黃江麗,何 力,計(jì)少石,張志紅,彭 建,丁建南,張華琦,圣 平*
(1.江西省科學(xué)院生物資源研究所,330096,南昌;2.樂平市三王牧業(yè)有限公司,333300,江西,景德鎮(zhèn))
我國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目已發(fā)現(xiàn)我國局部地區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重。江西有色金屬礦產(chǎn)豐富,重金屬污染的背景值本來就高,是我國重金屬污染最為集中的地方之一。為遏制新的污染,并對歷史上累積在土壤中的重金屬進(jìn)行有效治理,科學(xué)家努力尋找各種緩解或修復(fù)重金屬污染的技術(shù),目前利用超高富集重金屬植物緩解和修復(fù)重金屬污染土地成為研究熱點(diǎn)。據(jù)湖南省蠶??茖W(xué)研究所的研究,桑樹是鎘等重金屬高吸附植物,可作為重金屬污染農(nóng)田耕作改制的重要選擇品種:鎘等重金屬主要沉積在桑樹的根和莖干,而枝葉的沉積量很低,其含量符合國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB13078-2017)。該分布特點(diǎn)表明,根莖中的重金屬可通過工業(yè)回收利用,不會形成二次污染,對于修復(fù)重金屬污染土地將發(fā)揮重要作用;而桑葉作為畜禽飼料也是安全的。因此,種桑治污、種桑喂畜,可謂一舉兩得,可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。
我國科研人員通過人工選擇與雜交育種,培育出的抗逆性品系——飼用桑目前已被廣泛用于豬、牛、羊、雞等動物的飼養(yǎng)。飼料桑是一種產(chǎn)量高,營養(yǎng)豐富,飼用價(jià)值大,極具開發(fā)潛力的功能性飼料資源。有研究表明,鮮桑葉干物質(zhì)含量約25%,其干物質(zhì)中的粗蛋白含量可達(dá)16%~30%,與大多數(shù)豆類牧草的蛋白質(zhì)含量相近,且其氨基酸含量較高,種類豐富,可作為一種良好的蛋白質(zhì)飼料。經(jīng)引種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),飼料桑在湖南紅黃壤地區(qū)長勢良好,具有很好的推廣價(jià)值[1]。但利用在污染區(qū)種植飼料桑飼喂牛的報(bào)道較少,亦未見其對肉牛瘤胃的發(fā)酵特性的報(bào)道。李文娟[2]等采用體外產(chǎn)氣法評定了桑葉的飼用價(jià)值,為其作為反芻動物粗糧提供了依據(jù),本研究采用體外瘤胃發(fā)酵法研究飼料桑粉與牛用全價(jià)精料的瘤胃發(fā)酵特性,為飼料桑粉代替牛用全價(jià)精料的研究開發(fā)提供理論依據(jù),同時(shí)為緩解重金屬污染的同時(shí),開發(fā)一種蛋白質(zhì)飼料資源,為其在養(yǎng)牛生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù),可為我國反芻動物的飼養(yǎng)節(jié)約成本,對解決“人畜爭糧”矛盾具有重要意義。
飼料桑粉的制備:于種植豐產(chǎn)期采集距離地面1 cm的桑葉(三倍體飼料桑),將葉片于65℃烘干24 h,在室內(nèi)空氣中回潮24 h,稱重粉碎,過40目篩,置于陰涼處儲存待分析。
干物質(zhì)、粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、重金屬含量等常規(guī)樣品成分分析在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測定,測定方法參照《飼料分析及飼料質(zhì)量檢測》第3版的方法[3]。
選取3頭健康,裝有永久性瘤胃瘺管的成年廣豐黃牛為試驗(yàn)動物,體重350±20 kg,驅(qū)蟲,預(yù)飼期2周,試驗(yàn)日糧精粗比6:4,試驗(yàn)牛的日糧組成(見表1),每天喂料2次(07:30和16:30),自由飲水,單槽飼養(yǎng)。試驗(yàn)期于晨飼前采集瘤胃液。
表1 試驗(yàn)動物日糧組成
注:每千克預(yù)混料含維生素 A50 萬、維生素 D38萬和維生素E2000 IU、煙酸 80、Cu2、Fe10、Mn8、Zn6、Se0.02、I0.1和Co0.02 g。
體外法測定飼料桑粉與牛用全價(jià)精料的瘤胃液發(fā)酵特性。試驗(yàn)設(shè)1個(gè)空白組(編號為CK)和2個(gè)試驗(yàn)組,每組12個(gè)重復(fù)。對照組不添加底物,試驗(yàn)1組以2 g飼料桑粉為底物,編號為ST;試驗(yàn)2組以2 g牛用全價(jià)精料為底物,編號為JT。
表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案
本試驗(yàn)方法采用Mauricio[4]等的壓力讀取式體外產(chǎn)氣系統(tǒng)進(jìn)行體外瘤胃發(fā)酵培養(yǎng)。厭氧人工瘤胃緩沖液的配制按Menke[5]等的方法配制。
在試驗(yàn)當(dāng)天晨飼前抽取3頭瘺管牛的瘤胃液放入保溫瓶內(nèi)并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室,以防止微生物區(qū)系發(fā)生改變。正式試驗(yàn)前將瘤胃液混合均勻后經(jīng)4層紗布過濾,量取所需體積(瘤胃液與人工瘤胃營養(yǎng)液的體積比為1:2)的瘤胃液迅速加入到準(zhǔn)備好的人工瘤胃液營養(yǎng)液中,制成混合人工瘤胃培養(yǎng)液。混合人工瘤胃培養(yǎng)液通入無氧CO2,同時(shí)邊加熱邊用磁力攪拌器攪拌,調(diào)節(jié)pH至6.9~7.0后,39℃水浴30 min。水浴完成后,用手動分液器向每個(gè)已準(zhǔn)備好底物的培養(yǎng)瓶中分別加入50 mL上述培養(yǎng)液,通無氧CO2排盡培養(yǎng)瓶內(nèi)氧氣后迅速蓋好蓋子并密封?;靹蚺囵B(yǎng)瓶中底物,置于39℃恒溫培養(yǎng)箱中開始培養(yǎng),記錄起始時(shí)間。整個(gè)操作過程應(yīng)保證在厭氧條件下進(jìn)行。當(dāng)培養(yǎng)至0 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h各時(shí)間點(diǎn)時(shí),取出培養(yǎng)瓶,用壓力讀取器快速讀取瓶內(nèi)壓力并記錄。讀數(shù)后及時(shí)排氣至培養(yǎng)瓶壓力為0。
在體外培養(yǎng)條件下培養(yǎng)12 h和24 h時(shí),在這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)每個(gè)處理包括空白組各拿出6個(gè)培養(yǎng)瓶快速放入冰水浴中停止發(fā)酵。中止發(fā)酵后將培養(yǎng)瓶拿出恢復(fù)到室溫后用pH計(jì)測定發(fā)酵液pH值。每個(gè)點(diǎn)取3瓶用來測干物質(zhì)消失率,另3瓶取發(fā)酵液經(jīng)低溫離心(4℃、8 000 g、15 min),取上清液冷凍保存以備測其它發(fā)酵參數(shù)(BCP、VFA、NH3-N)的測定。
體外發(fā)酵產(chǎn)氣量測定參照Mauricio[4]等方法。當(dāng)培養(yǎng)至0 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h各時(shí)間點(diǎn)時(shí),取出培養(yǎng)瓶,用壓力讀取器快速讀取瓶內(nèi)壓力并記錄。讀數(shù)后及時(shí)排氣至培養(yǎng)瓶壓力為0。
產(chǎn)氣量計(jì)算公式:
式中:GPt為樣品在t時(shí)間段的產(chǎn)氣量(mL);Pt為t時(shí)間段讀取的壓力(kPa);V0為瓶子體積;101.3為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa);W為樣品干物質(zhì)重。產(chǎn)氣過程的總積累產(chǎn)氣量為各時(shí)間段產(chǎn)氣量之和。
發(fā)酵液的pH值直接由pH計(jì)測定。
培養(yǎng)液用紗布過濾,濾渣無損失地轉(zhuǎn)移入100 mL大坩堝中,65℃烘干,測定干物質(zhì)降解率。干物質(zhì)消化率(DM,%)=(樣本DM重-殘?jiān)麯M重+空白管DM重)/樣本DM重×100。
菌體粗蛋白(BCP)含量測定參照Zinn[6]等分步離心法進(jìn)行樣品的預(yù)處理,取經(jīng)預(yù)處理去除原蟲和飼料大顆粒的上清液10 mL,以16 000 r/min離心20 min,棄去上清液,沉淀的細(xì)菌部分加以9 mL、10%三氯乙酸溶液,混勻,再以4 000 r/min離心10 min,取沉淀物加少量5%氫氧化鈉溶解后稀釋至25 mL。此稀釋液又經(jīng)4 000 r/min離心10 min,取上清液在紫外分光光度計(jì)上用280 nm和260 nm波長進(jìn)行比色。細(xì)菌蛋白含量計(jì)算公式如下:
細(xì)菌蛋白質(zhì)含量(mg/mL)=(1.45×D280-0.74×D260)×稀釋倍數(shù)。
氨態(tài)氮(NH3-N)測定參照馮宗慈等的比色法進(jìn)行測定[7]。
揮發(fā)性脂肪酸(VFA)測定參照秦為琳的方法[8]。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL2003整理,運(yùn)用SPSS18統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著則用DUNCAN法進(jìn)行多重比較。當(dāng)P<0.05時(shí)為差異顯著。
由表3可看出,飼料桑粉的干物質(zhì)為91.38%、粗蛋白質(zhì)18.29%、粗脂肪1.32%、粗纖維21.4%、鈣2.33%、總磷0.16%、粗灰分13.84%和總能為15.85 MJ/kg。其中干物質(zhì)含量、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、鈣均比相同質(zhì)量的牛用全價(jià)精料中含量高,二者的總能則基本無差異。由此可知,飼料桑綜合營養(yǎng)比牛用全價(jià)精料要高。
表3 飼料桑營養(yǎng)成分(風(fēng)干基礎(chǔ))
從表4可以看出,飼料桑粉中鉻含量為4.32 mg/kg,鎘含量為0.40 mg/kg,均在國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB13078-2017規(guī)定范圍內(nèi),說明供試飼料桑粉作為飼料是安全的。
表4 飼料桑粉安全性評價(jià)指標(biāo))
ST組(飼料桑)在發(fā)酵時(shí)間點(diǎn)2 h、4 h、12 h時(shí)產(chǎn)氣量均顯著高于JT組(牛用復(fù)合精料)的產(chǎn)氣量(表5),但是時(shí)間點(diǎn)8 h、24 h時(shí)ST的產(chǎn)氣量略低于JT組,但無顯著差異;ST組在0-8 h為產(chǎn)氣量上升最快的時(shí)間段,8 h之后產(chǎn)氣量增長速度減慢,12-24 h趨于平緩;JT組在0-2 h產(chǎn)氣量較少,2-8 h為產(chǎn)氣量上升最快的時(shí)間段,8 h之后產(chǎn)氣量增長速度減慢,12-24 h趨于平緩。而飼料桑的12 h、24 h的累計(jì)產(chǎn)氣量均顯著高于牛用全價(jià)精料產(chǎn)氣量(P<0.000 1)。
表5 飼料桑粉和牛用全價(jià)精料體外瘤胃發(fā)酵情況
項(xiàng)目時(shí)間/h不同處理組STJTP產(chǎn)氣量/mL217.77±8.39a9.87±0.71b<0.01426.49±0.91a17.89±0.90b<0.01838.94±0.9839.13±0.190.571221.22±0.50a18.60±0.56b0.012413.08±0.3714.35±0.620.1612 hT12 h累積產(chǎn)氣量104.02±1.76a85.50±1.14b<0.0124 hT24h累積產(chǎn)氣量115.06±0.52a97.96±0.39b<0.01pH125.55±0.01a4.78±0.02b<0.01245.41±0.01a4.63±0.01b<0.011干物質(zhì)消失率/%1254.08±0.72b61.93±0.58a0.042456.30±0.26b62.97±0.12a0.01菌體蛋白/mg·mL-1123.55±0.03a1.91±0.04b<0.01243.08±0.232.51±0.170.12氨態(tài)氮/mg·dl-11211.54±0.60a3.88±0.30b<0.012416.16±0.92a6.57±0.33b0.01
從表5可以看出,ST組與JT組的發(fā)酵液的pH在12 h、24 h均存在顯著差異,即ST組的pH顯著高于JT組。ST組發(fā)酵液的pH在12 h、24 h時(shí)為5.55±0.01、5.41±0.01,接近正常瘤胃液pH值范圍5.5~7.5,而JT組發(fā)酵液的pH在12 h、24 h時(shí)為4.78±0.02、4.63±0.01,則顯著降低了發(fā)酵液的pH值,說明飼料桑粉對瘤胃液pH值波動負(fù)面影響較牛用全價(jià)精料顯著偏低。
ST組的干物質(zhì)消失率在12 h、24 h時(shí)均顯著低于JT組的干物質(zhì)消失率,這應(yīng)該是與飼料桑粗纖維含量顯著高于牛用全價(jià)精料之故。
ST組在發(fā)酵12 h時(shí),發(fā)酵液菌體蛋白含量顯著高于JT組發(fā)酵液中的含量;而到發(fā)酵24 h時(shí),其菌體蛋白含量稍高于JT組發(fā)酵液中的含量,但不存在顯著性差異。
ST組發(fā)酵液中氨態(tài)氮含量則在12 h、24 h時(shí)均顯著高于JT組發(fā)酵液中的氨態(tài)氮含量。
從表6中可以看出,發(fā)酵到12 h時(shí),ST組發(fā)酵液中乙酸、丙酸、丁酸及總揮發(fā)性脂肪酸含量在發(fā)酵到12 h時(shí),略低于JT組發(fā)酵液中的含量,但均無顯著差異;而發(fā)酵到24 h時(shí),ST組發(fā)酵液中乙酸、丙酸、丁酸及總揮發(fā)性脂肪酸含量顯著低于JT組的含量,乙丙比(乙酸/丙酸)則在發(fā)酵12 h、24 h時(shí)兩者均無顯著差異。ST組在發(fā)酵過程中,乙酸、丙酸、總酸含量在24 h均比12 h時(shí)降低近一半,而丁酸含量則從1.17±0.05增加到4.78±0.57;JT組發(fā)酵液的乙酸、丙酸、總酸含量在24 h時(shí)均比12 h增加近1倍或1倍以上。
表6 飼料桑粉和牛用全價(jià)精料體外瘤胃發(fā)酵情況
項(xiàng)目時(shí)間/h不同處理組STJTP乙酸/mmol·L-11263.69±3.8080.80±14.880.332436.94±3.18b146.50±1.08a<0.01丙酸/mmol·L-11222.79±1.5926.49±1.340.1512412.46±0.53b51.96±1.48a<0.01丁酸/mmol·L-1121.17±0.051.67±0.270.14244.78±0.57b16.48±1.61a0.00總揮發(fā)性脂肪酸TVFA/mmol·L-11287.64±4.89108.96±15.530.262454.18±2.32b214.94±1.69a<0.01乙酸/丙酸122.81±0.163.03±0.500.69242.99±0.372.82±0.080.68
已有調(diào)查研究表明,在不同地區(qū)、不同生長季節(jié)、不同品種、不同種植方式等條件下的桑葉營養(yǎng)成分差異較大。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[9],桑葉中粗蛋白含量 16%~30% ,粗纖維 8%~12%,粗脂肪4%~10% ,灰分 8%~12% ,磷0.3%~0.6%,鈣 1%~3%。桑葉中還含有非特異性抗菌成分,能提高機(jī)體免疫能力、抗菌等作用[10],桑葉作為飼料也無抗藥性,能激發(fā)機(jī)體抗病因子,不引發(fā)病菌變異,故桑葉飼料能增強(qiáng)動物機(jī)體新陳代謝,促進(jìn)蛋白質(zhì)和酶的合成,促進(jìn)動物體生長,提高繁殖力和生產(chǎn)性能。本研究采用的原料為在重金屬污染土地上種植的飼料桑桑葉。粗蛋白含量偏低,粗纖維含量則明顯偏高,有可能與桑葉采摘時(shí)間,長在特殊土壤等相關(guān),具體原因有待進(jìn)一步研究分析。盡管該飼料桑種植在重金屬污染的土壤上,其桑葉的重金屬含量符合飼料原料標(biāo)準(zhǔn)??梢姡暳仙T谥挝?、喂畜上發(fā)揮其作用,并在一定程度上緩解人畜爭糧的矛盾。
產(chǎn)氣量是衡量飼草營養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo),是一個(gè)綜合反映飼料中有機(jī)物可發(fā)酵程度的指標(biāo),體外發(fā)酵產(chǎn)氣量則反映了底物被瘤胃微生物利用的程度,與飼料中碳水化合物消化率高低有關(guān),是評價(jià)反芻動物瘤胃發(fā)酵的一個(gè)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中兩種飼料樣品體外發(fā)酵產(chǎn)氣量動態(tài)變化曲線表明,飼料桑的初始產(chǎn)氣速度較快,而牛用全價(jià)精料初始階段可能因發(fā)酵不完全,產(chǎn)氣量相對較少,之后產(chǎn)氣速度加快,超過一定時(shí)間后產(chǎn)氣速度又逐漸下降,到24 h時(shí),產(chǎn)氣速度趨于平穩(wěn)。本試驗(yàn)中,飼料桑在發(fā)酵時(shí)間點(diǎn)2 h、4 h、12 h時(shí)產(chǎn)氣量均顯著高于牛用復(fù)合精料的產(chǎn)氣量,其在12 h、24 h的累計(jì)產(chǎn)氣量也均顯著高于牛用全價(jià)精料產(chǎn)氣量,有研究表明[10]非纖維性碳水化合物含量與發(fā)酵速度呈正相關(guān)的結(jié)論,有可能是飼料桑中的非纖維性碳水化合物含量比牛用全價(jià)精料中的要高。本研究中飼料桑葉比牛用全價(jià)精料的產(chǎn)氣量顯著提高,說明飼料桑更易于發(fā)酵,與張桂杰[12]等研究的不同發(fā)育期的豆科牧草有相似的產(chǎn)氣性能,從這個(gè)角度講,飼料桑的飼用價(jià)值比牛用全價(jià)精料要高。
pH是反映瘤胃穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。日糧的結(jié)構(gòu)是影響 pH 的主要因素,過高或過低對瘤胃微生物的生長、發(fā)育和發(fā)酵都會產(chǎn)生影響[13],正常瘤胃液pH范圍5.5~7.5。pH 越低,說明發(fā)酵所產(chǎn)的酸累積得越多。本試驗(yàn)中,飼料桑發(fā)酵液的pH在12 h、24 h時(shí)為5.55±0.01,5.41±0.01,接近正常瘤胃液pH值范圍5.5~7.5,顯著高于牛用全價(jià)精的4.78±0.02,4.63±0.01,可見,飼料桑對瘤胃液pH值影響要比牛用全價(jià)精料小很多。
體外干物質(zhì)消化率反映了評價(jià)飼料消化的難易程度[14],與飼料中NDF和ADF的含量有關(guān)。文亦芾[15-16]等的研究結(jié)果表明體外干物質(zhì)消化率與NDF和ADF的含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。靳玲品[17]的研究則表明,干物質(zhì)消化率與粗蛋白質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)。本試驗(yàn)中飼料桑葉和牛用全價(jià)精料的消化率都很高,在發(fā)酵12 h和24 h后分別為54.08%、61.93%和56.30%、62.97%。飼料桑葉的干物質(zhì)消化率在發(fā)酵12 h和24 h時(shí)均顯著低于牛用全價(jià)精料的消化率,應(yīng)該是與飼料桑中較高的粗纖維和粗蛋白含量相關(guān)。
Owens[18]等認(rèn)為,瘤胃微生物菌體蛋白合成水平受氨態(tài)氮含量的限制,且需要VFA提供能量,在一定范圍內(nèi),瘤胃內(nèi)的能氮比例合適時(shí),微生物菌體蛋白的合成效率最大。本試驗(yàn)中,飼料桑的菌體蛋白在12 h、24 h時(shí)均高于牛用全價(jià)精料,在12 h時(shí)兩者差異顯著,表明添加飼料桑的發(fā)酵液中微生物活性比添加牛用全價(jià)精料大,即飼喂飼料桑后,瘤胃微生物合成菌體蛋白的能力高于飼喂牛用全價(jià)精料。氨態(tài)氮濃度也是評價(jià)瘤胃內(nèi)環(huán)境的重要指標(biāo)[19],其反映了蛋白質(zhì)合成與降解所達(dá)到的平衡狀況[20]。本試驗(yàn)在發(fā)酵12 h時(shí),飼料桑和牛用全價(jià)精料的NH3-N濃度分別為11.54 mg/dl,3.88 mg/dl;24 h時(shí),分別為16.16 mg/dl和6.57 mg/dl,在12 h和24 h時(shí),飼料桑的NH3-N濃度均顯著高于牛用全價(jià)精料的NH3-N濃度。
VFA的總產(chǎn)量等可顯著影響反芻動物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用,是反芻動物主要的能量來源[21]。本試驗(yàn)中,產(chǎn)氣量較高的飼料桑粉的總揮發(fā)性脂肪酸濃度在12 h卻比牛用全價(jià)精料低,在24 h時(shí)則顯著低于牛用全精料的總揮發(fā)性脂肪酸濃度, 這與張?jiān)獞c[22]等的研究結(jié)果不一致;也有研究表明乙酸/丙酸值的大小與能量利用效率成線性相關(guān)[23],本試驗(yàn)中發(fā)酵到12 h時(shí),飼料桑的該比值略低于牛用全價(jià)精料比值;但在24 h時(shí),飼料桑的該比值略高于牛用全價(jià)精料比值,但都無顯著差異,說明二者能量利用效率無差異。
與牛用全價(jià)精料相比,飼料桑葉具有較高的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪含量、相對容易發(fā)酵且發(fā)酵過程中微生物蛋白質(zhì)合成率高,pH和氨態(tài)氮水平也更符合反芻動物瘤胃內(nèi)環(huán)境。綜上可以初步得出結(jié)論:飼料桑葉具有較高的營養(yǎng)價(jià)值,可以作為反芻動物的精飼料用于日糧中,但其最適添加比例有待進(jìn)一步研究探討。