《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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为解决犊牛腹泻高发和抗生素滥用带来的抗性等问题，研究人员在体外YCFA模型中评估了LP45、L531、S131、L8四种益生菌株及其组合对犊牛腹泻病原菌的抑制效果及对短链脂肪酸(SCFAs)产生的调控。结果表明，混合菌株干预展现出最广谱、最强的抑菌效果，并显著提升了乙酸、丙酸、丁酸等有益SCFAs水平，提示其抗菌活性与调节肠道代谢功能相关。该研究为开发无抗、基于益生菌的犊牛腹泻防治策略提供了体外证据。
在畜牧业中，新生犊牛的健康是影响整个产业发展的关键一环。然而，犊牛的瘤胃和肠道尚未发育完全，消化功能弱，对病原体的抵抗力低，使其在生命早期极易受到肠道病原体的侵袭，导致腹泻综合征频发。临床上，患病犊牛表现为水样粪便和精神萎靡。犊牛腹泻不仅严重阻碍其生长发育、降低存活率，还给养牛业带来巨大的经济损失。据统计，犊牛在哺乳期腹泻的发病率高达33.5%至37.5%，由此引发的死亡率在2.45%到15.20%之间，其中细菌性腹泻占比高达60%至80%。
目前，抗生素疗法是治疗犊牛腹泻最广泛使用的手段。但抗生素的不当使用带来了诸多隐忧：除了可能损害犊牛瘤肠和肠道发育、扰乱肠道菌群平衡外，更关键的是会筛选和助长耐药细菌。抗菌素耐药性(AMR)的出现和蔓延不仅降低了牛群内的治疗成效，延长病程、增加死亡率，还可能通过直接接触、食物链等途径从牲畜传播给人类，对公共卫生构成严重威胁。因此，寻找有效的抗生素替代方案变得日益迫切。
在此背景下，乳酸菌(LAB)和双歧杆菌等益生菌因其安全性（通常被认为是安全的，GRAS）和多重有益机制（如产有机酸、竞争粘附位点、调节宿主免疫等），成为预防和治疗犊牛腹泻的优选候选。然而，虽然已有对L. plantarum、Bifidobacterium等单一菌株的研究，但系统比较它们单独及联合使用时对关键腹泻病原菌的抑制效果，特别是对其调节肠道微生物代谢物（如短链脂肪酸，SCFAs）的影响，相关研究仍然有限。为此，河北科技大学食品科学与生物学院的研究团队在《Veterinary and Animal Science》发表了一项体外发酵研究，旨在探究特定益生菌株在模拟腹泻犊牛肠道环境中抑制病原菌和调节代谢的功能。
为了开展这项研究，研究人员采用了多项关键技术方法。首先，他们从符合严格入选标准的10头腹泻雌性荷斯坦犊牛中采集了粪便样本，制备成细菌悬液，作为体外发酵的“底物”。其次，研究构建了一个体外YCFA培养基模型来模拟犊牛肠道厌氧环境。研究人员选用了植物乳杆菌LP45、动物双歧杆菌动物亚种L531、嗜热链球菌S131、德氏乳杆菌保加利亚亚种L8这四株益生菌，以及它们的混合菌剂(Mix)进行干预。核心的实验技术包括：利用实时荧光定量PCR(qPCR)技术，在干预前后精准定量四种腹泻相关病原菌（大肠杆菌E. coli、产气荚膜梭菌C. perfringens、沙门氏菌Salmonella和弯曲杆菌Campylobacter）的相对丰度；采用气相色谱(GC)技术，分析发酵液中包括乙酸、丙酸、丁酸在内的六种短链脂肪酸(SCFAs)的浓度。最后，通过复杂的统计分析方法（如重复测量方差分析、Spearman相关性分析等）对数据进行了处理和解读。
3.1. 乳酸菌干预对病原菌相对丰度的影响
通过qPCR分析发现，与空白对照组相比，所有LAB和Bifidobacterium干预均在不同程度上降低了四种目标病原菌的相对丰度，但效果具有菌株特异性。LP45能显著抑制Campylobacter和Salmonella；S131对Salmonella、E. coli和Campylobacter有强抑制作用；L8能有效对抗C. perfringens、E. coli和Campylobacter；L531则主要对E. coli有效。而混合菌剂(Mix)干预组对所有四种病原菌都表现出了显著且最强的抑制效果，其降低病原菌丰度的倍数变化高于任何单一菌株组，提示混合菌株间可能存在功能协同作用。
3.2. 乳酸菌干预对pH值和短链脂肪酸的影响
所有益生菌干预均显著降低了发酵体系的pH值，其中L8和LP45的产酸能力最强。在短链脂肪酸(SCFAs)方面，S131干预组和Mix干预组显著提升了包括乙酸、丙酸、丁酸在内的主要有益SCFAs浓度，显示出较强的代谢调节潜力。而LP45虽然提升了戊酸和异戊酸，但其对总SCFAs的贡献相对有限。
3.3. 肠道病原菌与短链脂肪酸的相关性分析
Spearman相关性分析揭示，四种病原菌彼此间呈正相关，而六种SCFAs之间也呈正相关。更重要的是，SCFAs浓度与病原菌丰度之间普遍呈现负相关关系。具体而言，S131和Mix组的多种SCFAs与四种病原菌均存在显著负相关，表明其抑菌效果可能与促进SCFAs产生密切相关。而L8的抑菌活性与其快速降低pH值（产乳酸）相关，与SCFAs水平无显著关联，提示其作用机制不同。
研究结论与讨论
这项体外研究表明，所选用的乳酸菌和双歧杆菌菌株（LP45, L531, S131, L8）及其组合，能够在模拟腹泻犊牛肠道环境中，有效降低Campylobacter、Salmonella、C. perfringens和E. coli等关键病原菌的相对丰度，其中混合菌剂展现出最广谱和最强的抑制效果。同时，S131菌株和混合菌剂还能显著提升乙酸、丙酸、丁酸等对健康有益的短链脂肪酸(SCFAs)水平。病原菌丰度与SCFAs浓度之间的负相关性提示，这些益生菌的抗菌活性可能与其增强SCFAs产生、从而调节肠道微环境的能力相关联。
研究揭示了不同菌株的功能分化：LP45和L8是强效的“快速产酸者”，主要通过产生乳酸、降低环境pH来抑制酸敏感病原菌；而S131则是卓越的“代谢调节者”，擅长促进具有多重健康益处的SCFAs生成，其抑菌机制可能更多地通过免疫调节和增强肠道屏障等间接途径实现。混合菌剂所表现出的卓越性能，很可能源于菌株间的功能协同，例如代谢交叉喂养、生态位互补以及环境协同调控等，从而实现对病原菌群落的多层次、整合性打击。
这项研究的重要意义在于，它从机制层面为使用特定益生菌组合替代抗生素来防治犊牛腹泻提供了有力的体外证据。它强调了在益生菌筛选中，不仅应关注其直接抑菌（产酸）能力，还应评估其调节肠道代谢（产SCFAs）的潜能，这为开发更具针对性、功能更全面的微生态制剂提供了新思路。当然，本研究采用的静态体外模型存在局限，未能体现肠道蠕动、黏液层和宿主免疫等复杂生理因素。因此，这些充满希望的体外发现为下一步关键的体内研究奠定了必要的基础，未来需要在腹泻犊牛中进行在体验证，以评估其实际治疗效果、对整体肠道菌群的影响以及对宿主生理的益处，从而推动该策略向实际应用转化。
