丁 酸 梭 菌 的 特 性 及 其 生 物 學(xué) 功 能

■陽田恬 劉夢(mèng)瑤 張 靜 程 強(qiáng) 張日俊 斯大勇

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，飼料 生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)物 營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）于1933 年被日本千葉醫(yī)科大學(xué)宮入近治博士首次發(fā)現(xiàn)并報(bào)道，其存在于動(dòng)物腸道及其糞便、反芻動(dòng)物瘤胃、土壤、河水污泥等厭氧環(huán)境和奶酪等發(fā)酵食品中。丁酸梭菌可產(chǎn)生內(nèi)生孢子，這是其對(duì)抗菌物質(zhì)、胃酸、膽鹽的高度耐受性的關(guān)鍵特征。丁酸梭菌廣泛應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、食品及工業(yè)發(fā)酵等多個(gè)領(lǐng)域，具有治療及預(yù)防疾病、增強(qiáng)機(jī)體免疫性能、抵抗氧化應(yīng)激等多種功能。文章對(duì)丁酸梭菌的特性及其生物學(xué)功能進(jìn)行綜述，以期為丁酸梭菌益生效應(yīng)的進(jìn)一步研究及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 丁酸梭菌概述

丁酸梭菌屬于梭狀芽孢桿菌屬(Clostridiumsp.)，由于其發(fā)酵代謝的主要產(chǎn)物為丁酸，故而得名丁酸梭菌。丁酸梭菌為革蘭氏陽性菌，在培養(yǎng)的后期可能會(huì)表現(xiàn)為革蘭氏陰性菌，此時(shí)菌體在革蘭氏染色后鏡檢為紅色，呈單個(gè)或成對(duì)存在，菌落形態(tài)為直徑1～3 mm、呈圓形或稍不規(guī)則，表面光滑、濕潤(rùn)、稍突且邊緣整齊、中間稍凸、菌落顏色為白色或奶油色。細(xì)菌表面周生鞭毛，可運(yùn)動(dòng)，其細(xì)胞筆直或稍彎曲，中間略微膨大，兩端鈍圓呈梭形，并能夠形成內(nèi)生孢子，孢子卵圓、次端生。

丁酸梭菌是一種嚴(yán)格厭氧的異養(yǎng)菌，在有氧的環(huán)境中停止生長(zhǎng)，處于休眠狀態(tài)。當(dāng)培養(yǎng)基中的氧氣含量較低甚至不存在氧氣時(shí)，丁酸梭菌可良好生長(zhǎng)。梭狀芽孢桿菌的細(xì)胞中缺乏產(chǎn)生能量的呼吸鏈，環(huán)境必須為厭氧狀態(tài)，才能滿足其生存的條件。丁酸梭菌細(xì)胞內(nèi)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotide，NADH）氧化酶、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），構(gòu)成了其抵抗氧化損傷的功能系統(tǒng)。

丁酸梭菌的抗逆性較強(qiáng)，在30～37 ℃內(nèi)均能較好地生長(zhǎng)，耐酸堿，在pH 5.2～9.0的范圍內(nèi)，產(chǎn)氫性能較佳，最佳的培養(yǎng)條件是37 ℃、pH 7.0。由于丁酸梭菌內(nèi)生芽孢，因此其可在短時(shí)間內(nèi)耐受高溫，并對(duì)胃腸道環(huán)境具有良好的耐受性，耐受胃酸和膽鹽的能力極強(qiáng)。丁酸梭菌能夠有效地利用多種碳水化合物：能將甘油轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇，而且能發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）（主要是乙酸、丁酸），代謝產(chǎn)生的乙酸和丁酸會(huì)導(dǎo)致腸道環(huán)境呈酸性，從而抑制腸道中部分細(xì)菌的生長(zhǎng)。丁酸梭菌具有特異性的電子轉(zhuǎn)移性黃素蛋白復(fù)合物，在與其他產(chǎn)乳酸、乙酸的細(xì)菌共培養(yǎng)時(shí)，能夠?qū)⑷樗岷鸵宜徂D(zhuǎn)化為丁酸和乙醇。丁酸梭菌的特有代謝產(chǎn)物與其廣泛的功能具有密不可分的關(guān)系。此外，丁酸梭菌可利用葡萄糖產(chǎn)生CO2和H2等氣體，見公式（1、2）。丁酸梭菌能產(chǎn)生多種酶，包括消化酶（淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶和木聚糖酶等）和抗氧化酶（SOD、NADH 氧化酶），因此，可有效降解腸道中未能被宿主消化的物質(zhì)，部分菌株對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌等腸道病原菌具有抑制作用。

目前發(fā)現(xiàn)的丁酸梭菌菌株表現(xiàn)的性質(zhì)不一，其中，具備益生效應(yīng)的菌株丁酸梭菌MIYAIRI 588已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療、畜禽生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域，然而也有文獻(xiàn)報(bào)道，部分丁酸梭菌具有致病性，其會(huì)產(chǎn)生肉毒桿菌神經(jīng)毒素等，從而導(dǎo)致宿主食源性肉毒中毒、壞死性小腸結(jié)腸炎和腹瀉等。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了探索丁酸梭菌在益生菌生產(chǎn)、食品制造以及工業(yè)發(fā)酵中應(yīng)用時(shí)安全性評(píng)估的重要性。

2 丁酸梭菌的特性

2.1 丁酸梭菌產(chǎn)丁酸特性

丁酸梭菌主要有兩條產(chǎn)生丁酸的途徑：丁酸激酶途徑和丁酰輔酶A（coenzymeA，CoA）∶乙酸CoA轉(zhuǎn)移酶途徑，并且大多數(shù)以后者為主。丁酸激酶途徑：葡萄糖經(jīng)糖酵解代謝為丙酮酸，丙酮酸經(jīng)丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶的催化轉(zhuǎn)化為乙酰CoA，乙酰CoA在一系列酶的催化作用下轉(zhuǎn)化為丁酰CoA，丁酰CoA在丁酸激酶的作用下，通過丁酰磷酸生成丁酸。丁酰CoA∶乙酸CoA 轉(zhuǎn)移酶途徑：當(dāng)?shù)孜镏写嬖谕庠匆宜釙r(shí)，丁酰CoA∶乙酸CoA 轉(zhuǎn)移酶會(huì)將丁酰CoA中的CoA 轉(zhuǎn)運(yùn)給外源乙酸，從而導(dǎo)致丁酸和乙酰CoA 的釋放。此外，琥珀酸也可通過多種特定酶催化轉(zhuǎn)化為巴豆酰CoA，進(jìn)而經(jīng)丁酰CoA 脫氫酶合成丁酸；而利用乳酸時(shí)，則先經(jīng)乳酸脫氫酶的作用形成丙酮酸，再經(jīng)上述兩種途徑合成丁酸。

丁酸是結(jié)腸保持完整性和健康的關(guān)鍵調(diào)節(jié)物質(zhì)，與增強(qiáng)腸道屏障有關(guān)。作為結(jié)腸細(xì)胞的主要和首選能量底物，丁酸的細(xì)胞代謝優(yōu)先于葡萄糖或谷氨酰胺，占結(jié)腸黏膜總能量需求的70%。此外，丁酸能刺激表皮生長(zhǎng)因子和抗炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，減少炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，并具有抑制核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）活化的能力。丁酸的生理功能還包括增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的免疫原性、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白質(zhì)的活性、增加機(jī)體的抗氧化活性、刺激抗菌肽等分泌、抑制組蛋白脫乙?；铜h(huán)氧化酶（cyclooxygenase-2，COX-2）的激活。因此，丁酸梭菌的多種生物學(xué)功能離不開丁酸的效應(yīng)。

基因組測(cè)序和功能注釋以及比較基因組學(xué)加快了微生物的研究進(jìn)展，為復(fù)雜的微生物群落序列分析和宏基因組學(xué)開辟了新的途徑，有利于積累微生物的遺傳信息。根據(jù)Zou 等（2021）對(duì)丁酸梭菌的全基因組分析，發(fā)現(xiàn)其核心基因組中，與丁酸合成、產(chǎn)氫的相關(guān)基因是保守序列，碳水化合物代謝相關(guān)基因占最大的類別，而且大多數(shù)與生命活動(dòng)的基本功能有關(guān)，如生物起源、轉(zhuǎn)錄、翻譯、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝以及碳水化合物的運(yùn)輸和代謝，這一點(diǎn)與輔助基因組相似。據(jù)報(bào)道，缺乏編碼α-羥基丁酰-CoA脫氫酶基因的野生型菌株，其丁酸形成途徑會(huì)受到抑制。丁酸產(chǎn)生的生化途徑見圖1，同時(shí)也解釋了丁酸的形成會(huì)有利于產(chǎn)生H2。

圖1 丁酸梭菌的丁酸代謝途徑

Atasoy 等（2020）將丁酸梭菌與其他細(xì)菌在堿性條件下混合培養(yǎng)，與單獨(dú)培養(yǎng)和非生物強(qiáng)化的混合培養(yǎng)相比，這種生物增強(qiáng)作用產(chǎn)生的丁酸更多。此外，由于生物強(qiáng)化培養(yǎng)的作用，揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acid，VFA）的總產(chǎn)量得到提升，其中，VFA主要為丁酸，丁酸的產(chǎn)生受丁酸梭菌生長(zhǎng)速率的影響，低生長(zhǎng)率導(dǎo)致更多的丁酸生產(chǎn)，由于必需化合物的產(chǎn)生，混合培養(yǎng)提高了丁酸梭菌的生長(zhǎng)速度，并且這種同養(yǎng)關(guān)系增強(qiáng)了乙酸、戊酸和丙酸的產(chǎn)生。由此可知，丁酸梭菌在生物強(qiáng)化的作用下，更有利于丁酸的生產(chǎn)，并且能有效替代傳統(tǒng)的單一培養(yǎng)模式。

2.2 丁酸梭菌的產(chǎn)氫特性

H2被報(bào)道能抑制炎癥、選擇性地抗氧化應(yīng)激，調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體及免疫功能，并在細(xì)胞程序性死亡中具有抑制細(xì)胞凋亡、調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬等多種生物學(xué)效應(yīng)，這些豐富的功能決定了H2用于治療全身多種疾病的良好效果。H2的抗氧化功效突出，它能迅速擴(kuò)散到組織和細(xì)胞中，與細(xì)胞內(nèi)的羥基自由基等發(fā)生反應(yīng)，并且在體內(nèi)作用溫和，因此不會(huì)影響活性氧（reactive oxygen species，ROS）的信號(hào)傳導(dǎo)，也能避免對(duì)氧化還原反應(yīng)的干擾。除了直接中和高反應(yīng)性氧化劑外，H2還可以通過調(diào)節(jié)各種基因的表達(dá)來間接降低氧化應(yīng)激。

丁酸梭菌利用碳水化合物產(chǎn)氫的過程主要分為兩種途徑：一是丙酮酸經(jīng)丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶轉(zhuǎn)化為乙酰CoA 和CO2，同時(shí)生成還原型鐵氧還蛋白，H2經(jīng)氫化酶的作用產(chǎn)生。第二種途徑是在糖酵解過程中，由NADH-鐵氧還蛋白氧化還原酶對(duì)部分NADH 進(jìn)行再氧化，繼而產(chǎn)生H2。Cai 等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌菌株在缺乏催化NADH氧化酶基因的情況下，不會(huì)發(fā)生鐵氧還蛋白還原反應(yīng)，并且只能使用丙酮酸氧化產(chǎn)生的還原性鐵氧還蛋白來產(chǎn)生H2，與野生型相比，這種基因缺陷型菌株的產(chǎn)氫量較低，而乙醇產(chǎn)量異常增加。在低的H2分壓下，由于丁酸梭菌存在潛在的分叉氫化酶，產(chǎn)生的H2會(huì)與NADH 競(jìng)爭(zhēng)，因此導(dǎo)致形成乙醇的量減少，產(chǎn)H2的量則會(huì)增多。

在嚴(yán)格厭氧的條件下，細(xì)菌代謝葡萄糖主要為糖酵解途徑，首先生成丙酮酸，丙酮酸再通過還原型鐵氧還蛋白轉(zhuǎn)化為乳酸或乙酰CoA，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、丁酸和乙醇等其他副產(chǎn)物，也會(huì)形成少量的草酰乙酸和α-酮戊二酸，并通過加氫酶的作用直接形成H2。研究表明，丁酸梭菌W5 菌株對(duì)pH 非常敏感，在pH為6.0時(shí)獲得的產(chǎn)氫率最高；而培養(yǎng)基初始葡萄糖濃度對(duì)其產(chǎn)氫量的影響較小。此外，乙酰CoA是氫合成網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。菌株的產(chǎn)氫能力與細(xì)菌的細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)。

當(dāng)碳源底物為葡萄糖時(shí)，葡萄芽孢乳桿菌會(huì)利用葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，且不會(huì)產(chǎn)H2，然而，丁酸梭菌與芽孢乳桿菌共培養(yǎng)傾向于消耗乳酸，并且能激活促進(jìn)與產(chǎn)丁酸途徑相關(guān)的丙酮酸激酶、L-乳酸脫氫酶、丙酮酸鐵氧還蛋白/黃酮毒素氧化還原酶的基因表達(dá)，從而提高丁酸的產(chǎn)率，同時(shí)，增強(qiáng)與產(chǎn)氫氣相關(guān)基因的表達(dá)，在培養(yǎng)條件適宜、共培養(yǎng)細(xì)菌的相對(duì)比例合適時(shí)，產(chǎn)氫具有最高峰值。

3 丁酸梭菌的生物學(xué)功能

3.1 丁酸梭菌改善腸道微生態(tài)平衡

腸道菌群就像一個(gè)器官，平衡穩(wěn)定機(jī)體的新陳代謝。細(xì)菌的共生關(guān)系是維持這種現(xiàn)象的主要原因。腸道菌群失衡已被證明與糖尿病、肥胖癥和癌癥等多種疾病有關(guān)。腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變可引起腸道環(huán)境的變化，這是由于SCFA 等各種細(xì)菌代謝產(chǎn)物的濃度和分布發(fā)生變化引起的。一個(gè)完善的腸道微生物平衡系統(tǒng)，有助于宿主對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收及生理功能的正常維持。

腸道優(yōu)勢(shì)菌群的定植及其生理活動(dòng)對(duì)宿主的健康起到至關(guān)重要的作用。丁酸梭菌可以使乳酸菌增加，因而腸道內(nèi)乳酸的含量增加，而產(chǎn)丁酸細(xì)菌能夠利用乳酸轉(zhuǎn)化為丁酸，能加速黏蛋白的產(chǎn)生，降低丙酸和乙酸水平，以防止上皮黏蛋白的破壞，從而使腸道保持健康狀態(tài)。與此類似的是，丁酸梭菌能夠減少斷奶仔豬腸道中毛螺菌的數(shù)量，促進(jìn)產(chǎn)丁酸的梭菌及產(chǎn)乙酸的巨型球菌增殖，有利于乙酸向丁酸的轉(zhuǎn)化，從而維持?jǐn)嗄套胸i的腸道微環(huán)境穩(wěn)定。燒傷會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)，同時(shí)會(huì)引起腸道屏障功能障礙和腸道總通透性增加。燒傷小鼠通過口服丁酸梭菌，能夠恢復(fù)丁酸在體內(nèi)的正常水平，并能降低腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）和白細(xì)胞介素-6（interlukin-6，IL-6）的水平，這有利于抑制腸道損傷引起的病理變化。給予潰瘍性結(jié)腸炎患者和患結(jié)腸炎的小鼠丁酸梭菌活菌制劑治療，均能提高擬桿菌的含量，并降低厚壁菌門的含量。

腸道菌群的總體變化和干預(yù)結(jié)果極其復(fù)雜，微生物之間的互作與微生物的自身代謝等都會(huì)影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)與組成。丁酸梭菌優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)的能力與丁酸密不可分，丁酸梭菌不僅能夠通過自身產(chǎn)生丁酸，還能夠利用其他微生物的代謝產(chǎn)物來產(chǎn)生丁酸，以上都表明丁酸梭菌對(duì)于維持平衡和安全的腸道生理環(huán)境具有重要意義。

3.2 丁酸梭菌能改善機(jī)體免疫功能

免疫系統(tǒng)被認(rèn)為是宿主塑造正常微生物群落的最重要力量之一。因此，免疫系統(tǒng)與微生物組之間的互作對(duì)于宿主免疫至關(guān)重要。微生物通過多種方式維持正常的免疫環(huán)境，這些機(jī)制包括通過微生物代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)Toll 樣受體（toll-like receptors，TLR）等信號(hào)傳導(dǎo)和促進(jìn)分泌性IgA的降解等。

Liang 等（2020）在斷奶仔豬日糧中添加丁酸梭菌，降低了血漿中TNF-α等炎性細(xì)胞因子的濃度，血漿中的黑色素水平與丙二醛（malondialdehyde，MDA）呈正相關(guān)，丁酸梭菌促使仔豬的黑色素分解代謝，降低MDA水平，促進(jìn)?；撬岬纳锖铣桑瑥亩蛊涿庖咚教幱诜€(wěn)態(tài)。飼料生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌在肉仔雞腸道的定植，可能抑制了腸道病原體引起的炎癥及其相關(guān)的氧化損傷，并且可提高肉仔雞血清中免疫球蛋白M（IgM）濃度，從而有利于建立有效的免疫系統(tǒng)。在卵清蛋白誘導(dǎo)的過敏性炎癥小鼠模型中，使用特異性免疫療法和丁酸梭菌聯(lián)合使用的方法可有效改善過敏性炎癥。由于丁酸的存在激活了B 細(xì)胞受體，促使了產(chǎn)白細(xì)胞介素-10（IL-10）的特異性B細(xì)胞的分化，促使IL-10 的分泌，進(jìn)一步增強(qiáng)了特異性免疫療法對(duì)腸道過敏性炎癥的抑制作用。與丁酸梭菌和一些治療方法聯(lián)合使用相比，與其他益生菌聯(lián)用的抗炎效果更加明顯。在體外試驗(yàn)中，丁酸梭菌與枯草芽孢桿菌共培養(yǎng)可促進(jìn)人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116細(xì)胞和SW1116 細(xì)胞凋亡并誘導(dǎo)其周期停滯，并且能降低SW1116 細(xì)胞中NF-κB 的表達(dá)水平。在體內(nèi)試驗(yàn)中，丁酸梭菌能促進(jìn)小鼠胃黏膜中MyD88 的上調(diào)，進(jìn)而激活多種轉(zhuǎn)錄因子，降低NF-κB 的含量，此外，還能抑制細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）的磷酸化，影響細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶-絲裂原活化蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase-mitogen activated protein kinase，ERKMAPK）途徑，從而降低炎癥反應(yīng)。Chen 等（2019）給小鼠灌注5.0×106CFU/mL 丁酸梭菌用于治療小鼠的實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎，發(fā)現(xiàn)小鼠胃腸道和胃腸外器官系統(tǒng)中Th17 反應(yīng)降低、調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞反應(yīng)增強(qiáng)，脾臟中Th1細(xì)胞的比例降低，且脊髓中p38 MAPK和c-Jun N 端激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)活性降低。綜上可知，丁酸梭菌通過調(diào)節(jié)體內(nèi)細(xì)胞因子、抗體的水平以及免疫細(xì)胞的比例，促使免疫水平處于穩(wěn)態(tài)。

3.3 丁酸梭菌的抗氧化能力

氧化應(yīng)激是由于體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生不平衡引起的，在分子層面上會(huì)導(dǎo)致DNA 羥基化、蛋白質(zhì)變性失活、脂質(zhì)過氧化，在系統(tǒng)層面上會(huì)致使細(xì)胞凋亡，甚至對(duì)器官也會(huì)造成損害，并與許多疾病有聯(lián)系，包括癌癥、缺血/再灌注損傷、神經(jīng)退行性疾病等。丁酸梭菌菌體及其代謝產(chǎn)物均具有一定的抗氧化性能，能有效緩解機(jī)體的氧化應(yīng)激水平。

丁酸應(yīng)用于多種試驗(yàn)?zāi)Ｐ停w內(nèi)外試驗(yàn)均體現(xiàn)了其潛在的抗氧化特性。作為丁酸梭菌的代謝產(chǎn)物之一，丁酸具有穿過血腦屏障并調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能，被認(rèn)為是一種抗氧化調(diào)節(jié)劑。在熱應(yīng)激誘導(dǎo)的肉仔雞氧化應(yīng)激模型中，添加丁酸鈉可增加肝臟和腿肌中SOD 及CAT 的活力，并且可減少血清及腿肌中的MDA 含量。此外，丁酸可以提升結(jié)腸腺癌細(xì)胞中SOD的表達(dá)和活性水平升高，并誘導(dǎo)正常結(jié)腸上皮細(xì)胞CAT 的mRNA 和蛋白質(zhì)的表達(dá)。丁酸梭菌的另一代謝產(chǎn)物H2，在預(yù)防和治療缺血/再灌注損傷、大腦缺血/再灌注損傷、神經(jīng)性退化等多種疾病已有大量報(bào)道，它能選擇性地降低誘導(dǎo)細(xì)胞毒性的羥基自由基，從而有效地保護(hù)細(xì)胞。作為產(chǎn)氫極強(qiáng)的細(xì)菌，理論上，丁酸梭菌的抗氧化能力與這種特性有一定關(guān)系，然而，目前鮮有研究報(bào)道直接表明兩者的關(guān)聯(lián)性。

食源性醛類物質(zhì)接觸腸道會(huì)引起腸道上皮細(xì)胞發(fā)生一系列異常反應(yīng)。Nod樣受體吡啶結(jié)構(gòu)域蛋白6（nod-like receptor pyrin domain-containing protein 6，NLRP6）與核因子紅血球2 相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）是機(jī)體應(yīng)對(duì)氧化還原反應(yīng)中的兩種重要調(diào)節(jié)劑。其中，NLRP6可通過抑制NF-κB 和ERK 通路的激活，提高IL-10 的表達(dá)，降低IL-6 的表達(dá)，Nrf2 是氧化傳導(dǎo)信號(hào)中的重要樞紐，有緩解炎癥的作用。丁酸梭菌可以通過維持這兩種細(xì)胞因子之間的平衡，緩解氧化應(yīng)激引起的炎癥反應(yīng)、細(xì)胞自噬水平及其活力。此外，丁酸梭菌能提高斷奶仔豬血漿中R-章魚胺、氨基萘甲酸的含量，減少過氧化物反應(yīng)，從而增強(qiáng)機(jī)體的抗氧化水平。腦損傷也被認(rèn)為與氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡有關(guān)，Sun等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌可通過降低腦損傷小鼠的大腦組織中MDA 含量和增加SOD 活性，降低半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3 基因和Bax 的表達(dá)，增加Bcl-2/Bax 比值及丁酸含量，改善小鼠的神經(jīng)功能缺損，緩解組織病理學(xué)變化。飼料生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室前期篩到一株具有抗氧化性能和產(chǎn)酸能力強(qiáng)的丁酸梭菌菌株（CGMCC No.8187），通過肉仔雞飼養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加劑量為2.5×108、5×108、1×109CFU/kg的丁酸梭菌均可促進(jìn)肉仔雞肝臟和血清的抗氧化狀態(tài)，其中，在血清中低劑量、中劑量組的效果更好，在肝臟中高劑量組能促進(jìn)肝臟中SOD的活性升高，MDA的含量降低，并且這種抗氧化防御能力增強(qiáng)使得肌肉中多不飽和脂肪酸濃度升高，改善了肉品質(zhì)。由此可知，丁酸梭菌可通過激活宿主體內(nèi)多種抗氧化酶的表達(dá)，調(diào)節(jié)抗氧化物質(zhì)的水平與細(xì)胞凋亡基因的表達(dá)，維持機(jī)體氧化還原的穩(wěn)態(tài)。

目前對(duì)丁酸梭菌的抗氧化性能的研究側(cè)重于機(jī)體表型上的改變，盡管其代謝產(chǎn)物也能發(fā)揮抗氧化的作用，但是仍然缺乏兩者起作用的具體機(jī)理探究及其相互之間的聯(lián)系等方面的研究。

3.4 丁酸梭菌在畜牧生產(chǎn)上的應(yīng)用

在飼料禁抗的條件下，用好各種抗生素替代產(chǎn)品養(yǎng)活并養(yǎng)好豬、肉雞是畜牧業(yè)需要解決的難題。在我國(guó)進(jìn)入中等收入國(guó)家后，國(guó)民對(duì)安全又好吃的畜禽肉的需求愈來愈高，進(jìn)行這方面的研究愈顯緊迫和重要。作為一種產(chǎn)芽孢菌，丁酸梭菌的抗逆性較強(qiáng)，足以耐受飼料制粒中的高溫以及宿主胃腸環(huán)境中的酸、膽鹽。目前丁酸梭菌已在畜禽養(yǎng)殖中被廣泛應(yīng)用。丁酸梭菌代謝能產(chǎn)生乙酸、丁酸和乳酸等，促進(jìn)有益菌的定植，抑制病原菌的增殖，從而維持動(dòng)物腸道內(nèi)的微環(huán)境處于健康水平；丁酸梭菌產(chǎn)生的多種消化酶還能促進(jìn)動(dòng)物對(duì)飼料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高飼料轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而提高動(dòng)物的生長(zhǎng)性能；此外，丁酸梭菌的抗氧化性能優(yōu)異，對(duì)改善肉品質(zhì)具有積極效應(yīng)。

在用沙門氏菌給肉仔雞攻毒之后，在基礎(chǔ)日糧中添加106CFU/mL 的丁酸梭菌能降低沙門氏菌攻毒后雞的肝臟、脾臟和盲腸內(nèi)容物中沙門氏菌的數(shù)量，降低其肝臟、脾臟和盲腸中干擾素-γ、IL-1β、IL-8 和TNF-α的產(chǎn)生，丁酸梭菌通過下調(diào)TLR4、髓樣分化因子（myeloiddifferentiationfactor88，MyD88）和NF-κB 依賴通路緩解了試驗(yàn)組雞的炎癥反應(yīng)。在肉雞的飼糧中添加丁酸梭菌，能夠減少大腸桿菌的數(shù)量，并且能提高雞盲腸中的丁酸含量，這有利于為腸細(xì)胞提供能量，從而提升雞的生長(zhǎng)性能和維持其腸道健康。Han等（2020）在斷奶仔豬日糧中添加2.5×108CFU/kg 丁酸梭菌，能增加其結(jié)腸中短鏈脂肪酸的含量和空腸絨毛高度，從而促進(jìn)斷奶仔豬對(duì)飼料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化，改善其腸道健康，進(jìn)而提高生長(zhǎng)性能；增加血清中免疫球蛋白IL-2的水平，降低IL-1β、IL-6的水平，從而改善機(jī)體免疫功能；提高血清中GSH-Px 的活性，因此，對(duì)緩解仔豬的斷奶應(yīng)激也具有一定作用。Xiang等（2019）給予蛋雞0.5 g/kg的丁酸梭菌，能降低蛋雞回腸和盲腸中ROS 的水平，降低血清中MDA 的水平，有利于降低蛋雞腸道內(nèi)的氧化應(yīng)激，從而提高其生產(chǎn)性能和蛋品質(zhì)。

綜上所述，盡管不同研究之間使用的丁酸梭菌菌株、添加劑量以及添加方式有一定差異，然而對(duì)于豬、雞等不同物種，均有一定的益生效果。

4 展望

丁酸梭菌是一種對(duì)氧氣極其敏感的厭氧菌，與需氧菌簡(jiǎn)單的培養(yǎng)條件相比，厭氧菌的嚴(yán)格培養(yǎng)始終是諸多研究者面對(duì)的一大難題，從而導(dǎo)致對(duì)丁酸梭菌生長(zhǎng)的全過程、各個(gè)階段的營(yíng)養(yǎng)需求以及完整的菌體新陳代謝途徑尚不明確。作為人或動(dòng)物腸道中生存的常駐菌，丁酸梭菌能給宿主帶來益處，是穩(wěn)定腸道菌群、塑造穩(wěn)定的腸道微生態(tài)環(huán)境的強(qiáng)大助手，同時(shí)，丁酸梭菌的抗氧化性能也進(jìn)一步凸顯了其在畜禽養(yǎng)殖、醫(yī)學(xué)及食品加工等領(lǐng)域的利用價(jià)值。由上述研究可知，丁酸梭菌的代謝產(chǎn)物可能是賦予其廣泛益生潛能的關(guān)鍵因素，因此，有必要通過代謝組學(xué)等手段進(jìn)一步挖掘其在宿主生理環(huán)境中發(fā)揮作用的機(jī)制。此外，針對(duì)畜禽養(yǎng)殖中存在的問題，丁酸梭菌的添加劑量和跨菌株效應(yīng)問題還有待完善，對(duì)菌株水平差異的更深入了解有助于“對(duì)癥下藥”，擴(kuò)大丁酸梭菌的實(shí)際使用益處?；蚪M學(xué)的應(yīng)用能加快菌株研究的步伐，盡管已經(jīng)有學(xué)者對(duì)部分丁酸梭菌菌株的全基因組進(jìn)行過分析，仍然存在廣闊的空間研究丁酸梭菌的特有基因，以揭示更多新的功能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。目前，涉及丁酸梭菌功能研究的試驗(yàn)對(duì)象主要集中于小鼠，尚且缺乏系統(tǒng)性的體外試驗(yàn)探究，體外試驗(yàn)對(duì)于功能機(jī)理的探究極為重要，因此，需加強(qiáng)體外模型的研究，同時(shí)，大部分研究未探究丁酸梭菌作用的深層機(jī)理。