■張春華 孫海洲 李勝利 趙存發(fā) 張崇志 桑 丹 金 鹿 珊 丹 凌樹禮 任曉萍

（內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院動物營養(yǎng)與飼料研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031）

反芻動物養(yǎng)殖過程中排放的甲烷（CH4），不僅造成飼料能量的損失和飼料資源的浪費，而且對當?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生污染，成為重要的溫室氣體排放源，并嚴重影響我國畜牧業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。因此，研究如何降低反芻動物生產(chǎn)中甲烷的排放成為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。目前，測定甲烷排放量的技術主要有：六氟化硫（SF6）示蹤法、呼吸代謝裝置測定技術、體外產(chǎn)氣法、CO2示蹤技術、模型化方法、微氣象測定技術、生物指示物法等，還有很多種方法正在發(fā)展過程中。其中，SF6技術由于具有較高的可變性而不適合用于比較個體動物的甲烷排放量[1]。呼吸代謝裝置測定技術費時、費力且不能應用于放牧動物甲烷排放量的測定。其他方法或者需要大型儀器設備、或者試驗周期較長、或者容易受環(huán)境條件的影響，都存在著一些不足。因此，開發(fā)簡便快捷的測定反芻動物甲烷排放量的技術，對于準確測定反芻動物內(nèi)源甲烷排放量、篩選有效的減排技術措施具有重要意義。目前，國外介紹了一種測定甲烷排放量的方法，主要通過測定反芻動物糞中產(chǎn)甲烷菌膜脂物質(zhì)阿克醇（archaeol）含量來預測甲烷排放量。已有的研究表明，糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間的相關性不是很強，差異顯著（r=0.55，P＜0.05）[2]；但Mc-Cartney等[3]的研究結果得出糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間存在著顯著的正相關。那么糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間到底存在著什么樣的相關關系，目前有關這方面的研究比較少。本文主要綜述了阿克醇的結構、產(chǎn)生過程、測定方法以及與甲烷產(chǎn)量之間的關系，為最終建立通過測定糞中阿克醇含量來預測反芻動物內(nèi)源甲烷產(chǎn)量的方法提供理論依據(jù)和技術參考。

1 阿克醇的結構

阿克醇為產(chǎn)甲烷古細菌膜脂，化學名稱為1,2-雙植烷酸甘油（2,3-diphytanyl-O-sn-glycerol），其分子結構由聚異戊二烯鏈與極性頭部通過醚鍵連接而構成，它的分子結構式詳見圖1。

圖1 阿克醇分子結構[4]

2 阿克醇的產(chǎn)生過程

2.1 產(chǎn)甲烷菌的脂質(zhì)結構

人或動物胃腸道中可以產(chǎn)生甲烷的微生物稱作產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)甲烷菌都屬于原核生物中的古細菌。產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的甲烷是瘤胃發(fā)酵能損失的主要原因，可導致反芻動物高達6%～15%的總能量以甲烷排放的形式損失掉。古細菌的極性脂質(zhì)有別于真細菌和真核生物的正常脂質(zhì)，是以植烷醇結構為特征。真細菌和真核生物的極性脂質(zhì)主要是由兩條直鏈脂肪酸通過酯鍵（-CO-O-）與甘油分子結合而形成軟脂酸鹽（palmitate）。在古細菌種系未發(fā)現(xiàn)之前，這種脂質(zhì)是所有生物所共有的特征，這種脂質(zhì)通常稱為正常脂質(zhì)。其后的研究發(fā)現(xiàn)，極端嗜鹽細菌和嗜熱嗜酸菌的極性脂質(zhì)與正常脂質(zhì)不同，雖然它們的脂質(zhì)也是由甘油和兩條長鏈烴類結合而成，但甘油和長鏈烴之間的結合是通過醚鍵（-O-）而不是酯鍵，并且這種烴鏈不是直鏈，而是支鏈，其鏈中每隔4個碳原子就有一個甲基（-CH3）。這種支鏈甘油醚的極性脂質(zhì)結構是古細菌的最基本特征，這一結構稱為植烷醇（phytanol），即古細菌脂質(zhì)（archae bacterial lipid）。真細菌和真核生物膜脂質(zhì)通常是由一個磷酸鹽頭連接到甘油主鏈的sn-1,2位置酯化成?；偶毦ぶ|(zhì)是由磷或磷糖頭連接到甘油主鏈的sn-2,3位置形成二烷基甘油醚（DAGE）脂質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷菌的膜脂質(zhì)與極端嗜鹽菌和嗜熱嗜酸菌的膜脂質(zhì)一致，主要是由甘油二醚、四醚、大環(huán)醚和羥基醚（sn-3和sn-2羥基醚）所構成[5]，所有古細菌的膜脂質(zhì)均含有共同的甘油醚脂類結構，這也成為了在種系發(fā)生上古細菌不同于真細菌和真核生物的重要標志之一。產(chǎn)甲烷細菌膜脂質(zhì)結構的基本骨架主要為：阿克醇、卡克醇（caldarchaeol）、馬克醇（macrocyclic archaeol）和海克醇（hydroxyarchaeol），其中，植烷醇甘油二醚為阿克醇，二植烷醇二甘油四醚為卡克醇，大環(huán)醚為馬克醇，羥基醚為海克醇，分為sn-3海克醇和sn-2?？舜?，具體基本結構詳見圖2。阿克醇（2,3-diphytanyl-O-sn-glycerol）是最簡單的甘油醚，廣泛分布在古細菌中。

圖2 產(chǎn)甲烷細菌的五種基本脂質(zhì)結構[5]

2.2 阿克醇的來源

研究證實，阿克醇主要是日糧在通過反芻動物消化道內(nèi)經(jīng)過消化，在糞中可檢測到，在其他草食動物的糞中則沒有發(fā)現(xiàn)阿克醇[6]，在動物日糧中也沒有被檢測到。為此，Mould等[7]對其進行了研究，發(fā)現(xiàn)阿克醇最可能是由瘤胃中的原核生物所產(chǎn)生，且數(shù)量要高于后腸道或糞中，Lin等[8]采用16s RNA法發(fā)現(xiàn)瘤胃中由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的阿克醇的濃度要高于動物后腸道所產(chǎn)生的阿克醇的濃度，進一步證實了阿克醇主要是在反芻動物的瘤胃中由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生，通過消化道隨糞樣排出。

3 阿克醇的測定方法

阿克醇含量的定量測定主要采用氣相色譜質(zhì)譜法（GC-MS）。首先采集反芻動物新鮮糞樣，于65℃烘箱中烘干72 h，研磨過0.8 mm篩制成風干樣以備分析；其次，采用改進的單相提取方法[9]取糞樣中的總脂肪含量，通過酸性甲酯化反應去除總脂肪的極性頭部基團，采用柱層析法得到醇部分；最后，對醇部分進行三甲基硅基化衍生化后（溶劑為乙酸乙酯），就可以采用氣相色譜質(zhì)譜儀對其進行分析，通過對比內(nèi)標1,2-雙二十六烷基甘油（1,2-di-O-hexadecyl-racglycerol）就可對阿克醇進行定量分析。

4 阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量的關系

日糧結構顯著影響著動物所產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量[1，10]。動物采食高粗料飼糧，其甲烷產(chǎn)量顯著高于采食高精料日糧。Johnson等[11]分析了奶牛日糧精粗比與甲烷產(chǎn)量之間的關系，發(fā)現(xiàn)采食高精料日糧后奶牛排放的甲烷量明顯少于采食高粗料日糧，原因主要為：精料在通過瘤胃時具有較高的流通速率、丙酸產(chǎn)量增加[11]、瘤胃中較低的pH值環(huán)境可直接抑制產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)生量[12]等。阿克醇是日糧在通過動物胃腸道中產(chǎn)生的，屬于產(chǎn)甲烷菌膜脂質(zhì)的基本結構，通過測定糞樣就可測定出阿克醇的含量[6]。研究表明，雖然動物日糧搭配方式顯著影響甲烷的產(chǎn)生，但糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間的相關性不是很強（r=0.55，P＜0.05），原因可能是該實驗中所使用的SF6技術存在實驗誤差，或者瘤胃中產(chǎn)甲烷菌并非都來源于古細菌等因素造成的[2]。另有研究表明，甲烷產(chǎn)量與瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量之間的相關性不是很強，原因可能是對瘤胃中古細菌種群的估計可能存在較大的實驗誤差而造成的[13]。但最新一項研究表明，糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間存在著顯著的正相關關系[3]。

對于非反芻草食動物，諸如馬、斑馬、象、犀牛來說，其胃腸道中的產(chǎn)甲烷菌也產(chǎn)生阿克醇，但由于所產(chǎn)生的阿克醇含量低于采用該種方法進行檢測的檢測限，所以采用這種方法在糞中檢測不到阿克醇的含量。目前發(fā)現(xiàn)，影響阿克醇含量、瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和甲烷產(chǎn)量之間關系的其它因素還包括瘤胃中古細菌的可選擇性保留，造成每個細胞中阿克醇含量產(chǎn)生差異的產(chǎn)甲烷菌群物種組成差異，DAGE過瘤胃消化差異、非產(chǎn)甲烷古細菌產(chǎn)生阿克醇的含量等。目前，國外有關反芻動物和非反芻動物糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量關系的文獻報道的比較少，國內(nèi)則沒有這方面的研究報道。因此，有關糞中阿克醇含量、瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和甲烷產(chǎn)量三者之間的關系還需做更深入的研究。

5 小結

目前，測定動物機體甲烷排放量的方法雖然很多，但每種方法都有其局限性。阿克醇是瘤胃中產(chǎn)甲烷菌膜脂質(zhì)的基本結構，通過測定動物糞中阿克醇的含量就可預測出甲烷產(chǎn)量。雖然不同的學者對反芻動物糞中阿克醇含量與甲烷產(chǎn)量之間的相關關系得出的結果不一致，但都表明二者之間存在著一定的相關性。目前，該方法是否能在我國反芻動物生產(chǎn)實踐中進行推廣應用，還需通過對我國的反芻動物的糞中阿克醇含量、瘤胃中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和甲烷產(chǎn)量之間的相關關系做進一步驗證。