纤维素分解菌在反刍动物营养代谢中的研究进展

纤维素分解菌在反刍动物营养代谢中的研究进展

目前，我国北方地区仍以玉米秸秆等劣质粗饲料作为反刍动物的部分能量来源。但由于这类饲料质地粗硬、适口性差，导致反刍动物采食量降低，从而影响营养物质的吸收，造成生产效率低下，因此很多研究人员对如何提高劣质粗饲料的消化率进行了大量的研究。研究反刍动物对粗饲料的利用，实际上就是研究瘤胃内微生物如何利用粗纤维的过程。本文主要从瘤胃内纤维素分解菌的特性，影响其降解能力的因素及国内外研究进展几个方面进行阐述。

1 瘤胃内存在的几种主要纤维素分解菌及生物学特性

瘤胃内主要的纤维分解菌包括白色瘤胃球菌、黄化瘤胃球菌及产琥珀酸丝状杆菌（司振书等，2003），另外还有一部分次级纤维分解菌，它对纤维降解也起到一定的作用。

1.1 瘤胃球菌

瘤胃内起降解作用的主要是白色瘤胃球菌和黄化瘤胃球菌。现已证明，这两种瘤胃球菌是反刍动物瘤胃中降解植物细胞壁活性最高的严格厌氧不运动的革

兰氏阴性菌。白色瘤胃球菌可发酵纤维素和纤维二糖，黄化瘤胃球菌可利用的碳源为纤维素和纤维二醇。Leatherwood（1965）研究表明，白色瘤胃球菌可产生一种纤维素酶类并释放于培养基中，最适pH值为6.0～6.8，最适温度为45℃。Wood等（1982，1984）从白色瘤胃球菌分离得到单一的低分子量细胞外内切纤

维素酶和与细胞壁结合的高分子量聚合体（1.5×106）。酶分子量大小依赖于细胞培养状态，当培养基中无瘤胃液时，或当生长达到饱和阶段时主要产生低分子量酶，而在瘤胃液或纤维二糖培养基上，主要产生高分子量聚合体，此2种酶均无明显水解晶体纤维素的能力。Pettipher等（1979）研究了黄化瘤胃球菌纤维素酶的特征，酶的最适pH为6.4～6.6，最适温度为39～45℃。在细菌快速生长阶段，纤维素酶呈细胞结合状态，但在饱和生长阶段则成游离状态，在限制氨和纤维二糖的连续培养基中均能产生内切纤维素酶。

1.2 产琥珀酸丝状杆菌

产琥珀酸丝状杆菌为革兰氏阴性菌，不运动，纤维分解活性很高，只能以葡萄糖、纤维二糖、纤维素和果胶作为碳源。同两种瘤胃球菌相比，产琥珀酸丝状杆菌对抗生素有较强的耐受能力，当动物饲喂抗生素时，该菌成为瘤胃中占主导地位的纤维降解菌。产琥珀酸丝状杆菌能产生高水平的内切纤维素酶和β-葡糖苷酶，是降解重钙化纤维素如棉花粗纤维素酶活性最强的细菌之一。内切纤维素酶分子量为64 400，最适pH值为7.0，最适温度39℃，该酶可水解酸膨胀纤维素，主要水解产物为纤维二糖和纤维三糖。

2 纤维素分解菌的降解机制

瘤胃微生物消化纤维是一个连续的有机过程，通过微生物与粗纤维的附着、黏连、穿透等一系列作用，然后通过分泌各种酶类将纤维的各组分进行分解。瘤胃微生物在反刍动物进食后不久就很快地和饲料颗粒连接并黏附。最近研究证实，

细菌和原虫通常在反刍动物采食后5min即与植物组织相黏附，这种黏附主要靠物理、化学作用力如范德华作用力来完成。瘤胃微生物可分泌一系列的纤维素降解酶，在这些酶的共同作用下，纤维素被逐步降解为能被宿主动物所利用的单糖，为宿主动物提供能量和VFA等物质。

瘤胃分解菌之间的相互关系一直是研究者研究的热点。Agnes等（1994）采用16SrDNA寡核苷酸探针技术，通过测定相应的16SrDNA含量，研究了白色瘤胃球菌、黄化瘤胃球菌和产琥珀酸丝状杆菌之间的相互作用。证明白色瘤胃球菌与产琥珀酸丝状杆菌共培养时，不存在竞争作用。而两种瘤胃球菌共培养时，白色瘤胃球菌可产生多种细菌素，从而抑制黄化瘤胃球菌的生长。

3 反刍动物对粗纤维利用的调控

3.1 微生物品种的遗传操纵

应用重组DNA技术可建立新的细菌菌株以改善纤维消化率。关于纤维降解酶基因译码克隆的报道有很多，相关方法主要有：（1）使纤维分解微生物具备利用木糖和果胶的能力而增加其竞争力，以便更早地聚居于特定物质；（2）将纤维素酶基因插入优势菌种；（3）使瘤胃中少数纤维分解菌菌种具备黏附饲料颗粒的能力而增加其竞争力；（4）将耐酸纤维素酶基因插入耐酸细菌中，使纤维在瘤胃pH值低于6时仍能发酵；（5）使优势菌种具备角质酶活性；（6）使优势菌株能降解阿拉伯糖侧链，消除木质素速度限制效应。另外，黄庆生（2003）利用探针定量杂交法对瘤胃细菌进行了分析，结果发现瘤胃主要纤维分解菌数量约占总细菌数的3.8%±0.2%，与其他方法分析所得结果相符，证明了此方法的可行性。随着生物界16SrDNA序列数据库的完善和全新菌株特异性探针序列的发现，探针定量杂交分析法可以作为监测瘤胃细菌微生态系统的有力手段，在瘤胃发酵调控技术的效果验证、瘤胃细菌多样性分析、目标菌株克隆的筛选和鉴定等方面可以进行广泛应用。

3.2 缓冲剂

反刍动物对瘤胃pH非常敏感，瘤胃pH小于6时，纤维素分解菌的活力会大大降低。动物生产实践中人们常采用供给大量精料的方法来提高生产性能，往往会带来很多负面的影响，导致瘤胃pH下降，从而危害动物的健康。但是饲喂过多的粗料又会导致反刍动物瘤胃pH升高。日粮中加入缓冲剂可以稳定瘤胃pH，常用的缓冲剂有碳酸氢钠、氧化镁等，可以提高纤维的消化率。

3.3 饲粮类型和饲粮的精粗比

饲粮类型会影响反刍动物对纤维素的利用。金龙（2008）饲喂油菜籽研究绵羊瘤胃内纤维降解酶的影响，结果发现油菜籽对纤维素降解酶有抑制作用，可能是由于植物脂肪对纤维素的物理包被作用限制纤维素的消化，油菜籽含有的不饱和脂肪酸对纤维素分解菌的毒性作用，以及植物脂肪对瘤胃原虫的抑制作用降低了纤维素酶的释放。另外，饲粮之间存在正组合效应。当绵羊喂给低品质秸秆，如大麦草、玉米秸等的同时补饲苜蓿草粉可增进纤维性物质的消化率，改善瘤胃环境的生理参数（如支链脂肪酸、瘤胃氨态氮等）。某些纤维分解菌的生长需要异丁酸、戊酸及小肽和氨基酸，而苜蓿在瘤胃中降解恰能产生这些物质，另外，苜蓿易发酵的细胞壁成分可能促进纤维分解菌在低品质秸秆上的集群。补饲苜蓿可改善秸秆利用效果，也可能是因为增加了瘤胃可发酵氮的原因。苜蓿和麦草之间也存在这种正组合效应。日粮中添加苜蓿和红豆草时瘤胃真菌的游动孢子数目增加。豆科牧草对秸秆利用的这种正组合效应是由多种因素综合而形成的，合理利用这种正组合效应将会使秸秆的利用效率得到进一步提高。

合理的饲粮精粗比可为反刍动物发酵提供稳定的瘤胃内环境。有人对牛日粮中精粗比为23∶77和68∶32时碳水化合物的利用效率进行研究，发现精粗比为68∶32时效率较高。研究表明，日粮中精料比例以不高于60%为佳，70%可能是极限。瘤胃的初始发酵程度取决于快速水解的碳水化合物的量，而可利用能量主要受坚硬的细胞壁数量和结构的影响。

3.4 饲喂方法

已有研究表明，纤维的消化率与进食量有关，进食量大幅度增加时，纤维的消化率会下降。Robinson认为纤维消化受养分进入瘤胃的次序和频率的影响。全混合日粮为微生物提供了最佳养分平衡，可稳定发酵。每日两次、精粗料分开的饲喂方法调整瘤胃环境的潜力较大。对于易发酵饲粮，日喂两次以上可稳定瘤胃环境，减小每日发酵终产物的差异，改善瘤胃能氮释放的匹配关系，从而提高了纤维消化速度。

3.5 添加酵母培养物

在饲喂高精料日粮的集约化肉牛和奶牛生产中使用酵母培养物添加剂，可显著提高动物的生产性能，具体表现为瘤胃总菌数和纤维分解菌数量增加，利用乳酸和氨的细菌代谢活性有所增强，进而提高了纤维在瘤胃内的利用效率，减少乳酸的积累，提高微生物蛋白合成效率。黄庆生（2003）饲喂肉牛3种不同的酵母培养物（YC）后发现，YC显著增加了瘤胃总细菌数，并显著提高了瘤胃纤维分解菌的总数和羧甲基纤维素酶、水扬苷酶和木聚糖酶这3种酶的活性。

另外，过瘤胃蛋白也可以提高纤维分解菌的降解能力，可能是由于提供了纤维素分解菌生长所需蛋白质。矿物元素可作为纤维素分解酶的辅酶，从而促进纤维类物质的消化。

粗饲料是反刍动物最主要的饲料来源，利用的关键在于瘤胃微生物对粗饲料的摄取、消化和降解能力。因此，研究瘤胃微生物是关键。随着分子生物学、瘤胃微生态学、生理学等多种学科的发展以及在瘤胃微生物方面的应用，更深入透彻地研究瘤胃微生物代谢规律，从而用于指导反刍动物生产实践，对有效利用廉价粗饲料为人类生产更多的健康的动物产品具有重要的意义。