反刍动物瘤胃甲烷生成的营养调控研究进展

　　摘要：反刍动物排放的甲烷是温室气体主要来源之一，在瘤胃发酵过程中2%~12%的日粮总能以甲烷的形式被损失掉。营养调控会影响瘤胃发酵模式和终产物类型。目前，甲烷减排的日粮营养调控策略主要包括调整日粮结构、提高牧草质量、使用瘤胃发酵调节剂、添加植物次生代谢产物和化学抑制剂等。文章综述反刍动物甲烷排放现状、瘤胃甲烷生成机制和甲烷减排策略的最新研究进展，以期为反刍动物甲烷减排的研究提供参考。

　　关键词：反刍动物;瘤胃;营养调控;甲烷减排

　　温室气体(CO2、CH4、N2O)引起的全球气候变暖是人类面临的复杂的挑战之一。大气中CH4气体所占比例远低于CO2，但其引起气候变暖的潜能是CO2的21倍[1]。人类活动(包括大规模的密集型农业活动及煤炭开采和油气行业等)是温室气体排放的重要来源之一[2]，其中反刍动物胃肠道CH4排放占人类活动的17%[3]。中国作为畜牧业大国，持续增长的存栏量已成为重要的CH4排放源。此外，反刍动物胃肠内发酵产生的CH4造成的能量损失占反刍动物日粮总能的2%~12%[4]，严重制约反刍动物的养殖效益。为了形成环境友好型和节能型的畜牧业发展新格局，深入研究和理解营养调控对反刍动物瘤胃CH4生成的影响，有助于为反刍动物CH4减排提供参考。因此，文章重点综述近年来营养调控对反刍动物瘤胃CH4生成的影响，旨在为后期进一步研究CH4减排和提高养殖效率提供参考。

　　1反刍动物CH4生成过程

　　甲烷菌是反刍动物瘤胃发酵过程中产生CH4的微生物，是一类区别细菌且严格厌氧的古菌。根据产甲烷菌生成CH4所利用底物的不同，可以将CH4的生成路径分为3类：

　　(1)氢营养型产甲烷菌可以利用H2作为电子供体，CO2在甲酰甲烷呋喃脱氢酶作用下还原为甲酰甲烷呋喃，然后与四氢甲烷蝶呤结合，再依次被还原为甲酰四氢甲烷蝶呤、甲川四氢甲烷蝶呤、亚甲基四氢甲烷蝶呤、甲基四氢甲烷蝶呤，在甲基四氢甲烷蝶呤(CoM甲基转移酶)的作用下将甲基转移至还原态的辅酶M上，最后在甲基辅酶M还原酶的作用下生成CH4[5]。此外，瘤胃中18%的氢营养型产甲烷菌可以以甲酸为底物生成CH4[8]。甲酸可在甲酸脱氢酶的作用下转化为CO2和H2，生成的CO2被还原产生甲烷。氢营养型途径是瘤胃中主要的产甲烷途径，大约80%的产甲烷菌通过此途径产生CH4[6]。Methanobrevibacter是瘤胃中主要的氢营养型产甲烷菌，Methanosphaera、Methanimicrococcus和Methanobacterium是瘤胃中重要的氢营养型甲烷菌属[7]。

　　(2)甲基营养型产甲烷菌可以利用甲醇、甲胺、甲硫醇等甲基化合物为底物生成CH4，瘤胃中甲基营养型产甲烷菌主要包括Methanosarcinales、Methanosphaera、Methanomassiliicoccaceae。但是，瘤胃中大部分甲基营养型产甲烷菌均需要H2作为共基质生成甲烷[7]。

　　(3)乙酸异化型产甲烷菌利用乙酸的分解反应生成甲基和羧基，其中甲基还原为CH4，羧基 氧化生成CO2，但瘤胃一般不会以乙酸为底物产生CH4。Methanosarcina和Methanosaeta是主要的乙酸营养性甲烷菌[8]。CH4生成是一个复杂的过程，需要许多关键酶和辅酶参与。3种合成CH4的途径最终均会形成甲基辅酶M，在甲基辅酶M还原酶的催化下生成CH4。甲基辅酶M还原酶是产甲烷菌所特有的一种酶，mcrA基因是编码甲基辅酶M还原酶的一个亚基，可用于产甲烷菌的分类学研究[9]。

　　2缓解CH4排放的策略

　　反刍动物CH4主要产自瘤胃和后肠道发酵，其中瘤胃发酵产生的CH4约占反刍动物总排放量的87%~89%，后肠道产生约11%~13%[10]。本研究主要分析瘤胃内的CH4生成机制。目前，缓解反刍动物CH4排放的方法主要分为3类：

　　(1)直接抑制产甲烷菌的生长，降低产甲烷菌的活性和数量，如2-溴乙烷磺酸钠、三氯甲烷、溴氯甲烷、3-硝基酯-1-丙醇(3-nitrooxypropanol，3-NOP)、蒽醌等;(2)添加与产甲烷菌竞争H2的抑制剂，如延胡索酸、苹果酸、硝酸盐、硫酸盐;(3)通过日粮调控，减少H2的产生，如改善日粮类型、添加油脂、提高瘤胃对日粮消化率和过瘤胃速率等。此外，改善牧场管理方式和对反刍动物进行选育，也可以实现CH4减排。其中，通过营养调控减少反刍动物CH4排放是1种简单有效的策略，可以改善动物的生产性能，减少CH4排放[3]。

　　2.1调整日粮的组成

　　反刍动物瘤胃发酵生成CH4受日粮类型、采食量、饲料消化率和过瘤胃速率等因素影响。因为不同日粮在瘤胃发酵产生不同的底物，具有不同的日粮消化率和挥发性脂肪酸(VFA)含量。Philippeau等[12]给奶牛分别饲喂高淀粉日粮(38%DM)与低淀粉日粮(2%DM)，日粮精粗比均为45∶55，发现与低淀粉组相比，高淀粉日粮瘤胃发酵CH4生成(g/kgDMI)减少35%[16]。表明提高日粮淀粉含量可以降低CH4排放。另外，与牧草为主的日粮相比，饲喂谷物类精饲料为主的日粮会减少CH4生成[4]。

　　以谷物类精饲料为主的日粮中非结构性碳水化合物(淀粉和糖)比基于牧草为主的日粮丰富。以谷物类为主的日粮瘤胃发酵偏向丙酸型，丙酸生成过程中会利用大量的H2，从而减少CH4的合成。谷物淀粉在瘤胃的分解速度较粗纤维快，有利于加快VFA的合成[27]。高淀粉还可以降低瘤胃pH值，抑制产甲烷菌的生长，降低瘤胃原虫活性，并限制原虫与产甲烷菌的种间氢转移，但较低瘤胃pH值容易引发瘤胃酸中毒。

　　饲喂高质量的牧草能够提高饲料消化率及动物生长性能，有利于瘤胃CH4减排[28]。提高牧草质量的方法包括在适宜的阶段进行收割、选择易消化的牧草类型及合适的加工方式(氨化、制粒、青贮)等。成熟度较低的牧草含较高的易发酵的碳水化合物和较少的中性洗涤纤维，可以提高瘤胃消化和流通速率[29]。相反，成熟度过高的牧草在瘤胃降解过程中会产生大量的乙酸和H2，使CH4产量增加[30]。Hammond等[15]给泌乳奶牛饲喂占日粮干物质相同比例的全株玉米青贮和牧草青贮，结果表明，全株玉米青贮组CH4排放量(g/kgDMI)减少24%(使用GreenFeed技术测量CH4)。

　　Hale等[13]给娟姗公牛饲喂相同比例但加工方式不同的玉米(分别为干碾压玉米和蒸汽压片玉米)，结果表明，与干碾压玉米相比，蒸汽压片玉米每千克干物质采食量可以减少17%的CH4排放量。2.2添加脂质反刍动物日粮中添加油脂可以缓解瘤胃CH4排放[18,31-32]。黄牛日粮中含有6%DM的油脂，可以增加产奶量，降低约15%的CH4排放量(g/kgDMI)[33]，但日粮干物质中油脂含量超过6%会影响瘤胃有机物质发酵，导致生产效率降低[34]。

　　Zhang等[31]在试验组母山羊日粮中添加30g/kgDM的玉米油，发现日粮添加玉米油对全肠道有机物质消化率和瘤胃主要纤维分解微生物(原虫、真菌、白色瘤胃球菌、黄色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌) 数量无影响，但可以降低瘤胃溶解态氢的浓度和CH4的排放量。这可能因为玉米油中的不饱和脂肪酸在瘤胃的生物氢化作用改变了瘤胃H2的代谢和CH4产生。PinaresPatiño等[32]选择60只1周龄的肉用公牛，以低芥酸菜籽油喷洒的放牧草场(12L/0.1hm2，日粮油脂含量8.9%DM)为试验组，不喷洒菜籽油的为对照组(日粮油脂含量3.9%DM)，使用SF6技术测定CH4排放量，结果表明，与对照组相比，喷洒菜籽油的放牧草场CH4排放量显著降低，乙酸/丙酸比例降低。脂肪酸组成不同会影响瘤胃CH4的产生。椰子油和棕榈仁油的中链脂肪酸对瘤胃原虫有一定的毒性，不饱和脂肪酸在瘤胃的氢化作用可以与产甲烷菌竞争底物H2[8]，而长链饱和脂肪酸对瘤胃CH4排放作用较小[35]。

　　2.3添加有机酸

　　有机酸(苹果酸和延胡索酸)作为丙酸的前体对CH4生成具有抑制作用，可以与甲烷菌竞争H2，抑制CH4排放。在日粮中添加多种形式的丙酸前体会增加对CH4排放的抑制作用，由于有机酸源之间的还原途径不同，其对CH4的抑制作用不同，其中延胡索酸的CH4减排效果最好[36]。当在绵羊日粮中添加10%延胡索酸时，CH4产量(g/kgDMI)降低42%[37]。也有研究报道了不同的结果。王荣等[38]采用2×2双因子试验设计，利用体外模拟瘤胃发酵技术，研究不同发酵底物(菊苣和玉米粉)和不同添加水平的延胡索酸(0、3、6和12mmol/L)对CH4、H2产量的影响，发现玉米粉的CH4产量高于菊苣，但延胡索酸(≤12mmol/L)对不同时间点的CH4、H2产量均无显著影响。可能的原因是延胡索酸被还原成琥珀酸过程中，被消耗的H2和延胡索酸代谢产生乙酸所释放的H2相抵消。

　　2.4添加化学抑制剂

　　使用化学合成抑制剂是有效减少反刍动物CH4排放的策略之一[39-40]。硝酸盐和硫酸盐的还原作用较强，对H2的亲和力大于CO2，可以通过与产甲烷菌竞争H2进而减少瘤胃CH4的排放。通过NO3-生成NH4+的反应过程(NO3-+H2→H2O+NO2-，NO2-+3H2+2H+→2H2O+NH4+)发现，1mol的NO3-被还原为1molNH4+，需消耗4molH2，这样可以抑制1molCH4的生成(4H2+CO2→CH4+2H2O)。

　　有研究表明，在羔羊日粮中添加硝酸盐(2.6%硝酸盐/kgDM)可以减少32%的瘤胃CH4排放，硫酸盐(2.6%硫酸盐/kgDM)可以减少16%，硝酸盐和硫酸盐组合添加(2.6%硝酸盐/kgDM+26%硫酸盐/kgDM)可以减少47%[41]。在奶牛日粮中添加硝酸盐(21g硝酸盐/kgDM)可以降低约16%的CH4生成(g/d和g/kgDMI)[42]。Villar等[19]研究硝酸盐和低芥酸菜籽油单独或组合添加对CH4产生的影响，对照组饲喂基础日粮，试验组分别在基础日粮添加20gNO3-/kgDM、50g菜籽油/kgDM、20gNO3-/kgDM+50g菜籽油/kgDM，结果表明，与对照组相比，20gNO3-/kgDM+50g菜籽油/kgDM可以减少25%的CH4排放量(gCH4/kgDMI)，其余各组CH4排放量无显著差异。但硝酸盐具有毒性会导致动物死亡。硝酸盐被还原为亚硝酸盐后会引起高铁血红蛋白症，使血液中血红蛋白不能携带氧[41]。未来还需要更多更细致的研究来确定反刍动物日粮中硝酸盐和硫酸盐的适宜添加剂量。

　　3-NOP是反刍动物瘤胃CH4减排较理想的添加剂。在CH4生成的3条途径中有众多关键酶和辅酶参与，但最后都形成甲基辅酶M。3-NOP与甲基辅酶M的分子结构差异极小，可以替代甲基辅酶M与甲基辅酶M还原酶的活性位点结合，从而使甲基辅酶M还原酶失去活性，达到CH4减排的目的。根据动物品种、日粮组成、3-NOP添加的剂量和方法的不同，可减排CH420%~40%[43-44]。Vyas等[44]以240头育肥肉牛为试验动物(育肥105d)，分别在87%DM高谷物日粮和65%DM高牧草两种日粮添加125mg/kgDM的3-NOP，结果表明，与高牧草组相比，高谷物组CH4排放量减少37%(g/kgDMI)。Van等[23]以早期泌乳奶牛为试验动物，试验组添加51mg/kgDM的3-NOP，发现整个试验期CH4排放量平均减少15.8%(g/kgDMI)，并对全肠道营养物质表观消化率有积极作用。

　　2.5添加植物次生代谢产物

　　植物次生代谢产物主要包括植物精油、单宁、皂苷等，具有抗菌活性，可以改善瘤胃发酵，提高动物生产力并抑制瘤胃CH4生成。

　　2.5.1植物精油

　　近年来，植物精油作为一种饲料添加剂在反刍动物日粮中被广泛地认可。不同植物来源的精油具有不同的立体化学结构以及生物活性。植物精油可以用于调节瘤胃代谢，抑制瘤胃CH4的排放[45]，但其对反刍动物瘤胃纤维消化和发酵的负面影响也有报道[46]。Patra等[47]在体外评估5种不同类型和剂量的植物精油(丁香油、桉叶油、大蒜素、牛至油、薄荷油)对瘤胃微生物丰度和多样性及瘤胃发酵产CH4的影响，发现当提高植物精油添加量，产甲烷古菌的丰度和多样性、CH4和氨的生成明显降低。其中，牛至油对真干物质消化率有负面影响。有研究发现，30mg/L和300mg/L牛至油可以显著降低发酵液的NH3-N浓度[45]。

　　2.5.2单宁

　　植物中的单宁主要包括缩合单宁和水解单宁[48]。Bhatta等[49]通过体外模拟瘤胃发酵评估6种不同来源的水解单宁和浓缩单宁，发现单宁可以直接抑制产甲烷菌的数量或减少原虫数量来抑制原虫共生产甲烷菌数量，从而减少CH4生成，水解单宁和浓缩单宁的组合比仅含有水解单宁在抑制甲烷生成方面更有效。Williams等[24]以荷斯坦奶牛为试验动物，在试验组添加400g/d单宁(含量为600g/kg的浓缩单宁，源自金合欢)，发现与对照组相比，试验组奶牛CH4产量减少11%(g/kgDMI)。Hassanat等[50]研究表明，与对照组相比，当发酵底物中缩合单宁浓度>100g/kg时，CH4产量降低40%，并对瘤胃发酵效率影响最小。丽丽等[51]以杜蒙杂交羯羊为试验动物，研究不同添加量的单宁(单宁以柠条为来源)对产甲烷菌多样性的影响，发现晨饲前0h和饲喂后6h日粮中含2%和4%单宁组均显著降低mcrA基因表达量，并且不同添加水平单宁组显著降低了绵羊瘤胃古菌菌群丰度和群落多样性。

　　2.5.3皂苷

　　皂苷又称皂甙或皂素，是1种天然表面活性糖苷。胡伟莲[52]采用体外培养方法，通过改变瘤胃液原虫状态研究产皂素对CH4产量的影响，发现茶皂素可以通过抑杀原虫或直接抑制产甲烷菌数量和活性来减少CH4的产生。周文章等[53]认为，皂苷可能通过破坏产乙酸的革兰氏阳性菌的细胞膜，使产丙酸的革兰氏阴性菌大量聚集，与甲烷菌竞争H2，从而使CH4产量减少。RamírezRestrepo等[54]研究在精粗比为85:15的贝尔蒙特红杂肉牛日粮中，通过不同处理(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个阶段)研究茶皂素对CH4产量和瘤胃微生物菌群的影响，结果发现，添加茶皂素组未减少CH4产生，原虫数量也没有下降，但是停止添加茶皂素后原虫数量下降。

　　徐晨晨等[55]采用体外培养法研究苜蓿皂苷(皂苷含量为60%)对肉羊体外CH4的影响，发现44mg/gDM苜蓿皂苷可以显著抑制CH4生成。Klita等[56]研究表明，绵羊瘤胃灌注0DMI、1%DMI、2%DMI、4%DMI的苜蓿皂苷(皂苷含量为27.8%)对CH4产量无影响，但原虫数量随着苜蓿皂苷添加水平的升高呈线性降低趋势。皂苷的使用效果存在不稳定性，可能与皂苷种类、日粮结构、添加量和试验方法多方面的因素有关，皂苷对CH4的抑制作用还需进一步的研究。

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　　3展望

　　目前，有许多减少反刍动物瘤胃CH4排放的方案可供选择，但无方案可以供简单而持久的使用。化学抑制剂、植物次级代谢产物等对瘤胃CH4减排作用短暂，作用效果也不稳定。提高牧草质量或者调整日粮组成(尤其是精料中碳水化合物)可以降低CH4排放量，提高动物生产性能。在未来的研究中，应加强对不同CH4抑制剂联合使用的研究，以及不同抑制剂对不同动物CH4减排的效果及适宜添加量的研究。

　　参考文献：

　　[1]河南大学.中国主要温室气体变化及其对全球辐射强迫的贡献研究[D].开封：河南大学，2020.

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

　　作者：李科南梁天张晓东娜仁花*