反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

王胤晨袁 揚(yáng)張錦華韓 勇周文章

（1.貴州省畜牧獸醫(yī)研究所,貴州貴陽(yáng) 550000；2.西南大學(xué)榮昌校區(qū),重慶 402460）

反芻動(dòng)物瘤胃甲烷產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

王胤晨1，2袁 揚(yáng)2張錦華1*韓 勇1周文章2

（1.貴州省畜牧獸醫(yī)研究所,貴州貴陽(yáng) 550000；2.西南大學(xué)榮昌校區(qū),重慶 402460）

甲烷是僅次于CO2的全球第二大溫室氣體，其中，反芻動(dòng)物年產(chǎn)CH4約7.7×107噸，占大氣中的CH4總量的25%，而且每年還以1%的速度遞增。因此研究反芻動(dòng)物瘤胃甲烷的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控對(duì)甲烷的生成影響有重要意義。本文綜述了瘤胃甲烷的產(chǎn)生機(jī)制、瘤胃產(chǎn)甲烷菌與瘤胃微生物的關(guān)系和反芻動(dòng)物瘤胃甲烷的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施。

甲烷 反芻動(dòng)物 生成機(jī)制 營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

全球大氣中最主要的溫室氣體有CO2、CH4、N2O。近幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，溫室氣體濃度都顯著的提高。CH4是大氣中重要的微量有機(jī)溫室氣體。當(dāng)前CH4是人類生活中產(chǎn)生的僅次于CO2的第二大溫室氣體。CH4對(duì)氣候變暖的影響是所有影響全球氣候變暖因素的15%～20%，其增溫潛勢(shì)是CO2的62倍。2005年大氣中CH4的濃度為1774 ppb，比1998年增加11 ppb，每年大約有5～5.5億tCH4進(jìn)入大氣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大氣反應(yīng)和土壤微生物可以利用消耗的總和[1]。其中，反芻動(dòng)物年產(chǎn)CH4約7.7×107t，占大氣中的CH4總量的25%，而且每年還以1%的速度遞增[2]。反芻動(dòng)物CH4氣體的排放不僅造成環(huán)境污染，而且引起能量的損失。隨著各國(guó)對(duì)溫室氣體排放的重視，調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃功能減少CH4排放，使更多的能量和碳源轉(zhuǎn)化為可供動(dòng)物利用的揮發(fā)性脂肪酸，降低瘤胃發(fā)酵的能量損失，提高飼料利用率，這對(duì)緩解全球氣候變暖具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 瘤胃甲烷的形成

瘤胃微生物發(fā)酵中，產(chǎn)甲烷菌利用瘤胃細(xì)菌、真菌、原蟲降解底物所產(chǎn)生的物質(zhì)生成甲烷，其中瘤胃甲烷主要來(lái)自于瘤胃中的H2和CO2的反應(yīng)。Thauer等研究報(bào)道產(chǎn)甲烷菌是目前已 知的唯一一類以甲烷為代謝終產(chǎn)物的微生物，是產(chǎn)甲烷菌獲得能量的唯一途徑[3]。瘤胃內(nèi)H2分壓過(guò)高時(shí)，瘤胃有益菌的活性和生長(zhǎng)受到抑制，產(chǎn)甲烷菌的存在能消耗H2，保持瘤胃內(nèi)低水平的H2分壓，這對(duì)維持瘤胃微生態(tài)的平衡具有重要意義。

2 瘤胃內(nèi)微生物對(duì)甲烷的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

2.1 去原蟲

原蟲在瘤胃纖維發(fā)酵中發(fā)揮重要的作用，瘤胃中50%左右的纖維降解活性來(lái)自原蟲。大量研究表明有10%～20%的產(chǎn)甲烷菌寄生在原蟲表面，其CH4產(chǎn)量占到瘤胃液總CH4產(chǎn)量的9%～25%，甚至37%。因此去除原蟲可間接減少甲烷菌數(shù)量，進(jìn)而降低反芻動(dòng)物的CH4排放。添加含飽和脂肪酸的保護(hù)性脂肪可減少排放，亞麻油和椰子油是目前研究較多的去原蟲植物油。McGinn等研究表明，肉牛日糧中添加400g/d的葵花籽油可使排放減少22%，總能的損失減少了21%。Mao等試驗(yàn)表明，添加大豆油使湖羊CH4產(chǎn)量降低13.9%，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量顯著降低，原蟲數(shù)量略有下降。Hu等通過(guò)體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，茶皂素對(duì)原蟲具有抑制作用，其中添加0.4 mg/ml茶皂素處理組的原蟲數(shù)比對(duì)照組減少16.39%，CH4產(chǎn)量下降15.79%，微生物蛋白比對(duì)照組增加12.12%，改善瘤胃發(fā)酵的作用[4]。

2.2 增加乙酸生成菌

乙酸菌是存在于瘤胃內(nèi)的耗氫菌之一，可同產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2，改變H2和CO2的利用方式，生成乙酸。因此，提高乙酸菌對(duì)H2的利用是減少CH4生成的另一種方式。但是在瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌與乙酸菌共存時(shí)，產(chǎn)甲烷菌對(duì)H2的利用處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位，主要原因是只有較高的氫閾值才能滿足乙酸生成需要。體外培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瘤胃液中添加乙酸菌時(shí)，CH4產(chǎn)量降低。增加乙酸菌在瘤胃內(nèi)的數(shù)量是調(diào)控瘤胃發(fā)酵的可行途徑，但由于人類分離得到的乙酸菌數(shù)量有限，還需進(jìn)一步研究影響乙酸菌活性的因素和提高瘤胃內(nèi)乙酸產(chǎn)量的方法。目前有效的方法是研究出高H2親和性的特異乙酸菌，可在瘤胃內(nèi)與產(chǎn)甲烷菌有效競(jìng)爭(zhēng)，或在產(chǎn)甲烷菌受抑制的條件下添加乙酸生成菌，從而降低CH4產(chǎn)量。

2.3 甲烷氧化菌

甲烷氧化菌（Brevicillus parabrevis）以甲烷為唯一的碳源和能源，瘤胃內(nèi)積聚的CH4是由CH4生成和氧化之差形成的。學(xué)者們已從瘤胃中分離到甲烷氧化菌，但目前有關(guān)瘤胃甲烷氧化菌對(duì)CH4抑制效果的報(bào)道非常少。Nelson等試驗(yàn)表明甲烷氧化菌作為益生素應(yīng)用于體內(nèi)和體外試驗(yàn)中，分別使CH4產(chǎn)量減少5.9%和18.2%。Kajikawa等研究發(fā)現(xiàn)，氧氣、溴乙烷磺酸鹽和鉬酸鹽可以抑制CH4氧化，瘤胃內(nèi)的CH4氧化反應(yīng)嚴(yán)格厭氧，并且與硫酸鹽的還原反應(yīng)偶聯(lián)[5]。提高CH4在瘤胃內(nèi)的氧化，可能是降低CH4產(chǎn)量的另一種途徑，但其在瘤胃內(nèi)的重要性、體內(nèi)的應(yīng)用效果、日糧的影響及應(yīng)用的加量效應(yīng)還需進(jìn)一步研究。

3 飼料添加劑的調(diào)控

3.1 離子載體

離子載體是一類土壤微生物產(chǎn)生的聚醚類抗生素，離子載體降低CH4的產(chǎn)量機(jī)理可能是改變發(fā)酵類型，由乙酸型發(fā)酵轉(zhuǎn)變成丙酸型發(fā)酵，或通過(guò)抑制H2的產(chǎn)生而降低CH4的產(chǎn)量。莫能菌素是廣泛應(yīng)用于調(diào)節(jié)瘤胃發(fā)酵的離子載體。Van Nevel等研究表明，莫能菌素能降低動(dòng)物體內(nèi)25%的CH4產(chǎn)量。Gaun等研究發(fā)現(xiàn)莫能菌素應(yīng)用于肉牛時(shí)，飼喂低纖維飼料的牛CH4產(chǎn)量減少27%，而飼喂高纖維飼料的牛CH4產(chǎn)量減少30%。但是莫能菌素對(duì)CH4生成的抑制效果不持久，連續(xù)使用效果不佳。并且由于離子載體是一類抗生素，在畜產(chǎn)品中殘留對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅，越來(lái)越多的消費(fèi)者反對(duì)其在日糧中的使用。

3.2 電子受體

甲醇和其他醇類及乙酸，都能作為電子供體合成甲烷，減少產(chǎn)甲烷菌對(duì)H2的利用，轉(zhuǎn)移H2可減少CH4的產(chǎn)量。富馬酸、蘋果酸、延胡索酸等二羧酸作為丙酸合成的前體物，可充當(dāng)H2的受體與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H2，生成丙酸，從而減少生成CH4的H2。Li等通過(guò)體外培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在含有亞麻油的底物中添加蘋果酸和延胡索酸不但能降低CH4產(chǎn)量，而且cis9、trans11-共軛亞油酸的濃度明顯升高。雖然二羧酸能有效改變H2的利用途徑，同時(shí)生成丙酸而降低CH4產(chǎn)量，但反芻動(dòng)物二羧酸的添加會(huì)導(dǎo)致瘤胃pH降低，并且飼糧也影響動(dòng)物的適口性。為了防止瘤胃發(fā)酵受到影響可以添加這些酸的鈉鹽，或制備成膠囊。富馬酸二鈉鹽可以有效維持瘤胃pH值，同時(shí)促進(jìn)瘤胃體外發(fā)酵和山羊體內(nèi)發(fā)酵。Wallace等利用包被的富馬酸產(chǎn)品降低CH4產(chǎn)量而不影響瘤胃發(fā)酵，體外培養(yǎng)時(shí)，包被在氫化植物油中的富馬酸能抑制CH4的生成，同時(shí)不影響瘤胃pH值。體內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)包被的富馬酸能降低CH4產(chǎn)量，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能、增加活體增重及飼料轉(zhuǎn)化率[6]。

3.3 植物提取物

關(guān)于植物的提取物調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃發(fā)酵及降低CH4排放是目前廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。大量體內(nèi)試驗(yàn)和體外試驗(yàn)表明植物提取物會(huì)影響瘤胃CH4的生成。

反芻動(dòng)物日糧中添加未皂化的脂肪能間接或直接的抑制CH4生成，間接作用包括降低不飽和脂肪酸雙鍵、降低飼料攝入量、抑制原蟲及增加丙酸產(chǎn)量；直接作用及脂肪酸對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。Mcginn等研究發(fā)現(xiàn)牛日糧中添加向日葵油能降低乙酸濃度提高丙酸濃度，降低乙酸與丙酸的比例。并且油脂對(duì)瘤胃CH4生成的抑制作用與飼料組成有關(guān)，Machmueller 研究發(fā)現(xiàn)，與粗料相比，在精料中添加椰子油對(duì)CH4排放的抑制效果更好。植物提取物包括皂角苷、單寧、精油等對(duì)瘤胃CH4產(chǎn)生有顯著的抑制作用。皂苷主要通過(guò)對(duì)原蟲的抑制作用來(lái)調(diào)控反芻動(dòng)物CH4的產(chǎn)量。單寧對(duì)產(chǎn)甲烷菌具有抑制作用及對(duì)瘤胃纖維降解具有促進(jìn)作用，故富含縮合單寧的植物能降低綿羊和牛瘤胃CH4生成，日糧中添加縮合單寧能減少山羊CH4的排放。Hu等體外培養(yǎng)使用高劑量的茶皂苷使原蟲數(shù)量下降79%，CH4產(chǎn)量下降26%。

一直以來(lái)，科研工作者們一直在不斷地探索尋找能有效降低瘤胃CH4生成的方法。到目前為止，已有較大的研究進(jìn)展，根據(jù)CH4的合成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)通過(guò)很多途徑能抑制并降低CH4的排放，但同時(shí)很多研究結(jié)果也多少存在局限性，因而無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。如甲烷鹵化物可以直接抑制CH4生成，但是由于其生物安全性差或抑制時(shí)間較短，不適合在生產(chǎn)實(shí)際中使用；乙酸生成菌能與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)氫離子，使CH4產(chǎn)量降低，但是由于學(xué)者們分離得到的乙酸生成菌數(shù)量和對(duì)其認(rèn)識(shí)有限等原因，此方法也無(wú)法用于實(shí)際操作；去除原蟲可以降低CH4產(chǎn)量，通過(guò)減少與原蟲共生的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，但目前的去原蟲技術(shù)，常常存在對(duì)其他瘤胃微生物或動(dòng)物本身有害，至今還沒(méi)有一種能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的去原蟲技術(shù)；離子載體型抗生素也能降低CH4的合成，但因其在體內(nèi)殘留問(wèn)題，在生產(chǎn)當(dāng)中也遭到質(zhì)疑。因此，需要對(duì)產(chǎn)甲烷菌和其他微生物的關(guān)系以及CH4的合成機(jī)理更加深入的研究了解，利用瘤胃基因組技術(shù)和新的“組學(xué)”技術(shù)，不斷地開發(fā)研究降低瘤胃CH4排放的新方法。

[1] Wuebbles D J，Hayho E K. Atmospheric methane and global change[J].Earth Sci Rev，2002，（57）：177-210.

[2] Thauer R K.Biochemistry of methanogenesis：a tribute to Marjory Stephenson. 1998 Mariory Stephenson Prize Lecture[J].Microbiology，1998，（144）：2377-2406.

[3] Hu W L，Guo Y Q，Liu J X，et al. Tea saponins affect in vitro fermentation and methanogenesis in faunated and defaunated rumen fluid[J].J Zhejiang Univ Sci，2005，6（8）：787-792.

[4] Kajikawa H，Valdes C，Hillman K，et al. Methane oxidation and its coupled electron-sink reactions in ruminal fluid[J]. Letters in applied microbiology，2003，36（6）：354-357.

[5] Wallace R J，Wood T A，Rowe A，et al. Encapsulated fumaric acid as a means of decreasing ruminal methane emission[J].International Congress Series，2006，（1293）：148-151.

1.貴州家庭牧場(chǎng)高校生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，黔科合NY字〔2009〕3090；2.貴州省農(nóng)業(yè)科技園區(qū)項(xiàng)目.黔科合NZ字【2012】3027；3.巖溶草地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與集成，黔科合重大專項(xiàng)字〔2011〕6009。

王胤晨（1989-），男，四川閬中人，碩士，主要從事反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究。

張錦華（1973-），男，內(nèi)蒙古人，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事草業(yè)生態(tài)恢復(fù)研究。