAN T P,et al.The influence of diet crude protein level on odour and ammonia emissions from finishing pig houses[J].Bioresource technology,2004,91(3):309-315.

[37] 李建.發(fā)酵豆粕研究進(jìn)展[J].糧食與飼料工業(yè),2009(6):31-35.

[38] 吳先華.發(fā)酵豆粕在斷奶仔豬及生長育肥豬日糧中的應(yīng)用研究[D].南寧:廣西大學(xué),2014.

[39] MISSOTTEN J A M,MICHIELS J,DEGROOTE J,et al.Fermented liquid feed for pigs:an ancient technique for the future[J].Journal of Animal Science and Biotechnology,2015,6(1):4-12.

[40] 鄧遠(yuǎn)帆,廖新俤.營養(yǎng)途徑調(diào)控動(dòng)物腸道微生物與臭氣減排研究進(jìn)展[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào),2015,36(3):1-9.

[41] CHO J H,KIM I H.Effects of lactulose supplementation on performance,blood profiles,excreta microbial shedding of Lactobacillus and Escherichia coli,relative organ weight and excreta noxious gas contents in broilers[J].Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition,2014,98(3):424-430.

[43] JEONG J S,KIM I H.Effect of Bacillus subtilis C-3102 spores as a probiotic feed supplement on growth performance,noxious gas emission, and intestinal microflora in broilers[J].Poultry Science,2014,93(12):3 097-3 103.

[44] 王博.益生菌,果寡糖對(duì)后備母豬生長性能,免疫功能和腸道微生物的影響研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2015.

[45] 陳代文,張克英,王萬祥,等.酸化劑,益生素和寡糖對(duì)斷奶仔豬糞中微生物菌群和免疫功能的影響及其互作效應(yīng)研究[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2006,18(3):172-178.

[46] KIARIE E,ROMERO L F,NYACHOTI C M.The role of added feed enzymes in promoting gut health in swine and poultry[J].Nutrition Research Reviews,2013,26(1):71-88.

[47] 何科林.非淀粉多糖酶譜優(yōu)化及對(duì)肉雞排泄物含氮物含量的影響[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2012.

[48] 張旭暉,王恬,冀鳳杰,等.有機(jī)酸化劑對(duì)斷奶仔豬生長性能和腸道健康的影響[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2012,24(3):507-514.

[49] 賈剛,晏家友,王輝,等.緩釋復(fù)合酸化劑對(duì)艾維茵白羽肉雞消化道酸度、免疫指標(biāo)及雞舍氨濃度的影響[J].動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2009,21(5):747-754.

[50] 羅四維.復(fù)合酸化劑對(duì)肉仔雞生產(chǎn)性能和消化道內(nèi)環(huán)境的影響[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué),2010.

[51] 徐東翔.植物資源化學(xué)[M].長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2004:10-13.

[52] 李滔.植物提取物對(duì)斷奶仔豬的生產(chǎn)性能及腸道功能的影響研究[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[53] 周霞,張海濱,周明東,等.4種植物提取物對(duì)肉雞氨氣散發(fā),生長性能及血液生化指標(biāo)的影響[J].中國獸醫(yī)學(xué)報(bào),2012,32(5):793-797.

[54] NDEGWA P M,HRISTOV A N,AROGO J,et al.A review of ammonia emission mitigation techniques for concentrated animal feeding operations[J].Biosystems Engineering,2008,100(4):453-469.

[55] JHA R,BERROCOSO J F D.Dietary fiber and protein fermentation in the intestine of swine and their interactive effects on gut health and on the environment:A review[J].Animal Feed Science and Technology,2016,212:18-26.

[56] LE P D,AARNINK A J A,OGINK N W M,et al.Odour from animal production facilities:its relationship to diet[J].Nutrition Research Reviews,2005,18(1):3-30.

[57] HANSEN M J.Significance of reduced sulphur compunds in relation to odour from pig production[D]. Aarhus University,2011.

[58] SCOTTI C.Gut flora,nutrition,immunity and health[J]. Journal of Human Nutrition and Dietetics,2004,17(2):159-160.

[59] 張信宜,王燕,吳銀寶,等.規(guī)?；i場臭氣減排的營養(yǎng)和飼養(yǎng)技術(shù)研究進(jìn)展[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào),2017,38(4):1-7.

[60] LOUIS P,HOLD G L,FLINT H J.The gut microbiota,bacterial metabolites and colorectal cancer[J].Nature Reviews Microbiology,2014,12(10):661-672.

[61] CONE J W,JONGBLOED A W,VAN GELDER A H,et al.Estimation of protein fermentation in the large intestine of pigs using a gas production technique[J].Animal Feed Science and Technology,2005,123 (4):463-472.

[62] HUGHES R,MAGEE E A M,BINGHAM S.Protein degradation in the large intestine:relevance to colorectal cancer[J].Current Issues in Intestinal Microbiology,2000,1(2):51-58.

[63] MAGEE E A.Contribution of dietary protein to sulfide produc-Tion in the large intestine:An in vitro and a controlled feedingStudy in humans[J].American Journal of Clinical Nutrition,2000,72 (6):1 488-1 494.

[64] ZHANG Z,ZHAI H,GENG J,et al.Large-scale survey of gut microbiota associated with MHE Via 16S rRNA-based pyrosequencing[J].The American journal of gastroenterology,2013,108(10):1 601-1 611.

[65] RICHARDSON A J,MCKAIN N,WALLACE R J.Ammonia production by human faecal bacteria,and the enumeration, isolation and characterization of bacteria capable of growth on peptides and amino acids[J].BMC microbiology,2013,13(1):6-13.

[66] RIST V T S,WEISS E,EKLUND M,et al.Impact of dietary protein on microbiota composition and activity in the gastrointestinal tract of piglets in relation to gut health:a review[J].Animal,2013,7(7):1 067-1 078.

[67] LEE H,KHO H S,CHUNG J W,et al.Volatile sulfur compounds produced by Helicobacter pylori[J].Journal of clinical gastroenterology,2006,40(5):421-426.

[68] CARBONERO F,BENEFIEL A C,ALIZADEH-GHAMSARI A H,et al.Microbial pathways in colonic sulfur metabolism and links with health and disease[J].Frontiers in physiology,2012,3:448-458.

[69] SMITH E A,MACFARLANE G T.Enumeration of human colonic bacteria producing phenolic and indolic compounds:effects of pH,carbohydrate availability and retention time on dissimilatory aromatic amino acid metabolism[J].Journal of Applied Microbiology,1996,81(3):288-302.

[70] 辛娜,刁其玉,張乃鋒.糞臭素對(duì)動(dòng)物的作用機(jī)理及其減少排放的有效方法[J].中國飼料,2011(8): 7-9.

[71] 李彩燕.日糧纖維對(duì)豬體糞臭素沉積的調(diào)控及分子機(jī)理研究[D].杭州:浙江大學(xué),2009.

[72] MACFARLANE S,MACFARLANE G T.Regulation of short-chain fatty acid production[J]. Proceedings of the Nutrition Society,2003,62(1):67-72.

[73] WALKER A W,DUNCAN S H,LEITCH E C M W,et al.pH and peptide supply can radically alter bacterial populations and short-chain fatty acid ratios within microbial communities from the human colon[J].Applied and Environmental Microbiology,2005,71(7):3 692-3 700.