嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）在全球畜牧业中的多方位应用：作用机制、物种特异性效应与可持续生产

《Fermentation》：Multifaceted Applications of Lactobacillus acidophilus in the Global Livestock Industry: Mechanisms, Species-Specific Effects, and Sustainable Production

　　

全球范围内对抗生素生长促进剂（antibiotic growth promoters，AGPs）的限制或禁用，促使畜牧业寻求有效且可持续的替代方案。在诸多策略中，益生菌补充因其在减少抗生素依赖的同时增强动物健康和生产力的潜力而受到越来越多的关注。嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus，L. acidophilus）是一种在动物胃肠道中常见的、特征明确的乳酸菌，作为牲畜系统中的益生菌候选菌已被广泛研究。本综述总结了关于L. acidophilus生物学特征和作用机制的现有知识，包括病原体抑制、肠道屏障功能调节和宿主免疫应答调控。实际考虑因素，包括饲料加工对细菌活力的影响、菌株稳定化技术和剂量–反应关系，亦在讨论之列。文献报道的牲畜试验补充剂量通常为每公斤饲料或每头动物每天10⁶至10⁹菌落形成单位（CFU），尽管剂量–反应关系仍不明确。此外，本文还批判性评估了L. acidophilus在主要牲畜物种——包括猪、禽和反刍动物——中应用的最新进展，重点强调生长性能、肠道微生物群调节和抗病性。还讨论了诸如后生元利用和基于益生菌的疫苗佐剂等新兴方法。此外，还考察了L. acidophilus对牲畜系统中环境可持续性和抗菌素耐药性传播减缓的潜在贡献。总体而言，L. acidophilus是旨在改善动物健康和促进可持续畜牧生产的综合策略中的一个有前景的组成部分，尽管需要进一步研究以阐明菌株特异性效应并优化实际应用。

1. 引言

全球动物源蛋白需求持续上升，而对抗菌素耐药性（antimicrobial resistance，AMR）的担忧促使多地区严格限制抗生素生长促进剂（AGPs）的使用，这推动了对替代策略的研究。益生菌因能调节胃肠道微生物群并改善宿主生理功能而备受关注。嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）是一种革兰氏阳性、兼性厌氧乳酸菌，天然定殖于动物胃肠道，具有长期安全使用历史和良好的免疫调节特性。与其他乳酸菌相比，L. acidophilus的独特之处在于其由表面层蛋白介导的黏附机制和充分记载的免疫调节谱，但其对热和氧应激的耐受性较低。当前益生菌研究正从识别有益菌转向开发针对不同宿主和生产系统的精准益生菌。本综述专门聚焦L. acidophilus，总结其生物学特性和机制，并评估其在猪、禽和反刍动物中的物种特异性应用，同时讨论后生元开发、环境可持续性和耐药性缓解等新兴主题。

2. 文献检索策略

本叙述性综述遵循结构化检索策略，在PubMed和Web of Science核心合集数据库检索2000年1月至2026年4月发表的相关文献。检索词包括“Lactobacillus acidophilus”“livestock”“pig”“poultry”“ruminant”“probiotic”“gut microbiota”“immune”“intestinal barrier”“antibiotic alternative”“postbiotic”和“sustainable livestock”。纳入标准为：在牲畜物种中研究L. acidophilus、报告实验或现场数据、同行评议的研究文章或综述、以英文撰写。会议摘要和缺乏充分实验信息的研究被排除。提取的信息包括动物物种、品种、生理阶段、生产状态、日粮、菌株、剂量、补充途径和持续时间、攻毒条件及主要结局。为客观评价证据，采用预定义的半定量标准，综合五个领域：证据数量、结果一致性、实验设计与方法学质量、偏倚风险、效应大小及机制验证，并据此将每项应用分级为强、中等或不充分。这些标准改编自GRADE框架原则。

3. 生物学特征与作用机制

L. acidophilus是革兰氏阳性、非产孢、兼性厌氧乳酸菌，属于厚壁菌门。其通过发酵碳水化合物产生乳酸，促进肠道环境酸化，抑制多种病原菌增殖。该菌具有耐受酸性胃环境和胆盐的能力，从而能在胃肠道转运中存活。多数菌株携带黏附蛋白和表面层蛋白，有助于附着于肠道黏液和上皮表面。其产生的抗菌代谢物包括有机酸、过氧化氢和细菌素。然而，益生特性高度依赖于菌株，不同菌株的黏附能力、代谢活性、抗菌潜力和免疫调节功能存在差异。

3.1. 抗菌活性与竞争排斥

L. acidophilus通过发酵产生乳酸和乙酸，降低肠道pH，从而抑制大肠杆菌、沙门氏菌和产气荚膜梭菌等肠道病原菌。某些菌株可合成细菌素，如KS400菌株产生的细菌素对临床分离菌株具有抑制活性。竞争排斥方面，益生菌黏附于上皮表面可物理阻断病原菌附着。此外，其代谢产物可能干扰细菌群体感应系统，例如抑制肠出血性大肠杆菌O157:H7的AI-2信号，从而降低毒力相关行为。

3.2. 肠道屏障功能增强

肠道上皮屏障是管腔微生物与体循环之间的关键界面。L. acidophilus通过调节紧密连接蛋白（包括zonula occludens-1、occludin和claudins）增强屏障完整性。机制上，其激活Toll样受体2（TLR2）信号，促进紧密连接组装和上皮修复，降低旁细胞通透性，改善营养吸收效率。这种屏障保护在仔猪断奶和肉鸡集约化生产等应激期尤为重要。

3.3. 免疫调节作用

L. acidophilus与宿主免疫细胞的相互作用主要通过模式识别受体（PRRs）介导，包括上皮细胞、树突状细胞和巨噬细胞上的Toll样受体。该菌调节NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等炎症信号通路。例如，在产肠毒素大肠杆菌（ETEC）攻毒的仔猪中，L. acidophilus可显著降低NF-κB p65和p38 MAPK的磷酸化，抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）、IL-6和IL-8等促炎细胞因子，同时增强IL-10等抗炎介质，从而维持免疫稳态，而非普遍性免疫抑制。

3.4. 微生物群调节

L. acidophilus可调节肠道微生物群组成，促进有益微生物（尤其是乳杆菌和产丁酸菌等短链脂肪酸（SCFA）产生菌）的增殖，同时减少大肠杆菌和产气荚膜梭菌等潜在病原菌的丰度。其与常驻肠道微生物的代谢互作可通过交叉互养增强SCFA产生，而丁酸和丙酸作为肠道上皮细胞的重要能量来源，有助于改善肠道屏障功能和抗炎调节。

4. 猪生产中的应用

4.1. 生长性能与养分利用

多项研究表明，断奶仔猪日粮补充L. acidophilus可显著提高平均日增重（ADG），并改善采食量和饲料效率。其促生长作用部分与提高养分消化率相关：补充L. acidophilus可提高干物质、氮和总能表观消化率，同时增加粪便乳杆菌数量并减少大肠杆菌数量。此外，补充还可增强肠道屏障功能，上调紧密连接蛋白occludin表达，并抑制NOD1/NLRP3通路相关炎症信号。一项荟萃分析显示，基于乳杆菌的益生菌可改善仔猪ADG、采食量和饲料效率，并改善肠道形态（绒毛高度和绒毛/隐窝比）。但效果因菌株、剂量、补充时长和日粮条件而异，且现有研究几乎均采用单一剂量，缺乏规范的剂量–反应比较。

4.2. 免疫应答调节

L. acidophilus可减轻ETEC或脂多糖（LPS）攻毒仔猪的炎症反应。其抗炎活性主要与调节Toll样受体介导的信号通路及抑制NF-κB和MAPK下游炎症级联有关。例如，补充L. acidophilus可抑制ETEC攻毒仔猪中NF-κB p65和p38 MAPK磷酸化，并下调TLR2和TLR4表达。LPS攻毒后，L. acidophilus可降低外周血单个核细胞中TLR4和NF-κB表达，减少炎症介质产生。结果表现为促炎细胞因子（IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-8）减少，而IL-10可能增加。但需注意，部分研究使用L. acidophilus发酵产物而非活菌，其活性成分可能为细菌代谢产物，无法确定活菌的独立贡献。

4.3. 病原控制与新兴策略

L. acidophilus的特征性抗菌代谢物包括细菌素（乳杆菌素B、乳杆菌素F、acidocin J1132）、过氧化氢和有机酸，它们协同抑制肠道病原菌。某些益生菌代谢产物可干扰细菌群体感应系统，如抑制肠出血性大肠杆菌O157:H7的AI-2信号通路。发酵过程中产生的生物活性化合物（常称为proteobiotics）可减少病原菌定殖，例如膳食补充L. acidophilus来源的proteobiotics可降低仔猪肠产毒性大肠杆菌病发病率并限制ETEC K88定殖。此外，L. acidophilus发酵产物可降低肠道中产超广谱头孢菌素（ESC）耐药大肠杆菌的携带量。但这些策略在商业生产条件下的实际效果仍需进一步验证。

4.4. 猪中的无效、不一致和阴性结果及差异原因

在低挑战、高卫生条件下，含L. acidophilus的产品可能未显示出生长促进作用，表明其促生长效应在生理应激期（如断奶或肠道攻毒）最明显，而在临床健康、管理良好的动物中可能很小或不存在。乳杆菌类益生菌试验的荟萃分析显示出显著的异质性，效应大小取决于菌株身份、剂量、补充时长和基础日粮。攻毒试验中抗炎和屏障保护效应的幅度差异也较大，一些免疫学终点与攻毒未补充对照组无显著差异。

5. 禽生产中的应用

5.1. 肠道微生物群调节

经饮水补充L. acidophilus可影响家禽肠道微生物群组成和功能。研究显示，L. acidophilus主要作用于嗉囊，促进盲肠中有益微生物（如产丁酸菌Clostridium簇）的增殖，并增强与细胞分裂相关的微生物功能基因。在受大肠杆菌O157攻毒的肉鸡中，补充L. acidophilus可减轻平均日增重下降、降低死亡率、下调促炎标志物并增强肠道紧密连接。蛋鸡补充含L. acidophilus的益生菌也观察到类似的屏障保护效应。

5.2. 免疫应答增强

L. acidophilus可影响家禽全身免疫应答。含L. acidophilus的益生菌制剂可显著增加樱桃谷鸭血清IgA、IgG和IgM水平，并升高抗炎细胞因子IL-4。此外，活L. acidophilus可作为免疫佐剂，在新城疫病毒（NDV）疫苗接种后显著提高抗体滴度。最近研究还开发了源自L. acidophilus的纳米级颗粒细胞壁材料，其诱导的抗体应答与常规水包油疫苗佐剂相当。这些发现提示L. acidophilus及其衍生物可作为家禽生产中新型疫苗佐剂。

5.3. 脂质代谢与肉品质

部分研究表明L. acidophilus可能影响家禽脂质代谢。肉鸡补充L. acidophilus与甘露寡糖联合使用可下调肝脏生脂基因表达，并上调硬脂酰辅酶A去饱和酶-1（SCD-1），导致肉中单不饱和脂肪酸（MUFA）含量增加。这些代谢变化可能有助于降低胆固醇水平并改善禽肉的心血管保护营养指数。然而，该效应来自单一研究，且L. acidophilus与甘露寡糖共同补充，其独立贡献尚不确定。

5.4. 禽中的无效、不一致和阴性结果及差异原因

欧洲食品安全局（EFSA）在评估L. acidophilus CECT 4529（D2/CSL）作为家禽饲料添加剂时认为，现有数据不足以确定其在实际条件下对生产性能的一致益处。未攻毒健康肉鸡群中的生长性能响应通常小于攻毒试验，表明其益处最可能在肠道或环境应激下显现。脂质代谢效应因共补充甘露寡糖而被评为证据不充分。禽类试验结果异质性可归因于菌株身份和活力、剂量与给药途径（饲料或饮水）、鸡龄与遗传品系、基础日粮、饲养密度、卫生状况和环境温度等因素。

6. 反刍动物生产中的应用

6.1. 早期肠道发育

在犊牛等幼年反刍动物中，早期建立有益的胃肠道菌群对肠道发育至关重要。直接针对活L. acidophilus的证据仍然稀缺。一项研究评估了灭活（非活）L. acidophilus制剂对新生荷斯坦犊牛的影响，发现其可降低粪便评分和腹泻发生率，并改善免疫（IgA、IgG和IgM升高）和代谢（总蛋白、葡萄糖和超氧化物歧化酶）指标。由于灭活菌主要通过病原相关分子模式（PAMP）受体起作用，而非肠道定殖，其作用机制与活益生菌不同，故证据被单独分类。

6.2. 瘤胃发酵调节

瘤胃微生物生态系统在反刍动物的营养消化和能量产生中起核心作用。乳酸菌可能在高精料日粮过渡期帮助稳定瘤胃pH，从而降低亚急性瘤胃酸中毒（SARA）风险。益生菌补充还可能通过促进更平衡的瘤胃微生物群落来改善养分消化和饲料利用。然而，直接评估L. acidophilus的证据有限，许多研究使用多菌株制剂而非单菌株补充，故其对瘤胃发酵的独立贡献尚需明确。

6.3. 对生产性能与健康的影响

现有证据显示L. acidophilus可能对早期生长和健康有益。灭活L. acidophilus补充可降低新生犊牛粪便评分和腹泻发生率，并改善免疫和代谢指标。改善胃肠道发育和稳定瘤胃微生物生态系统可能增强养分利用并减少消化紊乱。未来需要针对单菌株补充、瘤胃微生物动态、发酵特性、甲烷排放和生产性能的大型现场试验。

6.4. 反刍动物证据的批判性评价

总体而言，L. acidophilus在反刍动物中的应用证据应视为初步。许多瘤胃研究使用多菌株联合制剂或其他乳杆菌物种，而犊牛研究使用灭活制剂，其作用机制不同于活益生菌。因此，大多数反刍动物应用被分级为证据不充分。需要开展控制良好的单菌株、剂量–反应试验，在商业条件下监测瘤胃微生物动态、发酵特征、甲烷排放和生产性能，才能确认其效果。

7. 环境可持续性与抗菌素耐药性

7.1. 集约化畜牧生产的环境影响

现代畜牧生产系统显著加剧了全球环境挑战，包括温室气体（GHG）排放、营养污染、过量氮排放以及抗菌素残留和抗生素抗性基因（ARGs）的环境传播。大量粪便含有未消化养分、病原微生物、抗生素残留和耐药菌，影响周围生态系统。因此，开发能提高生产效率并同时减少环境负担的可持续饲料添加剂成为重要研究重点。某些L. acidophilus菌株可能通过提高养分消化率和调节肠道微生物代谢间接减少畜牧生产的生态足迹，但相关证据仍有限。

7.2. 养分利用改善与污染物减排

益生菌补充的可能环境效益之一是提高饲料利用效率。 inefficient养分消化导致氮、磷和有机物排泄增加，加剧氨挥发和水体富营养化。研究显示，补充L. acidophilus可显著提高断奶仔猪干物质、氮和总能表观消化率，同时降低粪便有害菌浓度和有害气体排放。改善氮利用可减少粪便中未消化蛋白质，从而降低分解过程中氨（NH3）的产生。氨排放参与大气颗粒物形成、土壤酸化和水污染，因此减少氮排泄具有环境效益。此外，改善饲料转化效率可降低单位动物产品所需饲料量，间接降低碳足迹，但L. acidophilus直接减缓甲烷排放的证据仍然稀缺。

7.3. 残留抗生素降解与耐药性传播减缓

L. acidophilus可能通过生物转化降解动物废弃物中高达85.1%的残留抗生素，包括羟基化、脱氨和S–N键断裂等途径。益生菌介导的发酵还可显著降低粪便处理过程中sul1、sul2和intI1等关键ARGs的丰度，机制可能包括降解残留抗生素以消除选择压力、抑制耐药菌群以及改变发酵期间微生物群落组成。此外，通过改善肠道屏障、增强免疫能力和竞争排斥病原菌，L. acidophilus可降低疾病发生率和治疗性抗生素使用频率，从而减少耐药微生物出现和持续存在所面临的选择压力。

7.4. 可持续废弃物管理的新兴应用

L. acidophilus产生的后生元和代谢产物对粪便储存环境中常见的耐药菌和生物膜形成病原菌具有抗菌活性。益生菌辅助堆肥和厌氧消化系统可能改善微生物稳定性、加速有机废弃物降解并提高粪便生物转化效率。将益生菌整合到畜禽废弃物处理系统中可能促进循环农业和减少环境污染，但这些技术仍处于早期开发阶段，需要进一步研究微生物互作、代谢途径和长期生态影响。

7.5. 当前局限与未来展望

大多数现有研究在受控实验室条件下进行，而非商业规模生产。温度波动、粪便成分差异、微生物竞争和农场管理措施等环境因素可能显著影响益生菌实际效果。长期大规模引入益生菌的生态后果尚不清楚。此外，L. acidophilus的环境应用效果是菌株特异性的，最佳发酵条件、剂量和递送系统尚未确立。未来应整合多组学、微生物生态学和系统生物学方法，并开展大规模田间试验和生命周期评估。

7.6. 安全评估与监管考虑

饲料用益生菌菌株应无可转移抗生素抗性基因、毒力因子和不良代谢活性，全基因组测序是确认菌株身份和评估基因组安全性的重要工具。商业益生菌产品在获准用于动物饲料前，通常需要经过安全性、有效性、生产质量和产品一致性评估。标准化质量控制程序和菌株鉴定至关重要。工业化生产和储存期间的稳定性是主要问题，冻干、微囊化和保护性载体技术可改善细菌在加工和胃肠道转运中的存活率。

7.7. 菌株稳定性、保护技术与剂量优化

L. acidophilus在饲料制造中的活力是实际效果的决定因素。蒸汽调质和制粒过程通常暴露于60–90°C和高湿度，非产孢乳酸菌快速失活；挤压过程温度更高、剪切力更大，损害更严重。因此菌株筛选需考虑工艺耐受性，不同来源菌株在热处理和冻干中的存活差异显著。实际规避策略包括饮水给药、制粒后喷涂液体或冻干培养物，以及筛选或工程化耐热菌株。稳定化技术如冻干、流化床包衣和微囊化可显著提高干燥、储存和胃转运过程中的存活率。尽管研究通常以10⁶–10⁹ CFU/kg饲料或每头动物每天的剂量补充L. acidophilus，但几乎未包含多剂量水平，其剂量–反应关系尚不明确。需要在每个靶物种和生理阶段开展有足够效力的剂量–反应试验，并在饲喂时验证产品活力。

8. 结论与未来展望

抗生素生长促进剂的逐步限制和全球削减加速了对可持续替代品的需求。L. acidophilus因其多种生物学功能和跨牲畜物种的广泛适用性而备受关注。现有证据表明，L. acidophilus通过抑制病原微生物、增强肠道上皮屏障完整性、调节宿主免疫应答和调控肠道微生物组成与代谢等多种相互关联的机制发挥有益作用。猪、禽和反刍动物研究显示，在特定条件下补充选定的L. acidophilus菌株可改善生长性能、营养消化率、肠道形态、免疫能力和抗病性。然而，其生物学效应高度菌株特异性，并受宿主物种、年龄、日粮、环境和管理系统影响。结果不一致提示益生菌功效不能一概而论。许多研究在受控条件下进行，商业规模证据有限。未来研究应关注后生元和益生菌来源代谢产物、疫苗佐剂、精准畜牧业整合，并利用多组学技术深入理解宿主–微生物互作。总体而言，L. acidophilus相关肠道健康和免疫调节效益有较多动物研究支持，而环境可持续性和耐药性缓解方面的效应证据相对有限，需要进一步跨学科研究以最大化其应用价值并促进更可持续的畜牧生产系统。