王胤晨袁 扬张锦华韩 勇周文章

（1.贵州省畜牧兽医研究所,贵州贵阳 550000；2.西南大学荣昌校区,重庆 402460）

反刍动物瘤胃甲烷产生的营养调控

王胤晨1，2袁 扬2张锦华1*韩 勇1周文章2

（1.贵州省畜牧兽医研究所,贵州贵阳 550000；2.西南大学荣昌校区,重庆 402460）

甲烷是仅次于CO2的全球第二大温室气体，其中，反刍动物年产CH4约7.7×107吨，占大气中的CH4总量的25%，而且每年还以1%的速度递增。因此研究反刍动物瘤胃甲烷的营养调控对甲烷的生成影响有重要意义。本文综述了瘤胃甲烷的产生机制、瘤胃产甲烷菌与瘤胃微生物的关系和反刍动物瘤胃甲烷的营养调控措施。

甲烷 反刍动物 生成机制 营养调控

全球大气中最主要的温室气体有CO2、CH4、N2O。近几个世纪以来，随着工业、农业的不断发展，温室气体浓度都显著的提高。CH4是大气中重要的微量有机温室气体。当前CH4是人类生活中产生的仅次于CO2的第二大温室气体。CH4对气候变暖的影响是所有影响全球气候变暖因素的15%～20%，其增温潜势是CO2的62倍。2005年大气中CH4的浓度为1774 ppb，比1998年增加11 ppb，每年大约有5～5.5亿tCH4进入大气，远远超过大气反应和土壤微生物可以利用消耗的总和[1]。其中，反刍动物年产CH4约7.7×107t，占大气中的CH4总量的25%，而且每年还以1%的速度递增[2]。反刍动物CH4气体的排放不仅造成环境污染，而且引起能量的损失。随着各国对温室气体排放的重视，调控反刍动物瘤胃功能减少CH4排放，使更多的能量和碳源转化为可供动物利用的挥发性脂肪酸，降低瘤胃发酵的能量损失，提高饲料利用率，这对缓解全球气候变暖具有重要的现实意义。

1 瘤胃甲烷的形成

瘤胃微生物发酵中，产甲烷菌利用瘤胃细菌、真菌、原虫降解底物所产生的物质生成甲烷，其中瘤胃甲烷主要来自于瘤胃中的H2和CO2的反应。Thauer等研究报道产甲烷菌是目前已 知的唯一一类以甲烷为代谢终产物的微生物，是产甲烷菌获得能量的唯一途径[3]。瘤胃内H2分压过高时，瘤胃有益菌的活性和生长受到抑制，产甲烷菌的存在能消耗H2，保持瘤胃内低水平的H2分压，这对维持瘤胃微生态的平衡具有重要意义。

2 瘤胃内微生物对甲烷的营养调控

2.1 去原虫

原虫在瘤胃纤维发酵中发挥重要的作用，瘤胃中50%左右的纤维降解活性来自原虫。大量研究表明有10%～20%的产甲烷菌寄生在原虫表面，其CH4产量占到瘤胃液总CH4产量的9%～25%，甚至37%。因此去除原虫可间接减少甲烷菌数量，进而降低反刍动物的CH4排放。添加含饱和脂肪酸的保护性脂肪可减少排放，亚麻油和椰子油是目前研究较多的去原虫植物油。McGinn等研究表明，肉牛日粮中添加400g/d的葵花籽油可使排放减少22%，总能的损失减少了21%。Mao等试验表明，添加大豆油使湖羊CH4产量降低13.9%，产甲烷菌数量显著降低，原虫数量略有下降。Hu等通过体外培养实验发现，茶皂素对原虫具有抑制作用，其中添加0.4 mg/ml茶皂素处理组的原虫数比对照组减少16.39%，CH4产量下降15.79%，微生物蛋白比对照组增加12.12%，改善瘤胃发酵的作用[4]。

2.2 增加乙酸生成菌

乙酸菌是存在于瘤胃内的耗氢菌之一，可同产甲烷菌竞争H2，改变H2和CO2的利用方式，生成乙酸。因此，提高乙酸菌对H2的利用是减少CH4生成的另一种方式。但是在瘤胃内产甲烷菌与乙酸菌共存时，产甲烷菌对H2的利用处于竞争优势地位，主要原因是只有较高的氢阈值才能满足乙酸生成需要。体外培养试验发现瘤胃液中添加乙酸菌时，CH4产量降低。增加乙酸菌在瘤胃内的数量是调控瘤胃发酵的可行途径，但由于人类分离得到的乙酸菌数量有限，还需进一步研究影响乙酸菌活性的因素和提高瘤胃内乙酸产量的方法。目前有效的方法是研究出高H2亲和性的特异乙酸菌，可在瘤胃内与产甲烷菌有效竞争，或在产甲烷菌受抑制的条件下添加乙酸生成菌，从而降低CH4产量。

2.3 甲烷氧化菌

甲烷氧化菌（Brevicillus parabrevis）以甲烷为唯一的碳源和能源，瘤胃内积聚的CH4是由CH4生成和氧化之差形成的。学者们已从瘤胃中分离到甲烷氧化菌，但目前有关瘤胃甲烷氧化菌对CH4抑制效果的报道非常少。Nelson等试验表明甲烷氧化菌作为益生素应用于体内和体外试验中，分别使CH4产量减少5.9%和18.2%。Kajikawa等研究发现，氧气、溴乙烷磺酸盐和钼酸盐可以抑制CH4氧化，瘤胃内的CH4氧化反应严格厌氧，并且与硫酸盐的还原反应偶联[5]。提高CH4在瘤胃内的氧化，可能是降低CH4产量的另一种途径，但其在瘤胃内的重要性、体内的应用效果、日粮的影响及应用的加量效应还需进一步研究。

3 饲料添加剂的调控

3.1 离子载体

离子载体是一类土壤微生物产生的聚醚类抗生素，离子载体降低CH4的产量机理可能是改变发酵类型，由乙酸型发酵转变成丙酸型发酵，或通过抑制H2的产生而降低CH4的产量。莫能菌素是广泛应用于调节瘤胃发酵的离子载体。Van Nevel等研究表明，莫能菌素能降低动物体内25%的CH4产量。Gaun等研究发现莫能菌素应用于肉牛时，饲喂低纤维饲料的牛CH4产量减少27%，而饲喂高纤维饲料的牛CH4产量减少30%。但是莫能菌素对CH4生成的抑制效果不持久，连续使用效果不佳。并且由于离子载体是一类抗生素，在畜产品中残留对人体健康造成严重威胁，越来越多的消费者反对其在日粮中的使用。

3.2 电子受体

甲醇和其他醇类及乙酸，都能作为电子供体合成甲烷，减少产甲烷菌对H2的利用，转移H2可减少CH4的产量。富马酸、苹果酸、延胡索酸等二羧酸作为丙酸合成的前体物，可充当H2的受体与产甲烷菌竞争H2，生成丙酸，从而减少生成CH4的H2。Li等通过体外培养试验发现在含有亚麻油的底物中添加苹果酸和延胡索酸不但能降低CH4产量，而且cis9、trans11-共轭亚油酸的浓度明显升高。虽然二羧酸能有效改变H2的利用途径，同时生成丙酸而降低CH4产量，但反刍动物二羧酸的添加会导致瘤胃pH降低，并且饲粮也影响动物的适口性。为了防止瘤胃发酵受到影响可以添加这些酸的钠盐，或制备成胶囊。富马酸二钠盐可以有效维持瘤胃pH值，同时促进瘤胃体外发酵和山羊体内发酵。Wallace等利用包被的富马酸产品降低CH4产量而不影响瘤胃发酵，体外培养时，包被在氢化植物油中的富马酸能抑制CH4的生成，同时不影响瘤胃pH值。体内试验进一步证实包被的富马酸能降低CH4产量，提高动物生产性能、增加活体增重及饲料转化率[6]。

3.3 植物提取物

关于植物的提取物调控反刍动物瘤胃发酵及降低CH4排放是目前广大学者研究的热点。大量体内试验和体外试验表明植物提取物会影响瘤胃CH4的生成。

反刍动物日粮中添加未皂化的脂肪能间接或直接的抑制CH4生成，间接作用包括降低不饱和脂肪酸双键、降低饲料摄入量、抑制原虫及增加丙酸产量；直接作用及脂肪酸对产甲烷菌的抑制作用。Mcginn等研究发现牛日粮中添加向日葵油能降低乙酸浓度提高丙酸浓度，降低乙酸与丙酸的比例。并且油脂对瘤胃CH4生成的抑制作用与饲料组成有关，Machmueller 研究发现，与粗料相比，在精料中添加椰子油对CH4排放的抑制效果更好。植物提取物包括皂角苷、单宁、精油等对瘤胃CH4产生有显著的抑制作用。皂苷主要通过对原虫的抑制作用来调控反刍动物CH4的产量。单宁对产甲烷菌具有抑制作用及对瘤胃纤维降解具有促进作用，故富含缩合单宁的植物能降低绵羊和牛瘤胃CH4生成，日粮中添加缩合单宁能减少山羊CH4的排放。Hu等体外培养使用高剂量的茶皂苷使原虫数量下降79%，CH4产量下降26%。

一直以来，科研工作者们一直在不断地探索寻找能有效降低瘤胃CH4生成的方法。到目前为止，已有较大的研究进展，根据CH4的合成机理，发现通过很多途径能抑制并降低CH4的排放，但同时很多研究结果也多少存在局限性，因而无法应用到实际生产当中。如甲烷卤化物可以直接抑制CH4生成，但是由于其生物安全性差或抑制时间较短，不适合在生产实际中使用；乙酸生成菌能与产甲烷菌竞争氢离子，使CH4产量降低，但是由于学者们分离得到的乙酸生成菌数量和对其认识有限等原因，此方法也无法用于实际操作；去除原虫可以降低CH4产量，通过减少与原虫共生的产甲烷菌数量来实现，但目前的去原虫技术，常常存在对其他瘤胃微生物或动物本身有害，至今还没有一种能应用于实际生产的去原虫技术；离子载体型抗生素也能降低CH4的合成，但因其在体内残留问题，在生产当中也遭到质疑。因此，需要对产甲烷菌和其他微生物的关系以及CH4的合成机理更加深入的研究了解，利用瘤胃基因组技术和新的“组学”技术，不断地开发研究降低瘤胃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.贵州家庭牧场高校生产关键技术研究与示范，黔科合NY字〔2009〕3090；2.贵州省农业科技园区项目.黔科合NZ字【2012】3027；3.岩溶草地农业生产关键技术研究与集成，黔科合重大专项字〔2011〕6009。

王胤晨（1989-），男，四川阆中人，硕士，主要从事反刍动物营养学研究。

张锦华（1973-），男，内蒙古人，博士，硕士生导师，主要从事草业生态恢复研究。