消化道是营养物质消化和吸收的器官，也是抵御外界不利因素的重要屏障。宿主消化道和消化道微生物构成了一个复杂的关联网，经多种途径相互依赖和影响，维持有机体正常生命活动。
1、消化道及微生物
1.1 消化道
单胃动物消化道包括口腔、食道、胃、小肠和大肠。反刍动物的胃发达，由四个部位组成，包括瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃，皱胃也叫真胃。
1.2 微生物
消化道定居着一个复杂而庞大的微生物群落，包括细菌、真菌、古细菌和病毒，其中主要是细菌。在生物进化过程中，通过适应与选择，宿主、微生物与环境之间建立起一个生态平衡的统一体，称之为消化道微生态平衡。因此，宿主与微生物共进化、共发育、共代谢、互调控，形成一种共生共赢的生态系统。
1.3 消化道菌群分类
消化道菌群分为厌氧菌（原籍菌）和次要菌（外籍菌），厌氧菌是优势菌，约占总菌数的99%以上。
按照微生物与宿主的相互关系分为三大类：
（1）正常菌群，也称为共生菌（Symbiotic bacteria）：一般为专性厌氧菌，是肠道优势群落，如双歧杆菌、拟杆菌、优杆菌和消化球菌等，具有营养和免疫诸多生理作用。
（2）条件致病菌（Opportunistic pathogen）：以兼性厌氧菌为主，是消化道非优势菌群，如肠球菌和肠杆菌等，在消化道微生态平衡时是无害的，但在某些特定条件下引发菌群失衡，具有致病的可能。
（3）病原菌（Pathogenic bacteria）：大多数为好氧菌，或叫过路菌，长期定居的机会少，数量亦少，很少致病。一旦环境条件逆转，病原菌数量超出正常水平，内环境失衡可引起动物发病，如变形杆菌、假单袍菌和韦氏梭菌等。
1.4 消化道菌群分布
胃脏属于酸性环境，微生物在此难以生存，因此认为胃部营养物质消化纯属生物化学范畴，与微生物发酵无关，而且得出胃脏疾病与病原菌没有关系的结论。后来发现胃分泌区定植着大量酵母菌等，乳杆菌和酵母菌很可能是胃脏内原籍菌。后来还发现幽门螺旋杆菌，证明其与溃疡和胃炎等密切相关。
小肠面积大，约为300 m2，含胆酸盐和潘氏细胞分泌的抗菌肽。十二指肠和空肠的基底部黏膜上定植着少量的微生物，包括耐酸性的链球菌和乳酸杆菌。回肠远端受大肠生物环境的影响，基底层栖居着链球菌、肠球菌和大肠杆菌。
2、单胃动物肠道解剖生理
肠道具有4个组织层（图1-a），从内（肠腔）到外分别是黏膜层、黏膜下层、肌肉层和浆膜层。
小肠黏膜层包括肠上皮细胞、固有层和黏膜肌层，黏膜层的上皮细胞（图1-b），结构简单而规整，紧密排列形成手指状的突起，称为小肠绒毛。单层细胞通过顶端连接的粘蛋白或叫紧密连接蛋白连接，形成天然物理屏障，选择性地允许小分子和非极性物质通过，阻止有害物质，如病菌、毒素和微生物副产物侵入。
小肠黏膜下凹陷部为隐窝，富含肠干细胞，肠干细胞经自我演变与更新，分化成不同类型的上皮细胞（图1-c），包括吸收细胞、消化酶分泌细胞、分泌黏液的杯状细胞和产生溶菌酶的潘氏细胞。
图1 小肠结构示意图（McCoy, R. et al. 2024）
与小肠比较，结肠是单胃动物细菌聚居的主要场所，盲肠和直肠次之。结肠上皮覆盖着粘膜，具有隐窝，含分泌型的上皮细胞，包括分泌黏液的杯状细胞和释放防御素的潘氏细胞。但是，结肠没有绒毛，也不分泌消化酶。
结肠内大部分菌群是共生菌，为专性厌氧菌，数量超过99%。这些专性厌氧菌一则限制内源性少数潜在致病菌的过度繁衍，维持肠道正常菌群的生态平衡；二则防御外源性少数致病菌的入侵和定植，发挥拮抗作用，保护宿主免于感染的生理功能。
微生物拮抗机制主要有以下几个层面：
- 空间占领：大量的专性厌氧菌在肠腔厌氧条件下，生长和繁衍速度远超兼性厌氧菌和好氧菌。专性厌氧菌与肠黏膜紧密结合，占领黏膜上皮细胞表面的空间，形成致密的微生物膜，构成防御屏障，形成与有害微生物之间时空竞争或部位竞争，限制有害微生物的定植和繁育，防止细菌易位。
- 抑菌：专性厌氧菌产生细菌素、防御素、过氧化氢、抗菌肽等多种抑菌物质，对肠道内致病菌有抑制和杀灭功效。
- 营养竞争：专性厌氧菌，如双歧杆菌、乳酸菌、拟杆菌和梭杆菌
发酵未被消化和吸收的淀粉以及非淀粉多糖化合物（低聚甘露糖、低聚半乳糖、阿拉伯木聚糖、纤维素和木质素等），产生乙酸、丙酸和乳酸等有机酸，抑制外籍菌的繁衍；同时还通过脱羧和还原脱氨，降解氨基酸，为宿主和专性菌本身提供能量物质的短链脂肪酸、合成蛋白质的有效氮源和维生素等营养物质。
3、矿物元素抑菌效果分析
杯状细胞分泌的黏膜是一个特定的细菌定植生态位，由90%-95%的水、1%-5%的粘蛋白、脂质、电解质等组成，分为疏松多孔的外层和致密内层，外层粘蛋白的O-聚糖结构是许多有益菌的特异结合位点，是少氧或无氧环境。专性厌氧菌，如双歧杆菌、普拉梭菌和拟杆菌属，与消化道黏膜紧密结合，形成一个致密的微生物膜。具有致病作用的兼性厌氧菌和好氧菌，如沙门氏菌、志贺氏菌和大肠杆菌在少氧或无氧的条件下居无定所，游动在肠腔，被称为流动菌。
矿物元素，如锌和铜具有抑制和杀灭流动性兼性厌氧菌和好氧菌的作用，但是受黏膜与微生物致密防护屏障的影响，对消化道有益厌氧菌影响小甚或没有影响。
3.1 铜元素
铜添加剂以离子态与病原菌胞壁功能团聚集的活性中心结合，引起病原菌变性、失活，达到杀灭病菌和防止发病，如防止仔猪下痢。与硫酸铜比较，在消化道酸性环境中，羟基氯化铜受外部酸性环境和内在化学结构，如离子势（电荷/离子半径）的影响，呈酸式水解，释放慢，可持续杀菌。硫酸铜以离子键结合，易解离，作用时间短，铜离子流失严重，杀灭、抑制病菌的效果略逊于羟基氯化铜一筹。
3.2 锌元素
锌元素抗下痢效果明显，但不同锌源作用机制不同，效果各异。羟基氯化锌缓释，呈酸式水解，释放氢离子，降低胃和十二指肠pH，耗酸少，有利于胃蛋白酶原活化，降低可引起营养性下痢的豆粕免疫球蛋白（丙种球蛋白、β-伴球蛋白和外源凝集素）。缓慢释放出的锌通过调节mRNA表达，维护肠上皮紧密连接蛋白分泌，避免肠道内容物外泄引发的物理性下痢。由于缓释，病原菌胞外功能团与带负电荷的羟基氯化锌结合，经内吞作用与病原菌胞内蛋白质巯基（-SH）结合，引起病菌蛋白质变性、凋亡。氧化锌耗酸，抗营养物质的免疫球蛋白得不到充分降解，营养性下痢在所难免。解离出的离子锌具有收敛、吸附作用，但不能进入病原菌体内，抗下痢效果不完善，这就是为什么硫酸锌无法抗下痢的缘由所在。
综上，专性有益厌氧菌与肠上皮黏膜紧密结合，形成致密微生物屏障，矿物元素不易伤及这些定居的优势菌。相反，矿物元素的铜、锌可有效地杀灭流动的有致病风险的兼性厌氧菌和好氧菌。羟基氯化铜和羟基氯化锌消化道酸式解离，有利于降低消化道pH和可持续有效地杀灭病原菌。