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    農業論文

    反芻動物瘤胃甲烷生成的營養調控研究進展

    時間:2021年08月17日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

    摘要:反芻動物排放的甲烷是溫室氣體主要來源之一,在瘤胃發酵過程中2%~12%的日糧總能以甲烷的形式被損失掉。營養調控會影響瘤胃發酵模式和終產物類型。目前,甲烷減排的日糧營養調控策略主要包括調整日糧結構、提高牧草質量、使用瘤胃發酵調節劑、添加植物

      摘要:反芻動物排放的甲烷是溫室氣體主要來源之一,在瘤胃發酵過程中2%~12%的日糧總能以甲烷的形式被損失掉。營養調控會影響瘤胃發酵模式和終產物類型。目前,甲烷減排的日糧營養調控策略主要包括調整日糧結構、提高牧草質量、使用瘤胃發酵調節劑、添加植物次生代謝產物和化學抑制劑等。文章綜述反芻動物甲烷排放現狀、瘤胃甲烷生成機制和甲烷減排策略的最新研究進展,以期為反芻動物甲烷減排的研究提供參考。

      關鍵詞:反芻動物;瘤胃;營養調控;甲烷減排

    動物營養學報

      溫室氣體(CO2、CH4、N2O)引起的全球氣候變暖是人類面臨的復雜的挑戰之一。大氣中CH4氣體所占比例遠低于CO2,但其引起氣候變暖的潛能是CO2的21倍[1]。人類活動(包括大規模的密集型農業活動及煤炭開采和油氣行業等)是溫室氣體排放的重要來源之一[2],其中反芻動物胃腸道CH4排放占人類活動的17%[3]。中國作為畜牧業大國,持續增長的存欄量已成為重要的CH4排放源。此外,反芻動物胃腸內發酵產生的CH4造成的能量損失占反芻動物日糧總能的2%~12%[4],嚴重制約反芻動物的養殖效益。為了形成環境友好型和節能型的畜牧業發展新格局,深入研究和理解營養調控對反芻動物瘤胃CH4生成的影響,有助于為反芻動物CH4減排提供參考。因此,文章重點綜述近年來營養調控對反芻動物瘤胃CH4生成的影響,旨在為后期進一步研究CH4減排和提高養殖效率提供參考。

      1反芻動物CH4生成過程

      甲烷菌是反芻動物瘤胃發酵過程中產生CH4的微生物,是一類區別細菌且嚴格厭氧的古菌。根據產甲烷菌生成CH4所利用底物的不同,可以將CH4的生成路徑分為3類:

      (1)氫營養型產甲烷菌可以利用H2作為電子供體,CO2在甲酰甲烷呋喃脫氫酶作用下還原為甲酰甲烷呋喃,然后與四氫甲烷蝶呤結合,再依次被還原為甲酰四氫甲烷蝶呤、甲川四氫甲烷蝶呤、亞甲基四氫甲烷蝶呤、甲基四氫甲烷蝶呤,在甲基四氫甲烷蝶呤(CoM甲基轉移酶)的作用下將甲基轉移至還原態的輔酶M上,最后在甲基輔酶M還原酶的作用下生成CH4[5]。此外,瘤胃中18%的氫營養型產甲烷菌可以以甲酸為底物生成CH4[8]。甲酸可在甲酸脫氫酶的作用下轉化為CO2和H2,生成的CO2被還原產生甲烷。氫營養型途徑是瘤胃中主要的產甲烷途徑,大約80%的產甲烷菌通過此途徑產生CH4[6]。Methanobrevibacter是瘤胃中主要的氫營養型產甲烷菌,Methanosphaera、Methanimicrococcus和Methanobacterium是瘤胃中重要的氫營養型甲烷菌屬[7]。

      (2)甲基營養型產甲烷菌可以利用甲醇、甲胺、甲硫醇等甲基化合物為底物生成CH4,瘤胃中甲基營養型產甲烷菌主要包括Methanosarcinales、Methanosphaera、Methanomassiliicoccaceae。但是,瘤胃中大部分甲基營養型產甲烷菌均需要H2作為共基質生成甲烷[7]。

      (3)乙酸異化型產甲烷菌利用乙酸的分解反應生成甲基和羧基,其中甲基還原為CH4,羧基 氧化生成CO2,但瘤胃一般不會以乙酸為底物產生CH4。Methanosarcina和Methanosaeta是主要的乙酸營養性甲烷菌[8]。CH4生成是一個復雜的過程,需要許多關鍵酶和輔酶參與。3種合成CH4的途徑最終均會形成甲基輔酶M,在甲基輔酶M還原酶的催化下生成CH4。甲基輔酶M還原酶是產甲烷菌所特有的一種酶,mcrA基因是編碼甲基輔酶M還原酶的一個亞基,可用于產甲烷菌的分類學研究[9]。

      2緩解CH4排放的策略

      反芻動物CH4主要產自瘤胃和后腸道發酵,其中瘤胃發酵產生的CH4約占反芻動物總排放量的87%~89%,后腸道產生約11%~13%[10]。本研究主要分析瘤胃內的CH4生成機制。目前,緩解反芻動物CH4排放的方法主要分為3類:

      (1)直接抑制產甲烷菌的生長,降低產甲烷菌的活性和數量,如2-溴乙烷磺酸鈉、三氯甲烷、溴氯甲烷、3-硝基酯-1-丙醇(3-nitrooxypropanol,3-NOP)、蒽醌等;(2)添加與產甲烷菌競爭H2的抑制劑,如延胡索酸、蘋果酸、硝酸鹽、硫酸鹽;(3)通過日糧調控,減少H2的產生,如改善日糧類型、添加油脂、提高瘤胃對日糧消化率和過瘤胃速率等。此外,改善牧場管理方式和對反芻動物進行選育,也可以實現CH4減排。其中,通過營養調控減少反芻動物CH4排放是1種簡單有效的策略,可以改善動物的生產性能,減少CH4排放[3]。

      2.1調整日糧的組成

      反芻動物瘤胃發酵生成CH4受日糧類型、采食量、飼料消化率和過瘤胃速率等因素影響。因為不同日糧在瘤胃發酵產生不同的底物,具有不同的日糧消化率和揮發性脂肪酸(VFA)含量。Philippeau等[12]給奶牛分別飼喂高淀粉日糧(38%DM)與低淀粉日糧(2%DM),日糧精粗比均為45∶55,發現與低淀粉組相比,高淀粉日糧瘤胃發酵CH4生成(g/kgDMI)減少35%[16]。表明提高日糧淀粉含量可以降低CH4排放。另外,與牧草為主的日糧相比,飼喂谷物類精飼料為主的日糧會減少CH4生成[4]。

      以谷物類精飼料為主的日糧中非結構性碳水化合物(淀粉和糖)比基于牧草為主的日糧豐富。以谷物類為主的日糧瘤胃發酵偏向丙酸型,丙酸生成過程中會利用大量的H2,從而減少CH4的合成。谷物淀粉在瘤胃的分解速度較粗纖維快,有利于加快VFA的合成[27]。高淀粉還可以降低瘤胃pH值,抑制產甲烷菌的生長,降低瘤胃原蟲活性,并限制原蟲與產甲烷菌的種間氫轉移,但較低瘤胃pH值容易引發瘤胃酸中毒。

      飼喂高質量的牧草能夠提高飼料消化率及動物生長性能,有利于瘤胃CH4減排[28]。提高牧草質量的方法包括在適宜的階段進行收割、選擇易消化的牧草類型及合適的加工方式(氨化、制粒、青貯)等。成熟度較低的牧草含較高的易發酵的碳水化合物和較少的中性洗滌纖維,可以提高瘤胃消化和流通速率[29]。相反,成熟度過高的牧草在瘤胃降解過程中會產生大量的乙酸和H2,使CH4產量增加[30]。Hammond等[15]給泌乳奶牛飼喂占日糧干物質相同比例的全株玉米青貯和牧草青貯,結果表明,全株玉米青貯組CH4排放量(g/kgDMI)減少24%(使用GreenFeed技術測量CH4)。

      Hale等[13]給娟姍公牛飼喂相同比例但加工方式不同的玉米(分別為干碾壓玉米和蒸汽壓片玉米),結果表明,與干碾壓玉米相比,蒸汽壓片玉米每千克干物質采食量可以減少17%的CH4排放量。2.2添加脂質反芻動物日糧中添加油脂可以緩解瘤胃CH4排放[18,31-32]。黃牛日糧中含有6%DM的油脂,可以增加產奶量,降低約15%的CH4排放量(g/kgDMI)[33],但日糧干物質中油脂含量超過6%會影響瘤胃有機物質發酵,導致生產效率降低[34]。

      Zhang等[31]在試驗組母山羊日糧中添加30g/kgDM的玉米油,發現日糧添加玉米油對全腸道有機物質消化率和瘤胃主要纖維分解微生物(原蟲、真菌、白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌、溶纖維丁酸弧菌) 數量無影響,但可以降低瘤胃溶解態氫的濃度和CH4的排放量。這可能因為玉米油中的不飽和脂肪酸在瘤胃的生物氫化作用改變了瘤胃H2的代謝和CH4產生。PinaresPatiño等[32]選擇60只1周齡的肉用公牛,以低芥酸菜籽油噴灑的放牧草場(12L/0.1hm2,日糧油脂含量8.9%DM)為試驗組,不噴灑菜籽油的為對照組(日糧油脂含量3.9%DM),使用SF6技術測定CH4排放量,結果表明,與對照組相比,噴灑菜籽油的放牧草場CH4排放量顯著降低,乙酸/丙酸比例降低。脂肪酸組成不同會影響瘤胃CH4的產生。椰子油和棕櫚仁油的中鏈脂肪酸對瘤胃原蟲有一定的毒性,不飽和脂肪酸在瘤胃的氫化作用可以與產甲烷菌競爭底物H2[8],而長鏈飽和脂肪酸對瘤胃CH4排放作用較小[35]。

      2.3添加有機酸

      有機酸(蘋果酸和延胡索酸)作為丙酸的前體對CH4生成具有抑制作用,可以與甲烷菌競爭H2,抑制CH4排放。在日糧中添加多種形式的丙酸前體會增加對CH4排放的抑制作用,由于有機酸源之間的還原途徑不同,其對CH4的抑制作用不同,其中延胡索酸的CH4減排效果最好[36]。當在綿羊日糧中添加10%延胡索酸時,CH4產量(g/kgDMI)降低42%[37]。也有研究報道了不同的結果。王榮等[38]采用2×2雙因子試驗設計,利用體外模擬瘤胃發酵技術,研究不同發酵底物(菊苣和玉米粉)和不同添加水平的延胡索酸(0、3、6和12mmol/L)對CH4、H2產量的影響,發現玉米粉的CH4產量高于菊苣,但延胡索酸(≤12mmol/L)對不同時間點的CH4、H2產量均無顯著影響?赡艿脑蚴茄雍魉岜贿原成琥珀酸過程中,被消耗的H2和延胡索酸代謝產生乙酸所釋放的H2相抵消。

      2.4添加化學抑制劑

      使用化學合成抑制劑是有效減少反芻動物CH4排放的策略之一[39-40]。硝酸鹽和硫酸鹽的還原作用較強,對H2的親和力大于CO2,可以通過與產甲烷菌競爭H2進而減少瘤胃CH4的排放。通過NO3-生成NH4+的反應過程(NO3-+H2→H2O+NO2-,NO2-+3H2+2H+→2H2O+NH4+)發現,1mol的NO3-被還原為1molNH4+,需消耗4molH2,這樣可以抑制1molCH4的生成(4H2+CO2→CH4+2H2O)。

      有研究表明,在羔羊日糧中添加硝酸鹽(2.6%硝酸鹽/kgDM)可以減少32%的瘤胃CH4排放,硫酸鹽(2.6%硫酸鹽/kgDM)可以減少16%,硝酸鹽和硫酸鹽組合添加(2.6%硝酸鹽/kgDM+26%硫酸鹽/kgDM)可以減少47%[41]。在奶牛日糧中添加硝酸鹽(21g硝酸鹽/kgDM)可以降低約16%的CH4生成(g/d和g/kgDMI)[42]。Villar等[19]研究硝酸鹽和低芥酸菜籽油單獨或組合添加對CH4產生的影響,對照組飼喂基礎日糧,試驗組分別在基礎日糧添加20gNO3-/kgDM、50g菜籽油/kgDM、20gNO3-/kgDM+50g菜籽油/kgDM,結果表明,與對照組相比,20gNO3-/kgDM+50g菜籽油/kgDM可以減少25%的CH4排放量(gCH4/kgDMI),其余各組CH4排放量無顯著差異。但硝酸鹽具有毒性會導致動物死亡。硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽后會引起高鐵血紅蛋白癥,使血液中血紅蛋白不能攜帶氧[41]。未來還需要更多更細致的研究來確定反芻動物日糧中硝酸鹽和硫酸鹽的適宜添加劑量。

      3-NOP是反芻動物瘤胃CH4減排較理想的添加劑。在CH4生成的3條途徑中有眾多關鍵酶和輔酶參與,但最后都形成甲基輔酶M。3-NOP與甲基輔酶M的分子結構差異極小,可以替代甲基輔酶M與甲基輔酶M還原酶的活性位點結合,從而使甲基輔酶M還原酶失去活性,達到CH4減排的目的。根據動物品種、日糧組成、3-NOP添加的劑量和方法的不同,可減排CH420%~40%[43-44]。Vyas等[44]以240頭育肥肉牛為試驗動物(育肥105d),分別在87%DM高谷物日糧和65%DM高牧草兩種日糧添加125mg/kgDM的3-NOP,結果表明,與高牧草組相比,高谷物組CH4排放量減少37%(g/kgDMI)。Van等[23]以早期泌乳奶牛為試驗動物,試驗組添加51mg/kgDM的3-NOP,發現整個試驗期CH4排放量平均減少15.8%(g/kgDMI),并對全腸道營養物質表觀消化率有積極作用。

      2.5添加植物次生代謝產物

      植物次生代謝產物主要包括植物精油、單寧、皂苷等,具有抗菌活性,可以改善瘤胃發酵,提高動物生產力并抑制瘤胃CH4生成。

      2.5.1植物精油

      近年來,植物精油作為一種飼料添加劑在反芻動物日糧中被廣泛地認可。不同植物來源的精油具有不同的立體化學結構以及生物活性。植物精油可以用于調節瘤胃代謝,抑制瘤胃CH4的排放[45],但其對反芻動物瘤胃纖維消化和發酵的負面影響也有報道[46]。Patra等[47]在體外評估5種不同類型和劑量的植物精油(丁香油、桉葉油、大蒜素、牛至油、薄荷油)對瘤胃微生物豐度和多樣性及瘤胃發酵產CH4的影響,發現當提高植物精油添加量,產甲烷古菌的豐度和多樣性、CH4和氨的生成明顯降低。其中,牛至油對真干物質消化率有負面影響。有研究發現,30mg/L和300mg/L牛至油可以顯著降低發酵液的NH3-N濃度[45]。

      2.5.2單寧

      植物中的單寧主要包括縮合單寧和水解單寧[48]。Bhatta等[49]通過體外模擬瘤胃發酵評估6種不同來源的水解單寧和濃縮單寧,發現單寧可以直接抑制產甲烷菌的數量或減少原蟲數量來抑制原蟲共生產甲烷菌數量,從而減少CH4生成,水解單寧和濃縮單寧的組合比僅含有水解單寧在抑制甲烷生成方面更有效。Williams等[24]以荷斯坦奶牛為試驗動物,在試驗組添加400g/d單寧(含量為600g/kg的濃縮單寧,源自金合歡),發現與對照組相比,試驗組奶牛CH4產量減少11%(g/kgDMI)。Hassanat等[50]研究表明,與對照組相比,當發酵底物中縮合單寧濃度>100g/kg時,CH4產量降低40%,并對瘤胃發酵效率影響最小。麗麗等[51]以杜蒙雜交羯羊為試驗動物,研究不同添加量的單寧(單寧以檸條為來源)對產甲烷菌多樣性的影響,發現晨飼前0h和飼喂后6h日糧中含2%和4%單寧組均顯著降低mcrA基因表達量,并且不同添加水平單寧組顯著降低了綿羊瘤胃古菌菌群豐度和群落多樣性。

      2.5.3皂苷

      皂苷又稱皂甙或皂素,是1種天然表面活性糖苷。胡偉蓮[52]采用體外培養方法,通過改變瘤胃液原蟲狀態研究產皂素對CH4產量的影響,發現茶皂素可以通過抑殺原蟲或直接抑制產甲烷菌數量和活性來減少CH4的產生。周文章等[53]認為,皂苷可能通過破壞產乙酸的革蘭氏陽性菌的細胞膜,使產丙酸的革蘭氏陰性菌大量聚集,與甲烷菌競爭H2,從而使CH4產量減少。RamírezRestrepo等[54]研究在精粗比為85:15的貝爾蒙特紅雜肉牛日糧中,通過不同處理(添加茶皂素前、添加20g/d茶皂素、添加30g/d茶皂素和停止添加茶皂素4個階段)研究茶皂素對CH4產量和瘤胃微生物菌群的影響,結果發現,添加茶皂素組未減少CH4產生,原蟲數量也沒有下降,但是停止添加茶皂素后原蟲數量下降。

      徐晨晨等[55]采用體外培養法研究苜蓿皂苷(皂苷含量為60%)對肉羊體外CH4的影響,發現44mg/gDM苜蓿皂苷可以顯著抑制CH4生成。Klita等[56]研究表明,綿羊瘤胃灌注0DMI、1%DMI、2%DMI、4%DMI的苜蓿皂苷(皂苷含量為27.8%)對CH4產量無影響,但原蟲數量隨著苜蓿皂苷添加水平的升高呈線性降低趨勢。皂苷的使用效果存在不穩定性,可能與皂苷種類、日糧結構、添加量和試驗方法多方面的因素有關,皂苷對CH4的抑制作用還需進一步的研究。

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      3展望

      目前,有許多減少反芻動物瘤胃CH4排放的方案可供選擇,但無方案可以供簡單而持久的使用;瘜W抑制劑、植物次級代謝產物等對瘤胃CH4減排作用短暫,作用效果也不穩定。提高牧草質量或者調整日糧組成(尤其是精料中碳水化合物)可以降低CH4排放量,提高動物生產性能。在未來的研究中,應加強對不同CH4抑制劑聯合使用的研究,以及不同抑制劑對不同動物CH4減排的效果及適宜添加量的研究。

      參考文獻:

      [1]河南大學.中國主要溫室氣體變化及其對全球輻射強迫的貢獻研究[D].開封:河南大學,2020.

      [2]BeaucheminKA,KreuzerM,O'maraF,etal.Nutritionalmanagementforentericmethaneabatement:Areview[J].AustralianJournalofExperimentalAgriculture,2008,48(2):21-27.

      作者:李科南梁天張曉東娜仁花*

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