樊艳华，孙海洲，桑 丹，李胜利，张春华，吴宝升

（1.内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古呼和浩特010018；2.内蒙古自治区农牧业科学院动物营养与饲料研究所，内蒙古呼和浩特010031）

随着饲料资源短缺和环境污染的进一步加剧，单纯扩大养殖头数和忽略环境污染来提高动物性食品产量已经是难以为继。通过技术创新改变动物生产方式，提高动物个体产出率和资源利用率，是今后动物生产向资源节约型和环境友好型转变的主要方式之一。在现行的日粮饲喂体系下，同单胃动物相比反刍动物氮利用率较低，约为20%～36%，其余64%～80%［1］的氮以粪尿排泄物的形式排出体外。由于反刍动物存在特有的内源尿素氮再循环调节机制，允许尿素氮恒定地再循环回瘤胃，重新用于瘤胃微生物蛋白质的合成，成为小肠代谢蛋白质的主要贡献者［2］。因此，围绕提高反刍动物氮利用率这一目标，以充分利用反刍动物尿素氮周转规律为主线，详细剖析反刍动物氮代谢规律、优化日粮、调控瘤胃、建立和完善经济与环境友好型集成技术，是当前反刍动物低氮减排技术研究的重要措施。

本文结合国内外最新的报道，从当前对反刍动物氮代谢规律的最新认识、日粮和瘤胃因素对反刍动物氮利用率的影响以及经济与环境友好型集成技术等方面，综述提高反刍动物日粮氮利用率的研究成果，为畜牧业健康发展提供基础数据资料和参考。

1 对反刍动物氮代谢规律的再认识

谈论日粮对反刍动物氮利用率的影响，现行的饲养标准是一个着力点。目前，广泛采用的饲养标准体系主要是美国（Nutrient requirements of dairy cattle，NRC）、荷兰（Degraded protein balance，OEB）和法国的（The French national institute of agricultural science，INRA），表1 列出这些饲养标准中关于瘤胃微生物蛋白质产量的估算［3］。

Huhtanen等［10］分析报道美国奶牛的氮利用率从1960年的23.7%提高到2009年的24%。48年间奶牛的养殖头数由925万下降到855万头，奶牛年平均单产由7 847kg提高到8 886kg。这个实例对于当前提高氮利用率有很好的指导作用。一方面，研究者们感叹通过改善个体产奶量来提高的这0.3%的氮利用率，为实现资源节约和环境友好带来的贡献；另一方面，疑惑反刍动物氮利用率提高如此艰难和漫长的原因，是对反刍动物氮的代谢规律还有认识不深的地方吗？

反刍动物氮代谢包括瘤胃中氮的摄入、蛋白质在胃肠道的降解和消化、蛋白质在胃肠道的吸收、外周组织对氨基酸的利用四大关键点（图1）。现有的饲养标准基本反映了到20世纪末对上述四大关键点的认识。以Calsamiglia等［2］、Frink等［11］为代表对现有认识提出了三大疑问，诸如“瘤胃中微生物蛋白质的合成效率（effciency of microbial protein synthesis，EMPS）与氮利用率（effciency of nitrogen utilization，ENU）之争”、微生物蛋白质产量的估算、把氨氮作为微生物蛋白质合成的唯一氮源。以下将围绕四大关键点和三大疑问展开认识和剖析。

表1 欧美国家现行饲养标准中关于瘤胃微生物蛋白质产量的估算Table 1 The concepts used in various protein evaluation systems to estimate microbial protein synthesis

图1 反刍动物氮代谢示意图［12］Fig.1 Schematic of nitrogen metabolism of ruminants

1.1 瘤胃中日粮氮的摄入

反刍动物体内75%的代谢蛋白是由瘤胃微生物合成。而且瘤胃中产生的挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFA）可为整个机体提供70%以上的能量，又是合成乳脂、体脂、乳蛋白和提供葡萄糖的重要营养源。并把EMPS 作为评价整个动物机体氮利用率的唯一指标。Bach 等［13］对此提出了质疑，认为EMPS仅能代表瘤胃内的氮利用率。研究发现EMPS与瘤胃可发酵有机物质呈负相关，与瘤胃氨氮浓度不相关，而ENU 与瘤胃氨氮浓度呈负相关，并且发现EMPS和ENU 之间存在二次线性关系（图2）。由此认为，ENU 既能指导用于瘤胃微生物蛋白合成和生长的能量效率，又能很好的指导整个动物机体的氮利用率。

长期以来，研究者认为氨氮是合成瘤胃微生物蛋白的唯一氮源。但Russell和Fox等［14］发现小肽和氨基酸可作为分解非结构性碳水化合物的微生物群的氮源合成微生物蛋白。所以，过去饲养标准中氮需求的计算公式未考虑氨基酸和小肽的存在，造成日粮氮需求的虚高。过去在体外纯培养试验下，微生物蛋白质的合成量都是假定微生物蛋白质中核酸和氨基酸氮含量的比值恒定，即80%的氨基酸氮和20%核酸氮来折算［15－16］。事实上，这个比值受到饲料类型、细菌生长速率等的影响。已有报道改变混合日粮中牧草的比例，微生物蛋白质中核酸氮将从20.9%增加到27.2%。添加糖蜜，能够提高微生物蛋白质中的核酸氮。

图2 EMPS、氨、可发酵有机物（FOM）和ENU 之间的关系［13］Fig.2 The relationship between EMPS，ammonia，fermentable organic matter and ENU

1.2 蛋白质在胃肠道的降解和消化

进入到瘤胃内的氮包括日粮氮和内源氮。内源氮对机体氮的稳恒控制具有重要意义，主要是反刍动物体内氮代谢产物尿素经血液和门静脉回流内脏组织（portal drained discera，PDV）的上皮细胞以及乳腺上皮进入消化道（瘤胃）用于微生物蛋白的合成。下面将详细阐述影响尿素氮循环的因素和尿素在瘤胃上皮的转运。

1.2.1 影响尿素氮循环的因素 研究表明，循环尿素氮只有进入瘤胃才能合成微生物蛋白（microbial crude protein，MCP）用于吸收。唾液是通过日粮类型（精／粗）来影响尿素氮循环的重要途径（15%～100%）。经唾液循环的尿素，能够以唾液流量、尿素浓度形式测定。影响其分泌量的因素有反刍次数、采食量等，例如高纤维日粮或干草都会刺激反刍就能提高唾液分泌。Marini和Van Amburgh［17］发现摄入高水平氮时会提高唾液中尿素量，大约为进入肠道尿素总量的3%～4%。一般饲喂粗料时（70%左右）唾液转运尿素相对于精料时（23%）起主要作用。

提高日粮可发酵碳水化合物的比例，可增加循环进入瘤胃的尿素量和减少尿素转运到后肠道组织。因此，补饲谷物、淀粉、干果酱和蔗糖等能量物质可以显著提高瘤胃内蛋白质的降解。已有研究表明，这可能是降低瘤胃内氨的浓度、增加瘤胃内日粮的有机物的质量和发酵率等因素的共同结果。瘤胃内灌注蔗糖除了可降低瘤胃内氨和血液尿素的浓度以及增加胃肠道中循环尿素的量外，还可提高丙酸的产量。丙酸可以转化成葡萄糖，与氨基酸共同促进组织生长。真胃灌注丙酸可改善氮平衡和促进尿素转运进肠道。如果日粮中可发酵碳水化合物的利用率相对较高，日粮氮的缺乏刺激尿素氮的循环，微生物对氮的利用效率提高。

瘤胃内氨的浓度直接影响尿素进入胃肠道或可能会影响其它影响尿素进入胃肠道的发酵产物的浓度。氨进入瘤胃或血液是依赖于瘤胃与血液间的pH 和瘤胃壁细胞外与瘤胃液间的氨梯度，瘤胃内氨浓度较高会抑制尿素进入瘤胃，原因是瘤胃上皮界面的尿酶活性较高，产生了高浓度的氨，它和CO2的“边界层效应”会抑制尿素进入瘤胃。另外，早期的研究表明血液尿素浓度可促进尿素进入胃肠道。Lapierre和Lobley［18］综合了大量研究结果发现只有在血浆尿素浓度＜6mM（绵羊）和＜4mM（牛）时才成立，当超过上述浓度时，尿素转运可能会被瘤胃氨的“边界层效应”抑制。妊娠、泌乳等生理阶段的高水平代谢需求会增加尿素循环（经唾液和瘤胃壁）的量。研究表明，此阶段动物可通过提高消化道粘膜对尿素的通透性来完成。另外有报道在绵羊结肠和瘤胃上皮存在尿素双向转运现象，该机制对尿素在肠道中的转运意义重大。

Marini和Van Amburgh［17］在饲喂低蛋白日粮的后备母牛试验中发现，低蛋白日粮（氮为1.45%）时47%的尿素被肾脏重吸收，高蛋白日粮（氮为3.4%）时为8%，说明肾脏对尿素的重吸收有非常重要的作用。Goodman 等［19］发现，肾管中尿素的重吸收和调节尿液的渗透压也由如加压素等多种激素共同调控。另外有报道，胰岛素、生长激素释放因子以及NH3／NH4＋和CO2／HCO3－ 的比例也会影响尿素在瘤胃转运。

1.2.2 尿素在瘤胃上皮的转运 Chou等［20］发现有一种与水转运不同的尿素转运通道的存在－尿素氮转运蛋白（Uts）。Olives［21］分离出（Urea Transporters－B，UT－B），证明尿素跨膜转运是由通道蛋白介导的。反刍动物尿素氮代谢和UT－B的表达除了受以上提及的日粮蛋白水平与加工形式影响以外，还受家畜种类、精粗日粮类型、粗饲料的品质等因素的影响。Simmons 等［22］、Ludden 等［23］和Marini等［1］在肉牛、奶牛及绵羊上分别发现UT－B 的表达受日粮氮水平、家畜种类、精粗日粮类型、粗饲料的品质等因素的影响。关于此方面的研究，杜建文［24］就日粮不同的蛋白水平（CP% 分别为7.5%、10.5%、13.5%）与加工形式（破碎玉米与膨化玉米）对内蒙古白绒山羊消化道UT－B 表达影响研究上，发现日粮蛋白水平与加工形式显著影响机体氮代谢和UT－B在各组织中的表达量。

1.3 蛋白质在胃肠道的吸收

肠道是动物消化食物、吸收营养的主要场所，其内部耗氧量占整个机体耗氧量的25%。日粮氮在小肠内主要是以氨基酸的形式被吸收。氨基酸的代谢调节应主要围绕在瘤胃肠道微生物、内脏器官和外周组织三个层次。以奶牛利用氨基酸的效率为例，影响氨基酸转化效率的关键因素包括氨基酸在小肠的流通、消化和吸收，在PDV组织的转化以及外周组织对其的利用。

蛋白质在小肠流通量的评估包括可代谢蛋白合成的微生物蛋白和非微生物蛋白氮，可用小肠和回肠瘘测定。已有数据显示内源性蛋白占小肠总蛋白流通量的8%～16%（Lapierre）［25］，内源蛋白估测值直接影响蛋白质在胃肠道的吸收值。其次，蛋白质在胃肠道的降解受包括原料、处理过程、抗营养因子等因素影响。

肝脏是机体氮代谢和合成的主要场所，所有进入门静脉的含氮化合物都通过肝脏分配到机体各处。肝脏也是葡萄糖合成的主要场所，肝脏中大多数氨基酸的碳骨架被用于糖异生。增加葡萄糖和丙酸供给，可以节省用于糖异生的氨基酸，但是在肝脏里用于糖异生的氨基酸主要是非必需氨基酸（NEAA），所以节省的这些氨基酸并不能增加供给乳腺的必需氨基酸（EAA）。因此，乳蛋白质合成和乳中氮合成效率是通过代谢和激素信号来提高。

1.4 氨基酸在外周组织中的利用

以奶牛为例，氨基酸在外周组织中的利用主要是合成乳蛋白和机体组织生长（图3）［26］。乳腺对氨基酸的利用率高达60%以上。乳腺对氨基酸的利用可以在多方面进行调节，包括可利用的氨基酸到乳腺的调控、氨基酸被上皮细胞吸收并且合成酪蛋白和上皮细胞中的乳清蛋白的调控。大量研究显示增加小肠内的可利用氨基酸能增加血液中游离氨基酸（FAA）的浓度［27］，从而增加血液提供给乳腺的氨基酸，NO 可以提高乳腺血液流通，L－精氨酸作为产生NO 的主要底物，增加乳腺中精氨酸的量可提高氨基酸在乳腺的供给量。另外，乳腺可以通过局部反馈机制控制血液流通来调控氨基酸的可利用率。

图3 乳腺合成乳糖、乳蛋白和乳脂的代谢途径［26］Fig.3 Metabolic pathways for the synthesis of fat，protein and lactose in the mammary gland

Alema等［28］在小鼠的乳腺上皮上发现了氨基酸转运蛋白的基因表达。那么同样推断奶牛乳腺上皮也存在这样的转运蛋白，增加其表达量促进乳腺上皮对氨基酸的摄入，从而增加乳蛋白的合成。另外，现有的研究发现，在蛋白质的翻译阶段，蛋白激酶（mTOR）起着重要的作用，它可调节信使RNA（mRNA）翻译的起始和延伸阶段的信号通路。Richelle［29］给泌乳奶牛颈静脉灌注葡萄糖测定其对乳腺mTOR 的影响，得出结果灌注葡萄糖可调节胰

图4 以需求为基础的饲喂模式［30］Fig.4 Requirement－based system for diet formulation

2 影响反刍动物氮利用率的日粮因素

相当多的日粮因素调控着由肝脏合成产出的尿素氮返回到胃肠道的比例。主要包括日粮氮的浓度和氮进食量［10］、干物质采食总量、日粮加工方式［31］、日粮氮的周期变动水平［32］和日粮饲喂制度［33－34］。

2.1 日粮氮水平

日粮氮水平对反刍动物氮代谢和尿素氮循环有很大的影响。Kebreab 等［35］对580 个试验结果进行的荟萃分析表明，日粮氮水平不同显著影响粪尿、乳中氮的含量和乳氮合成效率。随着日粮氮水平增加粪尿氮排放和乳中氮量增加，而乳氮合成效率降低。当日粮氮为500g／d时，尿氮排放线性增加达60%，粪氮无显著的增加，而乳中氮含量增加了50 g／d，乳氮合成效率降低了15%［37］。如图6所示，每提高1%的日粮氮水平，乳中含氮量增加2.8g／d，粪尿中氮排放增加35.7g／d。Van等［36］的最新研究结果表明，在低氮日粮条件下，奶牛通过自身的内源氮周转调节机制，可以使由内源氮合成瘤胃微生物蛋白总量的比例提高，达15%。由上述研究结果岛素，胰岛素刺激mTOR 直接促进乳腺中乳蛋白的合成。

综上所述，反刍动物氮利用率的提高应综合考虑这四大关键点，它们之间是不可分割的。在今后的研究中，需要对三大疑问进行深入的认识并解答，补充和升级现有的饲养标准。现行的奶牛饲养标准是一个以“supply→requirements”为基础的营养体系（图4），该标准只考虑了维持正常体重、增长、妊娠和产奶量下的营养需要量。面对新形势的挑战，St－Pierre［30］等提出，应该建立一个以“supply→response”为基础的营养体系（图5），该标准的最新动态是更加关注乳的成分、体重的变化和粪污排放。可知，日粮氮水平增加，体内沉积氮增加，进入再循环的尿素氮增加，但日粮氮水平过高导致多余的氮随粪尿排出体外。另外，当日粮中的可发酵碳水化合物充足时，饲喂低氮日粮可增加内源尿素氮合成微生物蛋白质的效率。

图5 以响应供给为基础的饲喂模式［30］Fig.5 Response－based system for diet formulation

2.2 日粮采食量、谷物加工方式和牧草的品质

日粮采食量、谷物加工方式以及牧草品质对反刍动物尿素氮循环也有影响。Sarraseca等［39］研究发现，绵羊体内尿素产量随采食量的增加而增加，进入消化道的尿素增加。Theurer等［40］发现肉牛饲喂蒸汽压片高粱比干煸压片时尿素氮循环进入PDV的比例增加，经尿液排出的尿素氮减少，同时发现进入PDV 组织的尿素氮有77%进入瘤胃，仅有23%进入小肠。类似的，Alio等［41］发现饲喂蒸汽压片高粱时，内脏尿素氮的总产出减少，可能的原因是蒸汽压片提高了瘤胃内能氮的同步性，进而提高微生物蛋白质的合成。杜建文［24］研究发现膨化玉米与粉碎玉米相比，反刍动物日粮氮利用率增加。Archibeque等［42］评估两种牧草在两个氮水平下对尿素动力学和氮代谢的影响，发现尿素氮利用率在低氮摄入时较高。绵羊在高采食量和不同日粮（干草颗粒料／精－粗料）时，进入胃肠道的尿素氮（60%～70%）和用于合成代谢的尿素（45%～50%）比例都无变化。而进入胃肠道尿素的绝对量和返回到鸟氨酸循环的尿素会随采食量和精粗比增加而增加。可见，高投入可实现高产量，但并不能实现高效益，选择适当的采食量、牧草品种和谷物加工方式才是提高反刍动物氮利用率的关键。

图6 不同日粮蛋白水平下氮的损失（汇总1700种日粮得到的试验结果）［38］Fig.6 Effect of dietary CP on N losses（simulation based on 1700diets）

2.3 改变日粮饲喂制度

Cole［43］等通过如图7 示的日粮蛋白质变动设计，以48h作为基础变动，饲喂48h的低氮日粮随后饲喂48h高氮为一周期，称为变动低，反之称为变动高。发现与补饲氮间隔24h相比，48h的氮补饲间隔明显降低了绵羊尿氮的排泄量，调动绵羊的尿素氮循环机制，增加沉积氮，提高日粮氮利用率。Kiran等［31］在绵羊研究表明，饲喂变动日粮可调动反刍动物的尿素氮循环机制，降低粪尿氮排泄，增加沉积氮与总摄入氮的比例，而且用于合成的微生物蛋白质增加，机体氮利用率提高。Muscher等［44］通过US灌注取瘤胃上皮模拟尿素转运来测定尿素在瘤胃的流通量，结果显示与变动高氮日粮和中氮日粮相比，饲喂两天的变动低日粮的羊屠宰后所得到的尿素在基膜的流通更大。由上述结果可知，变动日粮的饲喂方式可提高反刍动物氮利用率。

图7 日粮蛋白水平周期变动设计［43］Fig.7 The periodic variation design of protein level in basal diet

3 影响反刍动物氮利用率的瘤胃因素

影响反刍动物氮利用率的瘤胃因素主要包括瘤胃原虫、瘤胃NH3－N 浓度、瘤胃细菌脲素酶活性、瘤胃可发酵碳水化合物、瘤胃挥发性脂肪酸（VFA）、CO2浓度及瘤胃pH 等。

瘤胃微生物区系的组成影响日粮蛋白质在瘤胃内的降解，尤其是原虫影响尿素氮循环。它占瘤胃微生物总量的比例很大，最重要的作用是吞噬颗粒状物质，甚至是瘤胃微生物，其中以细菌为主。在蛋白质降解时起重要作用，可降解不溶性蛋白质为肽和AA用于合成原虫蛋白质。但原虫不能利用NH3－N 合成AA，所以是NH3的净生产者。Firkins等［45］研究显示，驱原虫有利于尿素氮向瘤胃的转运。Eugène等［46］指出，驱原虫对瘤胃NH3－N 浓度的作用受日粮氮水平的影响，其提高氮利用率的优势在饲喂低氮日粮的动物上更为明显。Kiran和Mustsvangwa［47］在萨福克羊上利用含6%的葵花籽油部分驱除原虫，发现在低氮和高氮日粮水平下部分驱除原虫组与未驱除原虫组相比，瘤胃NH3－N 浓度降低，内源性尿素氮的生成量（UER）分别减少9g／d和8.2g／d，UUE的排出量分别减少4.3g／d和6.8g／d，尿素氮进入胃肠道的量（GER）分别减少4.6g／d和1.3g／d。韩春艳等［48］针对反刍动物大量饲喂低质纤维性饲料的特点，通过利用十二烷基苯磺酸钠减少原虫贫毛目中的内毛属和全毛目等可以利用淀粉和可溶性糖的原虫种类，保留贫毛目中的前毛属、头毛属和双毛属等可利用纤维的原虫种类。如此，不仅保留了全部驱原虫可提高纤维物质的降解的这个正面效应，而且还改变了瘤胃的发酵模式。

驱原虫持续时间的长短对反刍动物氮代谢的影响不同。目前国内外的研究主要集中在30d内的短期驱原虫上，而在长期的驱原虫方面没有相关的报道。Mosoni等［49］研究对比了10 周驱原虫和长达2年的驱原虫后得到的试验结果，发现短期驱原虫后分解纤维的菌群减少，日粮中纤维物质的降解降低，产甲烷菌减少，甲烷排出降低，与Eugène等［46］、Morgavi等［50］以及Belanche等［51－52］短期驱原虫后得到的结果相同；而长期驱原虫后分解纤维的菌群和产甲烷菌都增加。长期和短期驱原虫都不影响瘤胃内细菌的数量和种类，但短期驱原虫后，细菌群会不稳定。

在过去已有的试验中，使用的驱原虫方法主要包括：洗涤剂法（64%，气溶胶OT、alkanates、tericGN9、过氧化钙、硫酸铜），瘤胃处理法（11%，清空瘤胃原虫），天然日粮化合物（9%，植物皂素、植物油、牛奶和葵花油）、隔离刚出生的反刍动物（16%）。驱原虫后得到的分析结果：（1）动物平均日增重和产毛量增加，日粮的转化率降低；（2）OM、NDF 和CP在整个消化道内的降解率都降低，OM 和NDF在瘤胃的降解率降低，而十二指肠中的非氨氮和微生物蛋白在十二指肠的流通增加，尿氮排出减少；（3）瘤胃pH、NH3－N 以及VFA 降低，其中乙酸和丁酸降低，丙酸增加；（4）微生物蛋白的合成效率增加，瘤胃内有机物质表观降解率降低；（5）瘤胃容积增加，瘤胃液相流通率增加，固相流通率变化不大。

4 提高牧场反刍动物氮利用率的集成型技术

以上提及到的这些提高氮利用率的技术主要是从动物个体水平来谈的，但对于目前大规模的动物养殖来说，我们的立足点应贯穿于整个牧场内部的氮循环链，这就需要利用新型的软件将种植、营养、管理和环保等技术整合成资源节约与环境友好型的集成技术。应对新形势的发展，世界各国陆续推出了针对牧场下精确饲喂的管理软件。目前比较有代表性的是美国康奈尔大学Russell等于1992年提出一个牧场管理的子模型（http：／／www.cornell.edu／academics／departments.cfm），该模型包括饲料的种植、储存、动物对饲料氮的利用以及粪污排放四部分，并列出了相应的提高氮利用率的技术措施。

客观的讲，该模型今后的发展空间一方面需要在顶层设计上深究，如需把资源消耗、环境保护纳入模型评价体系，另一方面需要对涉及到的具体技术参数进行全面而系统的革新。Seo等［53］提出了新的固液体流通率方程，Law 等［54］将碳水化合物A部分分为A1（挥发性脂肪酸）、A2（乳酸）、A3（有机酸）、A4（糖），Lanzas等［55］重新分级蛋白质，以适应低氮日粮的精确配制。

5 小结

综上所述，通过详细剖析反刍动物氮代谢规律、调控日粮和瘤胃因素、建立和完善经济与环境友好型集成技术，充分利用尿素再循环机制来提高反刍动物氮利用率，是缓解当前蛋白饲料资源紧缺、改善环境污染的重要手段。值得注意的是，在反刍动物粪污尿氮排放的同时伴有甲烷和CO2等温室气体的排放。因此，未来的研究者们需要找到在提高反刍动物基本生产水平和畜产品安全的同时减少碳氮排放的最佳技术结合点，以实现反刍动物养殖的资源节约和环境友好。

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