随着现代畜牧业向着集约化和高效化发展，在实际反刍动物生产过程中，为了提高反刍动物的生长效率和实现经济利益最大化，往往给其饲喂大量以谷物淀粉为主的高精饲粮，在达到饲养目标的同时，也提高了代谢性疾病的发生率，其中瘤胃酸中毒尤为突出。牛的胃肠道是一个复杂的生态系统，关系着整个机体的身体健康[1]。瘤胃酸中毒的发生不仅会影响奶牛的采食量、产奶量、乳成分，还会导致瘤胃内微生物菌生态平衡被打破，使得瘤胃对饲料的消化率、代谢能力、免疫能力下降，出现腹泻、消化道上皮损伤、炎症、蹄病、肝脏脓肿等病症[2-7]，给养殖业带来经济损失，同时也是制约着我国反刍动物生产发展的重大因素。 在正常精粗搭配合理的情况下，反刍动物瘤胃内的pH处于一个动态平衡的状态，范围为6.5~7.5。一旦反刍动物短期或长期采食大量的高淀粉等易发酵的谷物饲料，就会出现瘤胃内有机酸含量急速上升，
pH下降，瘤胃内的微环境出现变化，可诱发瘤胃酸中毒。同时，也会打破瘤胃内的微生物之间的生态平衡，出现耐低酸的微生物继续生长繁殖，不耐低酸的微生物受到抑制，瘤胃代谢途径发生变化。瘤胃酸中毒导致动物出现并发症，甚至死亡。
益生菌对缓解反刍动物亚急性酸中毒的作用
■常晓峰1刘大森1，2*
（1.东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江哈尔滨150030；2.东北农业大学理学院，黑龙江哈尔滨150030）
摘要：反刍动物亚急性瘤胃酸中毒是生产中常见的一类营养代谢病，是困扰奶牛生产的一大难题。采食大量易发酵碳水化合物将导致瘤胃乳酸和挥发性脂肪酸浓度提高，瘤胃pH降低，进一步引起瘤胃微生物区系结构改变，由此造成瘤胃液中组胺及脂多糖浓度的提高，加重了亚急性瘤胃酸中毒程度。文章综述了亚急性瘤胃酸中毒的发生机理及调控措施，并提出了用乳酸菌调控瘤胃菌结构，预防亚急性瘤胃酸中毒的假想，以期为亚急性瘤胃酸中毒的预防和提供新思路。 关键词：亚急性瘤胃酸中毒；预防；乳酸菌；微生物菌结构；瘤胃
doi:10.13302/jki.fi.2021.09.011
中图分类号：S816.15文献标识码：A文章编号：1001-991X（2021）09-0058-07
Effects of Probiotics on Alleviating Subacute Acidosis in Ruminants
CHANG Xiaofeng1LIU Dasen1,2*
(1.College of Animal Science and Technology,Northeast Agricultural University,Heilongjiang Harbin
150030,China;2.College of Science,Northeast Agricultural University,Heilongjiang Harbin150030,
China)
Abstract：Ruminant subacute rumen acidosis is a common nutritional metabolic disease in ruminants, which is a major problem in dairy cow production.Intake of large amounts of readily fermentable carbo⁃hydrates results in increasing concentrations of rumen lactic acid and volatile fatty acid,decreased ru⁃men pH and further changes in rumen microflora structure,thus,increasing the concentrations of hista⁃mine and lipopolysaccharide in the rumen fluid and aggravating the degree of subacute rumen acidosis. In this paper,the mechanism and regulation measures of rumen subacute acidosis were reviewed,and the hypothesis that lactic acid bacteria could be used to regulate the structure of rumen microflora and prevent subacute rumen acidosis was put forward,so as to provide a new idea for prevention and treat⁃ment of rumen subacute acidosis in China.
探头板Key words：subacute rumen acidosis;prevention;lactic acid bacteriaum;microbial flora structure;rumen
作者简介：常晓峰，硕士，研究方向为反刍动物营养。
通讯作者：刘大森，教授，博士生导师。
收稿日期：2021-02-21
基金项目：国家奶牛体系[CARS-36]
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酸中毒可分为急性酸中毒和亚急性酸中毒（SARA ）。其中亚急性酸中毒因其发病症状的隐蔽性，已成为现代反刍动物生产中的突出问题，也是反刍动物疾病防控的重难点。SARA 作为一种常见、频繁发生的代谢性疾病，已经给奶牛行业带来了巨大的经济损失。即使是畜牧业比较发达的一些欧美国家，每年因SARA 直接或间接损失达5~10亿美元。我国因粗料质量较差，为了提高动物生产性能，大量使用富含淀粉的精料满足动物营养需要，使反刍动物酸中毒现象普遍存在，也有逐年上升的趋势。SARA 主要发生于高产奶牛和围产期奶牛。其中，围产期的奶牛在经历产犊之后，农场主为了迅速恢复母牛的机体，会饲喂大比例的精料。据公布的数据显示[8-9]，有计算机辅助工业设计
离子刻蚀
11%~19%的早期泌乳奶牛和18%~26%的中期泌乳奶牛患有SARA 。科研人员对奶牛SARA 进行了大量的研究，包括SARA 的发生机制及其调控措施等。1瘤胃酸中毒发生机理关于酸中毒发生的机制，国内外已经对其做了大量的研究，研究结果不尽相同，但基本上形成了关于酸中毒的三个假说，即有机酸假说、乳酸假说以及内毒素和组胺假说。1.1有机酸假说有机酸假说认为动物在采食大量的快速发酵可溶性碳水化合物后，在瘤胃内微生物的作用下，代谢产生挥发性脂肪酸，使得瘤胃液中的挥发性脂肪酸含量上升，超过瘤胃上皮细胞的吸收能力和唾液的缓冲能力，导致挥发性脂肪酸在瘤胃液中大量累积，降低了pH ，并长期处于较低水平，导致酸中毒。有研究报道，在发生SARA 的奶牛体内乳酸含量较低，挥发性脂肪酸含量较高，因此认为pH 的降低是挥发性脂肪酸导致的[10]。这一结果在其他反刍动物也得到验证[11]，如绵羊、奶山羊和阉牛等。普遍认为，瘤胃液pH 降到5.2~5.6，或者是5.8以下，且每天至少持续3h ，即发生SARA [12]。因此，pH 是直接诊断SARA 的方法[13-14]。但pH 受到较多因素的影响，所以并不是较为可靠的指标[15-16]。1.2乳酸假说反刍动物采食过量的易发酵碳水化合物在瘤胃微生物作用下产生大量的挥发性脂肪酸（VFA ）和ATP ，为瘤胃内大多数微生物提供了繁殖的能量和底物。由于瘤胃内的缓冲溶液和瘤胃上皮细胞对VFA 的吸收速率小于VFA 的生成速率，导致VFA 累积，pH 下降，影响瘤胃微生物，尤其是乳酸产生菌和乳酸利用菌之间的平衡。因此，有学者认为瘤胃内的乳酸产生菌和乳酸利用菌之间的菌失衡是导致瘤胃内乳酸积累及诱发瘤胃酸中毒的直接原因[17-18]。目前，认为主要产乳酸的菌是牛链球菌、乳酸杆菌和溶纤维丁酸弧菌[19-20]。当pH>6.0时，牛链球菌生长缓慢，代谢产物为VFA ，主要是甲酸、乙酸等；随着pH 持续下降，由于乳
酸产生菌比乳酸利用菌更能抵抗低酸环境，诱发乳酸产生菌和乳酸利用菌之间菌失衡，主要表现在乳酸利用菌（主要是反刍兽新月形单胞菌和埃氏巨型球菌）数量和活性减少或降低。有研究发现，反刍动物的瘤胃pH 下降通常与总挥发性脂肪酸（TVFA ）和乳酸的高浓度有关。而与VFA 相比，乳酸的电离常数（pKa ）为3.9，远低于VFA （pKa 为4.9），说明乳酸比
VFA 更能显著降低瘤胃pH 。可见，乳酸的含量决定了瘤胃内的pH 降幅大小及速率。1.3内毒素和组胺假说该假说认为，当反刍动物采食大量的可溶性碳水化合物在瘤胃内代谢，瘤胃内微环境发生变化，pH 下
降，瘤胃内纤维降解菌等革兰氏阴性菌微生物大量死亡，并裂解出内毒素和组胺，内毒素和组胺经过瘤胃上皮细胞吸收入血液，并随着血液的循环，进入肝脏及全身，导致肝脏和血液中的内毒素含量过高，形成
内毒素中毒[14，21-23]
。正常情况下，瘤胃内是含有一定
含量的内毒素，由于存在网状内皮作用，使其含量较低，一般约为0~0.3μg/mL [24]。一旦发生SARA ，瘤胃中
内毒素水平提高15~18倍[12，25]
，进入血液中的内毒素会使肝脏受损，导致网状内皮系统的解毒功能下降，引起炎性细胞因子和急性期蛋白水平的提高[26]；长期酸性环境，使胃壁黏膜损伤，组织上皮细胞屏障损害，内毒素等有害物质进入血液，引起炎症和微循环障碍，使糖代谢进入无氧酵解途径，产生大量乳酸，促进SARA 的发生及加重病情；同时，组胺的吸收不仅导致其全身含量提高，还会加重瘤胃上皮细胞因乳酸中毒的损伤程度，使酸中毒病情恶化[27]。因此，该学说认为SARA 与瘤胃液中的组胺和内毒素浓度升高有关[28]。根据以上三个假说，我们可推测出三者之间可能存在的联系，如图1所示。正常瘤胃内含有大量且均衡的微生物菌，然而，
有关SARA 发生的微生物学方面缺乏足够的论证。这可能是对SARA 发生机制了解程度不够深的原因。因此，进一步研究SARA 发生时的微生物学对深入理解SARA 、降低经济损失、提高动物福利具有重要意义。2预防SARA 的措施2.1调整饲粮结构众所周知，SARA 的发生源于反刍动物短时间内
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采食大量可快速发酵的碳水化合物致使瘤胃内的有机酸含量突增。因此，合理搭配饲粮对预防SARA
是行之有效的。饲料中碳水化合物的降解速率直接影响到瘤胃内微生物落结构。同时，饲料本身的结构和性质也在很大程度上影响到瘤胃的pH 。较长的饲草能够刺激咀嚼和反刍，增加唾液的分泌量，有助于瘤胃内环境的稳定和瘤胃内微生物的生长。Chibisa 等[29]报道在日粮中增加青贮料的百分比可在一定程度上降低瘤胃酸中毒。Nocek 等[30]提出泌乳奶牛饲粮中物理有效纤维含量应在15%以上，Plaizier 等[31]报道饲粮中物理有效纤维含量低于12.5%时就会发生SARA 。NRC （2001）又规定了饲粮中的非纤维性碳水化合物（NFC ）含量最高不得超过44%，保证物理有效纤维的含量。2.2添加无机盐
瘤胃酸中毒本质特征就是有机酸积累过多造成，给反刍动物饲喂一定量的无机盐可在一定程度上中和有机酸，提高pH ，降低SARA 程度。其中最常用于生产中的是碳酸氢钠和氧化镁。有研究发现，在奶牛发生酸中毒时，更喜欢采食含碳酸氢盐的饲料[32]。虽然缓冲剂能够在一定程度上缓解酸中毒，但也应对剂量和使用时间注意把控。长期使用将会影响到机体内酸碱和阴阳离子平衡。因此，推荐碳酸氢钠占日粮的干物质总量0.6%~1.0%或精料干物质总量的1.2%~2.0%，氧化镁占日粮干物质总量的0.3%，或精料干物质总量的0.6%。碳酸氢钠和氧化镁两者混合应以2 1~3 1比例，且添加量占日粮的干物质总量的0.6%~0.8%，或精料干物质总量的0.8%~1.2%。2.3添加有机酸
饲粮中添加有机酸可通过促进瘤胃微生物的生
图1
三种假说之间可能存在的联系
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长及代谢能力，减少瘤胃酸中毒的发生，还可作为中间代谢产物，被其他微生物或者生化反应作为底物所利用。苹果酸、延胡索酸和琥珀酸是瘤胃内重要的电子受体，是瘤胃内微生物生成丙酸的重要中间产物。丙酸生成途径主要是反刍兽新月形单胞菌参与的苹果酸-琥珀酸途径和埃氏巨型球菌参与的乳酸-丙烯酸途径。也有研究报道添加苹果酸也可提高反刍兽新月形单胞菌利用乳酸的能力。研究发现，添加苹果酸和延胡索酸能够促使反刍兽新月形单胞菌利用乳酸，转移细胞间的氢，降低乳酸和VFA [33]。可见，有机酸能够对瘤胃内反刍兽新月形单胞菌的降解乳酸能力起到促进作用。毛胜勇等[34]研究发现给山羊添加延胡索酸二钠能够显著升高瘤胃内的pH 、降低乳酸浓度。但也有研究报道，给肉牛补充苹果酸盐对瘤胃发酵和预防SARA 没有效果[35]。2.4添加抗生素和应用疫苗
饲粮中添加抗生素能够有效控制乳酸的产生，其中以莫能菌素为主。对莫能菌素的研究成果表明，添加莫能菌素能够降低乙酸/丙酸比，减少甲烷的排放[36]；同时还可影响乳酸和VFA 浓度、改变pH [37-38]，以及缩短瘤胃低于SARA 的pH 持续时间[38]。体外研究表明，莫能菌素可抑制大量乳酸产生菌，其中最主要是牛链球菌和乳酸杆菌。通过抑制产乳酸菌的生长，刺激耗乳酸菌的生长，致乳酸产生减少，增加乳酸代谢，提高pH ，防止酸中毒[39]。但是随着国际上对抗生素的抵制以及纷纷颁布禁令，人们对抗生素残留问题的持续关注，寻抗生素的代替品成为一个热点话题。
乳酸产生菌和乳酸利用菌菌不平衡是造成瘤胃酸中毒的根本原因。接种乳酸产生菌疫苗刺激机体产生相应的抗体，以降低酸中毒的发生。给牛接种牛链球菌和乳酸杆菌疫苗后，唾液中两种菌的免疫球蛋白水平显著增加，瘤胃液中乳酸含量、牛链球菌和乳酸杆菌均有所降低[40-41]。Gill 等[42]给羊注射牛链球菌疫苗，出现瘤胃pH 值显著提高，L-乳酸浓度显著降低，羊的唾液、瘤胃液和血浆样本中牛链球菌特异性抗体浓度显著增高。给反刍动物接种疫苗是预防瘤胃酸中毒的有效途径。2.5硫胺素及酶抑制剂
瘤胃酸中毒时低pH 扰乱微生物平衡关系，导致硫胺素产生菌和硫胺素的减少。硫胺素是机体内碳水化合物代谢过程必需的辅酶因子，可促进乳酸利用菌和硫胺素合成菌的生长，抑制乳酸合成菌和淀粉分解菌的生长，促使恢复瘤胃生态平衡，同时还可以降低瘤胃和血液中的内毒素水平。当机体内硫胺素缺
乏时，碳水化合物产生的丙酮酸无法进入三羧酸循环，只能通过乳酸脱氢酶产生乳酸，造成丙酮酸和乳酸的积累[43]。因此，在高精料饲粮条件下的动物体内合成的硫胺素量不足以满足实际需要量[44]，额外添加硫胺素能够预防瘤胃酸中毒。研究发现经高精料诱导SARA ，反刍动物血浆中与硫胺素相关代谢酶丙酮酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著降低，增加硫胺素后，活性有显著升高，降低了乳酸、乙酸和组胺浓度，提高了瘤胃液中硫胺素浓度[45]。潘晓花等[46]研究表明，添加硫胺素可通过调节瘤胃发酵、瘤胃内微生物菌结构和提高pH 来缓解亚急性瘤胃酸中毒。Wang 等[47]给人工诱导发生SARA 的奶牛饲喂硫胺素显著降低了牛链球菌和乳酸杆菌数目，显著增加了埃氏巨型球菌的数目。
饲粮中添加酶抑制剂，通过抑制竞争性抑制水解糖类有关的酶，延缓糖类的吸收。Mclaughlin 等[48]发现，在奶牛的急性酸中毒试验中，添加阿卡波糖与碳酸钠和莫能菌素相比，显著提高了瘤胃pH ，有效缓解了瘤胃乳酸的积累。Blanch 等[49]发现，在高产泌乳奶牛日粮中添加0.75g/d 的阿卡波糖能有效减少pH<5.6的持续时间，且能降低牛链球菌的数量，对瘤胃发酵和血液生化指标等没有产生负面影响。魏德泳[39]用体外法研究了阿克波糖对模拟瘤胃酸中毒的影响发现，阿卡波糖可显著提高24h 的pH 值、乙酸丙酸比值、异丁酸和戊酸的产量，降低乳酸、乙酸、丙酸、丁酸和总挥发性脂肪酸的产量，有预防瘤胃酸中毒的潜力。3益生菌对缓解瘤胃酸中毒的作用
3.1乳酸利用菌对缓解瘤胃酸中毒的作用
反刍动物瘤胃酸中毒是采食的碳水化合物发酵之后影响到了瘤胃内的乳酸产生菌和乳酸利用菌之间的动态平衡，使乳酸的产生和分解不平衡，造成乳酸堆积。埃氏巨型球菌作为主要的乳酸利用菌，在瘤胃中利用超过70%的乳酸，且可与牛链球菌竞争生长底物，竞争性抑制牛链球菌的生长，减缓SARA 。Arik 等[50]分别用小麦和玉米诱导牛发生SARA ，发现小麦诱导的酸中毒中埃氏巨型球菌的数量大于玉米基，埃氏巨型球菌在玉米基中提高了VFA ，而在小麦基中降低了VFA ，增加了原虫的数量而降低了牛链球菌的数量。Henning 等[51]在瘤胃中接种埃氏巨型球菌后，发现瘤胃内的乳酸含量下降，VFA 含量下降，随之pH 上升，SARA 减轻。Mazon 等[52]给酸中毒状态下的牛饲喂埃氏巨型球菌，发现可明显降低pH 小于5.6和5.8的时间，且能够改善因酸中毒引起的干物质采食量、乳
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产量、乳成分的变化；Kung等[53]也证明了使用高度可发酵的底物时，接种埃氏巨型球菌可阻止体外发酵时乳酸的积累。Goto等[54]也发现了相似的结果。有报道称埃氏巨型球菌改善瘤胃酸中毒的原因可能是由于添加埃氏巨型球菌可增加反刍时间，促进唾液的分泌，同时还可以改善吸收表面积以及较大的乳突表面积和吸收表面积之比，促进乳突的生长，导致挥发性脂肪酸吸收增强，延缓酸中毒[55]。
也有研究发现添加酵母菌或其发酵产物也可以对瘤胃内的pH起到降低的作用。Vyas等[56]发现添加酿酒酵母可提高瘤胃液中的最低pH值。Tun等[57]给泌乳奶牛饲喂酵母菌发酵产物发现，可增加黄瘤胃球菌、产琥珀酸丝状杆菌、普雷沃氏菌属和双歧杆菌属的丰度，可有效降低SARA带给动物机体的消极影响。Jiao等[38]给肉牛饲喂活性干燥酵母，结果表明活性干燥酵母可提高瘤胃内的最低pH，降低pH小于
730矿5.8的时间，增加黄瘤胃球菌的数量。Peng等[58]给肉牛饲喂酵母菌，发现瘤胃内的产琥珀酸丝状杆菌、黄瘤胃球菌和白瘤胃球菌的拷贝数量显著提升，而牛链球菌的拷贝数下降。Amanzougarene等[59]在给大麦基础添加酵母菌的体外试验中表明，活性酵母菌能够明显提高发酵液的pH，同时降低发酵液中的乳酸浓度，可以预防瘤胃酸中毒的发生。
3.2应用乳酸菌预防瘤胃酸中毒的前景
众所周知，乳酸菌是一类能够利用碳水化合物产生乳酸的益生菌的统称。且造成瘤胃酸中毒就是因为乳酸菌（主要是牛链球菌）相对增多导致的。对调控瘤胃酸中毒应用的也都是变相的相对增加乳酸利用菌的数目。到目前为止，对反刍动物应用乳酸菌及相关研究主要是处理青贮饲料，提高青贮料的营养价值；直接饲喂乳酸菌，对瘤胃饲料消化率、免疫方面，产奶量及乳成分的探究，未有关于应用乳酸菌进行预防瘤胃酸中毒的研究。Nocek等[30]曾报道，给奶牛饲喂益生菌105CFU/mL瘤胃液可提高
每日平均pH值、每日最低和最高pH值，减少每日pH<6.0和pH<5.5的时间，益生菌中含有酿酒酵母菌，酿酒酵母可以提高瘤胃内的pH值[60]；并且，饲喂的益生菌内各菌种的比例并不明晰，这也可能是造成pH升高的原因。郭春燕等[61]给瘤胃投喂外源乳酸菌后发现，添加植物乳杆菌和乳酸菌复合菌系菌能够降低瘤胃液中VFA的含量。Direkvandi等[62]给育肥羊饲喂乳酸菌发现能够提高瘤胃内的最低pH和平均pH。Leve等[63]用乳酸菌饲喂奶牛65d后发现，处理组瘤胃液的pH均大于对照组，L-乳酸含量均小于对照组。
因此，根据以上研究，提出一个设想，可以给奶牛饲喂一定量的乳酸菌，使其在瘤胃内生长繁殖。一方面，与牛链球菌形成对发酵底物的竞争，抑制牛链球菌的代谢；另一方面，形成一个pH值高于SARA的弱酸性环境，对乳酸利用菌种进行优胜劣汰式的筛选，使适应该弱酸性环境的乳酸利用菌种更能够抵抗饲喂高精料形成的酸性环境，避免造成乳酸利用菌在短时间内大量死亡，减少因瘤胃内细菌的死亡导致较高的组胺和脂多糖含量，延缓酸中毒，减轻酸中毒程度。且乳酸菌作为反刍动物瘤胃内的土著菌种，能够对饲料消化、免疫性能及生产性能做出积极影响。
4小结
迄今为止，关于SARA的有机酸假说、乳酸假说以及内毒素和组胺学说等虽然已得到国内外众多研究学者的肯定，并且提出了一些相应的预防措施，但是三种学说只是说明SARA的发生与有机酸、乳酸
以及组胺和内毒素有关，并没有对SARA发生的具体机制阐释清楚，以及三个假说与SARA的发生之间是否存在交叉影响也没有相关的报道。虽然尿液中酸碱净排泄值可以作为诊断酸中毒的一个参考，但目前多数养殖场依然缺乏对SARA的诊断方法，这势必增加了防控SARA的难度。所以，深层次研究SARA发生的机理，能够更好认识奶牛营养与健康的关系；确定SARA发生的临床表现以及探索可应用于大规模实际生产的诊断方法将为奶牛养殖解决一大难题。探索乳酸菌新的应用，将为乳酸菌研究增添新的研究思维，同时也是对养殖业提供一条绿、环保、无污染的疾病防控方式。帕斯卡尔
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