《Veterinary and Animal Science》：Impact of Lactic Acid Bacteria and
Bifidobacterium Intervention on Pathogenic Bacteria and Short-Chain Fatty Acid Production in Diarrheic Calves: An
In Vitro Fermentation Study
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為解決犢牛腹瀉高發和抗生素濫用帶來的抗性等問題，研究人員在體外YCFA模型中評估了LP45、L531、S131、L8四種益生菌株及其組合對犢牛腹瀉病原菌的抑制效果及對短鏈脂肪酸(SCFAs)產生的調控。結果表明，混合菌株干預展現出最廣譜、最強的抑菌效果，并顯著提升了乙酸、丙酸、丁酸等有益SCFAs水平，提示其抗菌活性與調節腸道代謝功能相關。該研究為開發無抗、基于益生菌的犢牛腹瀉防治策略提供了體外證據。
在畜牧業中，新生犢牛的健康是影響整個產業發展的關鍵一環。然而，犢牛的瘤胃和腸道尚未發育完全，消化功能弱，對病原體的抵抗力低，使其在生命早期極易受到腸道病原體的侵襲，導致腹瀉綜合征頻發。臨床上，患病犢牛表現為水樣糞便和精神萎靡。犢牛腹瀉不僅嚴重阻礙其生長發育、降低存活率，還給養牛業帶來巨大的經濟損失。據統計，犢牛在哺乳期腹瀉的發病率高達33.5%至37.5%，由此引發的死亡率在2.45%到15.20%之間，其中細菌性腹瀉占比高達60%至80%。
目前，抗生素療法是治療犢牛腹瀉最廣泛使用的手段。但抗生素的不當使用帶來了諸多隱憂：除了可能損害犢牛瘤腸和腸道發育、擾亂腸道菌群平衡外，更關鍵的是會篩選和助長耐藥細菌。抗菌素耐藥性(AMR)的出現和蔓延不僅降低了牛群內的治療成效，延長病程、增加死亡率，還可能通過直接接觸、食物鏈等途徑從牲畜傳播給人類，對公共衛生構成嚴重威脅。因此，尋找有效的抗生素替代方案變得日益迫切。
在此背景下，乳酸菌(LAB)和雙歧桿菌等益生菌因其安全性（通常被認為是安全的，GRAS）和多重有益機制（如產有機酸、競爭粘附位點、調節宿主免疫等），成為預防和治療犢牛腹瀉的優選候選。然而，雖然已有對L. plantarum、Bifidobacterium等單一菌株的研究，但系統比較它們單獨及聯合使用時對關鍵腹瀉病原菌的抑制效果，特別是對其調節腸道微生物代謝物（如短鏈脂肪酸，SCFAs）的影響，相關研究仍然有限。為此，河北科技大學食品科學與生物學院的研究團隊在《Veterinary and Animal Science》發表了一項體外發酵研究，旨在探究特定益生菌株在模擬腹瀉犢牛腸道環境中抑制病原菌和調節代謝的功能。
為了開展這項研究，研究人員采用了多項關鍵技術方法。首先，他們從符合嚴格入選標準的10頭腹瀉雌性荷斯坦犢牛中采集了糞便樣本，制備成細菌懸液，作為體外發酵的“底物”。其次，研究構建了一個體外YCFA培養基模型來模擬犢牛腸道厭氧環境。研究人員選用了植物乳桿菌LP45、動物雙歧桿菌動物亞種L531、嗜熱鏈球菌S131、德氏乳桿菌保加利亞亞種L8這四株益生菌，以及它們的混合菌劑(Mix)進行干預。核心的實驗技術包括：利用實時熒光定量PCR(qPCR)技術，在干預前后精準定量四種腹瀉相關病原菌（大腸桿菌E. coli、產氣莢膜梭菌C. perfringens、沙門氏菌Salmonella和彎曲桿菌Campylobacter）的相對豐度；采用氣相色譜(GC)技術，分析發酵液中包括乙酸、丙酸、丁酸在內的六種短鏈脂肪酸(SCFAs)的濃度。最后，通過復雜的統計分析方法（如重復測量方差分析、Spearman相關性分析等）對數據進行了處理和解讀。
3.1. 乳酸菌干預對病原菌相對豐度的影響
通過qPCR分析發現，與空白對照組相比，所有LAB和Bifidobacterium干預均在不同程度上降低了四種目標病原菌的相對豐度，但效果具有菌株特異性。LP45能顯著抑制Campylobacter和Salmonella；S131對Salmonella、E. coli和Campylobacter有強抑制作用；L8能有效對抗C. perfringens、E. coli和Campylobacter；L531則主要對E. coli有效。而混合菌劑(Mix)干預組對所有四種病原菌都表現出了顯著且最強的抑制效果，其降低病原菌豐度的倍數變化高于任何單一菌株組，提示混合菌株間可能存在功能協同作用。
3.2. 乳酸菌干預對pH值和短鏈脂肪酸的影響
所有益生菌干預均顯著降低了發酵體系的pH值，其中L8和LP45的產酸能力最強。在短鏈脂肪酸(SCFAs)方面，S131干預組和Mix干預組顯著提升了包括乙酸、丙酸、丁酸在內的主要有益SCFAs濃度，顯示出較強的代謝調節潛力。而LP45雖然提升了戊酸和異戊酸，但其對總SCFAs的貢獻相對有限。
3.3. 腸道病原菌與短鏈脂肪酸的相關性分析
Spearman相關性分析揭示，四種病原菌彼此間呈正相關，而六種SCFAs之間也呈正相關。更重要的是，SCFAs濃度與病原菌豐度之間普遍呈現負相關關系。具體而言，S131和Mix組的多種SCFAs與四種病原菌均存在顯著負相關，表明其抑菌效果可能與促進SCFAs產生密切相關。而L8的抑菌活性與其快速降低pH值（產乳酸）相關，與SCFAs水平無顯著關聯，提示其作用機制不同。
研究結論與討論
這項體外研究表明，所選用的乳酸菌和雙歧桿菌菌株（LP45, L531, S131, L8）及其組合，能夠在模擬腹瀉犢牛腸道環境中，有效降低Campylobacter、Salmonella、C. perfringens和E. coli等關鍵病原菌的相對豐度，其中混合菌劑展現出最廣譜和最強的抑制效果。同時，S131菌株和混合菌劑還能顯著提升乙酸、丙酸、丁酸等對健康有益的短鏈脂肪酸(SCFAs)水平。病原菌豐度與SCFAs濃度之間的負相關性提示，這些益生菌的抗菌活性可能與其增強SCFAs產生、從而調節腸道微環境的能力相關聯。
研究揭示了不同菌株的功能分化：LP45和L8是強效的“快速產酸者”，主要通過產生乳酸、降低環境pH來抑制酸敏感病原菌；而S131則是卓越的“代謝調節者”，擅長促進具有多重健康益處的SCFAs生成，其抑菌機制可能更多地通過免疫調節和增強腸道屏障等間接途徑實現。混合菌劑所表現出的卓越性能，很可能源于菌株間的功能協同，例如代謝交叉喂養、生態位互補以及環境協同調控等，從而實現對病原菌群落的多層次、整合性打擊。
這項研究的重要意義在于，它從機制層面為使用特定益生菌組合替代抗生素來防治犢牛腹瀉提供了有力的體外證據。它強調了在益生菌篩選中，不僅應關注其直接抑菌（產酸）能力，還應評估其調節腸道代謝（產SCFAs）的潛能，這為開發更具針對性、功能更全面的微生態制劑提供了新思路。當然，本研究采用的靜態體外模型存在局限，未能體現腸道蠕動、黏液層和宿主免疫等復雜生理因素。因此，這些充滿希望的體外發現為下一步關鍵的體內研究奠定了必要的基礎，未來需要在腹瀉犢牛中進行在體驗證，以評估其實際治療效果、對整體腸道菌群的影響以及對宿主生理的益處，從而推動該策略向實際應用轉化。
